Acúmulo de Pb, Cu e Zn nas camadas superficiais dos sedimentos de uma lagoa costeia urbana: Lagoa Rodrigo de Freitas, RJ

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1 Acúmulo de Pb, Cu e Zn nas camadas superficiais dos sedimentos de uma lagoa costeia urbana: Lagoa Rodrigo de Freitas, RJ Daniel Loureiro 1 ; Friedrich Herms 2 ; José Marcus Godoy 3 ; Gilberto Dias 4 ; Marcos Fernandez 2 1 Depto. Geoquímica, UFF (danieldiasloureiro@yahoo.com.br); 2 Depto. Oceanografia, UERJ; 3 Depto. Química, PUC; 4 LAGEMAR, UFF Abstract This work presents the results of the temporal variation of the heavy metals concentrations in a hypertrophic coastal lagoon located in the south zone of the municipality of Rio de Janeiro. Six sediment cores were collected in the pond between May and July of The concentrations of the heavy metals (Pb, Cu and Zn) in the sediment were analyzed using an absorption atomic spectrophotometer, and determination of the sedimentation rate through the method of the excess of 210 Pb. The sedimentation rate in sediment core #1 was calculated as being of 0,75 cm.year -1, tends for consequence the layer of 60cm deposited about Therefore, the alterations in the dynamics of the Lagoon caused by the construction of the channel and the antropogenics activities in yours spill, they were clearly indicated in this work. The results can be confronted by the observation of the distribution of the perceptual fine fraction and the water content, which varied significantly before and after the layer of opening of the channel. Human activities in the Lagoon drainage system had introduced Cu, Zn and Pb in recent sedimentary layers, resulting in a deposition of 55,3ton of zinc, 9,2ton of copper and 18,4ton of lead in last 80 years. Palavras-chave: Metais, Lagoa Rodrigo de Freitas, Poluição 1. Introdução Os metais são elementos amplamente distribuídos pela crosta terrestre e, juntamente com os outros elementos, fazem parte da estrutura cristalina das rochas. Enquanto alguns metais são essenciais para a sobrevivência do homem, outros são essenciais para o funcionamento da sociedade moderna, onde as transformações em produtos manufaturados tornaram-se uma condição necessária para a vida e o desenvolvimento do homem (Kjellstrom, 1984). O elevado desenvolvimento industrial ocorrido nas últimas décadas tem sido um dos principais responsáveis pela elevada contaminação ambiental, seja pela deficiência no tratamento dos efluentes antes de sua disposição final, ou por acidentes cada vez mais freqüentes, que propiciam o lançamento não planejado de rejeitos nos ambientes aquáticos. Os estuários e as lagoas costeiras são ambientes que possuem menor energia hidrodinâmica que os rios que deságuam nestes corpos hídricos. Conseqüentemente, o material particulado em suspensão oriundo da descarga fluvial perde energia ao chegar nestes ambientes, sendo depositado no fundo (Harrison, 1996). Por esse motivo, estuários e lagoas costeiras são ambientes propícios para o estudo da evolução do aporte sedimentar de várias décadas e até centenas de anos, possibilitando avaliar a história da poluição local (Ruiz-Fernández, 2003). As atividades antropogênicas através da introdução de uma gama de poluentes nestes ambientes destroem o equilíbrio natural e expõem populações humanas a riscos de saúde. (Fernandes, 1991). Os metais pesados são causadores de muitos efeitos negativos para saúde humana,

2 principalmente através da contaminação ambiental, e a remediação da poluição por metais se torna difícil devido à sua alta persistência e sua baixa degradabilidade no ambiente (Yuan, 2003). Os ambientes lagunares costeiros são geralmente orientados paralelamente à linha de costa, com profundidades médias pequenas, da ordem de alguns metros ou menos. Dependendo da entrada de água doce pela bacia de drenagem e da troca de água com o litoral adjacente, a salinidade destes ambientes pode variar de água doce a hipersalina, sendo um parâmetro ambiental de grande importância, pois controla as espécies de flora e fauna que podem sobreviver nas águas, nos sedimentos e ao longo de suas margens (Kjerfve & Magill, 1989; Kjerfve 1990). Grande parte destes organismos instala-se nas lagunas de forma permanente, enquanto outros as habitam temporariamente nos períodos de reprodução (Fernandes, 1991). Os metais pesados podem chegar aos ambientes lagunares por diversas formas de transporte, como, por exemplo, através da descarga fluvial, por deposição atmosférica, pela entrada de água marinha ou mesmo por percolação de água a partir do lençol freático (Fernandez, 1994). Em lagoas costeiras situadas em áreas altamente urbanizadas, o escoamento superficial, pode ser a principal fonte de poluição para esses ambientes. Nos estuários e lagoas costeiras pode ocorre uma série de processos químicos, físico-químicos e geoquímicos. Estes processos podem reter no sedimento tanto os metais trocáveis quanto os associados a diversos substratos, por exemplo, óxidos e hidróxidos de ferro e manganês, carbonatos, sulfetos e matéria orgânica (Förstner & Patchneelam, 1980, apud Pestana, 1989). Segundo Fernandes et al. (1994), nas lagoas costeiras, a concentração de metal dissolvido na água é o resultado da descarga fluvial, processos de adsorção e desorção com o material particulado, incorporação pela biota, e a exportação dos metais, este último dependendo do tempo de residência da água na lagoa. 2. Área de estudos A Lagoa Rodrigo de Freitas está situada entre as latitudes 22º57 02 S e 22º58 09 S e longitudes 043º11 09 W e 043º13 03 W (Figura 1). Possui um espelho d água com cerca de 2km 2 e dimensões aproximadas de 2 km na direção Norte-Sul, 0,8 a 1,6km na direção Leste-Oeste e profundidades da ordem de 3 a 4 metros em quase toda a sua extensão. (Ambiental, 2002). Até 1921 a Lagoa comunicava-se com o mar através de um canal natural instável, e sua embocadura permanecia obstruída por uma barra arenosa, exceto durante poucos dias por ano. Em 1921, junto com o projeto de saneamento do estado, foi concluída a primeira etapa da construção do Canal do Jardim de Alah, que apresentava cerca de 140 m de comprimento e 10 m de largura. Seu posterior alongamento aconteceu em 1942, para as dimensões atuais, medindo cerca de 835 metros, 70 cm de profundidade e sua largura variando entre 10 e 18 metros (Ambiental, 2002). P4 P3 P2 P1 P4 P6 Fig. 1. Lagoa Rodrigo de Freitas com representação do Canal do Jardim de Alah e pontos de coleta. A partir da construção do Canal do Jardim de Alah, as variações do nível de

3 água na Lagoa diminuíram significativamente. Atualmente, as mudanças no nível de água na lagoa refletem mais o efeito das chuvas na área da bacia de drenagem do que a variação da maré. 3. Objetivos O objetivo principal deste trabalho é calcular a quantidade de metais acumulados nos sedimentos superficiais da Lagoa Rodrigo de Freitas através das concentrações desses metais encontradas nas camadas de testemunhos coletados em seis pontos de sua bacia. 4. Metodologia Seis testemunhos de sedimento foram coletados em diferentes pontos da Lagoa entre maio e julho de 2003 (Figura 1), a bordo de um bote inflável, com auxílio de um mergulhador autônomo e um equipamento para coleta de testemunhos com tubos de PVC de 75mm de diâmetro. Os testemunhos apresentaram recuperação da coluna sedimentar variando de 1 a 1,7m, sendo fatiados de 5 em 5cm do topo à base. O teor de finos (silte + argila) foi determinado através da metodologia modificada de Suguio (1973), onde a amostra foi separada, por peneiramento úmido, com o auxílio de uma peneira de teflon, e separadas as frações menores que 63µm (finos) e maiores que 63µm (grossos). O teor de água contida no sedimento foi determinado gravimetricamente A determinação da taxa de sedimentação foi realizada a partir do método do excesso de 210 Pb, amplamente utilizado pela comunidade científica (Smith, 2001), com as modificações propostas por Godoy et al. (1998). A partir dos resultados obtidos em 15 amostras ao longo da coluna sedimentar do ponto #1, utilizou-se o modelo CIC (Constant Initial Concentration) para determinar a taxa de sedimentação (Robbins & Edgington, 1975). A determinação das concentrações dos metais pesados através leitura dos extratos, obtidos a partir da abertura e extração das amostras, foi realizada num espectrofotômetro de absorção atômica, onde foram determinadas as concentrações de Pb, Cu, e Zn. A determinação dos metais foi realizada somente na fração fina (<63µm), pois os metais pesados têm forte afinidade com os sedimentos finos (Lacerda, 1983). A digestão das amostras para análise dos metais pesados na fração fortemente ligada, onde os metais incorporados aos silicatos, ligados às redes cristalinas dos minerais não são afetados, foi realizada em bombas de teflon, em duplicata, com cerca de 1g do sedimento. Foram adicionados 10mL de água régia invertida (HNO 3 :HCl, 3:1) e em seguida fechadas hermeticamente e mantidas no bloco digestor a 80 C durante 12 horas. Após este período as bombonas foram abertas e temperatura elevada, por mais 4 horas, a um máximo de 190 C, período no qual foram adicionados mais 3mL de HNO 3. Não se espera que os metais pesados lançados recentemente no ambiente, principalmente através das atividades antropogênicas, possam ser incorporados facilmente à estrutura cristalina dos minerais (Forstner & Wittman, 1981; Tessier et al., 1979). 5. Resultados e Discussão Os resultados encontrados para o teor de água nas amostras variaram de 18%, a 10cm no ponto #5, a 87%, a 10cm no ponto #3, com valor médio de 67±14%. Notou-se uma tendência de diminuição dos teores de água com o aumento da profundidade sedimentar. Cabe ressaltar os valores relativamente baixos deste parâmetro no testemunho #5, quando comparado com os demais testemunhos. A densidade das amostras de

4 sedimento variaram de 1,1 e 3,9 g.cm -3 apresentando valor médio de 1,9±0,5 g.cm -3. O teor de finos nos testemunhos variou de 3 a 99%, não apresentando variação significativa nos testemunhos #3 e #4. Observou-se uma variação nas camadas mais profundas dos testemunhos nos pontos #1, #2 e #6, ao longo de todo o testemunho #5. Isto se deve à distância entre cada ponto de coleta e a desembocadura do canal, pois quanto mais próximo deste, maior é a interação com o ambiente praial, que em períodos de ressaca introduz sedimento de granulometria mais grosseira na Lagoa. Um outro ponto relevante é a homogeneidade da granulometria encontrada nos testemunhos #1 e #2 nas camadas sedimentares mais recentes, possivelmente devido a construção do canal, que reduziu a energia durante os processos de entrada e saída de água do mar. O ponto #6 teve uma diminuição no teor de finos em camadas sedimentares mais recentes, isto porque o mesmo está localizado em uma área onde ocorreram algumas dragagens. A taxa de sedimentação, calculada pelo método do excesso de 210 Pb, foi de 0,75 cm.ano -1 no testemunho #1. Com este resultado podemos considerar que a camada 60cm foi depositada na época da construção do canal. Esta afirmação pode ser corroborada através da alteração do comportamento de diversos parâmetros analisados nesta camada. Os perfis das concentrações de zinco, chumbo e cobre (Figura 3) apresentaram um horizonte bem definido coincidente com a época de construção do canal, a partir do qual as concentrações deixam de se apresentar em um valor aproximadamente constante, para apresentar um perfil com uma forte tendência de aumento em direção à superfície, podendo ser considerados fora da faixa natural e significativamente diferentes dos valores nas camadas mais profundas. Fig. 3. Distribuição das concentrações (µg.g -1 ) de Zn, Cu e Pb nos testemunhos.

5 Tabela 1. Níveis de background das concentrações dos metais nos testemunhos (valor ± desvio padrão). Pb Zn Cu Ponto 1 27,0±5,24 112±15,0 49,2±6,46 Ponto 2 33,1±4,15 100±5,69 34,2±3,03 Ponto 3 26,0±5,18 86,1±7,41 38,3±3,21 Ponto 4 31,1±4,21 125±5,44 42,8±7,19 Ponto 5 30,5±2,40 82,4±12,6 42,9±13,5 Ponto 6 17,9±1,56 117±7,30 42,4±6,46 Médio 27,6±3,13 104±8,82 41,6±7,86 O cálculo dos valores de background nos testemunhos (Tabela 1) foi obtido calculando-se a média das concentrações encontradas para as camadas abaixo do horizonte de abertura do canal até a camada mais profunda dos testemunhos. Com base na espessura da camada de sedimentar, determinada a partir dos testemunhos e de três perfis batimétricos de 33 e 200kHz, totalizando cerca de 4km de levantamento, pôde-se calcular o volume de lama acumulada na Lagoa Rodrigo de Freitas, após a abertura do canal, através da interpolação e integração dos dados utilizando o programa Surfer 8.0, sendo o volume obtido cerca de m 3. Para calcular a concentração total em cada camada dos testemunhos, utilizou a seguinte fórmula: Ctn, onde: = ([ A ] [ B ]) T (1 T ) Dens 10 m cg finos água C tn = Concentração do metal em kg.m -3 na camada sedimentar n do testemunho t. [A m ] = Concentração da amostra em µg.g -1. [B cg ] = Concentração de em µg.g -1. T finos = Teor de finos em % T água = Teor de água em % Dens = Densidade em g.cm A partir destes dados, que representam a concentração de metal de origem antropogênica em cada camada da coluna sedimentar dos testemunhos analisados, foi calculado o estoque de Cu, Zn e Pb na Lagoa, tomando-se um valor médio de concentração de metais acumulados (kg.m -3 ) nas camadas sedimentares a partir do horizonte de abertura do canal, ocorrida em 1921 (60cm superficiais) e o volume desta camada na área total da Lagoa. Assim, os valores obtidos foram 55,3ton de Zn, 9,2ton de Cu e 18,4ton de Pb. 6. Conclusões A partir da datação com 210Pb, concluise que a taxa de sedimentação no testemunho #1 é de 0,75 cm.ano -1, tendo por conseqüência a camada de 60 cm sido depositada por volta de 1923, época da construção do canal do Jardim de Alah. Para o estudo fez-se uma extrapolação desta camada nos outros testemunhos, com base na mudança de comportamento da distribuição de Pb, Zn e Cu, resultando em uma taxa de sedimentação de 0.75, 0.88, 0.81, 0.31 e 1.13 cm.ano -1 para os pontos #2, #3, #4, #5 e #6, respectivamente. Os resultados mostram também que a Lagoa tem um comportamento bastante homogêneo no sedimento em todas as áreas, exceto na região mais próxima ao canal do Jardim de Alah. As alterações na dinâmica causadas pela abertura do canal provocaram uma redução nos níveis de energia do sistema e mudanças nas condições físico-químicas, que ficaram claramente marcadas na distribuição das concentrações dos metais na coluna sedimentar, corroborado pelos testes estatísticos aplicados. As atividades antropogênicas no entorno da Lagoa Rodrigo de Freitas introduziram grande quantidade de Cu, Zn e Pb nas camadas sedimentares mais recentes, resultando em uma deposição de 55,3ton de

6 Zn, 9,2ton de Cu e 18,4ton de Pb nos últimos 80 anos. 7. Referências AMBIENTAL Solução integrada de reabilitação ambiental da Lagoa Rodrigo de Freitas, Canal do Jardim de Alah e praias do Arpoador, Ipanema e Leblon. Ambiental Engenharia e Consultoria Ltda. Rio de Janeiro. FERNANDES, H. M., et al Heavymetal pollution assessment in the coastal lagoons of Jacarepagua, Rio de Janeiro, Brazil. Environmental Pollution, v. 85, n. 3, p FERNANDES, H. R. S. M Abordagem geoquímica no estudo da poluição por metais pesados nos sistemas fluvial e lagunar da baixada de jacarepaguá - RJ f. Dissertação de Mestrado - Departamento de Geoquímica, Universidade Federal Fluminense, Niterói. FERNANDEZ, M. A. D. S Geoquímica de metais pesados na Região dos Lagos,RJ: Uma proposta de estudo integrado. 163 f. Dissertação de Mestrado - Departamento de Geoquímica, Universidade Federal Fluminense, Niterói. FORSTNER, U.; WITTMANN, M Metal Pollution in the Aquatic Environment. Berlim: Springer-Verlag, 486 p. GODOY, J. M., et al An alternative method for the determination of excess 210Pb in sediments. Radiation Protection Dosimetry, v. 75, p HARRISON, R. M.; MORA, J Introductory chemistry for the environmental science. (2 ed.). Cambridge, 373 p. KJELLSTROM, T.E Perspectives and prospectives on health effects of metal. In: Nriagu, J.O. (ed.) Changing Metal Cycles and Human Health. Berlin: Springer Verlag. P KJERFVE, B.; MAGILL, K. E Geographic and hydrodynamic characteristics of shallow coastal lagoons. Marine Geology, v. 88, n. 3-4, p , KJERFVE, B Coastal Lagoons. The World & I, v. 5, n. 5, p LACERDA, L. D Aplicação de metodologia de abordagem pelos parâmetros críticos no estudo da poluição por metais pesados na Baía de Sepetiba, RJ. 136 f. Tese (Livre docência) - Instituto de Biofísica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro. PESTANA, M. H. D Participação Geoquímica de Metais Pesados em Sedimentos Estuarinos nas Baías de Sepetiba e da Ribeira, RJ f. Dissertação de Mestrado - Departamento de Geoquímica, Universidade Federal Fluminense, Niterói. ROBBINS, J. A.; EDGINGTON, D. N Determination of recent sedimentation rates in Lake Michigan using 210Pb and 137Cs. Geochimica et Cosmochimica Acta, v. 39, p RUIZ-FERNANDEZ, A. C., et al The loading history of trace metals and nutrients in Altata-Ensenada del Pabellon, lagoon complex, northwestern Mexico. Journal of Environmental Radioactivity, v. 69, n. 1-2, p SMITH, J. N Why should we believe 210 Pb sediment geochronologies? Journal of Environmental Radioactivity, v. 55, p SUGUIO, K Introdução à Sedimentologia. 317 p. TESSIER, A.; CAMPBELL, P. G. C.; BISSOM, M Sequential Extraction Procedure for the Speciation of Particulate Heavy Metals. Analytical Chemistry, v. 51, n. 7, p , YUAN, C., et al. Speciation of Heavy Metals in Marine Sediments from the East China Sea by ICP-MS with Sequential Extraction. Environmental International, v. 30, p , 2004.