Qualidade da água e dinâmica de nutrientes harry Alberto Bollmann Charles Carneiro Eduardo Pegorini



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Tabela 7.3 - Concentração de P-Total e níveis de trofismo relacionados


ESTADO TRÓFICO

CONCENTRAÇÃO P-TOTAL (g /l)

Ultra-oligotrófico

< 5

Oligomesotrófico

5 – 10

Meso-eutrófico

10 - 30

Eu-politrófico

30 - 100

Politrófico

> 100

FONTE: Vollenweider (1968).
O Fósforo está presente no ambiente sob várias formas, grande parte destas com facilidade de reação com colóides, matéria orgânica e outros compostos afins, constituindo na maioria das vezes ligações de difícil solubilização. Segundo Graetz e Nair (1999), de maneira simples é possível distinguir quatro seqüências de fracionamento de Fósforo em razão da força com que está retido ou ligado a outras estruturas:


  • Fósforo lábil;

  • Associações com óxidos e hidróxidos de Alumínio, Ferro e Manganês;

  • Ligações com Cálcio e Magnésio, e

  • Minerais e materiais orgânicos..

Nos meios aquáticos, pode ser encontrado sob as formas orgânica e mineral,. Ambas podem estar dissolvidas ou particuladas em água, dependendo basicamente da estruturação química e do composto a que estão ligadas. Quando adsorvido pela matéria orgânica, por argilas silicatadas ou por íons metálicos, os complexos de Fósforo têm maior dificuldade de solubilização.



7.8.1. Aporte de Fósforo aos Sistema Aquáticos
A dinâmica de fósforo em reservatórios é principalmente influenciada pelo aporte de cargas através dos tributários, da mobilização a partir do sedimento de fundo, do assoreamento e erosão, da decomposição de restos vegetais remanescentes, do intemperismo das rochas e minerais e, de forma mais intensa, pela ação antrópica, que envolve principalmente a contaminação por esgotos clandestinos (Figura 7.8).
Algumas variáveis têm maior relevância na determinação e intensidade do aporte de Fósforo aos ecossistemas aquáticos. Estas variáveis podem ser caracterizadas como contribuições pontuais ou difusas. As cargas pontuais correspondem aos aportes localizados, independentemente da origem antrópica ou natural. As cargas difusas são aportes que ocorrem de forma dispersa no meio, portanto, de mais difícil controle.
Trabalhos têm evidenciado a relevância das fontes antrópicas, tanto pontuais quanto difusas, como contribuintes de Fósforo nos corpos d’água, especialmente as atividades agrícolas e os esgotos clandestinos (Cordeiro Netto e Dutra Filho, 1981). No entanto, outras contribuições difusas de ordem não-antrópica com menor conotação, e também de difícil controle, como solos, rochas e minerais, podem exercer uma ação significativa sobre incrementos no potencial de eutrofização, especialmente quando são consideradas microalgas e cianobactérias - como os organismos fitoplanctônicos de maior importância para reservatórios eutrofizados, visto que estes organismos necessitam de baixos teores de Fósforo para realizarem seu pleno metabolismo. Segundo Chu apud Woleinveider (1968), grande parte das algas planctônicas desenvolvem crescimento bastante satisfatório com teores acima de 18 gP-PO4-3 / l.



Figura 7.8 – Principais Fatores de Influência Sobre os Teores de Fósforo em Ecossistemas Lacustres.
De maneira geral, os solos brasileiros naturalmente apresentam baixos teores de Fósforo, algo em torno de 200 e 3.000 mg / kg. Além disto, o Fósforo efetivamente disponível na solução do solo não é maior que 0,1% deste teor (Mello et al., 1984; Novais e Smyth, 1999) devido à facilidade da sua retenção no solo, o que muitas vezes restringe sua disponibilidade e mobilidade no meio.
Os solos, rochas e minerais, promovem uma constante liberação de Fósforo nas áreas de drenagem das bacias hidrográficas. Muitas vezes, mesmo com a minimização as fontes antrópicas, os teores observados e solubilizados ao meio liquido pelas características naturais da área de influencia por si só são suficientes para manutenção das condições de trofismo no sistema.
A interação da água com as rochas e as intervenções climáticas têm grande influência sobre a concentração do Fósforo e cátions dissolvidos em função das diferentes composições de textura, mineralogia e ainda, o dinamismo dos processos. Os principais processos que interagem no sistema são as reações de oxi-redução, reações de hidratação e desidratação, reações diretamente envolvendo os carbonatos, e reações de hidrólise de silicatos. Obviamente, as reações que envolvem a biota também são significativas sobre o sistema. Basta considerar a fotossíntese, que afetará as concentrações de O2 e CO2, entre outras várias reações bióticas de grande importância como a fermentação.
Vários processos podem promover a subtração de Fósforo do solo (Mello et al., 1984; Novais e Smyth, 1999):


  • fixação – conversão de formas lábeis de Fósforo em solução, para formas não-lábeis e indisponíveis;

  • difusão – é o principal mecanismo de movimentação de Fósforo no solo no sentido de ser absorvido pelos vegetais;

  • imobilização – consumo por microrganismos presentes;

  • lixiviação.

No entanto, mesmo imóvel ou fixado, o Fósforo pode ser carreado aos corpos d’água. Os processos de tração, suspensão e solubilização podem transportar praticamente todas as formas fosfatadas, cada qual imprimindo características típicas de deposição no sistema.


O sedimento de fundo freqüentemente pode ser associado ao trofismo do meio aquático, visto que a concentração da maioria dos elementos químicos é significativamente maior neste compartimento, com possibilidade de liberação ao meio líquido. Também é onde ocorre a maioria das reações físico-químicas e biológicas com relação à ciclagem de nutrientes e ao fluxo de energia. Como conseqüência, suas características refletem os principais impactos a que o sistema foi submetido, registros da evolução histórica em função da maneira e intensidade de como aconteceram, assim como também o nível de contaminação.
O material orgânico presente no meio também apresenta uma influência direta sobre a dinâmica do Fósforo, podendo causar uma simples retenção ou mesmo a complexação e conversão deste à forma orgânica. Uma vez que estes complexos formados apresentem grandes cadeias de elevado peso molecular, pode ocorrer a sua sedimentação diminuindo a concentração no mesolímnio e epilímnio.
A capacidade e intensidade das ligações de sorção dos elementos também influenciam a solubilidade dos elementos. Os processos de sorção e troca são intensos e acontecem ininterruptamente em condições normais. As cargas dos colóides, solutos e sólidos de um modo geral são responsáveis pelas intensas trocas até o estabelecimento do equilíbrio iônico. Assim como no solo, a força de ligação em primeira ordem, depende do potencial e do raio iônico (série liotrópica), com grande significância também a concentração e natureza dos materiais (Mello et al., 1983).
Segundo Carvalho (1995), a mobilidade dos elementos químicos é influenciada pelo raio iônico, potencial de oxidação, arranjo estrutural, grau de cristalinidade, e granulometria, porosidade, permeabilidade e composição química do material, e ainda, fatores de ordem climática).
7.8.2. A dinâmica dos ortofosfatos
As formas absorvidas com maior freqüência e intensidade pelo fitoplâncton são os Ortofosfatos ou Fosfatos Reativos (H2PO4-1, HPO4-2 e PO4-3), que são formas minerais solúveis. Entre os fatores que interferem com a solubilização dos Ortofosfatos, merecem destaque o Potencial Hidrogeniônico do meio (pH), o Potencial de Oxi-redução (Redox), a composição e o teor de matéria orgânica, a concentração dos metais (Al, Fe e Mn), a concentração dos Carbonatos e Sulfetos, além da concentração de Cálcio.
Os Ortofosfatos têm sua protonização influenciada diretamente pelo pH, como mostra a Figura 7.9. O pH da maioria dos reservatórios brasileiros subtropicais permanece 6 e 8, e nesta amplitude, predominam as formas H2PO4- e HPO4-2, com baixos teores do ânion PO4-3, que tem significância para valores de pH superiores a 10.


Figura 7.9 - Distribuição de H3PO4 e dos Íons Fosfato em Função do pH

FONTE: (adaptado de Mello et al., 1984).
A concentração de Ortofosfatos em água também depende da densidade e atividade dos organismos aquáticos, especialmente do fitoplâncton e das macrófitas aquáticas que, durante seus processos metabólicos, podem assimilar grandes quantidades destes íons (Esteves, 1998). Desta forma, elevações nas quantidades de biomassa fitoplanctônica freqüentemente são precedidas por altas concentrações de Fósforo. Posteriormente, entretanto, ocorrem decréscimos nos teores de Ortofosfatos em razão do elevado consumo pelos organismos.
Além das variáveis físicas, químicas e biológicas que afetam a disponibilidade do Fósforo nos ambientes aquáticos, cabe ressaltar a importância dos fatores climáticos, como temperatura, precipitação, luminosidade e regime de ventos sobre a ciclagem de nutrientes do ambiente aquático. De maneira bastante genérica podemos citar a temperatura influenciando a densidade da água, a precipitação atuando sobre o tempo de residência das águas, a luminosidade afetando a produção de biomassa e o regime de ventos influenciando o processo de estratificação e desestratificação térmica das massas de água.
A estratificação térmica determina fundamentalmente a liberação ou retenção dos Ortofosfatos presentes no sedimento ao meio líquido, e deste, novamente para o sedimento. O dinamismo dos Ortofosfatos nos ecossistemas aquáticos, numa visão simplista, pode ser valiada com base em dois ambientes diferenciados quanto às suas características (Figura 7.10):


  • os ambientes com estratificação térmica originando hipolímnios anaeróbios e,

  • os ambientes sem estratificação térmica definida originando hipolímnios aeróbios.




Figura 7.10 – Dinâmica de Ortofosfatos em Função do Perfil de Oxigênio no Hipolímnio

FONTE: (adaptado de Esteves, 1998)
No primeiro caso, em razão da estratificação da água, ocorre uma subdivisão de camadas, onde a água mais quente e de menor densidade permanece em superfície, até que ocorra nova alteração nos padrões de sua temperatura e densidade capaz de promover a movimentação da coluna d´água. Os extratos superiores são mais aerados pela proximidade com a atmosfera, apresentando maior teor de Oxigênio disponível, o que torna o meio um ambiente oxidante, comparativamente aos extratos inferiores. No entanto, devido à estratificação, esta condição não prevalece na porção inferior do hipolímnio que apresenta um ambiente redutor, onde os íons e complexos hidratados de Ferro [Fe(OH) (H2O)n]n+, que numa condição oxidada precipitariam o Fósforo, ficam sob a forma reduzida Fe2+, e neste estado de oxidação, tem pouca afinidade com os Ortofosfatos, permitindo com que fiquem solúveis no meio, passíveis de serem absorvidos pelo fitoplâncton. Embora com menor significância, precipitações de Ferro e Ortofosfatos também podem ocorrer em lagos estratificados. No entanto, estes fenômenos estão quase que restritos ao epilímnio, onde os compostos de Ferro presentes se apresentam oxidados. Ademais, o Ferro tem facilidade de reação com o Sulfeto proveniente do Hidróxido de Enxofre (H2S), limitando ainda mais a concentração de Ferro reativo.
A distribuição vertical dos cátions e ânions na coluna d'água também dependem da ocorrência ou não de estratificação térmica. Quando o perfil não encontra-se estratificado, os íons dissolvidos distribuem-se de forma relativamente homogênea na coluna. Quando há estratificação, ocorre uma tendência de maior concentração na região hipolímnica.
Os íons Alumínio e Manganês, em solução ou precipitados sob a forma de óxidos e hidróxidos, também podem co-precipitar os Fosfatos reativos, sendo que este processo se torna mais efetivo em pH inferior a 5,0. Em lagos com pH mais elevado, os cátions Cálcio e Magnésio também são bastante significativos quanto à ligação com Ortofosfatos, constituindo precipitados estáveis e de pouca solubilidade.
No segundo caso, para ambientes sem estratificação térmica e com hipolímnios aeróbios, os íons Fe3+ freqüentemente presentes no epilímnio (em solução ou complexados) onde a oxigenação é maior, ocorrem na forma férrica também em maiores profundidades devido ao perfil ortogrado da coluna d’água, aumentando a quantidade de co-precipitação junto a íons Ortofosfatos. Além da precipitação do Fósforo junto a compostos Férricos, é importante lembrar, que os íons de Alumínio e Manganês (em pH mais ácido), e Cálcio e Magnésio (em pH mais básico) podem exercer uma influência bastante significativa na precipitação de Fósforo.
Para hipolímnios aeróbios, a camada de oxidação que se forma na superfície do sedimento é fundamental para a manutenção do Fósforo retido no sedimento. Porém, a intensidade de co- precipitação depende diretamente da concentração de Fe3+ e PO43+ no meio. Segundo Esteves (1998), quando a concentração de íons Fe3+ for superior a de íons PO43+ ocorre a totalidade de precipitação dos Ortofosfatos; por outro lado, quando a concentração de Fe3+ for igual ou inferior a de íons PO43+ os Ortofosfatos não são inteiramente precipitados, permanecendo parte em solução, mesmo em condições de disponibilidade de Oxigênio no meio.

7.8.3. Fatores intervenientes no ciclo de Fósforo
Além dos próprios fatores inerentes à água e ao sedimento que interferem na liberação/complexação do Fósforo, outros aspectos como desenvolvimento de macrófitas aquáticas e fitoplâncton, densidade da comunidade zooplanctônica, distribuição populacional da ictiofauna, podem ser também bastante significativos no dinamismo do fósforo na coluna d’água.
Macrófitas

As plantas macrófitas nos ecossistemas aquáticos podem influenciar de forma bastante significativa as concentrações de Fósforo, tanto em água como em sedimento, especialmente onde há grandes ocorrências destas populações (capítulo 10).


A importância estratégica das macrófitas na ciclagem de Fósforo se deve ao fato de que, especialmente em lagos rasos, as plantas podem estenderem-se por todo perfil da coluna d’água, desde o epilímnio em contato com a atmosfera, até o estabelecimento radicial no sedimento, com incidência de absorção/liberação em praticamente toda a extensão da planta. Com o sistema radicial em contato com o sedimento de fundo, mesmo em lagos não-estratificados e com hipolímnio aeróbio, a limitação de desenvolvimento por ortofosfatos não acontece, visto que, geralmente, em função da força gravitacional, os ortofosfatos precipitados e outras estruturas em decomposição de elevado peso molecular, acabam acumulando no sedimento. Portanto, a maioria das macrófitas aquáticas pode promover a liberação de ortofosfatos para o meio líquido, mesmo com a existência de camada de oxidação no sedimento.
Fitoplâncton

O fósforo está envolvido em vários processos metabólicos importantes dos organismos fitoplanctônicos (capítulo 9), sendo preferencialmente absorvido como ortofosfato. Entretanto, alguns trabalhos (Galloway & Krauss, 1963); têm também evidenciado a capacidade de alguns organismos em absorver moléculas maiores de fosfato, ou mesmo Fósforo na forma orgânica, embora a absorção envolvendo estruturas orgânicas ainda precise ser melhor entendida.


A absorção de Fósforo pelo fitoplâncton depende não só da concentração no meio líquido, como também da concentração interna de Fósforo na célula, ambos influenciam efetivamente o sistema regulatório que controla a intensidade de absorção. O consumo é significativamente aumentado durante o período de crescimento de uma dada população. Algumas espécies de cianofícias como Oscillatória sp e Cilindrospermopsis sp, podem acumular fosfato para períodos de escassez, consequentemente podendo ocorrer florações mesmo com baixos teores de Fósforo em água.
Zooplâncton

A participação dos organismos zooplanctônicos sobre a concentração de Fósforo está principalmente ligada à excreção, com a liberação de fosfatos orgânicos e minerais ao meio como produto de seu metabolismo (capítulo 11).


Os Ortofosfatos predominam como a principal forma de fósforo liberada. Um importante estudo, conduzido por Pace & Orcutt Jr (1981), mostrou que certos protozoários, durante o período quente em um lago temperado, foram capazes de reciclar até 30 gP-PO4-3 / l na região do epilímnio.
Ictiofauna

Os peixes, em razão do hábito alimentar variado, podem ter pouca ou ampla influência sobre as concentrações de Fósforo em água. Todos os níveis tróficos de alimentação em peixes considerados por AGOSTINHO et al. (1997) podem potencialmente ser determinantes sobre o conteúdo de Fósforo no ambiente lacustre :



  • herbívoros, que se alimentam de vegetais superiores e algas filamentosas;

  • insetívoros, que se alimentam de insetos;

  • detritívoros, que ingerem sedimentos diversos e invertebrados em decomposição;

  • bentófagos, que alimentam-se de organismos bentônicos;

  • piscívoros, que alimentam-se de outros peixes;

  • onívoros, que consomem organismos de origem animal e vegetal.

Alguns trabalhos (---------------) tem caracterizado a importância de excrementos da comunidade de ictiofauna nos teores de Ortofosfatos em água de reservatórios, especialmente quando se trata de espécies mais jovens.


Cor

A coloração da água relacionada a concentração de substâncias orgânicas, em algumas circunstâncias, também pode influenciar a ciclagem do fósforo. Em estudo de Shannon & Brezonik (1972), comparando estados tróficos de lagos em função da cor da água e do teor de fósforo total (embora as variáveis pH, alcalinidade, acidez, condutividade e cálcio também tenham sido utilizados para a composição do nível), observaram que enquanto nos lagos com desenvolvimento de pouca cor foi possível estabelecer claramente três níveis de trofia, nos lagos com coloração bem desenvolvida a definição dos grupos de trofia ficou dificultada, além dos valores de fósforo e clorofila-a terem apresentado uma relação disforme. Isto sugere que a coloração da água condicionada a elevada concentração de compostos orgânicos pode influenciar os padrões de produtividade de um lago em relação aos teores de fósforo.


pH

As relações do pH como fator de influência sobre as concentrações de fósforo na coluna d’água não é bem estabelecida. Em trabalho realizado por Ogburn (1984) a condição de extrema acidez (pH menor que 4,0) afetou negativamente a mineralização do fósforo orgânico. Detenbeck & Brezonick (1991) também relaciona a sorção de fósforo ao sedimento como altamente dependente do pH. Entretanto, alguns trabalhos citam que a ciclagem de fósforo na maioria do processos independe do pH, especialmente a liberação de ortofosfatos (Brezonick, 1993 apud Brezonick and Pollman, 1999), mesmo porque raramente os lagos alcançam pH inferiores a 4,0. VER IRAÍ


Concentração de Sais e Metais

Os cátions e alguns metais presentes no meio têm a propriedade de floculação junto a materiais suspensos e íons dissolvidos, consequentemente íons fosfato, influenciando também a turbidez, luminosidade e composição do sedimento de fundo. Os elementos químicos Al, Mn, Fe, Mg e Ca, com seus óxidos e hidróxidos, são os elementos de maior afinidade com o Fósforo.


7.5. SEDIMENTOS LIMNÍCOS
7.5.1. Origem e Importância dos sedimentos em ecossistemas de reservatórios
Nos ambientes aquáticos, os sedimentos liminícos representam uma fase sólida composta por partículas de tamanho, forma e composição química variáveis, transportados a partir dos ambientes terrestres (origem alóctone) que se depositam e acumulam-se no fundo dos ambientes lacustres ao longo dos anos.
Além destas origens, os sedimentos podem concentrar precipitados de processos químicos e biológicos resultantes de interações das partículas de origem externa com o ecossistema lacustre (origem autóctone). Em geral, quanto mais produtivo o lago, maior é a formação e acúmulo de sedimentos de origem autóctone. Como conseqüência direta da sedimentação nestes ambientes, normalmente os sedimentos apresentam concentrações de elementos químicos significativamente mais elevadas que as observadas na coluna d'água.
Os sedimentos representam um compartimento bastante ativo nos ambientes aquáticos. Além da deposição e acúmulo de substâncias, nesta fase do ambiente ocorrem processos biológicos, físicos e/ou químicos fundamentais para a manutenção de todo o metabolismo do sistema, tais como:

  • Fluxo de matéria e energia: deposição e reciclagem de carbono.

  • Ciclagem de nutrientes: reações de fixação e liberação para a coluna d’água.

  • Contaminação de ambientes aquáticos: acúmulo e liberação de poluentes.

O sedimento atua como um subsistema com regulação própria que combinado aos outros compartimentos do ecossistema lacustre, pode prolongar o tempo de permanência de certos elementos e compostos no sistema como um todo, funcionando como reservatório e fonte de nutrientes e contaminantes para o meio líquido.


A dinâmica de formação permite, através da avaliação físico-química e biológica estratificada realizar predições das condições passadas do ambiente, tais como aumento/redução da contaminação química, histórico dos estágios de trofia do ambiente, etc...
7.5.2. Características dos sedimentos lacustres
Os sedimentos lacustres são compostos por duas fases:

  • fase sólida, constituída pela material particulado depositada no fundo dos lagos

  • fase líquida, denominada água intersticial, se distribui pelos poros formados entre o material particulado.


7.5.2.1. Fase sólida

O material particulado compreende partículas minerais, compostos orgânicos em diversos estágios de decomposição, fragmentos de rocha, carbonatos e compostos precipitados de ferro, manganês e alumínio, metais pesados e outros elementos químicos a eles associados. A fração orgânica desta fase constitui a principal fonte de energia para a população bentônica dos reservatórios, e pode ter origem alóctone (externa ao lago), principalmente associada a lançamentos de esgotos, ou autóctone, importante em lagos de alta produtividade primária, normalmente eutrofizados.


As partículas minerais geralmente estão associadas a elementos transportados da porção terrestre das bacias de contribuição (origem alóctone) devido à ação de processos erosivos, e acabam sedimentando nos reservatórios. A fração mineral (inorgânica) normalmente predomina nos sedimentos de reservatórios e represas jovens, com pouco tempo de enchimento e de baixa atividade produtiva e/ou períodos curtos de residência, onde a sedimentação resultante da atividade produtiva do reservatório é reduzida.
A granulometria da fração mineral representa um aspecto importante para a dinâmica e interações entre água e sedimento em reservatórios. Normalmente predominam nos sedimentos partículas de granulometria argila, silte e areia, raramente ocorrem frações maiores, mais grosseiras, como cascalho. Quando estas ocorrem, podem estar associadas a materiais já existentes nos lagos antes de seu enchimento a materiais utilizados na construção da barragem, etc.
Entre as partículas minerais constituintes dos sedimentos, destacam-se pela relevância na interação entre água e sedimentos, as frações mais finas, principalmente argila, hidróxidos e óxidos de Fe, Mn e Al. Estas frações apresentam grande superfície específica, com alta atividade físico-química que encerra os fenômenos de adsorção e desorção de elementos importantes para a dinâmica e trofismo do lago, entre eles: nutrientes (especialmente P), metais pesados e poluentes orgânicos de baixa solubilidade.
Uma vez retidos nos sedimentos, estes elementos podem ser liberados novamente para a coluna de água através de trocas (equilíbrio químico) entre sedimento e água intersticial, difusão e/ou ressuspenção do sedimento por organismos bentonicos (bioturbação) ou hidrodinâmica das águas de fundo. A hidrodinâmica esta associada a incidência de ventos, morfometria, correntes e vazão dos afluentes ao reservatório.
A proporção entre as frações orgânica e mineral tem sido utilizada classicamente para classificar os sedimentos:

  • sedimentos orgânicos: aqueles que apresentam teores de material orgânico superior a 10% do peso seco. Em função da origem da porção orgânica, autóctone ou alóctone, estes sedimentos podem ser classificados ainda como "gyttja" ou "dy", respectivamente (ESTEVES, 1998; SCHÄFER, 1984). Os sedimentos orgânicos de origem autóctone normalmente estão associados a lagos/reservatórios eutrofizados, e resultado da sedimentação das algas mortas. A matéria orgânica alóctone resulta de contribuições urbanas (esgotos, drenagem), industriais (efluentes) ou naturais (restos de vegetação, erosão, etc).

  • sedimentos inorgânicos: caracteriza-se por concentração de material orgânico inferior a 10% do peso seco. Este tipo de sedimento predomina em represas/reservatórios com baixo nível de trofia (oligotróficos), onde a produção é baixa e a ciclagem é intensa, reservatórios jovens ou que recebem baixa carga orgânica de seus afluentes.

Estas informações são importantes na avaliação do potencial dos sedimentos para manutenção dos níveis de nutrientes, especialmente fósforo, e poluentes, como metais pesados e poluentes orgânicos, no corpo hídrico dos reservatórios após o controle das cargas afluentes. Exemplificando, o reservatório do Iraí (Região Metropolitana de Curitiba) é um reservatório jovem, com três anos de enchimento (ANDREOLI et al., 2003), com grande espelho d’água (14,6 km2) e localizado sobre uma região de planícies, bastante sujeito a incidência de ventos norte, nordeste e leste (2 m s-1). A caracterização do sedimento de fundo realizada ao longo dos anos de 2002 e início de 2003 predominam as frações inorgânicas, com teores de matéria orgânica médios em torno de 2% e variação entre 0,57 e 13,8%, demonstrando grande variabilidade entre as coletas, conseqüência da baixa concentração de sedimentos até o momento (reflexo da pouca idade) e da hidrodinâmica do reservatório.


A distância dos tributários ao extravasor (variação longitudinal) e a hidrodinâmica do reservatório também influem sobre as composição do sedimento. As fácies (granulometria) dos sedimentos variam nos reservatórios em função de suas características hidrodinâmicas. No reservatório do Iraí, as maiores deposições de sedimentos foram observadas nos locais onde ocorre maior movimentação da coluna d'água em profundidade, com maiores concentrações de material orgânico e partículas de granulometria menor (argila e silte). Os sedimentos com predominância de partículas de granulometria maior foram observados nos locais de maior movimentação, como no vertedouro e nos locais com profundidade inferior a dois metros. Estes pontos apresentam revolvimento do sedimento, favorecendo o enriquecimento em frações mais grosseiras (SANTOS, 2003).
Nas regiões de maior estabilidade hidrodinâmica (centrais e mais profundas) ocorre predominância de sedimentos mais finos. Em relação à dinâmica de nutrientes e poluentes estas informações são de grande relevância, uma vez que as partículas finas apresentam maior potencial de adsorção de elementos.
7.5.2.2. Fase Líquida
A fase líquida dos sedimentos, denominada água intersticial, se desenvolve nos espaços formados entre as partículas sólidas dos sedimentos. Esta fase apresenta grande importância no fluxo de elementos a partir dos sedimentos para a coluna d'água. A água intersticial apresenta equilíbrio físico-químico com a fase sólida do sedimento, mantendo concentrações de elementos químicos significativamente mais elevada que a coluna d'água dos reservatórios.
Uma vez na água intersticial, estes elementos podem ser transferidos para a coluna d'água através do processo de difusão. O processo de difusão depende principalmente da concentração do elemento entre os compartimentos. Indiretamente do potencial redox, pH, temperatura da água, e concentração de O2 nestes meios (CARVALHO, 1995).
7.5.3. Sedimentos e dinâmica de nutrientes
Os sedimentos desempenham importante função na acumulação e reciclagem de nutrientes nos ambientes aquáticos. Os nutrientes ocorrem nas águas sob formas inorgânicas dissolvidas, material orgânico dissolvido, partículas abióticas suspensas e biologicamente nos corpos dos seres vivos do ambiente (STRASKRABA E TUNDISI, 2000). Estas formas são representados por uma mistura de diferentes espécies químicas num processo de troca constante, envolvendo processos químicos (reações, precipitação, etc), físico-químicos (adsorção / desorção), físicos (sedimentação/ressuspensão), e biológicos (absorção, morte e excreção).
O processo de sedimentação é particularmente importante neste caso por resultar no acúmulo destes nutrientes no fundo dos reservatórios, seja como partículas abióticas (adsorvidos a partículas minerais, precipitados ou compostos insolúveis) ou bióticas (fitoplâncton, zooplâncton e outros organismos mortos e/ou complexos orgânicos).
A concentração de nutrientes nos sedimentos pode variar de forma significativa longitudinal e transversalmente nos reservatórios, em função de diferenças hidrodinâmicas, proximidade dos tributários, tipo de contribuição dos tributários e atividade primária no local de amostragem. As variações hidrodinâmicas e a densidade das partículas determinam a taxa e tipo de material sedimentado, predominando frações grosseiras (areia) nas porções de maior movimentação. A atividade primária pode determinar maior acúmulo de compostos orgânicos resultantes da morte e sedimentação dos organismos associados.
No reservatório do Irai, observou-se tendência de concentração de material orgânico e fósforo principalmente nas proximidades dos tributários (figura xxx), demonstrando que o processo de eutrofização encontra-se num estágio onde a morte e sedimentação do fitoplâncton não ainda representou acúmulos expressivos no sedimento de fundo.
F
igura XXXX. Concentração média de nutrientes (P, K, Ca, Mg e K) no sedimento no ponto central e no extravasor do reservatório do Iraí, RMC.
A s cátions estão relacionados principalmente a salinidade e a condutividade elétrica dos meios, fatores que interferem na osmorregulação dos organismos presentes no meio e na densidade da água. Alterações na densidade da água interferem na estratificação da coluna d'água dos reservatórios e na distribuição dos elementos e compostos orgânicos. Vários fatores determinam a composição catiônica dos meio aquáticos, entre eles: a litologia da bacia de hidrográfica e o regime de chuvas (ESTEVES, 1998).
Uma vez nos sedimentos, os processos físico-químicos e biológicos podem tanto favorecer a retenção dos nutrientes nos sedimentos, como a sua liberação para a coluna d'água. Os principais processos associados a dinâmica de nutrientes nos sedimentos são:

  • Adsorção/desorção

  • Decomposição da matéria orgânica

  • Difusão

  • Saturação de oxigênio - Potencial de redução/oxidação

  • Ressuspensão (bioturbação / circulação da água / bolhas de gás)


7.5.3.1. Adsorção/Desorção
O processo de adsorção é um fenômeno físico-químico que consiste na atração de íons ou compostos pela superfície de partículas sólidas do sedimento dotadas de cargas elétricas. Estes processos estão predominante associados a partículas coloidais minerais e orgânicas com dimensões em geral inferiores a 1 (um) micrômetro. Entre as partículas minerais dotadas desta capacidade destacam-se as argilas silicatadas (AlO3.2SiO2.2H2O), transportadas pelos sedimentos minerais erodidos juntamente com óxidos e hidróxidos de ferro e alumínio. Estas partículas em geral desenvolvem em superfície cargas negativas que atraem e retém frouxamente um "enxame" de cátions (BRADY, 1989).
Além dos colóides minerais, estes processos ocorrem de forma semelhante também nas partículas orgânicas. Estas partículas são constituídas por compostos orgânicos de tamanho e forma complexos, onde as cargas são resultantes principalmente da dissociação de grupos funcionais como carboxilico (-COOH), enólico (-OH) e Fenólico (benzeno - OH).
A carga de alguns destes colóides é significativamente dependente do pH, como é o caso de algumas argilas silicatadas, óxidos e hidróxidos e colóides orgânicos. Quanto mais ácidas as condições do meio mais fortemente o ion hidrogênio é retido por estas estruturas, dificultando sua substituição por outros cátions. Com a elevação do pH, ionizam-se os elementos H destes grupos, possibilitando sua substituídos por outros cátions. Sob condições alcalinas a capacidade sortiva dos complexos orgânicos excede consideravelmente a da maioria das argilas silicatadas.
Predominam no complexo coloidal dos sedimentos a adsorção de cátions (Ca2+, Mg2+, K+, Na+, metais pesados, Al3+, Fe3+, Mn3+, etc). A retenção destes elementos segue uma ordem de preferência em função do raio iônico e da carga elétrica (RAIJ, 1983). Em condições especiais, principalmente associadas a pH ácido nos sedimentos, estes complexos podem desenvolver cargas positivas e reter fracamente também ânions, entre eles formas de fosfato, nitrato, sulfato, etc.
A retenção eletrostática realizada nestes colóides pode ser considerada fraca, mantendo os elementos sujeitos a reposição por outros elementos, processo denominado permuta de cátions. Este processo é importante para a manutenção dos elementos adsorvidos em equilíbrio com sua concentração na água intersticial (figura xx), funcionando como um meio tampão.


-


COLÓIDE -

-

-



2+Ca

3+Al

2+Mg

+H

+K

Al3+ K+

Al3+ K+ Al3+

Ca2+ NH4+

NH4+ Mg2+ Ca2+

H+ Ca2+ H+

Água intersticial Hipolimnio



Figura XXXX. Representação esquemática do processo de adsorção/desorção de cátions em partículas de sedimento.


Alguns elementos podem ser retidos de forma mais fortes pelas argilas silicatadas, entre estes merece destaque o fósforo. A argila dos sedimentos representa um dos principais fatores associados a capacidade de retenção de fósforo nos sedimentos. Estas argilas absorvem o fósforo através de ligações químicas específicas entre os ânions PO43- e os elementos ionizados Al3+ de suas arestas (MARGALEF, 1983, RAIJ, 1993). Ligações desta magnitude ocorrem também entre o elemento e óxidos de Al, hidróxidos de Fe e Mg, partículas de calcita e apatita, removendo o elemento das águas intersticiais (MARGALEF, 1983).
7.5.3.2. Matéria orgânica
A decomposição da matéria orgânica dos sedimentos pode ocorrer tanto por processos aeróbios quanto anaeróbios. O processo de decomposição destes materiais pode ocorrer ainda na coluna d´água, durante o processo de sedimentação. Estes processos ocorrem de forma mais significativa nas camadas mais profundas da coluna d´água (STRASKRABA E TUNDISI, 2000), consumindo em parte ou totalmente o oxigênio disponível neste ambiente. Com a degradação da matéria orgânica são liberados novamente para o meio líquido os nutrientes nela presentes (N, P, cátions, etc). Estes elementos normalmente são liberados em formas solúveis e são rapidamente incorporados à dinâmica físico-química da água intersticial do sedimento.
A dinâmica de degradação da matéria orgânica nos reservatórios influencia a ciclagem dos nutrientes diretamente através da disponibilização de formas prontamente assimiláveis destes elementos para a biota do ecossistema, e indiretamente, através do consumo de O2 e redução do potencial redox do meio. Sob condições de baixo potencial redox alguns elementos minerais, como Fe, Al e Mn precipitam, limitando sua própria disponibilidade e de outros elementos fixados nestes precipitados e arrastados para o sedimento.
7.5.3.3. Difusão
Na água intersticial os elementos químicos apresentam-se em suas formas mais solúveis. Nestas condições estes elementos podem ser transportados por difusão através da interface água sedimento. A difusão é um processo físico-químico que ocorre em meios líquidos, onde os elementos migram das regiões de maior concentração, neste caso a água intersticial, para àquelas com menor concentração (coluna d´água).
Este fluxo, contudo pode ser interrompido por barreiras dependentes de outros fatores do meio, como saturação de oxigênio na interface água - sedimento, potencial redox do meio, e pH.
Uma vez no hipolímio os nutrientes podem ser redistribuídos para todo o reservatório através da circulação da coluna d´água e dos movimentos de correntes longitudinal ou decorrentes da ação do vento e cardumes de peixes.
7.5.3.4. Saturação de Oxigênio/Potencial Redox
O processo de difusão dos nutrientes na interface sedimento-água é fortemente favorecido sobre baixas concentrações de oxigênio. A concentração de oxigênio influencia diversos fatores físico-químicos do meio, destacando-se o potencial redox, que tem forte influencia sobre o estado de oxidação e solubilidade de alguns elementos metálicos, entre estes Fe, Al, Mn, Zn, Cu, outros metais pesados e nutrientes, como N e S.
Embora não atue diretamente sobre as formas do elemento fósforo, ao influenciar a solubilidade de alguns destes elementos, em especial Fe, Al e Mn, a saturação de oxigênio na interface água-sedimento, assim como em toda a coluna d’água, exerce forte influencia sobre a dinâmica do fósforo nos sedimentos dos reservatórios.
Em condições de saturação de oxigênio significativa, os íons metálicos encontram-se na forma oxidada. Estas formas caracterizam-se pela baixa solubilidade, formando precipitados ou complexos na forma de hidróxidos. Nestas condições os hidróxidos de Fe [Fe(OH)3] apresentam forte atratividade e capacidade de adsorver espécies fosfatadas (HPO42-, H2PO4-) em sua superfície, fixando o fósforo, e consequentemente impedindo sua troca livre entre sedimentos e água e excluindo-o da dinâmica do ecossistema (MARGALEF, 1983).
Estes complexos podem ser formados ainda na coluna d’água, durante a sedimentação dos hidróxidos, e acabam arrastando o fósforo para os sedimentos, funcionando como armadilhas, seqüestrando o elemento da fase líquida e reduzindo sua concentração na saída do reservatório.
Em condições de baixa concentração de oxigênio e anoxia (ausência de oxigênio livre), o potencial redox do meio torna-se muito baixo ou mesmo negativo, favorecendo a solubilização dos elementos metálicos, Fe e Mn, com a conseqüente liberação do fósforo retido naquelas estruturas para a água intersticial. Estas características são freqüentemente encontradas nas camadas profundas de reservatórios estratificados e/ou com alta produção primária (eutrofizados) e são particularmente importantes na ciclagem do fósforo nestes ambientes.
Sob condições anaeróbias a reciclagem de P entre sedimentos e coluna d’água ocorre livremente e pode alcançar níveis até 1000 vezes superior às trocadas sob condições aeróbias (WETZEL, 1983).
Sob condições aeróbias, que predominam quando há baixo consumo de oxigênio na camada inferior da coluna d’água, observa-se estratificação nos sedimentos, formando-se uma camada oxidada em superfície, uma camada de transição e outra camada anóxica. Nesta última forma-se um ambiente fortemente redutor onde os íons apresentam-se principalmente na forma solúvel. Sua transferência por difusão para a coluna d’água, no entanto é limitada pela camada superior dos sedimentos, oxidante. Em geral esta camada, de espessura milimétrica, apresenta potencial redox positivo, precipitando grande parte dos elementos em difusão para a coluna d'água.
As condições de oxigenação de reservatórios dependem de uma série de processos. Os mais importantes são (STRASKRABA E TUNDISI, 2000):

  • Taxa de troca de oxigênio entre a água e o ar: favorecida em condições de alta temperatura. lagos rasos e de grande espelho d'água, onde a difusão pode alcançar até o fundo do reservatório;

  • Taxa de produção e respiração do fitoplâncton: causando um enriquecimento da água com O2 durante o dia e sua utilização durante a noite;

  • Saturação de oxigênio nos afluentes ao reservatório e tempo de detenção

  • Taxa de sedimentação do fitoplâncton e sua decomposição no nas camadas mais profundas.

  • Consumo de O2 na decomposição do material orgânico dos sedimentos de fundo

  • Condições de mistura do reservatório: a circulação da água favorece a distribuição de O2 por toda a coluna d'água.

A produção de fitoplâncton (produção de O2) predomina na porção iluminada do epilimnio, enquanto sua decomposição (consumo de O2) ocorre primordialmente nas camadas mais profundas. Dependendo dos níveis de produção do sistema pode ocorrer uma diferenciação vertical de concentração de O2 entre as camadas superficiais e profundas, podendo chegar a condições anóxicas. Em reservatórios rasos normalmente não se observa estratificação, devido a homogeneidade térmica e circulação da massa de água pela ação dos ventos, dificilmente observando-se, portanto condições anóxicas no hipolímnio.


Além dos elementos metálicos o potencial redox interfere na dinâmica de outros elementos nutrientes, entre eles nitrogênio e enxofre. Em condições oxidantes (hipolímnio saturado com oxigênio), prevalece no hipolímio dos reservatórios o processo de nitrificação (NH4+  NO2-  NO3-), com a oxidação de grande parte da amônia formada a partir da decomposição da matéria orgânica (amonificação: Norg  NH4+ NH3 + H+), acumulando-se no reservatório nitrogênio na forma de NO3-.
Sob condições de déficit de oxigênio, acumulam-se no hipolímnio as formas reduzidas de nitrogênio, principalmente NH4+, resultante da decomposição da matéria orgânica. Nestas condições (anaeróbias), as bactérias anaeróbias facultativas utilizam o NO3- como fonte de oxigênio para seu processo respiratório, (ESTEVES, 1998). Estes organismos utilizam-se de processos bioquímicos de amonificação do nitrato (NO3-  NO2-  NH4+) e desnitrificação (NO3-  NO2-  N2O  N2) do nitrato para obtenção de O2.
O processo de nitrificação é usual em ambientes anaeróbios apresentando como resultado final a liberação do gás N2 e a eliminação de parte do nitrogênio total do reservatório. No processo de amonificação do nitrato, este é reduzido a NH4+, por bactérias como Enterobacter, Escherichia coli (ESTEVES, 1998) e Thiobacillus denitrificans (SCHÄFER, 1984). Segundo estes autores este processo pode ser responsável pelo aumento de concentração de NH4+ em períodos iniciais de estratificação, consumindo o nitrato ainda disponível.
Altas concentrações de nitrogênio mineral dissolvido na superfície dos sedimentos, tipicamente resultam em processos intensos de difusão para a camada de água acima, independe da forma de N mineral, da saturação de oxigênio ou do pH no meio.
De forma semelhante, o enxofre, sob condições de oxidação apresenta-se na forma do íon SO42-, enquanto em condições anaeróbias é observado na forma reduzida (H2S )ou associado à Fe e outros metais pesados, formando compostos insolúveis, como FeS, ZnS, CoS (ESTEVES, 1998), e dificilmente liberados para a coluna d´água.
No reservatório do Iraí predominam condições aeradas ao longo de toda a coluna d´água. Ao longo do período de pesquisas foram observados apenas dois processos de estratificação, limitados às proximidades da barragem, porção mais profunda do reservatório, nos meses de novembro e janeiro (BOLLMANN e FREIRE, 2003). Esta região do reservatório apresenta ainda característica de alta produção primária, com eventos freqüentes de florações de algas.
7.5.3.5. Ressuspensão dos sedimentos
Ressuspensão é fenômeno de mistura das camadas superficiais dos sedimentos com a água de fundo dos reservatório, representando um processo de importante de fornecimento de nutrientes (fertilização) a partir dos sedimentos para a água de fundo do hipolímnio. Uma vez na coluna d’água, estes elementos podem ser utilizados pelo fitoplâncton quando alcança a zona trofolítica do reservatório.
O processo de ressuspenção pode ser desencadeado pela movimentação dos organismos bentônicos, animais que habitam o sedimento de ecossistemas aquáticos, e principalmente de seus predadores, peixes de fundo e carnívoros. A importância destes organismos é significativa em reservatórios rasos, reduzindo-se com o aumento da profundidade, que favorece a estratificação e limita a homogeneização da coluna d’água.
A suspensão destes materiais também pode ser desencadeada pelos gases, principalmente gás carbônico (CO2), metano (CH4), gás sulfídrico (H2S) e nitrogênio (N2), produzidos na decomposição do material orgânico acumulado nos sedimentos de fundo. Maior produção de gases é verificada sob condições anaeróbias de decomposição, quando a atividade metabólica dos organismos elimina grande quantidade destes gases.
7.5.4.Sedimentos e contaminação de reservatórios
O acúmulo de poluentes nos sedimentos de fundo de corpos hídricos e o risco de sua remobilização a partir deste compartimento para a coluna d'água constituem mecanismos importantes da dinâmica e concentração destes elementos em ambientes aquáticos. O sedimento representa o resultado da interação de todos os processos que ocorrem em um ecossistema aquático, retratando através de sua composição, a evolução e a intensidade dos impactos das atividades da bacia hidrográfica de contribuição sobre o reservatório.
A contaminação ambiental em reservatórios pode ser decorrente de compostos orgânicos e inorgânicos. Os compostos orgânicos podem chegar aos reservatórios a partir de lançamentos de efluentes, principalmente industriais, e pela atividade agrícola na bacia com a contaminação dos tributários com agroquímicos (herbicidas, inseticidas, fungicidas, etc). Os poluentes inorgânicos mais importantes nos ecossistemas aquáticos são os elementos traço ou metais pesados, entre estes Zn, Cu, Cr, Co, Ni, Pb, Cd, Hg, etc.
Os efeitos ecológicos dos metais pesados nestes ambientes estão relacionados com a possibilidade destes elementos apresentarem ampla distribuição tanto na fase líquida quanto na fase sólida dos corpos hídricos. Diferentemente dos compostos orgânicos, que podem ser degradados reduzindo sua biodisponibilidade e toxicidade, os metais são persistentes nos ecossistemas aquáticos, apenas redistribuindo-se entre os diferentes compartimentos do ecossistema: sedimentos, partículas em suspensão, fitoplâncton, zooplâncton, organismos bentônicos, peixes, etc.
A importância do monitoramento dos sedimentos no controle da poluição dos ecossistemas aquáticos deve-se ao potencial de acúmulo destes elementos e compostos, onde podem atingir concentrações elevadas, podendo atingir níveis superiores aos observados nas rochas de embasamento da região dos reservatórios. Em geral os menores níveis de concentração de metais são encontrados na água, enquanto macrófitas, organismos bentônicos e principalmente sedimentos, normalmente apresentam concentrações mais elevadas, representando melhores indicadores do nível de contaminação do ambiente (LINNIK e ZUBENKO, 2000).
A tabela xxx mostra a discrepância na concentração de elementos traço entre a água e o sedimento em duas estações de monitoramento instaladas no reservatório do Irai, RMC (ANDREOLI et al., 2003). A diferença é tão que a concentração de alguns elementos nos compartimentos é expressa em unidades diferentes : na água em mg/L (ppm) e no sedimento em % (g.100g-1). Observa-se ainda que a concentração dos elementos mais críticos é tão baixa em água que muitos elementos sequer foram detectados pela metodologia analítica empregada.
Tabela xxxxx. Concentração de Al, Fe, Mn, Ba e alguns metais pesados em água e sedimento do reservatório do Iraí (RMC, Pr).

Elemento

Região Central do Reservatório

Extravasor

Água

Sedimento

Água

Sedimento

Al

0,16 mg/L

5,30 %

0,13 mg/L

5,16 %

Fe

0,36 mg/L

2,94 %

0,27 mg/L

3,36 %

Mn

0,03 mg/L

0,05 %

0,02 mg/L

0,06 %

Ba

0,01 mg/L

0,012 %

0,013 mg/L

0,0197 %

Sr

0,02mg/L

31,67 mg/kg

0,015 mg/L

29 ,00 mg/kg

Zr

-

54,05 mg/kg

-

66,17 mg/kg

Zn

-

59,33 mg/kg

-

49,25 mg/kg

Cu

-

37,42 mg/kg

-

29,08 mg/kg

Ni

-

21,85 mg/kg

-

15,00 mg/kg

Cr

-

63,42 mg/kg

-

45,60 mg/kg

Pb

-

69,92 mg/kg

-

60,17 mg/kg

Hg

-

-

-

-

Cd

-

-

-

-

É importante destacar que este reservatório é recente, com tempo de enchimento no momento das amostragens de três anos, limitando o acúmulo de sedimento de fundo, favorecendo a variabilidade observada no material de fundo amostrado (figura xxx), e a composição deste material.


F
igura
xxxx. Variabilidade de concentração de alguns metais pesados em amostras de sedimento de fundo do reservatório do Irai (RMC, Pr).

Os metais pesados associados aos sedimentos são comumente classificados como residuais e não residuais (CLARK, 1997). Os elementos residuais têm origem na estrutura cristalina dos minerais (matriz silicatada) do sedimento. Os não-residuais são incorporados ao sedimento por processos físico-químicos como adsorção, precipitação e complexação com substâncias orgânicas e inorgânicas. Metais como Zircônio (Zr), Rubídio e Estrôncio (Sr) são derivados de material litológico, constituindo principalmente fontes residuais (SILVA 2002 - tese, KABATA-PENDIAS E PENDIAS, 1992). O segundo grupo (metais não-residuais) é formado por elementos originados principalmente como resultado de atividades antropogênicas, incluindo Cr, Ni, Cu, Zn, Hg, Pb, Cd, entre outros.


A figura xxx mostra a concentração dos metais Zr, Sr, e V no sedimento de fundo do reservatório do Iraí. Considerados residuais estes elementos são indicadores da contribuição da litologia sobre a constituição do material amostrado. Observa-se discrepância entre os teores observados nas primeiras amostragens e as demais.
F
igura xxxx
. Variabilidade da concentração de elementos residuais (Zr, Sr e V) nos sedimentos de fundo do reservatório do Iraí.
Nas primeiras amostragens não houve preocupação com as características do material coletado, admitindo-se o envio para análise de volumes significativos de solo, que provavelmente apresenta estes elementos entre seus constituintes estruturais. Esta distribuição também foi observada entre os elementos Na e K, constituintes de minerais primários (Microclínio e Albita). Nas amostragens seguintes procurou-se descartar estes materiais, valorizando as amostragens predominantemente constituídos por sedimentos.
A comparação entre os teores de metais observados nos sedimentos do reservatório do Irai e de rios da Região Metropolitana de Curitiba, realizadas por MINEROPAR (2001), demonstram teores mais elevados de Al, Fe, Mn, Ba, Cr, Cu, Ni, e Pb nos sedimentos do reservatório. As concentrações verificadas no reservatório aproximam-se das observados em rochas e solos da região (Bacia sedimentar de Curitiba).
Esta composição caracteriza os metais como residuais e provavelmente decorrentes das seguintes características do reservatório:

  • Predomínio de sedimentos essencialmente minerais provavelmente originados de partículas de solo transportadas para o reservatório por processos erosivos rurais e urbanos na bacia de contribuição.

  • Grande quantidade de solo nas amostragens: o solo regional caracteristicamente apresenta em sua constituição material rico nestes elementos: quartzo (SiO2), microclínio (KAlSi3O8), albita (Na/Ca Al/Si3O8) e argilas silicatadas (AlO3.2SiO2.2H2O);

  • Dispersão de elementos devido a grande extensão e movimentação hidrodinâmica do reservatório: na região do reservatório observa-se a ventos constantes (nordeste, leste e norte) responsáveis por movimentação intensa da coluna d´água, provocando sua homogeneização e dispersando eventuais poluentes carreados pelos tributários.

As correlações observadas entre os principais elementos (figura xxx) confirmam estas observações, indicando associações mantendo relações estruturais.


Figura xxx. Diagrama de correlações entre elementos analisados no sedimento de fundo do reservatório do Irai.


A fase não residual dos metais inclui os elementos mantidos nos sedimentos de forma “trocável” (fracamente adsorvidos na superfície de argilas silicatadas e compostos orgânicos coloidais), associados a carbonatos (M-CO3 e M-HCO3), complexados em estruturas orgânicas, ligados a sulfetos e a óxidos e hidróxidos de Fe e Mn (MARGALEF, 1983) Nesta fase incluem-se principalmente os metais de origem antropogênica e que podem retornar para a fase líquida por processos de desorção, solubilização e quebra de complexos. Estas reações, como visto anteriormente, dependem de algumas características do sedimento e das águas adjacentes a ele, tais como pH, saturação de oxigênio, potencial de redox, composição mineral do sedimento (granulometria e mineralogia) e do conteúdo de matéria orgânica.


Os reservatórios atuam como armadilhas para os metais, seqüestrando estes elementos e reduzindo a concentração nas águas que saem do reservatório. No entanto, uma vez concentrados nos sedimentos podem ser novamente lançados para a coluna d'água através de eventos de déficit de oxigênio, redução do pH e do potencial redox, aumento na decomposição da matéria orgânica, e na concentração da matéria orgânica dissolvida.
Além da concentração, a distribuição vertical destes elementos no sedimento representa importante indicador da evolução da contaminação em reservatórios. A concentração destes elementos ao longo do perfil do sedimento reflete a evolução das condições de contaminação (concentração) de metais pesados nas águas do reservatório ao longo do tempo.

O RESERVATÓRIO DO IRAÍ
O reservatório de abastecimento público do Rio Iraí (Figura 7.1) situa-se ao leste da Região Metropolitana de Curitiba, localizado entre os municípios de Piraquara, Pinhais, Quatro Barras e Colombo. De construção recente (atingiu seu nível máximo em xxxxx), o lago apresenta-se em região de clima temperado (Classificado com Cfb no Sistema Climático de Koeppen), apresentando uma profundidade média de xxxx metros, área superficial de 14 km2, volume de xxxxxxxx metros cúbicos e um Tempo de Retenção Hidráulico médio de xxxx dias.

Figura 7.1 – Reservatório do Irai na Época do seu Enchimento.

Fonte : www.sanepar.com.br
Para avaliar sua qualidade físico-química, foram estabelecidos 3 pontos amostrais espacialmente distribuídos de modo a representar trechos diferenciados do reservatório. O primeiro ponto amostral (RE1) situa-se mais a montante da barragem, representando a qualidade das águas do seu terço inicial. Em contraposição, o ponto amostral RP3 situa-se próximo ao vertedor da barragem, representando a qualidade das águas que saem do reservatório. Um terceiro ponto (RP2) foi selecionado entre os dois primeiros, representando uma posição intermediária (Figura 7.2). A coleta das amostras foi realizada na superfície e próxima ao fundo da coluna d’água em cada ponto amostral.


Figura 7.2 – Pontos Amostrais no Reservatório do Irai.
Em relação à profundidade da coluna de água nos pontos amostrais selecionados, foram observadas variações decorrentes da flutuação do nível do reservatório ao longo do tempo, mas em termos médios, o ponto RE1 apresentou uma profundidade ao redor de 3,0 metros, o ponto RE2 apresentou profundidade próxima dos 5 metros, e no ponto RE3 (junto ao vertedor da barragem) observou-se a maior profundidade: aproximadamente 10 metros (Figura 7.3).

.




Figura 7.3 – Profundidade dos Pontos Amostrais no Reservatório do Iraí e Profundidade de Secchi (DS)
Para avaliar as características da qualidade físico-química da água, no período de Abril de 2002 a Junho de 2003 foram coletadas amostras mensais nos pontos amostrais selecionados, perfazendo um total de 14 campanhas. As variáveis físico-químicas monitoradas neste estudo estão apresentadas na Tabela 7.1.
Tabela 7.1 – Variáveis Físico-químicas Monitoradas no Reservatório do Irai


Variáveis Físico-Químicas

Pontos amostrais
Demanda Biológica de Oxigênio (mg/l)

RE1, RE2 e RE3 (superfície e fundo)

Demanda Química de Oxigênio (mg/l)

RE1, RE2 e RE3 (superfície e fundo)

Fosfato Total (mg/l)

RE1, RE2 e RE3 (superfície e fundo)

Fosfato Reativo Total (mg/l)

RE1, RE2 e RE3 (superfície e fundo)

Nitrogênio Orgânico (mg/l)

RE1, RE2 e RE3 (superfície e fundo)

Nitrogênio Amoniacal (mg/l)

RE1, RE2 e RE3 (superfície e fundo)

Nitratos (mg/l)

RE1, RE2 e RE3 (superfície e fundo)

Nitritos (mg/l)

RE1, RE2 e RE3 (superfície e fundo)

Potencial Hidrogeniônico ( - )

RE1, RE2 e RE3 (superfície e fundo)

Sólidos Dissolvidos Totais (mg/l)

RE1, RE2 e RE3 (superfície e fundo)

Temperatura do Ar (C)

RE1, RE2 e RE3

Temperatura da Amostra (C)

Perfil

Turbidez (UT)

RE1, RE2 e RE3 (superfície e fundo)

Manganês (mg/l)

RE1, RE2 e RE3 (superfície e fundo)

Ferro (mg/l)

RE1, RE2 e RE3 (superfície e fundo)

Zinco (mg/l)

RE1, RE2 e RE3 (superfície e fundo)

Condutividade Elétrica (mS/cm)

RE1, RE2 e RE3 (superfície e fundo)

Profunidade de Secchi (m)

RE1, RE2 e RE3

Porcentagem de Saturação de Oxigênio (%)

Perfil

Oxigênio Dissolvido (mg/l)

Perfil

Sem pretender esgotar as possibilidades de análise dos dados coletados, pode-se tecer alguns comentários iniciais sobre o comportamento da qualidade das águas no reservatório do Iraí, como segue:



7.1. TEMPERATURA
Em decorrência do calor específico da água, os ambientes aquáticos apresentam amplitudes térmicas menores que aquelas obtidas na atmosfera (Henry et al., 1997). Este fenômeno pode ser observado também em relação às águas do reservatório do Irai (Figura 7.4). Também é possível observar que os pontos de superfície tendem a apresentar valores de temperatura ligeiramente mais elevados que os pontos no fundo do reservatório.
Dependendo das condições externas de temperatura, a densidade da água sofre variações e, consequentemente, são observadas movimentações ao longo da coluna d’água. Efetivamente a água se torna mais densa na medida em que reduz a temperatura até aproximadamente 4,0º C, a partir do qual tem início o congelamento. Genericamente, nas estações frias, ocorre um resfriamento das camadas superficiais que se tornam mais densas e depositam-se nas regiões do fundo, compondo uma separação dos extratos em função da temperatura do meio. Nas estações quentes, o aquecimento da água em superfície diminui acentuadamente sua densidade, levando também a uma possível situação de estratificação térmica. Lagos com pouca profundidade e de águas turbulentas têm maior dificuldade em estratificar.







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