Oxigênio e carbono em lagos

Curso: Ciências BiológicasDisciplina: Limnologia

Prof. José Fernandes Bezerra Neto

Química da água: Gases e principais íons

Gases Oxigênio (O2) Dióxido de carbono (CO2) Nitrogênio gasoso (N2)

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)

Solubilidade do oxigênio na água pura

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 10 20 30 40 50

Temperatura (C)

Oxi

gên

io (

mg

/L)

Efeito da temperatura

 Temp (o C)

 Temp (o F)

 O2- Sol(mg/L)

0 32 15

5 41 13

10 50 11

15 59 10

20 68 9

25 77 8

Efeito da altitude

0.500

0.600

0.700

0.800

0.900

1.000

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Altitude (m)

Pre

ssão

Par

cial

(p

)

Química da água: O2

Requerido para respiração.

Tóxico aos organismos anaeróbicos.

Influencia os processos químicos.

Principais fontes de O2

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 O2

Principais consumidores de O2

Consumo Respiração

bactéria, plantas, animais; água e sedimentos Difusão – respiração no sedimento Saída (tributário ou água subterrânea)

Principais perdas

O2 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 avaliaçãoA 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 Efluentes domésticosdomésticos

Fontes pontuais de poluição

Efluentes Efluentes industriaisindustriais

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 02 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

Fisiologia dos peixes e o oxigênio

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

Variabilidade do O2

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: oC e ppm O2

• Forte estratificação térmica e de estratificação de oxigênio dissolvido

Gráfico de cores

Cor de fundo

OD TempPlot de Plot de linhalinha

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 NegativoAlta respiração e/ou

decomposição no metalímnio

0 5 10 15

O2 mg/l

T

O2

HeterogradoNegativo

11

1

2

3

4

5

6

7

8

910

0

T

O2

Orthogrado

Dep

th (

m)

1. OrthogradoBaixa produtividade

T

O2

Clinogrado

2. ClinogradoAlta produtividade

0 5 10 15

1

2

3

4

5

6

7

8

910

0

O2 mg/l

Dep

th (

m)

T

O2

HeterogradoPositivo

*3. Heterogrado Positivo

Aumento de solubilidade no metalímnio devido à temperaturaConcentrações 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

Ciclos sazonais de temperatura & Oxigênio

Ciclo diurno do oxigênio

Ciclo sazonal 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?

O2: 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: H2S NH4

+ (convertido a NH4OH e NH3 acima ~pH 9)

Afeta indiretamente o suprimento de água de abastecimento H2S (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 H2S (mesmo aço inoxidável)

Gás sulfídrico – perfis de verão

TT

O2

O2

HH22SSHH22SS

• anoxia

anoxia

•0 •0•Eutrófico•Oligotrófico

Pro

f.

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: CO2

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 10oC)

solubilidade @ 1 atm (mg/L)

Concentração @ pressão normal (mg/L)

N2 23.3 18.2

O2 55.0 11.3

CO2 2319 0.81

C - Inorgânico: Principais fontes e consumo

Fontes: CO2 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 CaCO3 e MgCO3 em pH elevado Fotossíntese

Fluxo do CO2 em lagos

Difusão

fotossíntese

CO2

CO2

respiração

Entrada

Saída

O dióxido de carbono não somente se dissolve na água, ele reage com ela

A família do CO2

CO2 Dióxido de Carbono

H2CO3 Ácido Carbônico

CO32- Carbonato

HCO3- BicarbonatoCa(HCO3)2 Bicarbonato de Cálcio

CaCO3 Carbonato de CálcioH+ Íon HidrogênioOH- 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 CO2 na água

<1% é hidratado para formar o ácido carbônico:

CO2 + H2O H2CO3

uma parte do ácido carbônico se dissocia em bicarbonato e íons hidrogênio:

H2CO3 HCO-3 + H +

À medida que o pH se eleva, o bicarbonato se dissocia em carbonato:

HCO-3 CO3-2 + H+

Compreendendo a variação de pH

CO2 entrada (produz H+, diminui pH, mais ácido)

CO2 + H2O H2CO3 HCO3- + H+ CO3

2- +2 H+

remoção de CO2 pela fotossíntese (remove H+, aumenta pH)

Equilíbrio do Carbono Inorgânico

Nota – 100% CO2 em pH< ~ 4.5; 100% bicarbonato em pH ~ 8

e 100% carbonato em pH > ~12

H2CO3H2CO3 HCO3HCO3 CO3CO3

pH

Fra

ção

da

esp

éci

es

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 CO2: 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 CO2 na atmosfera reagir com a água para produzir ácido carbônico:

 CO2 + H2O H2CO3

  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 SOX e NOX 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 (H2SO4) e ácido nítrico (HNO3). 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%

% na chuva ácida dos EUA

Ácido sulfúrico

Ácido nítrico

Outros

O enxofre e a chuva ácida

Acredita-se que o dióxido de enxofre (SO2) 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 (SO2) Ácido sulfúrico (H2SO4)

Óxidos de nitrogênio e a chuva ácida

Os principais ingredientes para a formação do ácido nítrico são NO e o NO2 (eles são frequentemente

combinados em uma única categoria, NOX).

As emissões de NOx em 1992

Veículos 32%

Aparelhos elétricos

32%

Veículos coletivos

12%

Indústrias5%

Outros19%

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.

01234567

1950 1955 1960 1965 1970 1975

pH

Quais são os efeitos da chuva ácida?

U.S. EPA Acid Rain Program http://www.epa.gov/acidrain/student/acidity.html

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 SchindlerAcidificação do lago 223

Como a chuva ácida pode impactar os lagos?

(http://www.umanitoba.ca/institutes/fisheries/)

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 reproduzMais mudanças no fitoplânctonPerda de 1 espécie de zooplâncton (copépodo)

Início do experimento em 1976, com um pH 6.8

6.13 (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 moleMinnow e sculpin declinam

5.59 (1980) Mais perdas de zooplânctonPerdas de espécies de crustáceos

Mais espécies de peixes nãoreproduzem

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.

www.waterencyclopedia.com/A-Bi/Acid-Rain.html

Vulnerabilidade do lago ou da bacia hidrográfica: tipo de solo; profundidade e permeabilidade do solo; tamanho e forma da bacia; tipo de vegetação / altitude:

Árvores decíduas – tamponam ácidos;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