Agua Como Meio Ecologico

8/2/2019 Agua Como Meio Ecologico

http://slidepdf.com/reader/full/agua-como-meio-ecologico 1/147

1

Água como meio ecológico

EHD-002 – Engenharia Hídrica

2009



2

O ciclo hidrológico• Em larga escala, ciclos da água entre oceanos, atmosfera e o ambiente

terrestre via processo de evaporação, preicipitação, transpiração esuperfície e subsuperfície flui.

• Hidro

dinâmica é a variação no movimento da água e mudanças em suadistribuição no tempo e espaço.

Fluxo hidrológico(taxa de movimento



3

O ciclo hidrológico é fortemente influenciado pela energia da radiaçãosola

r, gravidade e rotação (efeito Coriolis) da Terra e gravidade da lua e

do sol (ondas do oceanos).

Energia solar influencia evaporação,transpiração e ventos.

Energia solar causa movimento daágua líquida, via diferenças dedensidade térmica e propagação dasondas de vento.

Efeito Coriolis influencia adireção do vento e acirculação de oceanos.

Gravidade da Terra influencia a

precipitação e fluxo superficial esubsuperficial.



4

Água como meio ecológico• Problemas ecológicos ⇒ elementos em

quantidades limites• Fatores em mínimo ou limitantes• Ex. Ambiente terrestre ⇒ luz• CO2⇒ fator limitante• Ambiente aquático ⇒ luz ⇒ fator limitante

• Penetração da luz dificultada - partículaem suspensão



5

Água como meio ecológico• Águas claras ⇒ elementos minerais (P, N)⇒ fatores limitantes.

• Outros fatores importantes –

• matéria orgânica ⇒ animais, bactérias• Sais minerais ⇒ vegetais• Micronutrientes



6

Água como meio ecológico• Organismos ⇒ contribuição para a

formação do ambiente• Úteis ou nocivos

• Produção de O2 pelos vegetais ⇒ úteis• Antibióticos ⇒ impedem o

desenvolvimento de outros organismos –

fungos (Penicillium )



7

Água como meio ecológico• Interações entre as várias espécies ⇒

qualidade e abundância de plâncton• Limnologia ⇒ estudo do ambiente químico

e físico em um lago.



8

Água como meio ecológico• Propriedades gerais das massas de água

• Principais tipos de mananciais• Poços, rios ou lagos

• Poços – Artesianos –

• Grande profundidade

• Nível de água acima do nível natural do lençolfreático



9

Água como meio ecológico• Poços artesianos

– Ausência completa de microrganismos – Pobreza de substâncias orgânicas

– Ausência de luz.



10

Água como meio ecológico• Rios

• Presença de correnteza• Não possuem concentrações tão elevadas

de substâncias nutritivas• Suscetíveis às influências do meio.



11


• Classificação• Natureza da fonte

• Glaciários, fusão da neve, nascentes edrenagem direta de chuvas (duraçãoefêmera)



12


• Nascentes do ponto de vista ecológico – Topográficas ou físico-químicas

• Teor de carbonatos• Potencial hidrogeniônico

• Nascentes ⇒ solos ⇒ papel regularizador



13

Água como meio ecológico• Rios - Constância

• Natureza perene ou intermitente• Declividade, tamanho, velocidade da

correnteza ⇒ fatores intimamenterelacionados

• Tamanho e declividade ⇒ velocidade

• Velocidade ⇒ fator ecológico maisimportante



14


• Rios – constância• Rios lentos ⇒ velocidade inferior a 0,5 ms-1

• Rápidos ⇒ Superior a 0,5 ms-1

• Zonas de velocidade



15

Água como meio ecológico• Zona 1 – águas muito rápidas ⇒ musgos

e hepáticas• Zona 2 ⇒ moderadamente rápidas ⇒ leito

de pedras ou cascalhos grandes –Ramunculus• Zona 3 ⇒ moderada ⇒ leito de cascalho

⇒ grande número de plantas superiores



16

Água como meio ecológico• Zonas 4 e 5 ⇒ média a lenta e muito lenta

ou desprezível ⇒ grande número devariedades de plantas



17

Água como meio ecológico• Regiões ecológicas

• Limnética ⇒ região pelágica dos oceanos⇒ que não depende do leito ou dasmargens

• Pedônica ⇒ (bentônica dos oceanos) ⇒corresponde ao leito e região litorânea ouparalimnética (litorânea dos oceanos)

margens dos rios



18

Água como meio ecológico• Organismos pedônicos ⇒ ao sabor da

correnteza ⇒ planctônicos



19


• Natureza do leito• Maior velocidade ⇒ leitos com seixos de

maior volume• Menor velocidade ⇒ sedimentação do

material mais fino e leve

• Rios de grande volume ⇒ leito de rochanua ⇒ 1,20 ms-1



20

Água como meio ecológico• 0,60 – 1,20 ms-1 ⇒ cascalhos

• 0,30 – 0,60 ms-1 ⇒ silte e pedregulho• 0,20 ms-1 ⇒ arenoso

• 0,20 – 0,12 ms-1 ⇒ siltoso• Menor do que 0,12 ms-1 ⇒ lodo ou vaza

(lagos, lagoas)



21

Água como meio ecológico• Temperatura

• Importante fator ecológico• Variação de temperatura

– Economia de O2

– Economia de CO2

– Teor de carbonatos – pH

• Trutas e salmões



22


• Produtividade• Capacidade de alimentar microrganismos

• Massa de organismo pedônico sobre áreado leito.



23

Água como meio ecológico• Lagos

• Maior estabilidade• Maior superfície de evaporação

• Maior sedimentação do lodo do fundo• Geológico ⇒ formação transitória

(deposição de sedimentos e invasão da

vegetação)



24


• Origem• Natural ⇒ fenômenos vulcânicos,

tectônicos• Artificiais• Ponto de vista ecológico ou sanitários ⇒

sem distinção entre ambos



25


• Temperatura• Calor ⇒ não uniforme• Certas épocas ⇒ estratificação térmica ⇒

camadas• Epilímnio ⇒ superficial ⇒ temperatura

uniforme

• Metalímnio ⇒ Brusca queda de temperatura• Hipolímnio ⇒ variações moderadas



26

Água como meio ecológico• Fenômeno de circulação ⇒ (vento) ⇒

camada superior• Período de estagnação

• Período de circulação total ⇒ atinge todaa massa de água



27


• Tropicais ⇒ entre 20 e 30º C – Circulação total ⇒ épocas mais frias –irregular

– Pequeno gradiente térmico – Gradiente de densidade suficiente ⇒estratificação

• Subtropicais ⇒ temperatura da superfície≥ 4º C – Variação anual é grande

– Sem estratificação inversa



28

Água como meio ecológico• Temperados ⇒ temperatura da superfície ⟨ 4º C

no inverno – Maior do que este valor no verão – Gradiente térmico elevado – Variação anual grande

– Dois períodos de circulação total – primavera e finalde outono

• Subpolares ⇒ Temperatura da superfície ⟩ 4º C

⇒ curto período no verão – Gradiente térmico pequeno



29

Exemplo de um lago:Lago temperado formadopor falha geológica,

mostrado durante o verão.As diferenças de densidadedevido à temperaturaresultam em camadasestáveis ou estratos. Este

processo é chamado deestratificação.

Know your lake regionsfor benthic and openwater habitats.

Why the difference inO2 and CO2?

(Cole, 1994; Fig 2.1)(Cole, 1994; Fig 2.1)



30

Produtividade Biológica – Status

Trófico



31

Água como meio ecológico• Subpolares

– Metalímnio ⇒ pouco desenvolvido – situadopróximo à superfície

– Circulação total ⇒ início do verão e início do

outono• Polares ⇒ temperatura da superfície

sempre abaixo de 4ºC – capa de gelo –circulação no verão



32

Água como meio ecológico• Lagos – ordens

• Primeira ⇒ temperatura de fundo em torno de4ºC, lagos profundos com mais de 60 m

• Segunda ⇒ estratificado termicamente ⇒

temperatura de fundo menor do que 4º C, 8 a 60m de profundidade

• Terceira ⇒ não estratificados ⇒ lagos rasos ⇒

menores do que 7 a 8 m



33


• Produtividade – Antiguidade

– Lagos mais profundos e recentes ⇒ fundopobre ⇒ fauna menos rica

– Lagos rasos de formação antiga ⇒ situaçãocontrária



34


• Lagos mais profundos de origem recente• Zona efetiva de penetração de luz

(habitada por algas) ⇒ zona autotrófica oufotossintética ⟨ zona heterotrófica ou zonade decomposição



35


• Lagos oligotróficos ⇒ pouco produtivos• Lagos eutróficos ⇒ mais antigos, ricos

em nutrientes e rasos• Eutrofização de um lago ⇒ evolução



36

Água como meio ecológico• Processo de eutrofização de um lago

– Cor, turbidez ⇒ fatores que determinam variações napenetração da luz – Nutrientes minerais, micronutrientes, fatores físicos

⇒ produção de algas

– Sedimentação• Lagos distróficos ⇒ características morfológicas

de lago eutrófico ⇒ alto teor de material em

suspensão ⇒ baixa produtividade ⇒ tipointermediário



37

Produtividade e status trófico• Produtividade de um ecossistema é geralmente

classificado de acordo com os estados tróficos porconveniência:

– Oligotrófico (baixa) – Mesotrófica (média) – Eutrófica (alta)

• Estes estados representam faixas em um continuum depotencial de produtividade em um sistema.

• O ímpeto para identificação de estado trófico veio deobservações que determinados biotas (de algas paraespécies de peixes) estiveram frequentementeassociados com níveis de nutrientes específicos.



38

Produtividade e status trófico• Ser capaz de classificar sistemas é conveniente

para comparação de diferentes áreas bem comopara a definição de objetivos do gerenciamentoe pontos de referência.

• Estado trófico é geralmente definido como umfunção da biomassa de fitoplâncton /

concentrações de clorofila, concentraçãoes denutrientes e/ou claridade da água.



39

Classificações fixas de limites

OECD = Organização para cooperação econômica e desenvolvimentoP Total = fósforo dissolvido em formas sólidas; inorgânico e orgânico.

Chl médio = média anual de clorofila.

Secchi médio = profundidade média em que um disco preto e branco não pode

ser mais visto.



40

Distribuição de probabilidade



41

Escala de valor contínuo (Carlson,

1977)



42



43

Propriedades físicas das massas

de água• Densidade resultante de grandes volumes ⇒ não

uniforme• Causas – Presença de substâncias dissolvidas ou em suspensão – Pressão

– Temperatura• Substâncias dissolvidas ⇒ pouca influência em

águas doces

• Pressão ⇒ (4ºC, 1 atm) ⇒ 1 – 10 atm ⇒ 1,0005 – 20 atm ⇒ 1,001

P i d d fí i d



44


de água• Variações da temperatura ⇒ principal causa da

mudança de densidade ⇒ zonas de massa deágua diferentes ou em tempos diferentes• Densidade sempre diminuída ⇒ baixa ou eleva a

temperatura de 4ºC• Diferença de densidade ⇒ maior em altas

temperaturas• Peso específico ⇒ 775 vezes o do ar ⇒ grande

significado ecológico• Ex. hidras ⇒ perdem sua forma característica noambiente terrestre.

P i d d fí i d



45


de água

• Viscosidade e tensão superficial• Obstáculo aos movimentos do deslocamento• Viscosidade muito superior à do ar

• Animais aquáticos ⇒ grande força muscularpara se deslocarem

• Algas ⇒ se servem da viscosidade para nãoafundar

P i d d fí i d



46


de água• Viscosidade é tanto maior quanto mais baixa for

a temperatura• Duas vezes maior na água à temp. próxima de

0º C do que a 25º C.

• Tensão superficial ⇒ importante elementoecológico,• Atração unlateral ⇒ moléculas de interface

líquido-ar ⇒ filmes

• Organismos com superfícies não-molháveis• Pequenos organismos ⇒ filmes ⇒ barreira

intransponível (pequenos crustáceos)

P i d d fí i d



47


de água• Ângulo de contato ⇒ pequeno menisco ⇒

do contato do caules, folhas com as águas• Menisco negativo ou positivo ⇒ superfícierepelente ou molhável, respectivamente

• Plantas que emergem da água ⇒superfície encerada ⇒ meniscosnegativos

• Acúmulo de substâncias gelatinosas oumicrorganismos ⇒ superfície molhável

P i d d fí i d



48


de água• Três interfaces

– Água-ar – Água-planta – Planta-ar

• Valor de intersecção ⇒ relação entre oseu comprimento, em metros lineares e asuperfície água em m2

• Importância ecológica⇒ população delarvas e de mosquitos




49


de água

• Quanto maior a área de intersecção ⇒

maior o número de larvas• Limite ⇒ cobertura vegetal densa ⇒

postura dos ovos ou respiração das

formas larvárias.

T ã fi i l • Nas interfaces água-ar ou água-



50

Tensão superficial Nas interfaces água ar ou águasólido, moléculas de água estão

completamente ligadas pelo H, juntas, como uma molécula decamada fina de gelo.

• Esta tensão de força adicionada éutilizada por muitos artrópodos

aquáticos ou semi-aquáticos.

• Isto também explica a habilidade daágua a se comportar contra agravidade em espaços estreitos; ação

capilar.

Water strider (right)

Fishing Spider (left)



51

Propriedades da luz na água• Refração

• Atenuação com a profundidade• Luz e status trófico• Aplicação do disco Secchi



52

Propriedades da luz na água• Penetração da luz e atenuação



53

Propriedades da luz na água

A quantidade refletida depende das condições da onda e a cobertura de gelo.

Luz que penetra a superfície pode então ser absorvida, refletida ou transmitida.

A intensidade da luz decresce logaritmicamente com a profundidade; um

processo denominado Atenuação (extinção).

Zona Eufótica

1% Io

Refração:



54

Refração:• Um peixe na água parece maior e mais próximo do

que realmente é ou está, devido à “quebra” dosraios de luz para a superfície à medida que a ela

deixa a água e direção aos seus olhos.

Coeficiente de atenuação (ou



55

• Diferentes comprimentos deonda da luz são absorvidosdistintamente na água. Azuis everdes penetram maisprofundamente e vermelhas, omínimo. Por que o “azul do mar

profundo”?• Partículas e matéria orgânicacolorida dissolvidas vãoposteriormente influenciar como

rapidamente cores diferentes de luzsão absorvidas em águas naturais.

extinção) k é definido como:

k = (ln I o – lnI z ) / z

Intensidade da luz a umadada profundidade pode ser

calculada como:I z = I o e -kz



56

Profundidade Secchi e Status



57

Profundidade Secchi e Status

Trófico• Profundidade Secchi (Z SD) pode ser usada para estimar o coeficiente de

atenuação (k ).

• k = 1.7 / Z SD ; ou seja 1% do nível de luz sendo 2,7 vezes Z SD, ou que 16%da irradiância da superfície permanece na ZSD.

Reflexões dos raios solares:



58

Reflexões dos raios solares:

variações de cor e de turbidez• Intensidade das radiações ⇒ inclinação dos

raios• Altitude e transparência da atmosfera ⇒ outros

fatores de importância• Luminosidade do céu ⇒ difusão dos raios

solares ⇒ afetam ondas de pequenocomprimento ⇒ coloração azul

• Radiações da lua ⇒ 1/40000 sol ⇒ peq.

variação do fitoplâncton



59

Reflexões dos raios solares• Energia total recebida ⇒ 15 kCal/m2 /min

⇒ regiões mais quentes• Reemissão ⇒ aquecimento do solo ⇒

radiações obscuras terrestres (grande λ)

• Superfície do lago ⇒ coloração ⇒

absorção de grande parte das radiações

• Reflexão depende do ângulo de incidência



60

Reflexões dos raios solares• Porção de radiações que atravessa a massa de

água: – Luz: atravessa o líquido, muda em qualidade – Calor: absorvida pela água

• Grande importância para a vida e distribuiçãodos organismos aquáticos• Grau de penetrabilidade: fator de grande

importância ecológica• Luz abundante ⇒ CO2: fator limitante ⇒rendimento da fotossíntese



61

Reflexão dos raios solares

• CO2 na água (sobretudo com poluiçãoorgânica) ⟩⟩ atmosfera ⇒ luz como fator

limitante para organismos submersos(grande profundidade)• Intensidade de saturação ⇒ intensidade

máxima de luz utilizável pelos organismosfotossintetizantes



62

Reflexão dos raios solares

• Regiões mais profundas ⇒ luz utilizadacom a máxima eficiência

• Profundidade de compensação ⇒ ondetodo O2 produzido pela fotossíntese éconsumido por respiração.



63

Reflexão dos raios solares• Profundidade de compensação:

• Regiões inferiores ⇒ tendem a consumirO2

• Superiores ⇒ tendem a enriquecer-se emO2

• Fator importante para o dimensionamento

de lagoas de estabilização de esgotos.



64

Reflexão dos raios solares• Quantidade de luz ⇒ preferências pelosorganismos clorofilados

• Radiações mais eficientes ⇒ vermelha-alaranjada e azul-violeta• Teoria quântica de Plank ⇒ a luz é emitida ou

absorvida de modo descontínuo• Quantum ⇒ energia mínima emitida ouabsorvida ⇒ proporcional à freqüência daradiação ⇒ luz azul (maior quantidade deenergia)

• Fótons ⇒ forma de corpúsculos presentes naemissão ou absorção da luz



65

Reflexão dos raios solares• Espectro de absorção de clorofila ⇒ luzes azul

e vermelha

• Luz vermelha com maior rendimento• Outros pigmentos presentes ⇒ azuis, amarelos

e vermelhos ⇒ podendo realizar fotossíntese• Ex. Algas vermelhas ⇒ pigmentos vermelhos• Fluorescência ⇒ reemissão de luz de outro

comprimento de onda ⇒ determinadosorganismos.



66

Reflexão dos raios solares• Transmissão da luz ⇒ interferência de

outros fatores – Ação seletiva da água (transparente àsradiações de curtos comprimentos

– Ação de matérias em suspensão – Efeito seletivo das matérias corantes

• Cor e turbidez



67

Reflexão dos raios solares• Turbidez ⇒ dispersão dos raios luminosos• Remoção ⇒ filtração ou sedimentação• Turbidez verde ⇒ grande número de

microrganismos clorofilados• Coeficiente de extinção ⇒ porcentagem de luz

perdida em cada m de profundidade• Coeficiente de transmissão ⇒ porcentagemtransmitida por m de profundidade

• Importantes na produtividade ⇒ realização defotossíntese ⇒ quantidade de plâncton vegetal



68

Reflexão dos raios solares• Lei de Beer-Lambert ⇒ cálculo da

intensidade luminosa a uma profundidaded:• Id = Ioe-kcd

• Id = intensidade da luz após a passagemem um meio, com coeficiente de absorçãok , concentração c e profundidade d

• I0 = intensidade original da luz



69

Reflexão dos raios solares• Coeficiente de extinção

• Id = Ioe-nd

• Onde n = kc• Na prática calculado pelo disco de Secchi

• Organismos planctônicos (vegetais ouanimais) ⇒ causa de turbidez na água

• Floração das águas ⇒ tapete constituídopor algas



70

Reflexão dos raios solares• Cor ⇒ forte ação seletiva sobre a luz• Água “pura ” ⇒ absorve 90% da radiações

com λ entre 7400 e 8000 A

• Substâncias coloridas no meio ⇒absorção de ondas luminosas no extremoazul do espectro

• Água de lago com 30 unidades de cor ⇒100% das radiações com λ de 4000 A



71

Reflexão dos raios solares• Cor em águas naturais ⇒ produtos de

decomposição de matéria orgânica ou dohúmus de solos adjacentes ⇒ relaçãoquantitativa entre carbono orgânico e cor

• Poluição ⇒ propriedades óticas de um

manancial ⇒ cor e turbidez• Indústrias têxteis, curtumes (tanino)• Esgotos domésticos ⇒ aumento de turbidez

• Irrigação, dragagens de areia, queima de matas



72

Reflexão dos raios solares• Perda de turbidez ⇒ sedimentação ⇒

diminuição da velocidade• Represamento de um rio (turbidez e cor

elevadas) ⇒ condições de luminosidadeadequadas para o desenvolvimento de flora efauna clorofiladas

• Material em suspensão ⇒ adesão à superfíciedos microrganismo ⇒ arraste para o fundo

Variações da temperatura –



73

Estratificação térmica• Duas formas de comportamento:

• Homeotermos (aves e mamíferos):presença de dispositivo termostático• Poiquilotermos: reações orgânicas

limitadas pela temperatura ambiente• Clima aquático ⇒ mais estável que oclima aéreo.

• Água ⇒ elevado calor específico




74

Estratificação térmica• Radiações solares ⇒ calor em massa d’água

• Condensação do vapor na superfície – fontestermais ⇒ outras formas de calor• Calor perdido por radiação e evaporação

• Condução de calor para o fundo• Capacidade de penetração ⇒ energia da

radiação e quantidade de material pigmentado

• Regiões superficiais afetadas pela radiação




75

Estratificação térmica• Transferência de calor para as camadas mais

profundas ⇒ circulação ⇒ diferenças dedensidade

• Ação do vento

• Ação da correnteza ⇒ rios• Condução de calor ⇒ extremamente lenta• 99% da radiação ⇒ absorção nos primeiros 10

m

Densidade da água



76

Calor sensível versus calor latente da águaTemperatura da água líquida responde de modo constante à medida que o calor éadicionado ou removido; chamamos isso de calor sensível à medida que nós



77

adicionado ou removido; chamamos isso de calor sensível à medida que nós

podemos sentir a mudança de calor pela medição da mudança da temperaturacom um termômetro.

Entretanto, nenhuma mudança de temperatura é observada na remoção de80cal/g da água líquida 0ºC para se converter em gelo a 0ºC. Isto é chamado de

calor latente de fusão (congelamento). Há também calor latente de evaporaçãode 585 cal/g para água se converter em gás, ou seja, energia necessária paraquebrar todas as ligações de Hidrogênio.




78

Estratificação térmica• Estrato de elevada estabilidade ⇒ lagos com p

> 12 m

• Primeira camada ⇒ epilímnio (≈ 10 m)• Camada intermediária ⇒ termoclina, camada de

descontinuidade ou metalímnio• Camada inferior > 20 m ⇒ hipolímnio ⇒

variações de temperatura muito pequenas

(acumula consideráveis quantidades de calor).

O Termoclina como uma barreira!



79

Grandes quantidades de energia são necessárias para “quebrar” umtermoclina bem estabelecido. É uma barreira para as correntes de transportede solutos (como nutrientes) do hipolímnio e retarda o fluxo de partículas do

epilímnio.




80

Estratificação térmica• Distribuição de calor em um lago ⇒ impulso das

moléculas pelo vento ⇒ circulação da massad’água.

• Deslizamento das partículas de água ao longoda superfície de margem a margem ⇒

resistência das camadas mais frias• Fenômeno variável segundo a época do ano

• Verão ⇒ circulação total da massa líquida




81

Estratificação térmica• Circulação total da primavera

• Regiões de clima temperado ⇒ elevação datemperatura (≈ 4ºC)• Estabilidade de estratificação = zero

• Vento ⇒ causador da mistura• Camadas superiores afundam (densidade

maior)

• Mistura total da água ⇒ temperatura uniforme




82

Estratificação térmica• Estagnação de verão:

• Aquecimento progressivo da superfície• Circulação apenas na região superior• Máximo de estabilidade de estratificação




83

Estratificação térmica• Circulação parcial de outono

• Destruição progressiva da estratificação⇒ abaixamento gradual da temperaturada superfície

• Camadas superiores na termoclina ⇒

processo lento de uniformização datemperatura




84

Estratificação térmica• Estagnação de inverno

• Inversão de estratificação do lago• Água a 4ºC ⇒ fundo do lago• Camadas de menor temperatura ⇒ acima• Gelo ⇒ proteção contra a ação dos

ventos




85

Estratificação térmica• Lagos de regiões equatoriais, subtropicais• Estratificação ⇒ intensidade e periodicidade

diferentes• Entre 24 e 25ºC ⇒ variação de densidade 30 x

do que entre 4 e 5ºC ⇒ alta estabilidade deestratificação

• Leve esfriamento ⇒ grandes diferenças dedensidade ⇒ origem a correntes mais intensas⇒ esfriamento do hipolímnio ⇒ mistura das

camadas (mesmo sem ventos)




86

Estratificação térmica• Regiões tropicais ⇒ temperatura superficial ⇒ Nunca é

inferior a 20 ou 30 C• Pequeno gradiente térmico ⇒ gradiente de densidade

⇒ estratificação estável – – Período de circulação total ⇒ épocas mais frias do ano

• Regiões subtropicais ⇒ estratificação e circulação ⇒

padrões similares às regiões temperadas – Mas nunca há o fenômeno da estratificação inversa

• Regiões polares e subpolares: t superfície raramente >4ºC

– Capa de gelo impede a ação do vento – Fenômeno de circulação somente no verão (lagos subpolares:

verão e outono)




87

Estratificação térmica• Efeitos da introdução de despejos:

• Aumento da quantidade de material em solução• Fenômenos de oxidação biológica da MO

• Aquecimento nos fundos dos rios ⇒

quantidades importantes de lodo de esgoto noleito

• Despejos industriais (t ↑) ⇒ principal causa de

aquecimento (águas de sistemas deresfriamento de caldeiras, usinas térmicas,colunas barométricas de usinas de açúcar)




88

Estratificação térmica• Elevação da temperatura ⇒ perda de O2

• ↑ solubilidade ⇒ ↓ temperatura• Processos aeróbios de decomposição da MO ⇒

processos anaeróbios ⇒ produção de mau

cheiro (desprendimento de mercaptanas, H2S;asfixia de organismos aquáticos aeróbios, maiorsolubilização de compostos de Fe, etc.)

• Aumento da atividade metabólica deorganismos poiquilotermos ⇒ maior consumode O2

Estratificação de densidade em lagosCausas & Perfis



89

Padrões de circulação sazonalClassificação de lagos

• Massas de água formarão camadas em funçãoda elevação da densidade com a profundidade.

• Qualquer água mais densa à superfície seafundará a uma profundidade de igual densidadeou para o fundo do lago.

• Água mais densa que afunda (correntes deconvecção) e ondas de vento criam misturasturbulentas, misturando a massa de água.

• Estabelecimento e sustentabilidade de distintascamadas requerem baixa turbulência:- Condições calmas e vento fraco- Regime estável de temperatura diária

I

Efeito da pressão na densidade:



90

• Pressões mais elevadas decrescem a temperatura dadensidade máxima.

• Tanto a profundidade como a altitude (referente ao nível

do mar ) mudarão a pressão.

– O fundo de um lago profundo pode ser mais frio do que 3,98ºC (máx.Densidade a 1 atm). Mudanças aproximadas de 0,1ºC por 100 m.

– Um lago de alta altitude pode ter um fundo levemente mais quente doque um idêntico, sob o mesmo clima, ao nível do mar.

– Influências similares de temperatura e de presssão em processosbiológicos acontecerão a diferentes profundidades para lagos idênticos

a diferentes altitudes (mantendo todos os outros fatores constantes).

Efeito dasalinidade na



91

densidade:• Solutos também decrescem a

temperatura da densidade máxima edecrescem o ponto de congelamento.

De fato, densidade continuará a seelevar em água salgada até o pontode congelamento mais frio (ex. -1.9ºCno oceano).

• Alguns lagos e todos os estuáriosexperimentam mudanças natemperatura e salinidade; cujasprofundidades das camadasdependerão dos efeitos combinadosna densidade.

• Cabalização é uma consequênciainesperada, quando a massa de águade igual densidade se mistura. A novamassa de água afunda!

Estratificação térmica devido aos



92

efeitos da salinidade (TDS)O perfil TDS

mostraria umaelevação com aprofundidade. Este éum lago de deserto,à medida que água

se evapora umamais salgada e maisdensa afunda,levando calor comela.

Pure H20

PondLago

Águapura

Efeitos dos sedimentos suspensos:Água carregada com



93

• Água carregada comsedimentos em suspensão émais densa do que a águamais clara com temperatura ,salinidade e pressão similares. – Ex.: Rio Negro fluindo sobre a

camada de sedimentos do RioAmazonas.

FLUXO

Classificação de lagos pela circulação



94

• Amixis se refere a um lago que nunca sofremudanças; chamado como um lago

amíctico.• Holomixis se refere ao lago que sofre

mudanças. A frequência da mistura sobreescalas de anos ou décadas é usada paraclassificá-los.

• Lagos Dimíticos seguem o padrão descritopara lagos temperados; mudanças naprimavera e outono

Classificação de lagos pela

i l ã



95

circulação• Lagos Oligomíticos mudam na frequência de poucos

anos.

• Lagos Monomíticos mudam uma vez: – Monomixis frio: lagos mais frios que estratificaminversamente somente no inverno (cobertura de gelo)e misturam no resto do ano.

– Monomixis aquecidos: lagos mais aquecidos, que semisturam no inverno (nunca com superfíciecongelada) e estratificam no verão.

• Polimíticos lagos que sofrem mudanças frequentesdurante o ano.



96

Lagos Meromíticos

• Lagos meromíticos experimentammistura incompleta na camada daTemperatura (ºC)



97

• Lagos meromíticos experimentammistura incompleta na camada dasuperfície. A concentração desolutos é mais alta no fundo e éestável.

• Estratos da superfície ao fundo: – Mixolímnio, – Chemocline,

– Monimolímnio

• Classificados por fonte/causa demeromixis: – Biogênico (acumulação de

bicarbonato de cálcio; dureza) – Ectogênicos (entradas de água doce

ou salgada) – Crenogênicos (entrada salina

superficial

Z (m)

Condutividade é o inverso daresistência à corrente; maisíons (sais) do que os valores

maiores.



98

Fonte: Martins R e Porto M. Decaimento e mistura depoluentes no meio ambiente. PHD2460 – Aula 11/1EPUSP

Propriedades químicas das

massas d’água



99

massas d água• Elevada capacidade de dissolver substâncias iônicas ou

moleculares ⇒ soluções eletrolíticas ou não eletrolíticas

• Formação de soluções não–eletrolíticas⇒

peculiarestrutura molecular ⇒ permite a formação de pontes dehidrogênio

• Água isenta de impurezas ⇒ impossível de ser obtida(mesmo em laboratório) – Água das nuvens ⇒ pequenas parcelas de sulfatos, cloretos, etc – Chuva ⇒ recebem amônia, nitratos, etc.

• Características qualitativas e quantitativas da flora efauna (manancial) ⇒ proporções entre os vários

elementos presentes.


massas d’água



100

massas d água• Lei de Liebig ou lei do mínimo: a abundância

dos organismos em um meio é proporcional à

concentração do elemento fertilizante assimilável que se encontra em quantidade mínima, relativamente à exigência desses

organismos.• Fatores ambientais inter-relacionados ⇒ não

agem de forma independente

• Organismos vivos ⇒ praticamente em todas aságuas naturais (exceto as muito poluídas)


massas d’água



101

massas d água• Águas com substâncias altamente tóxicas ⇒

certas espécies adaptadas ⇒ sem concorrência⇒ grande proliferação (número reduzido deespécies com grande número de indivíduos).

• Quanto mais facilmente utilizáveis as fontes de

energia ⇒ maior o número de espécies ⇒

menor o número de indivíduos ⇒ Diversidadeou diversificação da espécie.


massas d’água



102

massas d água• Salinidade do meio ⇒ fator limitante da

vida• Salinidade excessiva ⇒ impede

desenvolvimento de grande número deespécies

• Diferenças de temperatura e de densidade⇒ substâncias químicas estratificados

(não homogêneos) sobretudo os gases.


massas d’água



103

massas d água• Estratificação química ⇒ estratificação

bioquímica da massa d’água

• Duas zonas: – Trofogênica ⇒ mais superficial ⇒ maior absorção

da luz ⇒ reações de fotossíntese e produção de MO

– Trofolítica ⇒ processos de desassimilação oudecomposição

• Estagnação de verão ⇒ lagos ⇒ zonatrofogênica no epilímnio (às vezes a termoclina)

• Zona trofolítica ⇒ hipolímnio

Distribuição dos gases:



104

• Concentração ⇒ pressão parcial do gás etemperatura

• Relações entre pressão, temperatura equalidade dos gases ⇒ estudoslimnológicos

• Vida ⇒ quantidade de OD• Peixes salmonídeos (trutas e salmões) ⇒

regiões mais frias ⇒ OD dissolvido




105

• Oxigênio• 1 l de ar ⇒ 210 mg de O2 e 790 mg de N2

• t = 20 C ⇒coeficiente de absorção:1:32 1 1:65,respectivamente.

• Pressão normal e ao nível do mar, 1 l de água⇒ 9,08 mg de O2 e 12,3 mg de N2.

• Coeficiente de absorção dos gases pela águadecresce com a temperatura.

• t = 5 C ⇒ 12,77 mg de O2 e 16,8 mg de N2.




106

• Lagos oligotróficos ⇒ geralmente profundos ⇒águas claras (pobres em nutrientes orgânicos e

minerais) ⇒ O2 constante, da superfície aofundo• Lagos pouco profundos ⇒ ricos em MO em

plâncton ⇒ eutróficos ⇒O2 decresce

sensivelmente em regiões mais fundas.• Produtividade de um lago ⇒ curva de O2• Quantidade de substância oxidável ⇒ fonte de

energia ⇒ organismos animais ⇒ depressão doO2



107

Água como um solvente

Solubilidade do soluto se



108

Solubilidade do soluto seeleva com aumento datemperatura devido aoaumento da frequência deinterações moleculares enenos ligações H entre asmoléculas de água e maiorhidratação do soluto pelasmoléculas de água.

Solubilidade do gásdecresce com o aumento datemperatura devido aoaumento da vibração e

expansão de moléculas mais apressão parcial reduzidafavorece uma mudança doequilíbrio da água para o ar..




109

• Lagos de pequena profundidade ⇒ fenômeno não severifica ⇒ ação dos ventos ⇒ rara a estratificação

• Zonas superiores ⇒ enriquecido por O2 da fotossíntese• Aumento da temperatura ⇒ velocidade da oxidação ⇒atividade respiratória dos organismos ⇒ maior consumode O2

• Lagos termicamente estratificados ⇒ mais ricos em O2no metalímnio

• Águas claras ricas em nutrientes ⇒ organismosclorofilados ⇒ quantidades elevadas de O2

Estratificação por Temperatura

ou Íons Dissolvidos (sais):



110

ou Íons Dissolvidos (sais):

Hypolimnion

Epilimnion




111

• Organismos subaquáticos ⇒ processosvariados para obtenção de O

2(respiração)

• Trocas gasosas por osmose• Brânquias ⇒ peixes e crustáceos

• Insetos (estado larvários) ⇒ tubos pararespiração

• Besouros ⇒ bolha de ar na região ventral


I t d ã d MO d d õ d O



112

• Introdução de MO ⇒ grandes reduções de O2• Oxidação de MO ⇒ ação catalisadora de

microrganismos ⇒ bactérias aeróbias• DBO – Demanda Bioquímica de Oxigênio ⇒expressa o valor da poluição produzida pormatéria orgânica oxidável biologicamente ⇒

quantidade de O2 consumida pelosmicrorganismos• Demanda grande ⇒ consumo de todo Oxigênio

Dissolvido (OD) ⇒ morte dos organismosaeróbios de respiração subaquática

Gás carbônico e potencial

hidrogeniônico:Di ib i ã d CO O



113

g• Distribuição do CO2 ⇒ oposta ao O2

• CO2

produzido em regiões mais profundas⇒ não se perde ⇒ não atravessa atermoclina

• O2 formado na superfície ⇒ livre saídapara a atmosfera• Ar e água ⇒ Trocas de O2 ⇒ produtora

(dia) e receptora (noite)


hidrogeniônico:CO â



114

g• CO2 ⇒ fundamental importância ⇒

metabolismo das algas• Introdução nas massas d’água:

– água da chuva ⇒ ar atmosférico (zonas

industriais, sobretudo) e – húmus ⇒ MO em decomposição nos solos – MO consumida e oxidada no interior da água

pelos organismos heterótrofos


hidrogeniônico:C bi ã á



115

g• Combinação com a água:

– ácido fraco ⇒ ácido carbônico – CO2 + H2O <--> H2CO3

– Águas ricas em carbonatos (águas em

regiões calcárias) ⇒ bicarbonatos (solúveis) – CaCO3 + H2O + CO2 →→→→ Ca (H CO3)2


hidrogeniônico:Presença de bicarbonatos em sol ção o



116

g• Presença de bicarbonatos em solução ou

carbonatos precipitados ⇒ depende da

presença de CO2 no meio• Ocorrência de fenômeno geológico ⇒

Precipitação de calcário (verão) ⇒ gáscarbônico menos solúvel em águasquentes – Ex.: condutos de água quente ⇒ obstrução

por depósitos de carbonato de cálcio


hidrogeniônico:Gá bô i d ilíb i ã



117

• Gás carbônico de equilíbrio ⇒ que nãoreage com carbonatos ⇒ estabilidade doteor de bicarbonatos

• Gás carbônico agressivo ⇒ todo o

carbonato transformado em bicarbonato(excesso de gás carbônico livre)


hidrogeniônico:• CO2 agressivo ⇒ água ⇒ ácido carbônico ⇒ acidez



118

• CO2 agressivo ⇒ água ⇒ ácido carbônico ⇒ acidez• Gotas de chuva (CO2 atmosfera) ⇒ pH sensivelmente

reduzido ⇒ maior declínio ⇒ passagem pelo solo(microrganismos produtores de húmus) ⇒ pH de 4 ou 5• pH ⇒ relação entre CO2 e carbonatos• Efeito tampão da mistura ⇒ dificulta as flutuações de

pH• Águas relativamente pobres em carbonatos ⇒

enriquecimento de CO2 ⇒ concentração elevada de CO2agressivo (pH inferior a 6)


hidrogeniônico:• Efeito Tampão ⇒ importante do ponto de vista



119

• Efeito Tampão ⇒ importante do ponto de vistaecológico

• Líquidos no organismo ⇒ tamponados• Águas pobremente tamponadas ⇒ risco de se

tornarem ácidas (enriquecimento de CO2) ou

alcalinas (pela intensa reprodução de vegetais)• Algas ⇒ utilizam-se de CO2 agressivo ⇒ CO2de equilíbrio ⇒ resulta na precipitação decarbonatos na forma insolúvel.

Sais Minerais

• De maior interesse para os organismos vegetais



120

• De maior interesse para os organismos vegetais

• Organismos autótrofos ⇒ Carbono (CO2) + O2 eH2 (água) + sais minerais (quantidades bemmodestas)

• Elementos essenciais ⇒ N, P, S, Mg, K, Ca eFe

• Outros elementos indispensáveis ⇒

Micronutrientes

Sais Minerais

• Águas doces em solução ⇒ carbonatos



121

Águas doces, em solução ⇒ carbonatos,sulfatos, cloretos, silicatos, nitratos e fosfatos de

cálcio, magnésio, sódio, potássio e ferro ⇒natureza geológica, MO e fatores indiretos (t,CO2 e O2) ⇒ solubilidade na água.

• Águas com quantidades elevadas de sais: – Boratos ⇒ lagos da Califórnia – Sulfetos ⇒ freqüentes em águas de fontes termais – Carbonatos ⇒ águas duras de terrenos calcários

– Cloretos ⇒ lagos em terrenos salinos

Sais Minerais

• Concentração de sais ⇒ seleção de organismos



122

• Concentração de sais ⇒ seleção de organismos⇒ fator osmótico

• Nitratos e fosfatos ⇒ quantidades abaixo donível ótimo para o desenvolvimento de algas ⇒

águas naturais ⇒ pequena densidade de algas

• Maior concentração desses sais ⇒ Eutrofização⇒ contribuição de fertilizantes ou de MO

Sais Minerais

• Eutrofização cultural ⇒ atividades agrícolas, esgoto



123

ç g , gdoméstico, detergentes, etc.

• Remediação para eutrofização cultural ⇒ controle deerosão do solo; uso racional e cuidadoso de fertilizantese tratamento terciário de esgotos (primário – matagermes; secundário – remove sólidos; terciário – removefósforo e outras substâncias químicas)

• Sais minerais ⇒ fatores indispensáveis aodesenvolvimento de algas ⇒ atenção especial dosanitarista ⇒ operação e gerenciamento de estação detratamento

Compostos de Nitrogênio

• Componente essencial de todos os organismos vivos ⇒incorporado em proteínas ácidos nucleicos



124

incorporado em proteínas, ácidos nucleicos.• Encontrado em uma grande variedade de formas.

• Orgânico: – Solúvel:

• Nitrogênio orgânico dissolvido ⇒ autóctones: uréia, proteínas eácidos nucleicos.

– Insolúvel:• Biomassa: biota

• Inorgânicos: – Solúvel:

• Nitrogênio orgânico dissolvido ⇒ Ânions: nitrato, nitrito. – Insolúvel:

• Cátions ⇒ gás amônia dissolvido: N2, material particulado derivadode rochas e sedimentos.


• Nitrogênio orgânico dissolvido:



125

Nitrogênio orgânico dissolvido:

• Crescimento de microrganismosautotróficos e heterotróficos. – Assimilação de nitrato dissolvido ou amônia

– Fixação de nitrogênio molecular (N2)


• Em lagos estratificados:



126

Em lagos estratificados:

• Lagos eutróficos ⇒ altos níveis de nitrogênio ao

longo da coluna d’água. – Nitrato: epilímnio oxigenado – Nitrito e amônia: metlímnio e hipolímnio

respectivamente.• Lagos oligotróficos: nitrogênio solúvel como

nitrato e baixos níveis de nitrito e amônia.




127


• Ingresso de compostos de Nitrogênio e remoção pelobiota do lago (algas em especial)



128

biota do lago (algas em especial).• Obedece a um padrão sazonal.

• Lagos temperados: maior carga externa no invernoassociada a baixos níveis de absorção pelo biota ⇒crescimento positivo do material biológico disponível(nitratos).

• Verão ⇒ menor carga externa ⇒ elevação da cargainterna (liberação de amônia, nitritos e nitratos dossedimentos – atividade bacteriana). – Aumento da absorção por algas e outros organismos ⇒ declínio

de nitrogênio.



129


Ci l d Nit ê i



130

• Ciclo do Nitrogênio:

• Cinco maiores rotas de transformação: – Entrada e absorção de nitrato; – Transformações da biomassa;

– Remineralização (N orgânico em inorgânico); – Nitrificação (NH4 em nitrito e então para

nitrato)/desnitrificação (Nitrito ou nitrato em

óxido nitroso e gás nitrogênio) – Fixação de nitrogênio.



131


• Águas naturais ⇒ nitratos em soluçãoÁ b i



132

• Águas que recebem esgotos ⇒ compostos maiscomplexos ⇒ compostos orgânicos quartenários,amônia e nitritos ⇒ existência de poluição recente ⇒oxidação rápida na água por bactérias nitrificantes ⇒Índice de presença de despejos orgânicos

• Águas da chuva ⇒ em solução, pequenas quantidadesde amônia ou de ácido nítrico de descargas elétricas oude fumaças decorrentes de poluentes atmosféricas ⇒outras fontes de compostos nitrogenados




133

• Passagem pelo solo ⇒ bactérias nitrificantes ⇒amônia em nitritos e nitratos

• Atividade bacteriana ⇒ fixação do nitrogênio na

massa d’água ⇒ gêneros de algas cianofíceas• Nitrogênio ⇒ importância fundamental à vida

dos organismos ⇒ integrante da molécula de

proteína e do protoplasma


• Microrganismos de água doce ⇒ Nitrogênio ⇒



134

Um dos maiores fatores limitantes

• Quantidades predominantes no protoplasma –muito escassos em águas doces ⇒ organismotem dificuldades em obtê-los do meio

• Incremento na água ⇒ aumento da proliferaçãode microrganismos



135

Diagrama do Ciclo do Nitrogênio na água. N2 no ar é fixado pela cianobactéria ecolocado na forma de proteína, que é consumida pelos peixes. O peixe libera NH3 ,

que é utilizada por bactérias heterotróficas, plantas, cianobactérias e as bactériasNitrosomonas. Os três primeiros incorporam NH3 em proteína. Nitrosomonas aconvertem em NO2 , que por sua vez é utilizada pela Nitrobacter, que libera NO3.NO3 é um nutriente para vegetais e é também utilizado pelas bactériasanaeróbias, que podem produzir N2 , NO2 ou NH3.

Compostos de fósforo:

• A história do fósforo é mais simples.



136

Fósforo tipicamente está disponível paraplantas como organofosfato (PO4-3).Outras fontes de fosfato são cadáveres,resíduos de animais, ossos e excrementosde pássaros


• Participam da composição das águast i tid d it



137

naturais em quantidades muito pequenas

• Importante componente da substânciaviva ⇒ núcleo-proteínas – ligado aometabolismo respiratório e fotossintético

• Fator limitante mais importante ⇒ vidados microrganismos aquáticos

• Economia de P ⇒ controle ecológico dasalgas


• Despejos orgânicos (esgotos domésticos) ealguns tipos de despejos industriais ⇒



138

alguns tipos de despejos industriais ⇒incremento do elemento

• Detergentes de uso doméstico e industrial ⇒despejos em fósforo

• Outras fontes:

– Apatitas ⇒ minerais fosfáticos – Fosfatos inorgânicos dos solos ⇒ não são facilmentecarregados pelas águas das chuvas

– Bactérias capazes de reduzir fosfatos a fosfitos,

hipofosfitos e fosfina ⇒ pouco conhecidas



139

Outras substâncias minerais

• Ferro ⇒ na água sob forma de bicarbonatosolúvel



140

solúvel

• Solubilidade ⇒ pH, teor de CO2 e OD• Manganês ⇒ comportamento semelhante aodo Fe

• Fe e Mn ⇒ fator limitante à vida de certasbactérias que o utilizam como material oxidável• Elemento essencial ⇒ outros organismos

aquáticos

Outras substâncias minerais• Sílica ⇒ importante elemento no metabolismo das algas

diatomáceas (formação de carapaças silicosas)



141

• Segundo elemento mais comum na superfície da Terra

• Águas naturais ⇒ ricas em ortossilicatos nãodissociados e em sílica coloidal

• Formas particuladas e coloidais ⇒ importante papelfísoquímico ⇒ adsorção de nutrientes como íons defosfato e amônio

• Rochas ricas em sílica ⇒ importante fonte de cátionsassociados (íons de sódio) e contribui para o efeitotampão pela geração de íons bicarbonato




142


• Drenagem de águas ricas em gáscarbônico dissol ção de rochas



143

carbônico ⇒ dissolução de rochas

silicosas ⇒ enriquecimento das águas• Proliferação intensa de diatomáceas ⇒

diminuições consideráveis do teor desílica


• Enxofre, potássio, magnésio ⇒ podem serimportantes ao desenvolvimento de



144

importantes ao desenvolvimento de

organismos em geral• Cálcio ⇒ forma de carbonato ⇒

importância fundamental (indireta) ⇒processos químicos em um lagoobservados (CO2)

Compostos orgânicos

• Matéria orgânica de origem autóctone ⇒atividade sintetizante dos organismos



145

atividade sintetizante dos organismos

autótrofos.• Alóctone ⇒ proveniente de solo lavado

pelas chuvas ou pela intervenção

antrópica.• Grande variação qualitativa e quantitativa

de MO, em estado coloidal ou dissolvido.


• Presença de MO ⇒ fonte de carbono, nitrogênioe outros elementos ⇒ oxidação biológica ⇒



146

ç g

estabilizados na forma de gás carbônico,nitratos ⇒ indispensáveis à síntese orgânica.• Inúmeros os organismos clorofilados ⇒ não

dispensam compostos de estrutura molecularelevada.

• Grupos flagelados ⇒ utilização de ácidosorgânicos ou carboidratos como fonte de

carbono.


• Organismos que mais se beneficiam:bactérias fungos e organismos animais



147

bactérias, fungos e organismos animais.

• Excesso de MO ⇒ prejuízo das condiçõesde vida dos organismos aeróbios.

• Elevação da demanda de oxigênio.

Agua Como Meio Ecologico

Documents

Transcript of Agua Como Meio Ecologico