Parâmetros de qualidade ambiental de água doce - Freshwater environmental quality parameters
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Os parâmetros de qualidade ambiental da água doce são aqueles parâmetros químicos, físicos ou biológicos que podem ser usados para caracterizar um corpo de água doce. Como quase todos os corpos d'água são dinâmicos em sua composição, os parâmetros de qualidade relevantes são normalmente expressos como uma faixa de concentrações esperadas.
Incluem as características químicas , biológicas e microbiológicas naturais e artificiais dos rios , lagos e águas subterrâneas , as formas como são medidos e como mudam. Os valores ou concentrações atribuídos a tais parâmetros podem ser usados para descrever o estado de poluição de um ambiente, seu estado biótico ou para prever a probabilidade ou não de um determinado organismo estar presente. O monitoramento dos parâmetros de qualidade ambiental é uma atividade fundamental na gestão do meio ambiente, restaurando ambientes poluídos e antecipando os efeitos das mudanças causadas pelo homem no meio ambiente.
Caracterização
O primeiro passo para entender a química da água doce é estabelecer as concentrações relevantes dos parâmetros de interesse. Convencionalmente, isso é feito através da coleta de amostras representativas da água para análises subsequentes em um laboratório. No entanto, o monitoramento in-situ usando equipamento analítico portátil ou usando estações de monitoramento do lado do banco também é usado.
Amostragem
As águas doces são surpreendentemente difíceis de amostrar porque raramente são homogêneas e sua qualidade varia durante o dia e durante o ano. Além disso, os locais de amostragem mais representativos costumam estar distantes da costa ou do banco, aumentando a complexidade logística.
Rios
Encher uma garrafa limpa com água do rio é uma tarefa muito simples, mas uma única amostra é apenas representativa daquele ponto ao longo do rio de onde a amostra foi retirada e naquele ponto no tempo. Compreender a química de um rio inteiro, ou mesmo de um afluente significativo, requer uma investigação prévia para entender o quão homogêneo ou misto é o fluxo e para determinar se a qualidade muda ao longo de um dia e ao longo de um ano. Quase todos os rios naturais terão padrões de mudança muito significativos ao longo do dia e das estações. O sensoriamento remoto de água oferece uma ferramenta espacialmente contínua para melhorar a compreensão da qualidade espacial e temporal da água do rio. Muitos rios também têm um fluxo muito grande que não pode ser visto. Este flui através das camadas subjacentes de cascalho e areia e é chamado de fluxo hiporreico . A quantidade de mistura que existe entre a zona hiporreica e a água no canal aberto dependerá de uma variedade de fatores, alguns dos quais relacionados a fluxos que saem de aquíferos que podem ter armazenado água por muitos anos.
Águas subterrâneas
As águas subterrâneas, por sua própria natureza, são freqüentemente muito difíceis de acessar para colher uma amostra. Como consequência, a maioria dos dados de água subterrânea vem de amostras retiradas de nascentes , poços , furos de abastecimento de água e em cavernas naturais . Nas últimas décadas, à medida que a necessidade de entender a dinâmica da água subterrânea aumentou, um número crescente de furos de monitoramento foram perfurados nos aquíferos
Lagos
veja também Limnologia
Lagos e lagoas podem ser muito grandes e sustentar um ecossistema complexo no qual os parâmetros ambientais variam amplamente em todas as três dimensões físicas e com o tempo. Grandes lagos na zona temperada frequentemente se estratificam nos meses mais quentes em camadas superiores mais quentes ricas em oxigênio e uma camada inferior mais fria com baixos níveis de oxigênio. No outono, temperaturas decrescentes e ventos fortes ocasionais resultam na mistura das duas camadas em um todo mais homogêneo. Quando ocorre a estratificação, ela não afeta apenas os níveis de oxigênio, mas também muitos parâmetros relacionados, como ferro , fosfato e manganês, que são todos alterados em sua forma química pela mudança no potencial redox do ambiente.
Os lagos também recebem águas, geralmente de muitas fontes diferentes, com qualidades variadas. Sólidos de entradas de córregos normalmente se depositam perto da foz do rio e dependendo de uma variedade de fatores, a água que entra pode flutuar sobre a superfície do lago, afundar abaixo da superfície ou rapidamente se misturar com a água do lago. Todos esses fenômenos podem distorcer os resultados de qualquer monitoramento ambiental, a menos que o processo seja bem compreendido.
Zonas de mistura
Onde dois rios se encontram em uma confluência, existe uma zona de mistura. Uma zona de mistura pode ser muito grande e estender-se por muitos quilômetros, como no caso dos rios Mississippi e Missouri nos Estados Unidos e do rio Clwyd e do rio Elwy no norte do País de Gales . Em uma zona de mistura, a química da água pode ser muito variável e difícil de prever. As interações químicas não são apenas uma simples mistura, mas podem ser complicadas por processos biológicos de macrófitas submersas e pela água que se junta ao canal da zona hiporreica ou de nascentes que drenam um aqüífero.
Entradas geológicas
A geologia subjacente a um rio ou lago tem um grande impacto em sua química. É provável que um rio fluindo através de xistos pré-cambrianos muito antigos tenha se dissolvido muito pouco nas rochas e talvez seja semelhante à água desionizada, pelo menos nas cabeceiras. Por outro lado, um rio que flui através de colinas de giz , e especialmente se sua origem for no giz, terá uma alta concentração de carbonatos e bicarbonatos de cálcio e possivelmente magnésio .
À medida que um rio progride ao longo de seu curso, ele pode passar por uma variedade de tipos geológicos e pode receber entradas de aqüíferos que não aparecem na superfície em nenhuma parte da localidade.
Entradas atmosféricas
O oxigênio é provavelmente o constituinte químico mais importante da química da água de superfície, pois todos os organismos aeróbios o requerem para a sobrevivência. Ele entra na água principalmente por difusão na interface água-ar. A solubilidade do oxigênio na água diminui à medida que a temperatura da água aumenta. Riachos rápidos e turbulentos expõem mais da superfície da água ao ar e tendem a ter temperaturas baixas e, portanto, mais oxigênio do que marés lentas. O oxigênio é um subproduto da fotossíntese, portanto, sistemas com grande abundância de algas aquáticas e plantas também podem ter altas concentrações de oxigênio durante o dia. Esses níveis podem diminuir significativamente durante a noite, quando os produtores primários mudam para a respiração. O oxigênio pode ser limitante se a circulação entre a superfície e as camadas mais profundas for pobre, se a atividade dos animais for muito alta ou se houver uma grande quantidade de decomposição orgânica ocorrendo, como após a queda das folhas no outono.
A maioria dos outros insumos atmosféricos vêm de fontes antropogênicas ou artificiais, das quais as mais significativas são os óxidos de enxofre produzidos pela queima de combustíveis ricos em enxofre, como carvão e petróleo, que dão origem à chuva ácida . A química dos óxidos de enxofre é complexa tanto na atmosfera quanto nos sistemas fluviais. No entanto, o efeito na química geral é simples, pois reduz o pH da água, tornando-a mais ácida. A mudança de pH é mais marcada em rios com concentrações muito baixas de sais dissolvidos, pois estes não podem amortecer os efeitos da entrada de ácido. Os rios a jusante das grandes conurbações industriais também estão em maior risco. Em partes da Escandinávia e Oeste Gales e Escócia muitos rios tornou-se tão acídico a partir de óxidos de enxofre que a maioria da vida dos peixes foi destruído e valores de pH tão baixo quanto pH 4 foram registados durante condições climáticas críticos.
Insumos antrópicos
A maioria dos rios do planeta e muitos lagos receberam ou estão recebendo contribuições das atividades da humanidade. No mundo industrializado, muitos rios foram seriamente poluídos, pelo menos durante o século XIX e a primeira metade do século XX. Embora em geral tenha havido muitas melhorias no mundo desenvolvido, ainda existe uma grande quantidade de poluição fluvial aparente no planeta.
Toxicidade
Na maioria das situações ambientais, a presença ou ausência de um organismo é determinada por uma complexa teia de interações, das quais apenas algumas estarão relacionadas a parâmetros químicos ou biológicos mensuráveis. Taxa de fluxo, turbulência, competição inter e intra específica, comportamento alimentar, doenças , parasitismo , comensalismo e simbiose são apenas algumas das pressões e oportunidades que qualquer organismo ou população enfrenta. A maioria dos constituintes químicos favorece alguns organismos e são menos favoráveis a outros. No entanto, existem alguns casos em que um constituinte químico exerce um efeito tóxico. isto é, onde a concentração pode matar ou inibir severamente o funcionamento normal do organismo. Quando um efeito tóxico foi demonstrado, isso pode ser observado nas seções abaixo que tratam dos parâmetros individuais.
Constituintes químicos
Cor e turbidez
Freqüentemente, a característica visual mais óbvia é a cor da água doce ou o quão clara ou turva é a água. Infelizmente, nem a cor nem a turbidez são indicadores fortes da composição química geral da água. No entanto, tanto a cor quanto a turbidez reduzem a quantidade de luz que penetra na água e podem ter um impacto significativo nas algas e macrófitas. Algumas algas em particular são altamente dependentes de água com baixa cor e turbidez
Muitos rios que drenam terras pantanosas altas cobertas por turfa têm uma cor marrom amarela muito intensa causada por ácidos húmicos dissolvidos .
Constituintes orgânicos
Uma das principais fontes de elevadas concentrações de constituintes químicos orgânicos é o esgoto tratado.
O material orgânico dissolvido é mais comumente medido usando o teste de demanda bioquímica de oxigênio (BOD) ou o teste de demanda química de oxigênio (COD). Os constituintes orgânicos são significativos na química do rio pelo efeito que têm na concentração de oxigênio dissolvido e pelo impacto que as espécies orgânicas individuais podem ter diretamente na biota aquática.
Qualquer material orgânico e degradável consome oxigênio à medida que se decompõe. Onde as concentrações orgânicas são significativamente elevadas, os efeitos nas concentrações de oxigênio podem ser significativos e, à medida que as condições se tornam extremas, o leito do rio pode tornar-se anóxico .
Alguns constituintes orgânicos, como hormônios sintéticos , pesticidas e ftalatos , têm efeitos metabólicos diretos na biota aquática e até mesmo na água potável tirada do rio. Compreender esses constituintes e como eles podem ser identificados e quantificados está se tornando cada vez mais importante na compreensão da química da água doce.
Metais
Uma grande variedade de metais pode ser encontrada em rios de fontes naturais onde os minérios de metal estão presentes nas rochas sobre as quais o rio flui ou nos aquíferos que alimentam a água do rio. No entanto, muitos rios têm uma carga maior de metais devido às atividades industriais que incluem mineração e extração e processamento e uso de metais.
Ferro
O ferro, geralmente como Fe +++, é um constituinte comum das águas dos rios em níveis muito baixos. Concentrações mais altas de ferro em fontes ácidas ou em uma zona hiporréica anóxica podem causar manchas visíveis de laranja / marrom ou precipitados semigelatinosos de densos flocos bacterianos de ferro laranja que cobrem o leito do rio. Essas condições são muito prejudiciais para a maioria dos organismos e podem causar sérios danos ao sistema fluvial.
A mineração de carvão também é uma fonte muito significativa de ferro, tanto nas águas de minas quanto nos pátios de estocagem de carvão e no processamento de carvão. Minas abandonadas há muito tempo podem ser uma fonte altamente intratável de altas concentrações de ferro. Baixos níveis de ferro são comuns em nascentes que emanam de aqüíferos profundos e podem ser considerados fontes saudáveis. Tais fontes são comumente chamados Chalybeate molas e deram origem a uma série de Spa cidades na Europa e nos Estados Unidos.
Zinco
O zinco está normalmente associado à mineração de metal, especialmente à mineração de chumbo e prata, mas também é um poluente componente associado a uma variedade de outras atividades de mineração de metal e à mineração de carvão . O zinco é tóxico em concentrações relativamente baixas para muitos organismos aquáticos. O microrregma começa a mostrar uma reação tóxica em concentrações tão baixas quanto 0,33 mg / l
Metais pesados
O chumbo e a prata nas águas dos rios são comumente encontrados juntos e associados à mineração de chumbo. Os impactos de minas muito antigas podem durar muito. No rio Ystwyth no País de Gales, por exemplo, os efeitos da mineração de prata e chumbo nos séculos 17 e 18 nas cabeceiras ainda causam níveis inaceitavelmente altos de zinco e chumbo na água do rio até sua confluência com o mar. A prata é muito tóxica mesmo em concentrações muito baixas, mas não deixa evidências visíveis de sua contaminação.
O chumbo também é altamente tóxico para os organismos de água doce e para os humanos se a água for usada para beber. Tal como acontece com a prata, a poluição por chumbo não é visível a olho nu. O rio Rheidol, no oeste do País de Gales, teve uma grande série de minas de chumbo em suas cabeceiras até o final do século 19 e suas descargas e depósitos de resíduos permanecem até hoje. Em 1919-1921, apenas 14 espécies de invertebrados foram encontradas no Rheidol inferior, quando as concentrações de chumbo estavam entre 0,2ppm e 0,5ppm. Em 1932, a concentração de chumbo havia reduzido de 0,02 ppm a 0,1 ppm devido ao abandono da mineração e, nessas concentrações, a fauna de fundo se estabilizou em 103 espécies, incluindo três sanguessugas .
A mineração de carvão também é uma fonte muito significativa de metais, especialmente ferro, zinco e níquel, particularmente onde o carvão é rico em piritas que oxida em contato com o ar produzindo um lixiviado muito ácido que é capaz de dissolver metais do carvão.
Níveis significativos de cobre são incomuns em rios e, onde ocorre, é mais provável que a fonte seja atividades de mineração, estocagem de carvão ou criação de porcos . Níveis raramente elevados podem ser de origem geológica. O cobre é extremamente tóxico para muitos organismos de água doce, especialmente algas, em concentrações muito baixas e em concentrações significativas na água do rio, podendo causar sérios efeitos adversos na ecologia local.
Azoto
Os compostos nitrogenados têm uma variedade de fontes, incluindo a eliminação de óxidos de nitrogênio da atmosfera, alguns dados geológicos e alguns da fixação de nitrogênio por macrófitas e algas . No entanto, para muitos rios nas proximidades de humanos, a maior entrada é proveniente de esgoto tratado ou não. O nitrogênio é derivado de produtos de degradação de proteínas encontradas na urina e nas fezes . Esses produtos, por serem muito solúveis, muitas vezes passam pelo processo de tratamento de esgoto e são lançados em rios como componente do efluente do tratamento de esgoto . O nitrogênio pode estar na forma de nitrato , nitrito , amônia ou sais de amônio ou o que é denominado nitrogênio albuminoide ou nitrogênio ainda dentro de uma molécula de proteinóide orgânica.
As diferentes formas de nitrogênio são relativamente estáveis na maioria dos sistemas fluviais, com nitrito se transformando lentamente em nitrato em rios bem oxigenados e amônia se transformando em nitrito / nitrato. No entanto, o processo é lento em rios frios e a redução na concentração pode ser mais frequentemente atribuída à simples diluição. Todas as formas de nitrogênio são absorvidas por macrófitas e algas e níveis elevados de nitrogênio são frequentemente associados ao crescimento excessivo de plantas ou à eutrofização . Isso pode ter o efeito de bloquear canais e inibir a navegação . No entanto, ecologicamente, o efeito mais significativo está nas concentrações de oxigênio dissolvido, que podem se tornar supersaturadas durante o dia devido à fotossíntese da planta, mas depois cair para níveis muito baixos durante a escuridão, pois a respiração da planta esgota o oxigênio dissolvido. Junto com a liberação de oxigênio na fotossíntese está a criação de íons bicarbonato que causam um aumento acentuado no pH e isso é correspondido na escuridão, pois o dióxido de carbono é liberado pela respiração, o que reduz substancialmente o pH. Assim, altos níveis de compostos nitrogenados tendem a levar à eutrofização com variações extremas nos parâmetros que, por sua vez, podem degradar substancialmente o valor ecológico do curso de água.
Os íons de amônio também têm efeito tóxico, especialmente em peixes . A toxicidade da amônia depende tanto do pH quanto da temperatura e uma complexidade adicional é o efeito tampão da interface sangue / água através da membrana branquial que mascara qualquer toxicidade adicional acima de cerca de pH 8,0. A gestão da química do rio para evitar danos ecológicos é particularmente difícil no caso da amônia, uma vez que uma ampla gama de cenários potenciais de concentração, pH e temperatura devem ser considerados e a flutuação diurna do pH causada pela fotossíntese deve ser considerada. Em dias quentes de verão com altas concentrações de bicarbonato, condições inesperadamente tóxicas podem ser criadas.
Fósforo
Os compostos de fósforo são geralmente encontrados como fosfatos relativamente insolúveis na água do rio e, exceto em algumas circunstâncias excepcionais, sua origem é a agricultura ou esgoto humano. O fósforo pode estimular o crescimento excessivo de plantas e algas e contribuir para a eutrofização . Se um rio descarrega em um lago ou reservatório, o fosfato pode ser mobilizado ano após ano por processos naturais. No verão, os lagos se estratificam de modo que a água quente e rica em oxigênio flutue sobre a água fria e pobre em oxigênio. Nas camadas superiores quentes - o epilimnion - as plantas consomem o fosfato disponível. À medida que as plantas morrem no final do verão, elas caem nas camadas de água fria abaixo - o hipolimnion - e se decompõem. Durante a reviravolta do inverno, quando um lago se torna totalmente misturado pela ação dos ventos em um corpo de água de resfriamento - os fosfatos são espalhados por todo o lago novamente para alimentar uma nova geração de plantas. Este processo é uma das principais causas da proliferação persistente de algas em alguns lagos.
Arsênico
Depósitos geológicos de arsênico podem ser liberados em rios onde as águas subterrâneas profundas são exploradas, como em partes do Paquistão . Muitos minérios metalóides, como chumbo, ouro e cobre, contêm traços de arsênio e rejeitos mal armazenados podem resultar na entrada do arsênio no ciclo hidrológico .
Sólidos
Sólidos inertes são produzidos em todos os rios montanhosos, pois a energia da água ajuda a transformar as rochas em cascalho, areia e materiais mais finos. Muito disso se instala muito rapidamente e fornece um substrato importante para muitos organismos aquáticos. Muitos peixes salmonídeos precisam de camadas de cascalho e areia para colocar seus ovos. Muitos outros tipos de sólidos da agricultura, mineração, pedreiras, escoamento urbano e esgoto podem bloquear a luz do sol do rio e podem bloquear interstícios em leitos de cascalho, tornando-os inúteis para desovar e sustentar a vida de insetos.
Insumos bacterianos, virais e parasitários
Tanto a agricultura quanto o tratamento de esgoto produzem insumos em rios com concentrações muito altas de bactérias e vírus, incluindo uma ampla gama de organismos patogênicos . Mesmo em áreas com pouca atividade humana, níveis significativos de bactérias e vírus podem ser detectados provenientes de peixes e mamíferos aquáticos e de animais que pastam perto de rios, como veados . Águas das terras altas que drenam áreas freqüentadas por ovelhas , cabras ou veados também podem abrigar uma variedade de parasitas humanos oportunistas, como vermes do fígado . Conseqüentemente, existem poucos rios nos quais a água é segura para beber sem alguma forma de esterilização ou desinfecção. Em rios usados para recreação de contato, como natação, níveis seguros de bactérias e vírus podem ser estabelecidos com base na avaliação de risco.
Sob certas condições, as bactérias podem colonizar águas doces ocasionalmente criando grandes jangadas de esteiras filamentosas conhecidas como fungos de esgoto - geralmente Sphaerotilus natans . A presença de tais organismos é quase sempre um indicador de poluição orgânica extrema e seria de se esperar que correspondesse a baixas concentrações de oxigênio dissolvido e altos valores de DBO.
As bactérias E. coli têm sido comumente encontradas em águas recreativas e sua presença é usada para indicar a presença de contaminação fecal recente, mas a presença de E. coli pode não ser indicativa de dejetos humanos. E. coli é encontrada em todos os animais de sangue quente. E. coli também foi encontrada em peixes e tartarugas. As enterobactérias também podem persistir no ambiente na lama, sedimentos, areia e solo por períodos de tempo consideráveis.
pH
O pH dos rios é afetado pela geologia da fonte de água, entradas atmosféricas e uma série de outros contaminantes químicos. O pH provavelmente só se tornará um problema em rios de planalto mal tamponados, onde o enxofre atmosférico e os óxidos de nitrogênio podem deprimir significativamente o pH tão baixo quanto pH4 ou em rios alcalinos eutróficos onde a produção de íons bi-carbonato fotossintético na fotossíntese pode elevar o pH acima pH10