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

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Formulação Matemática dos Processos AmbientaisParte 5: Eutrofização

Carlos Ruberto Fragoso Júnior

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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

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Revisão da aula anterior

Balanço total no sistema:

evaporação

arsatw

condução

arsw

águalongaOnda

longaondadeaatmosféricRadiação

Larar

líquidasolar

sn

eeUfTTUfcTs

ReATJJ

14

4

273

1031,0273

JATCQtTCQdt

dTmC spoutinpinp

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Formulação Matemática dos processos Processos no

Sistemas

Térmicos

Macronutrientes

Crescimento

Respiração

Mortalidade

Hidrodinâmica

Transporte de Massa

QuímicosFísicos Biological

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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.

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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.

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O termo vem do grego

"eu", que significa bom, verdadeiro;

"trophein", nutrir;

Assim, eutrófico significa "bem nutrido".

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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.

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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

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Classificação quanto ao nível de eutrofização

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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;

O problema da eutrofização

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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;


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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.


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Cianobactérias: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)

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1993, Bahia 88 pessoas morreram após consumirem água do

Reservatório Itaparica – nenhuma conexão com

cianobactérias (Teixeira et al. 1993)

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

(Soares, 2005)

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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)

Nutrientes

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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.

Fósforo

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Fósforo

P inorgânicoReativo

P orgâniconão-reativo

não-particulado

P orgânicoparticulado

P inorgâniconão-reativo

não-particulado

P inorgânicoparticulado

orgânico

inorgânico

Disponível não-disponível

Não-particulado Particulado

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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.

Fósforo

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Fósforo

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Fósforo - Processos

dessorção/adsorção

ADS4PO

biológicoconsumo

CB4PO

entodimsenofluxo

FS4PO

PODdoeralizaçãomin

MINPOD4PO

PIP,4POf4PO,sVeg,sPhytf

pH,OD,TfPOD,OD,TfS

biológicaoexcreção/emortalidad

MEPOD

entodimseoparafluxo

FSPOD

eralizaçãomin

MINPOD

ãodecomposiç

DECPODPOD

sFish,sZoo,sVeg,sPhytfpH,OD,Tf

POD,OD,TfPOP,OD,TfS

peixesporconsumo

FISPOD

nzooplânctoporconsumo

ZOOPOD


MEPOD

oresuspensã

sedFSPOD

entaçãodimse

FSPOD

ãodecomposiç

DECPOPPOP

sFish,POPfsZoo,POPf

sFish,sZoo,sVeg,sPhytfPOPf

POPfPOP,OD,TfS

dessorção/adsorção

ADSPIP

entodimsenofluxo

FSPIPPIP PIP,4POfpH,OD,TfS

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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)

Nitrogênio

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Nitrogênio livre (N2) Ion amonio (NH4

+)/amonia (NH3) Nitrito (NO2

-) / Nitrato (NO3-)

Nitrogênio orgânico

Formas de nitrogênio

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Nitrogênio

Nitrito/Nitrato

N orgâniconão-particulado

N orgânicoparticulado

Ion amonio/gas amonia

orgânico

inorgânico

Disponível Não-disponível


Nitrogêniolivre

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Nitrogênio

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Nitrogênio - Processos

ãoNitrifacaç

NIT4NH

biológicoconsumo

CB4NH

entodimsenofluxo

FS4NH

NODdoeralizaçãomin

MINNOD4NH

4NH,OD,TfNID,sVeg,sPhytf

pH,OD,TfNOD,OD,TfS

biológicoconsumo

CB3NO

entodimsenofluxo

FS3NO

açãodenitrifac

DEN3NO

ãoNitrifacaç

NIT3NO3NO

3NO,sVeg,sPhytfpH,OD,Tf

3NO,OD,Tf4NH,OD,TfS


MENOD

entodimseoparafluxo

FSNOD

eralizaçãomin

MINNOD

ãodecomposiç

DECNODNOD

sFish,sZoo,sVeg,sPhytf

pH,OD,TfNOD,OD,TfNOP,OD,TfS

peixesporconsumo

FISNOD


ZOONOD


MENOD

oresuspensã

sedFSNOD

entaçãodimse

FSNOD

ãodecomposiç

DECNOPNOP

sFish,NOPfsZoo,NOPf

sFish,sZoo,sVeg,sPhytfNOPf

NOPfNOP,OD,TfS

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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.

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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

Carbono

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Carbono inorgânico dissolvido CO2 – dioxido de carbono HCO3

- – bicarbonato CO3

- – carbonato Carbono orgânico

Formas de carbono

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Carbono

C orgâniconão-particulado

C orgânicoparticulado

Carbonoinorgânicodissolvido

orgânico

inorgânico

Disponível Não-disponível


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Carbono

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Carbono

atmosferadafluxo

2ATM

CID

biológicarespiração

RBCID

biológicoconsumo

CBCID

entodimseoparafluxo

FSCID

CODdoeralizaçãomin

MINCODCID

pCOf

sFish,sZoo,sVeg,sPhytfCID,sVeg,sPhytf

pH,OD,TfCOD,OD,TfS


MECOD

entodimseoparafluxo

FSCOD

eralizaçãomin

MINCOD

ãodecomposiç

DECCODCOD

sFish,sZoo,sVeg,sPhytfpH,OD,Tf

COD,OD,TfCOP,OD,TfS

peixesporconsumo

FISCOD


ZOOCOD


MECOD

oresuspensã

sedFSCOD

entaçãodimse

FSCOD

ãodecomposiç

DECCOPCOP

sFish,COPf

sZoo,COPfsFish,sZoo,sVeg,sPhytf

COPfCOPfCOP,OD,TfS

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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

Oxigênio dissolvido

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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);


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Peixes

PEIX2O

nZooplâncto

ZOO2O

Macrófitas

MAC2O

onFitoplânct

FIT2O

ãoNitrificaç

NIT2O

MOdaãoDecomposiç

DEC2O

.sedoparafluxo

Sed2O

aeraçãoRe

ATM2OOD

ffff

ffffS

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Determinação premilinar da eutrofização Método estequiométrico Razão N:P

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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)

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Composição estequiométrica da matéria orgânica:

HOPNOHCOHHPONHCO 1410710816106 211611126310622442

fitoplâncton

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Esta fórmula pode ser usada para determinar as razões de massa de carbono para nitrogênio e para fósforo

311:1416:12106

C : N : P

1272 : 224 : 31

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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%

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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

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Molhado

Seco

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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

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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.

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