View
110
Download
6
Category
Preview:
Citation preview
Oxigênio e carbono em lagos
Curso: Ciências BiológicasDisciplina: Limnologia
Prof. José Fernandes Bezerra Neto
Química da água: Gases e principais íons
Gases Oxigênio (O2) Dióxido de carbono (CO2) Nitrogênio gasoso (N2)
Principais íons (ânions e cátions)
1. Os gases constituem um tipo de impureza química da água: alguns são essenciais para vida, alguns são inertes, outros tóxicos;
2
2. As propriedades dos gases são governados por leis químicas e físicas;
3. Os gases tendem ao equilíbrio entre a concentração na atmosfera e aquela dissolvida na água;
4. A solubilidade de um gás é independente da concentração de outros gases em solução.
Gases dissolvidos
Solubilidade dos gases
A quantidade máxima de gás que pode ser dissolvida na água (100% de saturação) é determinada pela temperatura, concentração de íons dissolvidos e a elevação.
A solubilidade diminui com o aumento da temperatura.
A solubilidade diminui com a elevação do conteúdo iônico na água (STD, CE25, salinidade)
“a saturação de OD é menor em água salgada do que em água doce” (para uma mesma temperatura, os sólidos “desalojam” os gases)
Solubilidade do oxigênio na água pura
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 10 20 30 40 50
Temperatura (C)
Oxi
gên
io (
mg
/L)
Efeito da temperatura
Temp (o C)
Temp (o F)
O2- Sol(mg/L)
0 32 15
5 41 13
10 50 11
15 59 10
20 68 9
25 77 8
Efeito da altitude
0.500
0.600
0.700
0.800
0.900
1.000
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
Altitude (m)
Pre
ssão
Par
cial
(p
)
Química da água: O2
Requerido para respiração.
Tóxico aos organismos anaeróbicos.
Influencia os processos químicos.
Principais fontes de O2
Fontes Fotossíntese (fitoplâncton, perifíton, macrófitas) O ar através da mistura causada pelo vento Entrada via tributários ou água subterrânea
tributários podem ter alta ou baixa concentração de OD
água subterrânea pode ter alta ou baixa concentração de OD
Difusão (epilímnio para o hipolímnio e vice versa)
Energia via vento
fotossíntese
As duas principais fontes de O2
Principais consumidores de O2
Consumo Respiração
bactéria, plantas, animais; água e sedimentos Difusão – respiração no sedimento Saída (tributário ou água subterrânea)
Principais perdas
O2 O2O2
Difusão
Respiração na coluna de água
Respiração no sedimento (bactéria and bentos)
No processo de mineralização das substâncias orgânicas, os decompositores utilizam o oxigênio dissolvido na água.
O oxigênio dissolvido (OD) é deplecionado durante o processo de decomposição de poluentes orgânicos.
Método de avaliaçãoA Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO): o quanto de oxigênio é requerido para a quebra das substâncias orgânicas. Alto DBO, baixa concentração de OD.
Fontes poluidoras que consomem oxigênio
Fontes pontuais de poluição
Efluentes Efluentes domésticosdomésticos
Fontes pontuais de poluição
Efluentes Efluentes industriaisindustriais
Fontes pontuais de poluição
Efluentes provenientes de
criatórios intensivos
Ocorre em áreas extensas Entra nos corpos de água de uma maneira
difusa Difícil de se traçar o ponto de origem Magnitude relacionada com os eventos
climáticos
Fontes difusas de poluição
Declínio OD a juzante – Níveis de OD diminuem a juzante da fonte de poluição a
medida que os decompositores metabolizam as substâncias poluidoras.
Matéria orgânica particulada e dissolvida Esgoto, rejeitos da agricultura, carcaças,
etc. Aumento MOD ou MOP --> aumento bactéria
--> aumento DBO --> menos 02 disponível para a biota
Fontes poluidoras que consomem oxigênio
A maioria dos peixes não sobrevive a concentrações de oxigênio < 2 mg/L
Fisiologia dos peixes e o oxigênio
Eventos naturais podem desencadear a morte em massa de peixes em corpos de água. Exemplos:1 – Lagos com uma grande quantidade de macrófitas aquáticas.2 – Inversão térmica no período de verão. 3 – Tempestades muito fortes.
Fisiologia dos peixes e o oxigênio
Fisiologia dos peixes e o oxigênio
Eventos de mortalidade de peixes – sul da Flórida (1991 – 2001)
Variabilidade do O2
A distribuição do oxigênio em lagos é influenciado por:
Temperatura Padrões de mistura Produtividade Morfometria
Perfil de temperatura e oxigênio
Baía oeste do lago Minnetonka, USA
8/31/2000
Temperatura
Termoclina
Oxigênio
dissolvido
Escalas: oC e ppm O2
• Forte estratificação térmica e de estratificação de oxigênio dissolvido
Gráfico de cores
Cor de fundo
OD TempPlot de Plot de linhalinha
Escala
Anoxia abaixo da termoclina
Gráfico de cores - Lago raso
OD Temp
Terminologia do estado trófico
Oligotrófico – baixa concentração de nutrientes e produtividade;
usualmente alta claridade
Mesotrófico – moderada concentração de nutrientes,
produtividade e claridade
Eutrófico – alta concentração de nutrientes e produtividade; baixa
claridade
Verão Perfis de Oxigênio
4. Heterogrado NegativoAlta respiração e/ou
decomposição no metalímnio
0 5 10 15
O2 mg/l
T
O2
HeterogradoNegativo
11
1
2
3
4
5
6
7
8
910
0
T
O2
Orthogrado
Dep
th (
m)
1. OrthogradoBaixa produtividade
T
O2
Clinogrado
2. ClinogradoAlta produtividade
0 5 10 15
1
2
3
4
5
6
7
8
910
0
O2 mg/l
Dep
th (
m)
T
O2
HeterogradoPositivo
*3. Heterogrado Positivo
Aumento de solubilidade no metalímnio devido à temperaturaConcentrações de algas no metalímnio
Interpretando perfis
Questões
1. Qual a época do ano?
2. Explicar perfis
• Temp
• OD
• pH
Temp
pH
DO
Temp
pH
DO
Aqui um ciclo annual de um lago temperado
Ciclos sazonais de temperatura & Oxigênio
Ciclos sazonais de temperatura & Oxigênio
Ciclo diurno do oxigênio
Ciclo sazonal do oxigênio
Ciclo sazonal do oxigênio
Gases: mistura causada pelo vento
O Oxigênio após uma tempestade – Quantos eventos de mistura podem ser encontrados na Baía Halsteds – Lago Minnetonka, MN neste ano de amostragem?
O2: significado para o homem
Afeta diretamente a fisiologia e o hábitat dos peixes Afeta indiretamente os peixes e outros organismos via
substâncias tóxicas associadas com a anoxia: H2S NH4
+ (convertido a NH4OH e NH3 acima ~pH 9)
Afeta indiretamente o suprimento de água de abastecimento H2S (gosto e odor) Solubiliza Fe Via regulação da liberação do P do sedimento (mediado
via adsorção em Fe(OH)3)
Afeta indiretamente as turbinas de reservatórios Via corrosão por H2S (mesmo aço inoxidável)
Gás sulfídrico – perfis de verão
TT
O2
O2
HH22SSHH22SS
• anoxia
anoxia
•0 •0•Eutrófico•Oligotrófico
Pro
f.
A importância do volume do epilímnio e do hipolímnio
Esta decomposição remove oxigênio
Organismos mortos caem no hipolímnio, aonde eles sofrem decomposição
Morfometria e o oxigênio
A importância do volume do epilímnio e do hipolímnio
Morfometria e o oxigênio
Se a quantidade de material que cai é igual para os dois lagos, o hipolímnio de um lago mais profundo terá um
estoque maior de oxigênio porque ele possui maior volume de água
Os lagos tornam-se anóxicos do fundo para a superfície
Morfometria e o oxigênio
Assim, o hipolímnio de um lago raso se tornará anóxico mais rápido
Aparelhos para medição do OD
Gases: CO2
somente cerca de 0.035% do ar (~ 350 ppm) Concentração na água mais elevada do que o esperado
devido à sua alta solubilidade
Gás(a 10oC)
solubilidade @ 1 atm (mg/L)
Concentração @ pressão normal (mg/L)
N2 23.3 18.2
O2 55.0 11.3
CO2 2319 0.81
C - Inorgânico: Principais fontes e consumo
Fontes: CO2 atmosférico Respiração e nos locais de decomposição na água Produtos de decomposição no solo (material alóctone) e
água subterrânea
Consumo: Conversões (dependente de pH) do bicarbonato e
carbonato Precipitação do CaCO3 e MgCO3 em pH elevado Fotossíntese
Fluxo do CO2 em lagos
Difusão
fotossíntese
CO2
CO2
respiração
Entrada
Saída
O dióxido de carbono não somente se dissolve na água, ele reage com ela
A família do CO2
CO2 Dióxido de Carbono
H2CO3 Ácido Carbônico
CO32- Carbonato
HCO3- BicarbonatoCa(HCO3)2 Bicarbonato de Cálcio
CaCO3 Carbonato de CálcioH+ Íon HidrogênioOH- Íon Hidroxil
Revisão: pH
Medida da acidez como a concentração de H+
pH varia de <1 a 14
7 = neutro < 7 = ácido (grande quantidade de íons H+) > 7 = alcalino (grande quantidade de íons OH-)
pH = - log [H+]
Revisão: pH
pH = - log [H+]
Reações do CO2 na água
<1% é hidratado para formar o ácido carbônico:
CO2 + H2O H2CO3
uma parte do ácido carbônico se dissocia em bicarbonato e íons hidrogênio:
H2CO3 HCO-3 + H +
À medida que o pH se eleva, o bicarbonato se dissocia em carbonato:
HCO-3 CO3-2 + H+
Compreendendo a variação de pH
CO2 entrada (produz H+, diminui pH, mais ácido)
CO2 + H2O H2CO3 HCO3- + H+ CO3
2- +2 H+
remoção de CO2 pela fotossíntese (remove H+, aumenta pH)
Equilíbrio do Carbono Inorgânico
Nota – 100% CO2 em pH< ~ 4.5; 100% bicarbonato em pH ~ 8
e 100% carbonato em pH > ~12
H2CO3H2CO3 HCO3HCO3 CO3CO3
pH
Fra
ção
da
esp
éci
es
de
C
Mudanças no pH podem mudar a forma dominante de carbono na água
Se há mudanças na forma dominante de carbono, pode
haver mudanças no pH
Equilíbrio do Carbono Inorgânico
A habilidade de resistir a mudanças no pH com respeito à adição de ácidos é chamada
Alcalinidade
Lagos que tem muito carbonato podem resistir a mudanças no pH com a adição de ácidos
O sistema de tamponamento da água
Lagos em regiões kársticas tem alta capacidade de tamponamento e portanto são menos impactadas por
chuva ácida. Lagos em solos graníticos podem ser altamente impactados
Alcalinidade é mensurada pela titulação com ácido até o pH atingir o valor 4,5
Quanto mais ácido for necessário para alcançar 4,5, mais tamponado estará o lago contra mudanças no
pH
Química do CO2: Alcalinidade
Chuva ácida é um termo comum para descrever as muitas maneiras que os ácidos caem da atmosfera
O melhor termo é deposição ácida porque não é somente chuva (deposição seca).
Mesmo sem poluição, a chuva tende a ser naturalmente ácida, devido ao fato do CO2 na atmosfera reagir com a água para produzir ácido carbônico:
CO2 + H2O H2CO3
A acidez da chuva é suficiente para dissolver minerais
na crosta terrestre, tornando-os disponíveis para a biota (esta acidez não causa danos).
Chuva “Normal” tem um pH 5,5-6
A chuva natural
Outros fenômenos podem liberar substâncias para a atmosfera tais como: erupções vulcânicas, queimadas naturais, etc. podem contribuir para a acidificação natural da chuva.
Chuva “Normal” tem um pH 5,5-6
A chuva natural
A formação da chuva ácida
A chuva ácida é produzida pela combinação de processos naturais e antrópicos.
Atividades industriais produzem uma grande quantidade de SOX e NOX que são transportados para uma longa distância na atmosfera.
Quando estes gases precursores penetram em nuvens carregadas (tempestades), eles reagem com a água para formar ácido sulfúrico (H2SO4) e ácido nítrico (HNO3). Chuva ácida (pH < 4,2)
Os ácidos na chuva ácida
As espécies ácidas na chuva ácida podem ser diferentes em países diferentes.
O gráfico em pizza à direita mostra a situação nos EUA: Ácido sulfúrico– 65% Ácido nítrico– 30% Outros– 5%
% na chuva ácida dos EUA
Ácido sulfúrico
Ácido nítrico
Outros
O enxofre e a chuva ácida
Acredita-se que o dióxido de enxofre (SO2) seja o principal
precursor da formação de gotas de ácido sulfúrico. A sua principal fonte na atmosfera é a combustão de combustíveis fósseis. Isto é devido ao fato do enxofre ser o contaminante natural do carvão e óleo.
Dióxido de enxofre (SO2) Ácido sulfúrico (H2SO4)
Óxidos de nitrogênio e a chuva ácida
Os principais ingredientes para a formação do ácido nítrico são NO e o NO2 (eles são frequentemente
combinados em uma única categoria, NOX).
As emissões de NOx em 1992
Veículos 32%
Aparelhos elétricos
32%
Veículos coletivos
12%
Indústrias5%
Outros19%
A quanto tempo o problema começou?
Em 1968 Svante Oden (Suécia) demonstrou que a precipitação sobre os países da Escandinávia estava tornando-se mais ácida.
01234567
1950 1955 1960 1965 1970 1975
pH
Quais são os efeitos da chuva ácida?
U.S. EPA Acid Rain Program http://www.epa.gov/acidrain/student/acidity.html
Efeitos em ecossistemas aquáticos
São nos lagos e nos riachos onde os mais dramáticos efeitos da chuva ácida podem ser claramente observados. É sabido que águas com baixo pH podem matar ovos de peixes e ovos de anfíbios – lagos e riachos inteiros podem ser colocados em stress, devastados ou destruídos.
pH 5,9
pH 5,1
Lago Trout
Efeitos sobre a biota
Stress sobre os organismos aquáticos Falhas na reprodução Danos nas guelras problemas
respiratórios Falhas na eclosão dos ovos Interferência na absorção de Ca
(moluscos)
Espécies aquáticas e a acidez da água
Experimental Lakes Area (ELA)—David SchindlerAcidificação do lago 223
Como a chuva ácida pode impactar os lagos?
(http://www.umanitoba.ca/institutes/fisheries/)
Em 2 anos, foi adicionado uma quantidade de ácido sufúrico concentrado ao lago igual a 18 anos de deposição ácida na região de Ontário - Canadá
Mysis relicta (7 milhões para 0)A espécie de peixe Fathead minnows não se reproduzMais mudanças no fitoplânctonPerda de 1 espécie de zooplâncton (copépodo)
Início do experimento em 1976, com um pH 6.8
6.13 (1977) mudança na estrutura da comunidade fitoplanctônica
5.93 (1978)
Schindler et al. 1985
5.02 (1981) Mais mudanças na comunidade zooplanctônica
5.64 (1979) Aumento na abundância de algas filamentosas
Crustáceos com carapaça moleMinnow e sculpin declinam
5.59 (1980) Mais perdas de zooplânctonPerdas de espécies de crustáceos
Mais espécies de peixes nãoreproduzem
Efeitos em ecossistemas aquáticos
A extensão da mudança na acidez de um lago ou riacho é determinado principalmente pela capacidade de tamponamento do solo da bacia hidrográfica em que está localizada o corpo de água.
www.waterencyclopedia.com/A-Bi/Acid-Rain.html
Vulnerabilidade do lago ou da bacia hidrográfica: tipo de solo; profundidade e permeabilidade do solo; tamanho e forma da bacia; tipo de vegetação / altitude:
Árvores decíduas – tamponam ácidos;Coníferas – acidificam ainda mais o solo.
Efeitos em ecossistemas aquáticos
A chuva ácida e o transporte atmosférico
Transporte de poluentes a grandes distâncias do ponto de sua criação ao ponto do seu efeito.
Suécia e Noruega: recebem constantemente a poluição atmosférica que vem da Inglaterra e da Alemanha
Recommended