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;
O problema da eutrofização
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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.
O problema da eutrofização
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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
biológicaoexcreção/emortalidad
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
Não-particulado Particulado
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
biológicaoexcreção/emortalidad
MENOD
entodimseoparafluxo
FSNOD
eralizaçãomin
MINNOD
ãodecomposiç
DECNODNOD
sFish,sZoo,sVeg,sPhytf
pH,OD,TfNOD,OD,TfNOP,OD,TfS
peixesporconsumo
FISNOD
nzooplânctoporconsumo
ZOONOD
biológicaoexcreção/emortalidad
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
Não-particulado Particulado
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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
biológicaoexcreção/emortalidad
MECOD
entodimseoparafluxo
FSCOD
eralizaçãomin
MINCOD
ãodecomposiç
DECCODCOD
sFish,sZoo,sVeg,sPhytfpH,OD,Tf
COD,OD,TfCOP,OD,TfS
peixesporconsumo
FISCOD
nzooplânctoporconsumo
ZOOCOD
biológicaoexcreção/emortalidad
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);
Oxigênio dissolvido
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Oxigênio dissolvido
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Oxigênio dissolvido
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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Método estequiométrico
Composição estequiométrica da matéria orgânica:
HOPNOHCOHHPONHCO 1410710816106 211611126310622442
fitoplâncton
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Método estequiométrico
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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Método estequiométrico
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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Método estequiométrico
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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Método estequiométrico
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.