Formulação Matemática dos
Processos Ambientais
Parte 5: Eutrofização
Carlos Ruberto Fragoso Júnior
11:11
Sumário





Revisão da aula anterior
Introdução
Classificação dos corpos d’água quanto ao nível de
eutrofização
O problema da eutrofização
Nutrientes





Determinação preliminar da eutrofização


11:11
Fósforo
Nitrogênio
Carbono
Oxigênio dissolvido
Estequiometria
Razão N:P
Revisão da aula anterior

Balanço total no sistema:
dT
mC p
 Qin C pTin t   Qout C pT  As J
dt
J
J sn

solar líquida


  Tar  273 A  0,031 ear 1  RL 

4
Radiação atmosféric a de onda longa
  Ts  273  c1 f U w Ts  Tar   f U w esat  ear 


  
4
Onda longa  água
11:11
condução
evaporação
Formulação Matemática dos processos
Processos no
Sistemas
Físicos
Químicos
Biological
Hidrodinâmica
Térmicos
Crescimento
Transporte de Massa
Macronutrientes
Respiração
Mortalidade
11:11
Introdução




11:11
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.
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.
11:11
O termo vem do grego
"eu", que significa bom, verdadeiro;
"trophein", nutrir;
Assim, eutrófico significa "bem nutrido".
11:11
Introdução



11:11
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.
Classificação quanto ao nível de
eutrofização




11:11
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
Classificação quanto ao nível de
eutrofização
11:11
O problema da eutrofização

11:11
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

11:11
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

11:11
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.
Cianobactérias:
 Cianotoxinas – toxinas produzidas por cianobactérias que apresentam
efeitos adversos à saúde
HEPATOTÓXICAS
- 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).
11:11
NEUROTÓXICAS
- 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)
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
11:11
(Soares, 2005)
11:11
Nutrientes




11:11
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)
Fósforo



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




11:11
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
P orgânico
não-reativo
não-particulado
P orgânico
particulado
orgânico
inorgânico
P inorgânico
Reativo
Disponível
P inorgânico
não-reativo
não-particulado
não-disponível
Não-particulado
11:11
P inorgânico
particulado
Particulado
Fósforo





11:11
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
11:11
Fósforo - Processos
MIN
FS


SPO 4  f POD
T ,OD, POD  f PO
T ,OD, pH 
 4


min eralização do POD
fluxo no se dim ento
CB
ADS
PO4 , PIP


 f PO
sPhyt , sVeg , PO4   f PO
4

 4


consumo biológico
adsorção / dessorção
DEC
T , OD, POP  f MIN
T , OD, POD
S POD  f POD
 POD

decomposição
min eralização
FS
ME

sPhyt , sVeg , sZoo, sFish
 f POD
T , OD, pH   f POD


 
fluxo para o se dim ento
mortalidad e / excreçãoo biológica
FS
ADS

SPIP  f PIP
T , OD, pH   f PIP
PO4 , PIP

 


DEC
FS

POP

S POP   f POP
T , OD, POP  f POD


 
 

decomposição


se dim entação


FS
ME
 f POD
POPsed  f POD
sPhyt , sVeg , sZoo, sFish

 
resuspensão
mortalidad e / excreçãoo biológica
ZOO
FIS

POP, sFish

 f POD
POP , sZoo  f POD

 

consumo por zooplâncton
11:11
consumo por peixes
fluxo no se dim ento
adsorção / dessorção
Nitrogênio





11:11
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)
Formas de nitrogênio




11:11
Nitrogênio livre (N2)
Ion amonio (NH4+)/amonia (NH3)
Nitrito (NO2-) / Nitrato (NO3-)
Nitrogênio orgânico
Nitrogênio
N orgânico
não-particulado
N orgânico
particulado
orgânico
inorgânico
Nitrito/
Nitrato
Nitrogênio
livre
Ion amonio/
gas amonia
Disponível
Não-disponível
Não-particulado
11:11
Particulado
Nitrogênio
11:11
Nitrogênio - Processos
NIT
DEN

T ,OD, NO3
SNO 3  f NO
T ,OD, NH 4   f NO
3

 3
MIN
FS


SNH 4  f NOD
T ,OD, NOD  f NH
T ,OD, pH 
 4


min eralização do NOD



CB
f NH
sPhyt , sVeg , NID
4

consumo biológico
Nitrifacaç ão
fluxo no se dim ento

denitrifacação
FS
CB

sPhyt , sVeg , NO3
 f NO
T ,OD, pH   f NO
3


 3

NIT
 f NH
T ,OD, NH 4
4
fluxo no se dim ento
Nitrifacaç ão
consumo biológico
DEC
MIN
FS



SNOD  f NOD
T ,OD, NOP  f NOD
T ,OD, NOD  f NOD
T ,OD, pH 
  


decomposição
min eralização
fluxo para o se dim ento
ME
sPhyt, sVeg, sZoo, sFish
 f NOD

mortalidad e / excreçãoo biológica
DEC
FS
S NOP   f NOP

T , OD, NOP  f NOD
NOP



 


decomposição
se dim entação
FS
ME

sPhyt
 f NOD
NOPsed   f NOD
, sVeg , sZoo, sFish
 


resuspensão
mortalidad e / excreçãoo biológica
ZOO
FIS
 f NOD

NOP, sZoo  f NOD
NOP, sFish


 

consumo por zooplâncton
11:11
consumo por peixes
Nitrogênio - Processos





11:11
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.
Carbono





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



11:11
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
Formas de carbono

Carbono inorgânico dissolvido




11:11
CO2 – dioxido de carbono
HCO3- – bicarbonato
CO3- – carbonato
Carbono orgânico
Carbono
C orgânico
não-particulado
C orgânico
particulado
orgânico
inorgânico
Carbono
inorgânico
dissolvido
Disponível
Não-disponível
Não-particulado
11:11
Particulado
Carbono
11:11
Carbono
MIN
FS

SCID  f COD

T , OD, COD  f CID
T , OD, pH 
 


min eralização doCOD
fluxo para o se dim ento
CB
RB
sPhyt , sVeg , CID
  f CID
sPhyt , sVeg , sZoo, sFish
 f CID

 

consumo biológico
respiraçãobiológica
ATM
pCO
 f CID
2

fluxo da atmosfera
DEC
MIN

T , OD, COD
SCOD  f COD
T , OD, COP  f COD
 
decomposição
min eralização
FS
ME

sPhyt , sVeg , sZoo, sFish
 f COD
T , OD, pH   f COD


 
fluxo para o se dim ento
mortalidad e / excreçãoo biológica
DEC
FS
FS


COPsed
SCOP   f COP
T , OD, COP  f COD
COP  f COD


 
 
 
decomposição
se dim entação
resuspensão
ME
ZOO
COP, sZoo


 f COD
sPhyt , sVeg , sZoo, sFish  f COD
 

mortalidad e / excreçãoo biológica
FIS
COP, sFish

 f COD


consumo por peixes
11:11
consumo por zooplâncton
Oxigênio dissolvido



11:11
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









11:11
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
11:11
Oxigênio dissolvido
SOD  f OATM

2

Re aeração

f OFIT
2

Fitoplâncton
11:11
f OSed
2

fluxo para o sed.

f ODEC
2

Decomposição da MO
ZOO
PEIX
 f OMAC

f

f
O2
O2
2





Macrófitas
Zooplâncton
Peixes
 f ONIT
2

Nitrificaç ão
Determinação premilinar da eutrofização


11:11
Método estequiométrico
Razão N:P
Método estequiométrico


11:11
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)
Método estequiométrico

Composição estequiométrica da matéria
orgânica:
106CO2 16NH 4  HPO42 108H2O  C106 H263O111 N16 P1 107O2 14H 
fitoplâncton
11:11
Método estequiométrico

Esta fórmula pode ser usada para determinar
as razões de massa de carbono para
nitrogênio e para fósforo
C
:
N
:
P
106 12 : 16 14 : 1 31
1272
11:11
:
224
:
31
Método estequiométrico


Protoplasma de uma planta tem
aproximadamente 1% de P do peso seco
Desta forma, podemos normalizar as razões
de massa
C
40%
11:11
:
N
:
: 7,2% :
P
1%
Método estequiométrico



11:11
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
Método estequiométrico
Seco
N
7%
10%
Outros
52%
90%
Molhado
11:11
P
1%
C
40%
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:



11:11
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
Razão N:P



11:11
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.