Utilização de razões espectrais para avaliar atividade fitoplanctônica em um ambiente aquático continental

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1 Utilização de razões espectrais para avaliar atividade fitoplanctônica em um ambiente aquático continental Rejane Ennes Cicerelli 1 Fernanda Sayuri Yoshino Watanabe 1 Luiz Henrique da Silva Rotta 1 Ricardo Javier Moncayo Eraso 1 Maria de Lourdes Bueno Trindade Galo 1,2 Universidade Estadual Paulista Faculdade de Ciências e Tecnologia 1 Programa de Pós-Graduação em Ciências Cartográficas 1 Departamento de Cartografia 2 Rua Roberto Simonsen, CEP: Pres. Prudente, SP rejane_e@yahoo.com.br, fernandasyw@gmail.com, luizhrotta@yahoo.com.br, ricardo.javier79@gmail.com, mlourdes@fct.unesp.br Abstract. The Contamination of water resources by waste from human activities has been one of the major risk factors for human health. Artificial eutrophication is responsible for changes in water quality including the reduction of dissolved oxygen, aquatic biodiversity, extensive death of fish, the increased incidence of blooms of microalgae and cyanobacteria. In this scenario, the remote sensing has emerged as an effective tool for detection of Optically Active Components (COAs) in the body of water over large areas of land surface allowing rapid and efficient decision-makers. Specifically for phytoplankton activity, many methods have been employed in an attempt to quantify and qualify these pigments photosynthetically active with spectral reflectance curves and multi / hyperspectral images. A method commonly used is the ratio of spectral bands. Thus, this study was carried out tests of reasons bands in the literature to detect specific pigments that characterize the presence of algae in the Nova Avanhandava-SP reservoir, such as cyanobacteria. The field survey was carried out in part of Nova Avanhandava reservoir during the dry season. Results showed that the spectral bands ratios obtained were better for the estimation of chlorophyll a, especially for spectral features located in the green region and near infrared, but low correlations were found for phycocyanin. Palavras-chave: Remote Sensing of Aquatic Environments, Phytoplankton activity, Chlorophyll-a, Phycocyanin, Band ratio. Sensoriamento Remoto em Ambientes aquáticos, Atividade fitoplanctônica, Clorofilaa, Ficocianina, Razão de bandas. 1. Introdução Atualmente, o monitoramento da qualidade da água passou a ser de grande importância para monitorar e avaliar as consequências das ações antrópicas sobre os ecossistemas aquáticos. Algumas algas como as cianobactérias, tem aumentado a preocupação de gestores públicos, por produzirem substâncias tóxicas, que acarretam elevação dos custos de tratamento de águas de abastecimento bem como consequências, principalmente, à saúde da população e ao ecossistema (Calijuri et al., 2006). Considerando que as algas possuem uma distribuição espacial desigual, dependendo de fatores hidrodinâmicos (movimento horizontal), ecológicos (propriedades dos fitoplânctons, nutrientes, luz, temperatura) e de correntes do vento (Kallio et al., 2003), é fundamental a utilização de ferramentas que permitam maior representatividade espaço-temporal destes elementos. Nessa vertente, o Sensoriamento Remoto pode ser considerado um instrumento promissor, pois permite o monitoramento espacial e temporal da superfície terrestre, possibilitando investigar a origem e o deslocamento de substâncias específicas em suspensão ou dissolvidas na água (Weaver e Wrigley, 1994). Para o Sensoriamento Remoto, alguns pigmentos, característicos da atividade fitoplanctônica, têm chamado a atenção em virtude de suas propriedades bio-ópticas, sendo estes a clorofila-a, com bandas de absorção em 440 e 675 nm; os carotenóides, absorção na região do UV (Ultra-Violeta) e azul, e as ficobiliproteínas, com absorção aproximada em

2 nm (Kirk, 1994; Weaver e Wrigley, 1994; Londe, 2005). Para os tipos de ficobilinas, dentre eles a ficocianina, é possível visualizar pequenas feições de absorção com formas e locais espectrais levemente diferentes na região espectral do ultravioleta. A ficocianina possui a peculiaridade de absorver predominantemente na região espectral próxima a 615 nm (Dekker, 1993; Weaver e Wrigley,, 1994; Verdú-Ruiz et al., 2008; Marion et al. 2012; Le et al. 2011, Londe, 2008). Na tentativa de quantificar e qualificar estes pigmentos fotossinteticamente ativos, muitos métodos têm sido empregados em curvas de reflectância espectral e imagens multi e hipespectrais. Um método amplamente utilizado é a razão de bandas espectrais. Este se aproveita de realces resultantes da divisão de valores de reflectância de uma banda espectral (m) pelos valores correspondentes em outra banda (n). Quando aplicada com uma formulação lógica e em dados espectrais adequados, trata-se de uma ferramenta simples e efetiva para análise de dados espectrais (Schowengerdt, 2006). Contudo, para que sua aplicação forneça resultados aceitáveis, em relação a componente opticamente ativa analisada, é necessário selecionar regiões espectrais que forneçam informações apenas da componente em análise (Dekker, 1993). Esse método é frequentemente usado para discriminação das variações espectrais súbitas na cena, que são mascaradas pelas variações de brilho em uma banda espectral individual, ou nas composições coloridas padrão (Dekker, 1993). Diante o exposto, o presente artigo visa testar algumas razões de bandas já avaliadas na literatura para detectar pigmentos específicos que caracterizem a atividade fitoplanctônica em parte do reservatório de Nova Avanhandava SP. 2. Área de Estudo A área de estudo está inserida no contexto do reservatório da usina hidrelétrica de Nova Avanhandava, localizado no baixo curso do Rio Tiête, no município de Buritama SP. A usina entrou em operação em 1982, com área de cobertura do reservatório de 210 km² e volume de x 106 m³ (AES TIETÊ, 2011). A Figura 1 apresenta a localização do reservatório. Figura 1. Ilustração do Reservatório de Nova Avanhandava, baixo Rio Tiête/SP (Imagem: Rapideye - Composição colorida: 3R2G1B). Segundo Margarete et al. (2008), o reservatório possui muitos tanques-rede para piscicultura. Além disso, visualizando a imagem de satélite, é possível observar a presença predominante de agricultura e pecuária extensiva na região circundante ao reservatório. A área contornada em vermelho é a área selecionada para o estudo. 8981

3 3. Análise Exploratória No mês de setembro, período da seca, foi realizado um levantamento de campo para caracterizar as condições ambientais da área. Neste levantamento, realizado no dia 18 de setembro de 2012, foram coletados dados em 22 elementos amostrais. A Tabela 1 apresenta as estatísticas descritivas das variáveis limnológicas amostrados em campo. Tabela 1. Tabela resumida das variáveis físico-químicas medidas no reservatório de Nova Avanhandava. Variáveis Máximo Mínimo Referência Média Limonológicas Valor Estação Valor Estação * Temperatura ( C) 26, ,8 - PH 9, , ,51 6,0 a 9,0 Oxigênio Dissolvido 12, (Mg.L -1 ) 9,78 > 5 mg/l Turbidez (UNT) 3,3 25 1, , UNT Transparência (m) ,723 - * valores de referência segundo a resolução CONAMA 357/2005 para classe II Na Tabela 1, a coluna denominada referência representa os limiares de aceitação determinados pela legislação, de acordo com a Resolução CONAMA nº 357/2005, complementada e alterada pela resolução n 430, para águas doces de Classe 2. O trecho baixo curso do Rio Tietê onde se localiza a área de estudo se enquadra nesta classe segundo determinação da Lei Estadual nº /1977. Analisando esses parâmetros de referência verifica-se que, para as variáveis analisadas, a represa está dentro das especificações dos padrões de qualidade da água para abastecimento público. Observa-se na Tabela 1 que a temperatura superficial apresentou pouca variação com valores típicos de regiões tropicais. O valor de turbidez no reservatório pode ser explicado, principalmente, por pequenos organismos fitoplanctônicos em suspensão, visto que os valores de Totais de Sólidos Suspensos que alcançaram valores de aproximadamente 0,7 mg/l nos pontos analisados. A Profundidade de Secchi também é utilizada para a avaliação da extensão da zona eufótica, conforme Kirk (1994). Para tanto, o valor da Profundidade de Secchi é multiplicado pela constante 2,7. O valor obtido a partir desse cálculo é admitido pelos autores como sendo aproximadamente 1% da radiação superficial do corpo d água. Desse modo, o valor médio para a zona eufótica no reservatório foi de 7,35. Esse valor indica uma zona eufótica estreita para o reservatório com pouca concentração de sólidos em suspensão na água, o que a torna clara e quase transparente. Sobre as condições climáticas, a Tabela 2 apresenta um resumo na estação José Bonifácio, disponibilizado pelo INMET (Instituto Nacional de Meteorologia), a cerca de 37 Km do reservatório. Tabela 2. Variáveis climáticas no dia do levantamento de campo. Estação: JOSE BONIFACIO-A735 Dia: 18/09/2012 Temp. Max.: 27.0 ºC Vento Dir: 50 Temp. Min.: 36.0 ºC Vento Vel: 4.0 m/s Umidade: 40% Fonte:

4 4. Medidas de atividade Fitoplanctônica Para identificação atividade fitoplanctônica foram analisadas a concentração de clorofilaa, para avaliação geral da biomassa fitoplanctônica, e de ficocianina, que geralmente está associada à ocorrência de cianobactérias (Dekker, 1993). A estimativa de clorofila in situ foi realizado com o fluorômetro Turner 10-AU, cujos valores são relativos de fluorescência in vivo da clorofila-a. Assim, foi necessária a calibração dos dados de fluorescência in vivo com os dados de concentração de clorofila-a, obtidos a partir da extração em laboratório. Os dados de concentração de ficocianina não necessitaram de calibração com amostras de água do reservatório, uma vez que o aparelho já vem calibrado de fábrica, fornecendo a concentração diretamente. O aparelho utilizado foi o fluorômetro Unilux, da Chelsea Technologies. A fluorescência in vivo é capaz de detectar o florescimento de algas em seu estágio inicial e, entre outros benefícios, destaca-se pela rapidez e facilidade de coletar grandes quantidades de dados, além de reduzir o erro por não degradar as amostras de água, antes da análise laboratorial (Turner Designs, 2004). Conforme se observa na Tabela 3, de acordo com a resolução Conama n 357, de 2005, a concentração de clorofila está adequada para a classe de corpos d água considerada. Tabela 3. Variáveis limnológicas d a atividade fitoplanctônica no reservatório. Variáveis Referência Máximo Mínimo Média Limonológicas * Concentração média de 18,57 8,26 11,73 até 30 Clorofila a (µg/l) Concentração média de 2,26 0,23 1,39 - Ficocianina (µg/l) * valores de referência segundo a resolução CONAMA 357/2005 para classe II Sobre a ficocianina, de acordo com Marion et al. (2012), valores menores que 4 µg/l correspondem a baixo risco a saúde. Os valores de ficocianina e clorofila obtiveram certa relação com valor de correlação intermediária, em torno de 0, Interpretação da resposta espectral do fitoplâncton No dia 18 de setembro foram coletadas curvas espectrais de reflectância de 22pontos na área do reservatório selecionada para a realização deste estudo. As condições climáticas não eram as ideais para coleta de curvas espectrais do ambiente aquático, devido à alta radiação difusa causada pela presença de nuvens e aerossóis. Tal fato fez com que as curvas espectrais obtidas apresentassem muito ruído e baixos valores de porcentagem de reflectância. Na tentativa de reduzir o comportamento aleatório da presença de ruídos, foi necessário realizar um tratamento sobre as curvas. Primeiramente, foram testados filtros de média móvel com três, cinco e sete pontos (bandas) (Tsai e Philpot, 1998). Contudo, os resultados não foram satisfatórios, pois muitas feições espectrais aparentemente relevantes foram excessivamente suavizadas. Assim, a solução encontrada foi a aplicação do filtro de frequência por transformada de Fourier (Cerqueira et al., 2000), implementado no aplicativo Origin Pro 8.6. O método remove componentes de alta frequência com uma janela móvel parabólica (Originlab, 2012). O resultado da suavização das curvas espectrais é apresentado na Figura 4. É importante ressaltar que o intervalo espectral para análise foi delimitado para 400 a 900 nm, região propícia para a analise em ambientes aquáticos (Kirk, 1994). Foram descartadas também 3 curvas espectrais por aparentar características espectrais de plantas aquáticas submersas. 8983

5 Analisando as curvas, verifica-se que o fator de reflectância foi menor que 4% (Figura 2). As feições observadas apresentam baixa reflectância da água na faixa dos menores comprimentos de onda (principalmente entre 430 e 450 nm), apesar da radiação eletromagnética na faixa do azul possuir maior penetração na água. A baixa reflectância nesse intervalo tem sido explicada por alguns autores pela forte absorção da matéria orgânica dissolvida e clorofila-a (Han et al., 1994; Kirk, 1994). Fator de Reflectância (%) 4,0% 3,5% 3,0% 2,5% 2,0% 1,5% 1,0% 0,5% 0,0% Comprimento de Onda (nm) Figura 2. Curvas espectrais suavizadas. N33 N44 N35 N N39 20 N46 N38 N47 N37 N45 N40B N P2 Nota-se uma região de reflectância máxima no verde entre nm; um pico de absorção no vermelho, 671 nm, e um pico de reflectância no infravermelho próximo (700 nm). Também se percebe a presença de dois outros picos pouco representativos em 770 nm e 820 nm. Essas variações nos valores de reflectância mostram-se muito similares àquelas analisadas nas curvas obtidas por Rundquist et al. (1996) para baixas concentrações de clorofila-a. Essa relação também comparece nas curvas obtidas por Han et al. (1994) e Kirk (1994) para corpos d água com presença predominante de clorofila-a. Especificamente para ficocianina, em algumas curvas foi possível visualizar uma sutil feição de absorção próxima a 630 nm e um pico próximo a 650 nm, conforme relatado na literatura para ambientes aquáticos com presença de cianobactérias (Dekker, 1993; Weaver e Wrigley, 1994; Verdú-Ruiz et al., 2008; Marion et al., 2012; Song et al., 2012; Le et al., 2011, Londe, 2008). De um modo geral, com base no exposto, é possível dizer que a radiação eletromagnética, ao atravessar a camada superior do corpo d água tenha sido absorvida e espalhada principalmente pela clorofila-a nesta região de reservatório Aplicação de razões espectrais para avaliar a atividade fitoplanctônica Razões espectrais entre as feições de absorção e reflectância observadas nas regiões do vermelho e infravermelho próximo (IVP), por exemplo, são muito utilizadas para a estimativa de clorofila-a (Rundquist et al., 1996; Ruddick, 2001). Ruddick et al. (2001) afirmam que a feição de absorção ocasionada pela presença de clorofila-a existente na região do vermelho 8984

6 ( 670 nm) é atrativa para a formulação de razões espectrais, em decorrência dessa região minimizar interferências de absorção do tripton e da matéria orgânica dissolvida, principalmente em ambientes aquáticos com alto grau de turbidez. Foram testadas diversas razões já oferecidas na literatura. A Tabela 4 apresenta os coeficientes de correlação para relação entre razões espectrais e a concentração de clorofila-a. Tabela 4. Valores do coeficiente de correlação para diferentes relações entre razões espectrais e a concentração de clorofila-a. Razão Espectral (nm) Referências Coeficiente de correlação 440/450 Arenz et al. (1996) 0,29 440/550 Arenz et al. (1996) 0 445/554 Vertucci e Likens (1989) -0,33 477/700 Vertucci e Likens (1989) 0,14 520/550 Gitelson et al. (1993) -0,31 525/554 Vertucci e Likens (1989) -0,19 550/680 Ruddick et al. (2001) -0,17 554/589 Vertucci e Likens (1989) 0,13 670/520 Arenz et al. (1996) 0,19 670/550 Arenz et al. (1996) 0 700/560 Gitelson e Keydan (1990) 0,57 700/675 Gitelson et al. (1993) 0,76 705/670 Mittenzwey et al. (1992) 0,76 706/676 Dekker (1993) 0,77 739/754 Londe (2008) 0,36 806/571 Arenz et al. (1996) -0,37 895/698 Londe (2008) -0,11 ( )/( ) Dominguez et al. (2011) 0 ( )/( ) Dominguez et al. (2011) 0,7 Tabela 5. Valores do coeficiente de correlação para diferentes relações entre razões espectrais e a concentração de ficocianina. Razão Espectral (nm) Referências Coeficiente de correlação 709/620 Simis et al. (2005) e Chengfeng Le (2011) 0,22 709/665 Simis et al. (2005) e Le (2011) 0,25 654/617 Mishra et al. (2009) 0 700/600 Mishra et al. (2009) 0,11 ( )/ ) Dominguez et al. (2011) 0,20 De acordo com os coeficientes de correlação apresentados, para concentração de clorofila-a (Tabela 4), as maiores correlações acontecem entre as regiões do vermelho e infravermelho próximo. A razão com melhor resultado foi a razão de bandas proposta por Dekker (1993), cujo coeficiente de correlação apresentou valores significativos. Para o pigmento ficocianina (Tabela 5) observam-se valores de coeficiente de correlação pouco significativos. Dentre as possíveis justificativas, a mais viável, é que a concentração deste pigmento não foi expressiva para alterar a curva espectral suficientemente a ponto de apresentar relação entre os dados obtidos em campo e a reflectância espectral. Ainda é importante ressaltar que o equipamento utilizado para detecção de ficocianina apresenta limitações para detecção abaixo de 10 µg/l (Unilux, 2009). 8985

7 6. Conclusões Para uma melhor interpretação dos resultados, deve-se considerar que a área de estudo é uma parte do reservatório de Nova Avanhandava, assim, os resultados alcançados podem não ser característicos de toda sua extensão. Ainda, apenas uma época foi analisada. Considerando o exposto, a área de estudo apresentou valores para as variáveis limnológicas dentro das especificações indicadas pela Resolução CONAMA 357/2005 para corpos d água de Classe 2, no qual se enquadra essa região do baixo curso do Rio Tietê. O reservatório apresentou baixas concentrações paras as variáveis: total de sólidos em suspensão, clorofila-a e ficocianina. Apesar das baixas concentrações dos pigmentos fotossinteticamente ativos, foi possível visualizar nas curvas de reflectância espectral feições características principalmente de clorofila-a, conforme descrito na literatura analisada. O método de fluorescência utilizado neste trabalho mostrou-se adequado para detecção dos pigmentos fotossintetizantes, porém, é necessária uma concentração mínima para obter resultados mais confiáveis. As razões de bandas espectrais para estimativa de clorofila-a apresentaram resultados mais adequados, principalmente os localizados na região espectral do verde e infravermelho próximo, porém para o pigmento ficocianina, a correlação apresentada não foi adequada para deduzir se há relação entre as feições identificadas na curva espectral com sua presença. Outras campanhas de campo foram realizadas em épocas distintas no reservatório, mostrando variações nas concentrações de pigmentos fotossinteticamente ativos, e espera-se que os resultados possam ser apresentados em próximas publicações dos autores. 7. Referências Bibliográficas Arenz, R.F etl al. Determination of chlorophyll and dissolved organic carbon from reflectance data for Colorado Reservoirs. International Journal of Remote Sensing, v. 17, n. 8, p , BRASIL. Ministério do Meio Ambiente Conselho Nacional do Meio Ambiente. Resolução CONAMA n 357, de 17 de março de Dispõe sobre a classificação dos corpos de água e diretrizes ambientais. Disponível em: < Acesso em: 10 de fevereiro de BRASIL. Ministério do Meio Ambiente Conselho Nacional do Meio Ambiente. Resolução CONAMA n 430, de 17 de março de Dispõe sobre as condições e padrões de lançamento de efluentes, complementa e altera a Reso-lução n 357, de 13 de maio de 2011, do Conse-lho Nacional do Meio Ambiente-CONAMA.. Disponível em: < Acesso em: 15 de Julho de Calijuri, M.C. et al. Cianobactérias e cianotoxinas em águas continentais. São Carlos: RiMa, p. Cerqueira, E.O.; Poppi, R.J.; Kubota, L.T. Utilização de filtro de transformada de Fourier para a minimização de ruídos em sinais analíticos. Química Nova, v. 23, n. 5, p , Dekker, A G. Detection of optical water quality parameters for eutrophic waters by hihg resolution remote sensing f. Tese (PhD theses) Free University, Amsterdan. Dominguez, J.A., Alonso, C., Alonso, A., Remote sensing as a tool for monitoring water quality parameters for Mediterranean Lakes of European Water Framework Directive (WFD) and as a system of surveil lance of cyanobacterial harmful algae blooms (SCyanoHABs). Environmental Monitoring and Assessment v. 181, p , Gitelson,A.A.et al., A. Quantitative remote sensing methods for real time monitoring of inland waters quality. International Journal of Remote Sensing, v. 14, p , Gitelson, A.A.; Keydan,G.P. Remote sensing of inland surface water quality measurements in the visible spectrum. Acta Hydrophysica (Berlin), v.34, p. 5-27,

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