Aula 13 – Biogeoquímica e fitorremediação

Comportamento solo-água-planta

Formação e Comportamento Geoquímico do Solo – ACH 5515

• Usado tanto para poluentes orgânicos quanto inorgânicos;

• A maioria das atividades ocorre na zona de raízes;

• Deve ser diferenciado de Fitoestabilização – uso de plantas para

estabilizar o solo e evitar erosão e desta forma riscos de exposição e

Fitoextração – que é a remoção de poluentes da sub-superfície através

das partes da planta acima do solo (folhas, galhos, frutos etc.).

• Fitorremediação é o uso de plantas no tratamento de solos e água subterrânea contaminados;

• Árvores de rápido crescimento e plantas aquáticas tem sido utilizados no tratamento de teores elevados de nutrientes em águas residuárias;

• Vantagens: baixo custo (capital e operacional); estético; estabilização do solo; redução da lixiviação de poluentes;

• Limitações: somente é tratado a zona de raízes; altas concentrações de poluentes pode ser tóxica para as plantas; espécies específicas devem compor estudos prévios.

• Mecanismos: por assimilação direta, moderadamente hidrofóbicas; ação da capilaridade “puxa” contaminantes,; uma na vez na planta o poluente pode ser acumulado, metabolizado (usado na respiração por ex.) ou perdido através da volatilização através das folhas; enzimas específicas precisam metabolizar poluentes (essa característica é utilizada na produção de herbicidas modernos).

Degradação na Rizosfera:

A rizosfera tem um alto conteúdo microbiótico, além da liberação de enzimas a partir das plantas e microrganismos;

As plantas também liberam açúcares, carboidratos e aminoácidos que promovem a formação de uma população de fungos e microrganismos saudáveis;

A degradação de compostos orgânicos (BTEX, hidrocarbonetos, HAPs, compostos clorados) é promovida nesta região através da atividade enzimática.

thlaspi calaminare

thlaspi caerulescens

Fitoextração

Algumas espécies de plantas apresentam elevada tolerância metais

pesados, e a capacidade de absorver grandes quantidades de metias

em comparação a outras espécies. O desenvolvimento de espécies

geneticamente modificadas, de espécies hiperacumuladores de

metais.

Populus trichocarpa (Pops)

O crescimento das plantas se estende das raízes até o lençol freático aeróbico, e pode, eventualmente, afetar o fluxo de águas subterrâneas ao redor das mesmas.

Um modelo hidrológico (MODFLOW) foi utilizado para determinar quantas árvores deveriam ser plantadas para capturar a água contaminada de um fluxo de tricloroetileno (TCE).

Exemplos de profundidade de raízes (EPA, 2000)

Eastern gamagrass

Monitoramento e controle da qualidade da água

Coleta e análise de componente da planta

Coleta e análise de vapor/gás de trasnpiração

Coleta de solo e misturas; e coleta de

dados climáticos

Alteração nas medidas de temperatura

enquanto a seiva flui após o colar aquecido.

Dissipação de medidas de temperatura entre eletrodos aquecidos e eletrodos de referência

Evapotranspiração entre 29/05 2004 e

05/06/2006

A absroção de íons pode ocorrer por simples difusão através das células das pontas das raízes; Os íons absorvidos nas raízes das plantas são usualmente transportados direção à folhas, no topo das plantas; há indícios de que o meio que “chefia” esse transporte é a xilema. Há evidências de fluxo reverso de alguns nutrientes a partir das folhas para as raízes ou folhas mais jovens. O movimento de minerais das folhas ocorre via phloema.

Depósito de Ca em espaço deixado por raíz.

As formas como os elementos são transportados entre a planta e o as soluções do solo são muito variados. O Cr parece ser transportados como um complexo de oxalato , enquanto Ni em algumas espécies é trasnportado com complexo citrato.

Leptospermum scoparium

Psychotria douareii

Euphorbia helenae, Cuba (Ni)

Thlaspi caerulescens (Europe)

(> 1% Zn MS; > 0,3% Cd; Ni; Pb…)

Distribuição do Zn na folhas da T. caerulescens (EDAX)

Sebertia acuminata: A Hyperaccumulator of Nickel from New Caledonia

T. JAFFRÉ 1, R. R. BROOKS 2, J. LEE 2, and R. D. REEVES 2

Um importante fator em nutrição de plantas é a disponibilidade dos elementos presentes no solo. Para alguns elementos muito pouco do teor total presente no solo pode ser utilizado pela planta: drenagem, pH, Eh, presença ou ausência de argilominerais, efeitos antagônicos de ouros íons, e a presença de agentes complexantes no solo.

Existem cerca de 20 diferentes variáveis que podem afetar a acumulação de elementos pelas plantas. Alguns deles serão abordados como de interesse para outras áreas científicas, além da prospecção mineral.

Tipo de planta amostrada:

Beilschmiedia tawa

Organismo da planta amostrado:Existem duas dificuldades práticas com amostragem de raízes. A primeira é que raízes de plantas são freqüentemente muito difíceis de serem amostradas e em climas muito frios esse fator é amplificado. Além disso, as raízes estão em geral contaminadas pelo solo e devem ser lavadas o máximo possível.Há que se considerar, também, o fator sazonal. A sazonalidade impõem diferentes materiais de amostragem, frutos, folhas, etc.

Idade das plantas:Há trabalhos que demonstram que a assimilação de elementos pelas plantas pode variar em conteúdo na mesma espécie com diferentes idades.Há indícios também que a sazonalidade influencia a absorção de certas plantas, principalmente nos conteúdos presentes na folhas.

Saúde da planta: A habilidade de uma planta acumular elementos traços é particularmente uma função de sua saúde. Há tendência em um aumento no conteúdo de um elemento em função de uma queda no mecanismo regulatório das espécies. Infelizmente esse fator não é previsível.

O pH do solo: Embora existam muitas variáveis que podem afetar os métodos biogeoquímicos, acredita-se que o pH é um dos fatores que mais amplamente pode afetar o método.Isto pois a assimilação de elementos pelas plantas pode ser afetada pelo pH do solo.

Elemento Efeito do pH Referências

Cu 100% assimilação a pH 4.0; 33% a pH 6.0; menor disponibildiade com

aumento do pH

•Jamieson, V.C 1942, Soil Sci. 53•Warren, H.V.; Delavault,R.E.;

Irish,R.I., 1952 Bull.Geol. Soc. Am. 62, 919

Mn Disponível a pH abaixo 5.5; não disponível acima

• Mulder, E.G.; Gerretson, F.C., 1952, Adv, Agron. 4, 222.

• Aldrich, D.G.; Turrell, F.M. 1951, Soil Sci., 70, 83

Mo Disponível acima de pH 5.0 •Barshad, I. 1948 Soil Sci. 71, 187•Clarke, F.W. 1924

U.S.Geol.Surv.Bull. 770, 841

Ni Menor assimilação com aumento de pH

Timperley, M.H.; Broolks, R.R.; Peterson, P.J. 1970, Econ.Geol. 65,

505

W Disponível acima de pH 5.0 •Barshad, I. 1948 Soil Sci. 71, 187•Clarke, F.W. 1924

U.S.Geol.Surv.Bull. 770, 841

Zn Indisponível acima pH 6 • Mulder, E.G.; Gerretson, F.C., 1952, Adv, Agron. 4, 222.

Distribuição da espécies de plantas: Um dos problemas em prospecção biogeoquímica pe que, a depseito das amostragem de solo, as amostras de plantas não necessariamente é viável num ponto escolhido. Se as espécies selecionadas são muito comuns, isto não é um problema. No entanto, a amostragem deve prever que a espécie biológica escolhida pra amostragem deve ter uma distribuição bastatne abrangente

A profundiade do sistema radicular: Uma das principais vantagens da prospecção biogeoquímica comparadas com outros métodos de prospecção consiste na força de penetração. Essa força de penetração depende da profundidade do sistema radicular, da habilidade da planta de transportar minerais das raízes até os sistemas aéreos e do halo de dispersão a partir dela própria.

A profundidade das raízes de uma planta é função não somente do clima, mas também da espécie ser freatófita ou xerófita.As espécies freatófitas são plantas que dependem da zona de saturação abaixo do lenço freático para sua mistura; xerófitas dependem da superfície de água da chuva r tem sistemas radiculares rasos.Em amostragem de vegetação é necessário selecionar folhar ou brotos em diversos pontos ao redor da circunferência da espécie estudada. Isto se deve ao fato de que sistemas radiculares tendem a transportar íons para as partes aéreas situadas no mesmo lado. Pode ocorrer de um lado do sistema radicular estar em contato com um corpo mineralizado e no outro lado não, a planta trasnportará íons para o lado em que as raízes estão em contato com os elementos disponíveis.

Profundidade e penetração de raízes de plantas em ambientes com diferentes zonas climáticas

ZONA ESPÉCIES PROF. RAÍZES

Tundra Betula nana 0,3Larix sibirica 0,4

Floresta podzol Picea excelsa 2Pinus silvestris 2,5Populus alba 3

Floresta estepe e estepe Pinus silvestris 3,5Betula verrucosa 4

Deserto e semi-deserto Actinea acaulis 0,3Artemisia spinescens 2Tamarix ramosissima 5Anabasis aphylla 5Quercus sp. 9Artemisia tridentata 10Haloxylon aphyllum 10Alhagi pseudalhagi 15

Sarcobatus vermiculatus 18Atriplex canescens 20Pinus ponderosa 25Juniperus monosperma 60

Conteúdos de U e V de raízes comparados com partes aéreas das plantas

Espécie Tipo de Raíz U em cinzas (ug/g) V em cinzas (ug/g)

raízes topo razão raízes topo razão

Juniperus monosperma profunda 1600 7,8 200 3000 20 150

Juniperus monosperma profunda 140 2 70 4000 50 80

Quercus gambeli profunda 190 10 19 1700 90 19

Juniperus monosperma rasa 7 1,2 5,6 154 54 2

Atriplex confertifolia rasa 5 3 1,6 90 10 9

Astragalus preussi rasa 70 70 1 2600 3000 0,8

Drenagem: é outro fator que pode afetar a prospecção com plantas. Solos pobremente drenados, quando comparados com outros com drenagem eficiente, podem apresentar anomalias durante o projeto de prospecção. Isto pois muitos elementos são mais móveis do que outros em condições de ambiente aquoso, que pode ser refletido numa grande assimilação pelas plantas.

Aspecto: o aspecto de uma planta tem grande significado para a prospecção biogeoquímica, pois a acumulação de elementos do solo é controlada pelos processos fotossintéticos.

Efeitos antagônicos de outros elementos: A questão da disponibilidade de elementos em solos é um fator importante, pois a questão do mútuo antagonismo de pares de elementos são também um fator que deve ser considerado.Um exemplo é a relação inversa para Ca-Ni, Ni-Mg, Co-Ca e Ca-Mg em plantas serpentinito. A razão para esse comportamento não está totalmente clara, mas poderia estar associada a um diminuição no mecanismo de seleção da planta. A capacidade da planta de absorver sais minerais obviamente tem um limite finito. Se um constituinte do solo e acumulado até um grau excessivo, isso terá de ser compensado pela redução na assimilação de outro constituinte.

Esquema do Parque Ecológico do Tietê-PET com destaque para a área de

estudo com indicação dos poços selecionados, das espécies-tipo, palmeiras

jerivá, e os pontos de coleta de solo.

Parque Ecológico do Tietê – vista aérea nos anos 1977, 2007 e 2020.

A área em estudo está apontada em vermelho. (Fonte: www.ecotiete.com.br).

Esquema da palmeira Jerivá - Syagrus romanzoffiana, com

destaque para os órgãos utilizados para o estudo biogeoquímico

e a forma radicular (adaptado de Bernacci et al., 2007).

B

A

amostragem do substrato no PET, destacando os horizontes A e B.

O Coeficiente de Absorção Biológica - CAB foi definido por Kovalevsky em 1969

(Brooks, 1983) como a relação entre a concentração de um elemento nas cinzas da

planta (Cp) e a concentração do mesmo elemento no substrato (Cs) (solo).

O Coeficiente de Absorção Temporal - CAT foi também definido por Kovalevsky em

1969 (Brooks, 1983) e foi adaptado para exprimir a concentração de um elemento no

órgão da planta (Ct), em um tempo particular, em relação à concentração de um

mesmo elemento no mesmo órgão da planta num tempo correspondente a outro

período (Cw) (estação seca e estação de chuvas, por exemplo).

O Coeficiente Acropetal - CA foi definido por Sabinin em 1955 (Brooks, 1983) e

exprime a relação entre a concentração de um elemento de um órgão particular da

planta (Co) e a concentração do mesmo elemento em um órgão referência da

mesma espécie (Cx).

Coeficiente de Absorção Biológica - CAB

(Biological Absorption Coefficient – BAC);

o Coeficiente de Absorção Temporal –

CAT (Temporal Absorption Coefficient –

TAC) e o Coeficiente Acropetal - CA

(Acropetal Coefficient – AC) são alguns

parâmetros utilizados por Brooks (1983)

para avaliar a absorção diferenciada de

metais em diferentes espécies de

plantas.