ECOTOXICOLOGIA e BIOMONITORIZAÇÃO

Isabel Caçador

Faculdade de Ciências,Universidade de Lisboa

Fitorremediação

A degradação ambiental não é apenas fruto directo do crescimento demográfico, do progresso tecnológico e da intensificação do usoda Natureza que lhes está associada, mas é também fortementedeterminada pelas formas de organização social sob a qual aquelesfenómenos têm lugar. Ex. O rio Trancão

Em principio, o meio ambiente é menos vulnerável onde existem osindispensáveis mecanismos de planeamento, pondo-se hoje as questõesrelacionadas com a preservação do ambiente e dos recursos naturais à escala universal e, levando a esforços conjuntos das populações nasalvaguarda do meio ambiente.

Fitorremediação As plantas vasculares desempenham um papel importante, alterando drasticamenteas características biogeoquímicas dos solos.

Estas alterações são devidas à actividade radicular e às suas associações microbiológicas resultantes nomeadamente dos compostos orgânicos exsudadaspelas plantas. Consequências dessas alterações são, por exemplo, a diferença observada na concentração e especiação de alguns metais pesados, presentes nossolos colonizados por plantas superiores.

O tratamento de esgotos com plantas superiores é conhecido há mais de 300 anos. No entanto foi na década de 90 que se vulgarizou esta pratica. Recentemente a engenharia genética veio aumentar as possibilidades das plantas superiores comofitorremediadoras.

A fitorremediação, isto é a utilização de plantas na limpeza de solos contaminados, águas residuais e efluentes, compreende hoje cinco processos:

Fitoestabilização, fitoimobilização, fitoextração, fitovolatilização e fitodegradação.

Através do processo de fitoestabilização, as plantas reduzem a circulação dos contaminantes no meio, através da sua imobilização em formas químicas debaixa mobilidade.

As plantas superiores através da sua actividade radicular libertam oxigénio molecular esubstâncias orgânicas que promovem a precipitação dos metais sob a forma de óxidos e hidróxidos ou a sua complexação em compostos orgânicos

A fitoestabilização é um processo que utiliza plantas tolerantes para estabilizar mecanicamente solos poluídos evitando assim a erosão do solo e, o transporte atmosférico das partículas de solo contaminadas para outros locais.

Os exsudados radiculares, como os açúcares e as mucilagens, contribuem por umlado, para a agregação das partículas do solo, tornando-o mais resistente à erosãoe, por outro, contribuem para o aumento da actividade biológica.

A presença das plantas reduz ainda a lixiviação dos poluentes, através do aumento da taxa de evapotranspiração, de solo.

A fitoextracção é o uso de plantas para a remoção dos poluentes, quer metálicosquer orgânicos, do meio ambiente, através da tomada e acumulação desses poluentes nos tecidos vegetais.

Neste processo utilizam-se plantas hiperacumulador as, com a capacidade de translocar os metais para a sua parte aérea. È ainda pratica corrente a utilização de ácidos orgânicosque aumentam a disponibilidade dos metais no solo ou ainda a utilização de compostosazotados que levam ao aumento de produção de biomassa e consequentemente a umamaior acumulação de metais.

A fitodegradação é a tomada e degradação de compostos orgânicos presentesna rizosfera, pela planta isoladamente ou em associação com microrganismos.

A fitovolatilização envolve enzimas especializadas, que transformam, degradam e volatilizam contaminantes no sistema planta-solo-microrgamismo.Esta tecnologia de limpeza é muitas vezes referida como sistema de tratamentomicrobiológico.

Os processos que ocorrem na rizosfera são considerados essenciais para apromoção da volatilização. A volatilização conjuntamente com a degradaçãoe extração de contaminantes é um processo inerente na fitorremediação de solospoluídos com compostos orgânicos, e, começa agora também a ser aplicada acompostos inorgânicos. A fitovolatilização é ainda uma técnica com potencialidades na remediação desolos contaminados por poluentes que sejam altamente voláteis, como porexemplo, o Hg, Se e B.

A rizofiltração é o processo através do qual as plantas retiram metais das águascontaminadas e os acumulam nos seus tecidos. Nesta técnica utiliza-se biomassamicrobiana, fúngica e vegetal. Azoola pinnata. Lemna minor, Eichororniacrassipes são exemplos de hiperacumuladores aquáticos bem conhecidos.

Redox potencial (Eh) vs.pH, e teor em matéria orgânica (LOI) vs.pH em sedimentos entre raízes, camada (5-15) cm layer (+) e sedimentos sem vegetação (*) nos sapais do estuario do Tejo

Através da libertação de oxigénio na rizosfera, as plantas vasculares desempenham um papel importante na biogeoquímica dos sedimentos, alterando drasticamente as características do sedimento dos sapais.

Da especiação química depende a mobilidade dos metais, a toxicidade e transferências geoquímicas, que influenciam naturalmente a sua disponibilidadepara os diferentes organismos.

A extracção sequencial dos metais nos sedimentos tem sido objecto de váriosestudos uma vez que permite avaliar não só a concentração dos metais, mas fornece ainda indicações sobre a fase em que o metal se encontra, a sua adsorção,difusão e mobilidade no sedimento, sendo este conhecimento essencial na compreensão do comportamento físico-químico e biológico dos elementos.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

HAc/total HNO3/total DTPA/total

%

Sedimento sem vegetação

Zn

Pb

Cu

Cd

Cr

Ni

Co

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

HAc/total HNO3/total DTPA/total

%

Sedimento com vegetação

Zn

Pb

Cu

Cd

Cr

Ni

Co

Caçador & Vale, 1999

Efeito das plantas na disponibilidade dos metais(Zn, Pb, Cu, Cd, Cr, Ni e Co)

Sapal de Corroios

0

100

200

300

400

500

600

700

Cu Pb

µ g m

etal

/ g

sedi

men

to

S. maritima

H. portulacoides

1

10

100

1000

S. maritima H. portulacoides

S. maritima H. portulacoides

Cu Pb

Raiz

Caule

Folhas

0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%

Pb Cu

residual

cristalline Fe oxides

amorphous Fe oxides

organic complexes

Mn oxides

carbonates

exchangeable0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%

Pb Cu

Reboreda & Caçador, 2007

Sedimento Plantas

Especiação

Halimione portulacoides Spartina maritima

Capacidade fitoestabilizadora dos sapais

µg

met

al /

g PS

pla

nta

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

Out Dec Feb Apr Jun

Caule

Folhas

0,00

200,00

400,00

600,00

800,00

1000,00

1200,00

Raiz

Distribuição de Zn em Halimione portulacoides

Zn µ

g /

g pe

so s

eco

C

b

b b

b

a

a a

a

a

ab a

a

0

30

60

90

120

150

0 0.02 0.20 0.50Cd addition level (mM )

Roo

t Cd

(mg

kg-1

)

NM PL NP

A

0

20

40

60

80

0 0.02 0.20 0.50Cd addition level (mM )

Shoo

t Cd

(mg

kg-1

)

NM PL NP

D

a

a

bba

a

a

a

a

a

a

a

0

50

100

150

200

250

300

350

0 0.2 1.0 2.0Cu addition level (mM )

Roo

t Cu

(mg

kg-1

)

NM PL NP

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0

20

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0 0.2 1.0 2.0Cu addition level (mM )

Shoo

t Cu

(mg

kg-1

)

NM PL NP

E

bb

b

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a

a

ab

ab

ab

a

0

1

2

3

0 0.02 0.20 0.50Cd addition level (mM )

Roo

t/sho

ot C

d

NM PL NP F

a

a

bb

a

b

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b

a

aa

0

3

6

9

12

0 0.2 1.0 2.0Cu addition level (mM )

Roo

t/sho

ot C

uNM PL NP

Shoot (A, B), root (C, D) and root to shoot ratio (E, F) of Cd and Cu concentrations in A. tripolium plants exposed to different Cd (A, C, E) and Cu (B, D, F) addition levels.In each graph and for each metal concentration, values (mean ± SEM) followed by

the same letter are not significantly different at P < 0.05 (Duncan’s test). For abbreviationssee Fig.1 (NM = non-mycorrhizal, PL = inoculated with isolate from polluted site,

NP = inoculated with isolate from non-polluted site)

O papel das zonas húmidas, como descontaminantes naturais

Por vezes constroem-se zonas húmidas, em que são usadas culturas de plantasque interactuam directamente com os constituintes dos efluentes ou servem desuporte a microrganismos que os irão degradar e que se mostram sistemas biológicos de tratamento de efluentes muito eficientes. As zonas húmidas construídas são muito utilizadas em estações de tratamento de águas residuais(ETAR) e em pequenas unidades industriais

Nas zonas húmidas construídas o Homem cria ecossistemas, que incluem soloorgânico, microrganismos e plantas superiores, onde ocorre uma grande variedadede processos que vão desde os físico-químicos aos biológicos e que favorecem aremoção dos poluentes.

A co-precipitação dos metais em hidróxidos de ferro, a complexação dos metaisem moléculas orgânicas e nas argilas e por último, a tomada destes pelas plantas,são exemplos de processos de limpeza que podem ocorrer nas zonas húmidasconstruídas.

Caçador et al., 2001

Efeitos secundários

Fotografia em microscopia electrónica de varrimento

Rizoconcreções

Rizoconcreção com vestígios vegetais

Aster tripolium

Biomassa Total de diferentes espécies de SapalSarcocornia perennis (SP), S. fruticosa (SF), Halimione

portulacoides (HP) e Spartina maritima (SM)

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

Oct Dec Feb Apr Jun

tota

l bio

mas

s (g

/m2)

SP SF HP SM

Caçador et al., 2005

Distribuição da biomassaSpartina maritima Halimione portulacoides

Caçador et al., 2005

0

100

200

300

400

500

Oct Dec Feb Apr Jun

biom

ass

(g/m

2)

leafleaf

3000

4000

5000

biom

ass

(g/m

2)

root

0100200300400500600700800900

Oct Dec Feb Apr Jun

biom

ass

(g/m

2)

stemleaf

3000

4000

5000

biom

ass

(g/m

2)

rootRaízes

Part

e aé

rea

53% Parede celular

32%

Intracelular

15% Proteica

55% Parede celular25%

Intracelular

20% Proteica

65% Parede celular21%

Intracelular

14% ProteicaRaíz

Caule

Folha

Sousa et al., 2008

Resistência aos metais pesados

?

?

?

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

Out Dec Feb Apr Jun

Caule

Folhas

0,00

200,00

400,00

600,00

800,00

1000,00

1200,00

Raiz

Distribuição de Zn em Halimione portulacoides

Zn µ

g /

g pe

so s

eco

020406080100

0 50 100 150 200Tempo (dias)

Pancas Corroiost (d) k (d-1) t (d) k (d-1)

31 0.0179 22 0.0076

59 0.0045 43 0.0032

87 0.0068 71 0.0027

118 0.0038 99 0.0024

150 0.0038 134 0.0017

180 0.0038 183 0.0024

65% Corroios

51% PancasPe

so s

eco

rem

anes

cent

e (%

)

Biomassa-Taxa de decomposição de Spartina maritima nos sapais do Tejo

Sousa et al., 2008

Estimativa da quantidade de metais pesados retidos no sapal do Rosário (200 ha)

Zn 287

Pb 106 Cu 15 Cd 1

Toneladas

Co 13Kg

Cu 8.2Kg Cd 0.35Kg

Zn 68Kg

Caçador et al., 2005

Estimativa da quantidade de metais pesados exportados por ano, no sapal de Rosário

(200 ha)

As zonas húmidas são ainda extremamente importantes na redução da Eutrofização aquática, através da sedimentação e aprisionamento dos nutrientes nos sedimentos e da sua tomada e incorporação na biomassa vegetal.

A capacidade das zonas húmidas de removerem o azoto inorgânico da colunade água está ainda ligada aos intensos processos de desnitrificação que ocorremnos sedimentos superficiais. As plantas influenciam os processos de nitrificação/

desnitrificação através da libertação de oxigénio para a rizosfera.

As características físico-químicas dos sedimentos são importantes para a capacidade de retenção do azoto e do fósforo. Por exemplo, o teor de oxigénionos sedimentos para além de influenciar os processsos de nitrificação/desnitrificação, influência a capacidade de ligação do fósforo ao Fe e do Al.

-Variação Sazonal- Micro-topografia

-Espécies- Variação Genética

Parte Aérea

Sistema Radicular

Actividade radicular- Capacidade de

armazenamento da planta- Presença de óxidos de Fe e

Mn a revestir a raiz- Presença de microrganismos

- Potencial redox- pH- Presença de iões

- Matéria orgânica- Textura

Metais no Sedimento

“ fracção nãodisponível “

“ fracçãodisponível ”

O ciclo do azoto nos sapaisKeddy, 2000

Precipitação

NH4+

NO3-

NO2-

NOP

O ciclo do azoto nos sapais

Corroios

0

10

20

30

40

50

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

N (%)D

epth

(cm

)