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INSTITUTO DE QUÍMICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM GEOCIÊNCIAS - GEOQUÍMICA
BEATRIZ ANDRADE DA SILVA MARQUES
AVALIAÇÃO DO POTENCIAL DE FERTILIZAÇÃO DECORRENTE DA
DEPOSIÇÃO DE CINZAS VULCÂNICAS DO COMPLEXO ANDINO PUYEHUE-
CORDÓN CAULLE EM ÁGUAS DO ATLÂNTICO SUL/OCEANO AUSTRAL
NITERÓI
2015
BEATRIZ ANDRADE DA SILVA MARQUES
AVALIAÇÃO DO POTENCIAL DE FERTILIZAÇÃO DECORRENTE DA
DEPOSIÇÃO DE CINZAS VULCÂNICAS DO COMPLEXO ANDINO PUYEHUE-
CORDÓN CAULLE EM ÁGUAS DO ATLÂNTICO SUL/OCEANO AUSTRAL
Dissertação apresentada ao Curso de Pós-
Graduação em Geociências da Universidade
Federal Fluminense, como requisito parcial
para a obtenção do Grau de Mestre. Área de
Concentração: Geoquímica Ambiental.
Orientador:
Profº Drº Heitor Evangelista da Silva
NITERÓI 2015
M357 Marques, Beatriz Andrade da Silva.
Avaliação do potencial de fertilização decorrente da deposição de cinzas vulcânicas do complexo andino Puyehue-Cordón Caulle em águas do Atlântico Sul/Oceano Austral / Beatriz Andrade da Silva Marques. – Niterói : [s.n.], 2015.
97 f. : il. ; 30 cm.
Dissertação (Mestrado em Geociências - Geoquímica Ambiental) - Universidade Federal Fluminense, 2015. Orientador: Profº Drº Heitor Evangelista da Silva.
1. Vulcanismo. 2. Sensoriamento remoto. 3. Bioensaio. 4. Oceano
Atlântico Sul. 5. Produção intelectual. I. Título.
CDD 551.21
A meus pais, Lucia e J. Augusto,
por terem investido em mim seu tempo,
amor e energia.
E às novas descobertas.
Da ciência e da vida.
AGRADECIMENTOS
Agradeço aos homens e à mulher do mar a bordo do NPo Alte Maximiano
durante a OPERANTAR XXXII, que ofereceram total apoio à realização do
experimento de campo e com os quais construi amizades sinceras. Aos
pesquisadores e equipe do LARAMG, em especial ao meu time Alexandre
Castagna, Thiago Pinto e Anne Caroline Medeiros, que dividiram comigo por meses
as dificuldades e as alegrias de um trabalho cansativo, mas absolutamente
compensador, desde o laboratório no Rio de Janeiro até um lugar tão apaixonante
como a Antártica. Aos professores Renato Campello Cordeiro, Cátia Fernandes
Barbosa e Ricardo Godoi por suas colaborações com protocolos e análises e por
seu papel incentivador. À professora Gleyci Moser por sua incondicional disposição
em ajudar no que estiver ao seu alcance, sempre apaixonada por este seu hobby
que alguns chamam de profissão, e à técnica Domênica Lima por todo o auxílio
laboratorial.
Ao Mestre (!) e amigo Alexandre Castagna, gostaria de destacar minha gratidão.
Grande exemplo profissional, absolutamente dedicado, participou ativamente do meu
amadurecimento acadêmico e pessoal e foi um guia em como trabalhar com e traduzir,
por escrito, a ciência.
Ao professor e orientador Heitor Evangelista, pelo estímulo em desenvolver e
finalizar este trabalho, por seu brilho nos olhos ao falar de novos projetos e
possibilidades científicas, sendo sempre uma fonte inesgotável de entusiasmo!
Todos os nossos encontros são uma injeção de ânimo!
Ao Marcello, pelo carinho, amizade e ajuda paciente nos desenhos!
À Suzana, incrivelmente atenciosa, que não para de me surpreender com sua
competência exponencialmente crescente!
A meus outros mestres na vida, com e sem títulos, que ensinam de cada
assunto um tanto e ajudam a moldar meu caráter em cada experiência compartilhada.
À família e aos amigos que contribuiram para a conclusão deste Mestrado direta
ou indiretamente e trouxeram felicidade e leveza aos meus dias. A meus pais, em
especial, por terem sido meus exemplos, meus pilares a que posso sempre recorrer,
aqueles a quem admiro infinitamente.
"É melhor acender uma vela do que praguejar contra a escuridão".
ADÁGIO POPULAR
RESUMO
O vulcanismo é um potencial agente fertilizador de via eólica para os oceanos. Para
as últimas décadas, o sensoriamento remoto tem sido uma ferramenta importante no
sentido de avaliar em tempo quase-real alterações de parâmetros nos oceanos
durante os episódios de erupção vulcânica, em geral com alta resolução temporal e
espacial. Evidências experimentais ainda são pouco reportadas, sobretudo para o
hemisfério sul. Este trabalho investiga a resposta biológica decorrente do aporte das
cinzas expelidas durante o evento eruptivo de 2011 do complexo vulcânico andino
Puyehue-Cordón Caulle em águas do Atlântico Sul / Oceano Austral. Duas
abordagens foram empregadas no estudo: (1) sensoriamento remoto orbital; e (2)
experimento de fertilização em microcosmo. A investigação feita por meio de
sensoriamento remoto utilizou os parâmetros satelitais Espessura Óptica de
Aerossol (AOT), Concentração de Clorofila-a (CHL-a) e Temperatura da Superfície
do Mar (SST), aquisitados pelo sensor MODIS/Aqua e acessados através do portal
Ocean Color mantido pelo OBPG/NASA. O contexto pós-erupção foi avaliado
comparando os valores dos parâmetros para o ano (2011) com o valor da série
histórica criada com dados de 2002 à 2010. O bioensaio de fertilização foi realizado
com as cinzas vulcânicas do evento eruptivo em questão, com tréplicas do controle
e outros três tratamentos, distintos em massa de cinzas inserida, em águas
coletadas no centro da Passagem de Drake. Os resultados obtidos a partir das duas
abordagens deste trabalho, sensoriamento remoto e bioensaio, não são taxativos
sobre o acoplamento entre a deposição das cinzas da erupção do complexo
vulcânico Puyehue-Cordón Caulle e a possível ocorrência de um evento de
fertilização oceânica. Através da análise por sensoriamento remoto é possível notar
para o período de intensificação dos ventos de oeste do mesmo ano – primavera-
verão – que há picos nas medidas de espessura óptica da atmosfera e de
concentração de clorofila, que atingem valores maiores que a média histórica. Isto
indica que houve aporte de material continental e que este foi suficiente para
propiciar maior desenvolvimento algal no oceano. Estes resultados indicam que a
poeira mineral, constituída por material de erosão continental com a contribuição dos
depósitos de composições distintas de cinzas expelidas nas diversas erupções
andinas, é capaz de prover micronutrientes escassos na coluna d’água ao
fitoplâncton, com aumento de biomassa algal de uma comunidade fitoplanctônica
não limitada por outros parâmetros (condições de irradiação suficiente, temperaturas
menos baixas, camadas de mistura mais rasas e pressão de predação menos
intensa). A hipótese também poderia esclarecer a falta de resultados conclusivos do
bioensaio feito apenas com as cinzas, sem qualquer beneficiamento de outras fontes
continentais.
Palavras-chave: Vulcanismo. Fertilização oceânica. Sensoriamento remoto.
Bioensaio. Oceano austral.
ABSTRACT
Volcanism is a potential agent for fertilizing by wind the oceans. In the last decades,
remote sensing has been an important tool that allows evaluations of near-real-time
changes in oceanographic parameters during episodes of volcanic eruptions, in
general with high temporal and spatial resolution. Experimental evidences are still
poorly reported, especially for the southern hemisphere. This work investigates the
biological response resulting from the input of ash expelled during the 2011 eruptive
event of the Andean volcanic complex Puyehue-Cordón Caulle over waters of the
Atlantic Ocean / Southern Ocean. Two approaches were employed in the study: (1)
remote sensing; and (2) fertilization experiment. The research carried out by means
of remote sensing, used the satellite parameters Aerosol Optical Thickness (AOT),
Concentration of Chlorophyll-a (CHL-a) and Sea Surface Temperature (SST),
acquired by MODIS / Aqua and accessed through the Ocean Color portal maintained
by OBPG / NASA. The context of post-eruption was assessed by comparing the
values of the parameters for the year (2011) with the value of climatology created
with data from 2002 to 2010. The fertilization bioassay was performed with volcanic
ash from the considered eruption event, with rejoinders of four treatments, different in
volume, in water collected in the Drake Passage. The results from the two
approaches this work, remote sensing and bioassay, are not exhaustive of the
coupling between the deposition of ash from the eruption of the Puyehue-Cordón
volcanic complex Caulle and the possible occurrence of an ocean fertilization event.
Through remote sensing analysis it is possible to note that, with the intensification
period of westerly winds of the same year - spring and summer, there are peaks in
aerosol optical thickness measurements of the atmosphere and in concentration of
chlorophyll, which reach values higher than the historical average. This indicates that
there has been input of continental material, and that this was sufficient to provide
greater algal development in the ocean. These results indicate that the mineral dust,
formed by continental erosion material with the contribution of deposits of different
compositions of ash expelled in several Andean rash, is capable of providing scarce
micronutrients in the water column to phytoplankton, with an increase of algal
biomass in a phytoplankton community not limited by other parameters (sufficient
irradiation conditions, less low temperatures, shallower mixing layers and less
intense predation pressure). The hypothesis could also explain the lack of conclusive
bioassay results done only with the ashes without any contribution of other
continental sources.
Keywords: Volcanism. Ocean fertilization. Remote sensing. Bioassay. Southern
ocean.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Imagem do satélite MODIS da pluma de cinzas expelidas na
erupção do vulcão Kasatochi, no Alaska, em 8 de Agosto de
2008 na faixa do visível................................................................. 20
Figura 2 – Mapa da dispersão das cinzas e espessura dos depósitos
piroclásticos sobre a área continental. Fonte: LIMA et al., 2012.. 22
Figura 3 – Composição satelital da dispersão da pluma de dióxido de
enxofre do Pinatubo, após 9 dias do início da erupção de
1991............................................................................................. 23
Figura 4 – Imagem MODIS/Aqua (Moderate Resolution Imaging
Spectroradiometer / Satélite Aqua) da pluma de cinzas da
erupção do vulcão Eyjafjallajökull em 10 de maio de
2010.............................................................................................. 23
Figura 5 – (a-d) Imagens MODIS para a média mensal de clorofila na
superfície nos meses de agosto de 2005, 2006, 2007 e 2008;
(e) série temporal da média mensal de clorofila dentro da caixa
mostrada na Figura (f); (f) Zoom na imagem MODIS de clorofila
para agosto de 2008 (Pacífico NE subártico), mesmo grid
espacial das figuras (g) e (h); (g) composição das detecções
satelitais de cinzas mais intensas da erupção do vulcão
Kasatochi; (h) localização das partículas - de 0-10.000 m de
altitude - obtida pelo modelo de dispersão para 12, 24, 48 e 72
horas após o início da erupção do
Kasatochi...................................................................................... 26
Figura 6 – Evolução em função do tempo (dias) da concetração de clorofila
em bioensaios com diferentes metais adicionados
individualmente e no controle. ..................................................... 29
Figura 7 – Diagrama da formação de componentes solúveis em partículas
de cinzas....................................................................................... 30
Figura 8 – (A) Imagem MODIS-Terra, que mostra a pluma de cinzas da
erupção do complexo vulcânico Puyehue-Cordón Caulle, em 31
Junho de 2011, na faixa do visível (true color), e (B) pluma de
dióxido de enxofre correspondente detectada pelo IASI (Infrared
Atmospheric Sounding Interferometer) do satélite MetOp-A........
Figura 9 – Concentração superficial (até 10 metros) anual média de (A)
nitrato e (B) fosfato no oceano global. Altas concentrações,
comparativamente às demais áreas, de ambos os
macronutrientes podem ser observadas na região de estudo...... 32
Figura 10 – Processos biogeoquímicos envolvendo o ferro de fonte
vulcânica nos oceanos e os mecanismos de redução por
formação de atmosfera ácida e de assimilação do
micronutriente através da formação de complexos Fe-quelante
orgânico........................................................................................ 35
Figura 11 – (a) Localização do ponto de coleta (59°00’S, 64°26’W) e fratura
de Shackleton; (b) representação da passagem de massa
d’’agua de fundo sobre a fratura de Shackleton. Fonte:
Adaptado de Explorations Scripps Institution of
Oceanography/UCSD................................................................... 39
Figura 12 – Média histórica (1997-2010) de Concentração de Clorofila-a
estimada pelo SeaWiFS gerada a patir do banco de dados
online Giovanni. Localização do complexo vulcânico (40°35’S,
72°07’W - triângulo vermelho) e do (59°00’S, 64°26’W - círculo
vermelho)...................................................................................... 42
Figura 13 – Tamanho médio de micropartícula de cinza vulcânica
depositada na superfície para a erupção do Monte Santa
Helena.......................................................................................... 44
Figura 14 – Esquema dos componentes do sistema de coleta........................ 49
Figura 15 –
Distribuição do sistema de coleta a bordo do NPo Alte
Maximiano. Unidades experimentais são preenchidas com água
coletada pela mangueira de sucção, mantida na profundidade
desejada por um lastro de concreto revestido por PVC................ 50
Figura 16 – Detalhe do aparato de inserção de cinzas em cada unidade de
cultivo (válvulas three-way)........................................................... 51
Figura 17 – Média histórica mensal da Profundidade da Camada de Mistura, 54
em metros, para o Hemisfério Sul no mês da erupção (Junho –
Inverno), e seis meses depois (Dezembro – Verão).....................
Figura 18 – Pluma integrada de deposição de material obtida com o modelo
de dispersão e deposição online
HYSPLIT....................................................................................... 55
Figura 19 – Representação dos volumes de cinzas vulcânicas inseridos por
tréplica de cada tratamento em cada unidade experimental........ 56
Figura 20 – Fixação dos nichos metálicos na proa do segundo convés.
Internamente aos nichos são armadas piscinas onde é circulada
água sub-superficial. Recipientes de cultivo são mantidos nos
nichos metálicos, parcialmente submersos na água de
circulação e cobertos por uma manta de atenuação de luz.......... 57
Figura 21 – Atenuação óptica na coluna d’água (KT) em função do
comprimento de onda (λ), da concentração de clorofila ([Chl-a])
e da concentração de matéria orgânica dissolvida ([DOM]). (A)
Atenuação por comprimento de onda (nm); e (B) Atenuação
para a PAR por profundidade....................................................... 58
Figura 22 – Pluma de deposição seca e úmida: resultado consolidado do
modelo para o desenvolvimento da pluma de cinzas vulcânicas
até 8 dias após o início da erupção.............................................. 63
Figura 23 – Pluma de concentração atmosférica acumulada modelada
(esquerda) e composição das imagens de satélite dos dias
correspondentes montada pela NASA com dados OMI/AURA
(direita) para os primeiros seis dias de erupção........................... 64
Figura 24 – Série histórica (linhas vermelhas) com barras de duas vezes o
erro padrão (2EP) e valores para o ano de 2011 (linhas pretas)
para Espessura Óptica de Aerossol (AOT) (A), Temperatura da
Superfície do Mar (SST) (B) e Concentração de Clorofila-a
(CHL-a) com cálculo por média aritmética (C) e por média
geométrica (D). Os dados semanais são composições de 8
dias, portanto, o início do evento eruptivo, indicado pela linha
vertical azul, ocorre ao final da 20a semana do calendário
juliano............................................................................................ 65
Figura 25 – Imagens produzidas a partir de dados do sensor MODIS/Aqua
das anomalias de CHL-a calculadas para as duas primeiras
quinzenas pós-erupção................................................................. 66
Figura 26 – Composição de imagens true color MODIS/Aqua para os dias
03/06/11 e 04/07/11, respectivamente um dia antes (A) e pouco
mais de um mês (B) após o início da erupção do Puyehue
Cordón-Caulle, mostrando a deposição de cinzas sobre o
continente, em arco crescente partindo da fonte, indicada pelo
ponto amarelo............................................................................... 67
Figura 27 – Média histórica mensal do ângulo (A) com Norte como
referência (0°) e da velocidade (B) do vento sobre a Patagônia,
calculadas com base nos mesmos dados NCEP/NCAR usados
para o modelo HYSPLIT, porém entre 1948 e 2011 (linha azul:
mês da erupção; linha vermelha: início do período de ventos
mais intensos)............................................................................... 68
Figura 28 – Médias latitudinal (A) e longitudinal (B) de vento para o período
de Setembro a Dezembro de 2011............................................... 69
Figura 29 – Resultado da Espectrometria de Fluorescência de Raios-X:
composição da amostra de cinzas: concentração, em
porcentagem de massa, dos elementos presentes na amostra
das cinzas coletadas após a erupção de Julho de 2011 do
complexo vulcânico Puyehue-Cordón Caulle. Outros elementos:
Cu (0,031%), Zn (0,120%), Ga (0,018%), Rb (0,075%), Sr
(0,188%), Y (0,039%), Zr (0,289%), W (0,046%), Pb (0,045%).... 70
Figura 30 – Imagens de Microscopia Eletrônica de Varredura de partículas
da amostra de cinzas vulcânicas. (A) Partícula predominante
lisa, angulosa e com padrões vesiculares (glass shards); (B)
Corte transversal da partícula predominante; (C) Partícula
sólida; (D) Agregado de partículas de argila; (E) Filamento com
padrão acostelado similar ao da partícula predominante; (F)
Partícula mista.............................................................................. 72
Figura 31 – Distribuição dos elementos químicos em cada partícula: (A) 73,
Partícula predominante, (B) Partícula sólida, (C) Agregado de
argila, (D) Filamento acostelado, (E) Partícula mista (parte
interna), (F) Partícula mista (parte externa), (G) Partícula
escura...........................................................................................
74,
75
Figura 32 – Difratograma de Raios-X para a amostra de cinzas vulcânicas.
O resultado indica a mineralogia dos elementos presentes na
amostra......................................................................................... 76
Figura 33 – Variação temporal da Concentração de Clorofila-a média no
controle e em cada um dos tratamentos com as barras de
desvio padrão................................................................................ 78
Figura 34 – Variação temporal da taxa de incremento na Concentração de
Clorofila-a Média no controle e em cada um dos tratamentos...... 79
Figura 35 – Densidade celular fitoplanctônica ao início (Inicial) e após 12
dias (A, B, C e D) de experimento, com barras de desvio padrão 80
Figura 36 – Composição relativa do fitoplâncton ao início (Inicial) e após 12
dias de experimento, por tratamento (A, B, C e D)....................... 81
Figura 37 – Variação temporal da densidade celular de dinoflagelados
média por tratamento com barras de desvio padrão.................... 82
Figura 38 – Variação temporal da densidade celular de diatomáceas média
por tratamento com barras de desvio padrão............................... 82
Figura 39 – Retrotrajetórias médias de massas de ar associadas aos perfis
latitudinais das concentrações atmosféricas de ferro (Fe), silício
(Si) e alumínio (Al). Dados obtidos durante a campanha de
2006, OPERANTAR...................................................................... 87
Figura 40 – Imagem MODIS/Aqua em cor verdadeira da emissão de poeira
da região próxima a Trelew, na Patagônia Argentina, em
2009.............................................................................................. 88
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Emprego do ferro no metabolismo vegetal........................................ 28
Tabela 2 – Densidade média das partículas de cinzas....................................... 54
Tabela 3 – Concentração das cinzas depositadas no oceano em função do
aporte de cinzas por área e da profundidade da camada de
mistura (Ver cálculos no ANEXO I)................................................... 55
Tabela 4 – Volumes coletados para cada amostra ao longo do cultivo.............. 59
Tabela 5 – Composição média de metais-traço em cada tipo de cinzas,
basálticas e riolíticas.......................................................................... 86
LISTA DE ABREVIATURAS
λ Comprimento de onda
µg Micrograma
µm Micrometro
AI Aerosol Index
Aqua Satélite Aqua
AOT Aerosol Optical Thickness
ARL Air Resources Laboratory
BInc Bomba de Incêncio
BBC British Broadcasting Corporation
Cd Cádmio
CHL-a Chlorophyll-a Concentration
Cu Cobre
[DOM] Concentração de matéria orgânica dissolvida
EDS Espectroscopia de Energia Dispersiva
EOS Earth Observing System
ESA European Space Agency
Fe Ferro
GES DISC Goddard Earth Sciences Data and Information Services Center
GSFC Goddard Space Flight Center
GPL General Public License
HNLC High Nutrient, Low Chlorophyll
h Hora
HYSPLIT HYbrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory
INPE Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais
KT Atenuação óptica na coluna d’água
kg Quilograma
L Litros
LaGIR Laboratório de Geocronologia e Isótopos Radiogênicos
LANCE Land Atmosphere Near Real Time Capability for EOS
m Metro
MEV Microscopia Eletrônica de Varredura
mg Miligrama
Mn Manganês
MODIS Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer
N Nitrogênio
NASA National Aeronautics and Space Administration
NCAR National Center for Atmospheric Research
NCEP National Centers for Environmental Prediction
Ni Níquel
nM Nanomolar
nm Nanometro
NOAA National Oceanic and Atmospheric Administration
NPo Alte Maximiano Navio Polar Almirante Maximiano
NRL Near Real Time
OBGP Ocean Biology Processing Group
ONEMI Oficina Nacional de Emergencia del Ministerio del Interior y
Seguridad Pública
OPERANTAR Operação Antártica
P Fósforo
PAR Photosynthetic Active Radiation
PA Poliamida (nylon)
PDMS Polidimetilsiloxano (silicone)
PMMA Polimetil-metacrilato (acrílico)
PTFE Politetrafluoretileno (teflon)
PVC Policloreto de vinila
s Segundo
SERNAGEOMIN Servicio Nacional de Geología y Minería
Si Silício
SMI Standard Mapped Image
SST Sea Surface Temperature
UERJ Universidade do Estado do Rio de Janeiro
UFF Universidade Federal Fluminense
UV Ultravioleta
Zn Zinco
ZVAA Zona Vulcânica Austral dos Andes
SUMÁRIO
RESUMO.............................................................................................................. IV
ABSTRACT.......................................................................................................... VI
LISTA DE FIGURAS............................................................................................ VIII
LISTA DE TABELAS........................................................................................... XII
LISTA DE ABREVIATURAS............................................................................... XIII
1. INTRODUÇÃO............................................................................................... 20
2. OBJETIVOS.................................................................................................. 36
2.1. OBJETIVO GERAL...................................................................................... 36
2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS......................................................................... 36
3. JUSTIFICATIVA............................................................................................ 37
4. MATERIAIS E MÉTODOS............................................................................ 38
4.1. ÁREA DE ESTUDO E PONTO DE COLETA............................................... 38
4.2. ABORDAGEM POR SENSORIAMENTO REMOTO................................... 40
4.2.1. Dados de plataformas orbitais............................................................... 40
4.2.2. Modelo atmosférico de dispersão de partículas.................................. 42
4.2.3. Processamento dos bancos de dados.................................................. 45
4.3. EXPERIMENTO DE FERTILIZAÇÃO EM MICROCOSMO......................... 46
4.3.1. Preparação dos materiais....................................................................... 46
4.3.1.1. Materiais................................................................................................ 46
4.3.1.2. Etapas da Assepsia............................................................................... 46
4.3.2. Configuração do experimento............................................................... 48
4.3.2.1. Logística de Coleta................................................................................ 48
4.3.2.2. Amostra de Cinzas Vulcânicas.............................................................. 51
4.3.2.2.1. Espectrometria de Fluorescência de Raios-X (FRX)..........................
4.3.2.2.2. Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e Espectroscopia de
Energia Dispersiva (EDS)...................................................................
4.3.2.2.3. Difração de Raios-X (DRX).................................................................
52
52
53
4.3.2.3. Massa de Cinzas Adicionado por Tratamento no Bioensaio
4.3.2.4. Local de Instalação do Sistema.............................................................
4.3.2.5. Controle de Luminosidade.....................................................................
4.3.2.6. Controle de Temperatura......................................................................
4.3.2.7. Aeração Positiva das Unidades Experimentais.....................................
53
56
57
58
59
4.3.2.8. Logística de Amostragem......................................................................
4.3.2.9. Técnicas de Análise..............................................................................
4.3.2.9.1. Concentração de Clorofila...................................................................
4.3.2.9.2. Abundância e Composição Fitoplanctônica........................................
59
60
60
60
5. RESULTADOS E DISCUSSÃO.................................................................... 62
5.1. ABORDAGEM POR SENSORIAMENTO REMOTO................................... 62
5.2. EXPERIMENTO DE FERTILIZAÇÃO EM MICROCOSMO......................... 70
5.2.1. Amostra de cinzas vulcânicas............................................................... 70
5.2.1.1. Espectroscopia de Fluorescência de Raios-X (FRX)............................
5.2.1.2. Microscopia Eletrônica e Varredura (MEV)...........................................
70
71
5.2.1.3. Espectroscopia de Energia Dispersiva (EDS).......................................
5.2.1.4. Difração de Raios-X (DRX)...................................................................
5.2.2. Concentração de clorofila.....................................................................
5.2.3. Abundância e composição fitoplanctônica.........................................
73
73
76
79
6. CONCLUSÃO................................................................................................ 84
7. REFERÊNCIAS.............................................................................................. 89
8. ANEXO ...........................................................................................................
98
20
1 INTRODUÇÃO
O aporte de material continental em sistemas aquáticos determina diversas
alterações físico-químicas com potencial impacto sobre a comunidade biológica e
suas propriedades ecossistêmicas. A via eólica tem papel relevante no carreamento
e disponibilização deste material para tais sistemas (MESKHIDZE et al., 2007).
Plumas de cinzas vulcânicas e de poeira de sedimentos mineirais de zonas áridas e
semi-áridas podem se estender por milhares de quilômetros sobre o oceano,
dissolvendo parte de sua massa quando em contato com a água do mar. Um
exemplo recente desta via de transporte pode ser observado na figura 1: a pluma de
cinzas expelidas durante a erupção de Agosto de 2008 do vulcão Kasatochi, no
Alaska.
Figura 1 - Imagem do satélite MODIS da pluma de cinzas expelidas na erupção do vulcão Kasatochi, no Alaska, em 8 de Agosto de 2008 na faixa do visível. Fonte: LANGMANN et al., 2010.
21
Os vulcões são uma fonte notável de substâncias continentais que são
carreadas por via eólica para os oceanos. Eventos eruptivos ocorrem em escala
temporal relativamente curta e espacial desde a regional até a global; sendo assim,
tem grande importância na injeção de componentes terrígenos no oceano. Para o
setor Atlântico do Oceano Austral, as principais fontes eólicas de material mineral
são o semi-deserto da Patagônia e a Zona Vulcânica Austral dos Andes (ZVAA). No
caso deste trabalho, a erupção explosiva do complexo vulcânico Puyehue-Cordón
Caulle (40°35’S – 72°07’W), no Chile, iniciada em 4 de Junho de 2011 e seguida por
uma forte deposição atmosférica de material vulcânico, é o objeto de estudo.
Segundo o Global Volcanism Program, o volume de material expelido por este
evento eruptivo foi responsável pela evacuação de quase 5 mil residentes próximos
à sua cratera. A ONEMI (Oficina Nacional de Emergencia del Ministerio del Interior y
Seguridad Pública) informou que a passagem Cardenal-Samoré, uma das principais
entre as montanhas dos Andes que ligam Chile e Argentina, foi fechada
temporariamente em virtude de um depósito de cinzas que atingiram entre 10 e 15
cm de espessura. O maior lago da Argentina, Nahuel Huapi, que fica no sopé
oriental dos Andes ao sul do complexo vulcânico, também ficou coberto por cinzas,
como reportado pela imprensa chilena. De acordo com a agência BBC, o rio Nilahue,
localizado ao norte do vulcão, ficou obstruído pelas cinzas e transbordou; suas
águas, normalmente a 6°C, foram localmente aquecidas atingindo 45°C por conta da
deposição do material vulcânico, resultando na mortandade de mais de 4 milhões de
peixes. Uma camada de cinzas com aproximadamente 5 cm de espessura foi
formada na cidade de San Carlos de Bariloche, a cerca de 100 km a sudoeste do
vulcão. A figura 2 mostra a dispersão das cinzas e a espessura dos depósitos em
território argentino deste evento.
22
Figura 2 - Mapa da dispersão das cinzas e espessura dos depósitos piroclásticos sobre a área continental. Fonte: LIMA et al., 2012.
A dispersão atmosférica das cinzas vulcânicas é governada pelo tipo e
magnitude da erupção, direção do vento, tamanho e densidade das partículas
(DUGGEN et al., 2009). Observações e modelos sugerem que parte das cinzas
expelidas na erupção do Puyehue-Cordón Caulle foi transportada para o oceano
Atlântico Sul pelos Ventos de Oeste. Este sistema de ventos, dominante no setor
setor latitudinal 35° à 65° sul, é intenso e presente durante todo o ano, tendo maior
frequência de calmarias no inverno, com média de 40 km h-1, e se intensificando
durante o verão, atingindo velocidades superiores a 100 km h-1 (GAIERO et al.,
2003). Sabe-se que, enquanto a fração grossa se deposita próximo à fonte, a fração
mais fina (menor que 1 µm) pode ser transportada em nível global até completar o
giro em torno da faixa latitudinal, depositando-se ao longo do percurso, podendo
atingir grandes áreas sobre o oceano. Segundo o Global Volcanism Program, antes
do dia 13 de Junho de 2011, 9 dias após o início da erupção, a pluma de cinzas
liberada já havia causado o cancelamento de vôos na África do Sul, na porção sul da
Austrália e na Nova Zelândia.
A fim de ilustrar a dispersão global de material vulcânico, podem ser citados
outros eventos eruptivos que ocorreram ao longo da história vulcanológica do
planeta como o do vulcão Pinatubo, nas Filipinas, em 1991 (Fig 3) e o do vulcão
Eyjafjallajökull, na Islândia, em 2010 (Fig 4).
23
Figura 3 - Composição satelital da dispersão da pluma de dióxido de enxofre do Pinatubo, após 9
dias do início da erupção de 1991. Fonte: GSFC / NASA (Goddard Space Flight Center / National Aeronautics and Space Administration).
Figura 4 - Imagem MODIS/Aqua (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer / Satélite Aqua) da pluma de cinzas da erupção do vulcão Eyjafjallajökull em 10 de maio de 2010. Fonte: GSFC / NASA (Goddard Space Flight Center / National Aeronautics and Space Administration).
24
A deposição de cinzas vulcânicas sobre o oceano pode alterar, através da
liberação de macro e micronutrientes quando sob forma biodisponível (FROGNER et
al., 2000), a comunidade planctônica e consequentemente toda a teia alimentar. A
biodisponibilidade é principalmente afetada pela concentração e forma química do
nutriente no meio e pela matriz alimentar específica, condição nutricional e
metabolismo dos indivíduos. Espécies fitoplanctônicas reagem de diferentes
maneiras a este aporte de material, logo, a mesma cinza vulcânica pode aumentar
ou diminuir taxas de crescimento, alterando a composição da comunidade, sua
produtividade e exportação de matéria orgânica (HOFFMANN et al., 2012). A
composição destas cinzas é bastante variável, mesmo em episódios eruptivos
distintos de um mesmo complexo vulcânico, e esta composição tem influência direta
sobre quais micronutrientes podem ser disponibilizados aos organismos.
Quanto aos efeitos negativos que podem estar associados a esta deposição,
além do fator físico de atenuação da irradiação solar sobre a coluna d’água, há que
se considerar os possíveis fatores bioquímicos. De acordo com Frogner e
colaboradores (2006), o efeito negativo sobre a produtividade e diversidade do
sistema biológico é devido à contaminação com níveis tóxicos de flúor, para o qual
contribui a complexação com outros elementos presente nas cinzas, o alumínio na
forma (AlFx+3−x), aumentando sua solubilidade. Contudo, na água do mar, devido ao
pH básico e a sua alta capacidade de tamponamento, formam-se preferencialmente
complexos hidroxi-alumínios (Al(OH)x+3−x) e o efeito positivo de disponibilização de
nutrientes ao sistema torna-se maior que o negativo de intoxicação da biota.
A exposição de material vulcânico ao ambiente marinho libera rapidamente
macro e micronutrientes relevantes ao fitoplâncton, incluindo P, Si, Fe e vários
outros metais-traço (DUGGEN et al., 2007, 2009). A produtividade, a densidade
celular e a estrutura trófica de toda a teia planctônica não é limitada por apenas um
micronutriente, contudo o ferro tem sido o micronutriente em destaque, uma vez que
diversos trabalhos demonstraram ser este um elemento limitante tanto em sistemas
oligotróficos como em regiões ricas em macronutrientes do Pacífico Norte, Pacífico
Equatorial e Oceano Austral (COALE et al., 1996, 2004). Em sistemas oligotróficos,
sua adição também estimula a fixação de nitrogênio (CAPONE et al., 2005).
O fornecimento de Fe para as águas superficiais do oceano pode
desempenhar um papel fundamental na regulação da produtividade do oceano,
concentração de CO2 atmosférica e consequentemente sobre o clima (MESKHIDZE
25
et al., 2007). A fertilização em larga escala, desencadeada pela deposição de cinzas
vulcânicas, pode ter efeitos a longo prazo, da ordem de milhares de anos, através de
mudanças na proporção de deposição de carbono inorgânico a orgânico associadas
a florações de diatomáceas (WATSON, 1997). Estes eventos de deposição podem
acarretar efeitos sobre o clima, uma vez que a resposta biogeoquímica tem potencial
para sequestrar CO2 da atmosfera para o oceano mais profundo.
A era satelital foi um passo fundamental para a observação dos impactos do
vulcanismo sobre o meio ambiente marinho, já que sensores em satélites fornecem
uma visão espacial ampla do impacto, não apenas através de imagens na banda do
visível, mas também a partir de dados de reflectância. Uma evidência da fertilização
oceânica a partir da deposição de cinzas vulcânicas foi detectada em agosto de
2008 na região sub-ártica do Pacífico Norte onde grandes florações planctônicas
estiveram associadas a atividade vulcânica nas Ilhas Aleutas, no Alaska (HAMME et
al., 2010). A Figura 5 mostra a evolução da pluma sobre o oceano e as detecções do
floramento na região correspondente. Este trabalho também evidenciou que apenas
um modesto volume de carbono foi exportado para o oceano durante o evento
(~0,01 Pg), indicando que dentro daquelas circunstâncias mesmo se tratando de
fertilização em grande escala com ferro, num período propício para o
desenvolvimento algal, o processo em si foi pouco eficiente no seqüestro de CO2
atmosférico.
26
Figura 5 - (a-d) Imagens MODIS para a média mensal de clorofila na superfície nos meses de agosto de 2005, 2006, 2007 e 2008; (e) série temporal da média mensal de clorofila dentro da caixa mostrada na Figura (f); (f) Zoom na imagem MODIS de clorofila para agosto de 2008 (Pacífico NE subártico), mesmo grid espacial das figuras (g) e (h); (g) composição das detecções satelitais de cinzas mais intensas da erupção do vulcão Kasatochi; (h) localização das partículas - de 0-10.000 m de altitude - obtida pelo modelo de dispersão para 12, 24, 48 e 72 horas após o início da erupção do Kasatochi. Fonte: Adaptado de HAMME et al., 2010.
27
O potencial incremento da taxa de produção primária de comunidades
planctônicas também é atribuído a adições de Cu aos sistemas, porém a causa
principal deste aumento é seu efeito tóxico sobre os ciliados do microzooplâncton,
reduzindo a pressão de herbivoria sobre o fitoplâncton, resultando num saldo
positivo de produtores (COALE, 1991). Outro elemento já sugerido como colimitante
ao desenvolvimento algal em algumas províncias oceânicas é o Mn, primeiramente
mencionado por Martin e colaboradores (1990) sem evidências diretas de sua
influência, mas recentemente reavaliado em bioensaios por Browning e
colaboradores (2014), confirmando sua participação positiva para os organismos. O
Mn é necessário para uma variedade de processos biológicos, inclusive como
cofator essencial e não-substituível do fotossistema II, complexo de reações de luz
da fotossíntese (MOREL et al., 2003). Manganês ocorre no oceano superficial numa
faixa de 0,1-25 nM Mn (SHILLER, 1997) e em concentrações mais baixas, 0,1-0,2
nM Mn, em maiores profundidades (STATHAM et al., 1998). Para as águas
superficiais do setor central da Passage de Drake, a concentração de Mn é
extremamente baixa, em torno de 0,1 nM (MIDDAG et al., 2012). O aporte
atmosférico de cinzas pode significar, nestas condições, uma variação relevante na
concentração do metal. Contudo, ainda que a adição de outros micronutrientes seja
relevante ao desenvolvimento do fitoplâncton, é sempre em conjunto com o Fe que
as alterações são sensíveis. É ele o micronutriente com maior poder limitador,
inclusive aumentando os requisitos celulares dos demais micronutrientes quando
está em pequenas concentrações no sistema (PEERS; PRICE, 2004; MIDDAG et al.,
2013).
O ferro é reconhecidamente um elemento bioativo e necessário ao
fitoplâncton em maior quantidade por unidade de carbono que os demais
micronutrientes (MOREL et al., 1991). Por bioatividade entende-se que o ferro
compõe diversas vias bioquímicas centrais da fisiologia celular: proteínas que
contem este elemento são essenciais para o transporte fotossintético e respiratório
de elétrons, estão diretamente envolvidas na redução de nitrato e nitrito, fixação de
N2, síntese de clorofila, e outras reações (Tabela 1; GEIDER; LA ROCHE, 1994).
28
Tabela 1 - Emprego do ferro no metabolismo vegetal
Catalisador Reação Citocromos Transferência fotossintética e respiratória de elétrons
Citocromo oxidase O2 + 4e- + 4H+ > 2H2O
Fe-superóxido dismutase O2 + 2H+ > H2O2 + O2
Catalase 2H2O2 > 2H2O + O2
Peroxidase R(OH)2 + H2O2 > RO2 + 2H2O
Ferredoxina e- a NADP+, NO3-, SO2-, N2, tioredoxina
Outros centros Fe-S Transferência fotossintética e respiratória de elétrons
Succinato de-hidrogenase FAD + succinato > fumarato + FADH2
Aconitase Isomerização do citrato a isocitrato
Coproporfinogênio oxidase Descarboxilação oxidativa da Mg-porfirina
Nitrato redutase NO3- + 2e- > NO2-
Nitrito redutase NO2- + 6e- + 3H+ > NH4+
Nitrogenase N2 + 8H+ > 2NH4+
Lipoxigenase Oxidação ácida de gordura, degradação carotenóide
Glutamato sintetase Glutamina + α-keto glutarato > 2 glutamato
Xantina oxidase Xantina + H2O + O2 > ácido úrico + O2-
Fonte: Adaptado de GEIDER; LA ROCHE, 1994.
Experimentos de incubação e adição de micronutrientes solúveis conduzidos
em microcosmo tiveram como resultado grande acúmulo de biomassa e remoção de
macronutrientes, principalmente nos tratamentos com adição de ferro, enquanto que
os demais nutrientes, individualmente, apresentaram efeitos de uma ordem de
grandeza menor (Fig. 6) (MARTIN et al., 1989; COALE, 1991).
29
Figura 6 - Evolução em função do tempo (dias) da concetração de clorofila em bioensaios com diferentes metais adicionados individualmente e no controle. Fonte: Adaptado de COALE, 1991.
O ferro, constituinte das cinzas sobretudo na forma oxidada Fe(III), é
transportado por massas de ar que, quando se depositam sobre o oceano, tem sua
fração mais grossa removida da coluna d’água superficial por deposição
gravitacional equanto que a fração mais fina pode permanecer na zona eufótica
complexada na forma de colóides (DUGGEN et al., 2009). Esta fração mais fina já
constitui um aumento do Fe total nas massas de água superficiais, contudo, apenas
o aporte de micronutrientes ao sistema oceânico não é suficiente para o
desenvolvimento de uma floração algal. Tornar este nutriente biodisponível aos
produtores primários é essencial neste contexto, uma vez que o Fe(III) é bastante
insolúvel na água do mar (LIU; MILLERO, 2002). Parte do Fe das cinzas já pode
estar sob a forma reduzida de Fe(II), proveniente de sais como FeCl2 ou FeF2
(DUGGEN et al., 2010) na superfície das partículas, e pode persistir assim por
muitas horas, antes da oxidação, em águas de temperaturas muito baixas como as
do Oceano Austral (~2°C para águas superficiais) (CROOT; LAAN, 2002).
A acidificação das cinzas ainda durante o transporte atmosférico, antes de
sua deposição no oceano, pode ser um meio de solubilizar a fração de minerais
insolúveis facilitando seu acesso para a comunidade biológica (MAHOWALD et al.,
2005). Erupções vulcânicas injetam vapor d’água (H2O), dióxido de carbono (CO2),
dióxido de enxofre (SO2), ácido clorídrico (HCl), ácido fluorídrico (HF) e cinzas na
30
atmosfera. HCl e HF são dissolvidos nas gotículas de água e depositados sob a
forma de chuva ácida, enquanto que SO2 é lentamente convertido a ácido sulfúrico
(H2SO4) (Fig 7). As partículas de cinzas podem adsorver estas gotículas de aerossol
e, quando as cinzas são depositadas sobre a superfície do oceano, a solubilização
de seus componentes altera a química da água (CRONIN et al., 1996).
Figura 7 - Diagrama da formação de componentes solúveis em partículas de cinzas. Fonte: Adaptado de JOHNSTON, 1997.
Tal mecanismo já foi descrito na literatura durante situações análogas
(MESKHIDZE et al., 2007). A variação da composição de tamanho das cinzas dada
a deposição gravitacional das maiores partículas durante o transporte eólico
(BAKER; JICKELLS, 2006) também pode ser uma causa da variação de sua
solubilidade. Os óxidos de Fe(III) podem ser dissolvidos em soluções ácidas e,
tratando-se de vulcanismo, em que gases de enxofre são constituintes de volume
significativo no material erupcionado, acredita-se que a atmosfera ácida gerada pela
própria erupção seja capaz de tornar este Fe biodisponível mesmo durante o
transporte atmosférico, pela incorporação de ácido sulfúrico à pluma de cinzas a
partir da oxidação de SO2 (Fig 8).
31
Figura 8 - (A) Imagem MODIS-Terra, que mostra a pluma de cinzas da erupção do complexo vulcânico Puyehue-Cordón Caulle, em Junho de 2011, na faixa do visível (true color), e (B) pluma de dióxido de enxofre correspondente detectada pelo IASI (Infrared Atmospheric Sounding Interferometer) do satélite MetOp-A.
O sistema oceânico local – Oceano Austral – é descrito como uma área HNLC
(High Nutrient, Low Chlorophyll), ou seja, durante todo o ano, a comunidade
fitoplanctônica encontrada ali tem concentração abaixo da esperada dada a alta
concentração de macronutrientes essenciais, como nitrato (NO3-) e fosfato (PO4
3-)
(Figuras 9A e 9B, respectivamente; BOYD et al., 2007). Em outras regiões do
oceano global, esses macronutrientes são prontamente consumidos pela produção
biológica (WATSON; LEFÈVRE, 1999).
Diferentes mecanismos limitantes na produção primária foram propostos para
explicar o relativo excesso de macronutrientes no Oceano Austral: a baixa irradiação
luminosa e térmica devido à alta latitude e camadas de mistura profundas
(MITCHELL et al. 1991); o controle dos produtores primários por herbívoros (FROST
1987, 1991); e a baixa concentração de micronutrientes essenciais (KLUNDER et al.
2011). Cada um destes fatores não regula a produtividade primária individualmente:
uma interação sinérgica entre limitações fisiológicas (fatores bottom-up) e interações
ecológicas (fatores top-down) é o que provavelmente controla a composição de
espécies e as taxas de crescimento em uma comunidade planctônica.
A B
32
Figura 9 - Concentração superficial (até 10 metros) anual média de (A) nitrato e (B) fosfato no oceano global. Altas concentrações, comparativamente às demais áreas, de ambos os macronutrientes podem ser observadas na região de estudo. Fonte: Adaptado de World Ocean Atlas, 2013.
O mecanismo de limitação por micronutrientes ocorre por a porção superficial
destas áreas apresentar baixas concentrações de metais como ferro (Fe), manganês
(Mn), zinco (Zn) e cobalto (Co), considerados co-fatores essenciais para o
desenvolvimento da vida (BRULAND et al., 1991). Muitas enzimas e proteínas
importantes para o metabolismo celular fitoplanctônico são dependentes destes
elementos (GEIDER; LA ROCHE, 1994), por isso, a biomassa algal permaneceria
33
em niveis baixos considerando-se apenas a disponibilidade dos macronutrientes. A
regulação por micronutrientes passou a ser reconhecida apenas na segunda metade
do século XX, quando métodos de medida mais acurados e precisos (BRULAND et
al., 1979) permitiram observar o contraste entre as concentrações de elementos em
zonas costeiras e oceânicas. O Fe, por exemplo, apresenta diferenças de
concentração de mais de setenta vezes entre as duas zonas: 0,16 nM em zonas
oceânicas e > 7 nM em zona costeiras (MARTIN et al., 1990, NOLTING et al., 1991).
Diferentemente do ferro, na região considerada neste estudo, Estreito de Drake,
outros metais-traço de importância biológica (Zn, Cu, Ni e Cd) parecem estar em
concentrações que excedem o requerimento fitoplanctônico (BRULAND et al., 1991;
BROWNING et al., 2014).
Em áreas limitadas pela baixa concentração de ferro, pequenas quantidades
deste metal adicionadas à superfície do oceano teriam um forte impacto na
produtividade primária e, consequentemente, no ciclo do Carbono (WATSON, 1997).
Experimentos de fertilização com ferro solúvel em micro (ex.: HELBLING et al.,
1991) e macrocosmos (ex.: BOYD et al., 2007) mostraram que mesmo um pequeno
aumento (~1 nM) nas concentrações ambientais no Oceano Austral podem levar o
sistema a um bloom fitoplanctônico, com exaustão dos macronutrientes. Muitos
autores defendem, inclusive, a hipótese de que a fertilização por Fe do oceano
superficial decorrente de erupções vulcânicas levou ao rebaixamento da
concentração atmosférica de CO2 na história recente da Terra (WATSON, 1997,
LANGMANN et al., 2010, OLGUN et al., 2011). O aumento da produtividade marinha
como resultado da fertilização por cinzas vulcânicas após a erupção do Pinatubo, em
1991, é uma das hipóteses propostas para explicar o rebaixamento dos níveis de
CO2 atmosférico detectado na época (WATSON, 1997).
Uma hipótese para a resposta de crescimento mediado pela fertilização é que
o desenvolvimento de espécies fitoplanctônicas de tamanho maior –
microfitoplâncton (20-200 µm) – é mais limitado por ferro (HUDSON; MOREL, 1990;
MOREL et al., 1991) e a disponibilização deste micronutriente removeria a condição
limitante, permitindo seu crescimento populacional. Os herbívoros dessas espécies
maiores estão naturalmente em baixas concentrações no ambiente e o atraso de
resposta ocasionaria o rápido acúmulo de biomassa que caracteriza um bloom
(IRIGOIEN et al., 2005). As células menores, com uma alta razão superfície/volume,
tem vantagem sobre as maiores em termos de assimilação de ferro, pois possuem
34
relativamente mais sítios de absorção de elementos dissolvidos (HUDSON; MOREL,
1993). Para o Fe isto é ainda mais determinante já que seus sítios de absorção são
específicos (HUDSON; MOREL, 1990). Logo, quando a concentração de ferro é
baixa, células pequenas, ou que tenham baixo requerimento de assimilação do
metal, conseguem se desenvolver com mais facilidade (SUNDA, 1988; HUDSON;
MOREL, 1993). O tamanho pequeno pode ser considerado como uma adaptação
para a baixa disponibilidade de nutrientes, uma vez que, dessa forma, a taxa de
absorção por difusão aumenta em relação ao requerimento de nutrientes (GEIDER;
LA ROCHE, 1994). Apesar de o tamanho pequeno aumentar a habilidade
competitiva na assimilação de nutrientes em ambientes de baixas concentrações
destes, ele também aumenta a susceptibilidade à predação pelo microzooplâncton
(RAVEN, 1986).
A condição de aporte externo de Fe levaria, portanto, a uma mudança gradual
na composição e tamanho da comunidade, geralmente para a dominância de
diatomáceas, como observado em diversos estudos (ex.: MARTIN et al., 1989;
COALE, 1991).
Em áreas de baixa disponibilidade de Fe dissolvido, os produtores primários,
cujo requerimento genotípico e fenotípico deste metal-traço é variável, possuem
duas estratégias principais para aumentar seu crescimento celular: aumentar o
número de sítios de transporte de ferro na superfície da célula, aumentando a
chance de captação de espécies raras de Fe, e diminuir a cota de ferro requisitada
por seu metabolismo (GEIDER; LA ROCHE, 1994). Ambas são teoricamente
empregadas pelo fitoplâncton em oceano aberto.
Um mecanismo possível para a assimilação de Fe é a captação de quelantes
que reagem com esse micronutriente, mantendo-o em solução (GOYNE;
CARPENTER, 1974; REID; BUTLER, 1991). Essas moléculas podem ser fruto da
decomposição orgânica ou secretadas pelo próprio plâncton, como a classe de
compostos conhecidos como sideróforos. Sideróforos são produzidos e consumidos
por bactérias e tem sua síntese regulada pela disponibilidade de Fe no ambiente
(REID; BUTLER, 1991). Apesar de a assimilação do complexo Fe-sideróforo não ser
possível diretamente por outros organismos devido à ausência de sistemas de
transporte específicos (GEIDER; LA ROCHE, 1994), a posterior fotólise destes
complexos resulta na redução do Fe(III) a Fe(II), tornando-o biodisponível também
para outros integrantes do plâncton (Fig 10; BARBEAU et al., 2001).
35
Figura 10 - Processos biogeoquímicos envolvendo o ferro de fonte vulcânica nos oceanos e os mecanismos de redução por formação de atmosfera ácida e de assimilação do micronutriente através da formação de complexos Fe-quelante orgânico. Fonte: Nature Education (adaptado de BARBEAU et al., 2001).
Os experimentos conduzidos por Scharek e colaboradores (1997) em regiões
HNLC Antárticas e não-Antárticas mostram que sobretudo diatomáceas respondem
ao enriquecimento por ferro. No estudo, o crescimento induzido foi lento por conta da
pouca quantidade de células de espécies que poderia responder à fertilização; ou
seja, a comunidade consistia principalmente de pequenos flagelados, adaptados à
condição de baixa concentração de ferro, que aparentemente não sofriam
deficiência deste metal-traço na ocasião.
O estudo conduzido por Langmann e colaboradores (2010) utilizando
sensoriamento remoto, metodologia semelhante a deste trabalho, para analisar o
evento euptivo do vulcão Kasatochi de Agosto de 2008 no Pacífico Nordeste, conclui
que, mesmo com um fluxo de cinzas pequeno, a erupção foi capaz de fertilizar a
superfície oceânica e causar um aumento da biomassa fitoplanctônica. Neste caso,
outras condições favoráveis também contribuiram para o resultado, como a pouca
profundidade da camada de mistura (20 - 40 m), restringindo o volume de água a ser
fertilizado e facilitando a reciclagem dos nutrientes permitindo que o bloom durasse
por várias semanas, a irradiação luminosa suficiente (Agosto – verão no Hemisfério
Norte) e a geografia da região oceânica, que retem a massa de água com o material
liberado pelo vulcão. .
36
2 OBJETIVOS
2.1 OBJETIVO GERAL
Inferir sobre o potencial de fertilização decorrente da deposição de cinzas vulcânicas
do evento eruptivo de 4 de Junho de 2011 do complexo andino Puyehue-Cordón
Caulle/Chile em águas do Atlântico Sul/Oceano Austral, a partir do uso de
sensoriamento remoto e de um experimento de microcosmo.
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Desenvolver, testar e implementar um aparato experimental destinado a
ensaios sobre fertilização oceânica;
Caracterizar as alterações da comunidade planctônica oceânica de superfície
em experimento de microcosmo fechado, com duração de 15 dias, como
resposta à injeção de cinzas vulcânicas.
37
3 JUSTIFICATIVA
A discussão sobre a fetilização dos oceanos se iniciou na década de 1960,
sendo um dos estudos mais relevantes o de Menzel e Ryther (1961), que
demonstraram o aumento das taxas de assimilação de 14C pelo fitoplâncton com a
adição de Fe aos sistemas biológicos. O tema ganhou mais destaque no final da
década de 1980 e ao longo dos anos 90 (MARTIN; FITZWATER, 1988; SUNDA,
1988; MARTIN et al., 1991; MOREL et al., 1991; SUNDA et al., 1991; COALE et al.,
1996; COALE et al., 1998; SCHAREK et al., 1997), contudo, em sua maioria, os
trabalhos relatam o resultado de experimentos com injeção artificial de
micronutrientes e, devido às elevadas quantidades de nutrientes adicionados,
tornou-se difícil concluir se, em uma condição natural de aporte de Fe, poderia haver
qualquer efeito na produtividade primária oceânica.
Atualmente, as evidências que suportam a hipótese de fertilização por cinzas
vulcânicas se baseiam em medições de metais traço liberados das cinzas (DUGGEN
et al., 2007; OLGUN et al., 2011, 2013; ACHTERBERG et al., 2013), detecção de
respostas fitoplanctônicas a adição de cinzas em experimentos de laboratório
(DUGGEN et al., 2007; HOFFMANN et al., 2012) ou observação de cenários de
bloom algal pós-eruptivos por meio de sensoriamento remoto (HAMME et al., 2010;
LANGMANN et al., 2010; LIN et al., 2011; ACHTERBERG et al., 2013). Contudo,
não é possível extrapolar o resultado de um evento eruptivo específico para um
outro, que ocorre sob condições climáticas e oceânicas distintas.
Como foi mostrado anteriormente, o estímulo da comunidade fitoplanctônica
pela deposição de cinzas vulcânicas, inserindo em zonas oceânicas quantidade
suficiente de micronutrientes para promover a produção biológica – com consumo de
macronutrientes e exportação de carbono orgânico para águas profundas – foi
observado em outras regiões do planeta e é possível que ocorra pontualmente nos
Oceanos Austral e Atlântico Sul durante erupções vulcânicas dos Andes.
A contribuição deste trabalho para o estado da arte do campo da fertilização
oceânica é incluir, para o hemisfério sul, a hipótese de fertilização decorrente de
eventos naturais, sendo analisado aqui o evento eruptivo do complexo vulcânico
Puyehue-Cordón Caulle.
38
4 MATERIAIS E MÉTODOS
4.1 ÁREA DE ESTUDO E PONTO DE COLETA
O ponto de coleta de água para incubação (59°00’S, 64°26’W) foi
estabelecido considerando uma rota já pré-estabelecida do Navio Polar Almirante
Maximiano durante a 5ª fase da Operação Antártica XXXII, realizada de Fevereiro à
Março de 2014. Este ponto, localizado em uma área HNLC sujeita à deposição de
cinzas de vulcões andinos transportadas por via eólica, foi definido com o intuito de
minimizar:
1. a influência de águas costeiras, ou de ressurgência em função do relevo
submarino, que poderiam misturar micronutrientes de outras fontes,
encobrindo o efeito causado apenas pelo material inserido nos tratamentos do
cultivo;
2. a diferença latitudinal entre a posição do navio no dia de coleta e durante a
realização do cultivo, mantendo semelhantes as condições de luminosidade e
temperatura a que o sistema fica exposto.
A geomorfologia do fundo oceânico do Estreito de Drake possui uma elevação
transversal, a Zona de Fratura de Shackleton (Fig. 11), que conduz a mistura vertical
de massas de água e o transporte de nutrientes para dentro do estreito,
posteriormente à fratura no sentido Pacífico-Atlântico (ZHOU et al., 2010; JIANG et
al., 2013). Esta mistura propicia o desenvolvimento algal e poderia mascarar os
resultados (HELBLING et al., 1991; HOPKINSON et al., 2007) do experimento
conduzido neste trabalho; portanto, propositadamente, o ponto de coleta fica a
Noroeste da elevação, numa região fora de sua influência.
39
Figura 11 - (a) Localização do ponto de coleta (59°00’S, 64°26’W) e fratura de Shackleton; (b) representação da passagem de massa d’’agua de fundo sobre a fratura de Shackleton. Fonte: Adaptado de Explorations Scripps Institution of Oceanography/UCSD.
Para a porção atlântica do Oceano Austral, a condição de profundas camadas
de mistura pode significar uma redução no efeito potencial do aporte de material
continental por via eólica, já que a diluição dos micronutrientes é muito maior
comparativamente a cenários que resultaram em fertilização estudados no
Hemisfério Norte (LIN et al., 2011).
40
4.2 ABORDAGEM POR SENSORIAMENTO REMOTO
4.2.1 DADOS DE PLATAFORMAS ORBITAIS
Nesta abordagem, o teste da hipótese de fertilização por cinzas vulcãnicas foi
feito por meio de ferramentas do sensoriamento remoto e algorítmos de dispersão
atmosférica. Foi utilizado o produto SMI (Standard Mapped Image) que são
representações matriciais das variáveis geofísicas de interesse em uma escala
uniforme no espaço (em graus) e tempo. Os dados foram obtidos pelo sensor
MODIS/Aqua e acessados através do portal OceanColor mantido pelo OBPG/NASA
(Ocean Biology Processing Group / NASA).
Os parâmetros Espessura Óptica de Aerossol (Aerosol Optical Thickness at
869 nm - AOT), Concentração de Clorofila-a (Chlorophyll-a Concentration – CHL-a) e
Temperatura da Superfície do Mar (Sea Surface Temperature – SST) foram
adquiridos em resolução temporal semanal (composição de 8 dias) e espacial de
9km no Equador. Todos os dados destes parâmetros são apresentados na categoria
Standard, ou seja, são aqueles amplamente calibrados e utilizados pela comunidade
científica internacional.
O AOT é o parâmetro que identifica a presença de aerossóis totais por meio
da alteração na transmissão óptica da atmosfera, devido às interações de absorção
e/ou difusão da radiação solar incidente. O aumento no fluxo atmosférico de
aerossóis após a erupção pode ser facilmente detectado pelo aumento no valor de
AOT. Este indicador também é influenciado pela emissão de poeira mineral –
originária, no caso, do semideserto da Patagônia – e pela presença de sal marinho
na atmosfera, componentes dominantes sazonalmente; porém, durante a erupção, o
grande número de partículas emitidas pelo vulcão foi o principal modulador do AOT.
A fim de estimar a biomassa algal foi utilizado o parâmetro Clorofila-a, CHL-a,
inferido por satélite. A concentração de clorofila-a é um indicador bioquímico de
biomassa fitoplanctônica em amostras ambientais (CULLEN et al., 1982)
simplesmente por ser compartilhada entre todos os produtores primários - como
componente central do mecanismo fotosintético (STEELE, 1962). A principal
desvantagem deste método é que o conteúdo celular de clorofila-a é muito variável
de acordo com a espécie e com as condições de disponibilidade de luz e nutrientes
41
(BOYER et al., 2009), não existindo uma relação única entre clorofila e biomassa.
Ainda assim, por ser um produto orbital de cor do oceano de fácil aquisição, este
parâmetro é o proxy mais utilizado para biomassa fitoplanctônica (HUOT et al.,
2007). Para que este dado seja um indicador confiável da alteração gerada pela
deposição de cinzas sobre a concentração de produtores primários é necessário
quantificar a condição padrão, ou seja, o patamar deste valor, para sermos capazes
de identificar variações a partir desta linha de base que podem ocorrem como
resultado da fertilização. Neste trabalho, esta linha de base, ou série histórica,
considerou 8 anos de dados, de 2002 à 2010.
A CHL-a é calculada através de um algoritmo que considera a razão entre as
bandas de radiação refletida recebidas por um sensor orbital nas faixas do azul (443
nm) e do verde (555 nm). Em oceano aberto, essa razão é essencialmente
governada pelo conteúdo fitoplanctônico e seu declínio indica maior concentração de
clorofila-a na superfície do oceano (CLAUSTRE et al., 2002); contudo, outros
materiais em suspensão, como as próprias partículas vulcânicas, podem causar
interferências equivalentes neste valor, e gerar o chamado “efeito artefato”, que
resulta em uma sobre-estimativa nos valores de clorofila (DUGGEN et al., 2007, LIN
et al., 2011). Este efeito é significativo em áreas oceânicas oligotróficas, onde a
concentração de clorofila é extremamente baixa (≤ 0,2 mg m-3) (CLAUSTRE et al.,
2002). Para a região deste estudo, acreditamos que o efeito artefato não se aplique,
uma vez que as médias históricas de CHL-a (1997-2010) estão entre 1 e 0,5 mg m-3
para as regiões costeira e oceânica, respectivamente (Fig 12).
42
Figura 12 - Média histórica (1997-2010) de Concentração de Clorofila-a estimada pelo SeaWiFS gerada a patir do banco de dados online Giovanni. Localização do complexo vulcânico (40°35’S, 72°07’W - triângulo vermelho) e do ponto de coleta (59°00’S, 64°26’W - círculo vermelho). Fonte: GES DISC / NASA (Goddard Earth Sciences Data and Information Services Center / NASA).
O parâmetro SST foi introduzido no estudo para averiguar o possível aporte
de nutrientes por águas de fundo mais frias e ricas – ressurgência oceânica – para a
alteração da biomassa fitoplanctônica. A ocorrência da ressurgência não exclui
efeitos da deposição atmosférica, entretanto dificulta a identificação unívoca do
evento. Pode haver um efeito sinérgico, contudo, se não há algum indício
consistente da ocorrência de processos de ressurgência, então a proposta de
fertilização por via atmosférica fica mais clara.
4.2.2 MODELO ATMOSFÉRICO DE DISPERSÃO DE PARTÍCULAS
Neste trabalho optamos em estabelecer uma região onde acreditamos haver
maior probabilidade de resposta da CHL-a em relação à ação do vulcanismo do
complexo vulcânico Puyehue-Cordón Caulle. Para tal foi empregado o modelo de
dispersão de gases e partículas HYSPLIT (HYbrid Single-Particle Lagrangian
Integrated Trajectory). Este modelo foi desenvolvido a partir de um esforço conjunto
entre a NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) e o Serviço de
Meteorologia da Austrália (Bureau of Meteorology), recebendo, continuamente,
aperfeiçoamentos de vários contribuintes. É um modelo híbrido no sentido de unir a
43
abordagem Lagrangiana, que utiliza um sistema de referência móvel para os
cálculos de difusão e advecção à medida que as parcelas de ar se deslocam do
local de origem, com a abordagem Euleriana, que utiliza um grid tridimensional fixo
para calcular a concentração de elementos no ar. O modelo emprega dados
meteorológicos existentes em escala regional ou global para calcular a advecção,
estabilidade e a subsequente dispersão. Segundo o portal Air Resources Laboratory
(ARL), ao nível nacional nos EUA, o modelo é aplicado às necessidades da indústria
da aviação e dos reguladores da qualidade do ar. Internacionalmente, a NOAA, a
Organização Meteorológica Mundial e a Agência Internacional de Energia Atômica
fornecem previsões do modelo de dispersão em casos de incidentes nucleares de
grande escala. Neste mesmo portal ARL, o modelo está disponível para uso público
(http://ready.arl.noaa.gov/HYSPLIT.php). Os dados meteorológicos empregados na
modelagem são os do Projeto de Reanálise NCEP/NCAR (National Centers for
Environmental Prediction / National Center for Atmospheric Research), um sistema
de assimilação de dados globais desde 1948 até o presente.
O modelo de emissão de cinzas vulcânicas simula a dispersão atmosférica de
partículas em uma linha vertical a partir da boca do vulcão à altura máxima atingida
pela pluma, usando os dados meteorológicos de direção e velocidade do vento em
diferentes camadas atmosféricas para calcular a posição e a concentração destas
partículas. Continuamente, à medida que a pluma se dilui e se dispersa pelas
diferentes camadas atmosféricas, o modelo remove parte da massa por deposição
gravimétrica e precipitação de chuva, baseado em sua distribuição de tamanho
aerodinâmico e na simulação dos processos físicos envolvidos.
Para gerar a pluma de deposição do evento eruptivo em questão, o modelo foi
rodado por 8 dias para uma emissão temporalmente contínua de material, utilizando
uma parametrização simples, na qual não há mudança de intensidade da taxa de
emissão nem de altitude atingida pela pluma e considerando tanto a deposição seca
quanto a úmida. No modelo de emissão vulcânica, as cinzas são compostas por
partículas com quatro diâmetros diferentes: 0,6 µm (1%), 2,0 µm (7%), 6,0 µm (25%)
e 20,0 µm (67%). Não há dúvida que uma das maiores incertezas nos modelos de
dispersão atmosférica de cinzas vulcânicas seja sua distribuição granulométrica a
partir de seu ponto de lançamento até sua deposição. Considerando o longo alcance
de tais plumas, há ao longo do caminho uma sistemática mudança no padrão
granulométrico. Um dos poucos dados a respeito foi obtido experimentalmente para
44
a erupção do vulcão Santa Helena, durante 8 horas após sua erupção em 18 de
Maio de 1980 (Fig 13). Assim, considerando-se a distância percorrida pela pluma
sobre o semi-deserto da Patagônia até atingir a borda continental, é razoável, numa
primeira aproximação, assumir uma moda grossa de corte para o material
particulado na ordem de 20,0 µm.
Figura 13 - Tamanho médio de micropartícula de cinza vulcânica depositada na superfície para a erupção do Monte Santa Helena. Fonte: Adaptado de SARNA-WOJCICKI et al., 1981; JOHNSTON, 1997.
A altitude máxima alcançada pelas cinzas foi de 104 metros, como divulgado
pelo Serviço Nacional de Geologia e Mineração do Governo do Chile
(SERNAGEOMIN N°28, 04 de Junho de 2011), porém apenas atingimos um
resultado visualmente verossímil para a pluma redefinindo a altitude máxima para
1,5 x 104 metros, como será mostrado no item Resultados, figura 23.
45
4.2.3 Processamento dos Bancos de Dados
Os dados de sensores orbitais foram processados pelo programa R, que é um
conjunto integrado de linguagem e ambiente para manipulação de dados, cálculo e
exibição gráfica. É um Projeto GPL (General Public License), disponível como
software livre, e foi desenvolvido nos Laboratórios Bell por John Chambers e
colaboradores. As séries temporais foram elaboradas extraindo-se as anomalias, ou
seja, a diferença entre os dados para o ano da erupção em questão, 2011, e os
dados da série histórica entre 2002 e 2010. Este procedimento minimiza o efeito
sazonal para a CHL-a e objetiva focar o efeito causado pelo vulcão.
A localização do evento vulcânico, a época do ano e a alta cobertura de
nuvens foram fatores limitantes neste trabalho. Em decorrência disto, houve pouca
quantidade de dados remotos na área de estudo, além de haver dados faltantes pela
própria presença de cinzas vulcânicas na atmosfera em todas as imagens
disponíveis. Parte significativa dos pixels sobre o oceano entre as latitudes 40°S e
55°S não recebem luz suficiente durante o inverno, período da erupção, para que o
ruído introduzido pela atmosfera seja removido de forma confiável dos dados,
resultando na ausência deles dado o critério de qualidade estabelecido pelo OBGP.
A presença de nuvens e a grande concentração de cinzas causam uma barreira
física para a radiação refletida pela superfície do oceano, reduzindo ainda mais o
número de pixels com dados. Mesmo nas margens da pluma de cinzas, quando a
coloração do oceano pode ser observada pelo sensor, o algoritmo de
processamento de dados exclui pixels com valores de AOT ou reflectância muito
elevados, em um esforço para evitar a contaminação dos dados.
Sob a condição na qual os dados ausentes ocorrem pela presença de
barreiras atmosféricas, a união de dados de outras plataformas orbitais que
observam o mesmo ponto em momentos diferentes pode ajudar a aumentar a
cobertura espacial, uma vez que a dinâmica da atmosfera altera a posição destas
barreiras. Para verificar esta possibilidade, dados produzidos pela Agência Espacial
Européia (ESA / HERMES), que são resultado da união das radiâncias superficiais
obtidas pelos sensores MERIS (ESA) e MODIS (NASA), foram analisados para o
evento eruptivo em questão. Em nossa avaliação, esta análise não resultou em
aumento na cobertura de dados, mostrando, na verdade, uma redução em algumas
46
semanas, provavelmente fruto de um diferente critério de qualidade exigido por esse
algoritmo.
4.3 EXPERIMENTO DE FERTILIZAÇÃO EM MICROCOSMO
4.3.1 Preparação dos Materiais
Devido a especificidades do estudo em bioensaio, com alto risco de contaminação
química por metais traço, a escolha dos materiais, sua preparação e assepsia foram
criteriosas e atenderam a técnicas padronizadas.
A descrição dos materiais empregados, bem como da sequência de assepsia para
aqueles que entrariam em contato com a água do mar coletada (*), segue individualmente
abaixo.
4.3.1.1 Materiais
Bombas
- Coleta: bomba de vácuo Edwards E2M2 (1x10-3 mbar);
- Amostragens (filtração): bomba de vácuo Air Cadet 7530-40, cabeça de
resina PTFE com espigões de polietileno;
- Fluxo de ar: bomba GAST DAA-V507-GD.
Tela de atenuação óptica da coluna d’água
- Material: Tule de nylon na cor preta.
Lastro
- Material: tubo de policloreto de vinila (PVC);
- Peso: 100kg;
Cabo de sustentação do lastro
- Material: cabo de aço revestido com policloreto de vinila (PVC);
Água
- O projeto transportou 300L de água (100L de água destilada e 200L de água
desmineralizada) para uso a bordo.
47
* Redes de filtração
- Material: poliamida PA
- Malha: 200 µm (mesozooplâncton – instaladas nos recipientes de coleta) e
10µm (para amostragem para microscopia de fitoplâncton)
- Fabricante: Limnotec
* Mangueiras (coleta, distribuição de água e fluxo de ar)
- Material: policloreto de vinila (PVC) atóxico;
- Ventiladas com ar filtrado (0,2µm) para secagem e retirada de materiais
voláteis residuais.
* Peças acessórias (conectores, espigões, torneiras de amostragem, mangueiras de
teflon, válvulas three-way e mangueiras de silicone para injeção de cinzas)
- Materiais diversos: PVC, teflon e policarbonato;
- Autoclavagem – para remoção de materiais passíveis de solubilização
(materiais voláteis residuais, pigmentos do plástico, ...);
* Recipientes (unidades experimentais)
- Material: polimetil-metacrilato PMMA (acrílico);
- Capacidade: 20 litros;
- Vedação: anel de polidimetilsiloxano PDMS (silicone);
4.3.1.2 Etapas da Assepsia
Lavagem em Extran neutro (Merck) e molho em solução 2% deste por sete
dias;
Enxague cinco vezes com água do sistema RiOs-Milipore de qualidade equivalente
à água destilada;
Banho em ácido clorídrico 6 N, bidestilado em quartzo (150mL), cedido pelo
Prof. Dr. Claudio Valeriano, do Laboratório de Geocronologia e Isótopos
Radiogênicos (LaGIR/UERJ);
Agitação por 20 minutos para garantir o contato com toda a superfície interna
em três etapas com intervalos de 24h (permanência em molho ácido no
intervalo);
Enxague três vezes com água Mili-Q;
48
Secagem no interior de uma Câmara de Fluxo Laminar classe 100 (Pachane,
PA320);
Irradiação com luz UV por 20 minutos para redução do risco de contaminação
biológica;
Passo final da assepsia: primeiros cinco litros de água do mar coletados em
cada recipiente de cultivo são desprezados pós agitação – com a finalidade
de equilibrar quimicamente as paredes internas, reduzindo o risco de
adsorção dos metais presentes nas cinzas. A passagem deste volume de
água também deve promover o equilíbrio químico das mangueiras;
Observação: toda a manipulação de materiais durante sua preparação e assepsia e
toda a retirada de amostras foram feitas com luvas de polivinil sem talco.
4.3.2 Configuração do Experimento
4.3.2.1 Logística de Coleta
A campanha de campo foi realizada a bordo do Navio Polar Almirante
Maximiano entre Fevereiro e Março de 2014, na 5ª fase da OPERANTAR XXXII,
com coleta de água na Passagem de Drake realizada durante a travessia América
do Sul – Antártica.
A localização da estação de coleta feita no dia 06 de Fevereiro de 2014 foi
59°00’S, 064°26’W; isto é, águas do Drake Centro a oeste da Zona de Fratura de
Shackleton, evitando a influência de águas mais costeiras ou de ressurgência
orográfica e garantindo as condições químicas e biológicas de interesse ao projeto.
A coleta de água foi iniciada às 06:30 am e finalizada às 12:00 pm.
O sistema (Fig 14) utilizado pelo projeto envolve muitos componentes
sensíveis à contaminação química do navio, sendo assim, todo o aparato
experimental foi montado em um sistema inline de forma a tornar mínima a
contaminação da água do mar no deslocamento da profunidade de coleta até a
unidade experimental de cultivo.
49
Figura 14 - Esquema dos componentes do sistema de coleta.
Uma bomba Edwards E2M2 succiona a água do mar lentamente – para que o
estresse mecânico sobre os organismos planctônicos seja evitado – através da
criação de vácuo nos recipientes de cultivo, distribuidor de água, recipientes de
coleta e mangueiras de coleta, em sequência. A profundidade escolhida para a
coleta foi de 15 metros e a extremidade da mangueira foi mantida nesta posição por
um lastro de concreto totalmente revestido em PVC de 100 kg. O lastro fica
suspenso por um cabo de aço também revestido por PVC, conduzido por patescas
que facilitam o controle de sua movimentação vertical. Com o intuito de evitar a
coleta de águas superficiais, mais influenciadas pela própria presença do navio
(estrutura e exaustão), a submersão das mangueiras de coleta acopladas ao lastro
foi feita com o bombeamento de ar filtrado (bomba de ar GAST com filtro de
policarbonato Milipore 0,2 µm) pela mangueira, criando uma pressão positiva e
evitando a entrada de água até atingir a profunidade desejada. A diagramação do
sistema de coleta a bordo do NPo Alte Maximiano é mostrada na figura 15.
50
Figura 15 - Distribuição do sistema de coleta a bordo do NPo Alte Maximiano. Unidades experimentais são preenchidas com água coletada pela mangueira de sucção, mantida na profundidade desejada por um lastro de concreto revestido por PVC.
Os dois recipientes de coleta foram montados com uma rede de poliamida com
malha de 200 µm para que os organismos maiores, grandes consumidores,
captados na coleta de água não entrassem no sistema. A água dos recipientes de
coleta foi passada ao distribuidor de água que, por sua vez, encaminha o fluxo
simultaneamente a cada um dos 12 recipientes de cultivo, sendo descartado o
primeiro volume (5 L) para permitir o equilíbrio químico entre as paredes internas das
mangueiras e recipientes com a água do mar. Desta forma, garante-se a
homogeneidade química e biológica da água em todas as unidades experimentais,
mesmo com o longo tempo de coleta, determinado pela baixa vazão da bomba de
vácuo. O procedimento tem duração aproximada de 5 a 6 horas. Enquanto a coleta
é realizada, também é conduzida a amostragem dos parâmetros iniciais.
Entre o distribuidor de água e cada recipiente de cultivo, nas mangueiras de
distribuição, foram instalados aparatos para a inserção de cinzas compostos por
duas válvula three-way e uma mangueira de silicone (Fig 16). O volume de cinzas a
ser inserido no tratamento fica armazenado na mangueira de silicone e só é injetado
51
no recipiente após o descarte do primeiro volume de água, utilizado para equilibrar
bioquimicamente suas paredes internas. As válvulas three-way permitem controlar o
caminho do fluxo de água.
Figura 16 - Detalhe do aparato de inserção de cinzas em cada unidade de cultivo (válvulas three-way).
4.3.2.2 Amostra de Cinzas Vulcânicas
No sentido de se avaliar a composição química – presença de micronutrientes
– das amostras de cinzas da erupção de Junho de 2011 do complexo vulcânico
Puyhue-Cordón Caulle, foi obtida uma amostra do mesmo por meio de uma
cooperação internacional com o Prof° Dr. Diego Gaiero da Universidade de Córdoba,
Argentina. A coleta da amostra foi feita a partir de um amostrador passivo de poeira,
ou seja, amostragem por processo gravitacional. A amostra cedida havia sido
apenas processada fisicamente, por moagem e peneiramento, de forma que a
informação de granulometria original do local de coleta não pode ser inferida e
incluida no modelo de dispersão.
52
4.3.2.2.1 Espectrometria de Fluorescência de Raios-X (FRX)
Para a determinação das concentrações dos elementos que estão presentes
na amostra de forma geral, em porcentagem de massa, foi realizada uma análise por
Espectrometria de Fluorescência de Raios-X (FRX) no Laboratório de Análises e
Qualidade do Ar da Universidade Federal do Paraná (UFPR) em parceria com Prof.
Dr. Ricardo Godoi.
A Fluorescência de Raios-X é uma técnica analítica utilizada para determinar
os principais constituintes minerais presentes em uma amostra. Para materiais
secos, é depositada sobre um suporte uma fina película e faz-se incidir sobre ela
raios-X para excitar os átomos. Estes, por sua vez, emitem radiação com energias
características de cada elemento. Um detector mede as energias e intensidades da
radiação emitida pelos átomos e deduz quais elementos, previamente catalogados,
estão presentes e quais suas concentrações. Através de processamento
computacional, obtem-se o espectro de composição da amostra.
4.3.2.2.2 Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e Espectroscopia de
Energia Dispersiva (EDS)
A determinação semiquantitativa da composição elementar da amostra de
cinzas foi realizada em um sistema MEV-EDS, modelo Hitachi/TM-3000 - Oxford
Instruments/Swift ED, com o auxílio da Profa Dra Cátia Fernandes Barbosa do
Departamento de Geoquímica da Universidade Federal Fluminense. O equipamento
reconhece a morfologia das micropartículas e a composição química relativa. A
técnica empregada para montagem do plugue com a amostra não-metalizada de
cinzas foi “smear slide”, ou “esfregaço” na tradução literal, e a velocidade do feixe de
elétrons foi definida em 15 kV, que permite imagens de alta resolução topográfica. O
sistema de vácuo do equipamento utiliza uma bomba turbomolecular de vazão 30 L
s-1 e uma bomba de diafragma de vazão 1 m3 h-1. Esta é uma análise pontual para a
inferência sobre a composição de cada partícula específica.
53
4.3.2.2.3 Difração de Raios-X (DRX)
A análise por DRX foi conduzida no Laboratório de Difração de Raios-X do
Instituto de Física da Universidade Federal Fluminense (LDRXuff®) em um
Difratômetro BRUKER-08 com condições de geometria Bragg-Brentano, fendas de
1º - 0,2º e monocromador com varredura entre 2º e 70º, com intervalo de 0,05º e
tempo de leitura de 0,2 s.
A identificação dos minerais existentes na amostra de cinzas vulcânicas
ocorreu através da comparação dos valores de 2θ encontrados com aqueles citados
na literatura (BRINDLEY; BROWN, 1980). A análise permite observar como é a
estrutura mineralógica dos componentes da amostra, ou seja, como estão ligados.
Isto é importante uma vez que indica as formas a que os organismos tem acesso
aos nutrientes presentes nas cinzas vulcânicas, podendo-se inferir sobre sua
biodisponibilidade.
Todo o processo de análise e interpretação dos dados foi feito com o auxílio
da Profa Dra Carla Semiramis do Departamento de Geoquímica da Universidade
Federal Fluminense.
4.3.2.3 Massa de Cinzas Adicionada por Tratamento no Bioensaio
A massa de cinzas inserida nas unidades experimentais foi calculada a partir
da densidade média do tipo de partícula expelida na erupção, da profunidade da
camada de mistura local e da espessura da camada de cinzas depositada sobre o
oceano.
A densidade média do tipo de partícula expelida na erupção foi obtida da
literatura (SHIPLEY; SARNA-WOJCICKI, 1982), e é mostrada na Tabela 2.
54
Tabela 2 - Densidade média das partículas de cinzas
TIPO DE PARTÍCULA DE CINZAS
DENSIDADE
Partículas vítreas (glass shards) 2350 – 2450 kg m-3
Cristais e minerais 2700 – 3300 kg m-3
Outros fragmentos de rocha 2600 – 3200 kg m-3
Fonte: Adaptado de SHIPLEY; SARNA-WOJCICKI, 1982.
A camada de mistura na porção atlântica do Oceano Austral tem profundidade
média variando de 50 m nos meses de verão a 150 m nos de inverno, como pode
ser observado no mapa de média mensal (Fig. 17) adaptado de De Boyer Montégut
e colaboradores (2004). Como a quantidade de unidades experimentais é limitada, a
profundidade média de 100 m foi a empregada para o cálculo da massa a ser
adicionada em cada tratamento.
Figura 17 - Média histórica mensal da Profundidade da Camada de Mistura, em metros, para o Hemisfério Sul no mês da erupção (Junho – Inverno), e seis meses depois (Dezembro – Verão). Fonte: Adaptado de DE BOYER MONTÉGUT et al., 2004.
A estimativa da espessura da camada de cinzas depositada sobre o oceano
foi obtida através do modelo de dispersão e deposição online HYSPLIT. Este modelo
considera a altitude alcançada pela pluma, a duração da erupção, a informação de
densidade média das partículas e dados de vento do projeto de Reanálise
55
NCEP/NCAR para o período, os mesmos utilizados para a abordagem de
sensoriamento remoto. O resultado da pluma integrada de deposição é apresentado
na figura 18.
Figura 18 - Pluma integrada de deposição de material obtida com o modelo de dispersão e deposição online HYSPLIT. Fonte: Air Resources Laboratory, NOAA's Office of Atmospheric Research.
Os resultados para a concentração das cinzas depositadas no oceano são
mostrados na Tabela 3.
Tabela 3 - Concentração das cinzas depositadas no oceano em função do aporte de cinzas por área e da profundidade da camada de mistura
CONCENTRAÇÃO DAS CINZAS DEPOSITADAS NO OCEANO APORTE DE CINZAS
1.000 mg m-2 10.000 mg m-2 100.000 mg m-2
CAMADA DE MISTURA
DE 100 m
(Ver cálculos no ANEXO I)
O volume de água do mar a ser inserido em cada unidade experimental é de
20 L; assim sendo, a massa de cinzas para este volume é de 200 µg, 2.000 µg e
20.000 µg, respectivamente, variando em uma ordem de grandeza, de acordo com o
aporte de cinzas modelado. Portanto, para cada tréplica do controle e de cada um
56
dos três diferentes tratamentos, serão utilizadas as letras “A”, “B”, “C” e “D”,
seguindo a ordem crescente de massa de cinzas acrescentada em cada caso (Fig
19).
A: Controle = Sem adição de cinzas (0 µg);
B: Baixa quantidade de cinzas (200 µg);
C: Média quantidade de cinzas (2000 µg);
D: Alta quantidade de cinzas (20000 µg);
Figura 19 - Representação dos volumes de cinzas vulcânicas inseridos por tréplica de cada tratamento em cada unidade experimental.
4.3.2.4 Local de Instalação do Sistema
Após a coleta, o sistema de pesquisa é instalado no convés externo do navio
(Fig 20) para o período de cultivo, permitindo que fique exposto às condições
naturais de iluminação – ciclo diário de luz, irradiância, espectro de radiação – e
receba circulação de água do mar para controle de temperatura das unidades
experimentais.
Figura 20 - Fixação dos nichos metálicos na proa do segundo convés. Internamente aos nichos são armadas piscinas onde é circulada água sub-superficial. Recipientes de cultivo são mantidos nos
57
nichos metálicos, parcialmente submersos na água de circulação e cobertos por uma manta de atenuação de luz.
4.3.2.5 Controle de Luminosidade
Para tornar a condição de iluminação do sistema de cultivo compatível com a
recebida na coluna d’água na profundidade de coleta, este, além de ter o próprio
acrílico das paredes e tampa dos recipientes (8 mm), foi protegido por uma tela de
nylon de malha grossa na cor preta, e o conjunto atenua a irradiação solar em
aproximadamente 70%. Este cuidado foi tomado uma vez que os organismos
fotoautotróficos são o principal objeto deste estudo.
O cálculo da atenuação óptica foi descrito por Lima (2013, p. 43) e baseado
no modelo bioóptico desenvolvido por Baker e Smith (1982), que considera como
atenuação total a razão entre a irradiância na profundidade em questão e a
irradiância imediatamente abaixo da interface ar-água e a descreve em função do
comprimento da onda incidente, da concentração de clorofila e de matéria orgânica
dissolvida na coluna d’água. A média para a atenuação óptica da Radiação
Fotossinteticamente Ativa (PAR) foi de 71,7% para a profundidade de 10 metros (Fig
21).
Figura 21 - Atenuação óptica na coluna d’água (KT) em função do comprimento de onda (λ), da concentração de clorofila ([Chl-a]) e da concentração de matéria orgânica dissolvida ([DOM]). (A) Atenuação por comprimento de onda (nm); e (B) Atenuação para a PAR por profundidade. Fonte: LIMA, 2013.
58
As medições da atenuação óptica dos materiais empregados, acrílico e tela,
foram conduzidas com um radiômetro confeccionado e calibrado pelo Prof. Nelson
Veissid do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), sob iluminação natural,
em ângulo perpendicular ao sol.
Toda a manipulação nas unidades experimentais, incluindo a retirada de
amostras, ocorreu no período noturno, evitando expor o sistema a condições de
elevada iluminação.
4.3.2.6 Controle de Temperatura
A fim de controlar variações bruscas de temperatura nos cultivos devido à
variação na temperatura do ar e, principalmente, para evitar seu congelamento,
água do mar subsuperficial foi mantida em circulação constante pelo exterior dos
recipientes. A água de circulação foi provida pela Bomba de Incêndio (BInc) do navio
e mantida em operação ininterrupta durante os 15 dias do experimento.
O sistema funcionou adequadamente, mantendo a temperatura externa entre
2 e 3°C, em geral, cerca de 3°C mais aquecida que a água do mar, conforme
observado pelo termossalinógrafo do navio, instalado a aproximadamente 7 metros
abaixo da superfície.
4.3.2.7 Aeração Positiva das Unidades Experimentais
Foi programado o bombeamento de ar filtrado (bomba de ar GAST com filtro
de policarbonato Milipore 0,2 µm) para as unidades experimentais visando a aeração
e a circulação interna de água no sistema, porém, devido a dificuldades com a baixa
temperatura do ar (podendo causar congelamento nos cultivos, como foi observado
durante a rodada piloto) e com a distribuição de ar entre as unidades, o
bombeamento não foi utilizado. Assim sendo, a aeração do sistema se deu de forma
passiva, apenas com a mangueira de troca de ar entre os recipientes e o ar externo
sendo acoplada a um holder com filtro de policarbonato Milipore 0,2 µm.
59
4.3.2.8 Logística de Amostragem
Todas as amostragens, programadas a cada três dias de cultivo, ocorreram
após o por do sol para evitar a exposição do sistema a condições de elevada
iluminação (Tab. 4). O procedimento de retirada das amostras dura em torno de 2
horas do lado externo, sendo no total entre 6 e 8 horas de manipulação no
laboratório.
Para as análises não realizadas a bordo, as amostras foram armazenadas
adequadamente fixadas e refrigeradas até o laboratório, no Rio de Janeiro.
Tabela 4 - Volumes coletados para cada amostra ao longo do cultivo
AMOSTRA
DIAS DE CULTIVO / VOLUME EM LITROS
0 (Coleta)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Espectrofotometria (Pigmentos –
Clorofila a, b, c) 3
2
2
1
1
1
Microscopia (Densidade
Fitoplanctônica) 1
1
1
4.3.2.9 Técnicas de Análise
4.3.2.9.1 Concentração de Clorofila
O parâmentro concentração de clorofila foi utilizado para estimar
indiretamente a variação de biomassa fitoplanctônica para acompanhamento ainda a
bordo da evolução do experimento. Apesar de não existir uma relação direta entre
concentração de clorofila-a e biomassa, este é um parâmetro comumente
empregado em estimativas indiretas de conteúdo fitoplanctônico de amostras de
água (ex.: BONNET et al., 2005). Espera-se que as variações destes parâmetros
sejam proporcionais em condições aproximadamente constantes (ex.: ANNING et
al., 2001).
Cada volume amostrado das unidades experimentais é filtrado em filtros de
fibra de vidro com porosidade de 0,7 µm (Millipore, GF/F) sob pressão de 6 pol Hg
gerada por uma bomba de vácuo (Air Cadet). Os filtros são, então, colocados em
60
extração por 24 h em 15 mL da solução de extração. Esta solução consiste em
Etanol 100% grau PA adicionado de pequena quantidade de carbonato de
magnésio, suficiente para atingir saturação; a mistura tem como objetivo manter o
pH neutro, evitando a formação de feofitina e outros produtos de alomerização da
clorofila durante a extração.
Seguindo o método tricromático publicado por Ritchie (2008), uma alíquota de
aproximadamente 2 mL da solução é transferida para uma cubeta de quartzo para
determinação de concentração de clorofila por espectrofotometria. Esta análise foi
conduzida em campo – a bordo do NPo Alte Maximiano – em um Espectrofotômetro
Femto 700 Plus.
4.3.2.9.2 Abundância e composição fitoplanctônica
As amostragens para diagnóstico da evolução da abundância e da
composição em grandes grupos dos produtores primários foram feitas no momento
da coleta (condição inicial), no 6º (condição intermediária) e no 12º (condição final)
dias de experimento. Foram retirados volumes de 1 L, sendo as amostras
concentradas a 100mL em rede de nylon com mecha de 10 µm, fixadas com 2 mL
de lugol e armazenadas em garrafas plásticas âmbar até sua análise.
No momento da análise, as garrafas foram homogeneizadas para tornar
possível retirar uma alíquota com uma distribuição aleatória que representasse o
interior do recipiente. Então, um volume de 50 mL foi transferido para uma câmara
de Utermöhl, onde permaneceu em sedimentação por duas horas antes da
contagem e identificação em microscópio invertido (BEL, NB-100). Estas análises
foram conduzidas no Laboratório de Fitoplâncton da UERJ pela técnica Domênica
Lima, sob supervisão da Profa Dra Gleyci Moser.
61
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO
5.1 ABORDAGEM POR SENSORIAMENTO REMOTO
Houve várias tentativas de tratamento de dados satelitais durante o processo
de criação deste trabalho. Inicialmente, a área definida para a análise dos dados foi
limitada por um retângulo sobre o Atlântico Sul nas coordenadas 25ºS-45ºS e 30ºW-
55ºW. Sobre ele foram utilizados os dados diários do sensor MODIS-Aqua para criar
as séries temporais dos parâmetros AOT e CHL-a. Foram trabalhados os dados de
2002 até 2010 para a montagem de uma série temporal robusta.
Devido à baixa representatividade espacial conseguida com dados diários
principalmente em decorrência da alta cobertura de nuvens na região, foram
montadas, a partir deles, composições de 3 dias com os valores de cada parâmetro.
O portal Ocean Color disponibiliza estas composições, mas não aquelas mais
antigas que dois anos. Isto impossibilitou o uso direto desta informação. Além disso,
estes dados não são reprocessados após seu período de maturação como os dados
diários: com os diários, um algorítmo Near Real Time (NRT) disponibiliza no dia
seguinte os dados do dia anterior e após aproximadamente 10 dias – período ao
qual nos referimos como maturação – eles são substituídos por dados produzidos
por outro algorítmo, que utiliza, por sua vez, dados de outros sensores para uma
melhor correção da atmosfera. As composições de 3 dias permaneciam com o
problema de dados faltantes, portanto, as composições de 8 dias passaram a ser
empregadas.
Posteriormente, no sentido de tornar a análise mais realística e adotando-se a
premissa de que se espera uma maior resposta de CHL-a ao longo do caminho
percorrido pela pluma, já que ao assumir um área de estudo retangular introduz-se
áreas não necessariamente afetadas pela pluma, definimos como nova área de
interesse a área oceânica imediatamente abaixo da pluma de dispersão vulcânica
definida pelo HYSPLIT. A nova área de estudo foi modelada como pluma de
dispersão de gases e partículas na atmosfera, considerando 20 dias de emissão
contínua de material vulcânico.
Como a semelhança entre a nova área definida por modelagem e as imagens
satelitais disponíveis da pluma real ainda não era satisfatória, aprofundando o
estudo sobre o modelo HYSPLIT, a abordagem foi novamente alterada. Buscamos
62
algo ainda mais realista, ou seja, definimos como área de estudo a área oceânica
que compreende a deposição das cinzas vulcânicas, visto que nem todo o material
particulado presente na pluma atmosférica deposita-se sobre o oceano. A deposição
é um processo complexo que depende das condições atmosféricas, das
propriedades do material particulado e da interação com o borrifo marinho. Ela pode
ocorrer por via seca ou úmida, e o modelo considera ambas as possibilidades em
seus cálculos. A pluma final de deposição está apresentada na figura 22.
Figura 22 - Pluma de deposição seca e úmida: resultado consolidado do modelo para o desenvolvimento da pluma de cinzas vulcânicas até 8 dias após o início da erupção.
Como não é possível validar a deposição modelada sobre o oceano, a
estratégia empregada foi avaliar se a concentração atmosférica modelada é similar a
observada por sensoriamento remoto. Para esta comparação foram usados dados
de Aerosol Índex (AI) observado pelo sensor OMI a bordo do satélite AURA
(TORRES et al., 2007), um índice de presença de aerossóis com alta capacidade de
absorção na faixa do ultravioloeta, como as cinzas vulcânicas e a poeira mineral. O
AI, no entanto, não é uma medida de concentração, uma vez que a intensidade do
sinal depende da altura da camada de aerossóis (HERMAN et al., 1997). A
comparação, portanto, foi realizada entre a máscara de concentração modelada e os
dados de AI. Como pode ser visto na figura 23, existe boa semelhança entre a
máscara do modelo de concentração e os dados de AI.
63
Figura 23 - Pluma de concentração atmosférica acumulada modelada (esquerda) e composição das imagens de satélite dos dias correspondentes montada pela NASA com dados OMI/AURA (direita) para os primeiros seis dias de erupção.
As séries temporais obtidas com os dados semanais dentro da área definida
pela pluma de deposição de cinzas (Fig 24) mostram, como esperado, um aumento
claro na Espessura Óptica de Aerossol, resultado do grande aporte de material
vulcânico em suspensão na atmosfera. É possível perceber picos menores de AOT,
mas ainda acima da série histórica, com maior frequência de ocorrência, que podem
ser atribuídos à persistência da emissão de cinzas. O complexo vulcânico Puyehue-
Cordón Caulle ainda apresentava atividade até Abril de 2012, segundo o último
informe do SERNAGEOMIN.
A curva de SST (Fig 24B) mostra que houve valores anômalos negativos de
temperatura entre a 25ª e a 35ª semanas de 2011 que poderiam indicar um
fenômeno de ressurgência oceânica, porém a resposta biológica observada nas
curvas de CHL-a é muito defasada em escala temporal e ocorre em meio à transição
da anomalia de SST de negativa para positiva. A anomalia negativa de SST parece
ter formação cumulativa do período pós-erupção até o início do verão, ao que
atribuímos três hipóteses possíveis: a ocorrência de um sinal oceânico genuíno de
ressurgência, um ruído no sinal satelital de SST devido à interferência das cinzas
vulcânicas e/ou o resultado da atenuação óptica da atmosfera, ou seja, a diminuição
da radiação incidente no oceano gerando uma diminuição de sua temperatura
superficial.
64
O pico de Concentração de Clorofila-a logo após a erupção só é perceptível
na série temporal empregando o cálculo de média aritmética (Fig 24C) e não na de
média geométrica (Fig 24D). Com os dados na forma de imagens georreferenciada é
possível notar que a resposta principal ocorre junto à costa, o que esclarece a
questão: a média aritmética é bastante influenciada por valores extremos, por isso o
sinal costeiro tem grande participação no valor final; já a média geométrica equilibra
melhor os valores do conjunto. Contudo, em ambas as séries, com média aritimética
e geométrica, é bastante claro o pico muito além da série histórica na 38ª semana do
calendário juliano.
Figura 24 - Série histórica (linhas vermelhas) com barras de duas vezes o erro padrão (2EP) e valores para o ano de 2011 (linhas pretas) para Espessura Óptica de Aerossol (AOT) (A), Temperatura da Superfície do Mar (SST) (B) e Concentração de Clorofila-a (CHL-a) com cálculo por média aritmética (C) e por média geométrica (D). Os dados semanais são composições de 8 dias, portanto, o início do evento eruptivo, indicado pela linha vertical azul, ocorre ao final da 20
a semana
do calendário juliano.
65
O sinal costeiro de CHL-a, coincidente com a pluma do Rio da Prata (Fig 25),
pode ter sido gerado por uma interferência no sinal orbital deste parâmetro causada
pelo grande volume de cinzas presente em seu leito. É um efeito equivalente ao
efeito artefato, porém aplicável a áreas em que há grandes quantidades de material
em suspensão, chamadas Águas Tipo II (MOREL; PRIEUR, 1977), em que o cálculo
para a CHL-a é feito a partir de um algoritmo específico. Outra hipótese, menos
provavél, é a de ocorrência de uma fertilização genuína nesta área, porém, com as
ferramentas disponíveis neste trabalho, não é possível inferir qual das duas
possibilidades de fato ocorre ou se ambas acontecem simultaneamente.
Figura 25 - Imagens produzidas a partir de dados do sensor MODIS/Aqua das anomalias de CHL-a calculadas para as duas primeiras quinzenas pós-erupção.
Um mecanismo possível para a ocorrência do pico de CHL-a na 38ª semana é
a ressuspensão de material vulcânico depositado sobre o continente (Fig 26) que,
com o início da temporada de ventos de maior intensidade sobre a Patagônia
correspondente ao período de Primavera/Verão no Hemisfério Sul, pode ser
novamente disponibilizado à atmosfera. Não foi possível desenvolver uma área de
deposição para a poeira ressuspendida do continente, contudo, os dados
climatológicos dos ventos na região da Patagônia sugerem que esses materiais
tenham sido direcionados para aproximadamente a mesma área de influência direta
da erupção. A figura 27A mostra a série histórica (1948-2011) do ângulo médio do
vento sobre a Patagônia tendo o Norte como referência (0°) e a figura 27B mostra a
série histórica da velocidade média do vento sobre a mesma região. Em conjunto, as
66
figuras mostram que no verão (Dezembro), os ventos ficam mais intensos e em
ângulo reto, soprando diretamente sobre a área analisada para o período de
deposição durante a erupção (Junho). As médias latitudinal e longitudinal de vento
para o período específico de Setembro a Dezembro do ano da erupção (Fig 28A e
28B) confirmam a direção e sentido do transporte eólico do continente para a porção
sul do oceano Atlântico. Assim, o sinal observado dentro dessa área para o verão
subsequente pode ser resultado da deposição no oceano do material continental
ressuspendido.
Figura 26 - Composição de imagens true color MODIS/Aqua para os dias 03/06/11 e 04/07/11, respectivamente um dia antes (A) e pouco mais de um mês (B) após o início da erupção do Puyehue Cordón-Caulle, mostrando a deposição de cinzas sobre o continente, em arco crescente partindo da fonte, indicada pelo ponto amarelo. Fonte: LANCE / NASA (Land and Atmosphere Near real-time Capability for EOS / National Aeronautics and Space Administration).
67
Figura 27 - Média histórica mensal do ângulo (A) com Norte como referência (0°) e da velocidade (B) do vento sobre a Patagônia, calculadas com base nos mesmos dados NCEP/NCAR usados para o modelo HYSPLIT, porém entre 1948 e 2011 (linha azul: mês da erupção; linha vermelha: início do período de ventos mais intensos).
68
Figura 28 - Médias latitudinal (A) e longitudinal (B) de vento para o período de Setembro a Dezembro de 2011. Fonte: NCEP Reanalysis Daily Averages Pressure Level GrDAS.
A
B
69
A explicação proposta para as alterações na Concentração de Clorofila-a
superficial é que, mesmo com o aporte de micronutrientes essenciais para o
desenvolvimento fitoplanctônico, a comunidade de inverno, limitada também pela
disponibilidade de luz e pela predação, não atingiu um desenvolvimento maior que
as taxas de predação e mortalidade somadas imediatamente após o início do evento
eruptivo. Este resultado é evidenciado pela ausência de um pico de CHL-a após o
evento eruptivo. No entanto, o material vulcânico que ficou depositado sobre o
continente, retrabalhado e enriquecido por outras fontes continentais, ressuspendido
com o início da temporada de ventos de maior intensidade sobre a Patagônia,
durante o período primavera/verão quando as condições de luminosidade e de
temperatura da superfície do mar são mais favoráveis ao desenvolvimento
planctônico, foi potencialmente capaz de fertilizar e elevar consideravelmente os
níveis de Concentração de Clorofila-a nas águas superficiais da área delimitada no
Atlântico Sul.
5.2 EXPERIMENTO DE FERTILIZAÇÃO EM MICROCOSMO
5.2.1 Amostra de Cinzas Vulcânicas
5.2.1.1 Espectrometria de Fluorescência de Raios-X (FRX)
Os resultados da análise por FRX para as cinzas coletadas após a erupção
de Junho de 2011 do Puyehue-Cordón Caulle são mostrados na figura 29.
Figura 29 - Resultado da Espectrometria de Fluorescência de Raios-X: composição da amostra de cinzas: concentração, em porcentagem de massa, dos elementos presentes na amostra das cinzas coletadas após a erupção de Julho de 2011 do complexo vulcânico Puyehue-Cordón Caulle. Outros elementos: Cu (0,031%), Zn (0,120%), Ga (0,018%), Rb (0,075%), Sr (0,188%), Y (0,039%), Zr (0,289%), W (0,046%), Pb (0,045%).
5,94
44,824
0,262 0,113 0,741
8,845 11,339
2,391 0,034 0,616
24,042
0,851 0
10
20
30
40
50
Al Si P S Cl K Ca Ti V Mn Fe Outros
Po
rce
nta
gem
em
mas
sa
COMPOSIÇÃO ELEMENTAR DA AMOSTRA DE CINZAS
70
Dada a natureza explosiva da erupção e a partir da análise conduzida no
sistema MEV-EDS, a alta contribuição de Si na amostra é esperada. Este elemento
compõe o maior volume de partículas de cinzas, aquelas a que é conferido o
aspecto vítreo observado, e está presente sobretudo na forma de SiO2 (CARNEIRO
et al., 2011; LIMA et. al, 2012). A presença de Ca e K também é comumente
observada em amostras de cinzas vulcânicas, sendo estes elementos encontrados,
em geral, sob a forma de íons nas amostras (CARNEIRO et al., 2011; LIMA et. al,
2012).
O Fe aparece como o segundo elemento mais abundante na amostra,
confirmando a teoria de possibilidade de disponibilização deste metal para a
comunidade em cenários de pós-erupção. O Mn, outro micronutriente destacado
com potencial colimitador da produção primária, aparece em concentração bastante
pequena.
5.2.1.2 Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)
Algumas das micropartículas fotomicrografadas na amostra são apresentadas
abaixo (Fig 30).
Segundo descrito por Singer et al. (2008), o complexo vulcânico Puyehue-
Cordón Caulle manifestou seis fases evolutivas, as primeiras de natureza básica,
seguidas por um magmatismo riolítico. A natureza vítrea da partícula mais
representativa da amostra, identificada na literatura internacional como “glass
shards”, é equivalente a magmas riolíticos, bastante comum na composição de
material vulcânico de eventos eruptivos explosivos como o abordado neste trabalho.
Segundo o Volcano Hazards Program mantido pelo U.S. Geological Survey, este tipo
de partícula, com vesículas ovais ou tubulares de dimensões variáveis, é formado
quando o magma muito rico em gases é projetado na atmosfera: as bolhas de gás
aumentam rapidamente de volume com a redução da pressão e formam as
vesículas por conta do rápido arrefecimento da lava. Foi o tipo predominante
encontrado na amostra e é apresentada como “partícula predominate” (Fig 30A e
30B)
Todas as partículas apresentam feições irregulares; as de tamanho muito
pequeno, em torno de 1 µm, tendem a se unir, recebendo a nomenclatura de
“agregados”, devido a vários mecanismos, incluindo a atração eletrostática e as
71
colisões entre as próprias partículas, como descrito pelo British Geological Survey. O
processo de agregação remove partículas muito pequenas da pluma de cinzas e é
um dos controles de seu tempo de permanência na atmosfera.
Figura 30 - Imagens de Microscopia Eletrônica de Varredura de partículas da amostra de cinzas
vulcânicas. (A) Partícula predominante lisa, angulosa e com padrões vesiculares (glass shards); (B)
Corte transversal da partícula predominante; (C) Partícula sólida; (D) Agregado de partículas de
argila; (E) Filamento com padrão acostelado similar ao da partícula predominante; (F) Partícula mista.
72
5.2.1.3 Espectroscopia de Energia Dispersiva (EDS)
A análise pontual com EDS (Fig 31) indica que os elementos predominantes
nas partículas são Oxigênio, Silício e Alumínio. O metal Ferro também está presente
nas micropartículas, assim como outros elementos: Sódio, Magnésio, Bromo, Zinco
e Enxofre.
73
74
Figura 31 - Distribuição dos elementos químicos em cada partícula: (A) Partícula predominante, (B) Partícula sólida, (C) Agregado de argila, (D) Filamento acostelado, (E) Partícula mista (parte interna), (F) Partícula mista (parte externa), (G) Partícula escura.
Carneiro et al. (2011) e Lima et al. (2012) analisaram, utilizando o mesmo
método, as cinzas deste evento eruptivo depositadas na região de Bariloche e de
Porto Alegre, respectivamente. A composição química elementar obtida foi
semelhante à encontrada neste trabalho: os fragmentos vítreos representativos da
cristalização da fase vapor são essencialmente SiO2, sendo os demais fragmentos
constituídos por óxidos de SiO2 e Al2O3 e conteúdos baixos de álcalis, como Na2O e
FeOt.
Todas as partículas analisadas apresentam O e Si como constituintes
principais, em proporções que indicam serem silicatos; porém, para esta
confirmação, seria necessário um trabalho com os dados de conversão do elemento
nativo para óxido, o que não foi prioridade nesta análise. Alguns outros elementos,
como Mg, Na, Al, S, Fe e Zn, aparecem diferenciando as partículas entre si, contudo
esta é uma análise semiquantitativa mais pontual, apenas para a visualização
individual das partículas. A combinação dos resultados das análises com FRX
(composição elementar) e DRX (estrutura mineralógica) é bastante mais robusta
para inferir sobre a disponibilização à comunidade biológica dos elementos
constituintes das cinzas.
75
5.2.1.3 Difração de Raios-X (DRX)
O resultado para a análise de Difração de Raios-X é mostrado na figura 32:
Figura 32 - Difratograma de Raios-X para a amostra de cinzas vulcânicas. O resultado indica a mineralogia dos elementos presentes na amostra.
É possível identificar claramente na amostra as estruturas cristalinas
correspondentes aos minerais Quartzo e Plagioclásio, ambos silicatos, evidenciando
como estão organizados os átomos de Si e O observados através das análises de
FRX e de MEV-EDS. O Plagioclásio possui uma série de substituição que pode
variar entre dois extremos: NaAlSi3O8 (albita) e CaAl2Si2O8 (anortita); K também
pode substituir o Na em algumas estruturas.
Existe um pico de baixa intensidade relativa que pode indicar a presença do
mineral Magnetita (Fe3O4). Contudo, dada a grande quantidade de material amorfo e
a presença de ferro como um dos elementos de maior ocorrência identificada no
FRX, é possível que este metal esteja também fora de estruturas cristalinas, o que
pode significar uma maior disponibilidade dele aos produtores primários.
5.2.2 Concentração de Clorofila
Do 1° ao 12° dia de experimento, as tréplicas do controle e dos tratamentos
mostram comportamento similar entre si e manutenção do crescimento, sugerindo
divergência com maior aumento do tratamento “C” apenas a partir daí, até o 15° e
último dia do bioensaio (Fig 33), o que pode ser confirmado na variação temporal da
76
taxa de incremento na Concentração de Clorofila-a (Fig 34). Outros estudos com
incubação mostram tempos de resposta biológica variável, com sinais positivos de
fertilização ocorrendo de 2 dias (ex.: BROWNING et al., 2014) à 9 dias (ex.:
HOFFMANN et al., 2012), o que é função, sobretudo, de distinções nas condições
experimentais de temperatura, luminosidade e pH, nas comunidades biológicas
incubadas e nos volumes de cinzas inseridos por tratamento. A sobreposição das
barras de desvio padrão dos valores mensurados de Concentração de Clorofila-a
pode indicar que não há diferença significativa entre as leituras. Em outros trabalhos
conduzidos no Oceano Austral com incubações de apenas Fe solúvel, o crescimento
nos controles também é observado; contudo, a separação entre os níveis distintos
de tratamento ocorre em 5 ± 3 dias (DE BAAR et al., 1990; MARTIN et al., 1990;
HELBLING et al., 1991; VAN LEEUWE et al., 1997; BROWNING et al., 2014).
Esta evolução de concentração de clorofila pode receber duas interpretações
distintas:
1. houve um efeito de fertilização evidenciado pelo fato de o tratamento “C”
apresentar maior crescimento, sendo o volume de cinzas inserido no
tratamento “B” aquém do requerimento biológico e no tratamento “D”
excedente a esse requerimento, resultando em nenhum efeito perceptível em
“B” e um efeito já negativo sobre a comunidade em “D”. A demora de dias
para a diferenciação entre os tratamentos também pode ser devida ao
estresse adaptativo dos organismos às condições experimentais;
2. se a diferença de concentração de clorofila do tratamento “C” não é
significativa, a razão pode ser que a limitação por micronutrientes é menos
determinante frente a outros fatores limitantes – como a alta pressão de
herbivoria, a alta profundidade da camada de mistura e a baixa irradiância
média na coluna d’água (FROST, 1991; MITCHELL et al., 1991; LIN et al.,
2011) – ou a adição de micronutrientes aos tratamentos não foi suficiente
para diferenciar as condições de desenvolvimento fitoplanctônico, mesmo
para o maior volume inserido (“D”).
77
Figura 33 - Variação temporal da Concentração de Clorofila-a média no controle e em cada um dos tratamentos com as barras de desvio padrão.
0,000
0,500
1,000
1,500
2,000
2,500
0 3 6 9 12 15
Co
nce
ntr
ação
de
Clo
rofi
la (
mg
m-3
)
DIas de Cultivo
Concentração de Clorofila
A
B
C
D
78
Figura 34 - Variação temporal da taxa de incremento na Concentração de Clorofila-a Média no controle e em cada um dos tratamentos.
Um maior número de réplicas dos tratamentos e um maior tempo de
incubação podem ser estratégias para esclarecer os resultados de futuras rodadas
de experimento.
5.2.3 Abundância e Composição Fitoplanctônica
A metodologia de contagem de células em microscopia ao início e ao fim do
experimento mostra a variação da densidade fitoplanctônica após 12 dias de
bioensaio (Fig 35). Os valores para o controle seguem sem diferenciação dos
demais tratamentos, todos apresentando aumento na concentração de células.
-0,050
0,000
0,050
0,100
0,150
0,200
0,250
0,300
3 6 9 12 15
Taxa
de
Incr
em
en
to (
mg
m-3
dia
-1)
Dias de Cultivo
Taxas de Incremento na Concentração de Clorofila
A
B
C
D
79
Figura 35 - Densidade celular fitoplanctônica ao início (Inicial) e após 12 dias (A, B, C e D) de experimento, com barras de desvio padrão.
Com a análise de composição relativa entre os organismos do fitoplâncton
(Fig 36) é possível observar a maior contribuição de diatomáceas e dinoflagelados
entre os organismos. Também é possível confirmar a tendência de diminuição
absoluta e relativa da densidade de dinoflagelados (Fig 37) e de aumento absoluto e
relativo da densidade de diatomáceas (Fig 38), sendo este o grupo dominante ao
final. Este cenário corresponde ao de um pós bloom, como sugerido por diversos
autores e já mencionado na fundamentação teórica do presente estudo (ex.:
SUNDA, 1988; MARTIN et al., 1989; HUDSON; MOREL, 1990; MOREL et al., 1991;
COALE, 1991; BOYD et al., 2007).
0
1
2
3
4
5
6
7 D
en
sid
ade
(1
06
. ce
ls .
L-1
)
Densidade Fitoplanctônica
Inicial A B C D
80
Figura 36 - Composição relativa do fitoplâncton ao início (Inicial) e após 12 dias de experimento, por tratamento (A, B, C e D).
0,000
1,000
2,000
3,000
4,000
5,000
6,000
INICIAL A B C D
De
nsi
dad
e (
10
6 .
cels
. L
-1)
Composição Relativa
DINOFLAGELADOS DIATOMÁCEAS CILIADOS
EUGLENÓFITAS CIANOBACTÉRIAS
81
Figura 37 - Variação temporal da densidade celular de dinoflagelados média por tratamento com barras de desvio padrão.
Figura 38 - Variação temporal da densidade celular de diatomáceas média por tratamento com barras de desvio padrão.
No entanto, como os valores encontrados para o controle são semelhantes
aos dos demais tratamentos, a configuração semelhante à de um pós bloom pode
ser resultado não só de uma disponibilização de micronutrientes, mas também da
remoção dos demais fatores limitantes do desenvolvimento dos produtores
primários, assim como acontece para o outro parâmetro, concentração de clorofila.
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
INÍCIO DIA 6 DIA 12
De
nsi
dad
e (
10
6 .
cels
. L
-1)
Densidade de Dinoflagelados
A
B
C
D
0
1
2
3
4
5
6
7
INÍCIO DIA 6 DIA 12
De
nsi
dad
e (
10
6 .
cels
. L
-1)
Densidade de Diatomáceas
A
B
C
D
82
A análise de ambos os parâmetros leva a crer que as modificações
observadas na comunidade fitoplanctônica foram conduzidas a partir de um “efeito
Garrafa”, em que o desenvolvimento da comunidade está atrelado às alterações no
conjunto das condições experimentais, como a redução do número de predadores e
a maior disponibilidade luminosa, com menor influência da ação direta da liberação
de micronutrientes pelas cinzas vulcânicas.
83
6 CONCLUSÃO
Os resultados obtidos a partir das duas abordagens deste trabalho,
sensoriamento remoto e bioensaio, não são taxativos sobre o acoplamento entre a
deposição das cinzas da erupção do complexo vulcânico Puyehue-Cordón Caulle e
a possível ocorrência de um evento de fertilização oceânica.
Com sensoriamento remoto, para o cenário imediatamente após a erupção, o
pico de concentração de clorofila atrelado apenas a um sinal costeiro pode indicar
que a comunidade fitoplanctônica oceânica de inverno, que também está limitada
pela disponibilidade de luz e pela predação, não atinge um desenvolvimento tal que
supere as taxas de predação e de mortalidade combinadas. Com o decorrer do ano
e o início da temporada de ventos mais fortes sobre o continente, com condições
ambientais de temperatura e luminosidade mais favoráveis ao desenvolvimento
algal, a ressuspenção e deposição de material continental no oceano foi capaz de
elevar os valores de concentração de clorofila em toda a área abrangida pela pluma
de deposição modelada.
Com o bioensaio, os resultados de evolução temporal da concentração de
clorofila não oferecem uma conclusão categórica sobre a fertilização. A diferença
entre os tratamentos pode ser entendida como 1) um sinal positivo de
desenvolvimento algal, com uma sequência: “B” produz efeito não diferenciável do
controle, “C” resulta em um efeito positivo de fertilização e “D” produz um efeito
negativo, tendo concentrações finais menores que as do controle; ou 2) não se pode
afirmar que há diferenças significativas entre os resultados dos tratamentos, dada a
sobreposição das barras de desvio padrão. Nos dados de densidade fitoplanctônica,
o tratamento “B” é o que aparece com maior quantidade de organismos, seguido de
“C” e “D”, respectivamente, não estando de acordo com o resultado de concentração
de clorofila, a menos que seja considerado não haver diferenças significativas entre
os tratamentos. Já a o resultado da análise de composição da comunidade mostra
para todos os tratamentos e para o controle um aumento relativo de diatomáceas,
com diminuição de dinoflagelados, o que está de acordo com cenários pós bloom
observados na literatura. Esta evidência leva a crer que o “efeito Garrafa”, de
redução no número de predadores e maior disponibilidade luminosa, favorece o
84
desenvolvimento fitoplanctônico de forma mais determinante que a liberação de
micronutrientes pelas cinzas.
Apesar de não haver, considerando a metodologia empregada, evidências
que confirmem a fertilização diretamente associada à erupção vulcânica em questão,
o sinal observado por satélite – pico acima da série histórica de Concentração de
Clorofila associado a picos de Espessura Óptica da Atmosfera – para o período de
verão do mesmo ano é bastante claro.
As hipóteses para a ocorrência deste cenário são, portanto:
1. A comunidade de inverno é composta por organismos adaptados ao cenário de
restrição de micronutrientes, menor disponibilidade luminosa, temperaturas da
superfície do mar baixas e camadas de mistura mais profundas, condições
predominantemente observadas na Passagem de Drake. Portanto, se a erupção
ocorresse no cenário de verão, o potencial de fertilização das cinzas seria maior.
Esta hipótese não é confirmada pelo resultado do bioensaio, já que não há
evidências concretas de fertilização mesmo em uma comunidade de verão com as
cinzas expelidas diretamente pelo vulcão;
2. As cinzas riolíticas expelidas na erupção de Junho de 2011 pelo complexo
vulcânico Puyehue-Cordón Caulle possuem um conteúdo de ferro e de outros metais
traço colimitantes, como o Mn, em forma biodisponível, aquém do requerimento
fitoplanctônico para os volumes estimados;
As cinzas basálticas tem um conteúdo maior de Fe que o das cinzas riolíticas,
enquanto que, em contraste, ambas são compostas por quantidades semelhantes
de Mn (Tabela 5; BROWNING et al., 2014). Isto pode indicar a maior relevância do
Fe como micronutriente, por isso um sinal de fertilização não ocorre com o depósito
riolítico da erupção considerada neste trabalho.
85
Tabela 5 - Composição média de metais-traço em cada tipo de cinzas, basálticas e riolíticas
Fonte: Adaptado de BROWNING et al, 2014.
3. Apenas um material retrabalhado e enriquecido em micronutrientes por outras
fontes continentais seria capaz de alterar uma comunidade fitoplanctônica não
limitada por outros parâmetros (condições de irradiação suficiente, temperaturas
menos baixas e camadas de mistura mais rasas). Isto explicaria o pico de
concentração de clorofila observado por sensoriamento remoto no início da estação
de ventos mais intensos e também poderia esclarecer a falta de resultados
conclusivos do bioensaio feito apenas com as cinzas, sem qualquer beneficiamento
de outras fontes continentais.
A partir da análise de aerossóis coletados durante a campanha de 2006 da
OPERANTAR e da modelagem de retrotrajetórias com dados de vento do projeto de
Reanálise NCEP/NCAR é possível verificar que o aporte de Fe, Si e Al é uma ordem
de grandeza maior naquelas vias que passam sobre a Patagônia (Fig 39,
retrotrajetória c), confirmando o potencial de disponibilização de micronutrientes para
a comunidade oceânica de superfície por meio do transporte eólico.
86
Figura 39 - Retrotrajetórias médias de massas de ar associadas aos perfis latitudinais das concentrações atmosféricas de ferro (Fe), silício (Si) e alumínio (Al). Dados obtidos durante a campanha de 2006, OPERANTAR. Fonte: Imagem cedida pelo Prof. Dr. Heitor Evangelista – dados não publicados.
Na figura 40 é possível observar um evento de transporte de poeira mineral,
constituída por material de erosão continental com a contribuição dos depósitos de
composições distintas de cinzas expelidas nas diversas erupções andinas, em um
dos sítios de emissão mais intensa conhecidos da Patagônia, na região a Oeste de
Trelew. Estes episódios são recorrentes e ocorrem com maior frequência durante o
período de primavera-verão, quando os sítios de acúmulo de sedimentos ficam
expostos para a erosão eólica, condição decorrente do déficit de umidade, e os
ventos de oeste se intensificam. Voltando à figura 2, é possível observar a
proximidade do depósito de cinzas da erupção do complexo Puyehue-Cordón Caulle
com esta área, o que corrobora a hipótese de ressuspensão de material gerando o
pico de concentração de clorofila ao final de 2011.
87
Figura 40 - Imagem MODIS/Aqua em cor verdadeira da emissão de poeira da região próxima a Trelew, na Patagônia Argentina, em 2009. Fonte: Land Atmosphere Near Real Time Capability for EOS (LANCE) de LIMA, 2013.
O resultado deste trabalho motiva a aplicação da mesma metodologia para
outros eventos eruptivos, buscando aprofundar a análise quanto à resposta da
produtividade primária ao vulcanismo. Eventos de diferentes origens e composições
de cinzas – enriquecidas ou não por poeira mineral – ocorridos durante períodos de
verão, quando a abrangência espacial e temporal satelital é mais completa e as
condições de luminosidade e temperatura da superfície do mar são mais favoráveis
ao desenvolvimento algal, podem trazer maiores esclarecimentos à questão.
88
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97
8 ANEXO
CÁLCULO DA CONCENTRAÇÃO DE CINZAS DEPOSITADAS NO OCEANO
- Considerando um aporte de cinzas de 1.000 mg m-2:
çã
Massa de cinzas em um recipiente de 20 L: 200
- Considerando um aporte de cinzas de 10.000 mg m-2:
Massa de cinzas em um recipiente de 20 L: 2.000
- Considerando um aporte de cinzas de 100.000 mg m-2:
Massa de cinzas em um recipiente de 20 L: 20.000
