Oxigênio e carbono em lagos Curso: Ciências Biológicas Disciplina: Limnologia Prof. José Fernandes Bezerra Neto

Química da água: Gases e principais íons Gases Oxigênio (O 2 ) Dióxido de carbono (CO 2 ) Nitrogênio gasoso (N 2 ) Principais íons (ânions e cátions)

1. Os gases constituem um tipo de impureza química da água: alguns são essenciais para vida, alguns são inertes, outros tóxicos; 2 2. As propriedades dos gases são governados por leis químicas e físicas; 3. Os gases tendem ao equilíbrio entre a concentração na atmosfera e aquela dissolvida na água; 4. A solubilidade de um gás é independente da concentração de outros gases em solução. Gases dissolvidos

Solubilidade dos gases A quantidade máxima de gás que pode ser dissolvida na água (100% de saturação) é determinada pela temperatura, concentração de íons dissolvidos e a elevação. A solubilidade diminui com o aumento da temperatura. A solubilidade diminui com a elevação do conteúdo iônico na água (STD, CE25, salinidade) a saturação de OD é menor em água salgada do que em água doce (para uma mesma temperatura, os sólidos desalojam os gases)

Efeito da temperatura Temp (o C) Temp (o F) O2- Sol (mg/L)

Efeito da altitude

Química da água: O 2 Requerido para respiração. Tóxico aos organismos anaeróbicos. Influencia os processos químicos.

Principais fontes de O 2 Fontes Fotossíntese (fitoplâncton, perifíton, macrófitas) O ar através da mistura causada pelo vento Entrada via tributários ou água subterrânea tributários podem ter alta ou baixa concentração de OD água subterrânea pode ter alta ou baixa concentração de OD Difusão (epilímnio para o hipolímnio e vice versa)

Energia via vento fotossíntese As duas principais fontes de O 2

Principais consumidores de O 2 Consumo Respiração bactéria, plantas, animais; água e sedimentos Difusão – respiração no sedimento Saída (tributário ou água subterrânea)

Principais perdas O2O2 O2O2 O2O2 Difusão Respiração na coluna de água Respiração no sedimento (bactéria and bentos)

No processo de mineralização das substâncias orgânicas, os decompositores utilizam o oxigênio dissolvido na água. O oxigênio dissolvido (OD) é deplecionado durante o processo de decomposição de poluentes orgânicos. Método de avaliação A Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO): o quanto de oxigênio é requerido para a quebra das substâncias orgânicas. Alto DBO, baixa concentração de OD. Fontes poluidoras que consomem oxigênio

Fontes pontuais de poluição Efluentes domésticos

Fontes pontuais de poluição Efluentes industriais

Fontes pontuais de poluição Efluentes provenientes de criatórios intensivos

Ocorre em áreas extensas Entra nos corpos de água de uma maneira difusa Difícil de se traçar o ponto de origem Magnitude relacionada com os eventos climáticos Fontes difusas de poluição

Declínio OD a juzante – Níveis de OD diminuem a juzante da fonte de poluição a medida que os decompositores metabolizam as substâncias poluidoras. Matéria orgânica particulada e dissolvida Esgoto, rejeitos da agricultura, carcaças, etc. Aumento MOD ou MOP --> aumento bactéria --> aumento DBO --> menos 0 2 disponível para a biota Fontes poluidoras que consomem oxigênio

A maioria dos peixes não sobrevive a concentrações de oxigênio < 2 mg/L Fisiologia dos peixes e o oxigênio

Eventos naturais podem desencadear a morte em massa de peixes em corpos de água. Exemplos: 1 – Lagos com uma grande quantidade de macrófitas aquáticas. 2 – Inversão térmica no período de verão. 3 – Tempestades muito fortes. Fisiologia dos peixes e o oxigênio

Eventos de mortalidade de peixes – sul da Flórida (1991 – 2001)

Variabilidade do O 2 A distribuição do oxigênio em lagos é influenciado por: Temperatura Padrões de mistura Produtividade Morfometria

Perfil de temperatura e oxigênio Baía oeste do lago Minnetonka, USA 8/31/2000 Temperatura Termoclina Oxigênio dissolvido Escalas: o C e ppm O 2 Forte estratificação térmica e de estratificação de oxigênio dissolvido

Gráfico de cores Cor de fundo OD Temp Plot de linha Escala Anoxia abaixo da termoclina

Gráfico de cores - Lago raso OD Temp

Terminologia do estado trófico Oligotrófico – baixa concentração de nutrientes e produtividade; usualmente alta claridade Mesotrófico – moderada concentração de nutrientes, produtividade e claridade Eutrófico – alta concentração de nutrientes e produtividade; baixa claridade

Verão Perfis de Oxigênio 4. Heterogrado Negativo Alta respiração e/ou decomposição no metalímnio O 2 mg/l T O2O2 Heterogrado Negativo T O2O2 Orthogrado Depth (m) 1. Orthogrado Baixa produtividade T O2O2 Clinogrado 2. Clinogrado Alta produtividade O 2 mg/l Depth (m) T O2O2 Heterogrado Positivo * 3. Heterogrado Positivo Aumento de solubilidade no metalímnio devido à temperatura Concentrações de algas no metalímnio

Interpretando perfis Questões 1.Qual a época do ano? 2.Explicar perfis Temp OD pH Temp pH DO

Temp pH DO Aqui um ciclo annual de um lago temperado Ciclos sazonais de temperatura & Oxigênio

Ciclo diurno do oxigênio

Ciclo sazonal do oxigênio

Gases: mistura causada pelo vento O Oxigênio após uma tempestade – Quantos eventos de mistura podem ser encontrados na Baía Halsteds – Lago Minnetonka, MN neste ano de amostragem?

O 2 : significado para o homem Afeta diretamente a fisiologia e o hábitat dos peixes Afeta indiretamente os peixes e outros organismos via substâncias tóxicas associadas com a anoxia: H 2 S NH 4 + (convertido a NH 4 OH e NH 3 acima ~pH 9) Afeta indiretamente o suprimento de água de abastecimento H 2 S (gosto e odor) Solubiliza Fe Via regulação da liberação do P do sedimento (mediado via adsorção em Fe(OH) 3 ) Afeta indiretamente as turbinas de reservatórios Via corrosão por H 2 S (mesmo aço inoxidável)

Gás sulfídrico – perfis de verão TT O2 H2SH2SH2SH2S H2SH2SH2SH2S anoxia 00 EutróficoOligotrófico Prof.

A importância do volume do epilímnio e do hipolímnio Esta decomposição remove oxigênio Organismos mortos caem no hipolímnio, aonde eles sofrem decomposição Morfometria e o oxigênio

A importância do volume do epilímnio e do hipolímnio Morfometria e o oxigênio Se a quantidade de material que cai é igual para os dois lagos, o hipolímnio de um lago mais profundo terá um estoque maior de oxigênio porque ele possui maior volume de água

Os lagos tornam-se anóxicos do fundo para a superfície Morfometria e o oxigênio Assim, o hipolímnio de um lago raso se tornará anóxico mais rápido

Aparelhos para medição do OD

Gases: CO 2 somente cerca de 0.035% do ar (~ 350 ppm) Concentração na água mais elevada do que o esperado devido à sua alta solubilidade Gás (a 10 o C) 1 atm (mg/L) pressão normal (mg/L) N2N O2O CO

C - Inorgânico: Principais fontes e consumo Fontes: CO 2 atmosférico Respiração e nos locais de decomposição na água Produtos de decomposição no solo (material alóctone) e água subterrânea Consumo: Conversões (dependente de pH) do bicarbonato e carbonato Precipitação do CaCO 3 e MgCO 3 em pH elevado Fotossíntese

Fluxo do CO 2 em lagos Difusão fotossíntese CO 2 respiração Entrada Saída O dióxido de carbono não somente se dissolve na água, ele reage com ela

A família do CO 2 CO 2 Dióxido de Carbono H 2 CO 3 Ácido Carbônico CO 3 2- Carbonato HCO 3- Bicarbonato Ca(HCO 3 ) 2 Bicarbonato de Cálcio CaCO 3 Carbonato de Cálcio H + Íon Hidrogênio OH - Íon Hidroxil

Revisão: pH Medida da acidez como a concentração de H+ pH varia de <1 a 14 7 = neutro < 7 = ácido (grande quantidade de íons H+) > 7 = alcalino (grande quantidade de íons OH-) pH = - log [H + ]

Revisão: pH pH = - log [H + ]

Reações do CO 2 na água <1% é hidratado para formar o ácido carbônico: CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 uma parte do ácido carbônico se dissocia em bicarbonato e íons hidrogênio: H 2 CO 3 HCO -3 + H + À medida que o pH se eleva, o bicarbonato se dissocia em carbonato: HCO -3 CO H +

Compreendendo a variação de pH CO 2 entrada (produz H+, diminui pH, mais ácido) CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 HCO H + CO H + remoção de CO 2 pela fotossíntese(remove H +, aumenta pH)

Equilíbrio do Carbono Inorgânico Nota – 100% CO 2 em pH ~12 H2CO3HCO3CO3 pH Fração da espécies de C

Mudanças no pH podem mudar a forma dominante de carbono na água Se há mudanças na forma dominante de carbono, pode haver mudanças no pH Equilíbrio do Carbono Inorgânico

A habilidade de resistir a mudanças no pH com respeito à adição de ácidos é chamada Alcalinidade Lagos que tem muito carbonato podem resistir a mudanças no pH com a adição de ácidos O sistema de tamponamento da água

Lagos em regiões kársticas tem alta capacidade de tamponamento e portanto são menos impactadas por chuva ácida. Lagos em solos graníticos podem ser altamente impactados Alcalinidade é mensurada pela titulação com ácido até o pH atingir o valor 4,5 Quanto mais ácido for necessário para alcançar 4,5, mais tamponado estará o lago contra mudanças no pH Química do CO 2 : Alcalinidade

Chuva ácida é um termo comum para descrever as muitas maneiras que os ácidos caem da atmosfera O melhor termo é deposição ácida porque não é somente chuva (deposição seca).

Mesmo sem poluição, a chuva tende a ser naturalmente ácida, devido ao fato do CO 2 na atmosfera reagir com a água para produzir ácido carbônico: CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 A acidez da chuva é suficiente para dissolver minerais na crosta terrestre, tornando-os disponíveis para a biota (esta acidez não causa danos). Chuva Normal tem um pH 5,5-6 A chuva natural

Outros fenômenos podem liberar substâncias para a atmosfera tais como: erupções vulcânicas, queimadas naturais, etc. podem contribuir para a acidificação natural da chuva. Chuva Normal tem um pH 5,5-6 A chuva natural

A formação da chuva ácida A chuva ácida é produzida pela combinação de processos naturais e antrópicos. Atividades industriais produzem uma grande quantidade de SO X e NO X que são transportados para uma longa distância na atmosfera. Quando estes gases precursores penetram em nuvens carregadas (tempestades), eles reagem com a água para formar ácido sulfúrico (H 2 SO 4 ) e ácido nítrico (HNO 3 ). Chuva ácida (pH < 4,2)

Os ácidos na chuva ácida As espécies ácidas na chuva ácida podem ser diferentes em países diferentes. O gráfico em pizza à direita mostra a situação nos EUA: Ácido sulfúrico– 65% Ácido nítrico– 30% Outros– 5%

O enxofre e a chuva ácida Acredita-se que o dióxido de enxofre (SO 2 ) seja o principal precursor da formação de gotas de ácido sulfúrico. A sua principal fonte na atmosfera é a combustão de combustíveis fósseis. Isto é devido ao fato do enxofre ser o contaminante natural do carvão e óleo. Dióxido de enxofre (SO 2 ) Ácido sulfúrico (H 2 SO 4 )

Óxidos de nitrogênio e a chuva ácida Os principais ingredientes para a formação do ácido nítrico são NO e o NO 2 (eles são frequentemente combinados em uma única categoria, NOX). As emissões de NO x em 1992

A quanto tempo o problema começou? Em 1968 Svante Oden (Suécia) demonstrou que a precipitação sobre os países da Escandinávia estava tornando-se mais ácida.

Quais são os efeitos da chuva ácida? U.S. EPA Acid Rain Program

Efeitos em ecossistemas aquáticos São nos lagos e nos riachos onde os mais dramáticos efeitos da chuva ácida podem ser claramente observados. É sabido que águas com baixo pH podem matar ovos de peixes e ovos de anfíbios – lagos e riachos inteiros podem ser colocados em stress, devastados ou destruídos. pH 5,9 pH 5,1 Lago Trout

Efeitos sobre a biota Stress sobre os organismos aquáticos Falhas na reprodução Danos nas guelras problemas respiratórios Falhas na eclosão dos ovos Interferência na absorção de Ca (moluscos)

Espécies aquáticas e a acidez da água

Experimental Lakes Area (ELA)David Schindler Acidificação do lago 223 Como a chuva ácida pode impactar os lagos? ( Em 2 anos, foi adicionado uma quantidade de ácido sufúrico concentrado ao lago igual a 18 anos de deposição ácida na região de Ontário - Canadá

Mysis relicta (7 milhões para 0) A espécie de peixe Fathead minnows não se reproduz Mais mudanças no fitoplâncton Perda de 1 espécie de zooplâncton (copépodo) Início do experimento em 1976, com um pH (1977)mudança na estrutura da comunidade fitoplanctônica 5.93 (1978) Schindler et al. 1985

5.02 (1981)Mais mudanças na comunidade zooplanctônica 5.64 (1979)Aumento na abundância de algas filamentosas Crustáceos com carapaça mole Minnow e sculpin declinam 5.59 (1980)Mais perdas de zooplâncton Perdas de espécies de crustáceos Mais espécies de peixes não reproduzem

Efeitos em ecossistemas aquáticos A extensão da mudança na acidez de um lago ou riacho é determinado principalmente pela capacidade de tamponamento do solo da bacia hidrográfica em que está localizada o corpo de água.

Vulnerabilidade do lago ou da bacia hidrográfica: u tipo de solo; u profundidade e permeabilidade do solo; u tamanho e forma da bacia; u tipo de vegetação / altitude: u Árvores decíduas – tamponam ácidos; u Coníferas – acidificam ainda mais o solo. Efeitos em ecossistemas aquáticos

A chuva ácida e o transporte atmosférico Transporte de poluentes a grandes distâncias do ponto de sua criação ao ponto do seu efeito. Suécia e Noruega: recebem constantemente a poluição atmosférica que vem da Inglaterra e da Alemanha