ÓPTICA INERENTE DE CINCO SISTEMAS AQUÁTICOS CONTINENTAIS NO NORTE DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO: UMA AVALIAÇÃO INTERSISTÊMICA

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1 ÓPTICA INERENTE DE CINCO SISTEMAS AQUÁTICOS CONTINENTAIS NO NORTE DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO: UMA AVALIAÇÃO INTERSISTÊMICA WENDEL CARLOS DE SÁ AZEVEDO UNIVERSIDADE ESTADUAL DO NORTE FLUMINENSE - UENF CAMPOS DOS GOYTACAZES - RJ ABRIL

2 ÓPTICA INERENTE DE CINCO SISTEMAS AQUÁTICOS CONTINENTAIS NO NORTE DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO: UMA AVALIAÇÃO INTERSISTÊMICA WENDEL CARLOS DE SÁ AZEVEDO Dissertação apresentada ao Centro de Biociências e Biotecnologia da Universidade Estadual do Norte Fluminense, como parte das exigências para a obtenção do título de Mestre em Biociências e Biotecnologia, área de concentração Ciências Ambientais. Orientador: Prof. Dr. Paulo Pedrosa Andrade UNIVERSIDADE ESTADUAL DO NORTE FLUMINENSE - UENF CAMPOS DOS GOYTACAZES - RJ ABRIL

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4 IV Dedico este estudo a minha família (Genildo, Josane e Fernanda) e a minha amada Cristina.

5 V AGRADECIMENTOS A Deus por iluminar e me conduzir por este caminho escolhido. Minha eterna gratidão. Ao professor Paulo Pedrosa pela orientação, credibilidade e atenção disponibilizada de forma amigável. Pelas suas atitudes dignas de um cientista, o meu sincero obrigado. Aos Professores Alvaro Ramon C. Ovalle (revisor suplente), Carlos Eduardo de Rezende, Luiz Antonio Martinelli e Marina Satika Suzuki por terem aceitado participar da banca examinadora desta dissertação. Ao professor Leandro Rabello Monteiro por contribuir com informações associadas a testes estatísticos. Ao corpo técnico do Laboratório de Ciências Ambientais, em especial a Alcemi Cerqueira, Ana Paula Fernandes, Arizoli Gobo (Ari), Cristiano Peixoto, Edilma de Cássia, Marcelo Almeida, muito obrigado a todos por auxiliar no andamento dos experimentos e pela atenção disponibilizada. Ao antigo técnico extra-quadro do Laboratório de Ciências Ambientais, Antônio Carlos (seu Antônio), pela grande força no campo e por estar sempre disposto a ajudar (Remadas Eternas!). À companheira de trabalho e do mestrado, Juliana César, fica a minha gratidão por ter disponibilizado amostras e dados da Lagoa de Cima. Ao Hamilton por ter disponibilizado os dados do Posto Climatológico do Campus Dr. Leonel Miranda da UFRRJ e ao camarada Francisco (ex-bolsista de apoio técnico do LCA) por ter organizado os dados meteorológicos utilizados neste estudo. Aos amigos do mestrado, Anna Rosa (Não deixa o mar te engolir!), Diogo, Gustavo Chagas (valeu pelas fotos), Inês, Janice, Gabriela e Verônica, pelos momentos de descontração vividos na UENF e nas festas. Aos grandes amigos Alex, pelo auxílio no bom funcionamento do PC, e Rafael Barros pelas fotos aéreas concedidas. Ao apoio financeiro da UENF. Aos meus queridos avós Ennio, Nely e Dulcunéia (in memorian) um grande obrigado pelo carinho e união. Aos meus amados pais, Genildo e Josane, e irmã, Fernanda, fica uma gratidão especial pela educação, amor e incentivo para que este estudo se concretizasse. Finalmente, a minha amada Maria Cristina, pela dedicação e carinho nos momentos difíceis, uma vez mais acreditando e me fazendo acreditar que seria possível atingir este objetivo, dedico o meu SINCERO OBRIGADO! O homem sempre caminha ao longo de precipícios. Sua maior obrigação é manter o equilíbrio. Karol Wojtyla ( ), Papa João Paulo II.

6 VI ÍNDICE LISTA DE FIGURAS... VIII LISTA DE TABELAS... X LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS... XII RESUMO... XIII ABSTRACT... XIV 1. INTRODUÇÃO JUSTIFICATIVA OBJETIVOS HIPÓTESES DE TRABALHO MATERIAL E MÉTODOS Área de estudo Determinações físico-químicas e processamento das amostras Carbono orgânico, proteínas e carboidratos na fração dissolvida Óptica inerente Matéria orgânica dissolvida cromófora (MODC) C, N, e P na fração particulada Clorofila-a Percentuais de saturação de O 2 e CO Tratamento dos dados RESULTADOS Variáveis limnológicas Variáveis físicas e físico-químicas Percentuais de saturação de oxigênio e dióxido de carbono dissolvidos Matéria orgânica dissolvida (MOD) Fração particulada (material particulado em suspensão, carbono orgânico, nitrogênio, fósforo e clorofila-a) Razões C:N:P Análise integrada Variáveis ópticas (óptica inerente) Coeficiente de absorção Coeficiente de absorção específico Coeficiente de inclinação espectral Análise integrada Relação entre os coeficientes ā λ e S Correlações POIs versus variáveis meteorológicas... 40

7 VII POIs versus variáveis físico-químicas POIs versus variáveis hidroquímicas DISCUSSÃO Organização intersistêmica, óptica-limnológica Coeficientes ópticos: a λ, a λ e S Coeficientes ópticos: proxies sistêmicos? CONCLUSÕES REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS APÊNDICE... 82

8 VIII LISTA DE FIGURAS Figura 1. Principais divisões da óptica geofísica (modificado de Preisendorfer, 1976 apud Kirk, 1994)... 1 Figura 2. Exemplos de medidas, processos e aplicações associadas a propriedades ópticas de ecossistemas aquáticos... 4 Figura 3. Localização geográfica dos sistemas aquáticos, mostrando também os pontos de amostragem: (1) Lagoa do Campelo, (2) Lagoa de Cima, (3) Lagoa de Grussaí, (4) Lagoa de Iquipari e (5) RPS. Fonte: Projeto Ecologia da Paisagem (Laboratório de Ciências Ambientais LCA UENF) Figura 4. Aspecto geral dos sistemas aquáticos: (1) Lagoa do Campelo, (2) Lagoa de Cima, (3) Lagoa de Grussaí, (4) Lagoa de Iquipari, (5) RPS e (6) disposição geográfica das lagoas de Grussaí e Iquipari. Fontes: Projeto Ecologia da Paisagem (Laboratório de Ciências Ambientais LCA UENF) (1, 2, 5 e 6) e Oscar Wagner (3 e 4) Figura 5. Contribuição relativa de COD não associado a carboidratos e proteínas e de C-CH 2 O e C-PRO no COD de cinco sistemas aquáticos na Região Norte Fluminense Figura 6. Distribuição em diagramas de caixa apresentando os valores de ā λ associados às regiões espectrais do UV-A (A) e da RFA (B) para cinco sistemas aquáticos na Região Norte Fluminense Figura 7. Relação entre COD e ā UV-B na Lagoa de Cima (A) e no RPS (B) Figura 8. Distribuição em diagramas de caixa apresentando os valores estimados de S associados às regiões espectrais do UV-A (A) e da RFA (B) para cinco sistemas aquáticos na Região Norte Fluminense Figura 9. Relação entre ā UV e S UV nas lagoas do Campelo (A), Cima (B), Grussaí (C), Iquipari (D) e o RPS (E). Os dados restritos às pré-aberturas de barra também são apresentados para as lagoas de Grussaí e Iquipari (canto superior à direita) Figura 10. Relação entre ā RFA e S RFA considerando os dados de cinco sistemas aquáticos na Região Norte Fluminense (n = 59) Figura 11. Relação entre ā UV e S UV considerando os dados de cinco sistemas aquáticos na Região Norte Fluminense (n = 60) Figura 12. Relação entre ā UV A e a média semanal da temperatura do ar no RPS Figura 13. Relação entre ā RFA e a média semanal da velocidade do vento no RPS Figura 14. Relação entre ā RFA e insolação no RPS Figura 15. Relação entre ā UV-B e profundidade na Lagoa de Cima Figura 16. Relação entre ā UV-B e ph no RPS Figura 17. Relação entre ā UV-A e condutividade elétrica na Lagoa do Campelo Figura 18. Relação entre ā UV-A e alcalinidade na Lagoa do Campelo Figura 19. Relação entre ā UV-B e % sat. OD no RPS Figura 20. Relação entre ā UV A e % sat. CO 2(aq) no RPS... 50

9 IX Figura 21. Relação entre ā UV-B e proteínas na Lagoa de Cima Figura 22. Relação entre ā UV-A e carboidratos na Lagoa do Campelo Figura 23. Relação entre ā UV-B e carboidratos no RPS Figura 24. Relação entre ā UV-A e MPS na Lagoa do Campelo Figura 25. Relação entre ā UV-A e COP na Lagoa de Iquipari no período pré-abertura de barra (n = 7) Figura 26. Relação entre ā RFA e NP na Lagoa de Grussaí no período pré-abertura de barra (n = 8) Figura 27. Relação entre ā UV-B e PP na Lagoa do Campelo Figura 28. Relação entre ā UV-B e CLa na Lagoa de Cima Figura 29. Relação entre ā UV-B e razão C:N na Lagoa do Campelo Figura 30. Relação entre ā UV-A e razão N:P na Lagoa do Campelo Figura 31. Relação entre ā UV-B e razão N:P na Lagoa de Grussaí no período pré-abertura de barra (n = 8) Figura 32. Relação entre ā RFA e razão C:P na Lagoa de Iquipari incluindo o período pós-abertura de barra Figura 33. (A) Médias mensais de temperatura do ar no ano de 2003 e integrando-se dez anos anteriores a este. (B) Similar ao descrito para (A), mas referente a totais mensais de precipitação pluviométrica. As barras sobrepostas às abscissas, em (A) e (B), indicam o período estudado. Fonte: Posto Climatológico Dr. Leonel Miranda da UFRRJ Figura 34. Análises de agrupamento em função de CVs (A e B) e valores medidos/estimados (C e D) para variáveis limnológicas (A e C) e ópticas (B e D). Período associado às pré-aberturas de barra (30 de setembro a 11 de novembro de 2003; n = 7) Figura 35. Ocorrências de pares intersistêmicos formados por ligações diretas resultantes dos arranjos gerados pelas análises de agrupamento (ver texto). Lagoa do Campelo (Ca), Lagoa de Cima (Ci), Lagoa de Grussaí (Gr), Lagoa de Iquipari (Iq) e rio Paraíba do Sul (RPS) Figura 36. Relação entre COD e ā UV-B, considerando as lagoas de Cima, Grussaí, Iquipari, e o rio Paraíba do Sul Figura 37. Linha de tendência (linha contínua) para a relação encontrada entre os coeficientes ā RFA e S RFA, considerando-se os cinco sistemas aquáticos: Lagoas do Campelo, Cima, Grussaí, Iquipari, e o rio Paraíba do Sul (RPS). Comparativamente, também é mostrada a relação esperada para uma mistura conservativa entre estes mesmos coeficientes (linha tracejada) calculada de acordo com Stedmon & Markager (2003), considerando como end-members os extremos α, a Lagoa do Campelo, e β, o RPS Figura 38. Assinaturas ópticas de sistemas aquáticos, de cima para baixo: lagoas do Campelo, Cima, Grussaí, Iquipari e rio Paraíba do Sul. Valores plotados em função de médias e desvios padrão para razões ā λ e S específicas (ver legenda). Para melhor visualizar os padrões geométricos dos pontos (triângulos), estes foram ligados por linhas contínuas... 72

10 X LISTA DE QUADROS E TABELAS Quadro 1. Localização geográfica dos pontos de coleta dos sistemas aquáticos da área de estudo Quadro 2. Sumário das variáveis consideradas no presente estudo Tabela 1. Média, desvio padrão e, entre parênteses, mínimo, mediana e máximo dos valores de variáveis físicas e físico-químicas em cinco sistemas aquáticos na Região Norte Fluminense Tabela 2. Média, desvio padrão e, entre parênteses, mínimo, mediana e máximo dos percentuais de saturação de OD e CO 2(aq) em cinco sistemas aquáticos na Região Norte Fluminense Tabela 3. Média, desvio padrão e, entre parênteses, mínima, mediana e máxima das concentrações de carboidratos, proteínas e COD na fração dissolvida de amostras d água de cinco sistemas aquáticos na Região Norte Fluminense. Também são mostrados os equivalentes de carbono dissolvido para carboidratos (C-CH 2 O) e proteínas (C-PRO) Tabela 4. Média, desvio padrão e, entre parênteses, mínimo, mediana e máximo dos valores de MPS, COP, NP, PP e CLa em cinco sistemas aquáticos na Região Norte Fluminense Tabela 5. Média, desvio padrão e, entre parênteses, mínimo, mediana e máximo das razões C:N, N:P e C:P em cinco sistemas aquáticos na Região Norte Fluminense Tabela 6. Grau de deficiência de nutrientes inferido pelas razões C:N, N:P e C:P (µmol µmol -1 ). Tabela adaptada de Healey & Hendzel (1980) Tabela 7. Teste HSD de Tukey para variáveis limnológicas, considerando as lagoas do Campelo (Ca), Cima (Ci), Grussaí (Gr), Iquipari (Iq), e o rio Paraíba do Sul (RPS). Valores em negrito (p < 0,05) Tabela 8. Média e, entre parênteses, coeficiente de variação dos valores do ā λ (m -1 ) associados a diferentes regiões espectrais para cinco sistemas aquáticos na Região Norte Fluminense Tabela 9. Média e, entre parênteses, coeficiente de variação dos valores do ā λ (m2 g -1 C) associados a diferentes regiões espectrais para cinco sistemas aquáticos na Região Norte Fluminense Tabela 10. Coeficientes de correlação (r) entre as variáveis COD (mg L -1 ) e ā λ (m -1 ) associados às regiões do UV-B, UV-A e RFA para cinco sistemas aquáticos na Região Norte Fluminense. Valores em negrito (p < 0,05) Tabela 11. Participação de cromóforos (%) na MOD considerando as regiões do UV-B, UV-A e RFA nas lagoas de Cima, Grussaí, Iquipari e no RPS. Valores estimados via modelo de regressão linear Tabela 12. Média e, entre parênteses, coeficiente de variação dos valores de S (µm -1 ) associados a diferentes regiões espectrais para cinco sistemas aquáticos na Região Norte Fluminense Tabela 13. Teste HSD de Tukey para os coeficientes ópticos, ā λ e S, considerando as lagoas do Campelo (Ca), Cima (Ci), Grussaí (Gr), Iquipari (Iq) e o rio Paraíba do Sul (RPS). Valores em negrito (p < 0,05)... 37

11 XI Tabela 14. Coeficientes de correlação (r) entre ā λ (m -1 ) e S (µm -1 ) associados às regiões do UV-B, UV-A e RFA para cinco sistemas aquáticos na Região Norte Fluminense. Para as lagoas de Grussaí e de Iquipari, os coeficientes r são apresentados também para os dados restritos e anteriores às aberturas de barra. Valores em negrito (p < 0,05) Tabela 15. Coeficientes de correlação (r) entre ā λ (m -1 ) e S (µm -1 ) e entre ā λ (m2 g -1 C) e S (µm -1 ) associados às regiões do UV-B, UV-A, UV e RFA e integrando-se cinco sistemas aquáticos na Região Norte Fluminense. Valores em negrito (p < 0,05) Tabela 16. Correlações entre os coeficientes ópticos ā λ (m -1 ), ā λ (m2 g -1 C) e S (µm -1 ) e variáveis meteorológicas temperatura do ar (ºC, média semanal), velocidade do vento (m s -1, média semanal) e insolação (MJ m -2 semana -1 ). Correlações significativas são assinaladas como * (p < 0,05) Tabela 17. Correlações entre os coeficientes ópticos ā λ (m -1 ), ā λ (m2 g -1 C) e S (µm -1 ) e variáveis físico-químicas temperatura da água (ºC), profundidade (m), ph, condutividade elétrica (ms cm -1 ) e alcalinidade (meq L -1 ). Para as lagoas de Grussaí e Iquipari, os dados que incluem o período posterior às aberturas de barra são representados por sinais entre parênteses. Correlações significativas são assinaladas como * (p < 0,05) Tabela 18. Correlações entre os coeficientes ópticos ā λ (m -1 ), ā λ (m2 g -1 C) e S (µm -1 ) e variáveis hidroquímicas % sat. OD, % sat CO 2(aq), carboidratos (CH 2 O; mg L -1 ), proteínas (PRO; mg L -1 ), MPS (mg L -1 ), COP (mg L -1 ), NP (mg L -1 ), PP (µg L -1 ), CLa (µg L -1 ), C:N, N:P e C:P. Para as lagoas de Grussaí e Iquipari, os dados que incluem o período posterior às aberturas de barra são representados por sinais entre parênteses. Correlações significativas são assinaladas como * (p < 0,05) Tabela 19. Características limnológicas gerais dos ecossistemas estudados Tabela 20. Correlações de Spearman significativas (p < 0,05) entre variáveis ópticas e limnológicas, considerando medidas de tendência central (média (º) e mediana (ºº)) para o conjunto de sistemas estudados como um todo (n = 5). Ausência de círculo(s) indica correlação significativa tanto para média como para mediana Tabela 21. Coeficientes a λ de águas continentais para comprimentos de onda específicos e médios associados às regiões do UV-B, UV-A e RFA Tabela 22. Coeficientes a λ calculado para comprimentos de onda específicos em diferentes estudos de sistemas aquáticos e para o coeficiente a λ calculado para as regiões espectrais UV-B, UV-A e RFA, e o coeficiente a 440 deste estudo... 67

12 XII LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS a λ... ā λ... ā UV-B... a Coeficiente de absorção Coeficiente de absorção médio Coeficiente de absorção médio para a região espectral UV-B Coeficiente de absorção para o comprimento de onda de 300 nm a λ... Coeficiente de absorção específico ā λ... Coeficiente de absorção específico médio ā UV -B... Coeficiente de absorção específico médio para a região espectral UV-B... a Coeficiente de absorção específico para o comprimento de onda de 300 nm C-CH 2 O... Carbono associado a carboidratos solúveis em água CLa... Clorofila-a COD... Carbono orgânico dissolvido COP... Carbono orgânico particulado C-PRO... Carbono associado a proteínas solúveis em água CV... Coeficiente de variação MOD... Matéria orgânica dissolvida MODC... Matéria orgânica dissolvida cromófora MPS... Material particulado em suspensão NP... Nitrogênio particulado PP... Fósforo particulado % sat. CO 2(aq)... Percentual de saturação de dióxido de carbono dissolvido em água % sat. OD... Percentual de saturação de oxigênio dissolvido em água POIs... Propriedades ópticas inerentes r... Coeficiente de correlação de Pearson r S... Coeficiente de correlação de Spearman RFA... Radiação fotossinteticamente ativa (região espectral entre nm) S... Coeficiente de inclinação espectral S UV-B... Coeficiente de inclinação espectral para a região UV-B... S Coeficiente de inclinação espectral para o intervalo entre nm UV... Ultravioleta A e B (região espectral entre nm) UV-A... Ultravioleta A (região espectral entre nm) UV-B... Ultravioleta B (região espectral entre )

13 XIII RESUMO Este estudo investiga propriedades ópticas inerentes (POIs) conjugadas a variáveis limnológicas de cinco sistemas aquáticos continentais, e objetivou avaliar o uso das POIs como proxies sistêmicos. Os sistemas lagoas do Campelo, Cima, Grussaí, Iquipari, e o rio Paraíba do Sul apresentaram distintas características limnológicas, sendo representadas por diferentes estados tróficos (meso- a hipertrófico), metabólicos (auto- e heterotróficos) e limitação ou não por P. Amostras de água foram coletadas semanalmente, entre 30 de setembro e 18 de dezembro de 2003, e os pools de cromóforos orgânicos dissolvidos caracterizados via coeficientes de absorção (a λ e a λ ) e de inclinação espectral (S). Os coeficientes de absorção foram tratados como valores médios, sendo referidos como ā λ e ā λ. Estes, assim como o coeficiente S, foram caracterizados em intervalos espectrais específicos entre nm. Considerando o intervalo espectral associado ao UV-A, os resultados variaram entre 5,97-42,5 (ā λ, m -1 ), 0,75-5,88 (ā λ, m2 g -1 C), e entre 5,0-18,1 (S, µm -1 ). De um modo geral, foi possível verificar diferenças intersistêmicas significativas (p < 0,05) tanto para variáveis limnológicas como ópticas, sugerindo particularidades entre os sistemas estudados. Também foram encontradas correlações significativas entre estas variáveis, porém não uniformemente coincidentes entre os sistemas investigados. Entretanto, quando analisados conjuntamente, por uma integração polissistêmica, foi possível verificar uma série de correlações significativas entre variáveis ópticas e limnológicas, sugerindo que águas naturais relativamente independentes possam também apresentar relacionamentos ópticos-limnológicos razoavelmente ordenados (r s = 0,55; p = 0,096; n = 5). Como um todo, os coeficientes ā λ e S pareceram apresentar grande potencial para serem utilizados como marcadores ópticos de águas naturais, integrando características sistêmicas. Esta propriedade integradora pareceu suportar elementos necessários para se gerar assinaturas ópticas, baseadas em razões ā λ e S, de ecossistemas aquáticos. Palavras-chave: propriedades ópticas inerentes (POIs), coeficientes ópticos a λ, a λ e S, matéria orgânica dissolvida cromófora (MODC), águas naturais, sistemas aquáticos continentais.

14 XIV ABSTRACT This study addresses on the inherent optical properties (IOPs) of five aquatic systems (inland waters), and aimed evaluating the use of IOPs as systemic proxies. The systems Campelo, Cima, Grussaí and Iquipari lakes, and the Paraíba do Sul River presented different limnological characteristics, which were represented by a range of trophic (meso- to hipertrophic) and metabolical (auto- and heterotrophic) states, and presence or absence of phosphorus limitation. Water samples were collected weekly, between September 30 and December 18, 2003, and the chromophoric pools of dissolved organic matter characterized via absorption (a λ e a λ ) and spectral slope (S) coefficients. The absorption coefficients were averaged, being referred as ā λ and ā λ. These coefficients, as well as the S-coefficient, were characterized regarding specific spectral ranges within the nm interval. Considering the UV-A range, the results varied between (ā λ, m -1 ), (ā λ, m2 g -1 C), and (S, µm -1 ). Overall, it was possible to verify significant (p < 0.05) intersystemic differences for either limnological or optical variables, suggesting particularities between the studied systems. Also, significant correlations were found between these variables, but they were not uniformly coincident between the systems. However, when jointly analyzed, polisystemic integration, it was possible to verify a set of significant correlations between optical and limnological variables. This finding suggests that relatively independent natural waters can also present optical-limnological relationships reasonably ordered (r s = 0.55; p = 0.096; n = 5). As a whole, the ā λ - and S-coefficients appeared to present a great potential to be used as optical markers of natural waters, integrating systemic characteristics. This integrative property seemed supporting necessary elements to generate optical signatures, based on ā λ and S ratios, from aquatic ecosystems. Keywords: inherent optical properties (IOPs), a λ -, a λ - and S-coefficients, chromophoric dissolved organic matter (CDOM), natural waters, inland aquatic systems.

15 1 1. INTRODUÇÃO Óptica hidrológica Sistemas lacustres/lagunares e fluviais são, respectivamente, unidades morfofuncionais de água continental lêntica e lótica. A particularidade limnológica de cada sistema aquático está associada a uma conectividade física, química e biológica, considerando o contexto de uma paisagem e uma história ambiental-cultural. Caracterizar a qualidade e o estado de equilíbrio limnológico de tais sistemas é uma questão complexa em função da ocorrência de diversos processos biogeoquímicos, organizados em diferentes escalas e hierarquias ecológicas (Pedrosa et al., 2004). Portanto, para situar uma propriedade ecológica, tipológica ou sistêmica, a aplicação de variáveis que sejam integradoras e/ou que expressem uma situação coletiva do ambiente aquático, pode ser de grande utilidade. Nesse sentido, um paradigma de estudo ainda pouco explorado na caracterização de sistemas aquáticos se refere à determinação de suas propriedades ópticas. A óptica estuda o comportamento da luz em um meio material qualquer. No que se refere às ciências naturais, a óptica geofísica pode ser dividida em meteorológica e hidrológica e esta última em oceanográfica e limnológica (Figura 1). Óptica Meteorológica Óptica Geofísica Óptica Oceanográfica Óptica Hidrológica Óptica Limnológica Figura 1. Principais divisões da óptica geofísica (modificado de Preisendorfer, 1976 apud Kirk, 1994).

16 2 A óptica hidrológica estuda, portanto, o comportamento da luz na água. Ao atingir a superfície de um lago, rio ou mar, os fótons sofrem processos físicos de reflexão, absorção e/ou dispersão seletivas, afetando a intensidade e a composição espectral do campo de luz subaquático. Dessa forma, as propriedades ópticas de sistemas aquáticos têm sido estudadas determinando-se coeficientes ópticos, como os de absorção (a), dispersão (b), atenuação (c), e de inclinação espectral (S) (Bricaud et al., 1981; Kirk, 1994; Stedmon et al., 2000). Operacionalmente, as propriedades ópticas hidrológicas podem ser classificadas como inerente e aparente. Segundo Kirk (1994), os principais componentes que afetam a óptica inerente de um sistema aquático são: (i) a água propriamente dita, (ii) substâncias cromóforas dissolvidas (e.g., substâncias húmicas), tipicamente amarelo-amarronzadas, também chamadas de gilvin ou gelbstoff (Bricaud et al., 1981; Davies-Colley & Vant 1987; Kirk, 1994; Kalle, 1966 apud Yakobi et al., 2003); (iii) o fitoplâncton e (iv) o material particulado abiótico (tripton). As propriedades ópticas inerentes (POIs) de um sistema aquático são, via de regra, determinadas em laboratório (e.g., espectrofotômetro de duplo feixe) usando amostras discretas de água, integrando ou não as frações particulada e dissolvida do meio hídrico. Por sua vez, a óptica aparente é afetada não só pelas características inerentes do meio hídrico, mas também pelas condições climáticas, hidrológicas e a situação específica de medida in situ (ex. profundidade, hora do dia, período do ano, albedo dos sedimentos ou dos substratos de fundo) (Kirk, 1992). Vale ressaltar que as propriedades ópticas de um sistema aquático emergem de uma variedade de influências ambientais, biológicas, químicas e físicas, autóctones e alóctones. Representa assim uma possibilidade de estudo sistêmico, integrando propriedades totais do ambiente aquático. No que se refere à ecologia de ecossistemas, propriedades ópticas de águas naturais como a cor e a transparência, resultantes de interações entre a radiação solar e o meio hídrico, apresentam importância na regulação de processos como a produção primária e atividade dos predadores (ex. visibilidade de peixes e planctívoros invertebrados) (Biggs & Davies- Colley, 1990; Wissel et al., 2003). As propriedades ópticas também podem subsidiar informações sobre alterações da matéria orgânica dissolvida via processos de fotooxidação e/ou degradação microbiana em águas naturais (Andrews et al., 2000; Moran et al., 2000). Dessa forma, a óptica hidrológica associa-se à estrutura funcional

17 3 dos ecossistemas aquáticos (Williamson et al., 1999; Andrews et al., 2000; Moran et al., 2000; Ackleson, 2003). Exemplos de aplicações associadas ao estudo das propriedades ópticas de sistemas aquáticos incluem: determinação da zona eufótica (Jassby et al., 1999; Alvarez-Cobelas et al., 2002), identificação de massas d água (Rochelle-Newall & Fisher, 2002b; Stedmon & Markager, 2003; Kowalczuk et al., 2003), estimativa de biomassa fitoplanctônica em mares e oceanos via sensoriamento remoto (Falkowski, 1994; Gin et al., 2002), proxies de fontes autóctones e alóctones de matéria orgânica dissolvida (MOD) (Stedmon & Markager, 2001) e monitoramento de acidente ambiental (Pedrosa, in press). A Figura 2 sumariza alguns tipos de medidas, processos e aplicações associadas às propriedades ópticas de sistemas aquáticos. Considerando a importância de cromóforos solúveis em água para as propriedades ópticas de ecossistemas aquáticos (Del Castillo, et al. 1999; Stedmon & Markager, 2003; Kowalczuk et al. 2003), concentrou-se as informações ópticas à fração dissolvida das amostras de água. Substâncias cromóforas caracterizam-se por apresentar cor, sendo opticamente ativas na região do UV-Vis (Kirk, 1994). Em águas naturais, os compostos cromóforos são predominantemente orgânicos, sendo tipicamente referidos como matéria orgânica dissolvida cromófora (MODC) (Wetzel, 2001; Stedmon & Markager, 2003). Esta é constituída de uma mistura variada de polímeros aromáticos e alifáticos derivados, principalmente, da degradação do material vegetal de origem aquática e terrestre, podendo compor uma fração considerável do total (pool) da matéria orgânica dissolvida (Kirk, 1994; Stedmon et al., 2000; Stedmon & Markager, 2003). Avaliações semi-quantitativas e qualitativas de pools cromofóricos em sistemas aquáticos têm sido realizadas através do uso dos coeficientes ópticos de absorção (a λ ) e de inclinação espectral (S). Assume-se que a MODC pode refletir as particularidades de cada sistema, auxiliando a identificação e a caracterização limnológica de ecossistemas aquáticos. Dessa forma, este estudo investiga o uso e a aplicação de POIs como um referencial métrico intersistêmico.

18 4 medidas Transparência (ex. disco de Secchi) (Jassby et al., 1999; Alvarez-Cobelas et al., 2002) Irradiância e coeficiente de atenuação (Kirk, 1994) Coeficientes de absorção (ex. cor) e de inclinação espectral (Stedmon & Markager, 2001; Stedmon & Markager, 2003) Dispersão (Højerslev & Aarup, 2002) Fluorescência (Del Castillo et al., 1999; Rochelle-Newall & Fisher, 2002a; Stedmon & Markager, 2005) óptica hidrológica processos Estratificação térmica (Snucins & Gunn, 2000) Fotossíntese (Kirk, 1994) Foto-inibição (ex. ftoplâncton) (Neale et al., 1998) Fotoclareamento (Reche et al., 2000; Osburn et al., 2001; Del Vecchio & Blough, 2002) Fotooxidação da matéria orgânica dissolvida (Vodacek et al., 1997) Fotomineralização (Miller et al., 2002; Bushaw et al., 1996) aplicações Determinação da estrutura óptica (ex. zona eufótica) (Kirk, 1994) Avaliação de MODC (absorbância UV:[COD]) (Stedmon & Markager, 2001) Identificação de comportamento intersistêmico (Pace & Cole, 2002) Estimativas de biomassa fitoplanctônica (Falkowski, 1994; Gin et al., 2002) Traçador de massas d água (ex. zona de mistura e estuários) (Rochelle-Newall & Fisher, 2002b; Stedmon & Markager, 2003; Kowalczuk et al., 2003) Traçador de fontes autóctones e alóctones (Stedmon & Markager, 2001) Monitoramento de acidente ambiental (Pedrosa, in press) Figura 2. Exemplos de medidas, processos e aplicações associadas a propriedades ópticas de ecossistemas aquáticos.

19 5 2. JUSTIFICATIVA As propriedades ópticas de águas naturais têm centralizado a atenção de muitos pesquisadores em âmbito internacional, em função do potencial interpretativo e de diagnóstico de processos ambientais ocorrentes em sistemas aquáticos. Por sua vez, estudos sistemáticos de óptica inerente de sistemas aquáticos são escassos, incipientes ou mesmo inexistentes no Brasil. Essa situação é agravada, considerando-se a grande diversidade e abundância de recursos hídricos continentais existentes no país, expressos por inúmeros ecossistemas aquáticos. De forma similar, a Região Norte Fluminense é marcada por uma dezena de sistemas lacustres e lagunares (PLANÁGUA - SEMADS/GTZ, 2002), sendo também cortada pelo rio Paraíba do Sul. Particularmente, as lagoas do Campelo, Cima, Grussaí e Iquipari representam importantes exemplos de sistemas lênticos em termos estéticos, ambientais e/ou econômicos na região. Ainda, o abastecimento de água no município de Campos dos Goytacazes é essencialmente provido pelo rio Paraíba do Sul. Esta pesquisa formaliza, então, a busca de um conhecimento mais aprofundado sobre a óptica inerente de sistemas aquáticos numa escala regional. Em se tratando de uma linha de pesquisa em processo de iniciação, optou-se por uma estratégia exploratória e comparativa, apoiada na diversidade e relevância dos ecossistemas aquáticos acima referidos. A pesquisa tem caráter investigativo, constituindo informação limnológica fundamentalmente nova, ainda inexplorada. Pretende-se avaliar o uso de coeficientes ópticos como referenciais métricos intersistêmicos, potencialmente aplicáveis em processos de gestão, monitoramento e preservação de ecossistemas aquáticos.

20 6 3. OBJETIVOS Caracterizar propriedades ópticas inerentes de sistemas aquáticos, procurando avaliar a sua utilização como um proxy intersistêmico e limnológico. Este objetivo geral deverá ser operacionalizado considerando-se, para os cinco sistemas aquáticos, os seguintes objetivos específicos: Determinar os coeficientes ópticos de absorção (a λ ) e de inclinação espectral (S) na fração dissolvida de amostras d água, a fim de caracterizar pools cromofóricos, Avaliar comparativamente a atividade óptica dos conjuntos de cromóforos orgânicos dissolvidos via coeficientes de absorção específicos (a λ ), bem como a contribuição e a dinâmica de cromóforos nos pools de MOD, Investigar relações entre os coeficientes ópticos e variáveis limnológicas/meteorológicas tais como: - temperatura do ar e da água; - velocidade do vento; - insolação; - profundidade e/ou variação do nível d água; - condutividade elétrica; - ph; - estado trófico (clorofila-a); - razões C:N:P na fração particulada; - estado metabólico via % de saturação de O 2(aq) e CO 2(aq) e - participação de COD lábil (proteínas e carboidratos). Verificar, através de uma base de modelo composto integrativo, polissistêmico, tendências de comportamento associativo entre variáveis ópticas e limnológicas.

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