agua como meio ecologico
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Água como meio ecológico
EHD-002 – Engenharia Hídrica
2009
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O ciclo hidrológico• Em larga escala, ciclos da água entre oceanos, atmosfera e o ambiente
terrestre via processo de evaporação, preicipitação, transpiração esuperfície e subsuperfície flui.
• Hidro
dinâmica é a variação no movimento da água e mudanças em suadistribuição no tempo e espaço.
Fluxo hidrológico(taxa de movimento
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O ciclo hidrológico é fortemente influenciado pela energia da radiaçãosola
r, gravidade e rotação (efeito Coriolis) da Terra e gravidade da lua e
do sol (ondas do oceanos).
Energia solar influencia evaporação,transpiração e ventos.
Energia solar causa movimento daágua líquida, via diferenças dedensidade térmica e propagação dasondas de vento.
Efeito Coriolis influencia adireção do vento e acirculação de oceanos.
Gravidade da Terra influencia a
precipitação e fluxo superficial esubsuperficial.
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Água como meio ecológico• Problemas ecológicos ⇒ elementos em
quantidades limites• Fatores em mínimo ou limitantes• Ex. Ambiente terrestre ⇒ luz• CO2⇒ fator limitante• Ambiente aquático ⇒ luz ⇒ fator limitante
• Penetração da luz dificultada - partículaem suspensão
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Água como meio ecológico• Águas claras ⇒ elementos minerais (P, N)⇒ fatores limitantes.
• Outros fatores importantes –
• matéria orgânica ⇒ animais, bactérias• Sais minerais ⇒ vegetais• Micronutrientes
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Água como meio ecológico• Organismos ⇒ contribuição para a
formação do ambiente• Úteis ou nocivos
• Produção de O2 pelos vegetais ⇒ úteis• Antibióticos ⇒ impedem o
desenvolvimento de outros organismos –
fungos (Penicillium )
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Água como meio ecológico• Interações entre as várias espécies ⇒
qualidade e abundância de plâncton• Limnologia ⇒ estudo do ambiente químico
e físico em um lago.
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Água como meio ecológico• Propriedades gerais das massas de água
• Principais tipos de mananciais• Poços, rios ou lagos
• Poços – Artesianos –
• Grande profundidade
• Nível de água acima do nível natural do lençolfreático
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Água como meio ecológico• Poços artesianos
– Ausência completa de microrganismos – Pobreza de substâncias orgânicas
– Ausência de luz.
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Água como meio ecológico• Rios
• Presença de correnteza• Não possuem concentrações tão elevadas
de substâncias nutritivas• Suscetíveis às influências do meio.
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Água como meio ecológico• Rios
• Classificação• Natureza da fonte
• Glaciários, fusão da neve, nascentes edrenagem direta de chuvas (duraçãoefêmera)
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Água como meio ecológico• Rios
• Nascentes do ponto de vista ecológico – Topográficas ou físico-químicas
• Teor de carbonatos• Potencial hidrogeniônico
• Nascentes ⇒ solos ⇒ papel regularizador
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Água como meio ecológico• Rios - Constância
• Natureza perene ou intermitente• Declividade, tamanho, velocidade da
correnteza ⇒ fatores intimamenterelacionados
• Tamanho e declividade ⇒ velocidade
• Velocidade ⇒ fator ecológico maisimportante
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Água como meio ecológico
• Rios – constância• Rios lentos ⇒ velocidade inferior a 0,5 ms-1
• Rápidos ⇒ Superior a 0,5 ms-1
• Zonas de velocidade
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Água como meio ecológico• Zona 1 – águas muito rápidas ⇒ musgos
e hepáticas• Zona 2 ⇒ moderadamente rápidas ⇒ leito
de pedras ou cascalhos grandes –Ramunculus• Zona 3 ⇒ moderada ⇒ leito de cascalho
⇒ grande número de plantas superiores
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Água como meio ecológico• Zonas 4 e 5 ⇒ média a lenta e muito lenta
ou desprezível ⇒ grande número devariedades de plantas
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Água como meio ecológico• Regiões ecológicas
• Limnética ⇒ região pelágica dos oceanos⇒ que não depende do leito ou dasmargens
• Pedônica ⇒ (bentônica dos oceanos) ⇒corresponde ao leito e região litorânea ouparalimnética (litorânea dos oceanos)
margens dos rios
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Água como meio ecológico• Organismos pedônicos ⇒ ao sabor da
correnteza ⇒ planctônicos
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Água como meio ecológico• Rios
• Natureza do leito• Maior velocidade ⇒ leitos com seixos de
maior volume• Menor velocidade ⇒ sedimentação do
material mais fino e leve
• Rios de grande volume ⇒ leito de rochanua ⇒ 1,20 ms-1
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Água como meio ecológico• 0,60 – 1,20 ms-1 ⇒ cascalhos
• 0,30 – 0,60 ms-1 ⇒ silte e pedregulho• 0,20 ms-1 ⇒ arenoso
• 0,20 – 0,12 ms-1 ⇒ siltoso• Menor do que 0,12 ms-1 ⇒ lodo ou vaza
(lagos, lagoas)
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Água como meio ecológico• Temperatura
• Importante fator ecológico• Variação de temperatura
– Economia de O2
– Economia de CO2
– Teor de carbonatos – pH
• Trutas e salmões
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Água como meio ecológico• Rios
• Produtividade• Capacidade de alimentar microrganismos
• Massa de organismo pedônico sobre áreado leito.
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Água como meio ecológico• Lagos
• Maior estabilidade• Maior superfície de evaporação
• Maior sedimentação do lodo do fundo• Geológico ⇒ formação transitória
(deposição de sedimentos e invasão da
vegetação)
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Água como meio ecológico• Lagos
• Origem• Natural ⇒ fenômenos vulcânicos,
tectônicos• Artificiais• Ponto de vista ecológico ou sanitários ⇒
sem distinção entre ambos
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Água como meio ecológico• Lagos
• Temperatura• Calor ⇒ não uniforme• Certas épocas ⇒ estratificação térmica ⇒
camadas• Epilímnio ⇒ superficial ⇒ temperatura
uniforme
• Metalímnio ⇒ Brusca queda de temperatura• Hipolímnio ⇒ variações moderadas
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Água como meio ecológico• Fenômeno de circulação ⇒ (vento) ⇒
camada superior• Período de estagnação
• Período de circulação total ⇒ atinge todaa massa de água
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Água como meio ecológico• Lagos
• Tropicais ⇒ entre 20 e 30º C – Circulação total ⇒ épocas mais frias –irregular
– Pequeno gradiente térmico – Gradiente de densidade suficiente ⇒estratificação
• Subtropicais ⇒ temperatura da superfície≥ 4º C – Variação anual é grande
– Sem estratificação inversa
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Água como meio ecológico• Temperados ⇒ temperatura da superfície ⟨ 4º C
no inverno – Maior do que este valor no verão – Gradiente térmico elevado – Variação anual grande
– Dois períodos de circulação total – primavera e finalde outono
• Subpolares ⇒ Temperatura da superfície ⟩ 4º C
⇒ curto período no verão – Gradiente térmico pequeno
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Exemplo de um lago:Lago temperado formadopor falha geológica,
mostrado durante o verão.As diferenças de densidadedevido à temperaturaresultam em camadasestáveis ou estratos. Este
processo é chamado deestratificação.
Know your lake regionsfor benthic and openwater habitats.
Why the difference inO2 and CO2?
(Cole, 1994; Fig 2.1)(Cole, 1994; Fig 2.1)
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Produtividade Biológica – Status
Trófico
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Água como meio ecológico• Subpolares
– Metalímnio ⇒ pouco desenvolvido – situadopróximo à superfície
– Circulação total ⇒ início do verão e início do
outono• Polares ⇒ temperatura da superfície
sempre abaixo de 4ºC – capa de gelo –circulação no verão
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Água como meio ecológico• Lagos – ordens
• Primeira ⇒ temperatura de fundo em torno de4ºC, lagos profundos com mais de 60 m
• Segunda ⇒ estratificado termicamente ⇒
temperatura de fundo menor do que 4º C, 8 a 60m de profundidade
• Terceira ⇒ não estratificados ⇒ lagos rasos ⇒
menores do que 7 a 8 m
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Água como meio ecológico• Lagos
• Produtividade – Antiguidade
– Lagos mais profundos e recentes ⇒ fundopobre ⇒ fauna menos rica
– Lagos rasos de formação antiga ⇒ situaçãocontrária
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Água como meio ecológico
• Lagos mais profundos de origem recente• Zona efetiva de penetração de luz
(habitada por algas) ⇒ zona autotrófica oufotossintética ⟨ zona heterotrófica ou zonade decomposição
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Água como meio ecológico
• Lagos oligotróficos ⇒ pouco produtivos• Lagos eutróficos ⇒ mais antigos, ricos
em nutrientes e rasos• Eutrofização de um lago ⇒ evolução
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Água como meio ecológico• Processo de eutrofização de um lago
– Cor, turbidez ⇒ fatores que determinam variações napenetração da luz – Nutrientes minerais, micronutrientes, fatores físicos
⇒ produção de algas
– Sedimentação• Lagos distróficos ⇒ características morfológicas
de lago eutrófico ⇒ alto teor de material em
suspensão ⇒ baixa produtividade ⇒ tipointermediário
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Produtividade e status trófico• Produtividade de um ecossistema é geralmente
classificado de acordo com os estados tróficos porconveniência:
– Oligotrófico (baixa) – Mesotrófica (média) – Eutrófica (alta)
• Estes estados representam faixas em um continuum depotencial de produtividade em um sistema.
• O ímpeto para identificação de estado trófico veio deobservações que determinados biotas (de algas paraespécies de peixes) estiveram frequentementeassociados com níveis de nutrientes específicos.
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Produtividade e status trófico• Ser capaz de classificar sistemas é conveniente
para comparação de diferentes áreas bem comopara a definição de objetivos do gerenciamentoe pontos de referência.
• Estado trófico é geralmente definido como umfunção da biomassa de fitoplâncton /
concentrações de clorofila, concentraçãoes denutrientes e/ou claridade da água.
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Classificações fixas de limites
OECD = Organização para cooperação econômica e desenvolvimentoP Total = fósforo dissolvido em formas sólidas; inorgânico e orgânico.
Chl médio = média anual de clorofila.
Secchi médio = profundidade média em que um disco preto e branco não pode
ser mais visto.
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Distribuição de probabilidade
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Escala de valor contínuo (Carlson,
1977)
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Propriedades físicas das massas
de água• Densidade resultante de grandes volumes ⇒ não
uniforme• Causas – Presença de substâncias dissolvidas ou em suspensão – Pressão
– Temperatura• Substâncias dissolvidas ⇒ pouca influência em
águas doces
• Pressão ⇒ (4ºC, 1 atm) ⇒ 1 – 10 atm ⇒ 1,0005 – 20 atm ⇒ 1,001
P i d d fí i d
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Propriedades físicas das massas
de água• Variações da temperatura ⇒ principal causa da
mudança de densidade ⇒ zonas de massa deágua diferentes ou em tempos diferentes• Densidade sempre diminuída ⇒ baixa ou eleva a
temperatura de 4ºC• Diferença de densidade ⇒ maior em altas
temperaturas• Peso específico ⇒ 775 vezes o do ar ⇒ grande
significado ecológico• Ex. hidras ⇒ perdem sua forma característica noambiente terrestre.
P i d d fí i d
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Propriedades físicas das massas
de água
• Viscosidade e tensão superficial• Obstáculo aos movimentos do deslocamento• Viscosidade muito superior à do ar
• Animais aquáticos ⇒ grande força muscularpara se deslocarem
• Algas ⇒ se servem da viscosidade para nãoafundar
P i d d fí i d
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Propriedades físicas das massas
de água• Viscosidade é tanto maior quanto mais baixa for
a temperatura• Duas vezes maior na água à temp. próxima de
0º C do que a 25º C.
• Tensão superficial ⇒ importante elementoecológico,• Atração unlateral ⇒ moléculas de interface
líquido-ar ⇒ filmes
• Organismos com superfícies não-molháveis• Pequenos organismos ⇒ filmes ⇒ barreira
intransponível (pequenos crustáceos)
P i d d fí i d
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Propriedades físicas das massas
de água• Ângulo de contato ⇒ pequeno menisco ⇒
do contato do caules, folhas com as águas• Menisco negativo ou positivo ⇒ superfícierepelente ou molhável, respectivamente
• Plantas que emergem da água ⇒superfície encerada ⇒ meniscosnegativos
• Acúmulo de substâncias gelatinosas oumicrorganismos ⇒ superfície molhável
P i d d fí i d
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Propriedades físicas das massas
de água• Três interfaces
– Água-ar – Água-planta – Planta-ar
• Valor de intersecção ⇒ relação entre oseu comprimento, em metros lineares e asuperfície água em m2
• Importância ecológica⇒ população delarvas e de mosquitos
Propriedades físicas das massas
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Propriedades físicas das massas
de água
• Quanto maior a área de intersecção ⇒
maior o número de larvas• Limite ⇒ cobertura vegetal densa ⇒
postura dos ovos ou respiração das
formas larvárias.
T ã fi i l • Nas interfaces água-ar ou água-
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Tensão superficial Nas interfaces água ar ou águasólido, moléculas de água estão
completamente ligadas pelo H, juntas, como uma molécula decamada fina de gelo.
• Esta tensão de força adicionada éutilizada por muitos artrópodos
aquáticos ou semi-aquáticos.
• Isto também explica a habilidade daágua a se comportar contra agravidade em espaços estreitos; ação
capilar.
Water strider (right)
Fishing Spider (left)
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Propriedades da luz na água• Refração
• Atenuação com a profundidade• Luz e status trófico• Aplicação do disco Secchi
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Propriedades da luz na água• Penetração da luz e atenuação
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Propriedades da luz na água
A quantidade refletida depende das condições da onda e a cobertura de gelo.
Luz que penetra a superfície pode então ser absorvida, refletida ou transmitida.
A intensidade da luz decresce logaritmicamente com a profundidade; um
processo denominado Atenuação (extinção).
Zona Eufótica
1% Io
Refração:
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Refração:• Um peixe na água parece maior e mais próximo do
que realmente é ou está, devido à “quebra” dosraios de luz para a superfície à medida que a ela
deixa a água e direção aos seus olhos.
Coeficiente de atenuação (ou
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• Diferentes comprimentos deonda da luz são absorvidosdistintamente na água. Azuis everdes penetram maisprofundamente e vermelhas, omínimo. Por que o “azul do mar
profundo”?• Partículas e matéria orgânicacolorida dissolvidas vãoposteriormente influenciar como
rapidamente cores diferentes de luzsão absorvidas em águas naturais.
extinção) k é definido como:
k = (ln I o – lnI z ) / z
Intensidade da luz a umadada profundidade pode ser
calculada como:I z = I o e -kz
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Profundidade Secchi e Status
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Profundidade Secchi e Status
Trófico• Profundidade Secchi (Z SD) pode ser usada para estimar o coeficiente de
atenuação (k ).
• k = 1.7 / Z SD ; ou seja 1% do nível de luz sendo 2,7 vezes Z SD, ou que 16%da irradiância da superfície permanece na ZSD.
Reflexões dos raios solares:
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Reflexões dos raios solares:
variações de cor e de turbidez• Intensidade das radiações ⇒ inclinação dos
raios• Altitude e transparência da atmosfera ⇒ outros
fatores de importância• Luminosidade do céu ⇒ difusão dos raios
solares ⇒ afetam ondas de pequenocomprimento ⇒ coloração azul
• Radiações da lua ⇒ 1/40000 sol ⇒ peq.
variação do fitoplâncton
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Reflexões dos raios solares• Energia total recebida ⇒ 15 kCal/m2 /min
⇒ regiões mais quentes• Reemissão ⇒ aquecimento do solo ⇒
radiações obscuras terrestres (grande λ)
• Superfície do lago ⇒ coloração ⇒
absorção de grande parte das radiações
• Reflexão depende do ângulo de incidência
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Reflexões dos raios solares• Porção de radiações que atravessa a massa de
água: – Luz: atravessa o líquido, muda em qualidade – Calor: absorvida pela água
• Grande importância para a vida e distribuiçãodos organismos aquáticos• Grau de penetrabilidade: fator de grande
importância ecológica• Luz abundante ⇒ CO2: fator limitante ⇒rendimento da fotossíntese
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Reflexão dos raios solares
• CO2 na água (sobretudo com poluiçãoorgânica) ⟩⟩ atmosfera ⇒ luz como fator
limitante para organismos submersos(grande profundidade)• Intensidade de saturação ⇒ intensidade
máxima de luz utilizável pelos organismosfotossintetizantes
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Reflexão dos raios solares
• Regiões mais profundas ⇒ luz utilizadacom a máxima eficiência
• Profundidade de compensação ⇒ ondetodo O2 produzido pela fotossíntese éconsumido por respiração.
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Reflexão dos raios solares• Profundidade de compensação:
• Regiões inferiores ⇒ tendem a consumirO2
• Superiores ⇒ tendem a enriquecer-se emO2
• Fator importante para o dimensionamento
de lagoas de estabilização de esgotos.
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Reflexão dos raios solares• Quantidade de luz ⇒ preferências pelosorganismos clorofilados
• Radiações mais eficientes ⇒ vermelha-alaranjada e azul-violeta• Teoria quântica de Plank ⇒ a luz é emitida ou
absorvida de modo descontínuo• Quantum ⇒ energia mínima emitida ouabsorvida ⇒ proporcional à freqüência daradiação ⇒ luz azul (maior quantidade deenergia)
• Fótons ⇒ forma de corpúsculos presentes naemissão ou absorção da luz
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Reflexão dos raios solares• Espectro de absorção de clorofila ⇒ luzes azul
e vermelha
• Luz vermelha com maior rendimento• Outros pigmentos presentes ⇒ azuis, amarelos
e vermelhos ⇒ podendo realizar fotossíntese• Ex. Algas vermelhas ⇒ pigmentos vermelhos• Fluorescência ⇒ reemissão de luz de outro
comprimento de onda ⇒ determinadosorganismos.
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Reflexão dos raios solares• Transmissão da luz ⇒ interferência de
outros fatores – Ação seletiva da água (transparente àsradiações de curtos comprimentos
– Ação de matérias em suspensão – Efeito seletivo das matérias corantes
• Cor e turbidez
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Reflexão dos raios solares• Turbidez ⇒ dispersão dos raios luminosos• Remoção ⇒ filtração ou sedimentação• Turbidez verde ⇒ grande número de
microrganismos clorofilados• Coeficiente de extinção ⇒ porcentagem de luz
perdida em cada m de profundidade• Coeficiente de transmissão ⇒ porcentagemtransmitida por m de profundidade
• Importantes na produtividade ⇒ realização defotossíntese ⇒ quantidade de plâncton vegetal
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Reflexão dos raios solares• Lei de Beer-Lambert ⇒ cálculo da
intensidade luminosa a uma profundidaded:• Id = Ioe-kcd
• Id = intensidade da luz após a passagemem um meio, com coeficiente de absorçãok , concentração c e profundidade d
• I0 = intensidade original da luz
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Reflexão dos raios solares• Coeficiente de extinção
• Id = Ioe-nd
• Onde n = kc• Na prática calculado pelo disco de Secchi
• Organismos planctônicos (vegetais ouanimais) ⇒ causa de turbidez na água
• Floração das águas ⇒ tapete constituídopor algas
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Reflexão dos raios solares• Cor ⇒ forte ação seletiva sobre a luz• Água “pura ” ⇒ absorve 90% da radiações
com λ entre 7400 e 8000 A
• Substâncias coloridas no meio ⇒absorção de ondas luminosas no extremoazul do espectro
• Água de lago com 30 unidades de cor ⇒100% das radiações com λ de 4000 A
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Reflexão dos raios solares• Cor em águas naturais ⇒ produtos de
decomposição de matéria orgânica ou dohúmus de solos adjacentes ⇒ relaçãoquantitativa entre carbono orgânico e cor
• Poluição ⇒ propriedades óticas de um
manancial ⇒ cor e turbidez• Indústrias têxteis, curtumes (tanino)• Esgotos domésticos ⇒ aumento de turbidez
• Irrigação, dragagens de areia, queima de matas
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Reflexão dos raios solares• Perda de turbidez ⇒ sedimentação ⇒
diminuição da velocidade• Represamento de um rio (turbidez e cor
elevadas) ⇒ condições de luminosidadeadequadas para o desenvolvimento de flora efauna clorofiladas
• Material em suspensão ⇒ adesão à superfíciedos microrganismo ⇒ arraste para o fundo
Variações da temperatura –
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Estratificação térmica• Duas formas de comportamento:
• Homeotermos (aves e mamíferos):presença de dispositivo termostático• Poiquilotermos: reações orgânicas
limitadas pela temperatura ambiente• Clima aquático ⇒ mais estável que oclima aéreo.
• Água ⇒ elevado calor específico
Variações da temperatura –
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Estratificação térmica• Radiações solares ⇒ calor em massa d’água
• Condensação do vapor na superfície – fontestermais ⇒ outras formas de calor• Calor perdido por radiação e evaporação
• Condução de calor para o fundo• Capacidade de penetração ⇒ energia da
radiação e quantidade de material pigmentado
• Regiões superficiais afetadas pela radiação
Variações da temperatura –
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Estratificação térmica• Transferência de calor para as camadas mais
profundas ⇒ circulação ⇒ diferenças dedensidade
• Ação do vento
• Ação da correnteza ⇒ rios• Condução de calor ⇒ extremamente lenta• 99% da radiação ⇒ absorção nos primeiros 10
m
Densidade da água
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Calor sensível versus calor latente da águaTemperatura da água líquida responde de modo constante à medida que o calor éadicionado ou removido; chamamos isso de calor sensível à medida que nós
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adicionado ou removido; chamamos isso de calor sensível à medida que nós
podemos sentir a mudança de calor pela medição da mudança da temperaturacom um termômetro.
Entretanto, nenhuma mudança de temperatura é observada na remoção de80cal/g da água líquida 0ºC para se converter em gelo a 0ºC. Isto é chamado de
calor latente de fusão (congelamento). Há também calor latente de evaporaçãode 585 cal/g para água se converter em gás, ou seja, energia necessária paraquebrar todas as ligações de Hidrogênio.
Variações da temperatura –
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Estratificação térmica• Estrato de elevada estabilidade ⇒ lagos com p
> 12 m
• Primeira camada ⇒ epilímnio (≈ 10 m)• Camada intermediária ⇒ termoclina, camada de
descontinuidade ou metalímnio• Camada inferior > 20 m ⇒ hipolímnio ⇒
variações de temperatura muito pequenas
(acumula consideráveis quantidades de calor).
O Termoclina como uma barreira!
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Grandes quantidades de energia são necessárias para “quebrar” umtermoclina bem estabelecido. É uma barreira para as correntes de transportede solutos (como nutrientes) do hipolímnio e retarda o fluxo de partículas do
epilímnio.
Variações da temperatura –
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Estratificação térmica• Distribuição de calor em um lago ⇒ impulso das
moléculas pelo vento ⇒ circulação da massad’água.
• Deslizamento das partículas de água ao longoda superfície de margem a margem ⇒
resistência das camadas mais frias• Fenômeno variável segundo a época do ano
• Verão ⇒ circulação total da massa líquida
Variações da temperatura –
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Estratificação térmica• Circulação total da primavera
• Regiões de clima temperado ⇒ elevação datemperatura (≈ 4ºC)• Estabilidade de estratificação = zero
• Vento ⇒ causador da mistura• Camadas superiores afundam (densidade
maior)
• Mistura total da água ⇒ temperatura uniforme
Variações da temperatura –
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Estratificação térmica• Estagnação de verão:
• Aquecimento progressivo da superfície• Circulação apenas na região superior• Máximo de estabilidade de estratificação
Variações da temperatura –
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Estratificação térmica• Circulação parcial de outono
• Destruição progressiva da estratificação⇒ abaixamento gradual da temperaturada superfície
• Camadas superiores na termoclina ⇒
processo lento de uniformização datemperatura
Variações da temperatura –
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Estratificação térmica• Estagnação de inverno
• Inversão de estratificação do lago• Água a 4ºC ⇒ fundo do lago• Camadas de menor temperatura ⇒ acima• Gelo ⇒ proteção contra a ação dos
ventos
Variações da temperatura –
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Estratificação térmica• Lagos de regiões equatoriais, subtropicais• Estratificação ⇒ intensidade e periodicidade
diferentes• Entre 24 e 25ºC ⇒ variação de densidade 30 x
do que entre 4 e 5ºC ⇒ alta estabilidade deestratificação
• Leve esfriamento ⇒ grandes diferenças dedensidade ⇒ origem a correntes mais intensas⇒ esfriamento do hipolímnio ⇒ mistura das
camadas (mesmo sem ventos)
Variações da temperatura –
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Estratificação térmica• Regiões tropicais ⇒ temperatura superficial ⇒ Nunca é
inferior a 20 ou 30 C• Pequeno gradiente térmico ⇒ gradiente de densidade
⇒ estratificação estável – – Período de circulação total ⇒ épocas mais frias do ano
• Regiões subtropicais ⇒ estratificação e circulação ⇒
padrões similares às regiões temperadas – Mas nunca há o fenômeno da estratificação inversa
• Regiões polares e subpolares: t superfície raramente >4ºC
– Capa de gelo impede a ação do vento – Fenômeno de circulação somente no verão (lagos subpolares:
verão e outono)
Variações da temperatura –
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Estratificação térmica• Efeitos da introdução de despejos:
• Aumento da quantidade de material em solução• Fenômenos de oxidação biológica da MO
• Aquecimento nos fundos dos rios ⇒
quantidades importantes de lodo de esgoto noleito
• Despejos industriais (t ↑) ⇒ principal causa de
aquecimento (águas de sistemas deresfriamento de caldeiras, usinas térmicas,colunas barométricas de usinas de açúcar)
Variações da temperatura –
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Estratificação térmica• Elevação da temperatura ⇒ perda de O2
• ↑ solubilidade ⇒ ↓ temperatura• Processos aeróbios de decomposição da MO ⇒
processos anaeróbios ⇒ produção de mau
cheiro (desprendimento de mercaptanas, H2S;asfixia de organismos aquáticos aeróbios, maiorsolubilização de compostos de Fe, etc.)
• Aumento da atividade metabólica deorganismos poiquilotermos ⇒ maior consumode O2
Estratificação de densidade em lagosCausas & Perfis
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Padrões de circulação sazonalClassificação de lagos
• Massas de água formarão camadas em funçãoda elevação da densidade com a profundidade.
• Qualquer água mais densa à superfície seafundará a uma profundidade de igual densidadeou para o fundo do lago.
• Água mais densa que afunda (correntes deconvecção) e ondas de vento criam misturasturbulentas, misturando a massa de água.
• Estabelecimento e sustentabilidade de distintascamadas requerem baixa turbulência:- Condições calmas e vento fraco- Regime estável de temperatura diária
I
Efeito da pressão na densidade:
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• Pressões mais elevadas decrescem a temperatura dadensidade máxima.
• Tanto a profundidade como a altitude (referente ao nível
do mar ) mudarão a pressão.
– O fundo de um lago profundo pode ser mais frio do que 3,98ºC (máx.Densidade a 1 atm). Mudanças aproximadas de 0,1ºC por 100 m.
– Um lago de alta altitude pode ter um fundo levemente mais quente doque um idêntico, sob o mesmo clima, ao nível do mar.
– Influências similares de temperatura e de presssão em processosbiológicos acontecerão a diferentes profundidades para lagos idênticos
a diferentes altitudes (mantendo todos os outros fatores constantes).
Efeito dasalinidade na
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densidade:• Solutos também decrescem a
temperatura da densidade máxima edecrescem o ponto de congelamento.
De fato, densidade continuará a seelevar em água salgada até o pontode congelamento mais frio (ex. -1.9ºCno oceano).
• Alguns lagos e todos os estuáriosexperimentam mudanças natemperatura e salinidade; cujasprofundidades das camadasdependerão dos efeitos combinadosna densidade.
• Cabalização é uma consequênciainesperada, quando a massa de águade igual densidade se mistura. A novamassa de água afunda!
Estratificação térmica devido aos
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efeitos da salinidade (TDS)O perfil TDS
mostraria umaelevação com aprofundidade. Este éum lago de deserto,à medida que água
se evapora umamais salgada e maisdensa afunda,levando calor comela.
Pure H20
PondLago
Águapura
Efeitos dos sedimentos suspensos:Água carregada com
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• Água carregada comsedimentos em suspensão émais densa do que a águamais clara com temperatura ,salinidade e pressão similares. – Ex.: Rio Negro fluindo sobre a
camada de sedimentos do RioAmazonas.
FLUXO
Classificação de lagos pela circulação
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• Amixis se refere a um lago que nunca sofremudanças; chamado como um lago
amíctico.• Holomixis se refere ao lago que sofre
mudanças. A frequência da mistura sobreescalas de anos ou décadas é usada paraclassificá-los.
• Lagos Dimíticos seguem o padrão descritopara lagos temperados; mudanças naprimavera e outono
Classificação de lagos pela
i l ã
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circulação• Lagos Oligomíticos mudam na frequência de poucos
anos.
• Lagos Monomíticos mudam uma vez: – Monomixis frio: lagos mais frios que estratificaminversamente somente no inverno (cobertura de gelo)e misturam no resto do ano.
– Monomixis aquecidos: lagos mais aquecidos, que semisturam no inverno (nunca com superfíciecongelada) e estratificam no verão.
• Polimíticos lagos que sofrem mudanças frequentesdurante o ano.
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Lagos Meromíticos
• Lagos meromíticos experimentammistura incompleta na camada daTemperatura (ºC)
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• Lagos meromíticos experimentammistura incompleta na camada dasuperfície. A concentração desolutos é mais alta no fundo e éestável.
• Estratos da superfície ao fundo: – Mixolímnio, – Chemocline,
– Monimolímnio
• Classificados por fonte/causa demeromixis: – Biogênico (acumulação de
bicarbonato de cálcio; dureza) – Ectogênicos (entradas de água doce
ou salgada) – Crenogênicos (entrada salina
superficial
Z (m)
Condutividade é o inverso daresistência à corrente; maisíons (sais) do que os valores
maiores.
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Fonte: Martins R e Porto M. Decaimento e mistura depoluentes no meio ambiente. PHD2460 – Aula 11/1EPUSP
Propriedades químicas das
massas d’água
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massas d água• Elevada capacidade de dissolver substâncias iônicas ou
moleculares ⇒ soluções eletrolíticas ou não eletrolíticas
• Formação de soluções não–eletrolíticas⇒
peculiarestrutura molecular ⇒ permite a formação de pontes dehidrogênio
• Água isenta de impurezas ⇒ impossível de ser obtida(mesmo em laboratório) – Água das nuvens ⇒ pequenas parcelas de sulfatos, cloretos, etc – Chuva ⇒ recebem amônia, nitratos, etc.
• Características qualitativas e quantitativas da flora efauna (manancial) ⇒ proporções entre os vários
elementos presentes.
Propriedades químicas das
massas d’água
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massas d água• Lei de Liebig ou lei do mínimo: a abundância
dos organismos em um meio é proporcional à
concentração do elemento fertilizante assimilável que se encontra em quantidade mínima, relativamente à exigência desses
organismos.• Fatores ambientais inter-relacionados ⇒ não
agem de forma independente
• Organismos vivos ⇒ praticamente em todas aságuas naturais (exceto as muito poluídas)
Propriedades químicas das
massas d’água
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massas d água• Águas com substâncias altamente tóxicas ⇒
certas espécies adaptadas ⇒ sem concorrência⇒ grande proliferação (número reduzido deespécies com grande número de indivíduos).
• Quanto mais facilmente utilizáveis as fontes de
energia ⇒ maior o número de espécies ⇒
menor o número de indivíduos ⇒ Diversidadeou diversificação da espécie.
Propriedades químicas das
massas d’água
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massas d água• Salinidade do meio ⇒ fator limitante da
vida• Salinidade excessiva ⇒ impede
desenvolvimento de grande número deespécies
• Diferenças de temperatura e de densidade⇒ substâncias químicas estratificados
(não homogêneos) sobretudo os gases.
Propriedades químicas das
massas d’água
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massas d água• Estratificação química ⇒ estratificação
bioquímica da massa d’água
• Duas zonas: – Trofogênica ⇒ mais superficial ⇒ maior absorção
da luz ⇒ reações de fotossíntese e produção de MO
– Trofolítica ⇒ processos de desassimilação oudecomposição
• Estagnação de verão ⇒ lagos ⇒ zonatrofogênica no epilímnio (às vezes a termoclina)
• Zona trofolítica ⇒ hipolímnio
Distribuição dos gases:
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• Concentração ⇒ pressão parcial do gás etemperatura
• Relações entre pressão, temperatura equalidade dos gases ⇒ estudoslimnológicos
• Vida ⇒ quantidade de OD• Peixes salmonídeos (trutas e salmões) ⇒
regiões mais frias ⇒ OD dissolvido
Distribuição dos gases:
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• Oxigênio• 1 l de ar ⇒ 210 mg de O2 e 790 mg de N2
• t = 20 C ⇒coeficiente de absorção:1:32 1 1:65,respectivamente.
• Pressão normal e ao nível do mar, 1 l de água⇒ 9,08 mg de O2 e 12,3 mg de N2.
• Coeficiente de absorção dos gases pela águadecresce com a temperatura.
• t = 5 C ⇒ 12,77 mg de O2 e 16,8 mg de N2.
Distribuição dos gases:
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• Lagos oligotróficos ⇒ geralmente profundos ⇒águas claras (pobres em nutrientes orgânicos e
minerais) ⇒ O2 constante, da superfície aofundo• Lagos pouco profundos ⇒ ricos em MO em
plâncton ⇒ eutróficos ⇒O2 decresce
sensivelmente em regiões mais fundas.• Produtividade de um lago ⇒ curva de O2• Quantidade de substância oxidável ⇒ fonte de
energia ⇒ organismos animais ⇒ depressão doO2
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Água como um solvente
Solubilidade do soluto se
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Solubilidade do soluto seeleva com aumento datemperatura devido aoaumento da frequência deinterações moleculares enenos ligações H entre asmoléculas de água e maiorhidratação do soluto pelasmoléculas de água.
Solubilidade do gásdecresce com o aumento datemperatura devido aoaumento da vibração e
expansão de moléculas mais apressão parcial reduzidafavorece uma mudança doequilíbrio da água para o ar..
Distribuição dos gases:
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• Lagos de pequena profundidade ⇒ fenômeno não severifica ⇒ ação dos ventos ⇒ rara a estratificação
• Zonas superiores ⇒ enriquecido por O2 da fotossíntese• Aumento da temperatura ⇒ velocidade da oxidação ⇒atividade respiratória dos organismos ⇒ maior consumode O2
• Lagos termicamente estratificados ⇒ mais ricos em O2no metalímnio
• Águas claras ricas em nutrientes ⇒ organismosclorofilados ⇒ quantidades elevadas de O2
Estratificação por Temperatura
ou Íons Dissolvidos (sais):
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ou Íons Dissolvidos (sais):
Hypolimnion
Epilimnion
Distribuição dos gases:
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• Organismos subaquáticos ⇒ processosvariados para obtenção de O
2(respiração)
• Trocas gasosas por osmose• Brânquias ⇒ peixes e crustáceos
• Insetos (estado larvários) ⇒ tubos pararespiração
• Besouros ⇒ bolha de ar na região ventral
Distribuição dos gases:
I t d ã d MO d d õ d O
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• Introdução de MO ⇒ grandes reduções de O2• Oxidação de MO ⇒ ação catalisadora de
microrganismos ⇒ bactérias aeróbias• DBO – Demanda Bioquímica de Oxigênio ⇒expressa o valor da poluição produzida pormatéria orgânica oxidável biologicamente ⇒
quantidade de O2 consumida pelosmicrorganismos• Demanda grande ⇒ consumo de todo Oxigênio
Dissolvido (OD) ⇒ morte dos organismosaeróbios de respiração subaquática
Gás carbônico e potencial
hidrogeniônico:Di ib i ã d CO O
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g• Distribuição do CO2 ⇒ oposta ao O2
• CO2
produzido em regiões mais profundas⇒ não se perde ⇒ não atravessa atermoclina
• O2 formado na superfície ⇒ livre saídapara a atmosfera• Ar e água ⇒ Trocas de O2 ⇒ produtora
(dia) e receptora (noite)
Gás carbônico e potencial
hidrogeniônico:CO â
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g• CO2 ⇒ fundamental importância ⇒
metabolismo das algas• Introdução nas massas d’água:
– água da chuva ⇒ ar atmosférico (zonas
industriais, sobretudo) e – húmus ⇒ MO em decomposição nos solos – MO consumida e oxidada no interior da água
pelos organismos heterótrofos
Gás carbônico e potencial
hidrogeniônico:C bi ã á
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g• Combinação com a água:
– ácido fraco ⇒ ácido carbônico – CO2 + H2O <--> H2CO3
– Águas ricas em carbonatos (águas em
regiões calcárias) ⇒ bicarbonatos (solúveis) – CaCO3 + H2O + CO2 →→→→ Ca (H CO3)2
Gás carbônico e potencial
hidrogeniônico:Presença de bicarbonatos em sol ção o
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g• Presença de bicarbonatos em solução ou
carbonatos precipitados ⇒ depende da
presença de CO2 no meio• Ocorrência de fenômeno geológico ⇒
Precipitação de calcário (verão) ⇒ gáscarbônico menos solúvel em águasquentes – Ex.: condutos de água quente ⇒ obstrução
por depósitos de carbonato de cálcio
Gás carbônico e potencial
hidrogeniônico:Gá bô i d ilíb i ã
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• Gás carbônico de equilíbrio ⇒ que nãoreage com carbonatos ⇒ estabilidade doteor de bicarbonatos
• Gás carbônico agressivo ⇒ todo o
carbonato transformado em bicarbonato(excesso de gás carbônico livre)
Gás carbônico e potencial
hidrogeniônico:• CO2 agressivo ⇒ água ⇒ ácido carbônico ⇒ acidez
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• CO2 agressivo ⇒ água ⇒ ácido carbônico ⇒ acidez• Gotas de chuva (CO2 atmosfera) ⇒ pH sensivelmente
reduzido ⇒ maior declínio ⇒ passagem pelo solo(microrganismos produtores de húmus) ⇒ pH de 4 ou 5• pH ⇒ relação entre CO2 e carbonatos• Efeito tampão da mistura ⇒ dificulta as flutuações de
pH• Águas relativamente pobres em carbonatos ⇒
enriquecimento de CO2 ⇒ concentração elevada de CO2agressivo (pH inferior a 6)
Gás carbônico e potencial
hidrogeniônico:• Efeito Tampão ⇒ importante do ponto de vista
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• Efeito Tampão ⇒ importante do ponto de vistaecológico
• Líquidos no organismo ⇒ tamponados• Águas pobremente tamponadas ⇒ risco de se
tornarem ácidas (enriquecimento de CO2) ou
alcalinas (pela intensa reprodução de vegetais)• Algas ⇒ utilizam-se de CO2 agressivo ⇒ CO2de equilíbrio ⇒ resulta na precipitação decarbonatos na forma insolúvel.
Sais Minerais
• De maior interesse para os organismos vegetais
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• De maior interesse para os organismos vegetais
• Organismos autótrofos ⇒ Carbono (CO2) + O2 eH2 (água) + sais minerais (quantidades bemmodestas)
• Elementos essenciais ⇒ N, P, S, Mg, K, Ca eFe
• Outros elementos indispensáveis ⇒
Micronutrientes
Sais Minerais
• Águas doces em solução ⇒ carbonatos
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Águas doces, em solução ⇒ carbonatos,sulfatos, cloretos, silicatos, nitratos e fosfatos de
cálcio, magnésio, sódio, potássio e ferro ⇒natureza geológica, MO e fatores indiretos (t,CO2 e O2) ⇒ solubilidade na água.
• Águas com quantidades elevadas de sais: – Boratos ⇒ lagos da Califórnia – Sulfetos ⇒ freqüentes em águas de fontes termais – Carbonatos ⇒ águas duras de terrenos calcários
– Cloretos ⇒ lagos em terrenos salinos
Sais Minerais
• Concentração de sais ⇒ seleção de organismos
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• Concentração de sais ⇒ seleção de organismos⇒ fator osmótico
• Nitratos e fosfatos ⇒ quantidades abaixo donível ótimo para o desenvolvimento de algas ⇒
águas naturais ⇒ pequena densidade de algas
• Maior concentração desses sais ⇒ Eutrofização⇒ contribuição de fertilizantes ou de MO
Sais Minerais
• Eutrofização cultural ⇒ atividades agrícolas, esgoto
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ç g , gdoméstico, detergentes, etc.
• Remediação para eutrofização cultural ⇒ controle deerosão do solo; uso racional e cuidadoso de fertilizantese tratamento terciário de esgotos (primário – matagermes; secundário – remove sólidos; terciário – removefósforo e outras substâncias químicas)
• Sais minerais ⇒ fatores indispensáveis aodesenvolvimento de algas ⇒ atenção especial dosanitarista ⇒ operação e gerenciamento de estação detratamento
Compostos de Nitrogênio
• Componente essencial de todos os organismos vivos ⇒incorporado em proteínas ácidos nucleicos
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incorporado em proteínas, ácidos nucleicos.• Encontrado em uma grande variedade de formas.
• Orgânico: – Solúvel:
• Nitrogênio orgânico dissolvido ⇒ autóctones: uréia, proteínas eácidos nucleicos.
– Insolúvel:• Biomassa: biota
• Inorgânicos: – Solúvel:
• Nitrogênio orgânico dissolvido ⇒ Ânions: nitrato, nitrito. – Insolúvel:
• Cátions ⇒ gás amônia dissolvido: N2, material particulado derivadode rochas e sedimentos.
Compostos de Nitrogênio
• Nitrogênio orgânico dissolvido:
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Nitrogênio orgânico dissolvido:
• Crescimento de microrganismosautotróficos e heterotróficos. – Assimilação de nitrato dissolvido ou amônia
– Fixação de nitrogênio molecular (N2)
Compostos de Nitrogênio
• Em lagos estratificados:
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Em lagos estratificados:
• Lagos eutróficos ⇒ altos níveis de nitrogênio ao
longo da coluna d’água. – Nitrato: epilímnio oxigenado – Nitrito e amônia: metlímnio e hipolímnio
respectivamente.• Lagos oligotróficos: nitrogênio solúvel como
nitrato e baixos níveis de nitrito e amônia.
Compostos de Nitrogênio
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Compostos de Nitrogênio
• Ingresso de compostos de Nitrogênio e remoção pelobiota do lago (algas em especial)
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biota do lago (algas em especial).• Obedece a um padrão sazonal.
• Lagos temperados: maior carga externa no invernoassociada a baixos níveis de absorção pelo biota ⇒crescimento positivo do material biológico disponível(nitratos).
• Verão ⇒ menor carga externa ⇒ elevação da cargainterna (liberação de amônia, nitritos e nitratos dossedimentos – atividade bacteriana). – Aumento da absorção por algas e outros organismos ⇒ declínio
de nitrogênio.
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Compostos de Nitrogênio
Ci l d Nit ê i
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• Ciclo do Nitrogênio:
• Cinco maiores rotas de transformação: – Entrada e absorção de nitrato; – Transformações da biomassa;
– Remineralização (N orgânico em inorgânico); – Nitrificação (NH4 em nitrito e então para
nitrato)/desnitrificação (Nitrito ou nitrato em
óxido nitroso e gás nitrogênio) – Fixação de nitrogênio.
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Compostos de Nitrogênio
• Águas naturais ⇒ nitratos em soluçãoÁ b i
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• Águas que recebem esgotos ⇒ compostos maiscomplexos ⇒ compostos orgânicos quartenários,amônia e nitritos ⇒ existência de poluição recente ⇒oxidação rápida na água por bactérias nitrificantes ⇒Índice de presença de despejos orgânicos
• Águas da chuva ⇒ em solução, pequenas quantidadesde amônia ou de ácido nítrico de descargas elétricas oude fumaças decorrentes de poluentes atmosféricas ⇒outras fontes de compostos nitrogenados
Compostos de Nitrogênio
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• Passagem pelo solo ⇒ bactérias nitrificantes ⇒amônia em nitritos e nitratos
• Atividade bacteriana ⇒ fixação do nitrogênio na
massa d’água ⇒ gêneros de algas cianofíceas• Nitrogênio ⇒ importância fundamental à vida
dos organismos ⇒ integrante da molécula de
proteína e do protoplasma
Compostos de Nitrogênio
• Microrganismos de água doce ⇒ Nitrogênio ⇒
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Um dos maiores fatores limitantes
• Quantidades predominantes no protoplasma –muito escassos em águas doces ⇒ organismotem dificuldades em obtê-los do meio
• Incremento na água ⇒ aumento da proliferaçãode microrganismos
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Diagrama do Ciclo do Nitrogênio na água. N2 no ar é fixado pela cianobactéria ecolocado na forma de proteína, que é consumida pelos peixes. O peixe libera NH3 ,
que é utilizada por bactérias heterotróficas, plantas, cianobactérias e as bactériasNitrosomonas. Os três primeiros incorporam NH3 em proteína. Nitrosomonas aconvertem em NO2 , que por sua vez é utilizada pela Nitrobacter, que libera NO3.NO3 é um nutriente para vegetais e é também utilizado pelas bactériasanaeróbias, que podem produzir N2 , NO2 ou NH3.
Compostos de fósforo:
• A história do fósforo é mais simples.
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Fósforo tipicamente está disponível paraplantas como organofosfato (PO4-3).Outras fontes de fosfato são cadáveres,resíduos de animais, ossos e excrementosde pássaros
Compostos de fósforo:
• Participam da composição das águast i tid d it
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naturais em quantidades muito pequenas
• Importante componente da substânciaviva ⇒ núcleo-proteínas – ligado aometabolismo respiratório e fotossintético
• Fator limitante mais importante ⇒ vidados microrganismos aquáticos
• Economia de P ⇒ controle ecológico dasalgas
Compostos de fósforo:
• Despejos orgânicos (esgotos domésticos) ealguns tipos de despejos industriais ⇒
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alguns tipos de despejos industriais ⇒incremento do elemento
• Detergentes de uso doméstico e industrial ⇒despejos em fósforo
• Outras fontes:
– Apatitas ⇒ minerais fosfáticos – Fosfatos inorgânicos dos solos ⇒ não são facilmentecarregados pelas águas das chuvas
– Bactérias capazes de reduzir fosfatos a fosfitos,
hipofosfitos e fosfina ⇒ pouco conhecidas
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Outras substâncias minerais
• Ferro ⇒ na água sob forma de bicarbonatosolúvel
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solúvel
• Solubilidade ⇒ pH, teor de CO2 e OD• Manganês ⇒ comportamento semelhante aodo Fe
• Fe e Mn ⇒ fator limitante à vida de certasbactérias que o utilizam como material oxidável• Elemento essencial ⇒ outros organismos
aquáticos
Outras substâncias minerais• Sílica ⇒ importante elemento no metabolismo das algas
diatomáceas (formação de carapaças silicosas)
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• Segundo elemento mais comum na superfície da Terra
• Águas naturais ⇒ ricas em ortossilicatos nãodissociados e em sílica coloidal
• Formas particuladas e coloidais ⇒ importante papelfísoquímico ⇒ adsorção de nutrientes como íons defosfato e amônio
• Rochas ricas em sílica ⇒ importante fonte de cátionsassociados (íons de sódio) e contribui para o efeitotampão pela geração de íons bicarbonato
Outras substâncias minerais
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Outras substâncias minerais
• Drenagem de águas ricas em gáscarbônico dissol ção de rochas
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carbônico ⇒ dissolução de rochas
silicosas ⇒ enriquecimento das águas• Proliferação intensa de diatomáceas ⇒
diminuições consideráveis do teor desílica
Outras substâncias minerais
• Enxofre, potássio, magnésio ⇒ podem serimportantes ao desenvolvimento de
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importantes ao desenvolvimento de
organismos em geral• Cálcio ⇒ forma de carbonato ⇒
importância fundamental (indireta) ⇒processos químicos em um lagoobservados (CO2)
Compostos orgânicos
• Matéria orgânica de origem autóctone ⇒atividade sintetizante dos organismos
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atividade sintetizante dos organismos
autótrofos.• Alóctone ⇒ proveniente de solo lavado
pelas chuvas ou pela intervenção
antrópica.• Grande variação qualitativa e quantitativa
de MO, em estado coloidal ou dissolvido.
Compostos orgânicos
• Presença de MO ⇒ fonte de carbono, nitrogênioe outros elementos ⇒ oxidação biológica ⇒
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ç g
estabilizados na forma de gás carbônico,nitratos ⇒ indispensáveis à síntese orgânica.• Inúmeros os organismos clorofilados ⇒ não
dispensam compostos de estrutura molecularelevada.
• Grupos flagelados ⇒ utilização de ácidosorgânicos ou carboidratos como fonte de
carbono.
Compostos orgânicos
• Organismos que mais se beneficiam:bactérias fungos e organismos animais
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bactérias, fungos e organismos animais.
• Excesso de MO ⇒ prejuízo das condiçõesde vida dos organismos aeróbios.
• Elevação da demanda de oxigênio.