Bio l o g i a M a r i n h a P ó s- G ra d u a ç ã o - u f f UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE INSTITUTO DE BIOLOGIA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM BIOLOGIA MARINHA BIOGEOQUÍMICA DO C, N, P; HIDRODINÂMICA DE PARTICULADOS E EVOLUÇÃO DA EUTROFIZAÇÃO NA REGIÃO COSTEIRA DE NITERÓI, RJ MAURICIO LORENZO CERDA LEMA Tese de Doutorado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Biologia Marinha do Departamento de Biologia Marinha, Instituto de Biologia, Universidade Federal Fluminense, como requisito parcial para a obtenção do Título de Doutor em Biologia Marinha. Orientador: AGUINALDO NEPOMUCENO MARQUES JR. Niterói Junho de 2012
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Biogeoquímica do C, N, P - Hidrodinâmica de Particulados e Evolução da Eutrofização na Região Costeira de Niterói, RJ
Impactos da injeção de água salgada na lagoa de Piratininga
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Biologia Marinha
Pós-Graduação - uff
UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE INSTITUTO DE BIOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM BIOLOGIA MARINHA
BIOGEOQUÍMICA DO C, N, P; HIDRODINÂMICA DE PARTICULADOS E EVOLUÇÃO DA EUTROFIZAÇÃO NA REGIÃO
COSTEIRA DE NITERÓI, RJ
MAURICIO LORENZO CERDA LEMA
Tese de Doutorado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Biologia Marinha do Departamento de Biologia Marinha, Instituto de Biologia, Universidade Federal Fluminense, como requisito parcial para a obtenção do Título de Doutor em Biologia Marinha.
Orientador: AGUINALDO NEPOMUCENO MARQUES JR.
Niterói Junho de 2012
II
FICHA CATALOGRÁFICA
C 413 Cerda Lema, Mauricio Lorenzo
Biogeoquímica do C, N, P; hidrodinâmica de partículas e
evolução da eutrofização na região costeira de Niterói, RJ./Mau-
ricio Lorenzo Cerda Lema. – Niterói: [s. n.], 2012.
234f.
Tese – (Doutorado em Biologia Marinha) – Universidade
3.4.1 A Corrente do Brasil............................................................................... 21
3.4.2 Massas de Água da Plataforma Continental Sudeste do Brasil (PCSB)....................................................................................................
PRIMEIRO CAPíTULO: AMBIENTE LAGUNAR; BALANÇO DE NUTRIENTES NO SISTEMA LAGUNAR DE PIRATININGA-ITAIPU:EFEITOS DA RELIGAÇÃO DA CONEXÃO DA LAGUNA DE PIRATININGA COM O MAR ..............................................................................................................................
SEGUNDO CAPíTULO: SEDIMENTAÇÃO DA MATÉRIA ORGÂNICA PARTICULADA NA ENSEADA DE ITAIPU, UM AMBIENTE COSTEIRO DA PLATAFORMA CONTINENTAL SUDESTE DO BRASIL............................................................................................
TERCEIRO CAPÍTULO: EUTROFIZAÇÃO E QUALIDADE DA MATÉRIA ORGÂNICA AO LONGO DE REGISTROS SEDIMENTARES DA LAGUNA DE ITAIPU (RJ, BRASIL)............................................................................................
4.0 CONSIDERAÇÕES E CONCLUSÕES FINAIS............................................. 197
5.0 LITERATURA CITADA…………………………………………………………… 201
XI
APÊNDICE 1 ARTIGO “NUTRIENT BUDGETS IN THE ITAIPU-PIRATININGA
LAGOON SYSTEM (SOUTHEASTERN BRAZIL): EFFECTS OF
SEA-EXCHANGE MANAGEMENT
212
XII
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 Resumo dos parâmetros morfométrico da área de estudo.............. 11
Tabela 1.1 Precisão e limite de detecção das metodologias analíticas utilizadas na determinação das concentrações de nutrientes. São destacados em negrito os valores utilizados nesse estudo...............................................................................................
37
Tabela 1.2 Classificação do estado trófico e qualidade da água através do TRIX (Vollenweider et al. 1998)........................................................
40
Tabela 1.3 Resumo anual dos valores, quantificações dos parâmetros e fontes dos dados utilizados para o modelo de duas caixas LOICZ aplicado para as águas costeiras e o SLAPI. (DIP= fósforo inorgânico dissolvido, DIN= nitrogênio dissolvido inorgânico).........................................................................................
43
Tabela 1.4 Sumário estatístico dos resultados obtidos para as variáveis físico-
químicas e biológicas das águas das estações fixas de amostragem (Praia de Adão - PA, Prainha Piratininga - PP, Enseada de Itaipu - EI, Canal Tibau - CT, Canal Camboatá - CC e Laguna Itaipu - LI). Os sumários correspondem ao período de abril 2009 a março de 2011. Média ± DP (Mín - Máx)...................................................................................................
49
Tabela 1.5 Sumário estatístico das razões NID:P, Si:NID, Si:P, COD:COP e COP:Clo-a obtidos nas águas das estações fixas de amostragem (Praia de Adão - PA, Prainha Piratininga - PP, Enseada de Itaipu - EI, Canal Tibau - CT, Canal Camboatá - CC e Laguna Itaipu - LI). Os sumários correspondem ao período de abril 2009 a março de 2011. Média ± DP (Mín - Máx).........................................................
64
Tabela 1.6 Sumário dos resultados dos balanços de elementos conservativos
de água e sal para o sistema Lagunar Costeiro de Piratininga-Itaipu. Vq= Volumem dos rios; Vp= Volumem da precipitação; Ve=Volumem da evaporação; Vr= Volumem residual; Vx= Volumem de mistura; Ssist= Salinidade do sistema; Ssea= Salinidade do sistema externo; Sr= Salinidade residual..........................................
72
Tabela 1.7 Sumário dos resultados dos balanços dos elementos não
conservativos, fósforo (DIP), formas nitrogenadas inorgânicas (DIN), metabolismo ecossistêmico neto (p-r) e fixação de
nitrogênio menos desnitrificação (nfix-denit) para o SLAPI.................................................................................................
74
Tabela 1.8 Matriz de correlações significativas (p<0,05) entre as principais variáveis físico-quimicas das estações marinhas costeiras (PA; PP; EI)...............................................................................................
81
XIII
Tabela 1.9 Tabela comparativa dos resultados da Temperatura (T°C), Salinidade, Nitrogênio Inorganico Dissolvido (NID), Fósforo Inorgânico Dissolvido (PID), Carbono Orgânico Particulado (COP) e Clorofila (Clo-a) obtidos com outros trabalhos...............................
83
Tabela 1.10 Classificação do Estado Trófico proposto por Håkanson & Bryhn (2008) para águas superficiais..........................................................
94
Tabela 1.11 Resultados da Classificação do Estado Trófico e comparação de
outros estudos para águas costeiras e águas do SLAPI. SD= sem dados................................................................................................
94
Tabela 1.12 Balanços do DIP e DIN em alguns estuários ecossistêmicos
costeiros do Brasil. = Tempo de residência; DIPobs e DINobs=
Observado; 1*= (N:P) assumindo como material particulado detritos do plâncton como 106; 2*= assumindo como material particulado detritos do plâncton como 16..........................................
100
Tabela 2.1 Sumário das variáveis físico-químicas e biológicos da água da
Enseada de Itaipu para todo o período de estudo. Valores referentes à média (em negrito e em caixa mais alta), desvio padrão e valores mínimos e máximos.............................................................................
125
Tabela 2.2 Estatística descritiva, das concentrações de C, N e P, das razões
isotópicas 13C e 15N e das razões N:C, N:P e C:P no MPS coletado pela armadilha de sedimentos na Enseada de Itaipu (Valores:, média ± DP, variação Mínimo e Máximo)............................
127
Tabela 2.3 Estatística descritiva dos resultados obtidos para a taxa de sedimentação (g.m2d-1), e de COP, NOP, PT e PIT (m.gm2d-1) coletado pela armadilha de sedimentos na Enseada de Itaipu (valores médios, Desvio Padrão, Máximo e Mínimo)........................
129
Tabela 3.1 Valores médios percentuais (com mínimos e máximos) das diferentes frações granulométricas dos registros sedimentares da Laguna de Itaipu................................................................................
163
XIV
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Esquemas demonstrando (a) os limites físicos da zona costeira (LOICZ, 1993), (b) o modelo de estrutura e funcionamento da interface terra-mar (Gordon, 1996) e (c) a distribuição da densidade populacional nas áreas costeiras em escala global, destacando na área costeira do Brasil ........................................................................
5
Figura 2 Bacia de Drenagem do Sistema Lagunar Piratininga-Itaipu, SLAPI (Fonte: Google Earth, 2011 – http://www.google.com/earth)..............
11
Figura 3 Ilustração esquemática do processo de formação de Lagoas Costeiras evidenciando as seguintes fases: (a) Há cerca de 18.000 anos o nível dos mares estava muito abaixo do nível atual. Os talvegues eram formados pelo processo Erosão/Sedimentação nas bacias fluviais; (b) Transgressão Guanabarina, há cerca de 6.000 anos. O nível do mar subiu cerca de 4 metros acima do nível atual chegando à base da Serra do Mar; (c) Primeira Regressão, há cerca de 5.000 anos. O nível do mar recuou cerca de 1 metro abaixo do nível atual. Formação de lagunas da primeira geração pelo aprisionamento das águas pelos cordões arenosos (ex. Lagunas de Piratininga e Itaipu). Fonte: (Goya, 2005)....................................................................................................
14
Figura 4 Ilustração esquemática do processo das três faces hidrológicas do
sistema Lagunar Piratininga-Itaipu destacando (a) estagnação meso-halina, (b) desequilíbrio de diluição da salinidade e (c) desequilíbrio de concentração. Fonte: (Goya, 2005)..........................
18
Figura 5 Diagrama esquemático das características da circulação atmosférica sobre Brasil na Baixa troposfera (LI=Linha Instabilidade; BC=Baixa do Chaco; JBN= Jatos de níveis; CE= Cavado Equatorial; CCM= Complexos convectivos de Mesoescala; ZCTI= Zona de Convergência Inter Tropical e ZCAS= Zona de Convergência do Atlântico Sul. Adaptado de Satyamurty P, (1998)...............................
20
Figura 6 Mapa de climas encontrados no Brasil segundo Koeppen. Fonte: Atlas Nacional do Brasil IBGE.............................................................
20
Figura 7 Representação esquemática do giro subtropical do Atlântico Sul adaptado de (Stramma 1991).............................................................
22
Figura 8 Diagrama da Plataforma Continental Sul-Sudeste do Brasil (PCSB) destacando as principais massas d’água e características oceanográficas (Ferraz, 2003, adaptado de Matsuura 1986)..............
24
Figura 9 Carta de concentrações de clorofila-a na PCSB obtida no dia 19/01/2001.Fonte:
Figura 10 Carta de distribuição espacial de temperatura superficial da água do mar na PCSB para o dia 18/01/2001, destacando a ocorrência de ressurgência costeira na região entre Cabo Frio e Itaipu, no litoral do Estado do Rio de Janeiro. Fonte: http://www.comciencia.br/reportagens/litoral/lit18.shtml..............................
27
Figura 1.1 Mapa da região costeira do Município de Niterói destacando a localização geográfica das estações fixas de amostragem, na área costeira (PA: Praia de Adão; PP: Praia de Piratininga e EI: Enseada de Itaipu) e no Sistema Lagunar de Piratininga-Itaipu (CT: Canal do Tibau; CC: Canal do Camboatá; LI: Lagoa de Itaipu; R: rios que desembocam nas lagunas) na Região Oceânica de Niterói. São destacadas também as duas caixas utilizadas para modelagem biogeoquímica do LOICZ....................................................................
34
Figura 1.2 Esquema de separação e preparação das alíquotas de amostras de águas e suas finalidades analíticas (Simonassi 2010)........................
37
Figura 1.3 Diagrama simplificado caracterizando os fluxos de matéria (adaptado:
http://data.ecology.su.se/MNODE/) com (a) representação do balanço de água de um estuário e (b) representação dos fluxos de entrradas e saídas de água do sistema (flechas) ....................................................
42
Figura 1.4 Variação temporal da salinidade e precipitação (média correspondente aos 5 dias anteriores ao dia da amostragem) nas estações marinhas costeiras (Praia de Adão, Prainha Piratininga e Enseada de Itaipu)...............................................................................
50
Figura 1.5 Variação temporal da temperatura e precipitação (média correspondente aos 5 dias anteriores ao dia da amostragem) nas estações marinhas costeiras (Praia de Adão, Prainha Piratininga e Enseada de Itaipu)..............................................................................
50
Figura 1.6 Diagrama T/S referente aos dados obtidos para todo o período de amostragem nas estações costeiras marinhas. São destacados no diagrama os campos ocupados pelas principais massas d’água que ocorrem região (AC= Água Costeira; AT= Água Tropical; ACAS= Água Central do Atlântico Sul) e a estação do ano em que foi realizada a amostragem......................................................................
52
Figura 1.7 Variação temporal da salinidade e precipitação (média
correspondente aos 5 dias anteriores ao dia da amostragem) nas estações do Sistema Lagunar Piratininga-Itaipu (Canal Tibau - CT, Canal Camboatá – CC e Laguna de Itaipu - LI).................................
54
Figura 1.8 Variação temporal da temperatura e precipitação (média correspondente aos 5 dias anteriores ao dia da amostragem) nas estações do Sistema Lagunar Piratininga-Itaipu (Canal Tibau - CT,
Canal Camboatá – CC e Laguna de Itaipu - LI).................................. 54
Figura 1.9 Variação temporal das concentrações dos nutrientes inorgânicos dissolvidos, SiO3 (a), PO4 (b), NO3 (c), NH4 (d) e precipitação (média correspondente aos 5 dias anteriores ao dia da amostragem) em águas das estações fixas de coleta da área marinha costeira (Praia de Adão, Prainha Piratininga e Enseada de Itaipu).............................
57
Figura 1.10 Variação temporal das concentrações de carbono orgânico de
dissolvido COD (a), do nitrogênio total (NT) (b), do fósforo total (PT) (c) e precipitação (média correspondente aos 5 dias anteriores ao dia da amostragem) em águas das estações fixas de coleta da área marinha costeira (Praia de Adão, Prainha Piratininga e Enseada de Itaipu)..................................................................................................
58
Figura 1.11 Variação temporal das concentrações dos nutrientes inorgânicos dissolvidos, SiO3 (a), PO4 (b), NO3 (c), NH4 (d) e precipitação (média correspondente aos 5 dias anteriores ao dia da amostragem) em águas das estações fixas de coleta do Sistema Lagunar Piratininga-Itaipu (Canal Tibau - CT, Canal Camboatá – CC e Laguna de Itaipu - LI).......................................................................
61
Figura 1.12 Variação temporal das concentrações de carbono orgânico de dissolvido COD (a), do nitrogênio total (NT) (b), do fósforo total (PT) (c) e precipitação (média correspondente aos 5 dias anteriores ao dia da amostragem) em águas das estações fixas de coleta do Sistema Lagunar Piratininga-Itaipu (Canal Tibau - CT, Canal Camboatá – CC e Laguna de Itaipu - LI)............................................
62
Figura 1.13 Relação entre as razões N:P e Si:N obtidas através das concentrações dos nutrientes inorgânicos dissolvidos nas amostras de águas das estações fixas de coleta da (a) região marinha costeira (PA - Praia de Adão, PP - Prainha Piratininga e EI - Enseada de Itaipu) e (b ) do SLAPI (CT - Canal Tibau, CC - Canal Camboatá e LI - Laguna de Itaipu). O termo N na razão correspondente ao somatório das espécies de nitrogênio inorgânico medidas nas amostras (NO3 + NO2 + NH4).........................................
65
Figura 1.14 Variação temporal das concentrações de clorofila-a (a), COP (b), seston (c) e precipitação (média correspondente aos 5 dias anteriores ao dia da amostragem) águas das estações fixas de coleta da área marinha costeira (Praia de Adão, Prainha Piratininga e Enseada de Itaipu)...........................................................................
67
Figura 1.15 Variação temporal das concentrações de clorofila-a (a), COP (f) e seston (b) e precipitação (c) (média correspondente aos 5 dias anteriores ao dia da amostragem) em águas das estações fixas de coleta do Sistema Lagunar Piratininga-Itaipu (Canal Tibau - CT, Canal Camboatá – CC e Laguna de Itaipu - LI)..................................
68
XVII
Figura 1.16 Variação temporal do Índice TRIX nas águas (a) das estações fixas de coleta da área marinha costeira (Praia de Adão, Prainha Piratininga e Enseada de Itaipu) e (b) do Sistema Lagunar Piratininga-Itaipu (Canal Tibau - CT, Canal Camboatá – CC e Laguna de Itaipu - LI). AT= Alta, BO= Boa, RM= Ruim, PS= Péssima..............................................................................................
70
Figura 1.17 Balanço de água e sal para o Sistema Lagunar Costeiro de Piratininga-Itaipu para (a) 2005-2006 e (b) 2009-2010. Fluxo de água (m3 ano-1 x 106); fluxo de sal (m3 ano-1 x 106).............................
72
Figura 1.18 Fluxos de fósforo inorgânico dissolvido para a área costeira e SLAPI a=2005-2006 y b=2009-2010. Fluxos em 103mol ano-1.......................
74
Figura 1.19 Fluxos de fósforo inorgânico dissolvido para a área costeira e SLAPI a=2005-2006 y b=2009-2010. Fluxos em 103mol ano-1.....................
76
Figura 1.20 Correlações entre a salinidade e SiO3, NT, PT, Seston e COP, praia de Adão...............................................................................................
80
Figura 1.21 Correlações entre a Temperatura e NT, PT, COD e COP, praia de
Figura 1.22 Variação das rações N:P (a), Si:N (b) e Si:P nas estações marinhas costeiras adjacentes ao Sistema Lagunar Piratininga-Itaipu. A linha vermelha pontilhada corresponde as Razões de Redfield (N:P= 16; Si:N=1).................................................................................................
87
Figura 1.23 Registro fotográfico de floração de algas na Praia de Camboinhas,
localizada na Enseada de Itaipu. Fonte: Jornal “O Fluminense” 01/03/2012 e 1/02/2012.......................................................................
88
Figura 1.24 Variação das rações N:P (a), Si:N (b) e Si:P. Linha vermelha
ponteada valores baixos da razão de Redfield (<16) e Si:N (b) Redfield (<1). Nas águas do Sistema Lagunar Piratininga-Itaipu....................................................................................................
90
Figura 1.25 Registro fotográfico da mortalidade de peixes nas águas do Sistema Lagunar Piratininga-Itaipu. Fonte O Fluminense 07/10/2011..............
95
Figura 2.1 Área de estudo indicando a localização do ponto de instalação da
armadilha de sedimentos (*AS) na Enseada de Itaipu, Niterói............ 107
Figura 2.2 Esquema da armadilha de sedimentos instalada na Enseada de Itaipu. (No detalhe a fotografia da armadilha pronta para instalação na campanha) (Simonassi 2010)........................................................
109
Figura 2.3 Registro fotográfico da armadilha de sedimentos instalada na Enseada de Itaipu. (No detalhe, o sistema de troca dos frascos coletores de sedimentos)....................................................................
110
XVIII
Figura 2.4 Data de coleta, e duração dos experimentos com armadilha de sedimentação na enseada de Itaipu...................................................
111
Figura 2.5 Rosa dos ventos representando (a) a variação da direção dos ventos (em porcentagem) e (b) a velocidade média dos ventos (ms-
1) na Enseada de Itaipu para o período de outono de 2009 (abril, maio e junho). A rosa dos ventos é representada pelos valores dos ângulos (0o = Norte, 90º = Leste, 180º = Sul, 270º = Oeste)...............
118
Figura 2.6 Rosa dos ventos representando (a) a variação da direção dos ventos (em porcentagem) e (b) a velocidade média dos ventos (ms-
1) na Enseada de Itaipu para o período de inverno de 2009 (julho). A rosa dos ventos é representada pelos valores dos ângulos (0o = Norte, 90º = Leste, 180º = Sul, 270º = Oeste).....................................
118
Figura 2.7 Rosa dos ventos representando (a) a variação da direção dos
ventos (em porcentagem) e (b) a velocidade média dos ventos (ms-
1) na Enseada de Itaipu para o período de primavera de 2009 (setembro, outubro, novembro). A rosa dos ventos é representada pelos valores dos ângulos (0o = Norte, 90º = Leste, 180º = Sul, 270º = Oeste).............................................................................................
119
Figura 2.8 Rosa dos ventos representando (a) a variação da direção dos
ventos (em porcentagem) e (b) a velocidade média dos ventos (ms-
1) na Enseada de Itaipu para o período de verão de 2009 (janeiro e fevereiro). A rosa dos ventos é representada pelos valores dos ângulos (0o = Norte, 90º = Leste, 180º = Sul, 270º = Oeste)...............
119
Figura 2.9 Variação anual da precipitação da área de estudo durante o período de 2009-2010 comparado aos valores médios da série histórica de 40 anos (1968-2008).........................................................................
121
Figura 2.10 Distribuição de frequências de altura de ondas para o período de estudo na Enseada de Itaipu...............................................................
122
Figura 2.11 Diagrama temporal T/S referente a todo o período da instalação da armadilha de sedimentos, definindo os campos das massas de água da região (AC = Água costeira; AT = Água Tropical; ACAS = Água Central do Atlântico Sul).............................................................
123
Figura 2.12 Fotografias com microscópio invertido das amostras coletadas com as armadilhas de sedimentação instaladas na Enseada de Itaipu. Vista geral do material com abundantes restos de fitoplâncton e partículas biológicas imersas em uma matriz orgânica.......................
128
Figura 2.13 Variação temporal da temperatura da água na área da armadilha (a 8
m de profundidade; circulos) e fluxos de sedimentação do material particulado (barras) para todo período de estudo na Enseada de Itaipu....................................................................................................
131
XIX
Figura 2.14 Variação temporal dos fluxos de Carbono Orgânico Particulado (COP; circulos) e fluxos de sedimentação do material particulado (barras) para todo período de estudo na Enseada de Itaipu...............
131
Figura 2.15 Variação temporal dos fluxos de Nitrogênio Orgânico Particulado (NOP; cuadrados) e fluxos de sedimentação do material particulado (barras) para todo período de estudo na Enseada de Itaipu...............
131
Figura 2.16 Variação temporal dos fluxos de Fósforo Total (triângulos) e fluxos de sedimentação do material particulado (barras) para todo período de estudo na Enseada de Itaipu..........................................................
132
Figura 2.17 Variação temporal das Razões N:C (cuadrados) e dos fluxos de sedimentação do material particulado (barras) para todo período de estudo na Enseada de Itaipu..............................................................
133
Figura 2.18 Variação temporal do 13C (barra de erro de analise 0,2°/oo) e dos fluxos de Nitrogênio Total e fluxos de sedimentação do material particulado (barras) para todo período de estudo na Enseada de Itaipu....................................................................................................
133
Figura 2.19 Variação temporal do 15N (barra de erro de analise 0,3°/oo) e dos
fluxos de sedimentação do material particulado (barras) para todo período de estudo na Enseada de Itaipu.............................................
133
Figura 2.20 Registro fotográfico (a) ondas na Enseada de Itaipu, (b) barco encalhado na praia de Camboinhas, (c) orla da praia de Camboinhas refletindo os efeitos de um período de ressaca e passagens de frentes frias na região...................................................
140
Figura 2.21 Representação gráfica das amostras e variáveis do plano fatorial do
1° e 2° eixos da análise de componentes (ACP) da Enseada de Itaipu...................................................................................................
141
Figura 2.22 Carga das variáveis do primeiro componente..................................... 141
Figura 2.23 Carga das variáveis do segundo componente.................................... 142
Figura 2.24 A influência da fonte de carbono e fracionamento cinético em na composição isotópica media de plantas terrestres e marinhas (Libes 1992)...................................................................................................
145
Figura 2.25 Fontes de carbono e fracionamento cinético na composição isotópica média de plantas terrestres e marinhas (Libes 1992) ..........................
147
Figura 2.26
Fontes de carbono e fracionamento cinético na composição isotópica média de plantas terrestres e marinhas (Libes 1992)............................
148
XX
Figura 2.27 Valores das razões isotópicas de C e N (barra de erro de analise
0,2°/oo e 0,3°/oo para 13C e 15N, respectivamente) e da matéria orgânica no material sedimentado na Enseada de Itaipu e valores de outros trabalhos (Cifuentes 1988; Lima 2011; Albuquerque A 2012).....
151
Figura 3.1 Localização dos pontos de coleta dos testemunhos (T1= testemunho 1; T2= testemunho 2) na Laguna de Itaipu............................................
159
Figura 3.2 Triângulo de Shepard apresentando as características granulométricas do testemunho T1 da Laguna de Itaipu.......................
164
Figura 3.3 Triângulo de Shepard apresentando as características granulométricas do testemunho T2 da Laguna de Itaipu.......................
164
Figura 3.4 Distribuição vertical de porcentagem de (a) Argila, (b) Silte e (c) Areia
Siltosa na composição dos sedimentos do testemunho T1 da Laguna de Itaipu.................................................................................................
165
Figura 3.5 Distribuição vertical de porcentagem de (d) Argila, (e) Silte e (f) Silte
Arenoso na composição dos sedimentos do testemunho T2 da Laguna de Itaipu.....................................................................................
166
Figura 3.6 Perfil da Atividade do 210Pb em função da profundidade da coluna
sedimentar do testemunho T1................................................................ 167
Figura 3.7 Distribuição vertical da atividade do 210Pb (Bq.g-1) ao longo da profundidade no testemunho T1.............................................................
168
Figura 3.8 Distribuição vertical das concentrações de (a) Corg, NT (b), PT (c), Pinorg (d) e Porg (e), em sedimentos do testemunho T1, da Laguna de Itaipu.......................................................................................................
170
Figura 3.9 Distribuição vertical das concentrações de (a) Corg, NT (b), PT (c), Pinorg (d) e Porg (e), em sedimentos do testemunho T2, da Laguna de Itaipu.......................................................................................................
171
Figura 3.10 Distribuição vertical das razões N:C (a), N:P (b), C:P (c), 13C (barra
de erro de analise 0,2°/oo) (d) e 15N (barra de erro de analise 0,3°/oo) (e) nos sedimentos do testemunho T1, da Laguna de Itaipu.................
173
Figura 3.11 Distribuição vertical das razões N:C (a), N:P (b), C:P (c), 13C (barra
de erro de analise 0,2°/oo) (d) e 15N (e) e N (barra de erro de analise 0,3°/oo) nos sedimentos do testemunho T2, da Laguna de Itaipu..
173
Figura 3.12 Geologia e estrutura geológica da área de estudo na região costeira de Niterói................................................................................................
175
Figura 3.13 Modelo ideal adaptado de (Folk, Robles 1964)................................... 175
XXI
Figura 3.14 Curva das variações dos parâmetros estatísticos das amostras dos testemunhos T1 e T2. Recuperados na Laguna de Itaipu...................
177
Figura 3.15 Distribuição vertical do tamanho de partículas, N:C, 13C e 15N
(barra de erro de análise 0,2°/oo e =0,3°/oo para 13C e 15N, respectivamente) do registro sedimentar T1. A linha segmentada indica cada intervenção no ecossistema.............................................
179
Figura 3.16 Fotografias do (a) Canal Camboatá, que faz a conexão entre as
lagunas de Piratininga e de Itaipu (foto de 2010) e (b) vista aérea do Canal Itaipu, canal que conecta a Laguna de Itaipu com a Enseada de Itaipu (foto de 1987)........................................................................
180
Figura 3.17 Valores de 13C e razões N:C nos testemunhos T1 e T2 coletados na Laguna de Itaipu e no material coletado na armadilha de sedimento instalada na Enseada de Itaipu..........................................
182
Figura 3.18 Valores das razões isotópicas de C e N (barra de erro de analise
0,2°/oo e 0,3°/oo para 13C e 15N respectivamente) da matéria orgânica nos sedimentos dos testemunhos T1 e T2 da Laguna de Itaipu e no material sedimentado na Enseada de Itaipu. Os valores de Itaipu são confrontados com registros para difentes materiais naturais (Cifuentes 1988)....................................................................
184
Figura 3.19 Sub-bacias da bacia hidrográfica do rio João Mendes em (A) 1976 e (B) 1996 (Rodrigues 2004; Cunha 2010).............................................
185
Figura 3.20 Representação gráfica das amostras e variáveis dos planos fatoriais
do 1° e 2° eixos da análise de componentes (ACP) do testemunho T1 Laguna de Itaipu.............................................................................
187
Figura 3.21 Carga das variáveis na PC1 do testemunho T1.................................. 187
Figura 3.22 Distribuição vertical do tamanho de partículas, N:C, 13C e 15N do registro sedimentar T2. A linha segmentada indica cada intervenção no ecossistema...............................................................
188
Figura 3.23 Representação gráfica das amostras e variáveis do plano fatorial do 1° e 2° eixos da análise de componentes (ACP) do testemunho T2 Laguna de Itaipu..................................................................................
190
Figura 3.24 Carga das variáveis da PC1................................................................ 190
Figura 3.25 Diagrama com os (a) fluxos de fósforo e nitrogênio total nos sedimentos do testemunho T2 e (b) registro fotográfico ilustrando o crescimento populacional na região oceânica de Niterói..
193
1
RESUMO
Estudos sobre a biogeoquímica do C, N, P, hidrodinâmica de partículas e evolução da história da eutrofização foram realizados no Sistema Lagunar Piratininga-Itaipu (SLAPI) e na região costeira oceânica de Niterói, com foco na Enseada de Itaipu (EI). Para tanto foram avaliados (a) a variação de parâmetros físico-químicos da água por meio de monitoramento em diferentes escalas espaciais; (b) a circulação e estado trófico do SLAPI e da EI em períodos anteriores e posteriores à última intervenção na região (abertura da comunicação da Lagoa de Piratininga com o mar) através da aplicação do modelo de balanço de massa (LOICZ); (c) o transporte e sedimentação de material particulado em suspensão através da coletas com armadilha de sedimentos e (d) a reconstituição do histórico sedimentar a partir de testemunhos na Laguna de Itaipu. Os resultados do monitoramento das águas demonstraram a composição química das da Enseada de Itaipu é resultado de uma dinâmica complexa determinada pela interação entre diferentes massas de água, incluindo a ocorrência de eventos de ressurgência costeira da ACAS (Água Central do Atlântico Sul), pela troca de águas entre o SLAPI e a EI e pelas águas da Baía de Guanabara, que são os principais fatores relacionados à produção primária na enseada. O balanço de sal e água calculado para duas situações no SLAPI (antes e após a abertura do Canal do Tibau) apontou que os tempos de residência foram diferenciados nos dois períodos simulados. O tempo de residência obtido para a Lagoa de Piratininga para o período de 2005-2006 foi
cerca de duas vezes superior ao obtido após a reabertura da ligação com o mar (= 83 e 39 dias). Não houve alteração significativa para os tempos de residência caluculados para a
Lagoa de Itaipu (dias = 9 e 8). Os resultados do modelo LOICZ também apontaram que
ambas as Lagoas de Piratininga e Itaipu eram autogróficas (DIP> 0) durante o período 2005-2006 (antes da abertura da ligação ao mar) e que nesses ambientes prevaleciam
processos de desnitrificação (DIN <0). O segundo período (2009-2010) foi caracterizado por mudanças no estado trófico solo na laguna de Piratininga, ou seja, a lagoa passou de um
estado heterotrófico Piratininga (DIP> 0). As taxas de sedimentação do material particulado em suspensão (MPS) da Enseada de Itaipu variaram de 16,7 a 126,9 g.m-2d-1 e o processo de sedimentação é bastante influenciado pelas condições meteorológicas. Sistemas frontais provocam a ressuspenção e a sedimentação na coluna d’água da enseada, o que faz com que as taxas de sedimentação estimadas pelas armadilhas sejam superestimadas. As maiores taxas de sedimentação ocorreram no inverno e a composição química desse material revela uma mistura de material sedimentar marinho e de origem terrestre. No período primavera-verão ocorreram as menores taxas de sedimentação e o MPS gerado foi basicamente de origem marinha. O histórico sedimentar revelou uma taxa de sedimentação de 0,5 cm.ano-1 para a Laguna de Itaipu. A análise da variação da granulometria nos perfis possibilitou registrar as principais intervenções efetuadas ao longo dos últimos 70 anos na região lagunar (a abertura do Canal Camboatá em 1945, abertura da barra através do Canal Itaipu em 1979 e a dragagem do Canal de Itaipu em 2001). As razões N:C e os sinais isotópicos de C e N na base do testemunho evidenciaram que inicialmente a Lagoa de Itaipu era um sistema “sem influência antropogênica”, com uma alta produção biológica e com características típicas de mangues tropicais. Através dos níveis superiores subseqüentes do perfil foi possível inferir o gradual aumento da eutrofização cultural neste ecossistema. O pacote sedimentar recente indica o aumento dos fluxos de sedimentação de NT e PT até os dias atuais. O fluxo de NT calculado para os dias atuais é cerca de duas vezes superior ao obtido para o período anterior à urbanização enquanto que o fluxo PT é seis vezes maior atualmente. A evolução histórica dos valores desses fluxos é coerente com o crescimento populacional na região de estudo. Palavras Chaves: C-N-P, Eutrofização, LOICZ, Piratininga-Itaipu, Sedimentação.
2
ABSTRACT
Studies on the biogeochemistry of C, N, P, particle hydrodynamic and the historic evolution of eutrophication were investigated in the Sistema Lagunar Piratininga-Itaipu (SLAPI) and Enseada de Itaipu (EI) in the coastal region of Niterói, evaluating: a) the variations in water physico-chemical parameters at different time scales, b) the circulation and trophic state of the SLAPI and EI, prior to the opening of Canal do Tibau, which communicated Piratininga lagoon with EI, using a mass balance (LOICZ) model, c) the transport and sedimentation rates of suspended particulate matter collected by sediment trapping, d) the reconstruction of sedimentary history obtained from sediment cores at Itaipu lagoon. The results of the water monitoring showed that the chemical composition of EI results from a complex dynamic interaction between different water masses, including upwelling events of the SACW (South Atlantic Central Water), water exchange between SLAPI and EI and waters from the Guanabara Bay, all of which are the main factors associated with the primary production in EI. The salt and water balance calculated at two different times (before and after the opening of Canal do Tibau) using the LOICZ model, showed different water residence times. For the period of 2005-2006 in Piratininga, the value was about two times greater than that obtained after the opening of Canal do Tibau
(day = 83 and 39 days, respectively). In Itaipu values obtained were nearly the same for
both periods (day = 9:08). For the period 2005-2006, before opening the connection to
the sea, lagoons were both autotrophic (DIP > 0) and denitrification processes (DIN <0) prevailed. The second period (2009-2010) was characterized by changes in the trophic
state of Piratininga lagoon towards heterotrophic (DIP > 0). Sedimentation rates of particulate suspended matter (MPS) in Itaipu Inlet ranged from 16.7 to 126.9 gm-2d-1, and the sedimentation process was highly influenced by prevailing weather conditions. Frontal systems caused ressuspension and sedimentation in the EI overestimating sedimentation rates. The highest sedimentation rates occurred in winter and the chemical composition of this material revealed a mixture of marine and terrestrial sediment materials. In spring and summer sedimentation rates were lower and the MPS showed a marine origin. The history revealed a sediment accumulation rate of 0.5 cm.yr-1 at Itaipu lagoon. Variations in grain size in the sediment profiles indicated the main interventions in the system over the last 70 years. The differences showed a previous “pristine” environment and subsequent changes such as the opening of the Camboatá Channel (1945), the perenial opening of Itaipu Canal (1979), and channel dredging in Itaipu (2001). Through the analysis of the reasons N: C and isotopic signals of C and N, which accompanied the various changes in the ecosystem could be characterized as "without anthropogenic influence" with a high organic production, typical of a tropical humid mangrove area. After the anthropogenic influence, it was possible to notice signs of degradation and eutrophication. The recent sediments indicated high sedimentation flows of NT and PT until today. The NT was about twice the PT and six times larger than the estimated values referring to 1800. These values are consistent with population growth in the study region. Keys Words: C-N-P, Eutrofication, LOICZ, Piratininga-Itaipu, Sedimentation
Introdução Geral
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1. INTRODUÇÃO GERAL
As áreas costeiras mundiais ocupam a faixa situada entre 200m acima e 200m
abaixo do nível do mar e compreendem cerca de 18 % da superfície marinha. Essas
áreas compreendem 0,5 % do volume total dos oceanos (Gordon et al. 1996) (Figura
1a). Vários tipos de ecossistemas compõem essas as áreas costeiras, dentre eles
diversos tipos de sistemas estuarinos, como os deltas, os manguezais, os sistemas
lagunares, além de inúmeros outros. Esses ecossistemas são responsáveis pelo
equivalente a 50 % da produção global dos ambientes marinhos e, sob o ponto de
vista biogeoquímico, funcionam mediando fluxos de nutrientes entre o ambiente
continental e o oceânico (Valiela 1995). Além da fonte continental, o aporte de
nutrientes para as zonas costeiras ocorre também pela via atmosférica, ou pelo
próprio sistema oceânico, seja através de fenômenos oceanográficos como a
ressurgência costeira ou por outros processos de circulação de águas (Billen et al.
1991; Wollast 1993). Como resultado, as áreas costeiras apresentam uma elevada
dinâmica na ciclagem de nutrientes, o que implica em altas taxas de transformação e
retenção de materiais antes que eles atinjam o oceano. Esses fatores explicam a alta
produtividade biológica observada nessas áreas (Nixon, Pilson 1984; Billen et al.
1991; Howarth et al. 1996; Nixon et al. 1996) (Figura 1b).
Nas últimas décadas, entretanto, processos de urbanização e a intensa
utilização das áreas costeiras para os mais variados fins têm contribuído para sua
deterioração (Håkanson 2008). A ocupação das zonas costeiras normalmente tem
sido acompanhada do aumento da carga de nutrientes para estes ambientes, o que
5
tem contribuído de forma expressiva para o processo da eutrofização cultural
(Wollast 1993). Dentre as 18 maiores cidades do planeta, 13 estão localizadas na
zona costeira e, no Brasil, cerca da metade da população reside a não menos que
200 km do mar. Em números absolutos isso representa algo em torno de 85 milhões
de pessoas (Figura 1c) (Simonassi 2010). Estas regiões são, assim, altamente
vulneráveis às atividades humanas (Nixon 1995).
Figura 1. Esquemas demonstrando (a) os limites físicos da zona costeira (LOICZ 1993), (b) o modelo de estrutura e funcionamento da interface terra-mar (Gordon et al. 1996) e (c) a distribuição da densidade populacional nas áreas costeiras em escala global, destacando a área costeira do Brasil.
6
A região costeira da cidade de Niterói, situada na costa sudeste de Brasil, não
foge ao padrão de outras áreas costeiras mundiais. O setor da costa dessa cidade
que é voltada para o oceano, designado pelo termo “Região Oceânica do Município
de Niterói”, é um exemplo disso. O alto grau de crescimento populacional observado
ao longo das últimas 4 décadas ocorreu em ausência de um programa de
saneamento básico adequado. Em consequência, o despejo de grandes quantidades
de esgotos domésticos foi o principal fator responsável pela deterioração da
qualidade da água dessa região (Barboza 2003). Essa região costeira é constituída
por algumas praias oceânicas em suas margens, dentre elas a Enseada de Itaipu
(EI) e por um sistema lagunar que apresenta atualmente duas comunicações com o
mar, o Sistema Lagunar Piratininga-Itaipu (SLAPI). Esse sistema é composto por
duas lagunas (Laguna de Itaipu e Laguna de Piratininga) que recebem uma
importante carga de esgotos domésticos provenientes dos rios de sua bacia de
drenagem. A área marinha costeira (a Enseada de Itaipu e a área marinha costeira
adjacente) também recebe influência de águas eutroficadas da Baía de Guanabara
e de águas de origem oceânica provenientes das massas d’água Água Tropical (AT)
e Água Central do Atlântico Sul (ACAS). Esta última está associada a eventos
ressurgência de costeira no litoral do Estado do Rio de Janeiro.
Durante a última década, o SLAPI foi alvo de algumas intervenções que
visaram melhorar a qualidade de suas águas, particularmente as águas da Laguna
de Piratininga. Tais ações incluíram a revitalização do Canal de Camboatá, que faz a
ligação entre a Laguna de Piratinininga e a Laguna de Itaipu, a construção de um
canal ligando a Laguna de Piratininga ao mar e a construção de uma Estação de
7
Tratamento dos Esgotos (ETE) às margens do sistema lagunar. O ambiente do
Sistema Lagunar Piratininga-Itaipu também tem sido alvo de estudos na área
acadêmica, incluindo temas como metabolismo do sistema lagunar, ciclagem de
A formação geológica do SLAPI está associada às variações do nível relativo
do mar ocorridas durante os últimos 6.000 anos, quando o afogamento marinho de
antigas bacias fluviais formou enseadas, baías, estuários e braços de mar, que foram
sendo, gradualmente, barrados por cordões litorâneos, gerados por movimentos
transgressivo-regressivos do mar (Amador 1996) (Figura 3). O gênesis da formação
dessas lagoas aconteceu em duas etapas: (1) formação de uma enseada, ou laguna,
com o aprisionamento das águas internas, separadas do oceano por cordões
arenosos pelo movimento regressivo dos mares; (2) fechamento do cordão da
restinga, pelo transporte e empilhamento dos sedimentos arenosos, provenientes
dos talvegues das baixadas litorâneas e das encostas da Serra do Mar, pela ação
das correntes marinhas (Lamego 1945).
Nos tempos iniciais de sua formação, este sistema lagunar apresentava
características conspícuas, não possuindo ligação permanente com o mar, tendo
balanços hídricos positivos influenciados pelo regime de chuvas e sem influência das
marés. Devido a estas características, foram designadas pelo termo “lagoas de
transbordamento”, que se refere a ecossistemas que possuem ligação intermitente
com o mar (Lamego 1945). Estas lagoas acumulam água das precipitações, assim
como a contribuição dos pequenos rios que compõem suas bacias hidrográficas.
Normalmente, durante a estação chuvosa, o nível d’água se eleva e rompe o cordão
arenoso em seu ponto mais baixo, formando então uma “barra” (canal de ligação
com o mar), por onde se faz o “esvaziamento” da lagoa (Figura 4). O fenômeno do
“transbordamento”, na lagoa de Itaipu, ocorria no trecho mais estreito da restinga,
entre a Duna Grande e a Duna Pequena, onde hoje se encontra uma barra
13
permanente. Esta barra, no meio da restinga, ficava muito exposta à ação das ondas
e logo se fechava, sendo aberta sazonalmente pelas cheias de origem pluvial.
A Lagoa de Piratininga provavelmente manteve por longo tempo uma barra
permanente, protegida das ondas pela ponta da Galheta e pela Ilha do Veado.
Porém, esta barra também se fechava pelo desenvolvimento do cordão arenoso que
formou a Prainha. A pequena contribuição fluvial da bacia de Piratininga não gerava
vazão suficiente para a manutenção de uma barra permanente (Figura 4). A barra
intermitente era formada na “Prainha de Piratininga”, local onde existe pequena
enseada de águas mais tranquilas, situada entre a Ponta da Galheta e a Ponta do
Papagaio, protegida pela Ilha do Veado. Este local é hoje também conhecido como
Tibau, referência a um antigo pescador que ali fixou residência. O nome Piratininga,
ou Pirapetinga, na língua tupi, significa peixe seco, o que nos leva a deduzir que já
naquele tempo ocorriam mortandades de peixes, tese levantada em estudo sobre
esse sistema lagunar em 1946 (Oliveira 1946). Essa evidência também sugere a
ocorrência de eutrofização natural do sistema lagunar em épocas mais remotas.
Na década de 40, o fenômeno de transbordamento natural das lagoas pela
contribuição da precipitação inundava terrenos marginais, caminhos, estradas
interferindo, portanto, nas atividades econômicas da região. O rompimento da barra
era então acelerado pelos pescadores (Oliveira 1945). Essas intervenções eram
vitais para a renovação d’água e o equilíbrio ecológico do sistema lagunar, pois
permitia o ingresso de larvas de espécies marinhas de importância econômica para
os pescadores, uma vez que as lagoas constituíam-se em criadouros naturais de
peixes e, principalmente, de camarões (Henriques 2006).
14
Figura 3. Ilustração esquemática do processo de formação de lagoas costeiras evidenciando as seguintes fases: (a) Há cerca de 18.000 anos o nível dos mares estava muito abaixo do nível atual. Os talvegues eram formados pelo processo erosão/sedimentação nas bacias fluviais; (b) Transgressão Guanabarina, há cerca de 6.000 anos. O nível do mar subiu cerca de 4 metros acima do nível atual chegando à base da Serra do Mar; (c) Primeira Regressão, há cerca de 5.000 anos. O nível do mar recuou cerca de 1 metro abaixo do nível atual. Formação de lagunas da primeira geração pelo aprisionamento das águas pelos cordões arenosos (ex. Lagunas de Piratininga e Itaipu). Fonte: (Goya 2005).
No ano 1946 foi construída uma conexão artificial entre as Lagoas de
Piratininga e Itaipu para permitir o equilíbrio hidráulico entre as duas bacias, o Canal
de Camboatá. Esta solução foi proposta para minimizar os efeitos das enchentes que
ocorriam no período das chuvas. Vale ressaltar que pelo fato do espelho d’água da
Laguna de Itaipu se menor que o da Laguna de Piratininga, a primeira recebia uma
maior contribuição relativa do “run-off” através da bacia hidrográfica e o excedente da
15
água de Itaipu tendia a ser drenado para a Laguna de Piratininga. A construção
deste canal teve, entretanto, algumas consequências negativas pois veio a contribuir
com o aumento de criadouros de mosquitos anofelinos transmissores da malária
(Oliveira 1946). Posteriormente, em 1979, foi aberta uma barra permanente em
Itaipu, que resultou em novas modificações no SLAPI, entre as quais o esvaziamento
e a consequente perda de área do espelho d’água da Laguna de Piratininga, dada a
diferença de cota de fundo das duas lagoas.
A ocupação urbana da região oceânica de Niterói foi iniciada nos anos 40, após
a incorporação do Distrito de Itaipu a Niterói, que ocorreu em 1943. O primeiro
projeto de loteamento teve inicio em 1945 através da “Companhia de
Desenvolvimento Territorial de Itaipu”, dando origem ao loteamento “Cidade
Balneária de Itaipu”, que foi posteriormente dividido em Camboinhas, Bairro
Atlântico, Bairro Boa Vista e Cidade Balneária. Em 1949, o loteamento Maravista é
aprovado ocupando todo o banhado existente ao norte da lagoa de Itaipu, desde
onde se localiza hoje o Rio da Vala até o Canal Camboatá. Em 1951/1952 são
aprovados na região de Piratininga os loteamentos Marazul (1951) e o Bairro de
Piratininga (1952), localizados no trecho da restinga, entre a lagoa e o mar,
abrangendo todo o restante do entorno da lagoa. A expansão urbana e imobiliária foi
intensificada na década de 70 após da construção da Ponte Rio-Niterói, o que
provocou grandes alterações no SLAPI. Alguns exemplos dessas intervenções foram
à construção da barra permanente na Lagoa de Itaipu (o atual Canal de Itaipu) e a
realização de dragagens e aterros para regularização hidráulica das duas lagoas
(Silva 1991). Alguns efeitos associados à construção dessa barra artificial
16
“permanente” foram (1) a diminuição da lâmina e do espelho de água das duas
lagoas, (2) o descobrimento de áreas marginais pelo esvaziamento das lagoas, (3) a
invasão de vegetação terrestre e a acumulação de lixo e (4) a alteração na dinâmica
de sedimentação na área costeira adjacente.
Antes da construção da barra artificial, o SLAPI era caracterizado por três fases
hidrológicas. A 1ª fase - Estagnação Mesohalina - que se dava com a barra fechada
e as lagoas em equilíbrio de vasos comunicantes. A salinidade variava de 17, em
Piratininga, para 10 em Itaipu, enquanto que no mar, se situava em torno de 35. A
menor salinidade em Itaipu é explicada pela contribuição fluvial, especialmente do
Rio João Mendes. Esta era a fase mais prolongada e característica (Figura 4a). A 2ª
fase - Desequilíbrio de Diluição da Salinidade – ocorria quando o nível das lagoas se
elevava cerca de 1,30m acima do nível do mar, inundando terrenos vizinhos,
chegando quase a penetrar nos barracões dos pescadores e apodrecendo parte das
plantas não aquáticas da orla das lagoas que não suportavam asfixia prolongada.
Nesta fase, a contribuição das chuvas reduzia muito a salinidade das águas, a qual
chegava em torno de 6 (Figura 4b). A 3ª fase - Desequilíbrio de concentração -
começava com o rompimento da barra, que normalmente ocorria em Piratininga. Os
pescadores cavavam um canal com o uso de enxadas e pás e a pressão das águas
se encarregava de abrir e alargar a saída. O esvaziamento das lagoas ocorria em um
período de durava de 8 a 20 dias, dependendo das condições do mar e da largura do
canal (Figura 4c). O retorno à situação inicial se dava com o fechamento da barra,
em geral em uma semana, pelo depósito de areia provocado pelas ondas (Oliveira
1945).
17
Estudos hidrológicos realizados após a construção do Canal de Itaipu, em 1979,
apontaram que a renovação das águas da Laguna de Piratininga por águas marinhas
era extremamente variável e ocorria em função das amplitudes de maré e das
diferenças entre os níveis de água das duas lagoas. Variações de 1 m na Laguna de
Itaipu podiam induzir variações entre 0,1 e 0,2 m no nível da Laguna de Piratininga.
Outro estudo sobre circulação realizado no SLAPI reportou que após essas últimas
intervenções, o tempo de renovação das águas (T50% em dias) era de 16 dias para
a Laguna de Piratininga e 1 dia para a Laguna de Itaipu na década de 1980
(Knoppers et al. 1991). Esse fato levou a um alto grau de deterioração da Laguna de
Piratininga, o que levou à construção de um canal subterrâneo de para ligar a
Laguna de Piratininga ao mar no ano de 2008.
18
Figura 4. Ilustração esquemática do processo das três faces hidrológicas do sistema Lagunar Piratininga-Itaipu destacando (a) estagnação meso-halina, (b) desequilíbrio de diluição da salinidade e (c) desequilíbrio de concentração. Fonte: (Goya 2005).
3.2. Clima
A região Sudeste do Brasil possui um clima diversificado devido a sua
topografia variável, sua posição geográfica e, principalmente, aos aspectos
dinâmicos da atmosfera, que incluem os sistemas meteorológicos de micro, meso e
grande escala. Esses sistemas atuam direta ou indiretamente no regime pluvial, que
é influenciado pela Zona de Convergência do Atlântico Sul (ZCAS), definida como a
faixa de nebulosidade persistente que se estende do Atlântico Sul Central ao sul da
Amazônia, a qual está associada a uma zona de convergência na baixa troposfera e
19
é orientada no sentido noroeste-sudeste, ficando bem caracterizada no verão (Castro
et al. 2006). Outro fator de influência no clima é a ocorrência de frentes rrias; que se
caracterizam pela presença de massas de ar frio (em movimento ou estacionária).
Em geral as frentes frias se apresentam na atmosfera como um domo de ar frio e
denso sobre a superfície da terra que se introduz sob o ar mais quente e menos
denso, provocando uma queda rápida de temperatura junto ao solo, o que ocorre
ocasionando tempestades e trovoadas. Esses eventos são os principais
responsáveis pela precipitação pluvial na região (Barbiéri 1981). Existe também o
cenário oposto, que ocasiona grandes períodos de estiagem, através da associação
do Anticiclone Subtropical do Atlântico Sul e o Vórtice Ciclônico de Ar Superior,
dependendo das suas posições (Figura 5).
O clima do setor costeiro da região oceânica de Niterói é classificado como um
clima tropical úmido do tipo Aw segundo Köeppen (Barbiéri 1981) (Figura 6). As
médias das temperaturas situam-se entre 23 e 31 °C no verão, 18 e 26 °C no
inverno, 19 e 27 °C no outono e 20 e 29 °C durante a primavera (Barbiéri, 1981).
Observa-se um período chuvoso de novembro ao início do outono, com máximas
ocorrendo em janeiro e fevereiro e, ocasionalmente, em março. No entanto, existe a
ocorrência de um período seco típico entre julho e setembro.
20
Figura 5. Diagrama esquemático representando as características da circulação atmosférica
sobre Brasil na baixa troposfera (LI=Linha Instabilidade; BC=Baixa do Chaco; JBN= Jatos de níveis; CE= Cavado Equatorial; CCM= Complexos convectivos de Mesoescala; ZCTI= Zona de Convergência Inter Tropical e ZCAS= Zona de Convergência do Atlântico Sul. Adaptado de (Satyamurty P 1998).
Figura 6. Mapa de climas encontrados no Brasil segundo Koeppen. Fonte: Atlas Nacional do
Brasil (IBGE).
21
3.3. Vegetação
A cobertura da vegetação existente na região é diversificada em função de
diferentes tipos de ambiente e de fatores como o clima, a topografia, drenagem e
litologia. No sistema Lagunar de Piratininga-Itaipu e na sua área de drenagem podem
ser identificados quatro tipos de vegetação: (1) a mata tropical úmida, que representa
um resquício da mata atlântica é característica das áreas litorâneas, ocorrendo nas
áreas mais altas; (2) a vegetação paludial ocorre nas baixadas associadas à
deposição de sedimentos fluviais (essas áreas com altitudes de até 3 metros); essa
vegetação concentra grandes quantidades de matéria orgânica sobre ela
desenvolvem-se depósitos de turfa sob solos arenosos encharcados; (3) a vegetação
de mangue, que é característica da porção marginal das lagunas com águas
salobres ou salgadas, sedimentos finos e com altos teores de matéria orgânica e (4)
a vegetação de restinga, que é característica do cordão arenoso que separa as
lagunas do oceano, exibindo espécies xerófitas adaptadas a solo arenoso, salobro e
sujeito ao dessecamento pela brisa marinha (Knoppers, Kjerfve 1999).
3.4. Oceanografia
3.4.1. A Corrente do Brasil
A Corrente do Brasil é a corrente de contorno oeste associada ao giro
subtropical do Atlântico Sul (Figura 7). Origina-se ao sul do equador a 10° S, na
região onde o ramo mais ao sul da Corrente Sul Equatorial se bifurca, formando
também a Corrente Norte do Brasil (Stramma 1991; da Silveira et al. 1994). A
Corrente do Brasil então flui para o sul, bordejando o continente sul-americano até a
22
região da Convergência Subtropical (33-38° S), onde conflui com a Corrente das
Malvinas e se separa da costa. Assim, a Corrente de Brasil nasce e se desenvolve
ao largo da costa brasileira, constituindo-se na feição oceânica mais importante da
borda oeste do oceano Atlântico Sul (Castro et al. 2006).
Figura 7. Representação esquemática do giro subtropical do Atlântico Sul adaptado de
(Stramma 1991).
23
3.4.2. Massas de Água da Plataforma Continental Sudeste do Brasil (PCSB)
As características termohalinas das massas de água de origem oceânica
presentes na PCSB são resultados da mistura entre as seguintes massas d’água:
- Água Tropical (AT): massa de água quente com baixos teores de nutrientes e
alta salinidade (T>20°C e S>36,40), transportada no sentido sul-sudoeste na camada
superficial (0-200 m) da corrente do Brasil, sobre o talude continental, nas
proximidades da quebra da plataforma continental (Miranda 1982);
- Água Central do Atlântico Sul (ACAS): massa de água relativamente fria e
rica em nutrientes (T<20°C e S<36,40), transportada no sentido sul-sudeste ao longo
do talude continental, na camada inferior à Corrente do Brasil (200-500 m) próximo à
quebra da plataforma continental (Miranda 1982).
- Água costeira (AC): massa de água resultante da mistura da descarga
continental de água doce com as águas da plataforma continental, com salinidades
mais baixas que as outras massas d’água que ocorrem na PCSB (S<34) devido,
principalmente, ao efeito combinado dos muitos pequenos e médios rios existentes
na costa. A Água Costeira apresenta teores relativamente altos de silicato, nitrato e
fosfato (Figura 8).
A partir da quebra do talude para fora, encontramos as seguintes massas de
água como: Água Intermediaria Antártica (AIA), Água Antártica de Fundo (AAF), a
Água Profunda do Atlântico Norte (APAN) e a Água Superior Circumpolar Antártica
(ACA) (Matsuura 1986).
24
Figura 8. Diagrama da Plataforma Continental Sul-Sudeste do Brasil (PCSB) destacando as
principais massas d’água e características oceanográficas (Ferraz, 2003, adaptado de Matsuura 1986).
25
3.4.3. Ressurgência
A interpretação física do fenômeno da ressurgência costeira data do século XIX,
quando o pesquisador E. Witte, em 1880, concluiu que ela poderia ocorrer devido a
efeitos da rotação da Terra e do vento incidindo em direção ao alto mar. Atualmente,
sabe-se que os movimentos ascendentes característicos de regiões de
ressurgências, na maioria das vezes, são gerados pela divergência do campo de
velocidade de correntes induzidas pelo vento. Estes movimentos ascendentes com
duração e extensão mínimas, capazes de ocasionar anomalias na distribuição de
propriedades físicas, químicas e biológicas na superfície do mar, devem ser
considerados como resultantes do fenômeno da ressurgência {Ferraz, 2003 #182}.
Emilsson (1961) descreveu pela primeira vez o fenômeno da ressurgência costeira
em Cabo frio e atribuiu sua causa a um processo termo-halino. Posteriormente, Silva
e Rodriguez 1966, 1971, 1968 estudaram o mecanismo da ressurgência de Cabo
Frio baseando-se em dados de observação hidrográfica e concluíram que a
ressurgência predominante nessa área é causada pela mudança dos ventos
predominantes (Figura 8).
A ocorrência de águas de baixa temperatura, anormais pela latitude geográfica
de Cabo Frio, onde a orientação da linha de costa muda de NE-SW para E-W e a
plataforma continental é mais estreita, é um fenômeno conhecido de longa data. O
mecanismo básico da ressurgência costeira é a divergência unilateral, na costa, do
transporte de deriva do vento. Em torno de Cabo Frio, ventos de L e NE geram
transporte de volume na camada de Ekman superficial em direção ao largo (Figura
9). A divergência unilateral desse transporte requer, por continuidade, um transporte
26
de ajuste, em direção à costa, que ocorre em toda coluna d’água. Abaixo da camada
de Ekman, o transporte de ajuste propicia penetração de massas de água
subsuperficiais em direção à costa. Dependendo da intensidade e da persistência
dos ventos, as águas subsuperficiais podem aflorar, fechando o ciclo de ressurgência
costeira. A massa de água que ressurge em Cabo Frio é a Água Central do Atlântico
Sul (ACAS), fria, menos salina e com altas concentrações de sais nutrientes,
particularmente nitrato, fertilizando e estimulando, dessa forma, a produção primária
e secundária da região (Figura 9).
Durante o inverno, esse mecanismo de deslocamento de águas é interrompido
devido à presença de ventos de quadrante S-SW e/ou S-SE oriundos de frequentes
passagens de sistemas frontais. Sob estas condições predomina o fluxo de águas
quentes (>20ºC) e oligotróficas e existe a quebra da termoclina estabelecida no
verão (Valentin 1984). As águas da Plataforma Sul-Sudeste (Figura 10) são
extremamente produtivas e são responsáveis por 50-70% da produção pesqueira do
Brasil (Paiva 1997).
A influência da ressurgência costeira para nossa área de estudo, principalmente
a Enseada de Itaipu foi reportada por estudos anteriores (Barboza 2003). Dados da
autora revelam a presença de eventos de ressurgência, com afloramento da ACAS,
no período de primavera. Essas águas tinham baixas temperaturas e altas
concentrações de nitrato, aumentando a produtividade primária nesta região costeira
(Figura 9 e 10).
27
Figura 9. Carta de concentrações de clorofila-a na PCSB obtida no dia 19/01/2001. Fonte:
Figura 10. Carta de distribuição espacial de temperatura superficial da água do mar na PCSB
para o dia 18/01/2001, destacando a ocorrência de ressurgência costeira na região entre Cabo Frio e Itaipu, no litoral do Estado do Rio de Janeiro. Fonte:
Primeiro Capítulo: AMBIENTES LAGUNARES; BALANÇO DE NUTRIENTES NO SISTEMA LAGUNAR DE PIRATININGA-ITAIPU: EFEITOS DA RELIGAÇÃO DA CONEXÃO DA LAGUNA DE PIRATININGA COM O MAR 1.1. INTRODUÇÃO
Os ecossistemas marinhos costeiros tem sido, cada vez mais, afetados
pela introdução de efluentes ricos em nutrientes. As fontes são variadas, mas
normalmente são de origem antropogênica (Justić et al. 1995; Nixon 1995;
Smith et al. 1999) e incluem fontes urbanas (redes pluviais e esgotos
domésticos), industriais e agrícolas. Em todo caso, o aumento das cargas de
nutrientes está principalmente relacionada à intensificação do processo de
ocupação e uso das zonas costeiras (Newton et al. 2003b; Newton, Mudge
2005). Vale mencionar o dramático aumento observado para a emissões
globais de nitrogênio (N), que estima-se ter aumentado cerca de 10 vezes no
último século (Howarth et al. 1996). Esse quadro se configura em um
constante aumento da eutrofização, e consequente deterioração, de várias
áreas costeiras mundiais. Dentre os inúmeros casos cita-se o Mar Báltico, o
Mar Negro, o Mar Adriático, o Golfo de México, a Baía de Chesapeake, a Baía
São Francisco, a Baía de Guanabara (Nixon 1995; Kjerfve et al. 1997b;
Rabalais 1999; Cloern, 2001; Braga et al. 2000; Moncheva et al. 2001;
Wasmund et al. 2001; Dell'Anno et al. 2002; Newton et al. 2003b; Penna et al.
2004; Simonassi 2010).
As enseadas costeiras, os sistemas estuarinos e os sistemas lagunares
costeiros são particularmente suscetíveis a essas descargas de nutrientes.
Isso se dá em função de características particulares dessas áreas com
relação à dinâmica da circulação interna e ao tempo de residência das águas,
que às vezes pode ser relativamente elevado (Paerl 1997). A entrada de
30
nutrientes nos ecossistemas lagunares está muito associada às atividades
humanas e pode ocorrer através de rios ou córregos, pântanos e pela
remineralização da matéria orgânica na água e nos sedimentos. Assim, o
conhecimento sobre o fluxo de nutrientes a partir destas fontes é fundamental
para a compreensão do funcionamento dos sistemas lagunares e para
melhorar a gestão de tais ecossistemas. Nas áreas costeiras a eutrofização
pode ser extremamente severa, uma vez que estas tendem a funcionar como
filtros de diversos elementos oriundos do continente. O enriquecimento de
nutrientes causa grandes mudanças no equilíbrio estequiométrico de
nutrientes e têm um efeito significativo na comunidade planctônica, alterando
a sua composição e diversidade. Em alguns casos extremos essas descargas
de nutrientes podem levar ao desenvolvimento de florações de fitoplâncton
contendo algas com toxinas; “HABs – Harmfull Algal Blooms” (Michael Beman
et al. 2005); (Anderson et al. 2002). Por outro lado, as áreas muito
eutroficadas tendem a apresentar uma disruptura no balanço produção-
respiração, o que gera, por vezes, momentos com déficits acentuados de
oxigênio nas camadas inferiores da coluna d’água (Vollenweider 1992; Nixon
1995). Os problemas associados a isso vão desde a mortandade de peixes
até a manifestação de doenças nas populações humanas (Braga et al. 2000;
Carreira et al. 2002a).
Particularmente na zona costeira da região sudeste do Brasil estão
localizados os maiores e mais industrializados centros urbanos do país. Esta
região da costa brasileira apresenta diversos sistemas estuarinos, que tem
sofrido efeitos danosos relacionados ao excesso de poluentes lançados em
suas águas ao longo das últimas quatro a cinco décadas (Kjerfve et al. 1997b;
31
Braga et al. 2000; Marques Jr. et al. 2005). Na Baía de Guanabara, por
exemplo, localizada no litoral do Estado do Rio de Janeiro, a descarga de
esgotos sem tratamento prévio levou a diminuição em cerca de 90% da
atividade pesqueira e impossibilitou o uso de suas águas para fins recreativos
(Rebello et al. 1988; Kjerfve et al. 1997b).
O Sistema Lagunar Piratininga-Itaipu (SLAPI) e sua bacia de drenagem
estão localizados nessa região da costa brasileira, no Município de Niterói
(Estado do Rio de Janeiro), e tem sido alvos de um intenso processo de
urbanização ao longo das últimas quatro décadas. Na década de 1970, a
urbanização foi acelerada nessa região pela construção da Ponte Rio-Niterói.
Nessa época, a abertura de um canal permanente entre a lagoa Piratininga e
do mar foi também fechado causado alterações drásticas (Barroso et al.
2000). Como resultado, tanto o sistema lagunar e a área costeira adjacente
tem mostrado sinais de eutrofização devido à liberação de grandes
quantidades de esgoto doméstico semi-tratado ou bruto. O processo de
eutrofização foi mais intenso na lagoa de Piratininga, que teve o seu antigo
canal de comunicação com o mar fechado durante a década de 1980. Isto
conduziu a um aumento no tempo de residência de água e acumulação de
matéria orgânica na lagoa, criando um ambiente hipertrófico. Na tentativa de
minimizar esses efeitos, o governo local restabeleceu, em 2008, a ligação da
lagoa de Piratininga com o mar. No mesmo período, uma estação de
tratamento das águas residuais domésticas foi construída para reduzir as
cargas de esgoto nas lagoas.
O presente estudo se insere nesse contexto e está tem como foco a
dinâmica dos principais processos relacionados às variações temporais das
32
concentrações de nutrientes na Enseada de Itaipu e no Sistema Lagunar
Piratininga-Itaipu. Visa avaliar os efeitos das intervenções no metabolismo do
sistema lagunar por meio do cálculo de um balanço de massa, considerando
os elementos conservativos (salinidade) e não-conservativos (N, P).
Realizaram-se os cálculos usando o "Programa LOICZ" (Terra-Oceano
Interações na Zona Costeira) através da aplicação de um modelo geoquímico
de duas caixas. Os dados das séries temporais foram obtidos a partir de dois
anos de acompanhamento. Os dados da série temporal de 2005-2006 foram
fornecidos pelo Laboratório de Biogeoquímica de Ambientes Aquáticos, da
Universidade Federal Fluminense (UFF) e os da série temporal de 2009-2010
foram obtidos durante esse estudo. Estes dois períodos foram escolhidos por
representarem épocas nas quais a Lagoa de Piratininga não estava e estava
conectada com o mar (2005-2006 e 2009-2010, respectivamente).
33
1.2. MATERIAL E MÉTODOS
1.2.1. Amostragem
O Sistema Lagunar Piratininga-Itaipu (SLAPI) e sua área costeira
adjacente estão localizados na cidade de Niterói (22 ° 55 'e 22 ° 58'S e 43 °
07' e 43 ° 03'W), Rio de Janeiro (Brasil) e tem uma área de 34,1 km2. O SLAPI
é composto por duas lagoas rasas que se comunicam uma com a outra
através de um, o Canal de Camboatá e com o mar através de dois outros
canais. A profundidade média das lagoas é de cerca de 1m e a entrada de
água doce é principalmente feita pelos rios Arrozal, Jacaré e João Mendes
(Figura 1) (Knoppers, Kjerfve 1999). Essa região apresenta um ciclo sazonal
meteorológico caracterizado por um verão chuvoso e um inverno seco. O
regime da marés é do tipo semi-diurno, com uma altura de 1.0m (Knoppers,
Kjerfve 1999).
Amostras de água foram coletadas realizadas no Sistema Lagunar
Piratininga-Itaipu (SLAPI) e na Enseada de Itaipu. Os períodos amostrais
compreendem dez expedições realizadas entre junho de 2005 a novembro de
2006, e de dezoito a trinta e sete expedições entre abril de 2009 e março de
2011. No primeiro período (2005-2006) o canal que faz a ligação entre a lagoa
de Piratininga com o mar estava desativado e o segundo período (2009-2011)
corrresponde ao período pós a abertura do canal. A amostragem foi feita em
nove pontos situados à jusante dos três rios (R. arrozal, R. Jacaré e R. João
Mendes), nas duas lagoas (CT e LI), na Praia de Adão (PA), na Praia de
Piratininga (PP) e na Enseada de Itaipu (EI) (Figura 1.1). A amostragem foi
realizada em intervalos aproximadamente quinzenais (2009) e/ou mensais
(2010-2011) em todas as estações. As amostras de água foram coletadas na
34
superfície da coluna d’água com auxílio de uma Garrafa tipo Van Dorn com
capacidade 2,5 litros. Após a coleta, cada amostra foi filtrada “in situ” com
ajuda de um funil com malha de 300 µM para excluir pequenas partículas,
pedaços de folhas e o zooplâncton. Em seguida, as amostras foram
armazenadas em garrafas de polietileno (1L), previamente lavadas com
solução de HCl 1:1 e água destilada, e mantidas em caixas de isopor com
gelo (4°C) até serem transportadas para o laboratório (“Laboratório de
Biogeoquímica de Ambientes Aquáticos”, UFF). Paralelamente, em cada
estação de amostragem foram também medidos os seguintes parâmetros “in
situ”: temperatura, salinidade e oxigênio dissolvido através da utilização de
Figura 1.1. Mapa da região costeira do Município de Niterói destacando a localização
geográfica das estações fixas de amostragem, na área costeira (PA: Praia de Adão; PP: Praia de Piratininga e EI: Enseada de Itaipu) e no Sistema Lagunar de Piratininga-Itaipu (CT: Canal do Tibau; CC: Canal do Camboatá; LI: Lagoa de Itaipu; R: rios que desembocam nas lagunas) na Região Oceânica de Niterói. São destacadas também as duas caixas utilizadas para modelagem biogeoquímica do LOICZ.
35
1.2.2. Análises Laboratoriais
No laboratório, as amostras foram aliquotadas para determinações totais
(nitrogênio e fósforo totais), no material dissolvido (nutrientes inorgânicos
dissolvidos e carbono orgânico dissolvido) e no material particulado (seston,
clorofila-a). No primeiro caso (nutrientes totais), foram separadas duas
alíquotas de 100 ml em frascos de polietileno, as quais foram congeladas (-20
°C) até as análises do nitrogênio total (NT) e fósforo total (PT). As frações
particulada e dissolvida foram separadas a partir da filtração a vácuo de um
litro (1 L) de amostra com membranas de fibra de vidro (Whatman GF/F de 47
mm de diâmetro e de 0,7 μM de porosidade), conforme recomendado para
águas costeiras produtivas (Figura 1.2) (Caspers 1987). Todos os filtros,
exceto os destinados às análises de pigmentos fotossintéticos, foram
previamente lavados com água destilada e calcinados (550°C, 4 h), para
então serem pesados em uma balança analítica de 5 casas decimais (Marca
Sartorius).
O material retido nos filtros (material particulado) foi utilizado para
determinações de sólidos totais em suspensão (seston) e clorofila-a. O seston
foi obtido por gravimetria através da secagem e pesagem dos filtros a peso
constante. A clorofila-a foi extraída em filtros úmidos com acetona 90% e
quantificada por espectrofotometria (Strickland, Parsons 1972b) (Lorenzen
1967). Os resultados de seston foram expressos em mgL-1 e os de clorofila-a
em gL-1. O carbono orgânico particulado (COP) foi determinado em filtros
secos (60°C, a peso constante) através de analisador TOC-V CPH (total
organic carbon analyzer; Shimadzu). A etapa da digestão para a
determinação de nitrogênio e fósforo totais, foi feita utilizando-se amostra
36
bruta da água (sem filtrar). Um volume de 5 ml de água de amostra bruta foi
colocado em frasco de teflon (inclusive a tampa), contendo 10 ml dissolução
oxidante. Em seguida, os fracos foram submetidos colocados em uma de
pressão específica para forno micro-ondas e lá deixadas por 20 minutos
(Barboza 2003).
A análise dos nutrientes inorgânicos dissolvidos foi feita em cinco
alíquotas de filtrados de 100 ml (nutrientes inorgânicos dissolvidos). Essas
alíquotas foram armazenadas em frascos de polietileno. Foram realizadas as
determinações dos seguintes nutrientes: amônia (NH4), nitrito (NO2), nitrato
(NO3), fosfato (PO4) e silicato (SiO3). As concentrações foram determinadas
através de técnicas espectrofotométricas (Figura 1.2) (Strickland, Parsons
1972b; Grasshoff et al. 1983). A precisão dessas análises e o limite de
detecção foram estimados mediante triplicatas. Os valores desses parâmetros
encontram-se detalhados na Tabela 1.1.
37
Tabela 1.1. Precisão e limite de detecção das metodologias analíticas utilizadas na determinação das concentrações de nutrientes. São destacados em negrito os valores utilizados nesse estudo.
Figura 1.2. Esquema de separação e preparação das alíquotas de amostras de
águas e suas finalidades analíticas (Simonassi 2010).
Nutrientes Concentração (M) Error (%)Limite de detecção
(M)Fonte
PO4 - PT 0,2 ± 15 0,03 Grasshoff et al. (1983)
0,9 ± 5 0,03 Grasshoff et al. (1983)
2,8 ± 2 0,03 Grasshoff et al. (1983)
NO2 - NO3 - NT 0 -5 ± 10 0,01 Grasshoff et al. (1983)
Na avaliação da qualidade ambiental de estuários e áreas costeiras
sempre são utilizadas variáveis que estão relacionadas ao estado trófico
destes ecossistemas. São considerados potencialmente relevantes para
estuários os seguintes indicadores: nitrogênio total (NT) e fósforo total (PT),
clorofila-a (Clo-a), transparência da água e oxigênio dissolvido (OD), cujas
concentrações devem ser monitoradas (USEPA 2001). Neste estudo o estado
trófico foi avaliado através do Índice TRIX (“The Composite Trophic Status
Index”), que compara informações conjugando fatores que estão diretamente
relacionados à produtividade (a clorofila-a e o oxigênio dissolvido) com os
nutrientes (nitrogênio e fósforo).
O TRIX é um índice que resulta de uma combinação linear de quatro
variáveis de estado. Essas variáveis são relacionadas à produção primária
(clorofila-a e oxigênio dissolvido) e a condição nutricional (nitrogênio e
fósforo). O índice é calculado como se segue:
(1)
onde:
- Clo-a = concentração de clorofila-a em g.L-1 ;
- [DO%] = valor absoluto do desvio da saturação do oxigênio do oxigênio
calculado = [100 – OD%] ;
- NT = concentração do nitrogênio total em mg.L-1;
- PT = concetração do fósforo total em mg.L-1
Os parâmetros K = 1,5 e m = 1,2; são coeficientes escalares incluídos
para fixar os valores dos limites inferiores e superiores do índice e a faixa
39
relacionada ao estado trófico, respectivamente e compreendem valores de 2 a
8 (Tabela 1.2).
Os valores do TRIX devem ser calculados para cada amostra de acordo
com este algoritmo proposto e classificados de acordo com o estado trófico e
a qualidade da água através dos critérios apresentados na Tabela 1.2.
40
Tabela 1.2. Classificação do estado trófico e qualidade da água através do TRIX (Vollenweider et al. 1998).
1.2.4. Análises Estatísticas
Além dos procedimentos básicos de análise descritiva (média, desvio
padrão, máximo, mínimo), o conjunto dos resultados obtidos desse estudo foi
submetido ao teste de verificação de normalidade proposto por Kolmogorov-
Smirnov, uma vez que a normalidade é pré-requisito fundamental para a
aplicação das análises paramétricas. As variáveis que não atingiram
significância estatística foram normalizadas através de uma transformação
logarítmica natural (ln (x + 1), sendo x é a variável) viabilizando sua utilização
nas análises. As relações entre os parâmetros estudados (variáveis) nas
diferentes estações de coleta foram obtidas e verificadas através da análise
de correlação de Pearson. Para se identificar diferenças significativas entre as
áreas de amostragem foi aplicada, para cada parâmetro, a Análise de
Variância Unifatorial (ANOVA) (Zar 1984).
1.2.5. Princípios do modelo LOICZ
Para entender o funcionamento do Sistema Lagunar Piratininga-Itaipu,
antes e após da abertura do canal subterrâneo de ligação entre o mar e a
Laguna de Piratininga, foi adotado o procedimento de modelagem do balanço
de massa descrito nas recomendações do LOICZ (Gordon et al. 1996). O
Valor IQA-TRIX ESTADO TRÓFICO Significado Ambiental Qualidade Ambiental
2 - 4 Baixo Baixa produção Alta
4 - 5 Médio Moderada produção Boa
5 - 6 AltoEntre moderada e alta
produçãoRuim
6 - 8 Mais Alto Alta produção Péssima
41
LOICZ é um modelo de balanço de massas biogeoquímico que descreve as
taxas de entradas do material ao sistema (entradas), e as taxas de material
removido do sistema (saídas) e as taxas de alteração de material dentro do
sistema (fontes internas) (Figura 1.3 a e b). Na abordagem do LOICZ, são
estabelecidos basicamente quatro balanços sequenciais: (i) balanço da água,
(ii) balanço da sal, (iii) balanço dos materiais não-conservativos N, P e (iv) as
relações estequiométricas entre os balanços dos matérias não-conservativos.
Para construir o modelo de balanço de massas, o sistema foi dividido em
duas caixas (Lagunas de Piratininga e Itaipu), tendo como entradas para este
sistema a água doce (Vq), a precipitação (Vp) e a descarga de esgoto (Vo).
Foram considerados como saídas a evaporação (Ve) e o fluxo residual (Vr).
Neste estudo, os dados utilizados para a descarga dos rios (Vq), precipitação
direta (Vp), evaporação direta (Ve) e esgotos (Vo), são apresentados na
Tabela 1.3.
42
Figura 1.3. Diagrama simplificado caracterizando os fluxos de matéria (adaptado:
http://data.ecology.su.se/MNODE/) com (a) representação do balanço de água de um estuário e (b) representação dos fluxos de entrradas e saídas de água do sistema (flechas).
Tabela 1.3. Resumo anual dos valores, quantificações dos parâmetros e fontes dos dados utilizados para o modelo de duas caixas LOICZ aplicado para as águas costeiras e o SLAPI. (DIP= fósforo inorgânico dissolvido, DIN= nitrogênio dissolvido inorgânico).
Utilizou-se os valores estimados por Couto et al. (2000) para a descarga
de esgoto para o SLAPI. Devido à dificuldade para se obter dados de fluxos
de águas subterrâneas, esta entrada não foi incluída no modelo. O fluxo do
Lagunas-Enseada Itaipu Parametros Codigo Quantidade Valor Fonte de dados
Lagunas Piratininga-
Itaipu Evaporação Ve mmyr-1 1195,6
Média Anual de Evaporação, Serie de tempo de
54 anos (1935-1991) Atlas Climatologico
(Niteroi)
Lagunas Piratininga-
Itaipu Precipitação Vp mmyr-1 1224,1
Média Anual de Evaporação, Serie de tempo de
54 anos (1935-1991) Atlas Climatologico
(Niteroi)
Laguna Piratininga Descarga Superficie
(Rio) ArrozalVq m3s-1 0,03 Cyclo Anual (Knoppers et al, 1999)
Laguna Piratininga Descarga Superficie
(Rio) JacaréVq m3s-1 0,06 Cyclo Anual (Knoppers et al, 1999)
Laguna Itaipu Descarga Superficie
(Rio) João MendesVq m3s-1 0,1 Cyclo Anual (Knoppers et al, 1999)
Sistema Lagunar Esgoto (DIN) Vo x (DIN) 103molyr-1 0,4 Cyclo Anual (Couto et al, 2000)
Sistema Lagunar Esgoto (DIP) Vox(DIP) 103molyr-1 3 Cyclo Anual (Couto et al, 2000)
Laguna Piratininga Area Km2 3 Knopper et al (1999)
Laguna Itaipu Area Km2 2 Knopper et al (1999)
Laguna Piratininga Salt (2005-2006) Ssist 18,3 Média Anual este estudo (n=10)
Laguna Itaipu Salt (2005-2006) Ssist 30,4 Média Anual este estudo (n=10)
Enseada Itaipu Salt (2005-2006) Ssea 33,2 Média Anual este estudo (n=10)
Laguna Piratininga DIP (2005-2006) DIP1 M 11,7 Média Anual este estudo (n=10)
Laguna Itaipu DIP (2005-2006) DIP2 M 2,1 Média Anual este estudo (n=10)
Enseada Itaipu DIP (2005-2006) DIPocn M 0,97 Média Anual este estudo (n=10)
Laguna Piratininga DIN (2005-2006) DIN1 M 21,8 Média Anual este estudo (n=10)
Laguna Itaipu DIN (2005-2006) DIN2 M 12,1 Média Anual este estudo (n=10)
Enseada Itaipu DIN (2005-2006) DINocn M 4,3 Média Anual este estudo (n=10)
Laguna Piratininga NOP:POP (2005-
2006)N:P 19 Média Anual este estudo (n=10)
Laguna Itaipu NOP:POP (2005-
2006)N:P 8 Média Anual este estudo (n=10)
Laguna Piratininga Salt (2009-2010) Ssist 26 Média Anual este estudo (n=23)
Laguna Itaipu Salt (2009-2010) Ssist 31,3 Média Anual este estudo (n=23)
Enseada Itaipu Salt (2009-2010) Ssea 34 Média Anual este estudo (n=23)
Laguna Piratininga DIP (2009-2010) DIP1 M 2,4 Média Anual este estudo (n=23)
Laguna Itaipu DIP (2009-2010) DIP2 M 2,1 Média Anual este estudo (n=23)
Enseada Itaipu DIP (2009-2010) DIPsea M 0,6 Média Anual este estudo (n=23)
Laguna Piratininga DIN (2009-2010) DIN1 M 17,7 Média Anual este estudo (n=23)
Laguna Itaipu DIN (2009-2010) DIN2 M 15 Média Anual este estudo (n=23)
Laguna Piratininga NOP:POP (2005-
2006)N:P 18 Média Anual este estudo (n=23)
Laguna Itaipu NOP:POP (2005-
2006)N:P 13 Média Anual este estudo (n=23)
Enseada Itaipu DIN (2009-2010) DINocn M 4,2 Média Anual este estudo (n=23)
44
Canal Camboatá não foi considerado para os cálculos feitos para o modelo
LOICZ pelo fato dele ser considerado como "bidirecional". Isso foi assumido
com base nos resultados das análises das séries temporais de salinidade,
que foram medidas em uma estação fixa no Canal do Camboatá em ambos
períodos. A média e desvio-padrão obtido foram de 14,8 ± 6,9 para o período
2005-2006 e 24,5 ± 5,2 para o período de 2009-2010. Estes resultados
indicam uma troca de água ativa entre as duas lagunas.
Com base nesta informação, o fluxo residual (Vr) foi calculado de acordo
como a equação 2:
- (2)
Nesta equação o valor numérico de Ve é negativo, o que implica que a
água sai do sistema por evaporação. Vq, Vp e Vo (vazão dos rios, precipitação
e fluxo de esgoto) são positivos, o que implica que a água que entra no
sistema. Se Vr é negativo, isso indica que existe uma saída líquida do sistema
para a área adjacente (exportação).
Para a conservação de sal no sistema, a quantidade de sal que sai do
sistema e considerado como fluxo residual (Vr), que é equilibrado pela
quantidade de sal que entra no sistema como fluxo de mistura (Vx) causados
por os ventos, marés ou fluxo estuarino, como é descrito na equação (3):
sea s st) (3)
Onde:
Ssyst = são as concentrações de salinidade do sistema lagunar,
Ssea = as concentrações de salinidade do sistema e oceano.
45
A razão entre o volume do sistema (Vsyst) e a soma do volume de mistura
(Vx) com o valor absoluto do volume residual (|Vr|) são expressas em
unidades de tempo, sendo o tempo médio de residência de água doce (), ou
tempo de residência hidráulico do sistema descrito na seguinte equação (4).
(4)
O balanço do material não-conservativo (N e P) é formulada na equação (5)
(5)
Entradas e saídas são calculados como produtos de entrada de água ou de
saída (V) com as concentrações adequadas de nutrientes (Y) descrita na
seguinte equação (6):
(6)
Assim, Y é descrita na equação (7):
- (7)
Onde a concentração de nutrientes no mar é Ysea, e a concentração no
sistema é Ysyst. No caso de um comportamento conservador, Y deve ser
zero (Y = 0). Um resultado positivo de Y indica que o sistema está
liberando material (r) e um Y negativo indica absorção do material (p).
1.2.6. Relações estequiométricas entre os balanços não conservativos
Os cálculos baseiam-se no modelo das razões estequiométricas C:N:P
de 106:16:1 estabelecidas por Redfield (1934), levando-se em consideração
que a quantidade destes elementos na matéria orgânica (MO) tem uma razão
molar semelhante a do fitoplâncton (equação 8). Considerando que a base da
produção primária é o fitoplâncton, os processos de produção e mineralização
da matéria orgânica são descritos pela equação (8):
46
Da esquerda para a direita existe produção da matéria orgânica (p) e a
reação inversa mostra a mineralização (r). A estequiometria dessa equação
estequiométrica (p-r) é obtida e fornece uma medida do metabolismo líquido
do ecossistema (NEM).
Portanto, para se obter a concentração de um elemento na equação
acima e para se definir a relação estequiométrica entre estes elementos, o
resto da equação pode ser teoricamente inferido. Considerando que os fluxos
de fósforo inorgânico dissolvido (DIP) não são conservativos, seria uma
aproximação do metabolismo líquido do ecossistema (fotossíntese e
respiração) e sendo que as reações que ocorrem com o fósforo não são
menos complexas do que as que ocorrem com o nitrogênio e carbono, o
metabolismo líquido do sistema é definida pela equação (9):
Quando um sistema mostra um DIP positivo (DIP > 0), ele é
interpretado como produtor de DIC (carbono inorgânico dissolvido)
principalmente por meio da respiração (p-r < 0; respiração > fotossíntese). Se
um sistema apresenta uma DIP negativo (DIP <0), o sistema passa a ser
um produtor primário de matéria orgânica (p-r > 0; fotossíntese > respiração).
Assumindo que razão N:P do material particulado para um sistema é
conhecida (N:P =16; razão de Redfield), o fluxo de DIN associado com a
produção e a decomposição da matéria orgânica é associado ao fluxo de
fósforo dissolvido (P = DIP), que pode ser estimado quando multiplica-se
por 16 (equação 9). Neste estudo foi utilizado o N:P da razão de Redfield e a
47
razão N:P obtida a partir de nossos resultados com o material particulado em
suspensão (PON = nitrogênio orgânico particulado e POP= fósforo orgânico
particulado).
Assim, Nfixação-desnitrificação pode ser estimada como a diferença entre a
medida do fluxo de DIN (DIN = NO2 + NO3 + NH4) e do fluxo de DIN
esperado para a produção e decomposição da matéria orgânica (Nexp)
(equação 9). A diferença entre o Nobservado e o Nesperado é indicativa de
outros processos que podem alterar a concentração de N no sistema, além da
produção e mineralização da matéria orgânica. Quando os valores obtidos
são positivos, eles indicam que há fixação do nitrogênio no sistema, enquanto
que os valores negativos representam que o sistema perde nitrogênio
(equação 10).
- - (10)
Onde: fixação de nitrogênio (Nfix) e desnitrificação (NDenit).
48
1.3. RESULTADOS
A síntese das análises estatísticas descritivas efetuadas para as
diferentes variáveis ao longo do período 2009-2011 deste estudo é
apresentada na Tabela 1.4. Em geral as águas do Sistema Lagunar de
Piratininga-Itaipu (SLAPI) apresentaram maiores valores de temperatura,
menores valores de salinidade e as mais altas concentrações de nutrientes,
seston e clorofila-a em comparação com as águas marinhas costeiras.
1.3.1. Precipitação Atmosférica, Temperatura e Salinidade
A. Praia de Adão, Prainha de Piratininga e Enseada de Itaipu
A Estação da Enseada de Itaipu (EI), localizada na área costeira
adjacente ao SLAPI, apresentou os valores mais elevados de salinidade do
estudo, com média de 34,06 (± 1,45) para o período total de amostragem.
Além disso, a EI apresentou temperaturas relativamente mais baixas (Tmédia
= 23,58 ± 2,01) e águas mais oxigenadas (ODmédia = 9,03 ±1,73) que as
demais áreas costeiras marinhas monitoradas (Praia de Adão - PA e Prainha
de Piratininga - PP) (Tabela 1.4). As maiores variações para esses
parâmetros foram observadas nos períodos de primavera e verão. A
comparação entre as médias correspondentes às séries temporais de dados
de salinidade das três estações marinhas (EI, PP, PA) apontaram a presença
de diferenças significativas entre PA com relação as demais (ANOVA;
p<0,05). As águas menos salinas ocorreram nesta estação, enquanto que os
valores de salinidade observados na EI e na PP foram similares entre si
(Figura 1.4). Um outro padrão observado é relacionado com a precipitação
atmosférica, podendo ser descrito como um gradiente caracterizado pela
49
maior influência da precipitação atmosférica na salinidade das áreas mais
continentais.
Tabela 1.4. Sumário estatístico dos resultados obtidos para as variáveis físico-químicas e biológicas das águas das estações fixas de amostragem (Praia de Adão - PA, Prainha Piratininga - PP, Enseada de Itaipu - EI, Canal Tibau - CT, Canal Camboatá - CC e Laguna Itaipu - LI). Os sumários correspondem ao período de abril 2009 a março de 2011. Média ± DP (Mín - Máx).
A comparação entre os resultados de temperatura não revelou
diferenças entre os locais monitorados nesse estudo (ANOVA; p>0,05).
Ressalta-se que durante o período entre 11/2009 e 04/2010 foi observado um
aumento generalizado na temperatura nas três estações de amostragem
(Figura 1.5). De forma similar, não foram observadas diferenças significativas
entre as médias de oxigênio dissolvido (OD) obtidas nas três áreas (ANOVA;
p>0,05). Entretanto, é conveniente ressaltar que a EI apresentou as maiores
variações nas concentrações de oxigênio dissolvido, com valores variando
entre 14,5 mgL-1 e mínimos de 5 mgL-1 entre os períodos de 06/2009 e
12/2009, comparado com os outros dos locais de estudo respectivamente.
Figura 1.4. Variação temporal da salinidade e da precipitação (média correspondente aos 5 dias anteriores ao dia da amostragem) nas estações marinhas costeiras (Praia de Adão, Prainha Piratininga e Enseada de Itaipu).
Figura 1.5. Variação temporal da temperatura e da precipitação (média correspondente aos 5 dias anteriores ao dia da amostragem) nas estações marinhas costeiras (Praia de Adão, Prainha Piratininga e Enseada de Itaipu).
51
O diagrama T/S construído a partir de medidas de temperatura e
salinidade efetuadas ao longo do monitoramento nas diversas estações
marinhas (EI, PP e PA) é apresentado na Figura 1.6. No diagrama é
destacada a área correspondente ao triângulo de mistura, cujos vértices
correspondem às três principais massas de água que ocorrem na Plataforma
Continental Sudeste do Brasil (PCSB): (a) Água Tropical (AT), quente e salina
(T>20°C e S>36,40); (b) Água Costeira (AC), resultante da mistura da
descarga continental de água doce com águas da plataforma continental
(T>22°C e S<33) e (c) Água Central do Atlântico Sul (ACAS), relativamente
fria (T < 18°C, S 34,0 e 36,0), que caracteriza períodos de ressurgência
(Castro, 2006). Observa-se no diagrama que as águas apresentam um alto
grau de mistura no período, com uma maior influência da Água Costeira. É
também notável uma leve contribuição da ACAS no período de verão.
52
Figura 1.6. Diagrama T/S referente aos dados obtidos para todo o período de
amostragem nas estações costeiras marinhas. São destacados no diagrama os campos ocupados pelas principais massas d’água que ocorrem região (AC= Água Costeira; AT= Água Tropical; ACAS= Água Central do Atlântico Sul) e a estação do ano em que foi realizada a amostragem.
53
B. SLAPI (Sistema Lagunar Pirantininga-Itaipu)
As médias dos valores de salinidade obtidas para as estações do SLAPI
(CT – Canal do Tibau, CC – Canal do Camboatá e LI – Lagoa de Itaipu) foram
menores que as observadas nas estações da área costeira (Tabela 1.4). No
SLAPI foram também observadas diferenças significativas entre as
salinidades dos três locais de amostragem (ANOVA p<0,05), sendo essas
diferenças relativas ao Canal Camboatá (CC) com relação às demais
estações (CT e LI). Nas séries temporais das três áreas do SLAPI foram
também observadas grandes variações na salinidade (S=11,3 para CT, S=
17,3 para CC e S= 9,6 para LI). As maiores variações foram observadas nos
períodos de primavera e verão (Figura 1.7).
As médias das temperaturas das três estações do SLAPI foram
similares, não apresentando diferenças significativas entre si. As maiores
temperaturas observadas foram registradas no CC, com valor máximo de
32,6. O menor valor de temperatura ocorreu na LI (20,5 °C). De forma similar
que a salinidade, as maiores variações de temperatura foram observadas na
primavera e no verão (Figura 1.8).
Com relação ao OD, foram observadas diferenças significativas (p>
0,05) relacionadas aos resultados da LI, que apresentou os maiores valores
de OD dentre os três locais amostrados (Tabela 1.4). O menor valor de OD do
estudo, 2 mgL-1, foi medido no CT em 11/2009.
54
Figura 1.7. Variação temporal da salinidade e da precipitação (média correspondente
aos 5 dias anteriores ao dia da amostragem) nas estações do Sistema Lagunar Piratininga-Itaipu (Canal Tibau - CT, Canal Camboatá – CC e Laguna de Itaipu - LI).
Figura 1.8. Variação temporal da temperatura e precipitação (média correspondente
aos 5 dias anteriores ao dia da amostragem) nas estações do Sistema Lagunar Piratininga-Itaipu (Canal Tibau - CT, Canal Camboatá – CC e Laguna de Itaipu - LI).
55
1.3.2. Variação Temporal dos Nutrientes nas Águas
A. Praia de Adão, Prainha de Piratininga e Enseada de Itaipu
As médias obtidas para as concentrações de nutrientes dissolvidos nas
estações costeiras marinhas (PA, PP, EI) revelaram que a Praia de Adão
apresenta as maiores concentrações de nutrientes (SiO3 - 10,57 ± 5,7 ML-1,
- 7,47 ± 26,6 mgL-1). Esses valores mais extremos foram medidos durante o
período da primavera. A análise estatística mostrou diferenças significativas
(ANOVA; p<0,05) entre os três locais com relação a PA para os parâmetros
SiO3, PO4, NO3, e NH4 (Tabela 1.4).
Dentre os nutrientes, o SiO3 foi o que apresentou a maior relação com
os índices de precipitação. As altas concentrações de SiO3 estiveram
frequentemente acompanhadas de baixas salinidades e maiores índices
pluviométricos. Os teores máximos foram observados na PA (22,04 M em
11/6/10) e os mínimos na EI (0,51 M em 03/2/11) (Figura 1.9a).
As menores flutuações das concentrações de PO4 ocorreram nas
estações EI e PP. De forma similar a outros nutrientes, as maiores variações
foram observadas durante a primavera. Entretanto, na estação da Praia de
Adão as concentrações PO4 sempre se mantiveram acima das observadas
nos outros locais, apresentando um valor máximo de 3,40 M em 28/04/10
(Figura 1.9b).
As séries temporais das concentrações de NO3 demonstraram padrões
temporais similares nas três áreas (PA, PP e EI) (Figura 1.9c), ainda que a PA
tenha apresentado as maiores concentrações. As maiores variações foram
observadas no período de 05/2009 e 10/2009, com valores máximos de 9,6
56
M na PA para o dia 14/8/09 e valores mínimos de 0,1 M na EI no mês de
fevereiro 2011 (Figura 1.9c). Na série temporal da NH4 observa-se um padrão
similar entre PP e EI, sendo que menores valores são observados na PP. As
maiores flutuações ocorreram na PA no período de 5/09 até 11/09 e a mais
alta concentração foi medida no dia 14/10/10 (11,6 M) (Figura 1.9d).
De forma diferente dos outros nutrientes, não foram observadas
diferenças significativas entre os três locais (ANOVA; p>=0,05) com relação
ao COD. As maiores variações das concentrações foram observadas na Praia
de Adão, com um valor extremo de 153,30 mgL-1, ocorrido no mês de
fevereiro. Em geral os valores de COD foram mais baixos na Prainha de
Piratininga em comparação com os outros locais de estudo (Figura 1.10a).
Em alguns casos, flutuações estiveram associadas à precipitação.
Em geral, na área costeira adjacente ao Sistema Lagunar Itaipu-
Piratininga, as maiores concentrações de NT e PT foram observadas na PA.
Entretanto, pode-se destacar a presença de picos desses dois nutrientes na
EI durante o mês de novembro de 2009, o que contribuiu decisivamente para
o aumento da média desta estação (Figura 1.10b e c). A análise estatística
mostrou diferenças significativas (ANOVA; p<0,05) relacionadas à PP para
ambos NT e PT com relação às demais estações (Tabela 1.4).
57
Figura 1.9. Variação temporal das concentrações dos nutrientes inorgânicos
dissolvidos, SiO3 (a), PO4 (b), NO3 (c), NH4 (d) e precipitação (média correspondente aos 5 dias anteriores ao dia da amostragem) em águas das estações fixas de coleta da área marinha costeira (Praia de Adão, Prainha Piratininga e Enseada de Itaipu).
58
Figura 1.10. Variação temporal das concentrações de carbono orgânico de
dissolvido COD (a), do nitrogênio total (NT) (b), do fósforo total (PT) (c) e precipitação (média correspondente aos 5 dias anteriores ao dia da amostragem) em águas das estações fixas de coleta da área marinha costeira (Praia de Adão, Prainha Piratininga e Enseada de Itaipu).
59
B. SLAPI (Sistema Lagunar Piratininga-Itaipu)
Conforme anteriormente mencionado, as águas do SLAPI
apresentaram as maiores concentrações dos nutrientes dissolvidos, sendo
que no Canal do Camboatá (Estação CC) foram observados os valores mais
elevados. As concentrações médias (± desvio padrão) observadas na CC
foram 36,9 ± 24,0 para SiO3, 5,2 ± 6,4 para o PO4 e 28,6 ± 32,5 para NH4. A
única exceção foi o caso do NO3, que apresentou valores mais elevados na
Laguna de Itaipu (3,4 ± 3,2) (Tabela 1.4).
A comparação entre as concentrações da maioria dos nutrientes revelou
também que existem diferenças significativas (ANOVA; p<0,05) entre as três
estações do SLAPI. Os maiores valores de SiO3, 44,3 e 54,4 M, foram
encontrados nas três estações para o período de 09/09 a 12/09
respectivamente (Figura 1.11a).
As estações CT e LI apresentaram semelhanças quanto à variação
temporal das concentrações de fósforo, sendo 0,1 e 2,4 M os valores
máximos e mínimos obtidos na série. No entanto, no Canal Camboatá
observaram-se concentrações mais elevadas (uma a duas ordens de
grandeza superiores), com valor extremo de 14,9 M de PO4 (Figura 1.11b).
Tanto o nitrato quanto o amônio apresentaram padrões de variação temporal
similares nas três estações de amostragem, com valores máximos de 18,4 M
para NO3 na estação LI (mês de janeiro 2011) e 79,9 M para NH4 na estação
CC no dia 08/09/2010 (Figura 1.11c e d). No Canal Camboatá foram
observadas as maiores concentrações de COD (97,11 mgL-1) e na Laguna de
Itaipu foram observadas as maiores variações. A maior concentração de COD
observada na LI foi de 18,50 mgL-1. A despeito disso, para o COD não foram
60
observadas diferenças significativas entre as estações de amostragem
(ANOVA; p>0,05). (Figura 1.12a).
No Sistema Lagunar de Piratininga-Itaipu, as maiores concentrações
médias de NT e PT ocorreram no Canal Camboatá (129,12 ± 29,80 e 14,51 ±
7,03 M respectivamente), sendo esses valores significativamente diferentes
dos observados nos outros locais (ANOVA; p<0,05) (Tabela 1.4). Nas séries
temporais de NT e PT observa-se um comportamento uma similaridade para
as variações das concentrações nas estações LI e CT. Esses valores
variaram entre 8,1 e 121,2 M para NT e 0,89 e 12,3 M de PT. Porém, as
maiores variações de concentrações foram observadas na estação CC
(Figura 1.12b). O NT apresentou valores variando entre 92,2 (19/11/2010) a
194,2 M (14/10/2010) enquanto que para o PT foi observada uma variação
de 8,7 (24/02/2011) a 28,6 M (02/12/2010) (Figura 1.12c).
61
Figura 1.11. Variação temporal das concentrações dos nutrientes inorgânicos
dissolvidos, SiO3 (a), PO4 (b), NO3 (c), NH4 (d) e precipitação (média correspondente aos 5 dias anteriores ao dia da amostragem) em águas das estações fixas de coleta do Sistema Lagunar Piratininga-Itaipu (Canal Tibau - CT, Canal Camboatá – CC e Laguna de Itaipu - LI).
62
Figura 1.12. Variação temporal das concentrações de carbono orgânico de dissolvido COD (a), do nitrogênio total (NT) (b), do fósforo total (PT) (c) e precipitação (média correspondente aos 5 dias anteriores ao dia da amostragem) em águas das estações fixas de coleta do Sistema Lagunar Piratininga-Itaipu (Canal Tibau - CT, Canal Camboatá – CC e Laguna de Itaipu - LI).
63
1.3.3. Disponibilidade de Nutrientes
As razões N:P (molares) relativas aos nutrientes inorgânicos dissolvidos
(NID:P) apresentaram as seguintes médias e desvios padrões nas estações
marinhas costeiras: PA= 8,3 ± 4,5; PP= 9,4 ± 9,3; EI= 12,1 ± 12,3. Para as
7,7; EI= 2,7 ± 7,3 (Tabela 1.5; Figura 1.13a). De forma geral, as razões N:P
são consideradas baixas enquanto as razões Si:N são consideradas
relativamente elevadas se comparadas com a demanda ideal do fitoplâncton
descrita pela razão C:N:P e Si:N de Redfield, que são de 106:16:1 e 1.
As razões N:P e Si:N tenderam a ser mais baixas no período dezembro
de 2010 e de fevereiro de 2011 e mais elevadas durante o mês de novembro
de 2009. As razões Si:P apresentaram maiores médias para a PP e para a EI.
Também nesses locais foram observadas as maiores variações (Tabela 1.5)
As médias da razão COD:COP foram similares entre as três estações,
apresentado maiores valores, comparados com os valores encontrados para
esta razão no SLAPI. Os valores médios da razão COP:Clo-a registrados nas
nas três áreas marinhas costeiras foram menores se comparados aos valores
encontrados nas estações do SLAPI.
64
Tabela 1.5. Sumário estatístico das razões NID:P, Si:NID, Si:P, COD:COP e COP:Clo-a obtidos nas águas das estações fixas de amostragem (Praia de Adão - PA, Prainha Piratininga - PP, Enseada de Itaipu - EI, Canal Tibau - CT, Canal Camboatá - CC e Laguna Itaipu - LI). Os sumários correspondem ao período de abril 2009 a março de 2011. Média ± DP (Mín - Máx).
As razões de N:P das águas do SLAPI apresentaram valores médios
relativamente mais elevados que os registrados na área costeira (CT= 10,1 ±
5,9, LI= 10,4 ± 11,5 e CC= 12,3 ±14,6). Entretanto, as razões médias Si:N da
Laguna de Itaipu e do Canal do Tibau foram similares às das estações
costeiras (LI= 2,3 ± 4,2 e CC= 3,2 ±5,6), enquanto que o Canal do Tibau
apresentou uma razão Si:N bem mais elevada (CT= 7,8 ± 19,7) (Tabela 1.5).
De forma similar ao caso anterior, essas razões N:P e Si:N estão,
respectivamente, abaixo e acima das razões reportadas por Redfield para o
plâncton (Tabela 1.4; Figura 1.13b). No caso das estações do SLAPI, as
razões N:P e Si:N mais baixas ocorreram respectivamente nos períodos de
outubro de 2009 e dezembro de 2010 e as mais elevadas em agosto de 2010
e outubro de 2009. Os valores médios da razão Si:P no SLAPI foram, em
geral, maiores que os obtidos nas águas costeiras marinhas, evidenciando a
maior contribuição dos silicatos nesse sistema. Os valores médios da razão
Praia de Adão (PA) Prainha Piratininga (PP) Enseada de Itaipu (EI) Canal Tibau (CT) Canal Camboatá (CC) Laguna Itaipu (LI)
COD:COP e COP:Clo-a em geral foram menores e maiores respectivamente,
comparados com os valores das águas marinhas costeiras, evidenciando o
maior aporte de COP nesse sistema.
Figura 1.13. Relação entre as razões N:P e Si:N obtidas através das concentrações
dos nutrientes inorgânicos dissolvidos nas amostras de águas das estações fixas de coleta da (a) região marinha costeira (PA - Praia de Adão, PP - Prainha Piratininga e EI - Enseada de Itaipu) e (b ) do SLAPI (CT - Canal Tibau, CC - Canal Camboatá e LI - Laguna de Itaipu). O termo N na razão correspondente ao somatório das espécies de nitrogênio inorgânico medidas nas amostras (NO3 + NO2 + NH4).
66
1.3.4. Clorofila-a, COP (Carbono Orgânico Particulado) e Seston
Dentre as estações marinhas costeiras, a Praia de Adão (PA) e a
Enseada de Itaipu (EI) apresentaram as maiores concentrações médias de
clorofila-a, COP e seston com valores de 16,7 ± 22,4 e 15,6 ± 22.4 gL-1, 1,4
± 1,3 e 1,2 ± 0,9 mgL-1 e de 20,1 ± 27,4 mgL-1, respectivamente (Tabela 1.3).
Destaca-se o dia 19/11/2010, no qual foram observados na PA os picos
máximos de Clo-a, COP e seston do estudo, com as seguintes
concentrações: 123,4 ugL-1, 6,4 mgL-1 e 135 mgL-1 respectivamente (Figura
1.14 a, b e c).
Com relação às estações localizadas na área do SLAPI, as mais altas
concentrações de Clorofila-a, COP e seston foram observadas no Canal de
Camboatá (canal que conecta as duas Lagunas de Piratininga e Itaipu). No
CC as concentrações médias foram de 50,1 ± 31,5 gL-1, 13,1 ± 8,4 mgL-1 e
92,9 ± 78,1 mgL-1, respectivamente para Clorofila-a, COP e seston. Estas
concentrações médias são significativamente diferentes (ANOVA; p<0,05) das
médias relativas as demais estações do SLAPI (CT e LI). Na LI foram
observadas as maiores variações nas concentrações de Clo-a e COP com
picos de 111,1 gL-1 e 8,1 mgL-1 em junho de 2009. No entanto, no Canal
Camboatá foram observados os valores máximos de seston com 236,9 mgL-1
(figura 1.15a, b e c).
67
Figura 1.14. Variação temporal das concentrações de clorofila-a (a), COP (b), seston
(c) e precipitação (média correspondente aos 5 dias anteriores ao dia da amostragem) águas das estações fixas de coleta da área marinha costeira (Praia de Adão, Prainha Piratininga e Enseada de Itaipu).
68
Figura 1.15. Variação temporal das concentrações de clorofila-a (a), COP (f) e seston
(b) e precipitação (c) (média correspondente aos 5 dias anteriores ao dia da amostragem) em águas das estações fixas de coleta do Sistema Lagunar Piratininga-Itaipu (Canal Tibau - CT, Canal Camboatá – CC e Laguna de Itaipu - LI).
69
1.3.5. Estado Trófico
A variação temporal do TRIX, usado para classificar o estado trófico,
das estações marinhas ao longo do estudo é apresentada na Figura 1.16a. .
Os valores do Índice TRIX variaram de 3,6 (Alta na PP) a 8,8 (Péssima na EI)
nas 3 estações fixas da região marinha costeira. A EI apresentou o maior
valor médio do TRIX (6,0 ± 1,0), mas essa média influenciada pelo valor
extremo de novembro de 2009. Os valores oscilaram nas faixas
correspondentes as classificações Boas, Ruim e Péssima. Nas estações EI e
PA houve o predomínio de águas do tipo Péssima em 51% e 50% dos casos,
respectivamente
Nas águas do SLAPI, os valores médios do índice TRIX foram de 6,8 ±
0,9 para CT, de 8,2 ± 0,6 para CC e 7,0 ± 1,1 para LI. Da mesma forma que
no caso anterior, ao longo do estudo as águas do SLAPI obtiveram
classificações do tipo como Boa, Ruim e Péssima. Entrentato, as águas da
estação CC foram classificadas como Péssima em 100% das vezes em que o
índice foi aplicado e a LI e o CT, 81% 80%, respectivamente (Figura 1.16b).
70
Figura 1.16. Variação temporal do Índice TRIX nas águas (a) das estações fixas de
coleta da área marinha costeira (Praia de Adão, Prainha Piratininga e Enseada de Itaipu) e (b) do Sistema Lagunar Piratininga-Itaipu (Canal Tibau - CT, Canal Camboatá – CC e Laguna de Itaipu - LI). AT= Alta, BO= Boa, RM= Ruim, PS= Péssima.
71
1.3.6. Balanço de água e sal
Para calcular o balanço de massas é importante quantificar os fluxos
de entrada e saída de materiais conservativos no sistema aquático. Os
balanços de água e sal para o Sistema Lagunar Piratininga-Itaipu encontram-
se representados por dois compartimentos (caixa 1 = Piratininga, caixa 2 =
Itaipu; Figura 1.3 e Figura 1.17a e b) e representada pela Enseada de Itaipu,
a área costeira adjacente.
Os resultados relativos à salinidade do primeiro período (2005-2006)
indicam que o Sistema Lagunar de Piratininga-Itaipu apresentou um fluxo
residual negativo (Vr). O volume de água exportada da Laguna de Piratininga
para a Laguna de Itaipu foi de 2.9x106 m3ano-1 e da Laguna de Itaipu para a
Enseada de Itaipu, de 3.1x106m3ano-1 (Tabela 1.6). Os valores obtidos para
os volumes de mistura (VX1= 5,9 e Vx2 = 37,8) foram maiores do que os dos
fluxos de água fresca e de água residual, o que evidencia a presença de um
gradiente de salinidade (Tabela 1.6). O tempo de permanência da água foi de
83 dias para Piratininga e de 9 dias para Itaipu (Figura 1.17a).
Os resultados obtidos para a salinidade no segundo período (2009-
2010) apresentaram um padrão semelhante ao do primeiro, com valores
negativos para VR1= -2,9; VR2 =-3,2 e valores positivos maiores para VX1= 15;
VX2= 39,6 (Tabela 1.6). Em ambos os períodos, o volume de exportações foi
maior devido à entrada de água doce pelos pequenos riachos contribuintes do
SLAPI. A entrada das águas subterrâneas, provavelmente, também contribuiu
para esse equilíbrio. No entanto, o volume de água a esta fonte não foi
quantificada neste estudo. Em 2008, a abertura do canal subterrâneo de
ligação entre a Laguna de Piratininga e o mar aumentou a salinidade em 58%
72
(Piratininga = 26,0) e diminuiu, significativamente, o tempo de residência da
água nessa laguna (Figura 1.17b).
Tabela 1.6. Sumário dos resultados dos balanços de elementos conservativos de água e sal para o sistema Lagunar Costeiro de Piratininga-Itaipu. Vq= Volumem dos rios; Vp= Volumem da precipitação; Ve=Volumem da evaporação; Vr= Volumem residual; Vx= Volumem de mistura; Ssist= Salinidade do sistema; Ssea= Salinidade do sistema externo; Sr=
Salinidade residual.
Figura 1.17. Balanço de água e sal para o Sistema Lagunar Costeiro de Piratininga-
Itaipu para (a) 2005-2006 e (b) 2009-2010. Fluxo de água (m3 ano-1 x
106); fluxo de sal (m3 ano-1 x 106).
Localização AnoVq
106 (m3 yr-1)
Vp
106 (m3 yr-1)
Ve
106 (m3 yr-1)
Vr
106 (m3 yr-1)
Vx
106 (m3 yr-1)
Ssist
salt
Socn
salt
Sr
salt
Laguna Piratininga 2.8 3,7 -3,6 -2,9 5,9 18,3 24
Laguna Itaipu 3,1 2,4 -2,3 -3,1 37,8 30,4 33,2 32
Laguna Piratininga 2,8 3,6 -3,5 -2,9 15 26 29
Laguna Itaipu 3,1 2,4 -2,3 -3,2 39,6 31,3 34 33
2005-2006
2009-2010
73
1.3.7. Balanço de nutrientes
O balanço de nutrientes inorgânicos dissolvidos foi obtido a partir da
variação temporal das concentrações destes constituintes determinados nas
águas do SLAPI e nas águas costeiras adjacentes. Como foi mencionado
acima, o modelo foi composto de duas caixas que representam (1) a Laguna
de Piratininga e (2) Laguna de Itaipu com a área costeira adjacente. O
intercambio de nutrientes entre os diferentes compartimentos (entrada e
saída) permite identificar se o sistema e seus compartimentos individuais
agem como retentores (sumidouros) ou exportadores (fontes) de nutrientes.
O balanço de fósforo inorgânico dissolvido durante o período 2005-
2006 mostrou um fluxo unidirecional entre os compartimentos (Laguna de
Piratininga Laguna de Itaipu Enseada de Itaipu) (Figura 1.18a). Os
resultados sugerem uma produção líquida de DIP de +20x 103mol ano-1 para
a Laguna de Piratininga e +18 x 103mol ano-1 para a Laguna de Itaipu. Assim,
o comportamento do SLAPI caracteriza-se, como um todo, como um
exportador de DIP (syst = +38 x 103mol ano-1) neste período (Figura 1.18).
Durante o período de 2009-2010, i.e., o período após a abertura do
canal, a concentração de fósforo nas águas da Laguna de Piratininga
diminuiram cerca 65% (conc. média = 2,4 M) e o fluxo anual tornou-se
negativo de DIP (Piratininga = -45x 103mol ano-1). Por outro lado, os fluxos de
fósforo para a Laguna de Itaipu foram positivos e a concentração aumentou
em 32%. O modelo indica que nesse segundo o SLAPI funciona também
funciona como exportador de DIP para a Enseada de Itaipu. Essa exportação
é da ordem de 35 x 103molP ano-1. O comportamento de todo o sistema
74
revelou uma absorção de líquida de fósforo (Syst = -10 x 103mol ano-1)
(Figura 1.18b; Tabela 1.7).
Figura 1.18. Fluxos de fósforo inorgânico dissolvido para a área costeira e SLAPI
a=2005-2006 y b=2009-2010. Fluxos em 103mol ano-1.
Tabela 1.7. Sumário dos resultados dos balanços dos elementos não conservativos,
fósforo (DIP), formas nitrogenadas inorgânicas (DIN), metabolismo ecossistêmico neto (p-r) e fixação de nitrogênio menos desnitrificação
de limitação de nutrientes em ambientes aquáticos, assim como para obter
informações sobre outros aspectos como eutrofização e ciclos
biogeoquímicos nesses ambientes (Redfield et al. 1963a; Justić et al. 1995;
Newton et al. 2003a).
As águas das estações marinhas costeiras (PA, PP e EI) tenderam a
apresentar razões N:P e Si:P com uma alta variabilidade temporal essas
razões tenderam a ser baixas (N:P < 16) se comparadas com as razões de
Redfield (Figuras 1.22a e c). Por outro lado, as razões Si:N apresentaram
alguma variação, mas na maior parte dos casos, se mantiveram próximas de
1. Visto que os silicatos tem fonte predominantemente continental pode-se
inferir através desses resultados que o nitrogênio também apresenta-se
relacionado a essa fonte. Por outro lado, os resultados relativos às razões
Si:N (normais, ~ 1) indicam que as baixas razões N:P e Si:P observadas
devem-se a um excesso de fósforo no sistema (e não a uma deficiência de
nitrogênio). Isso se explica pelo fato desses ambientes costeiros serem rasos
que receberem grandes descargas de nutrientes oriundos de esgotos
domésticos.
Os principais desvios com relação ao padrão geral observado (N:P e
Si:P<16; Si:N ~1) foram ilustrados por elevações pontuais das razões N:P e
Si:P, alcançando em alguns casos valores entre 20 e 60, e por elevações das
razões Si:N, até um valor em torno de 12, ou pela diminuição dos valores
dessas razões, atingindo valores em torno de 0,3. Os padrões temporais das
razões N:P:Si observados na Enseada de Itaipu foram similares aos
encontrados em estudos anteriores (Barboza 2003). Em ambos os casos,
razões N:P e Si:P mais elevadas foram observadas na primavera se
86
comparadas ao inverno. Os resultados encontrados indicaram um excesso de
nitrogênio e silicatos na primavera, quando estes elementos não se
constituíram como elementos limitantes, o que deve estar associado a
entradas de águas da ACAS, que são ricas em nitrato. Nessas condições, o P
passaria a ser o elemento limitante na primavera.
Elevadas razões Si:N na área de estudo estão associadas a eventos de
precipitação e baixas razões de Si:N podem ser consequência de uma intensa
utilização de silicatos por diatomáceas. A regeneração do silício na coluna
tende a ser mais lenta quando comparada a do nitrogênio e a do fósforo
(Bianchi 2007; Libes 2009). Baixos valores da relação Si:N e Si:P podem
agravar a eutrofização, reduzindo o potencial de crescimento das
diatomáceas e influenciando o desenvolvimento de populações de flagelados
nocivos (Smayda 1990; Justić et al. 1995). Smayda (1990) apresentou
evidências dessas florações de flagelados relacionadas a series temporais
com baixos valores da relação Si:P, associadas significativamente a florações
de algas de origem não-silicosa em águas costeiras da maior parte do mundo.
Outros estudos tambem observaram uma forte correlação entre a baixa
relação NID:P e altas densidades de cianobacteria (blue-green) fixadora de
nitrogenio (Coelho 2007). De fato tem sido observada com frequência a
ocorrência de florações nas praias de Itaipu e Camboinhas nos últimos anos,
sendo registrados noticiários locais (Figura 1.23).
87
Figura 1.22. Variação das rações N:P (a), Si:N (b) e Si:P nas estações marinhas
costeiras adjacentes ao Sistema Lagunar Piratininga-Itaipu. A linha vermelha pontilhada corresponde as Razões de Redfield (N:P= 16; Si:N=1).
88
Figura 1.23. Registro fotográfico de floração de algas na Praia de Camboinhas,
localizada na Enseada de Itaipu. Fonte: Jornal “O Fluminense” 01/03/2012 e 1/02/2012.
As razões N:P das águas do Sistema Lagunar de Piratininga-Itaipu
apresentaram valores mais baixos que os observados nas estações fixas das
águas marinhas costeiras. Entretanto, de forma similar às estações marinhas,
as estações do SLAPI apresentaram uma alta variabilidade no tempo (Figura
1.24). As médias das razões obtidas para a LI (Laguna de Itaipu) foram
similares às obtidas em estudos anteriores (Barboza 2003); (Carneiro 1993).
Diferentemente, a razão N:P média (~ 6) obtida para a Laguna de Piratininga
foi maior que a observada em estudos anteriores realizados no mesmo local
(Carneiro 1993). O aumento das razões N:P da Laguna de Piratininga após
da reabertura da comunicação com o mar em 2008 está associada à entrada
de água salina no sistema lagunar. Acrescenta-se que nestas condições, a
salinidade tende a exercer um papel de controle na liberação do fósforo pelos
sedimentos. Isso se daria pelo aumento pelo processo de absorção do fósforo
em superfícies que contém óxidos metálicos (Bianchi 2007).
89
A alta variabilidade observada nas razões entre os nutrientes
inorgânicos dissolvidos reflete a presença de uma intensa dinâmica interna do
SLAPI. Essa dinâmica é associada a efeitos combinados de pulsos de aporte
continental através da descarga fluvial, que é acentuada após a ocorrência de
eventos de precipitação, com as marés que incidem no sistema lagunar. Por
outro lado, a tendência de baixas razões N:P pode também ter relação com o
acoplamento entre os processos da nitrificação, desnitrificação e anammox
(Coelho 2007). Esses processos tendem a ser importantes em ambientes
rasos com altas cargas orgânicas como é o caso do SLAPI. Apesar de não
terem feito medições para a determinação das taxas dos processos de
desnitrificação e anammox, ressalta-se a presença de sedimentos muito
redutores no SLAPI. Outros autores relatam valores de potencial redox
variando dentre -107 a -327 ehv no SLAPI (Lima 2011). Esses resultados
confirmam um caráter predominantemente anóxico dos sedimentos, o que
favorece a ocorrência de processos de desnitrificação e anammox (Bianchi
2007); (Capone D.G et al. 2008) e a consequente perda de nitrogênio (NH3,
NOX e N2) pelo sistema.
90
Figura 1.24. Variação das rações N:P (a), Si:N (b) e Si:P. Linha vermelha ponteada valores baixos da razão de Redfield (<16) e Si:N (b) Redfield (<1). Nas águas do Sistema Lagunar Piratininga-Itaipu.
91
As médias das razões COD:COP observadas nas águas costeiras
variaram de 5,3 (EI) a 7,8 (PP), indicando maiores valores de COD em
relação ao COP. Esses resultados estão dentro da faixa obtida para águas
estuarinas e águas costeiras que atingem valores entre 4 e 10 (Williams
1995). Para a razão COP:Clo-a observou-se que as médias foram similares
entre as diferentes áreas amostradas nesse estudo. Entretanto, as médias
tenderam a ser altas (Tabela 1.4) se comparadas aos valores propostos por
(Ryther 1964), com resultados situados em um intervalo entre 37-64. Esses
autores atribuíram as altas razões como resultado de uma maior contribuição
da fração detrítica nas águas costeiras (Tabela 1.4). As médias encontradas
para as razões COD:COP das águas do SLAPI foram similares entre os três
locais e mais baixas que as obtidas para águas costeiras. Esses resultados
também são similares aos encontrados por (Knoppers, Kjerfve 1999) para as
Lagunas de Fora e da Barra e devem estar relacionados ao maior aporte do
COP para os ecossistemas lagunares. Nesses ambientes a fração detritica é,
em geral, predominante, o que também pode ser observado ao longo do
estudo através dos mais altos valores das razões COP:Clo-a. (Tabela 1.4).
1.4.3. Qualidade da Água e Estado Trófico
A avaliação da qualidade da água em ambientes marinhos pode ser
encarada como um processo em evolução. Os modelos de avaliação
normalmente propostos para estabelecimento de condições de estado trófico
são geralmente baseados em variações de concentrações de nutrientes, da
clorofila-a e na saturação de oxigênio na coluna d’água e/ou nos sedimentos
(Newton et al. 2003a; Håkanson, Bryhn 2008). Na Europa, o índice TRIX tem
92
sido comumente utilizado para águas costeiras (Vollenweider et al. 1998).
Além do TRIX, um outro critério proposto recentemente para avaliação do
estado trófico se baseia na concentração de nutrientes (N e P), da Clorofila-a,
além da transparência de Sechi e nas concentrações de cianobactérias
(Håkanson 2008) (Tabela 1.9). Ambos o TRIX e o procedimento de Hakanson
foram aplicados nos resultados obtidos para as águas das estações marinhas
costeiras (PA, PP e EI) e para as águas do SLAPI (CC, CT, LI) no sentido de
se obter índices de estado trófico.
Segundo o índice TRIX, as águas das estações marinhas costeiras
foram classificadas como dos tipos “Boa” a “Péssima”, com destaque para a
PA e a EI, onde cerca de 90% dos resultados apontaram uma qualidade de
água do tipo “Ruim” a “Péssima”. Esses resultados foram corroborados pelo
critério proposto por (Håkanson 2008), que classificaram essas águas como
“Eutrófico” (Tabela 1.10). Para EI, quando analisados os resultados
separadamente para o período de inverno e primavera, houve uma variação
de classificação nas águas, com mudanças de “Eutrófico” para “Hipertrófico”,
respectivamente (Tabela 1.10). Quando compara-se esses resultados com os
reportados em trabalho anterior realizado na mesma área (Barboza 2003),
são observadas diferenças na qualidade da Enseada de Itaipu. No trabalho
citado, a autora usando critério de Hakanson (Håkanson 2008) classificou as
águas da EI como do tipo “Mesotrófico” a “Eutrófico” (tanto em inverno como
na primavera). Essas comparações permitem afirmar que a qualidade das
águas da Enseada de Itaipu têm progressivamente se deteriorada ao longo
dos últimos anos.
93
As águas do SLAPI obtiveram classificações variando de “Ruim” a
“Péssima” segundo o índice TRIX, com alguns episódios de qualidade “Boa”
na Laguna de Itaipu. Esse padrão foi corroborado pela classificação do estado
trófico proposto por Hakanson, que apontou uma variação da qualidade das
águas do SLAPI variando de “Eutrófico” a “Hipertrófico”. Estudos anteriores
revelam índices idênticos aos obtidos nesse estudo (Barboza 2003) para a
Laguna de Itaipu (Tabela 1.11).
Nos últimos anos as agências governamentais ambientais do Estado de
Rio de Janeiro efetuaram algumas ações visando minimizar os efeitos da
eutrofização no SLAPI, um processo que vem ocorrendo há pelo menos 40
anos na Região Oceânica de Niterói. Conforme comentado, em 2004 foi
inaugurada uma estação de tratamento de esgotos domésticos na Região
Oceânica, e mais recentemente, em 2008, foi reestabelecida a ligação da
Laguna de Piratininga com o mar. Como pôde ser observado em nossos
resultados, houve uma melhoria pontual das condições críticas em que se
encontrava a Laguna de Piratiniga. Em contrapartida, a qualidade das águas
da Laguna de Itaipu e da própria Enseada de Itaipu foram, pelo menos
temporariamente, “sacrificadas” em função dessa ação. Episódios
esporádicos marcados por mortandade de peixes na Laguna de Itaipu após
2008 foram induzida por mudanças bruscas nas condições físico-químicas
das lagunas do SLAPI (Figura 1.25) e não deixam dúvidas que as medidas
adotadas pelo governo não foram ainda suficientes para recuperar esse
sistema lagunar. Nossos resultados resultados apontam inequivocamente que
a qualidade das águas do SLAPI, como um todo, se manteve de modo geral
muito ruim em ambos os períodos.
94
Tabela 1.10. Classificação do Estado Trófico proposto por Håkanson & Bryhn (2008) para águas superficiais.
Tabela 1.11. Resultados da Classificação do Estado Trófico e comparação de outros
estudos para águas costeiras e águas do SLAPI. SD= sem dados
Figura 1.25. Registro fotográfico da mortalidade de peixes nas águas do Sistema Lagunar Piratininga-Itaipu. Fonte: O Fluminense 07/10/2011.
1.4.4. Balanço de massas LOICZ
Os sistemas lagunares costeiros se assemelham aos lagos no sentido
de que são corpos d’água naturalmente propensos à eutrofização.
Entrentanto, os sistemas lagunares são mais dinâmicos uma vez que são
também submetidos à variações diárias de circulação da água devido às
marés. O Sistema Lagunar Piratininga-Itaipu foi classificado como um sistema
de lagunar do tipo “choking" com base no tempo de residência das águas e a
comunicação restrita com o mar (Knoppers, Kjerfve 1999). Estas
características foram destacadas no balanço de água e sal modelado através
do LOICZ (Figura 1.17a). O tempo de residência das águas mais elevado foi
observado na Laguna de Piratininga durante o primeiro período (2005-2006).
Estas diferenças consideráveis resultaram, em grande parte, da baixa
renovação da mistura das águas de Piratininga, o que é acentuado em função
da reduzida capacidade do Canal de Camboatá (que liga as duas lagoas)
para transportar água entre as lagoas. Em trabalho anterior relativo à década
de 1980, (Couto et al. 2000) evidenciaram um padrão semelhante no tempo
96
de residência de águas () do SLAPI (Laguna de Piratininga = 46 dias;
Laguna de Itaipu = 6 dias). Carneiro et al. (1990) também estimaram o
tempo de residência da água para as duas lagoas em diferentes épocas do
ano. Para Piratininga o tempo de residência da água foi de 46 dias no verão e
995 dias no inverno. Para Itaipu, o tempo de residência de água foi estimado
de 14 dias no verão de 289 dias para o inverno. Esta variação é atribuída ao
agravamento da circulação do sistema e, principalmente, a energia de ondas
(variando entre 0,8 e 1,0 m) que regula a circulação e a dinâmica do sistema.
A reabertura da ligação entre a Laguna de Piratininga e o mar em 2008
teve um efeito significativo sobre a renovação de águas desta laguna. Como
foi esperado, houve grandes diferenças nos balanços de sal e de água em
Piratininga, com uma diminuição de 31% no tempo de residência de água
nesta laguna ( = 39 dias) com relação ao período anterior. Essa intervenção
afetou o sistema como um todo, aumentando a salinidade e melhorando a
hidrodinâmica (no balanço de água e sal, como é observado em 2009-2010).
Portanto, o Sistema Lagunar Piratininga-Itaipu foi alterado de um sistema
"asfixiado" para um sistema "restrito" (Carneiro 1993). O estabelecimento de
tempo de permanência da água em sistemas aquáticos é de extrema
importância visto que é um fator crucial associado à produtividade biológica.
Ambientes com alto tempo de residência das águas tendem a produzir mais
nutrientes, enquanto que os sistemas com renovação de água mais elevado
tendem a serem conservadores em relação à variação de nutrientes ao longo
de uma gradiente de salinidade (Grelowski et al. 2000).
97
Os fluxos mais elevados DIP (DIP) observados no período antes da
abertura do canal (2005-2006) resultaram em altas concentrações de fosfato
nas águas neste período. Fluxos foram positivos entre todos os
compartimentos: Laguna de Piratininga Laguna de Itaipu e Laguna de
Itaipu Enseada de Itaipu (área costeira adjacente). Ou seja, os sistemas de
exportação de fósforo e do balanço hídrico foram ambos positivos. Um padrão
semelhante foi observado para o Estuário da Baia de Paranaguá (Marone et
al. 2005), para os Estuários de Mhathuze e Mvoti (Wepener 2007) e para o
Sistema Lagunar de Piratininga-Itaipu em 1980 (Couto et al. 2000). Depois da
abertura do canal (2009-2010), o tempo de residência da água e as
concentrações DIP diminuiram em Piratininga e o DIP tornou-se negativo.
Como resultado, a produtividade primária prevaleceu sobre os processos de
mineralização e/ou processos de respiração tornando o sistema autotrófico
(Talaue-McManus et al. 2003).
Em contraste, DIP valores aumentaram depois de 2008 na Laguna de
Itaipu, tornando a laguna mais heterotrófica do que antes, como também
observado em outro estudo realizado no Sistema de Piratininga-Itaipu (Couto
et al. 2000) e em outras lagoas. Apesar disso, o fósforo tem uma dinâmica
complexa em sistemas lagunares e estes resultados devem ser interpretados
com cautela, pois as concentrações de fósforo são influenciadas tanto pela
absorção biológica assim como por processos físicos de adsorção-dessorção
em sedimentos.
A exportação de DIN foi verificada para ambos os períodos estudados, o
que já como foi observado em outros sistemas estuarinos, tais como os
estuários Mhathuze e Mvoti (Wepener 2007). O Sistema Lagunar Piratininga-
98
Itaipu também mostrou uma capacidade de desnitrificação (perda de
nitrogênio) em comparação com o N assimilação (fixação). Este padrão foi
observado para o conjunto do sistema para ambos os períodos (2005-2006 e
2009-2010) e para as duas Lagunas separadamente. O processo de
desnitrificação também foi observado para o estuário de Piauí (PI) durante
curtos períodos de anoxia (Souza et al. 2003). Em geral, a maioria dos
estuários são considerados como denitrificadores e estima-se que a perda de
nitrogênio para a atmofera é da ordem de 10 a 20%, e em casos extremos,
até 30% (Seitzinger 1988; {Knoppers, 1999 ; Crossland et al. 2005; Capone
D.G et al. 2008). Evidentemente, outros processos podem também ser
responsáveis por perdas de nitrogênio, como a perda de amônia para a
atmosfera (Guimarães, Mello 2006).
Em linhas gerais, os resultados do modelo LOICZ gerados para áreas
estuarinas brasileiras indicaram até o momento que estes ecossistemas
trabalham em condições autotróficas, são fixadores de nitrogênio e alternam
para sistemas desnitrificantes. Esse foi o caso da Baia de Guaratuva, da Baía
de Paranaguá, da Lagoa da Conceição e da Lagoa de Maricá (Couto, 2000;
Souza, 2003; (Marone et al. 2005; Brandini 2008). O Sistema Lagunar
Piratininga-Itaipu durante o período de 2005-2006 (este estudo), assim como
o sector a montante do Estuário do Rio Piauí são exceções a esse padrão
geral (Souza et al. 2003) (Tabela 1.12). Todos os sistemas têm um
comportamento diferente em relação ao metabolismo líquido, dependendo
das diferentes características de cada um. O comportamento do NEM da
Laguna de Piratininga é semelhante ao apresentado pela Baía de Paranaguá
em períodos de seca. Por outro lado, o comportamento da Laguna de Itaipu é
99
semelhante ao da lagoa de Guarapina. Embora os valores de (p-r) do SLAPI
são relativamente baixos e sejam comparáveis a outros sistemas, a Laguna
de Itaipu aumenta sua capacidade de exportar DIP para as áreas costeiras
adjacentes, aumentando a troca deste elemento. Como resultado da abertura
da religação entre a Laguna de Piratininga e águas costeiras, ocorre uma
diminuição no tempo de residência das águas na laguna e um aumento da
carga DIP para a Laguna de Itaipu. Além disso, em ambos os períodos o
sistema sempre mostrou uma exportação de N, o que parece indicar que a
desnitrificação é maior que a fixação de N (nfix-Denit "negativo") em contraste
com os baixos valores observados no Sistema de Lagunar de Guarapina
(Tabela 1.12).
Lacerda et al. (1992) apontaram que para a Laguna de Piratininga a
anoxia se estende ao longo da coluna d'água e atinge valores muito baixos Eh
(~-320 mV). Esse mesmo estudo reportam que em Itaipu a anoxia é restrita às
águas de fundo (-66 a + 20 mV). Este cenário da Laguna de Piratininga
certamente deve ter sido modificado em função da construção do canal que
liga essa laguna ao mar. Nesse novo contexto, os valores de desnitrificação
tendem a diminuir em Piratininga. Em contrapartida, para a Laguna de Itaipu
esperam-se efeitos efeitos negativos, traduzidos por um aumento nos valores
de desnitrificação.
Apesar de todos esses indicativos, deve-se destacar que o modelo
LOICZ tem limitações que podem ser importantes, especialmente quando é
aplicado em ecossistemas costeiros de águas rasas, como o SLAPI. Esses
ambientes são afetados por uma alta variabilidade de fenômenos físicos, tais
como mudança nas condições meteorológicas relacionadas com a entrada de
100
frentes frias (com frequência de 7-8 dias), adicionando uma maior
variabilidade na força das ondas de maré, o que influencia diretamente na
dinâmica sedimentar do sistema.
101
Tabla 1.12. Balanços do DIP e DIN em alguns estuários ecossistêmicos costeiros do Brasil. = Tempo de residência; DIPobs e DINobs=
Observado; 1*= (N:P) assumindo como material particulado detritos do plâncton como 106; 2*= assumindo como material particulado detritos do plâncton como 16.
Estuario Periodos Seção DIPobs
(103molPyr-1)
(p-r) 1 *
(mmolCm2yr-1)Processo NEM
DINobs
(103molNyr-1)
nfix-denit 2 *
(molNm2yr-1)Process NEM
Baia de Guaratuva 1 Anual Total 9 -896 1898 autotrofico -12816 29,2 fixação
Baia de Paranaguá2 Seco Total 30 -182,5 0-730 autotrofico -19710 -36,5 to -36,5 denitricação
Chuvoso Total 14 4854 -1460 to -14600 heterotrofico 14235 -182,5 to -109,5 fixação
Estuario Rio Piaui3 Anual total 6 0,18 448,9 heterotrofico 0.002 0,001 fixação
Lagoa Conceiçãoo4 Junho 1982 North 24 -56,5 233600 autotrofico -345 21900 denitricação
South 263 -127 1540 autotrofico -1133 104025 denitricação
Central 19 -94,5 536915 autotrofico -1055 25915 denitricação
Os experimentos com as armadilhas de sedimentos na Enseada de Itaipu
tiveram início no outono de 2009. Nesse período os registros de direção de vento
mostraram a predominância de ventos dos quadrantes N-E e S-W. Esses ventos
ocorreram durante aproximadamente 48 e 24 % dos dias relativos ao período de
coleta e são apresentados nos quadrantes I e III na Figura 2.5a. As velocidades
médias máximas para esses ventos foram de 4,8 ms-1 para os ventos de N-E e
4,6 ms-1 para os de S-W, quadrantes I e III, respectivamente (Figura 2.5b). O
período de inverno, nesse estudo representado pelo mês de julho, foi
caracterizado por uma alta incidência de ventos do quadrante N-NE, ocorrendo
em 51% dos dias de amostragem (Figura 2.6a). No entanto, as maiores
velocidades e constantes registradas para os ventos nesse período (4,8 e 6,6 ms -
1) foram observadas nos quadrantes III e IV com (Figura 2.6b). Na primavera, os
ventos predominantes foram os provenientes do quadrante N-E. Ventos dessa
direção ocorreram durante 52% dos dias de amostragem (Figura 2.7a), com
velocidades máximas de 5,9 ms-1 e 6,0 ms-1, registradas nos quadrantes I e III,
respectivamente (Figura 2.7b). De forma similar à primavera, o verão, aqui
representado pelos meses de janeiro e fevereiro 2011, caracterizou-se pela
predominância de ventos de NE, ocorrendo durante um 76% dos dias de
amostragem (Figura 2.8a). Nesse período de amostragem foram também
observadas as maiores velocidades do estudo (8,5 ms-1), que ocorreram para
ventos do quadrante I, i.e., N-E (Figura 2.8b).
118
Figura 2.5. Rosa dos ventos representando (a) a variação da direção dos ventos (em
porcentagem) e (b) a velocidade média dos ventos (ms-1) na Enseada de Itaipu para o período de outono de 2009 (abril, maio e junho). A rosa dos ventos é representada pelos valores dos ângulos (0o = Norte, 90º = Leste, 180º = Sul, 270º = Oeste).
Figura 2.6. Rosa dos ventos representando (a) a variação da direção dos ventos (em
porcentagem) e (b) a velocidade média dos ventos (ms-1) na Enseada de Itaipu para o período de inverno de 2009 (julho). A rosa dos ventos é representada pelos valores dos ângulos (0o = Norte, 90º = Leste, 180º = Sul, 270º = Oeste).
119
Figura 2.7. Rosa dos ventos representando (a) a variação da direção dos ventos (em
porcentagem) e (b) a velocidade média dos ventos (ms-1) na Enseada de Itaipu para o período de primavera de 2009 (setembro, outubro, novembro). A rosa dos ventos é representada pelos valores dos ângulos (0o = Norte, 90º = Leste, 180º = Sul, 270º = Oeste).
Figura 2.8. Rosa dos ventos representando (a) a variação da direção dos ventos (em
porcentagem) e (b) a velocidade média dos ventos (ms-1) na Enseada de Itaipu para o período de verão de 2009 (janeiro e fevereiro). A rosa dos ventos é representada pelos valores dos ângulos (0o = Norte, 90º = Leste, 180º = Sul, 270º = Oeste).
120
Esses resultados evidenciam que a região na qual está localizada a
Enseada de Itaipu (EI) é caracterizada pela predominância de ventos do
quadrante I (N-E) e do quadrante III (S-W), sendo estes menos frequentes. Nessa
região da costa, ventos do quadrante I estão frequentemente associados a
eventos de ressurgência costeira, o que se traduz no aumento da produtividade
biológica das águas dessa região devido ao afloramento de águas ricas em
nutrientes da ACAS (Água Central do Atlântico Sul). Os ventos dos quadrantes III
(S-W) estão associados às diferentes trajetórias das massas de ar polar e a
passagens de sistemas frontais atmosféricos (frentes frias). Nesse estudo, esses
ventos apresentaram as maiores velocidades pontuais (9,8 ms-1 e 12,1 ms-1), que
foram registradas nos meses de julho.
O padrão encontrado na série temporal de precipitação na área de estudo
durante o período de instalação das armadilhas foi similar ao observado na série
histórica de chuvas da região (1968-2008) obtido na mesma estação
meteorológica. São exceções os meses de janeiro e outubro de 2009, abril de
2010, quando foram registradas as maiores precipitações na área de estudo, e
julho de 2010, também com precipitações acima da média histórica para o
período (Figura 2.9). Ressalta-se que as máximas registradas em abril de 2010
ocasionaram eventos catastróficos no Município de Niterói, tendo como maior
exemplo o grande deslizamento de terra ocorrido no Morro do Bumba, localizado
a aproximadamente 20 Km da área de estudo (Figura 2.9).
121
Figura 2.9. Variação anual da precipitação da área de estudo durante o período de
2009-2010 comparado aos valores médios da série histórica de 40 anos (1968-2008).
A Figura 2.10 apresenta um diagrama de distribuição das frequências das
alturas das ondas que ocorreram na Enseada de Itaipu durante o período de
instalação das armadilhas. Predominam na região ondas com alturas entre 1,4 -
2,7 m para todo o período de estudo. O período de inverno caracterizou-se por
sua maior energia em relação aos demais, com cerca de 70% de frequência de
ondas entre 1,4 e 2,7 de altura e apenas 10% de ondas com alturas no intervalo
entre 0 e 1,3 m. Em contrapartida, o verão foi caracterizado como o período de
menor energia, apresentando uma frequência relativamente baixa de ondas no
intervalo 1,4 – 2,7 (cerca 55%) e 45% de frequência de ondas entre 0 – 1,3 m de
altura (Figura 2.10).
122
Figura 2.10. Distribuição de frequências de altura de ondas para o período de estudo na
Enseada de Itaipu.
2.3.2. Condições Físico-Químicas da Coluna d'água
A figura 2.11 apresenta o diagrama T/S construído a partir de medidas de
temperatura e salinidade efetuadas no ponto de instalação da armadilha na
Enseada de Itaipu. Destaca-se na Figura 2.11 a área correspondente ao triângulo
de mistura, cujos vértices correspondem às três principais massas de água que
ocorrem na Plataforma Continental Sudeste do Brasil (PCSB): (a) Água Tropical
(AT), quente e salina (T>20°C e S>36,40); (b) Água Costeira (AC), resultante da
mistura da descarga continental de água doce com águas da plataforma
continental (T>22°C e S<33) e (c) Água Central do Atlântico Sul (ACAS),
relativamente fria (T < 18°C, S 34,0 e 36,0), que caracteriza períodos de
ressurgência (Castro et al. 2006).
Para o primeiro período de estudo, correspondente a os meses de outono e
inverno de 2009, são observadas águas mais densas e uma maior interação entre
a AT e a AC. No segundo período, que compreende os períodos da primavera e
do verão (2009 e 2011, respectivamente), são observadas maiores variações da
temperatura e salinidade e a presença de águas com uma leve influência da
ACAS e uma maior interação entre AT e AC na Enseada de Itaipu.
Figura 2.11. Diagrama temporal T/S referente a todo o período da instalação da armadilha de sedimentos, definindo os campos das massas de água da região (AC = Água costeira; AT = Água Tropical; ACAS = Água Central do Atlântico Sul).
124
Uma comparação com base nos valores médios de temperatura revela a
inexistência de variações importantes entre os períodos (ANOVA, p<0,05). Em
termos gerais, o inverno apresentou as temperaturas mais baixas e maiores
variações foram observadas nos meses da primavera e do verão (Tabela 2.1).
Diferentemente, os valores de salinidade apresentaram diferenças significativas
entre os períodos (ANOVA, p<0,05), sendo as maiores salinidades registradas
nos meses do outono e do inverno (Tabela 2.1).
De forma similar à temperatura, também não se observaram diferenças
significativas entre os valores médios dos nutrientes SiO3, PO4, e NH4 entre os
períodos de instalação das armadilhas. No entanto, a comparação entre as
concentrações médias de NO3 e NO2 registradas revelou que estes nutrientes
apresentaram diferenças significativas entre os períodos (ANOVA, p<0,05).
Destacam-se nesse caso os meses de primavera e verão, com valores mais
elevados (Tabela 2.1). Com ao NT e PT, também não foram verificadas
diferenças significativas, embora relativamente altas concentrações tenham sido
observadas na primavera (Tabela 2.1). Quanto ao COP e ao COD, o primeiro não
apresentou diferenças significativas e o COD apresentou diferenças significativas
entre os períodos (ANOVA p>0,05). No caso do COD, destacam-se alguns
valores medidos no verão pelas maiores concentrações (Tabela 2.1). Finalmente,
tanto o o Seston quanto a Clorofila-a apresentaram diferenças significativas entre
períodos (ANOVA p<0,05). Destaca-se nesse particular o período da primavera
com as maiores concentrações (Tabela 2.1).
125
Tabela 2.1. Sumário das variáveis físico-químicas e biológicos da água da Enseada de Itaipu para todo o período de estudo. Valores referentes à média (em negrito e em caixa mais alta), desvio padrão e valores mínimos e máximos.
2.3.3. Composição Elementar C, N e P e Isótopos Estáveis de C, N no MPS
das Armadilhas.
A composição elementar C, N, P nas amostras coletadas nas armadilhas de
sedimento apresentou um padrão similar de distribuição de concentrações ao
longo do estudo. As maiores concentrações foram observadas no período de
outono de 2009 e as menores no verão de 2011 (Tabela 2.2). Os valores de 13C
variaram de -21,2 a -17,1 %o, sendo -19,4 o valor da média obtida para todo o
período de amostragem. Esses resultados indicam que o material coletado pelas
armadilhas é fundamentalmente de origem marinha, uma vez que essa faixa de
valores é similar a do plâncton marinho (-18 a -24 %o) (Prahl et al. 1980; Rodelli et
al. 1984) (Tabela 2.2). Essa afirmativa é reforçada também pelos valores da razão
N:C, que apresentaram uma média de aproximadamente 0,15 (N:C) para todo o
período de estudo (Tabela 2.2). Em geral, as razões N:C observadas também são
similares ao valor proposto por Redfield para o plâncton marinho (N:C =0,176).
Diferentemente do 13C, as razões isotópicas 15N apresentaram uma grande
variação nos sedimentos coletados pelas armadilhas. Os valores do 15N variaram
de 2,3 a 8,6 %o, sendo notáveis as maiores variações na primavera. Os valores
médios da razão N:P tenderam a ser baixos, indicando que o material depositado
nas armadilhas é, em geral, pobre em nitrogênio e enriquecido em fósforo (Tabela
2.2). Essa interpretação é corroborada pelos baixos valores da razão C:P,
indicando um enriquecimento relativo de fósforo no material depositado nas
armadilhas (Tabela 2.2).
127
Tabela 2.2. Estatística descritiva, das concentrações de C, N e P, das razões isotópicas
13C e 15N e das razões N:C, N:P e C:P no MPS coletado pela armadilha de sedimentos na Enseada de Itaipu (Valores:, média ± DP, variação Mínimo e Máximo).
Sob o ponto de vista qualitativo, o material coletado pelas armadilhas se
caracterizou pela presença de organismos fitoplântonicos mortos (intactos) e
detritos imersos em uma matriz de agregados amorfos. Além desses
componentes, observaram-se também restos abundantes de fitoplâncton
(fitodetritos), de pelotas fecais e de formas elipsoidais e alargadas e matéria
orgânica floculante não identificada, além de partículas de sedimento inorgânicas
Figura 2.12. Fotografias com microscópio invertido das amostras coletadas com as armadilhas de sedimentação instaladas na Enseada de Itaipu. Vista geral do material com abundantes restos de fitoplâncton e partículas biológicas imersas em uma matriz orgânica.
2.3.4. Fluxos de Sedimentação e Composição Elementar C, N, P do MPS da
Armadilha
As médias dos fluxos de massa total de partículas nas armadilhas
(expressas em peso seco por unidade de área e tempo) foram similares entre as
amostragens de outono, da primavera e do verão e diferenciadas com relação ao
inverno. Nos três primeiros períodos o fluxo médio de partículas foi em torno de
30 g.m-2d-1. Entretanto, no período de inverno a maior taxa média pontual de
sedimentação foi de 126,8 g.m-2d-1 e o fluxo médio situou-se no valor de 69,4 g.m-
2d-1 (Tabela 2.3 e Figura 2.13).
As médias dos fluxos de sedimentação do COP foram similares entre os
quatro períodos de instalação das armadilhas e foram da ordem dos 100 mg.m-2d-
1 (Tabela 2.3). Diferentemente, as médias calculadas para o NOP apresentaram
maiores variações, oscilando entre 13,7 a 21,7 mg.m-2d-1, respectivamente na
129
primavera de 2009 e no verão de 2011. Os fluxos desses componentes
demonstraram não ser grandemente influenciados pelo fluxo de partículas, mas
principalmente pela qualidade do material sedimentar. Ambos COP e NOP
apresentaram grandes variações no tempo, sendo o maior fluxo no verão (Figuras
2.14 e 2.15). Os maiores valores registrados no estudo para o COP foram de
186,3; 138,3 e 149,2 mg.m-2.d-1 e para o NT, 32,2; 19,0 e 21,2 mg.m-2.d-1,
respectivamente, no verão, no outono e no inverno (Tabela 2.3). Para o PT e PI
foram observados padrões diferenciados, descritos pelo aumento dos fluxos
apenas durante o inverno. Esses fluxos foram da ordem de 5,04 a 14,0 mg.m-2.d-1
no inverno. Em contrapartida, o fluxo medido no verão foi de 4,6 mg.m-2.d-1
(Tabela 2.3).
Tabela 2.3. Estatística descritiva dos resultados obtidos para a taxa de sedimentação (g.m2d-1), e de COP, NOP, PT e PIT (m.gm2d-1) coletado pela armadilha de sedimentos na Enseada de Itaipu (valores médios, Desvio Padrão, Máximo e Mínimo).
Conforme mencionado anteriormente, séries temporais de temperatura
foram obtidas na profundidade de 8 m na área da armadilha na Enseada de Itaipu
através da fixação de um sensor de temperatura (“Tidbit”) à estrutura metálica da
armadilha de sedimentação (Figura 2.13). Águas mas frias e com maiores
variações de temperatura foram observadas na primeira e na última série
temporal (outono de 2009 e verão de 2011). Ressalta-se ainda a presença de
águas frias na Enseada de Itaipu na área da armadilha durante os meses de abril,
novembro, janeiro e fevereiro associada a ventos de quadrante N- NE (Figura
2.7a, 2.8a e 2.13).
Os maiores fluxos de sedimentação ocorreram em águas com temperaturas
em torno de 22°C no período de inverno de 2009. As taxas de sedimentação de
partículas nessa época alcançaram o valor de 126,86 g.m-2.d-1, (Figura 2.13). Por
outro lado, as menores taxas de sedimentação foram observadas em presença de
águas com temperaturas mais baixas, como foram os casos dos meses de abril
de 2009 e janeiro e fevereiro de 2011 (Figura 2.13). Os fluxos de COT e NT não
apresentaram necessariamente relações evidentes com temperatura da água
(Figura 2.14 e 2.15). Nenhuma relação foi também evidenciada entre os fluxos do
PT e a temperatura da água (Figura 2.16).
131
Figura 2.13. Variação temporal da temperatura da água na área da armadilha (a 8 m de profundidade; circulos) e fluxos de sedimentação do material particulado (barras) para todo período de estudo na Enseada de Itaipu.
Figura 2.14. Variação temporal dos fluxos de Carbono Orgânico Particulado (COP; circulos) e fluxos de sedimentação do material particulado (barras) para todo período de estudo na Enseada de Itaipu.
Figura 2.15. Variação temporal dos fluxos de Nitrogênio Orgânico Particulado (NOP; cuadrados) e fluxos de sedimentação do material particulado (barras) para todo período de estudo na Enseada de Itaipu.
132
.
Figura 2.16. Variação temporal dos fluxos de Fósforo Total (triângulos) e fluxos de sedimentação do material particulado (barras) para todo período de estudo na Enseada de Itaipu.
2.3.5. Variação temporal da razão N:C e isótopos estáveis 13C e 14N do MPS
das armadilhas
A variação temporal das razões N:C apresentaram um comportamento
similar ao observado nas taxas de sedimentação. I.e., baixos valores de N:C
foram coincidentes com altos valores de taxas de sedimentação e sinal isotópico
enriquecido com o isótopo mais leve do Carbono e vice-versa. Essa relação foi
particularmente evidenciada no período de inverno (Figura 2.17). De forma
similar, a variação temporal dos valores de 13C também apresentaram o mesmo
padrão que as taxas de sedimentação e as razões N:C. 13C mais leves estiveram
associados a altos valores de taxas de sedimentação e baixas razões N:C e
valores de 13C mais pesados com valores baixos de sedimentação e razões N:C
(Figura 2.18). O padrão geral da variação temporal do 14N pareceu estar mais
relacionado à variação temporal da temperatura (nesse caso, a 8 m de
profundidade). O 15N apresentou grandes variações durante o início do
experimento (outono de 2009) e no final do experimento (verão de 2011). A
principal tendência observada foi a presença de um 15N mais leve em águas com
temperaturas mais baixas (Figuras 2.13 e 2.19).
133
Figura 2.17. Variação temporal das Razões N:C (cuadrados) e dos fluxos de sedimentação do material particulado (barras) para todo período de estudo na Enseada de Itaipu.
Figura 2.18. Variação temporal do 13C (barra de erro de análise 0,2°/oo) e dos fluxos de Nitrogênio Total e fluxos de sedimentação do material particulado (barras) para todo período de estudo na Enseada de Itaipu.
Figura 2.19. Variação temporal do 15N (barra de erro de análise 0,3°/oo) e dos fluxos de sedimentação do material particulado (barras) para todo período de estudo na Enseada de Itaipu.
134
2.4. DISCUSSÃO
2.4.1. Taxas de sedimentação: variação temporal
O processo de sedimentação de partículas em suspensão da coluna d’água
(MPS) água até fundo é um mecanismo que retira material em excesso deste
compartimento, promovendo a manutenção do equilíbrio do sistema aquático e
contribuindo com elementos essenciais para a produtividade primaria através da
mineralização da matéria orgânica (Miquel et al. 1994). Os fluxos verticais da
matéria orgânica tem relação com as taxas de produção primária na coluna
d’água, sejam elas nova ou regenerada. i.e., da produção primária sustentada
pelo aporte alóctone (“nutriente novo” ou “de fora”) ou autóctone (reciclagem
interna de nutrientes na coluna d’água). Entretanto, em sistemas costeiros esta
relação tende a ser fortemente controlada pelo aporte de fontes adicionais de
origem continental. Os aportes do material biogênico e litogênico podem, assim,
sustentar grande parte da produção primária nova e, consequentemente, alterar a
composição do MPS e as taxas de sedimentação nas águas superficiais. Por
outro lado, em ambientes de águas costeiras rasas, existe também o efeito da
ressuspensão de sedimentos, que pode também modificar significativamente os
fluxos verticais e a composição qualitativa do material (Sanford, 1992). Em função
dessas prerrogativas, as informações obtidas a partir de armadilhas de
sedimentação instaladas em áreas costeiras rasas devem ser interpretadas com
cautela (Sanford 1992).
A Enseda de Itaipu (EI) se encontra localizada na região oceânica do
município de Niterói-RJ, inserida na área interna da Plataforma Continental
Sudeste do Brasil - PCSB (Figura 2.1). A EI está voltada para sul, o que faz com
que ela apresente uma grande exposição aos ventos que sopram deste quadrante
135
(em geral mais fortes e relacionados a entradas de frentes frias – Seção 2.3.1). As
condições oceanográficas em EI são complexas, em função da interação das
diferentes massas de água que ocorrem na região (AT, AC e ACAS) e do aporte
de águas eutrófizadas da Baía de Guanabara e do Sistema Lagunar Piratininga-
Itaipu (SLAPI), cujo canal principal de ligação com o mar encontra-se bem
próximo da área de instalação da armadilha. Isto é corroborado pelos altos
valores de nutrientes, seston e clorofila-a encontrados na Enseada de Itaipu neste
estudo (Capitulo 1 e Capitulo 2). Por outro lado, levando-se em consideração
essas características e o posicionamento da armadilha de sedimentos (700 m da
linha de costa, a uma profundidade de 10m) (Figura 2.2), espera-se que
processos de ressuspensão de material depositado no fundo e a carga do
Sistema Lagunar Piratininga-Itaipu devam ser fatores preponderantes
influenciando a qualidade e a quantidade do material sedimentado nas
armadilhas. Efetivamente, a contribuição desses fatores se fez presente nas altas
variações de fluxo observadas e nas elevadas taxas de sedimentação registradas
neste estudo. Neste particular, é conveniente ressaltar a possibilidade de
superestimação dos valores das taxas de sedimentação em alguns casos, o que
está relacionado à ressuspensão do material depositado no fundo após de
passagem frentes frias de origem polar frequente em esta região. (Kjerfve, 1997),
por exemplo, detectou a presença de 13 dessas passagens chegando nas áreas
costeiras de Rio de Janeiro durante o período de junho a julho daquele ano.
Essas frentes traziam consigo eventos de precipitação e, portanto, aumentaram o
impacto da descarga de material continental para áreas costeiras. Os efeitos
resultantes da passagem de frentes frias em áreas costeiras no compartimento
pelágico e bentônico têm sido bem estudados (Gallucci, Netto 2004) e se
136
traduzem no aumento da incidência de ondas na área costeira (Salvador, Da Silva
2002) (Figura 2.10). Outros estudos com armadilhas em áreas costeiras rasas
também evidenciaram grandes variações na sedimentação e relacionaram as
altas taxas de sedimentação observadas a processos de ressuspensão após de
grandes eventos de precipitação (Chung et al. 2003; Douglas et al. 2003;
Yamaguchi et al. 2003; Sukigara, Saino 2005). Outro aspecto mais particular da
EI é a influencia de eventos de ressurgência costeira na formação do MPS
durante determinados períodos do ano, notavelmente durante meses de
primavera-verão. Esses eventos ocorrem durante períodos com predominância de
ventos de quadrante N-E, o que foi observado nesse estudo (Figura 2.7 a e b;
Figura 2.8 a e b). O processo da ressurgência costeira local ocorre com o
afastamento das águas costeiras em direção a setores mais externos da
plataforma continental, o que induz o afloramento de águas frias e ricas em
nutrientes novos, incrementando assim a produção primária e a quantidade de
material particulado em suspensão da coluna de água (Matsuura 1986; Castro-
Filho et al. 1987). Como resultado, observa-se também uma elevação nas taxas
de sedimentação, o que tem relação também com a duração e a intensidade de
estes eventos.
A faixa de variação das taxas de sedimentação obtida para o MPS da EI
(10,9 a 126,8 gm-2d-1) foi similar, mas um pouco mais elevada se comparada a
taxas reportadas em outros estudos realizados em algumas outras áreas
costeiras, sejam elas com ou sem influência de eventos de ressurgência. São
exemplos os casos de taxas de sedimentação medidas no Pacifico Sul, mais
particularmente nas baías de Concepción e de Mejillones do Sul (Farías et al.
1996; Cerda et al. 2010), em áreas costeiras do Mediterrâneo (Rossi et al. 2003) e
137
em regiões costeiras da Ilha de Santa Catarina (Simonassi 2010), no SLAPI
(Nepomuceno 2008) e em Cabo Frio (Albuquerque A, 2012), sendo esses três
últimos no Brasil. Neste estudo, o observado na sedimentação local relacionado a
eventos de ressurgência foi o aumento das concentrações das taxas de
sedimentação de COP e NOP e os baixos valores das taxas de sedimentação de
MPS (Figura 2.14; Figura 2.15). Nossos resultados indicam a ressurgência
costeira atua na sedimentação local ocasionando um aumento na produtividade
planctônica da EI, que foi acompanhada pela diminuição processos de
ressuspensão de sedimentos para a coluna d’água.
Fica evidente através dos resultados desse estudo que as variações dos
fluxos do material particulado na EI, bem como a variação temporal da
composição da matéria orgânica dos sedimentos coletados nas armadilhas são
controladas por diferentes processos, que atuam ao longo do tempo com
diferentes intensidades e durações (ex. ressurgência, aporte continental,
ressuspensão de sedimentos, etc.). No sentido de se tentar identificar padrões e
fatores relacionados a esses processos, os dados da série temporal da armadilha
de sedimento foram submetidos à Análise de Componentes Principais (ACP), que
possibilita integrar simultaneamente as informações de todas as variáveis que
compõem o conjunto de dados.
Os quatro primeiros eixos dos planos fatoriais explicaram 83,7 % do total da
variância, sendo que os dois primeiros contêm 58,8 % da explicação enquanto
que o 3° e 4° eixos contribuíram com 24,9 % da explicação da variância total
(Figura 2.21). O primeiro plano fatorial (Eixo 1) contribuiu com 36,2 da explicação
e as principais variáveis que descrevem esse eixo foram (a) os fluxos de
138
sedimentação (Sed), (b) a altura da onda (A.Onda), (c) o 13C, (d) a salinidade
(SAL), (e) o N:C e (f) a amplitude da maré (Mare) (Figura 2.22). Os quatro
primeiros parâmetros (variáveis) estão projetados na parte positiva do eixo e os
três últimos na parte negativa. As amostras relacionadas às variáveis Sed,
A.Onda, SAL e 13C correspondem aos períodos de inverno e de primavera (4, 5,
9, 10, 11 e 12). Em geral, essas amostras apresentaram os maiores fluxos de
sedimentação e estão correlacionadas positivamente entre si, indicando a
importância da altura das ondas como um fator determinante na dinâmica da
sedimentação local. Em outras palavras, a parte positiva do primeiro plano fatorial
pode ser interpretada como um fator relacionado ao processo de ressuspensão
de partículas. A geração e a altura das ondas estão, por sua vez, relacionadas
basicamente a três fatores: o vento, o encontro (superposição) de ondas e a
forma do litoral. No caso da Enseada de Itaipu, as ondas incidentes provêm das
direções SE, S e SW (Froidefond et al. 1990; Bastos 1994), sendo que as ondas
de SE tendem a ter menor energia pelo fato de se difratar em função da presença
das ilhas da Menina, da Mãe e do Pai e são divergentes quando alcançam a linha
de praia. Diferentemente, as ondas de SW (de ressaca) convergem diretamente
sobre a porção centro-oeste da praia de Piratininga. A altura média das ondas nas
praias de Camboinhas e Itaipu é de 1 m mas essas ondas podem alcançar 3 m de
altura em períodos de ressacas (Santos 2001) (Figura 2.20). Esses eventos
ocorrem normalmente na região de estudo durante os meses de março a agosto
(Santos et al. 2008) e são acompanhados pelo aumento do nível do mar na costa
do Estado do Rio (empilhamento de águas mais oceânicas na região costeira).
Esses eventos acarretariam, portanto, no aumento salinidade da água na costa, o
que explica a correlação positiva da salinidade (SAL) com os fluxos de
139
sedimentação observados nas armadilhas para esse período (Sed). Variáveis
como a amplitude da maré, o vento e a razão N:C estão projetadas na parte
negativa do Eixo 1(Figura 2.20), portanto negativamente correlacionadas com o
fluxo de sedimentação. Ou seja, condições de maior estabilidade na coluna
d’água (pouco vento) também aparecem com um fator que favorece a
sedimentação. Por outro lado, o fato da amplitude de maré aparecer
negativamente correlacionada à taxa de sedimentação (Sed) é interpretado como
o efeito da chegada de material continental na enseada, que apresenta maiores
quantidades de MPS (mais detalhes no Capítulo 1 dessa Tese). Esse tipo de
associação é corroborada pelo comportamento da razão N:C, que está
correlacionada negativamente com a sedimentação (Sed). Hipoteticamente, o
aporte de nutrientes do sistema lagunar para a EI acarretaria em um aumento da
produção primária planctônica, cujos valores de N:C tendem a ser mais elevados.
A importância do transporte e exportação de material do Sistema Lagunar
Piratiniga-Itaipu através do Canal de Itaipu para a Enseada de Itaipu e a influência
das águas eutrófizadas da Baia Guanabara já foram mencionadas em outros
trabalhos (Knoppers, 1991; Nepomuceno A., 2008) e no Capítulo 1 dessa Tese.
Fica evidente que tanto o aporte continental quanto processos de ressuspensão
de sedimentos seriam os fatores mais importantes a serem considerados nessa
área costeira. Esses dois fatores estão representados no Eixo 1, que pode ser
designado como o “Eixo da Dinâmica da Sedimentação”.
O segundo eixo explica 22,6 % da variação total (Figura 2.21) e as variáveis
associadas a ele são: (a) a temperatura (TEMP) e as concentrações de (b) o
carbono orgânico particulado (COP), (c) o nitrogênio orgânico particulado (NOP),
(d) o fósforo orgânico particulado (POP), (e) o fósforo inorgânico total (PIT) e o (f)
140
15N (Figura 2.22). As cinco primeiras variáveis encontram-se projetadas na parte
positiva do eixo e o 15N, na parte negativa. A correlação positiva entre a
temperatura (TEMP) e as concentrações das espécies de C, N e P no MPS
sedimentado indica que esses materiais estão associados às águas mais
quentes, provavelmente de origem continental oriundas principalmente do SLAPI.
Por outro lado, a correlação negativa entre o 15N e os componentes C,N, P e a
temperatura (TEMP) indica que o material proveniente do SLAPI seria mais
enriquecido em 15N (Figura 2.23). E ainda, a correlação negativa 15N entre indica
a presença de um nitrogênio novo mais leve associado a águas mais frias.
Portanto, o Eixo 2 é interpretado com um fator relacionado ao tipo de fonte,
podendo ser designado como o “Eixo das Fontes”.
Figura 2.20. Registro fotográfico (a) ondas na Enseada de Itaipu, (b) barco encalhado na praia de Camboinhas, (c) orla da praia de Camboinhas refletindo os efeitos de um período de ressaca e passagens de frentes frias na região.
141
Figura 2.21. Representação gráfica das amostras e variáveis do plano fatorial do 1° e 2° eixos da análise de componentes (ACP) da Enseada de Itaipu.
Figura 2.22. Carga das variáveis do primeiro componente.
142
Figura 2.23. Carga das variáveis do segundo componente.
143
2.4.2. Composição do material sedimentar
Em áreas costeiras como a Enseada de Itaipu, a composição elementar da
matéria orgânica sedimentar pode se constituir em uma importante fonte de
informação da dinâmica sedimentar e de mudanças ambientais que ocorreram no
local (Wang et al. 2007). O transporte de materiais pela via fluvial, que é
magnificado durante eventos de alta precipitação atmosférica, constitui-se na
principal fonte alóctone de sedimentos para os ambientes marinhos costeiros.
Esses sedimentos em suspensão tem composição altamente variável e são o
resultado de uma mistura complexa de materiais de diversas origens. Uma outra
fonte de materiais para o ambiente costeiro é a fonte marinha, que pode trazer
nutrientes e/ou biomassa contribuindo para a produção primária dos ecossistemas
costeiros (Peterson, Fry 1987; Santos 2007).
A composição elementar da matéria orgânica do MPS é uma ferramenta
muito utilizada para identificar a fonte (a origem) da matéria orgânica que aporta
os ambientes aquáticos. Essencialmente, esses sedimentos podem ter duas
origens: terrestre ou marinha. Neste estudo utilizou-se a razão N:C como um
identificador da origem dos materiais para áreas costeiras, que tendem a ter
material sedimentar com grandes percentagens de mistura (Perdue, 2007).
Classicamente faz-se uso da Razão C:N para definir a fonte do material
sedimentar, sendo que o raciocínio é baseado no fato do material terrígeno ser
relativamente pobre em nitrogênio se comparado com o material de origem
marinha (Razão C:N de Redfield). Entretanto, existem evidências de que a razão
C:N subestimaria os valores de carbono e a razão N:C seria mais sensível para
detectar câmbios na composição do material sedimentar (Perdue, 2007). Além
disso, a relação entre a razão C:N e as concentrações de carbono do material
144
terrestre não apresenta linearidade, o que não acontece com a relação N:C e o
carbono do material terrestre. Isso induziria a erros de interpretação quando do
uso da razão C:N. As bases das interpretações quando se usa a razão N:C são
que o material de origem fitoplanctônica tem uma razão N:C = 0,176 (baseado em
Redfield) e o material de origem terrestre pode ter razões acima ou abaixo da
razão N:C do plâncton, dependendo da fonte.
Outra alternativa seria o uso de isótopos estáveis de alguns elementos. As
razões isotópicas de carbono (13C), por exemplo, têm sido muito empregadas
para se distinguir fontes de matéria orgânica sedimentar e identificar a matéria
orgânica de diferentes fontes. A maioria das plantas fotossintetizantes incorpora o
carbono usando a via C3 do ciclo de Calvin, que bioquimicamente discrimina o
isótopo mais pesado (13C) do CO2 atmosférico causando um desvio da ordem de -
20‰ com relação a essa fonte. Em outras palavras, o 13C do CO2 atmosférico
está em torno de -6 a -7‰ e a planta C3 apresentará um 13C em torno de -25‰.
Outras plantas utilizam a via de Hatch-Slack C4 para fixar o carbono inorgânico
atmosférico, e esse metabolismo gera fracionamento de ~ - 7‰ . Assim, enquanto
plantas C3 apresentam um 13C médio de ~ - 27‰, plantas C4 apresentam 13C
médio da ordem de -14‰ (Marion 1988). Diferentemente das plantas vasculares,
a fonte de carbono inorgânico das algas marinhas é o bicarbonato dissolvido, que
tem um sinal 13C de 0‰. Entretanto, como fitoplâncton tem um metabolismo do
tipo C3, o fracionamento gera um 13C entre -22 e -20‰ (Figura 2.23). A diferença
de 7‰ entre a matéria orgânica produzida por plantas terrestres C3 e as algas
marinhas têm sido usadas com sucesso para se detectar fontes de matéria
orgânica em sedimentos costeiros e oceânicos (Hunt 1970; Newman et al. 1973;
Gearing et al. 1977). No entanto, a interpretação de sinal isotópico pode tornar-se
145
dificultada em sedimentos de áreas costeiras estuarinas, uma vez que eles
apresentam uma composição complexa, recebendo contribuições de matéria
orgânica proveniente tanto de algas quanto de plantas vasculares C3 e C4 (Fry et
al. 1977).
Figura 2.24. Fontes de carbono e fracionamento cinético na composição isotópica média de plantas terrestres e marinhas (Libes 1992).
A composição da fração orgânica dos sedimentos coletados pelas
armadilhas instaladas na Enseada de Itaipu é o resultado da mistura várias
fontes. Entretanto, a maior parte do material que forma os sedimentos tem
predominância de origem marinha. Esse material apresenta uma razão N:C média
de 0,14 (em massa) e o sinal 13C de -19,4. Em termos de variações, essas
razões situam-se em uma faixa de 0,11 a 0,17 (N:C) e o sinal 13C oscila na faixa
de -17,1‰ a 21,2‰. Os sedimentos coletados na armadilha na época de outono e
146
inverno apresentaram razões N:C mais baixas que as amostras da primavera e do
verão (Figura 2.24). Os sedimentos do inverno foram também caracterizados por
um 13C relativamente mais leve e que os sedimentos da primavera e do verão,
que apresentaram valores de 13C mais negativos. Estas variações sugerem a
importância de processos de transporte, sedimentação e produção biológica na
EI, que dependendo da intensidade, duração de estes, indicaria a preponderância
da contribuição de uma fonte sobre a outra. A relação entre o 13C e N:C foi
significativa (p<0,05), indicando que a dinâmica sedimentar para o período de
outono e inverno é muito dependente das condições climáticas e hidrográficas
(entrada frentes frias, instabilidade da coluna d’água, etc.). Os sinais 13C e a
razão N:C medidos nos sedimentos de primavera e do verão foram mais
homogêneos que os medidos no inverno e no outono. No primeiro caso, parece
haver uma maior contribuição de uma fonte autogênica (marinha) e no segundo a
influência de materiais de diferentes origens tais como C4 e material autogênico
marinho (Figura 2.24). Valores mais altos de N:C 13C mais pesados têm sido
reportados para áreas costeiras vizinhas. Amostras de armadilhas de sedimentos
do litoral de Cabo Frio, por exemplo, apresentaram razões N:C variando de 0,15 a
0,48 e 13C entre -21,4 e 27,3. No nosso caso, correlações negativas entre COP e
N:C foram significativas (p<0,05), indicando a importância dos processos de
ressuspensão na coluna d’água na EI (depois de grandes ressacas) e da
descarga de material através do Canal de Itaipu (depois de chuvas intensas) na
dinâmica de sedimentação local (Figura 2.25). Em condições de ausência de
ressuspensão e grandes descargas do sistema lagunar, a EI tende a funcionar
como um sistema completamente marinho, onde predomina o material
influenciado pela produção de matéria orgânica de origem do plâncton marinho.
147
Figura 2.25. Relação entre 13C e N:C, presentes no material coletado na armadilha de sedimentos nos diferentes períodos e outros estudos, adaptado de (Libes, Deuser 1988).
148
Figura 2.26. Relação entre 13C e COP presentes no material coletado na armadilha de sedimentos nos diferentes períodos na Enseada de Itaipu.
De forma similar às razões isotópicas de carbono, as razões de isótopos
estáveis de nitrogênio também são úteis para distinguir diferentes fontes de
matéria orgânica sedimentar. Essa diferenciação é possível devido ao fato da
composição isotópica da fonte de nitrogênio inorgânico usada na produção da
matéria orgânica apresentar diferentes assinaturas em plantas aquáticas e
terrestres. Os valores de 15N do nitrato dissolvido (NO3) varia de +6‰ até +10‰,
do amônio (NH4), de +7‰ até +12‰, enquanto que 15N do N2 atmosférico é em
torno de 0‰ (Montoya et al. 1992; Philip A 1994). Já foi demostrado que amostras
de sedimento constituem-se em um reservatório de nitrogênio que, a princípio,
preserva o conteúdo isotópico da matéria orgânica produzida pelo plâncton (15N
149
de +8,6‰) ou pelas plantas terrestres C3 (15N de 0,4‰) nos ecossistemas
estuarinos (Peterson, Fry 1987). Entretanto, o sinal isotópico do nitrogênio
também é afetado em sistemas aquáticos por processos de assimilação,
desnitrificação, nitrificação e remineralização e, a direção e magnitude destes
processos, assim como seus efeitos, indicam a presença dos processos
A variação do sinal isotópico do 15N do material coletado nas armadilhas
foi de +3,1‰ até +8,1‰, com um delta médio de +5,0‰ (Figura 2.26), o que
indica a presença de diferentes formas e processos assimilativos de nitrogênio.
Valores de 15N mais baixos tendem a estar associados à presença de nitrogênio
novo e valores mais altos estão associados a processos metabólicos variados e
de reciclagem (Liu, 2011). Além destes fatores, a inibição do consumo de nitrato
por grande oferta de amônia no sistema pode também atuar decisivamente no
fracionamento. Nesse estudo, valores mais baixos de 15N foram encontrados em
sedimentos coletados na primavera e outono, supostamente relacionados
entradas de águas de temperatura mas frias ACAS. Essas águas apresentaram
elevadas concentrações de nitrato e já foram identificadas com tendo um 15N,
mas leve (Ferraz, 2003). Na área de estudo eventos de ressurgência são
frequentes durante a primavera e o verão. Baixos valores de 15N são também
reportados para águas oceânicas profundas. O 15N do NO3 de águas
subsuperficiais e profundas dos oceanos mundiais é da ordem de +5‰ - +6 ‰
(Crisp, 1979; Ostrom et al. 1997). No Brasil, valores em torno de 6 - 7 ‰ foram
reportados para a macroalga Ulva sp. incubadas em águas da ACAS (Ferraz
2003). Por outro lado, baixos valores de 15N (+2,2‰ a +5,5 ‰) foram também
150
reportados em sedimentos de armadilhas instaladas em águas profundas na
região das Ilhas Canárias e em armadilhas fixas instaladas em Cabo Frio. Nesse
último caso, os valores situaram-se entre +1,1 e +6,6 (Albuquerque, 2012) (Figura
2.26). Por outro lado, valores de 15N mais pesados estão normalmente
associados a processos de remineralização do MOP (ex. decomposição da
matéria orgânica em amônio pela via bacteriana, amonificação). Já foi também
evidenciado na região costeira de Cabo Frio (Brasil) que esse nitrogênio
remineralizado é disponibilizado para produtores primários, dentre os quais as
macroalgas (Ferraz, 2003). No caso desse estudo, altos valores de 15N
estiveram associados a épocas de altos fluxos de sedimentação, o que tem
relação com a quantidade de material particulado na coluna de água produzido
pelo aporte da descarga do SLAPI. O material do sistema lagunar pode ser
visualizado na relação entre 15N e 13C na Figura 2.26. Finalmente, o MPS da
armadilha Enseada de Itaipu é marinho, mas altamente influenciado por materiais
de origem terrestre (Figura 2.24; Figura 2.26).
151
Figura 2.27. Valores das razões isotópicas de C e N (barra de erro de analise 0,2°/oo e
0,3°/oo para 13C e 15N, respectivamente) e da matéria orgânica no material sedimentado na Enseada de Itaipu e valores de outros trabalhos (Cifuentes 1988; Lima 2011; Albuquerque A 2012).
152
2.5. CONCLUSÕES
A dinâmica sedimentar na área de estudo é controlada por diferentes
processos que influenciam a contribuição relativa das fontes de materiais que
atingem a enseada. Os maiores fluxos de sedimentação de MPS aconteceram
predominantemente em condições de maior energia, i.e., durante a entrada de
frentes frias, com presença de ventos e formação de ondas, o que induz a
ocorrência de processos de ressuspensão de material do fundo para a coluna
d’água. A qualidade desse material é caracterizada por apresentar baixos teores
de C e N e altos de PI, evidenciando a influência do Sistema Lagunar Piratininga-
Itaipu na sedimentação da EI. Desta forma fluxos de MPS calculados durante
esses períodos são provavelmente superestimado. Em relação à qualidade do
material sedimentar obtido durante a entrada de frentes frias, foi evidenciada a
presença de um material orgânico com características refratárias, o que é
corroborado pelos baixos valores das razões N:C e pelo valores relativamente
mais elevados de 13C, caracterizando enriquecimento do material com o C mais
leve. Em contrapartida, os menores fluxos de MPS aconteceram em condições de
estabilidade da coluna d’água em períodos caracterizados pela presença
predominante de uma fonte de material autogênica (produção “in situ”). Esses
sedimentos apresentam teores mais elevados de C e N que os anteriores (do
período de entrada de frentes frias). Em relação à qualidade desse material
sedimentar, foi evidenciado que ele é composto por uma matéria orgânica mais
lábil, o que também é corroborado pelos relativamente altos valores das razões
N:C e pelo enriquecimento do isótopo mais pesado do C no material (valores de
13C mais negativos). Ainda que vários valores de 15N mais baixos tenham sido
encontrados nesse material, essas razões apresentaram uma maior variação e os
153
dados são inconclusivos. Os sedimentos da armadilha funcionaram como
indicadores da variação da produção primária recente na coluna de água e do
aporte de material continental que sedimenta na Enseada de Itaipu.
Terceiro Capítulo
155
Capítulo 3: EUTROFIZAÇÃO E QUALIDADE DA MATÉRIA ORGÂNICA AO
LONGO DE REGISTROS SEDIMENTARES DA LAGUNA DE ITAIPU (RJ,
BRASIL)
3.1. INTRODUÇÃO
O processo de ocupação das zonas costeiras que ocorreu ao longo do
último século tem contribuido de forma significativa com o aumento da carga de
sedimentos em suspensão e de poluentes para os ambientes estuarinos,
resultando na degradação de muitas dessas áreas (Simonassi 2010). Esses
problemas têm sido muito comuns particularmente nos países em
desenvolvimento devido ao fato do crescimento populacional ocorrer sem o
devido acompanhamento da infraestrutura de saneamento. Destaca-se como
resultado negativo o processo de eutrofização cultural, que está associado à
descarga de esgotos sem tratamento (ou com tratamento insuficiente) e/ou de
outras fontes difusas. Dentre muitos, pode-se citar, por exemplo, os casos da
Baía de Guanabara e do Sistema Lagunar de Piratininga-Itaipu (SLAPI), que se
tornaram sistemas costeiros com uma elevada carga de contaminantes
químicos e/ou eutrofizados (Borges et al. 2009).
O SLAPI e sua bacia de drenagem, localizados na costa sudeste do
Brasil, Niterói (RJ), tem sido alvo de um intenso processo de urbanização e de
uma série de intervenções ao longo das últimas seis décadas. Na década de
40, ocorreu a primeira intervenção no sistema através da construção do Canal
do Camboatá, que faz, ainda atualmente, a comunicação entre as lagoas de
Piratininga e de Itaipu. Na década 70 foi fechada a antiga barra de Piratininga,
um canal que fazia a comunicação entre a Lagoa de Piratininga e o mar. Essa
barra localizava-se no setor oeste da lagoa, na Prainha, e era chamada pelo
156
nome Canal do Tibau. O fechamento desse canal causou alterações drásticas
no sistema lagunar, levando o aprisionamento de suas águas e ocasionando a
o acúmulo de água doce na Lagoa de Piratininga (Barroso et al., 2000). Ainda
durante o final dessa década, foi construído um canal artificial permanente de
conexão entre o mar e a Laguna de Itaipu, o Canal Itaipu. Paralelamente a isto
ocorreu a construção da Ponte Rio-Niterói, aumentando o fluxo populacional da
cidade do Rio de Janeiro para a cidade Niterói, acelerando a ocupação dessa
área e a consequente drenagem de carga orgânica da bacia para o SLAPI.
A degradação provocada pelo aumento destas cargas tem causado
crescentes problemas ambientais nas últimas décadas (Rebello et al. 1986;
Kjerfve et al. 1997b). Um dos principais efeitos dessa degradação sistemática
do ecossistema costeiro da Região Oceânica de Niterói, sendo notável a
eutrofização cultural. Esse processo se caracteriza pela geração altas
quantidades de biomassa algal nos ambientes aquáticos devido ao aumento do
aporte de nutrientes essenciais, resultando na acumulação de matéria orgânica
detrítica no sistema (Knoppers, Kjerfve 1999). Esse aporte adicional de
nutrientes nos ambientes lagunares tende a ocasionar problemas de grande
magnitude tais como mortandade de peixes, acúmulo de biomassa algal morta
e ocorrência de patógenos, uma vez que estes locais já são naturalmente
eutrofizado e estão entre os ecossistemas mais produtivos do mundo
(Vollenweider et al. 1992; Bianchi 2007). Altos níveis de produção primária,
frequentemente observadas nesses sistemas estão diretamente associados
com a grande oferta de nutrientes inorgânicos dissolvidos de origem terrestre,
reciclagem interna do sistema e fontes antropogênicas (Abreu et al. 1995;
Souza et al. 2009; Zhang et al. 2009). Sendo assim, esses ecossistemas
157
podem atingir e sustentar elevadas taxas produção primária que variam de
200-500 gCm2ano-1 e uma extração de pesca de 60 a 120 toneladas ano (Day
et al. 1989; Knoppers, Kjerfve 1999). Entretanto, nos últimos anos o processo
de eutrofização cultural tem gerado condições extremamente anóxicas,
floração de algas nocivas, provocando uma severa diminuição da população de
“sorting”, assimetria – “skewness” e angulosidade – “Kurtosis”) (Figura 3.13)
informam também variações de tamanho médio diferenciados para o T1 (4,47 a
3,97) e para o T2 (6,77 a 5,18), com diferentes graus de selecionamento. O T1
caracterizou-se por um “sorting” variando da classificação do tipo “muito mal
selecionado” (93%) a “mal selecionado” (7%) enquanto que no T2, 100% dos
sedimentos foram categorizados como “mal selecionado”. O resultado da assimetria
evidenciaram diferenças entre testemunhos, destacando um maior enriquecimento
de partículas finas no T2 (0,22 a 0,34). Em relação às curtoses, observa-se que no
T1 predominou a forma platicúrtica (0,86 a 0,91), enquanto no T2 as formas variaram
entre platicúrtica e mesocúrtica (0,84 a 0,93).
A descrição das curvas granulométricas para os dois testemunhos revelou
diferenças na dinâmica sedimentar. Isso ocorreu tanto em relação à identificação do
traçado do transporte residual de sedimentos, quanto com relação ao ambiente
predominante no qual os sedimentos foram depositados (Figura 3.14). Os dois
testemunhos foram coletados nas bordas norte e leste da Laguna de Itaipu, sendo
estes lugares de baixa energia, o que facilita a deposição de sedimentos finos. Estes
resultados são corroborados pelos estudos de velocidade de corrente obtidos no
interior da Laguna de Itaipu para esse local, que foram de 0,02 ms-1 (Lavernere-
Wanderley 1999). Os resultados de assimetria indicam que a fonte de origem do T1
foi majoritariamente muito mal selecionada, sugerindo uma fonte próxima ao local de
deposição, proveniente do rio João Mendes. No T2, os resultados demonstram uma
predominância de uma fonte mal selecionada, indicando um sedimento melhor
177
selecionado, provavelmente pela Laguna de Piratininga, e transportado pelo Canal
de Camboatá.
Figura 3.14. Curva das variações dos parâmetros estatísticos das amostras dos
testemunhos T1 e T2. Recuperados na Laguna de Itaipu.
3.4.2. Taxa de Sedimentação, Registros Sedimentares e Geoquímica da Matéria
Orgânica
A datação pelo método do 210Pb é uma das técnicas mais utilizadas para
calcular taxas de sedimentação em sistemas lagunares e estuarinos (J.M. Godoy
1998; Knoppers, Kjerfve 1999; Marques Jr. et al. 2006). O método se baseia no
decaimento radioativo do 210Pb de origem atmosférica ao longo da profundidade em
uma coluna sedimentar. Em muitos casos, o decaimento do 210Pb não é regular nos
primeiros centímetros de profundidade. Isto ocorre em função do efeito da
178
bioturbação, eventos de tempestades catastróficas e ressuspenção de sedimentos
pela ação dos ventos e das marés. Assim, as vezes é necessário se realizar uma
extrapolação das taxas de sedimentação para esses níveis superiores dos registros
sedimentares. O testemunho T1 apresentou alguma perturbação desse tipo nos
primeiros 21 centímetros, o que pode ter relação com o próprio ambiente lagunar,
que é muito raso e sujeito a interferências desse tipo. Entretanto, ainda assim, foi
possível determinar a taxa de sedimentação global, que foi estimada em 0,5 cm.ano-
1, o que equivale a uma deposição de aproximadamente 61 g(sed).m2d-1. Este
resultado é compatível com as taxas de sedimentação medidas através de
experimentos realizados com armadilhas fixas instaladas anteriormente na Laguna
de Itaipu (Nepomuceno A. 2008) e com outros estudos anteriores efetuados em
outros sistemas lagunares do Estado do Rio de Janeiro (Knoppers, Kjerfve 1999;
Lavernere-Wanderley 1999). Essa taxa de sedimentação também é similar às
obtidas em outras regiões estuarinas brasileiras e mundiais (Fernex et al. 1992; San
Miguel et al. 2004; Marques Jr. et al. 2006; Sanders et al. 2006; Patchineelam et al.
2011).
Os resultados das distribuições verticais dos registros sedimentares relativos
às composições granulométrica e geoquímica (Figura 3.15) revelam a existência de
variações na dinâmica sedimentar na Laguna de Itaipu. Essas variações são, em
última análise, o reflexo das diferentes condições hidrodinâmicas locais do sistema
no tempo e foram observadas no intervalo entre a superfície do testemunho T1 até
aproximadamente os 33 cm de profundidade (Figura 3.15), onde se observa
claramente uma mudança no registro sedimentar. Considerando a taxa de
sedimentação global calculada de 0,5 cm.ano-1, esta profundidade do testemunho
corresponde ao ano de 1945. Por esta época, foi realizada a primeira grande
179
intervenção nesse ecossistema, i.e., a construção do Canal do Camboatá, que liga
as lagoas de Piratininga e Itaipu (Figuras 3.15 e 3.16a). Essa intervenção teve por
objetivo regularizar o equilíbrio hidráulico entre as duas lagoas, de forma a minimizar
as enchentes que ocorriam no período de chuvas e diminuir o alagamento de áreas
de entorno das lagoas. Essas áreas alagadas constituíam-se em criadouros de
mosquitos anofelidos transmissores da malária (Oliveira 1945).
Figura 3.15. Distribuição vertical do tamanho de partículas, N:C, 13C e 15N (barra de erro
de análise 0,2°/oo e =0,3°/oo para 13C e 15N, respectivamente) do registro sedimentar T1. A linha segmentada indica cada intervenção no ecossistema.
180
Figura 3.16. Fotografias do (a) Canal Camboatá, que faz a conexão entre as lagunas de
Piratininga e de Itaipu (foto de 2010) e (b) vista aérea do Canal Itaipu, canal que conecta a Laguna de Itaipu com a Enseada de Itaipu (foto de 1987).
Os registros sedimentares e geoquímicos mais antigos, ou seja, relativos às
profundidades abaixo dos 33 cm, refletiram as condições do ecossistema antes da
abertura do Canal do Camboatá, enfatizando um ambiente mais natural e mais
estável com relação a sua dinâmica sedimentar (Figura 3.15). Observa-se nesse
intervalo (abaixo de 33 cm de profundidade) a diminuição do tamanho das
partículas, acompanhado de uma diminuição dos valores das razões N:C. Esse tipo
de padrão sugere uma mistura de matéria orgânica de origem autóctone e de
matéria orgânica de origem terrestre, com influência de plantas C3 (Figura 3.17). Nas
camadas mais profundas, a razão N:C apresenta um sinal mais típico de
contribuição terrestre. Diferentemente, o sinal do isótopo 13C não mostra variações
tão evidentes (-22,8 - 23,9 %o). Entretanto, ocorre uma tendência de enriquecimento
do isótopo mais pesado, indicando uma mistura de diferentes aportes de matéria
orgânica, cujas fontes de carbono poderiam ser algas marinhas e solos degradados
(Figura 3.17).
181
O sinal do isótopo 15N apresentou maiores variações que o 13C no perfil
datado (T1), com valores variando entre 0 (zero) e 3,2 %o. O 15N também parece
refletir melhor as mudanças ocorridas antes da abertura do Canal de Camboatá. O
material sedimentado fornece indicações de diferentes processos relacionados ao
ciclo do nitrogênio, como por exemplo amonificação, nitrificação e desnitrificação
(Carreira et al. 2002b), refletidos no fracionamento isotópico. Destaca-se entre estes
processos a desnitrificação, caracterizada por valores 15N abaixo de 0 (zero), como
obseravado nos intervalos correspondentes aos 42-45 cm e 60-63cm de
profundidade. Nesses intervalos observa-se a predominância de um material mais
“leve” (Eitaro Wada 1975), sugerindo a presença de altas taxas de remineralização
de matéria orgânica em épocas em que a lagoa se encontrava em condições mais
naturais (Figuras 3.15 e 3.18).
Após a abertura do Canal Camboatá, ou seja, acima dos 33cm de profundidade
no T1, pode-se observar nesse registro sedimentar um aumento progressivo do
tamanho das partículas e também variações importantes no tamanho dos grãos.
Destacam-se nesse pacote sedimentar mais recente o intervalo entre dois picos
conspícuos no tamanho de partículas observados, localizados entre os 18 e os 5
centímetros de profundidade. Esse período é relacionado à presença de diferentes
distúrbios na dinâmica sedimentar, que devem estar relacionados às diferentes
intervenções na área do sistema lagunar. Com base na taxa de sedimentação
obtida, o primeiro pico, localizado entre 22 cm e 18 cm de profundidade, estaria
relacionado à abertura da barra permanente do Canal de Itaipu, efetuada pelo
empreendimento imobiliário da Empresa VEPLAN no ano de 1979 (Figura 3.15b).
Com isso, a renovação das águas da Lagoa de Itaipu passou a ser mais controlada
pela ação das marés enquanto que a Lagoa de Piratininga, onde a dinâmica era
182
quase que exclusivamente regulada pelo aporte água doce proveniente dos rios
tributários (Kjerfve, Magill 1989; Barroso et al. 2000) (Figura 3.14). Essa ação de
abertura permanente do Canal de Itaipu levou a inversão das condições de
circulação de águas e da salinidade das duas lagoas.
Figura 3.17. Valores de 13C e razões N:C nos testemunhos T1 e T2 coletados na Laguna de Itaipu e no material coletado na armadilha de sedimento instalada na Enseada de Itaipu.
183
O segundo pico, observado aos 5 cm de profundidade, está provavelmente
associado a uma segunda dragagem, realizada em 2001, também com objetivo de
aprofundar e alargar o Canal de Itaipu, que estava assoreado nesta época
(comunicação pessoal do pescador seu Chico). Essa interpretação é corroborada
pelo aumento dos valores das razões N:C no a partir dos 21 cm de profundidade e
posterior estabilização, sugerindo uma mudança de uma condição mais terrestre
para uma condição com maior influência de materiais de origem marinha. Nesse
caso, as razões N:C apresentam valores próximos aos sugeridos por Redfield para o
material planctônico marinho, ou seja, 0,176 (Redfield et al. 1963b) (Figura 3.17). A
despeito disso, as assinaturas dos isótopos estáveis de carbono e de nitrogênio do
material sedimentado nesse intervalo de profundidade não são totalmente
concordantes com essa interpretação. O perfil do 15N, p.e., é caracterizado pelo
aumento gradual de seus valores a partir do intervalo entre 18 e 15cm, o que é
interpretado como um efeito direto do aumento da eutrofização. Nesse caso, a
abertura do canal teria um efeito de diluir, ou melhor diminuir os valores de 15N.
Diferentemente, o perfil do 13C não evidencia a abertura do Canal de Camboatá.
Em todo caso, a comparação entre os valores de 13C 15N apontam claramente as
oscilações referentes às mudanças provocadas pela abertura do Canal de
Camboatá e do Canal de Itaipu (Figura 3.15). Além disso, fornecem evidências sobre
a matéria orgânica produzida “in situ” (fitoplâncton); o material terrestre originário de
solos degradados com aporte de material de plantas C3 e o aporte de nutrientes
pelos esgotos não tratados e fontes difusas. Os valores mais negativos do isótopo
15N, por sua vez, evidenciam a desnitrificação e as condições anóxicas do sistema,
além da influência das intervenções antropogênicas na bacia de drenagem do rio
João Mendes. Nesse último caso, as alterações mais marcantes no canal do Rio
184
João Mendes foram registradas no inicio da década de 1980, quando o canal
principal do rio foi desviado. Essas alterações foram observadas através de análises
das cartas topográficas de 1976 e 1996, nas quais foram detectadas nítidas
mudanças na rede de drenagem (R. Galvão 2010). No mesmo estudo também foi
Identificada uma redução no número de sub-bacias da bacia hidrográfica do rio João
Mendes. Em 1976 eram encontradas 17 sub-bacias e em 1996 foram identificadas
apenas 15 (Figuras 3.19a e 3.19b) e, ao longo do tempo, ocorreram diferentes obras
como canalizações e manilhamentos do leito do rio, dragagens, construção de
muros e desvios (R. Galvão 2010).
Figura 3.18. Valores das razões isotópicas de C e N (barra de erro de analise 0,2°/oo e
0,3°/oo para 13C e 15N respectivamente) da matéria orgânica nos sedimentos dos testemunhos T1 e T2 da Laguna de Itaipu e no material sedimentado na Enseada de Itaipu. Os valores de Itaipu são confrontados com registros para difentes materiais naturais (Cifuentes 1988).
185
Figura 3.19. Sub-bacias da bacia hidrográfica do rio João Mendes em (A) 1976 e (B) 1996
(Rodrigues 2004; R. Galvão 2010).
186
Assim, as variações das taxas de sedimentação ao longo do registro
sedimentar do testemunho T1 e as características da matéria orgânica sugerem que
a sedimentação do material encontra-se governada por diferentes processos e
eventos, assim como, a intensidade e duração destes. No sentido de se tentar
identificar esses fatores que estão relacionados a um ambiente sedimentar mais
natural (naturalmente eutrofizado) ou com mais influência antrópica, procedeu-se a
uma análise de componentes principais (ACP) no conjunto de dados do T1.
A análise da ACP para o T1 revelou que o primeiro componente (CP1) explica
58,9% da variância total e o segundo componente (CP2) explica o 19,0 % da
variância total (Figura 3.20). Portanto, as principais variações foram explicadas
basicamente pela CP1, que evidencia um gradiente relacionado a uma clara
separação entre o pacote sedimentar das amostras do fundo e da superfície. As
amostras superficiais do testemunho (1 até 23 cm) estão relacionadas positivamente
com os valores das razões N:C, PT, NT e com o tamanho das partículas (TMP)
(Figura 3.21), que se projetam em oposição às amostras da base do testemunho,
associadas a sedimentos mais finos, com maiores concentrações de COT, maiores
valores na razão N:P, 13C 15N mais pesados. Este resultado foi corroborado pelo
peso das variáveis nos eixos e sintetiza duas condições diferentes do ambiente de
diagênese da matéria orgânica ao longo do registro sedimentar da Laguna de Itaipu.
Ele representa bem as amostras superficiais recentes ricas em PT e NT, produto da
eutrofização cultural do sistema. Ele também caracteriza, no caso das amostras do
fundo, a composição elementar da matéria orgânica em condições “naturais” sem
intervenção antropogênica. Ou seja, as alterações ao longo dos processos de
transporte e pós-sedimentares.
187
Figura 3.20. Representação gráfica das amostras e variáveis dos planos fatoriais do 1° e 2° eixos da análise de componentes (ACP) do testemunho T1 Laguna de Itaipu.
Figura 3.21. Carga das variáveis na PC1 do testemunho T1.
188
Como foi explicado anteriormente devido a dificuldade para determinar a taxa
de sedimentação não foi possível ter certeza das datas relacionadas as mudanças
no perfil sedimentar. Entretanto, é possível fazer algumas análises relacionadas ao
perfil granulométrico e a geoquímica da matéria orgânica. Os resultados do perfil do
tamanho de partículas para o registro sedimentar T2 mostram grandes variações a
partir do centímetro 27, com um aumento constante até o topo do testemunho
(sedimentos recentes). Por outra parte a maior variação no registro sedimentar
ocorreu na base do testemunho abaixo do centímetro 37. Nessa faixa de
profundidade os valores da razão N:C são baixos (0,059-0,071) e acompanhados
Figura 3.22. Distribuição vertical do tamanho de partículas, N:C, 13C e 15N do registro sedimentar T2. A linha segmentada indica cada intervenção no ecossistema.
189
por valores do 13C (-25 ate -29) similares a encontrados pelos estudos de (M. A.
Borotti 2009) para solos de manguezal na ilha Cardozo e Ilha Grande Brasil
(Sanders et al. 2008). Esses registros geoquímicos detectados nessa profundidade
apontam para um período onde o ecossistema estava em condições “in natura”, e
sugerem a presença de um ecossistema tropical úmido de manguezal, com um
maior predomínio de plantas C3 (Figura 3.22).
O padrão encontrado para o T2 também é corroborado pela ACP. Na análise
realizada o primeiro componente (CP1) explica 50,7% da variância total e o segundo
componente (CP2) explica o 27,4 % da variância total (Figura 3.23). O principal
gradiente relacionado com a CP1 e CP2 mostra um padrão similar encontrado na
ACP do T1. Também pode ser observada certa separação entre as amostras da
superfície e do fundo. As amostras da superfície estão positivamente relacionadas a
sedimentos enriquecidos com PT, PO, PI, altos valores da razão N:C (Figura 3.24)
próximos a material fitoplântonico e a um maior tamanho de partículas.
Corroborando o processo de eutrofização e degradação do sistema nos tempos mais
recentes. O pacote sedimentar do fundo está relacionado a razões C:P e N:P
elevadas e com sinais isotópicos do 13C característicos de um ecossistema tropical
húmido de mangue (Figura 3.22).
190
Figura 3.23. Representação gráfica das amostras e variáveis do plano fatorial do 1° e 2°
eixos da análise de componentes (ACP) do testemunho T2 Laguna de Itaipu.
Figura 3.24.- Carga das variáveis da PC1.
191
3.4.3. Acumulação da Matéria orgânica nos Sedimentos
O acúmulo de sedimentos em sistemas lagunares representa à perda definitiva
da matéria a partir do ciclo pelágico-bentônico, processo este relacionado com a
variação do “input” de matéria alóctone e com as condições químicas e biológicas
imperantes no sistema (Kemp 1996; Knoppers, Kjerfve 1999). Essa perda de matéria
pode ser quantificada por estimativas provenientes das taxas de sedimentação
baseadas na datação do radioisótopo 210Pb. No presente estudo a taxa de
sedimentação (0,5 cm.ano-1) foi multiplicada pelas concentrações de Corg ,TP e NT e
pelas densidades de cada amostra de sedimento para estimar as taxas de acúmulo
do elementos C, N e P. As taxas de acumulação de Corg variaram entre 60,3 e 85,3
mg.cm2ano-1 para a faixa da profundidade (com perturbações) de cerca de 0 a 30
cm, que na qual foi feita a estimativa para um intervalo de tempo entre 40 a 50 anos
atrás. Esse resultado é comparável com os estudos realizados por (Knoppers 1992).
Nestes estudos foram realizadas medições de taxas de acumulação de carbono de
10 lagoas costeiras tropicais e temperadas e foram obtidas taxas de acumulação na
faixa de 10 a 170 mg.cm2ano-1. Os resultados obtidos mostraram uma clara relação
entre a magnitude de acumulação de carbono e a produção primária nos
ecossistemas estudados, o que também pode ser sugerido para a Laguna de Itaipu.
As taxas de acumulação de PT e NT foram utilizadas juntamente com a
geocronologia do registro sedimentar do testemunho T1 para confirmar o tempo
relativo ao início das influências antropogênicas no sistema lagunar. O
desenvolvimento urbano é bem documentado para a região estudada e foi feita uma
pesquisa nos censos realizados desde a década de 60 (Paez 2006) com o objetivo
de se relacionar o crescimento populacional da região de estudo com o “input” de PT
e NT na bacia hidrográfica do sistema lagunar. Também foram pesquisados registros
192
(a)
(b)
Figura 3.25. Diagrama com os (a) fluxos de fósforo e nitrogênio total nos sedimentos do
testemunho T2 e (b) registro fotográfico ilustrando o crescimento populacional na região oceânica de Niterói.
1932 2011
193
populacionais dos primeiros assentamentos na região). Uma relação bem evidente é
obtida confrontando-se o aumento do número de habitantes no tempo com as taxas
de acumulação de N e P obtidas para o perfil do testemunho T1. Pode-se observar
um aumento das cargas desses elementos ao longo do tempo, do passado para o
presente. Dentre os dois elementos, destaca-se o fósforo pela regularidade de
aumento das cargas ao longo do tempo, que tem início nos anos 1980 (Figura 3.24).
Os fluxos de PT e NT variaram de 1,2 e 6,2 mg.cm-2 ano-1, respectivamente,
em 1880 para os níveis atuais de até 7,8 e 7,4 mg.cm-2 ano-1, respectivamente,
acompanhando o crescimento da população dentro da bacia de drenagem da região
oceânica de Niterói. Esta relação é esperada, pois a ocorrência do desenvolvimento
urbano na região oceânica de Niterói se intensificou a partir de 1970, depois da
construção da ponte Rio-Niterói. Esse padrão é similar ao encontrado na Baia de
Guanabara (Borges et al. 2009). Das cinco regiões de planejamento que Niterói
possui, a Região Oceânica é a que tem apresentado o maior índice de crescimento
urbano. Segundo dados comparativos do Censo IBGE 1991, uma contagem de 1996
e do Censo IBGE 2000, esta região teve uma taxa de crescimento anual de 5,92%,
essa taxa é extremamente alta se comparada às outras regiões (Fernandes 2009).
Por outra parte os fluxos estimados estão dentro da faixa esperada para
ambientes sedimentares em condições de perturbações antropogênicas. Essas
perturbações incluem, por exemplo, carreamento de terras derivadas da degradação
de solo, aumento de contribuições de esgotos domésticos, produtos químicos
diversos resultantes das atividades urbanas. Essas perturbações são similares às
ocorridas em outras áreas tais como zonas litorais da grande barreira de recife de
Austrália (Alongi, McKinnon 2005), Golfo de Trieste (Ogrinc, Faganeli 2006), Baía de
Apalachicola, de Florida (Surratt et al. 2008), Golfo de Finlandia (Vaalgamaa 2004);
194
(Lukkari et al. 2009), Baía de Guanabara (Kjerfve et al. 1997b). Os resultados
obtidos nos trabalhos citados apontaram uma variação de 3 a 600 g/cm-2ano-1.
Entretanto, o uso de concentrações e fluxos de PT como registros nos sedimentos
eutrofizados deve ser tomado com cuidado, desde que existem evidências na
literatura da remobilização do Porg (Cornwell et al. 1996; Yamamuro, Kanai 2005; Dai
et al. 2007). A entrada de água de esgotos domésticos nos ecossistemas costeiros
implica em acumulação de Porg sem, necessariamente, significar em eutrofização do
sistema (Carreira, Wagener 1998). Entretanto, a distribuição do PI seguiu
consistentemente o crescimento demográfico e seu percentual em relação ao total
(de pelo menos 50%) sugere que o grau de remobilização do PI não limita seu uso
como um indicador da eutrofização neste ambiente específico. Esses resultados
deixam claras evidências que a ocupação humana e consequente eutrofização são
os principais processos controladores das concentrações desses elementos no
ecossistema da Lagoa de Itaipu.
195
3.5. CONCLUSÃO
Através das análises geoquímicas e granulométricas do testemunho T1 foi
possível detectar as seguintes mudanças na Laguna de Itaipu:
- Construção do canal de Camboatá em 1945,
- Abertura da barra Canal Itaipu em 1979,
- Dragagem e alargamento do Canal de Itaipu em 2001 e
- As consequências da degradação da bacia de drenagem, especialmente, do
Rio João Mendes ao longo dos últimos anos.
Essas modificações foram refletidas no ambiente sedimentar e na composição
da matéria orgânica dos sedimentos, definindo claramente dois tipos de ambiente de
períodos “antes” e “depois” das intervenções efetuadas no SLAPI. Foram
observadas grandes variações nas razões N:C e nos sinais do 13C e do 15N, tendo
se destacado esse último elemento como um “proxy” relacionado com a
desnitrificação e os processos de eutrofização natural e cultural do SLAPI.
Antes dos efeitos antropogênicos, quando o SLAPI encontrava-se em um
estado mais natural, pode ser observado nos sedimentos, concentrações mais
elevadas de carbono e nitrogênio e baixos valores de fósforo. Esse tipo de padrão
sugere que o ambiente lagunar era um ambiente produtivo influenciado por plantas
C3, típicas de ambiente de manguezal tropical úmido. Os efeitos da influência
antropogênica e a consequente degradação do ecossistema foram constatados
através do aumento gradual do tamanho das partículas, das concentrações PT e NT
e das mudanças das razões isotópicas, caracterizando um aumento da eutrofização
e degradado. As concentrações de NT e PT no pacote sedimentar recente indicam
196
altos fluxos de sedimentação desses elementos chegando no presente a um
aumento de duas vezes para o NT e seis vezes para o PT nos fluxos, quando
comparados aos valores estimados para 1800. Esses resultados está refletem o
crescimento populacional sem a implantação de um sistema de tratamento de
esgotos compatível na região de estudo. Esses resultados confirmam que os fluxos
de fósforo podem ser utilizados para reconstruir o histórico da ocupação e da
contaminação por esgotos da Laguna de Itaipu.
197
CONSIDERAÇÕES E CONCLUSÕES FINAIS
198
4. CONSIDERAÇÕES E CONCLUSÕES FINAIS
O conjunto de dados obtidos no monitoramento efetuado durante os anos
de 2009, 2010 e 2011 no compartimento água possibilitou elucidar, em escala
temporal e espacial, o grau de interação entre as diferentes massas de água que
ocorrem na região costeira de Niterói. , e identificar padrões de variações temporais
e espaciais de parâmetros físico-químicos. Foram identificados os principais
processos (ou fatores) relacionados a essas variações, que são (1) a descarga
fluvial da bacia de drenagem do SLAPI e a descarga das águas do SLAPI na
Enseada de Itaipu; (2) a influência das águas provenientes da Baia de Guanabara
na Enseada de Itaipu e (3) o aporte sazonal das diferentes massas de águas que
ocorrem nessa no sistema costeiro estudado (AC,AT e ACAS).
As variações temporais das concentrações de nutrientes e do MPS, assim
como as razões N:P, Si:N e Si:P das águas do SLAPI e da região costeira foram
explicadas pelo efeito combinado entre a variação da maré e os pulsos do aporte
continental resultantes da descarga fluvial, que se acentuam após eventos de
precipitação na região costeira. Os valores das razões N:P, Si:N e Si:P e do DIN
encontrados nas águas costeiras e nas águas do SLAPI sugerem uma importante
perda de nitrogênio por processos de desnitrificação, anammox e nitrificação.
A qualidade das águas costeiras e das águas do SLAPI variou de “Boa a
Péssima” e “Ruim”, segundo o índice TRIX. Esses resultados foram corroborados
pelos índices obtidos pelo critério de classificação de qualidade de águas de
Hakanson. Os índices de estado trófico gerados a partir desse ultimo critério situam
as águas do SLAPI e da região costeira de Itaipu variando de Mesotrófico para
Eutrófico. A qualidade das águas do SLAPI também apresentou diferenças com
relação às duas lagunas. A Laguna de Piratininga (LP) tende a apresentar, nos
199
tempos atuais, menores concentrações de nutrientes que a Laguna de Itaipu (LI).
Esses resultados fornecem indícios de uma melhoria na qualidade da água da
Laguna de Piratininga em função do restabelecimento de sua comunicação com o
mar em 2008. Entretanto, no caso da Laguna e da Enseada de Itaipu, essa
intervenção parece ter tido um efeito contrário. I.e., houve um aumento das
concentrações médias dos nutrientes nessa laguna o que, muito provavelmente, é o
resultado do processo de “lavagem” da Laguna de Piratininga durante o escoamento
de suas aguas pela Laguna de Itaipu durante a descida da maré.
A dinâmica de sedimentação na Enseada de Itaipu, avaliada através das
taxas de sedimentação de MPS com armadilhas de sedimento, apresentou
diferentes taxas durante os períodos monitorados. A dinâmica da sedimentação
nesta enseada demonstrou ser controlada por eventos de ressacas e pela
ocorrência de ventos fortes, com uma tendência de ocorrência de maiores taxas de
sedimentação e baixos teores de C,N,P mais baixos nos sedimentos durante esses
eventos. Em períodos com baixa sedimentação (com o mar sem turbulência),
observou-se que o material sedimentado apresentou maiores teores de C,N,P,
indicativos da produção autogênica local.
Parâmetros relacionados à qualidade de matéria orgânica como N:C, 13C
e 15N indicaram que o MPS da armadilha tem origem essencialmente marinha. As
variações das razões N:C e o 13C do carbono apontam que os sedimentos da
armadilha funcionam como indicadores (a) da variação da produção primária recente
na coluna de água e (b) do aporte de material terrígeno do MPS que sedimenta na
Enseada de Itaipu. Os valores de 15N revelam ainda informações sobre a
200
disponibilidade de nutrientes na coluna de água no momento em que o material
sedimentar foi gerado.
A análise dos registros sedimentares identificou a influencia das principais
intervenções efetuadas no SLAPI ao longo dos últimos 100 anos. São elas: (1)
construção do Canal de Camboatá em 1945; (2) abertura da barra Canal Itaipu em
1979, (3) dragagem do Canal de Itaipu em 2001 e (4) as consequências da
degradação da bacia de drenagem, especialmente, do Rio João Mendes ao longo
dos últimos anos. Os resultados foram corroborados pelas variações nas razões N:C
e pelas assinaturas isotópicas do C e do N.
De modo geral, podem-se observar dois períodos com ambientes distintos
na Laguna de Itaipu. O primeiro, correspondendo aos registros mais antigos, antes
dos efeitos antropogênicos. Nesse período o sistema lagunar encontrava-se em um
estado natural e é caracterizado por concentrações de carbono relativamente mais
elevadas e de nitrogênio e de fósforo mais baixas (particularmente o fósforo). Os
dados sugerem que o ambiente lagunar era produtivo e influenciado por plantas C3,
típicas de ambiente de manguezal tropical úmido. O segundo período corresponde
aos registros mais recentes e neles observam-se os efeitos da influência
antropogênica e a consequente degradação do ecossistema. Observa-se neste caso
variações no tamanho das partículas, aumento das concentrações de PT e NT,
mudanças nas razões N:C, N:P e C:P e as assinaturas isotópicas também
corroboram esta afirmação. Neste período mais recente, o ecossistema da Lagoa de
Itaipu se tornou eutrofizado culturalmente e altamente degradado.
A importância do processo de eutrofização cultural no ecossistema lagunar
de Itaipu também foi destacada pelo aumento percentual nos fluxos de NT e PT para
201
o sedimento ao longo dos últimos 200 anos (150 % para o NT e 634 % para PT). A
elevada correlação entre o fluxo desses elementos para os sedimentos e as taxas de
crescimento populacional da Região Oceânica não deixam duvidas com relação ao
papel do componente antrópico local nesse processo.
Outra abordagem utilizada para análise das variações antes e depois da
ultima intervenção no SLAPI (religação permanente entre Laguna de Piratininga e
águas costeiras adjacentes em 2008) foi a aplicação do modelo de balanço de
massas LOICZ. Os resultados obtidos para o período depois da intervenção
revelaram (1) a diminuição do tempo de residência das águas do sistema lagunar;
(2) que o sistema como um todo (o SLAPI) apresentou-se como autotrófico (produtor
de matéria orgânica). Entretanto, quando a análise é feita separadamente (laguna
por laguna), pode-se observar um padrão diferenciado, caracterizando a Laguna de
Piratininga como “autotrófica” e a Laguna de Itaipu como “heterotrófica” (exportando
material para a Enseada de Itaipu). O sistema como um todo perde nitrogênio
através de diferentes processos como, por exemplo, desnitrificação.
Apesar das várias intervenções antropogênicas efetuadas para mitigar (ou
não) dos efeitos da eutrofização cultural nesta área, pode-se afirmar, baseando-se
em nossos resultados, que ainda serão necessários mais esforços da sociedade
para recuperar esse ambiente costeiro.
202
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