Laboratório de Limnologia ICB/ UFMG Laboratório de Limnologia ICB/ UFMG algumas experiências em algumas experiências em algumas experiências em algumas experiências em

biomonitoramento da qualidade de águas.biomonitoramento da qualidade de águas.

Francisco Barbosa & Maria Margarida MarquesFrancisco Barbosa & Maria Margarida MarquesDepto. Biologia Geral – Lab. Limnologia

ICB/UFMGICB/UFMG

Dezembro de 2007Dezembro de 2007

INTRODUÇÃO

• Controle da qualidade da água é importante porrazões de saúde pública e porque água de boarazões de saúde pública e porque água de boaqualidade para abastecimento público, industriale agrícola é um recurso cada vez mais escasso.e agrícola é um recurso cada vez mais escasso.

• Bioindicador: espécies ou grupo de espécies com• Bioindicador: espécies ou grupo de espécies comrequerimentos ambientais conhecidos e querespondem a alterações em seu habitat comrespondem a alterações em seu habitat commudanças em sua abundância, morfologia,fisiologia ou comportamentofisiologia ou comportamento

Biomonitoramento: abordagens

• Comunidadesbactérias/ leveduras; algas /perifiton;bactérias/ leveduras; algas /perifiton;macroinvertebrados; peixes ; macrófitas aquáticas

• Populaçõesenriquecimento orgânico; acidificação

• Indivíduos• IndivíduosIndicadores bioquímicos: metabolismo energético;atividade enzimática; conteúdo de RNA, DNA e proteínas;regulação iônica;regulação iônica;Indicadores fisiológicos: consumo O2; malformações;respostas comportamentais; eventos no ciclo de vida;respostas comportamentais; eventos no ciclo de vida;organismos sentinelas

Microrganismos indicadores de qualidade da água

• Coliformes: Citrobacter, Escherichia, Enterobacter, • Coliformes: Citrobacter, Escherichia, Enterobacter, Klebsiella.

• Bactérias heterotróficas: indica contaminação orgânica • Bactérias heterotróficas: indica contaminação orgânica

• Leveduras: Ascomycetes e Basidiomycetes (100 gêneros)• Leveduras: Ascomycetes e Basidiomycetes (100 gêneros)

• Colifagus RNA específicos-F+ (bacteriófagos, usam E. colicomo hospedeiro)

• Colifagus RNA específicos-F+ (bacteriófagos, usam E. colicomo hospedeiro)

Algas indicadoras de qualidade de água

• Índices baseados na composição de diatomáceas: algas reagem diretamente aos poluentes

• Registros taxonômicos monitoram mudanças de longo prazo (ex. resultantes da acidificação)(ex. resultantes da acidificação)

• Métodos independentes da identificação: densidade, • Métodos independentes da identificação: densidade, biomassa, bio-ensaios (avaliação; toxicidade)

Perifiton e qualidade de águaPerifiton e qualidade de água

• Diretamente afetada por fatores físicos e químicos

• Altas taxas reprodutivas e ciclos de vida curtos

• Amostragem fácil, baixo custo e de baixo impacto• Amostragem fácil, baixo custo e de baixo impacto

• Sensíveis a poluentes que não têm efeitos visíveis sobre outras • Sensíveis a poluentes que não têm efeitos visíveis sobre outras comunidades, a não ser em altas concentrações (herbicidas)

• Algas bentônicas (Batrachospermum sp.) como indicadores de • Algas bentônicas (Batrachospermum sp.) como indicadores de grau de trofia em córregos no médio rio Doce. Millôr Godoy Sabará, 1998. Tese de doutorado.

Macroinvertebrados bentônicos e qualidade de água

Vantagens do seu uso

• Vida séssil ou migração limitada.• Ciclo de vida complexo e longo.• Ciclo de vida complexo e longo.• Fácil identificação ao nível de Famílias• Rápida identificação de grupos indicadores• Largo espectro de níveis tróficos/tolerâncias• Largo espectro de níveis tróficos/tolerâncias• Amostragem de baixo custo• Recurso alimentar de peixes (alimento de humanos)• Recurso alimentar de peixes (alimento de humanos)• Abundantes e diversificados na maioria dos rios

Peixes e qualidade de águas

• Vida longa e alta mobilidade: indicadores de efeitos a longo prazo e habitats amplos

• Grande variedade de níveis tróficos, tendendo a integrar os • Grande variedade de níveis tróficos, tendendo a integrar os efeitos sofridos pelos níveis mais baixos, refletindo a saúde ambientalambiental

• Topo de cadeia alimentar: alimento de humanos (riscos de contaminação)

• Taxonomia de espécies relativamente fácil (?)• Taxonomia de espécies relativamente fácil (?)• Possibilidades de se usar marcação e recapturas• Distribuição geográfica, história de vida e requerimentos • Distribuição geográfica, história de vida e requerimentos

ambientais e ecológicos bem conhecidos• Importância econômica e social• Importância econômica e social• Várias espécies reconhecidamente ameaçadas de extinção

Parâmetros medidos a partir de comunidades indicadoras de qualidade de águaindicadoras de qualidade de água

• Riqueza• Enumerações (Número de taxa; densidade; biomassa)• Diversidade• Diversidade• Similaridade• Grupos tróficos funcionais (FTG)• Grupos tróficos funcionais (FTG)• Índices bióticos• Processos • Processos

Por que um índice biológico?

Variáveis físicas e químicasamplamente utilizadasamplamente utilizadasfáceis de se medirmedidas pontuais e instantâneasmedidas pontuais e instantâneas

Variáveis biológicasraramente utilizadasraramente utilizadasexigem conhecimentos específicosintegram as informações do ambiente integram as informações do ambiente refletem situações anteriores (mais “rigorosas” ?)Melhores indicadores da situação do ambienteMelhores indicadores da situação do ambienteMarvan et al. (1976)

Estações de amostragem no trecho médio da bacia do Rio Doce - MG

EBCEBC

PERD

A qualidade das águas

> 80% saturação; pH próximo da neutralidade

alcalinidade total: 0,5-1,0 mEq CO2/L

condutividade: 117-123 µS/cmcondutividade: 117-123 µS/cm

NH4-N: < 11 - 1600 µg/L

N0 -N: < 850 - > 8.000 µg/LN03-N: < 850 - > 8.000 µg/L

Ntotal: < 11 - 13.000 µg/L

PO4-P: 11-80 µg/L

Ptotal: 100 - 700 µg/Ltotal

SiO2: 2 - 9,4 mg/L

Índices de qualidade da água

IFQ e IB foram desenvolvidos utilizando técnicas

de estatística multivariadade estatística multivariada

• IFQ temperatura, pH, alcalinidade,

condutividade, oxigênio dissolvido, Si, NH4-N, NO2-

N, NO3-N, PO4-P, Ptotal, Ntotal

• IB comunidade bentônica (número de taxa, densidade total, densidade de Ephemeroptera,

N, NO3-N, PO4-P, Ptotal, Ntotal

densidade total, densidade de Ephemeroptera, Plecoptera, Trichoptera - EPT), % do taxa dominante, % de EPT, % de Chironomidae + Oligochaeta % de EPT, % de Chironomidae + Oligochaeta

Fórmula GeralFórmula Geral

(x - )^ (x - )^ (x - )^

IFQ/IB = a1 + a2 + a3 +...(x1 - 1)

1

^

^

(x2 - 2)

2

^

^

(x3 - 3)

3

^

^

ai = Peso da variável iai = Peso da variável i

xi = Valor empírico da variável i

µi = estimativa da média da variável iµ̂i = estimativa da média da variável i

i = estimativa do desvio padrão da variável i

i = 1, 2, 3, ..., p

^

i = 1, 2, 3, ..., p

Índice de Qualidade de Água - IQAgÍndice de Qualidade de Água - IQAg

IFQ - µ̂ IB - µIB^

IQAg = w + wIFQ - µIFQ

IFQ

^

^

IB - µIB

IB

^

^

w = Peso da componente principal

µIFQ = Média estimada do IFQµ̂IFQ = Média estimada do IFQ

IFQ = Variancia estimada do IFQ

µIB = Média estimada do IB^

^

^

^

µIB = Média estimada do IB

IB = Variancia estimada do IB

IFQ = Índice físico-químico

^

IB = Índice Biológico

Índice de Qualidade Ambiental - IQAm

• Índice de qualidade de água (abiótico+biótico)(abiótico+biótico)

• Índice sócio-econômico• Índice sócio-econômico

Índice de Qualidade Ambiental

Índice Físico - Químico - IFQ

Índice Biológico - IBClasses de QualidadeNúmero

- -Ruim

Classes de QualidadeNúmerode Classes Péssima Aceitável Boa Ótima

3 i < -0,6 -0,6< i <0,6 i > 0,65 i < -1,2 -1,2< i <-0,4 -0,4< i <0,4 0,4< i <1,2 i > 1,25 i < -1,2 -1,2< i <-0,4 -0,4< i <0,4 0,4< i <1,2 i > 1,2

Índice de qualidade de água para o trecho médio da bacia do Rio Doce-MGmédio da bacia do Rio Doce-MG

APLICAÇÃO DA TEORIA DE HABITAT- TEMPLETS À AVALIAÇÃO DA QUALIDADE DE ÁGUA:AVALIAÇÃO DA QUALIDADE DE ÁGUA:

PROPOSTA DE CRIAÇÃO DE ÍNDICES BIÓTICOS NO TRECHO MÉDIO DA BACIA DO RIO DOCE, MG.

Maria Margarida Marques, Tese de doutorado, 2004

• Esta nova abordagem, usando características da história de• Esta nova abordagem, usando características da história devida dos organismos, foi capaz de discriminar com maioreficiência os locais impactados dos não-impactados do quemétodos tradicionais de biomonitoramento, comométodos tradicionais de biomonitoramento, comodiversidade, indices bióticos e estrutura da comunidade.

• O sucesso da aplicação da Teoria de Habitat-Templets• O sucesso da aplicação da Teoria de Habitat-Templetsdepende da definição das dimensões do habitat que serelacionam a escalas de espaço e tempo relevantes aosorganismos de interesse e da escolha de quaiscaracterísticas da história de vida das espécies estariamorganismos de interesse e da escolha de quaiscaracterísticas da história de vida das espécies estariamassociadas com as diferentes partes do habitat.

Teoria de Habitat-Templets (Southwood, 1977)

Integra as características da história de vida dos organismos e a Integra as características da história de vida dos organismos e a heterogeneidade dos habitats.

Variáveis do habitat Química da águaalteradas por ação humana Estrutura física do habitatVariáveis do habitat Química da águaalteradas por ação humana Estrutura física do habitat

Regime de fluxo hídricoFontes de energiaInterações biológicasInterações biológicas

Características de história de vida reprodutivas,dos organismos de cada habitat fisiológicas

comportamentaiscomportamentaisalimentares

Correlação entre variáveis ambientais e características de história de vidaCorrelação entre variáveis ambientais e características de história de vida

Espécies selecionadas como bioindicadoras

Criação de protocolos de biomonitoramentoCriação de protocolos de biomonitoramento

Aplicação (ex.): identificação de áreas para conservação

Teoria Habitat-Templet: nova abordagem para o monitoramento biológicomonitoramento biológico

Ex. Características do ciclo reprodutivo de insetos aquáticos(fecundidade e número de gerações/ ano) estão relacionadas com as dimensões espacial e temporal dos habitatsespacial e temporal dos habitats

Ex. Características do ciclo de vida conferindo às espécies a capacidade de resistência e/ ou resiliência estão conectadas a dimensões do de resistência e/ ou resiliência estão conectadas a dimensões do habitat definidas como frequência de distúrbio (dimensão temporal) e disponibilidade de refúgios (dimensão espacial)

resistência: capacidade de fixação ao substrato, forma do corpo achatado e presença de pelo menos dois estágios de vida fora do ambiente aquáticoaquático

resiliência: pequeno tamanho do corpo, alta mobilidade e hábito generalista

A mudança na composição de espécies que apresentam tais A mudança na composição de espécies que apresentam tais características indica a ocorrência de alterações nas dimensões espacial e/ou temporal dos sistemas

Diagramas para obtenção do índice

RIOS Espécie/pontuação Abundância relativa de cada espécie Limnocoris sp.

< 1%

> 1 e < 15%

> 15%

Limnocoris sp.

< 1%

> 1 e < 15%

> 15%

Pontos 5 10 12 Ablabesmyia < 1% > 1 e < 5% > 5% Pontos 2 10 5 Chironomus < 1% > 1 e < 70% > 70% Pontos 15 10 0 Coelotanypus

Não ocorrência

Até 10%

>10%

LAGOAS Espécie/pontuação Abundância relativa de cada espécie Amphiagrion sp. < 1 % > 1 e < 5% > 5 % Pontos 5 10 15 Ablabesmyia < 3 % > 3 e < 40% > 40 % Pontos 2 10 5 Chironomus

< 3 %

> 3 e < 40%

> 40%

Coelotanypus

Não ocorrência

Até 10%

>10%

Pontos 2 10 5 Cryptochironomus Não ocorrência Até 20% > 20% Pontos 0 10 0 Djalmabatista < 1% > 1 e < 5% > 5% Pontos 2 10 5 Goeldichironomus Não ocorrência Até 5% > 5% Pontos

0

10

0

Chironomus

< 3 %

> 3 e < 40%

> 40%

Pontos 15 10 0

Coelotanypus Não ocorrência Até 20% > 20%

Pontos 0 10 5 Goeldichironomus < 3 % > 3 e < 60% > 60% Pontos 0 10 0 Larsia

< 5%

> 5 e < 10%

> 10%

Pontos

0

10

0

Polypedilum < 5% Entre 5 e 25% >2 5% Pontos 12 10 0 Grumichella < 1% Entre 1 e 50% > 50% Pontos 5 10 12 Somatório dos pontos = 75 Muito bom = 20-49 Regular

= 50 - 74 Bom < 20 Ruim Larsia

< 5%

> 5 e < 10%

> 10%

Pontos 2 10 12 Polypedilum < 1% > 1 e < 5% > 5% Pontos 12 10 0 Stenochironomus < 2 % > 2 e < 10% >10% Pontos 0 10 0

Oecetis

Não ocorrência

Até 5%

> 5%

Oecetis

ocorrência

Até 5%

> 5%

Pontos 0 10 15 Polycentropus < 2% > 2 e < 10% >10% Pontos 5 10 15 Somatório dos pontos = 90 Muito bom = 25 -59 Regular

= 60- 89 Bom < 25 Ruim

Assembléias fitoplanctônicas e sua utilização na avaliação da qualidade ecológica de ambientes

aquáticos do médio Rio Doce - MGaquáticos do médio Rio Doce - MGProjeto de tese de Cristiane Freitas de Azevedo Barros

Reynolds (1997; 2000) e Reynolds et al. (2002) propôs associações de espécies de algas de acordo com os atributos fisiológicos, morfológicos e ecológicos, denominadas assembléias que podem morfológicos e ecológicos, denominadas assembléias que podem fornecer uma melhor percepção quanto à resposta do fitoplâncton às variações ambientais do que as abordagens tradicionais.às variações ambientais do que as abordagens tradicionais.

Questões:

• As assembléias propostas se aplicam às águas tropicais?

• Existem outras assembléias, além da SN, tipicamente tropicais?

• É possível utilizar assembléias fitoplanctônicas como ferramenta • É possível utilizar assembléias fitoplanctônicas como ferramenta na avaliação da qualidade ecológica dos ambientes?

Assembléias fitoplanctônicas e sua utilização na avaliação da qualidade ecológica de ambientes avaliação da qualidade ecológica de ambientes

aquáticos do médio Rio Doce - MG

Projeto de tese de Cristiane Freitas de Azevedo Barros

• 15 lagos e 7 rios no trecho médio da bacia do rio Doce,

• campanhas trimestrais em dois ciclos hidrológicos • campanhas trimestrais em dois ciclos hidrológicos

• Avanço das pesquisas sobre bioindicadores • Avanço das pesquisas sobre bioindicadores aquáticos, focando a possibilidade de utilização das assembléias fitoplanctônicas, como uma ferramenta assembléias fitoplanctônicas, como uma ferramenta na caracterização da qualidade ecológica de ambientes tropicais.

• Bioindicadores são ferramenta útil e eficiente para • Bioindicadores são ferramenta útil e eficiente para monitorar a qualidade de água de ambientes naturais

• Necessidade de se adaptar e padronizar os parâmetros biológicos (protocolos de coleta, métodos de análise, biológicos (protocolos de coleta, métodos de análise, etc)

• Necessidade de integrar as respostas das várias comunidades aquáticas aos diferentes tipos de comunidades aquáticas aos diferentes tipos de alterações ambientais

C o d o n H a b i t a t R e p r e s e n t a n t e s t í p i c o s T o l e r â n c i a S e n s i b i l i d a d e

A c l e a r , o f t e n w e l l - m i x e d , b a s e p o o r , l a k e s

U r o s o l e n i a C y c l o t e l l a c o m e n s i s

N u t r i e n t d e f i c i e n c y

p H r i s e

B v e r t i c a l l y m i x e d , m e s o t r o p h i c s m a l l - m e d i u m l a k e s

A u l a c o s e i r a s u b a r c t i c a A u l a c o s e i r a i s l a n d i c a

L i g h t d e f i c i e n c y

p H r i s e S i d e p l e t i o n

S t r a t i f i c a t i o n

C m i x e d , e u t r o p h i c s m a l l -

m e d i u m l a k e s A s t e r i o n e l l a f o r m o s a A u l a c o s e i r a a m b i g u a

L i g h t , C d e f i c i e n c i e s

S i e x h a u s t i o n s t r a t i f i c a t i o n

N m e s o t r o p h i c e p i l i m n i a T a b e l l a r i a C o s m a r i u m

S t a u r o d e s m u s

N u t r i e n t d e f i c i e n c y

s t r a t i f i c a t i o n p H r i s e

P e u t r o p h i c e p i l i m n i a F r a g i l a r i a c r o t o n e n s i s A u l a c o s e i r a g r a n u l a t a

C l o s t e r i u m a c i c u l a r e

M i l d l i g h t a n d C d e f i c i e n c y

s t r a t i f i c a t i o n

S i d e p l e t i o n

C l o s t e r i u m a c i c u l a r e

S i d e p l e t i o n

T d e e p , w e l l - m i x e d e p i l i m n i a G e m i n e l l a M o u g e o t i a T r i b o n e m a

l i g h t d e f i c i e n c y N u t r i e n t d e f i c i e n c y

S 1 t u r b i d m i x e d l a y e r s P l a n k t o t h r i x a g a r d h i i L i m n o t h r i x r e d e k e i

P s e u d a n a b a e n a

h i g h l y l i g h t d e f i c i e n t

f l u s h i n g

P s e u d a n a b a e n a

S 2 s h a l l o w , t u r b i d m i x e d l a y e r s S p i r u l i n a A r t h r o s p i r a

R a p h i d i o p s i s

l i g h t d e f i c i e n t c o n d i t i o n s

f l u s h i n g

S N w a r m m i x e d l a y e r s C y l i n d r o s p e r m o p s i s A n a b a e n a m i n u t i s s i m a

l i g h t - , n i t r o g e n - d e f i c i e n t

f l u s h i n g

Z

c l e a r , m i x e d l a y e r s

S y n e c h o c o c c u s

l o w n u t r i e n t

l i g h t d e f i c i e n c y

Z

c l e a r , m i x e d l a y e r s

S y n e c h o c o c c u s

p r o k a r y o t e p i c o p l a n k t o n l o w n u t r i e n t

l i g h t d e f i c i e n c y

g r a z i n g

X 3 s h a l l o w , c l e a r , m i x e d K o l i e l l a C h r y s o c o c c u s

e u k a r y o t e p i c o p l a n k t o n

l o w b a s e s t a t u s

m i x i n g ,

g r a z i n g

X 2

s h a l l o w , c l e a r m i x e d l a y e r s

P l a g i o s e l m i s

s t r a t i f i c a t i o n

m i x i n g ,

X 2

s h a l l o w , c l e a r m i x e d l a y e r s

i n m e s o - e u t r o p h i c l a k e s P l a g i o s e l m i s

C h r y s o c h r o m u l i n a s t r a t i f i c a t i o n

m i x i n g ,

f i l t e r f e e d i n g

X 1 s h a l l o w m i x e d l a y e r s i n e n r i c h e d c o n d i t i o n s

C h l o r e l l a , A n k y r a M o n o r a p h i d i u m

s t r a t i f i c a t i o n n u t r i e n t d e f i c i e n c y f i l t e r f e e d i n g

E u s u a l l y s m a l l , o l i g o t r o p h i c , b a s e p o o r l a k e s o r

h e t e r o t r o p h i c p o n d s

D i n o b r y o n M a l l o m o n a s

( S y n u r a )

l o w n u t r i e n t s ( r e s o r t t o

m i x o t r o p h y )

C O 2 d e f i c i e n c y

h e t e r o t r o p h i c p o n d s

( S y n u r a )

m i x o t r o p h y )

F C l e a r e p i l i m n i a c o l o n i a l C h l o r o p h y t e s

e . g . B o t r y o c o c c u s

P s e u d o s p h a e r o c y s t i s C o e n o c h l o r i s

O o c y s t i s l a c u s t r i s

l o w n u t r i e n t s h i g h t u r b i d i t y

C O 2 d e f i c i e n c y

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