Nutrientes em Ecossistemas Aquáticos

Fonte: Laboratórios de Margaret Workman e Kimberly Frye - Universidade Depaul

Nitrogênio e fósforo são nutrientes vegetais essenciais encontrados em ecossistemas aquáticos e ambos são monitorados como parte de testes de qualidade da água porque em quantidades excessivas podem causar problemas significativos de qualidade da água.

O nitrogênio na água é medido como a forma comum de nitrato (NO₃^-) que é dissolvido na água e facilmente absorvido por fotossintéticos como algas. A forma comum de fósforo medido é o fosfato (PO_43-), que é fortemente atraído por partículas de sedimentos, bem como dissolvido na água. Em quantidades em excesso, ambos os nutrientes podem causar um aumento no crescimento das plantas aquáticas (flor de algas, Figura 1) que podem interromper os níveis de luz, temperatura e oxigênio na água abaixo e levar à eutrofização e hipoxia (baixo oxigênio dissolvido na água) formando uma "zona morta" sem atividade biológica. As fontes de nitratos e fósforo incluem estações de tratamento de águas residuais, escoamento de gramados fertilizados e terras agrícolas, sistemas sépticos defeituosos, escoamento de estrume animal e descarga de resíduos industriais.

Figura 1. Eflorescência algal
Tirada em 2011, a escória verde mostrada nesta imagem foi a pior flor de algas que o Lago Erie já experimentou em décadas. Chuvas torrenciais recordes de primavera lavaram fertilizantes no lago, promovendo o crescimento das flores de cianobactérias produtoras de microcistina. Filamentos verdes vibrantes se estendem para fora da costa norte.

As concentrações de nitrato e fosfato podem ser medidas em amostras de água usando reagentes químicos conhecidos que fazem com que a amostra mude de cor quando na presença de um nutriente específico, com aumento da intensidade da cor indicando uma maior concentração do nutriente. Para garantir a liberação de quaisquer moléculas de fosfato que estejam ligadas a sedimentos na água, as amostras de fósforo são digeridas quimicamente e com calor para liberar ligações fosfato para uma medida de fosfato total na amostra.

Para quantificar a intensidade da cor produzida pelo reagente, um espectrofotômetro é usado para medir o comprimento de onda específico da luz que corresponde a cada cor causada pelos nutrientes e seus reagentes (nitratos âmbar; fosfatos azuis). O espectrômetro envia então um feixe de luz através de cada amostra para medir a quantidade dessa luz que é absorvida pela cor (absorvância). Quanto mais escura a cor, maior a absorvância. O espectrômetro converte então a absorvência em uma concentração de nutrientes exibida (mg/L) com base em ensaios de concentração conhecidos.

1. Meça nitrogênio na amostra

1. No espectrômetro, encontre o programa para nitrato (com manual do usuário ou menu de instrumentos) e digite o número do programa.
2. Pipeta 10 mL da amostra de água em um dos tubos de amostra. Despeje isso em um dos tubos de amostra.
3. Repita para um segundo tubo de amostra.
4. Adicione o conteúdo de um travesseiro de pó de reagente de nitrato a um tubo de amostra.
5. Tampe ambos os tubos de amostra.
6. No espectrômetro, pressione o temporizador e entre para iniciar um período de reação para o reagente. Agite a amostra vigorosamente até que o tempo de reação acabe e o temporizador emite um bipe. A amostra começará a virar âmbar.
7. Pressione enter. Um segundo período de reação de 5 minutos começará.
8. Após o temporizador bipes pela segunda vez, limpe o lado de fora dos dois tubos de amostra com uma toalha de papel sem fiapos.
9. Coloque o tubo de amostra sem tubo de reagente (em branco) no espectotômetro.
10. Cubra firmemente a célula com a tampa do instrumento para garantir que a luz ambiente esteja bloqueada.
11. Zero o espectrômetro para uma leitura de 0,0 mg/L NO₃-N.
12. Remova a célula em branco e coloque a célula da amostra com reagente no suporte celular. Cubra firmemente a célula amostral com a tampa do instrumento.
13. Leia a imprensa. O cursor passará para a direita, então os resultados em mg/L NO 3 -N_serãoexibidos.

2. Medir fósforo na amostra

1. Meça 5,0 mL da amostra de água usando uma pipeta.
2. Despeje água medida em um tubo de amostra.
3. Adicione o conteúdo de um travesseiro de pó persulfato de potássio para fosfonato ao tubo de amostra.
4. Tampe o tubo firmemente e agite para dissolver.
5. Rotule a parte superior da tampa do tubo e coloque o tubo em um reator de COD (em uma capa química) e aqueça por 30 minutos.
6. Coloque-o em um rack de tubo de ensaio e deixe esfriar até a temperatura ambiente.
7. Usando um cilindro graduado, meça 2 mL de hidróxido de sódio de 1,54 N.
8. Despeje isso no tubo de amostra. Cap e mix.
9. No espectrômetro, encontre o número do programa para fosfato (com manual do usuário ou menu de instrumentos) e digite o número do programa.
10. Limpe o lado de fora do tubo de amostra com uma toalha de papel sem fiapos.
11. Coloque o tubo de ensaio para que ele fique voltado para a frente do instrumento.
12. Coloque a tampa no tubo de ensaio.
13. Pegue o tubo de ensaio e adicione o conteúdo do travesseiro de pó de reagente comprado para o método ácido ascórbico.
14. Cap firmemente e agitar para 10-15 s.
15. Pressione o temporizador e, em seguida, digite. Um período de espera de 2 minutos começará.
16. Após o bipe do temporizador, limpe o lado de fora do tubo de ensaio com uma toalha de papel sem fiapos.
17. Coloque o tubo de ensaio no instrumento com o logotipo voltado para a frente do instrumento.
18. Coloque a tampa sobre o tubo de ensaio.
19. A imprensa leu. O display mostrará os resultados em mg/L.

Figura 2. Gráfico comparando nitratos entre diferentes tipos de uso da terra (não desenvolvidos, agrícolas e urbanos).

Concentrações médias de nitrato comparadas rio acima e rio abaixo de uma estação de tratamento de água(Figura 3). A medição a jusante representa a descarga do tratamento.

Figura 3. Concentrações médias de nitrato comparadas rio acima e rio abaixo de uma estação de tratamento de água. A medição a jusante representa a descarga do tratamento.

Figura 4. Gráfico de fósforo para diferentes locais ao longo do rio Chicago.

Concentrações médias de fosfato comparadas rio acima e rio abaixo de uma estação de tratamento de água(Figura 5). A medição a jusante representa a descarga do tratamento.

Figura 5. Concentrações médias de fosfato comparadas rio acima e rio abaixo de uma estação de tratamento de água. A medição a jusante representa a descarga do tratamento.

Altas concentrações de nitratos e fósforo podem estimular condições eutróficas na água, causando flor de algas que afetam negativamente outros fatores de qualidade da água, incluindo oxigênio dissolvido, temperatura e outros indicadores. O excesso de nitratos pode levar à água hipóxica (baixos níveis de oxigênio dissolvido) não mais capazes de suportar a vida aeróbica criando uma "zona morta", onde espécies não móveis morrem em massa e espécies móveis se mudam para outras águas. Zonas mortas estão ocorrendo globalmente em regiões costeiras onde grandes quantidades de escoamento de nutrientes e águas residuais convergem, e a vida aquática é mais altamente concentrada(Figura 6). Duas das maiores zonas mortas estão no Mar Báltico, onde, em média, 49.000 km² de água continham menos de 2 mg/L de oxigênio dissolvido, e o norte do Golfo do México com uma zona morta medida a 17.353 km².

Figura 6. Zonas mortas marinhas em todo o mundo
Círculos vermelhos mostram a localização e o tamanho de muitas zonas mortas. Pontos pretos mostram zonas mortas de tamanho desconhecido. Os azuis mais escuros nesta imagem mostram maiores concentrações de material orgânico particulado, uma indicação das águas excessivamente férteis que podem culminar em zonas mortas. O tamanho e o número de zonas mortas marinhas - áreas onde a água profunda é tão baixa em oxigênio dissolvido que as criaturas marinhas não podem sobreviver - cresceram explosivamente no último meio século. Não é coincidência que zonas mortas ocorram rio abaixo de lugares onde a densidade populacional humana é alta (marrom mais escuro).