A bio-óptica marinha na região costeira do Paraná: subsídios para o estudo da cor do oceano

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1 A bio-óptica marinha na região costeira do Paraná: subsídios para o estudo da cor do oceano Byanka Damian Mizerkowski 1 Mauricio Almeida Noernberg 1 Bruno Martini Moreira 1 1 Centro de Estudos do Mar (CEM) Universidade Federal do Paraná (UFPR) Caixa Postal Pontal do Paraná - PR, Brasil byanka_dm@yahoo.com.br; m.noernberg@ufpr.br; brunofarnel@gmail.com.br Abstract The optical classification of Case 2 waters depends on an extensive assessment of the absorption coefficients of the three major optically active substances (OAS): colored dissolved organic matter (CDOM), non-algal particles (NAP) and phytoplankton ( ). This work aims to present the results of monitoring the absorption coefficients (a( )) of CDOM, NAP and of the subtropical waters of the Paranaguá Estuarine Complex (PEC) in Southern Brazil, together with specific spectral signatures of phytoplankton. Important information on the dynamics of the OAS s in the PEC area provided the optical classification of the estuarine and coastal waters. Higher a CDOM in lower salinity waters indicate the continental drainage as the main source of dissolved organic material, whereas I CDOM was estimated in 0,0179±0,0018 nm -1. The absorption spectra of the particulate material (NAP and ) showed no relationship with the concentrations of particulate matter, but an estimation of I NAP (0,0129±0,0012 nm -1 ) is proposed. Higher absorption coefficients of the phytoplankton occurred in regions of high concentration of microalgae. As observed by the absorption coefficients of cultivated diatoms, the spectral signature of the most abundant phytoplanktonic group of the region can be indicated by the chlorophyll-c at 630 nm. The spectral signature of different pigments can be used as algal classes proxies, such as the slope shape of the chlorophyll-a peak at 685 nm and peaks of chlorophyll-b to identify Chlorophyceae, and the highest absorption in the carotenoids band to indicate Cryptophyceae. Palavras-chave: optically active substances, southern Brazil, absortion coefficients, coastal waters, substâncias opticamente ativas, sul do Brasil, coeficientes de absorção, águas costeiras. 1. Introdução A linha de pesquisa da classificação óptica da cor do oceano evoluiu significantemente desde os trabalhos pioneiros da década de 80 (Bricaud et al., 1981; Prieur e Sathyendranath, 1981). O coeficiente de absorção espectral da luz na água (a )) é dividido em quatro substâncias opticamente ativas (SOA S) (Jerlov, 1976), representado pela seguinte equação: onde a w ( ) representa a água do mar pura e a ( ) a contribuição do fitoplâncton, enquanto a PNA ( ) está relacionado ao coeficiente de todas partículas não algais (PNA) e a CDOM ( ) à matéria orgânica dissolvida colorida (CDOM) ou substâncias amarelas. A assinatura espectral da água do mar pura já está bem estabelecida e incorporada nos cálculos dos coeficientes de absorção (Pope e Fry, 1997) para a classificação de imagens para a cor do oceano. Por outro lado, os coeficientes referentes ao fitoplâncton, às partículas não algais e ao CDOM apresentam grande variabilidade espaço-temporal, especialmente para águas do Caso 2 águas costeiras e internas. Nesses ambientes, a complexidade óptica dificulta os estudos da cor do oceano, uma vez que a propagação e a utilização da luz na coluna d água variam em diversas escalas e estão diretamente relacionadas às SOA s citadas anteriormente. Os esforços das principais agências espaciais do mundo têm sido direcionados para a melhoria da abrangência das imagens com maior resolução espacial, temporal e espectral. Para tanto, as recomendações do IOCCG (International Ocean-Color Coordinating Group) são direcionadas para a descrição óptica de águas do Caso 2, visando a regionalização dos algoritmos de classificação de imagens. 7795

2 Este trabalho tem como objetivo a descrição dos coeficientes de absorção das SOA s nas águas estuarinas e costeiras do Estado do Paraná. Dessa forma, tem como intuito fornecer subsídios para a definição de algoritmos regionais para a classificação bio-óptica das massas de água, direcionados para imagens de sensores orbitais multi e hiperespectrais (MODIS- Aqua e HICO-ISS) da cor do oceano. Essa região apresenta grande importância ecológica e econômica, pois abriga diversas unidades de proteção ambiental e um dos maiores portos da América do Sul. Para tanto, é necessário que sejam estudadas as variações horizontais e os padrões sazonais de distribuição da matéria orgânica dissolvida colorida (CDOM), das comunidades fitoplanctônicas e das partículas não algais em suspensão, que constituem o objeitvo geral do presente trabalho. Serão apresentados resultados preliminares do monitoramento das SOA s referidas na região do Complexo Estuarino de Paranaguá (CEP), com o intuito de apresentar o desenvolvimento dessa linha de pesquisa pelo Laboratório de Oceanografia Costeira e Geoprocessamento em parceria com o Laboratório de Microalgas, do Centro de Estudos do Mar, da Universidade Federal do Paraná. 2. Metodologia de Trabalho 2.1. Área de Estudo O CEP é um estuário de micro a mesomaré localizado na porção centro-norte do litoral do Paraná. O clima da região é caracterizado como úmido subtropical, com temperatura média anual acima de 22 C, e precipitação média anual acima de 3000 mm divididos entre dois períodos sazonais principais. A Figura 1 apresenta um mapa do CEP, destacando os principais rios que deságuam no sistema e as principais regiões estuarinas. Figura 1. Mapa do Complexo Estuarino de Paranaguá, apresentado os principais rios que compõem a bacia de drenagem (A a F) e as principais regiões (1 a 8). O CEP é formado por 2 embaiamentos principais, definidos de acordo com os limites das subregiões de drenagem continental, totalizando área de cerca de 550 km 2 (Marone et al, 2005; Noernberg et al., 2006). Na direção Leste-Oeste localizam-se contiguamente as baías de Antonina e Paranaguá, enquanto o eixo Norte-Sul é composto pela baía das Laranjeiras e por 5 menores enseadas (Itaqui, Medeiros, Benito, Guaraqueçaba e Pinheiros). O sistema estuarino é parcialmente misturado com pronunciadas heterogeneidades laterais decorrentes da descarga difusa de água doce por diversos canais e rios. A bacia de drenagem da região é complexa, com uma densidade que pode chegar a cerca de 2 rios/km 2 (Noernberg et al, 2006). Grande parte da descarga de água doce, que pode chegar a média anual de 200 m 3 /s, provém de 6 rios principais apresentados por ordem decrescente de vazão: Cachoeira, Nhundiaquara, Guaraguaçú, Faisqueira, Sagrado e Cacatu (Mizerkowski et al., 2012). O aporte de água doce 7796

3 proveniente dos rios segue o padrão sazonal da precipitação, com descarga média durante o período chuvoso (de outubro a março) até 2 vezes acima da média observada durante a estação mais seca (de abril a setembro) (Mizerkowski et al., 2012), enquanto o potencial erosivo dos rios chega a ser 8 vezes maior durante o inverno (Mantovanelli, 1999). A variação do aporte de água doce pelos rios afeta diretamente a hidrografia e a distribuição das propriedades de água no estuário (Marone et al, 2005; Mizerkowski et al., 2012). Dependendo da maré, do vento e da descarga dos rios, o estuário pode apresentar tanto condições de mistura ou estratificação vertical. Assim, os processos biogeoquímicos são fortemente influenciados por fatores meteorológicos e hidrológicos (Marone et al., 2005; Mizerkowski et al., 2012) Amostragens, experimentos e metodologias de análise As amostragens na região do CEP e mar adjacente para a determinação dos coeficientes de absorção das SOA s (CDOM, fitoplâncton e partículas não algais) tiveram início em agosto de Foram efetuadas campanhas em localidades e ocasiões variadas, totalizando cerca de 100 amostras de água coletadas e analisadas para a determinação dos coeficientes de absorção do CDOM, fitoplâncton e das partículas não algais (PNA), por meio da metodologia de Mitchell et al., 2002, e da concentração de material particulado em suspensão (Strickland e Parsons, 1972). Foram feitas medições in situ de perfis verticais de salinidade e temperatura com o auxílio de um CTD multi-sensores (Alec ASTD-687). Além disso, foram determinados os coeficientes de absorção específicos de espécies de fitoplâncton, cultivadas isoladamente a partir de amostras de água da Baía de Paranaguá (C. wailesii, R. lens, P. minimum, T. suecica, e Pleurosigma). Desses experimentos, foram retiradas amostras para a determinação dos coeficientes de absorção, concentração de clorofilas (Strickland e Parsons, 1972; Lorenzen, 1997) e densidade celular (Utermöhl, 1958). 3. Resultados e Discussão Os dados ambientais referentes aos coeficientes de absorção das três SOA s CDOM, PNA e fitoplâncton na região do CEP são apresentados, juntamente com as informações dos coeficientes de absorção específicos do fitoplâncton. As amostras analisadas cobriram um range de salinidade entre 18 e 33, e situações diferenciadas de fases de maré, precipitação e variações sazonais na produtividade fitoplanctônica. Como observado para outras regiões, os espectros de absorção do CDOM (a CDOM ( )) seguem uma função exponencial (Figura 1a) na faixa entre 250 e 800 nm. Podem ser representados por uma regressão logarítmica, descritas pela inclinação exponencial (I CDOM ) das curvas dos coeficientes de absorção em função dos comprimentos de onda. A distribuição de I CDOM foi muito próxima da normal, como mostrado pelo histograma de frequência na Figura 1b, e mais de 90% dos valores estão concentrados entre 0,016 e 0,020 nm -1. Em média, I CDOM pode ser estimado em 0,0179±0,0018 nm -1 para a região do CEP. Diferentes padrões de distribuição dos coeficientes de absorção do CDOM foram observados entre as amostras analisadas, especialmente nos comprimentos de onda abaixo de 500 nm. Utilizando o comprimento de onda referência 443 nm ( r =443), a absorção do CDOM na região do CEP pode ser expressa pela função exponencial apresentada na Figura 3a, que apresenta também o intervalo de confiança (I CDOM ±SD) para a função. É possível observar que grande parte dos dados ambientais ajusta-se à equação logarítmica apresentada, mas a confiança da função precisa ser melhorada com o aumento do número de amostras. A relação inversa entre a salinidade e a CDOM (443) é mostrada na Figura 3b, indicando que as águas de menor salinidade possuem maior conteúdo orgânico dissolvido e que a drenagem continental parece ser a maior fonte desse material para o sistema, conforme (Coble, et al., 2003). 7797

4 (a) (b) Figura 2. (a) Espectros de a CDOM ( ) de 86 amostras de água analisadas da região do CEP (normalizado a 660 nm); (b) histograma de frequência (regressão logarítmica entre 300 e 600 nm) dos valores de I CDOM das amostras analisadas. (a) (b) Figura 3. (a) Equação para a determinação do espectros de a CDOM ( ): a linha preta representa o espectro de absorção médio calculado (I CDOM = 0,0179), as linhas pretas pontilhadas mostram o intervalo de confiança (I CDOM ±1,96 SD, SD= 0,0018) e as linhas cinzas apresentam as amostras analisadas da região do CEP; (b) diagrama de dispersão da salinidade e de a CDOM (443) com linha de tendência em vermelho. O material particulado é um dos principais componentes contribuindo para a cor do oceano em regiões de alta turbidez e produtividade, como as águas de Caso 2 da região do CEP. O espectro de absorção do material particulado é sub-dividido entre a contribuição das partículas não algais (PNA) e do fitoplâncton ( ). A contribuição das PNA normalmente excede aquela observada para o fitoplâncton nos comprimentos de onda abaixo de 443 nm, apresentando uma distribuição logarítmica (Figura 4a) similar ao observado para a CDOM ( ). O histograma de frequência de I PNA (Figura 4b) ajusta-se mais à distribuição normal, com valor médio de 0,0129±0,0012 nm -1. A Figura 5 apresenta a função logarítmica para a determinação do espectro de absorção das partículas não algais e o ajuste dos dados ambientais ao intervalo de confiança (I PNA ±SD). O intervalo de confiança da função logarítmica dos espectros de absorção das PNA não englobou a maioria dos dados ambientais coletados, indicando a necessidade de um refinamento nos métodos analíticos e de aumentar o banco de dados. Entretanto, os padrões descritos mantêm-se próximos aos descritos para outras regiões de águas Caso 2, mesmo que nenhuma correlação consistente com a salinidade e com as concentrações de material particulado em suspensão tenha sido evidenciada. 7798

5 (a) (b) Figura 4. (a) Espectro de absorção de a PNA ( ) de 71 amostras de água analisadas da região do CEP (normalizado a nm); (b) histograma de frequência (regressão logarítmica entre 365 e 750 nm) dos valores de I PNA das amostras analisadas. Figura 5. Equação para a determinação do espectros de a PNA ( ): a linha preta representa o espectro de absorção médio calculado (I PNA = 0,0129), as linhas pretas pontilhadas mostram o intervalo de confiança (I PNA ±1,96 SD, SD= 0,0012) e as linhas cinzas apresentam as amostras analisadas da região do CEP. As assinaturas espectrais do fitoplâncton (Figura 6a) não seguem a distribuição logarítmica, como observado para os coeficientes de absorção do CDOM e das PNA. Picos pronunciados são observados nas bandas de absorção preferencial pelos pigmentos fotossintetizantes, principalmente nos máximos de absorção da clorofila-a (443 e 675 nm). Devido aos diversos processos hidrodinâmicos e à maior complexidade nas condições do ambiente óptico, a relação entre a clorofila e os coeficientes de absorção do fitoplâncton pode apresentar diferentes tendências. O desenvolvimento da comunidade fitoplanctônica no CEP é relacionado a uma conjunção de fatores ideais de crescimento, relacionados ao gradiente salino, à disponibilidade de luz e a hidrodinâmica local. Os setores medianos do estuário, como a região do Porto de Paranaguá, apresentam a melhor combinação desses parâmetros como indicado pelas concentrações máximas de clorofila-a (Mizerkowski et al., 2012). Em regiões mais produtivas, onde nutrientes são abundantes ao longo do perfil vertical, a comunidade fitoplanctônica tende a ser dominada por células grandes (diatomáceas, dinoflagelados, etc). Na região do CEP, as diatomáceas dominam a assembleia algal (Brandini e Fernandes, 1996; Fernandes e Brandini, 2004), tal como a espécie exótica C. Wailesii que constituiu florescimentos persistentes observados entre a primavera e o verão de Em um evento de florescência envolvendo essa espécie, registrado entre outubro e dezembro de 2011, foi observada grande produção de mucilagem que pode ser relacionada com o aumento da transparência da água, mesmo com maiores concentrações de material particulado em suspensão. A produção de mucilagem pela C. Wailesii é considerada uma estratégia para melhorar a estabilidade das comunidades em ambientes de grande hidrodinâmica. Esse 7799

6 material apresenta características coloidais que favorecem a agregação de partículas, melhorando a penetração da luz na coluna d água. As espécies fitoplanctônicas de maior tamanho não possuem grandes concentrações de pigmentos acessórios quando comparadas ao picoplâncton e apresentam forte efeito de empacotamento devido ao tamanho celular. Dessa forma, os coeficientes de absorção do fitoplâncton (a ( )) são geralmente baixos em tais regiões (Bricaud et al., 1995). Nessas condições, não foram observadas relações claras de a ( ) com a salinidade ou com a concentração de material particulado em suspensão, tal qual observado para a PNA ( ). Além disso, altos coeficientes de absorção do fitoplâncton entre 400 e 410 nm observados em 30 de setembro de 2011 e em 4 de abril de 2012 sugerem uma contribuição significante dos feopigmentos, como observado para águas do Caso 2 (Roesler et al., 1989; Babin et al., 2003). Os experimentos com cultivos das espécies isoladas (Figura 6b) mostram algumas feições observadas nos espectros de absorção do fitoplâncton de amostras in situ. Além dos picos pronunciados nas duas regiões da clorofila-a (443 e 675 nm), maiores coeficientes de absorção na região da clorofila-c (em torno de 630) podem ser relacionados com uma dominância de diatomáceas (Coscinodiscus e Pleurosigma) e criptofíceas (Rhodomonas). As criptofíceas também podem ser reconhecidas pela presença da assinatura espectral dos carotenoides, na banda entre 490 e 495 nm. A dominância de espécies de clorofíceas (Tetraselmis) pode ser reconhecida por uma inclinação do pico de clorofila-a de 675 nm em direção a 685nm, como também por picos relacionados a presença de clorofila-b em torno de 490 e 650 nm. (a) (b) Figura 6. (a) Espectros de a ( ) de amostras de água analisadas da região do CEP (normalizado a nm) entre Setembro de 2011 e Maio de 2012; (b) coeficientes de absorção específico das microalgas fitoplanctônicas estudadas com a indicação das faixas de absorção de pigmentos fotossintéticos. Os diagramas ternários têm sido utilizados para a classificação óptica das águas marinhas desde 1981 (Prier and Sathyendranath, 1981). Os três componentes variáveis da equação da cor do oceano (PNA, Fitoplâncton, CDOM) são dispostos em três eixos compondo um triângulo de classificação. A proporção relativa (dentre uma escala de 0-1) do componente x para cada amostra é calculado como x(x+y+z) -1. Os coeficientes de absorção de PNA, e CDOM para cada amostra em determinado comprimento de onda são transformados de forma que (a PNA ( r )+ a ( r )+ a CDOM ( r )) seja igual a 1. Os comprimentos de onda de referência utilizados (380, 412, 443, 490, 510, 560, 620, 675 e 709 nm) são relacionados a um gradiente de máxima absorção que tem início com o CDOM em 380 nm, seguido pela clorofila-a de 443 até 675 nm e, finalizando com a banda de turbidez em torno de 709 nm. A Figura 7 apresenta os diagramas ternários para os comprimentos de onda de referência para um total de 71 amostras analisadas das baías de Paranaguá e das Laranjeiras, das enseadas do Medeiros e Itaqui, também como da região de desembocadura do CEP. Os diagramas mostram uma dominância das particulas não algais para o coeficiente de absorção do CEP. A variação nesse 7800

7 padrão deve-se ao efeito combinado das substâncias amarelas (CDOM) dominantes na faixa do ultravioleta (380 nm) e do fitoplâncton nos comprimentos de onda referentes à absorção da clorofila-a (443 e 665 nm). Pode-se inferir que o material particulado em suspensão é determinante para a cor da água na região da baía de Paranaguá, tal como águas do Caso 2. Essa indicação corrobora as condições de relativamente alta turbidez observadas nas águas da baía e características de sua pluma de sedimentos em suspensão na região marinha adjacente. Figura 7. Diagramas ternários compostos pelo coeficiente de absorção da matéria orgânica dissolvida colorida (CDOM), partículas não algais (PNA) e do fitoplâncton ( ) para os comprimentos de onda 380 nm, 412 nm, 443 nm, 490 nm, 510 nm, 560 nm, 620 nm, 675 nm e 709 nm de amostras coletadas entre 2011 e 2012 na região do Complexo Estuarino de Paranaguá. 4. Conclusões O presente trabalho traz informações importantes sobre a dinâmica das SOA s na região do CEP. A origem do material orgânico dissolvido colorido foi atribuída à drenagem continental por ser correlacionado com a salinidade. Por outro lado, o comportamento dos coeficientes espectrais do material particulado (PNA e ) não apresentaram grande relação com as concentrações de material particulado devido a complexidade do ambiente óptico relacionado à essas variáveis no ambiente costeiro. A caracterização da comunidade fitoplanctônica mostrou que maiores coeficientes de absorção ocorreram em regiões de maior concentração de microalgas. A assinatura espectral do grupo fitoplanctônico mais abundante pode ser observado na faixa em torno de 630 nm, pois os experimentos dos coeficientes específicos do fitoplâncton da região também apresentam tais feições relacionadas à clorofilac e diatomáceas. Além disso, a assinatura espectral de diferentes pigmentos podem ser relacionados como marcadores de classes algais, como o desenho do pico de clorofila-a em 685 nm e clorofila-b para clorofíceas, e maiores coeficientes na banda dos carotenoides para criptofíceas. Agradecimentos Os autores agradecem ao apoio financeiro fornecido pela Coordenadoria de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) por meio do Edital Ciências do Mar 09/2009, à Prof. Dra. Eunice da Costa Machado e ao Prof. Dr. Luis Laureno Mafra Jr pelo apoio laboratorial. Referências Bibliográficas Babin, M.; Stramski, D.; Ferrari, G. M.; Claustre, H.; Bricaud, A.; Obolensky, G.; Hoepffner, N. Variantions in the light absorption coefficients of phytoplankton, nonalgal particles, and dissolved organic matter in coastal waters around Europe. Journal of Geophysical Research, v. 108, n. C7, 3211, p. 4,1-4,20,

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