Formulação Matemática dos Processos Ambientais Parte 5: Eutrofização Carlos Ruberto Fragoso Júnior 11:11

Sumário Revisão da aula anterior Introdução Classificação dos corpos d’água quanto ao nível de eutrofização O problema da eutrofização Nutrientes Fósforo Nitrogênio Carbono Oxigênio dissolvido Determinação preliminar da eutrofização Estequiometria Razão N:P 11:11

Revisão da aula anterior Balanço total no sistema: 11:11

Formulação Matemática dos processos Processos no Sistemas Químicos Físicos Biological Hidrodinâmica Transporte de Massa Térmicos Macronutrientes Crescimento Respiração Mortalidade 11:11

Introdução A fertilização de um jardim “Uma coisa boa em demasia…” Quando lagos, estuários e reservatórios são muito fertilizados resulta em um crescimento de vegetação excessivo. Eutrofização: é o fenômeno da alta fertilização. 11:11

Eutrofização é... O excessivo enriquecimento em nutrientes (principalmente compostos de nitrogênio e fósforo) das massas de água e a conseqüente degradação dos sistemas aquáticos, é um fenômeno cada vez mais comum e na maioria das vezes é induzido direta ou indiretamente por atividades humanas. 11:11

Assim, eutrófico significa "bem nutrido". O termo vem do grego "eu", que significa bom, verdadeiro; "trophein", nutrir; Assim, eutrófico significa "bem nutrido". 11:11

Introdução Em um sistema natural este processo pode levar centenas de anos. A atividade antrópica acelera muito este processo pelo lançamento de nutrientes nos ecossistemas aquáticos. Eutrofização e o assoreamento pode levar o estuário ou lago a um pântano ou a um brejo. 11:11

Classificação quanto ao nível de eutrofização Oligotrófico – pobre em nível de nutrientes Mesotrófico – moderado em nível de nutrientes Eutrófico – rico em nível de nutrientes Hipereutrófico – muito rico em nível de nutrientes 11:11

Classificação quanto ao nível de eutrofização 11:11

O problema da eutrofização Quantidade: O alto crescimento de plantas flutuantes e fitoplâncton reduz a transparência da água e algumas espécie formam um tipo de espuma. Estas espécies podem obstuir filtros de tratamento da água, prejudicar a navegação e recreação; 11:11

O problema da eutrofização Química: Crescimento de plantas e respiração pode afetar a química do sistema. Oxigênio (para organismos) e Dióxido de carbono (no pH) são diretamente impactados. Em condições de pH elevado (freqüentes durante os períodos de elevada fotossíntese), a amônia apresenta-se em grande parte na formalivre (NH3), tóxica aos peixes, ao invés da forma ionizada (NH4), não tóxica; 11:11

O problema da eutrofização Biologia: Pode alterar a composição de espécies de um sistema. A biota nativa pode ser completamente substituida. Certas espécies de algas causam problemas de cheio e gosto na água (algumas são tóxicas). Geralmente, quanto mais eutrozifado é o sistema maiores são os problemas. 11:11

HEPATOTÓXICAS NEUROTÓXICAS Cianobactérias:  Cianotoxinas – toxinas produzidas por cianobactérias que apresentam efeitos adversos à saúde HEPATOTÓXICAS NEUROTÓXICAS - Morte entre poucas horas e poucos dias Hemorragia intra-hepática e choque hipovolêmico. Sinais observados: prostração, anorexia, vômitos, dor abdominal e diarréia (Carmichael & Schwartz,1984; Beasley et al., 1989). - inibem a condução nervosa por bloqueamento dos canais de sódio, afetando a permeabilidade ao potássio ou a resistência das membranas morte é devida a parada respiratória e ocorre de poucos minutos a poucas horas, dependendo da dosagem e consumo prévio de alimento. (Carmichael, 1992;1994) 11:11

Primeiro caso comprovado de letalidade de cianotoxinas em humanos 88 pessoas morreram após consumirem água do Reservatório Itaparica – nenhuma conexão com cianobactérias (Teixeira et al. 1993) 1993, Bahia 1996, Caruaru, PE 76 mortes - “Síndrome de Caruaru” (Carmichael et al. 2001) Microcistinas no reservatório da cidade, no centro de hemodiálise e no sangue dos pacientes (Jochimsen et al. 1998) Primeiro caso comprovado de letalidade de cianotoxinas em humanos 11:11 (Soares, 2005)

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Nutrientes Os nutrientes inorgânicos oferecem a base para a vida em ecossistemas aquáticos; São requeridos para o desenvolmento de celúlas, proteínas, ácidos nucléicos, etc. Os mais importantes são chamados de macronutrientes (nitrogênio, fósforo, carbono, oxigênio, sílica e ferro); A análise da eutrofização foca basicamente três macronutrientes (nitrogênio, fósforo e carbono) 11:11

Fósforo Fósforo é essencial para todos seres vivos; Tem um papel crítico na genética (moléculas de DNA) e no armazenamento e transferência de energia; Tem menor oferta em relação aos demais macronutrientes Não existe abundância na crosta da Terra; Não existe fósforo na forma gasosa; Adsorve em partículas finas (sedimentação). Atividades antrópicas resulta em descargas de fósforo em sistemas naturais. 11:11

Fósforo orgânico inorgânico P orgânico P orgânico não-reativo não-particulado P orgânico particulado orgânico inorgânico P inorgânico Reativo P inorgânico não-reativo não-particulado P inorgânico particulado Disponível não-disponível Não-particulado Particulado 11:11

Fósforo P inorgânico reativo: Também chamado de ortofosfato (PO4). Forma prontamente disponível para assimilação das plantas. P orgânico particulado: Esta forma consiste em plantas vivas, animais e bactéria, bem como o detrito orgânico; P orgânico não-particulado: Conteúdo orgânico coloidal ou dissolvido (decomposição do POP) P inorgânico particulado: Consiste em minerais fosfatados, ortofosfato adsorvido. P inorgânico não-particulado: fósforo condensado encontrado, por exemplo, em detergentes. 11:11

Fósforo 11:11

Fósforo - Processos 11:11

Nitrogênio Tão necessário para vida quanto o fósforo É usado pelos seres vivos para produção de moléculas complexas necessárias tais como aminoácidos, proteínas e ácidos nucleicos Afeta os níveis de oxigênio na água Amônia é tóxica para peixes Existem diversas fontes de nitrogênio (origem antrópica e natural) 11:11

Formas de nitrogênio Nitrogênio livre (N2) Ion amonio (NH4+)/amonia (NH3) Nitrito (NO2-) / Nitrato (NO3-) Nitrogênio orgânico 11:11

Nitrogênio N orgânico não-particulado N orgânico particulado Nitrito/ inorgânico Nitrito/ Nitrato Ion amonio/ gas amonia Nitrogênio livre Disponível Não-disponível Não-particulado Particulado 11:11

Nitrogênio 11:11

Nitrogênio - Processos 11:11

Nitrogênio - Processos Assimilação de amonia e nitrato: consiste na assimilação destas formas de N pelo fitoplâncton e macrófitas; Amonificação: transformação do nitrogênio orgânico para amonia (decomposição bacteriana, excreção, e lise celular) Nitrificação: Oxidação da amonia para nitrito e para nitrato via ação de um seleto grupo de bactérias aeróbias Denetrificação: Sob condições anaeróbias (no sedimento e no hipolímino anóxico), nitrato serve como um eletro para uma certa bactéria formando nitrito e principalemente nitrogênio livre. Fixação de nitrogênio: alguns orgânimos fixam nitrogênio direto da atmosfera. 11:11

Carbono O carbono presente nos seres vivos aquáticos e nos compartimentos orgânicos e inorgânicos é, originalmente, proveniente da atmosfera (CO2). Fonte para produção primária. O carbono pode ser limitante para a produção primária É utilizado para mensurar biomassa; Importante fator para o problema da poluição A decomposição pode afetar os níveis de oxigênio Muitas substâncias tóxicas estão associados a matéria orgânica Carbono orgânico pode ser transformado, naturalmente, em componente tóxico 11:11

Formas de carbono Carbono inorgânico dissolvido Carbono orgânico CO2 – dioxido de carbono HCO3- – bicarbonato CO3- – carbonato Carbono orgânico 11:11

Carbono C orgânico não-particulado C orgânico particulado Carbono inorgânico Carbono inorgânico dissolvido Disponível Não-disponível Não-particulado Particulado 11:11

Carbono 11:11

Carbono 11:11

Oxigênio dissolvido Essencial para vida aquática Subproduto da fotossíntese Estima-se que a cada 1 g de biomassa assimilada pela vegetação equivale a 1 g de oxigênio produzido 11:11

Oxigênio dissolvido Trocas de oxigênio na interface ar/água; Utilização de oxigênio na interface água/sedimento (i.e. a demanda de oxigênio no sedimento); Utilização de oxigênio pelas bactérias na degradação da matéria orgânica (i.e. a demanda de oxigênio dissolvido – DBO na coluna d’água); Utilização de oxigênio no processo de nitrificação; Produção de oxigênio pela fotossíntese e consumo por respiração fitoplanctônica; Utilização de oxigênio dissolvido devido a respiração do zooplâncton; Produção de oxigênio pela fotossíntese e consumo por respiração das macrófitas aquáticas; Utilização de oxigênio dissolvido devido a respiração de peixes; Utilização de oxigênio dissolvido devido a respiração de outros organismos (e.g. macroinvertebrados); 11:11

Oxigênio dissolvido 11:11

Oxigênio dissolvido 11:11

Determinação premilinar da eutrofização Método estequiométrico Razão N:P 11:11

Método estequiométrico Eutrofização é um processo que acontece na teia alimentar Um ciclo representa a troca entre duas componentes: produção (nutrientes inorgânicos em matéria orgânica) e decomposição (processo reverso) 11:11

Método estequiométrico Composição estequiométrica da matéria orgânica: fitoplâncton 11:11

Método estequiométrico Esta fórmula pode ser usada para determinar as razões de massa de carbono para nitrogênio e para fósforo C : N : P 1272 : 224 : 31 11:11

Método estequiométrico Protoplasma de uma planta tem aproximadamente 1% de P do peso seco Desta forma, podemos normalizar as razões de massa C : N : P 40% : 7,2% : 1% 11:11

Método estequiométrico Assim 1 g de peso seco de matéria orgânica tem aproximadamente 10 mg de P, 72 mg de N e 400 mg de carbono; A densidade de peso seco de biomassa é 1,27 g/cm3 e o peso molhado de biomassa tem aproximadamente 90% de água. A razão entre clorofila-a/carbono varia entre 10 a 50 μgCl/mgC 11:11

Método estequiométrico Seco Molhado 11:11

Exercício Considere que o estuário tem um volume de 1 x 106 m3 e a concentração de fitoplâncton é de 10 μg/L de clorofila-a. Se a razão clorofila-a/carbono é 25 μgCl/mgC, estime: A concentração de fitoplâncton como carbono orgânico Se a taxa de decomposição do fitoplâncton é 0,1 d-1, qual é a taxa da demanda de oxigênio em g/m3/d? Sabe-se que uma grama de carbono orgânico utiliza 2,67 g de oxigênio. Qual é a taxa de liberação de nitrogênio e fósforo em g d-1 11:11

Razão N:P O fósforo é freqüentemente citado como limitante ao crescimento de cianobactérias Ambientes com razão molar N:P menor que 15 são mais suscetíveis à dominância de cianobactérias, especialmente as fixadoras de nitrogênio, já em águas com razão N:P superior a 20 favorecem a dominância de algas eucariótica. 11:11