AULA TEÓRICO-PRÁTICA

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1 AULA TEÓRICO-PRÁTICA 1 - ABSORÇÃO DE NUTRIENTES POR VEGETAÇÃO DO SAPAL 2 - INFLUÊNCIA DA SALINIDADE NAS TAXAS DE FILTRAÇÃO, RESPIRAÇÃO E EXCREÇÃO DO BIVALVE Corbicula fluminea Luis Chícharo, 2007

2 ESTRUTURA APRESENTAÇÃO DAS EXPERIÊNCIAS 1 - ENQUADRAMENTO 2 - OBJECTIVO DA AULA 3 - APLICAÇÃO PRÁTICA 4 - BASE TEÓRICA 5 - EXEMPLOS 6 - DESENHO EXPERIMENTAL 7 - ANÁLISE DOS RESULTADOS 8 - ELABORAÇÃO DO RELATÓRIO

3 ABSORÇÃO DE NUTRIENTES POR VEGETAÇÃO DO SAPAL

4 ENQUADRAMENTO A vegetação nas zonas de transição entre o sistema terrestre e aquático desempenham um papel importante no controlo da entrada de materiais nos sistemas aquáticos, nomeadamente nutrientes que, se em excesso, podem promover blooms de algas, degradação da qualidade da água e eutrofização. Alterações nas margens dos rios e ribeiras causadas por práticas agrícolas, ou diminuição das zonas de sapal como consequência da urbanização excessiva ou de alterações na hidrodinâmica dos sistemas (p.ex. provocadas por barragens) podem reduzir a densidade e ameaçar a presença desta vegetação. A reconstrução de ecotonos, como zonas de sapal, é uma medida de gestão ambiental com potencialidade de ser usada sempre que se pretender reduzir a entrada de contaminantes nos sistemas aquáticos e desse modo controlar a qualidade da água.

5 COMO FUNCIONA A FITOREMEDIAÇÃO? Plant roots take contaminants from the ground into the "body" of the plant. The plant root zone is referred to as the rhizosphere, this is where the action occurs. This soil supports large populations of diverse microorganisms. This is due to chemicals exuded by plant roots which provide carbon and energy for microbial growth. This combination of plants and microorganisms appears to increase the biodegradation of compounds.

6 OBJECTIVO DA AULA: ANALISAR O POTENCIAL DA VEGETAÇÃO DO SAPAL PARA A REMOÇÃO DE CONCENTRAÇÕES EXCESSIVAS DE CONTAMINANTES APLICAÇÃO PRÁTICA: REMOÇÃO DE CONCENTRAÇÕES ELEVADAS DE CONTAMINANTES DOS CORPOS DE ÁGUA OU ZONAS LIMITROFES PARA GESTÃO DA QUALIDADE DA ÁGUA (REDUÇÃO DOS RISCOS DE EUTROFIZAÇÃO E DE BLOOMS DE ALGAS TÓXICAS)

7 BASE TEÓRICA: Phytoremediation is the use of living green plants for in situ risk reduction and/or removal of contaminants from contaminated soil, water, sediments, and air.

8 BASE TEÓRICA: PROCESSOS

9 PHYTOREMEDIATION OF SOIL AND ORGANIC COMPOUNDS Phytoremediation can be a low cost, effective alternative to the conventional methods of soil remediation. Phytoremediation is a process by which plants decrease the mass of a contaminant through a variety of chemical, physical, and biological means. Phytoremediation can remove metals from water.

10 EXEMPLOS CONTROL EUTROPHICATION BY ENHANCING ABSORBING CAPACITY OF FLOODPLAIN FOR NUTRIENTS (P) TRAPPING: Pilica River (POLAND) m water inflow WATER INFLOW TOTAL PHOSPHORUS ACCUMULATION IN FLOODPLAIN BIOMASS INITIAL 29% 18% 1% 52% 164 kg P I WP II WP W 2 ENHANCED 4% 6% 2% 350 kg P III WP 88% Meadow species Carex gracilis et vesicaria Phragmites australi Salix sp. International Centre for Ecology Polish Academy of Sciences, Warsaw

11 APPLICATION OF PLANTS TO REDUCE P TRANSPORTATION TO FRESHWATER 2,00 1,50 Salix alba L. 2,00 1,50 Salix purpurea L. 1,52 2,00 1,50 1,77 Salix triandra L. P [%] 1,00 0,50 0,97 0,56 0,48 P [%] 1,00 0,50 0,74 0,84 P [%] 1,00 0,50 0,99 0,87 0,00 spring summer fall 0,00 spring summer fall Amount of phosphorus removed with 100 kg of Salix purpurea 0,00 spring summer fall leaves branches roots Age of willow 15 years 7 years 1 year 25.7 g 43.3 g g (Zalewski, Zielinska, 2000)

12 CONTROL OF HYDROCARBONS POLLUTION BY VEGETATION (Heglig, SUDAN) Billingham Industrial complex: A view from the air

13 CONTROL OF HYDROCARBONS POLLUTION BY VEGETATION (Heglig, SUDAN) The optimization applied is the use of plants to mitigate pollutants in produced water through its root system - Creation of an artificial wetland Reed Root System (Phragmites australis) Wetland plants, such as reeds, transfer atmospheric oxygen down through their roots in order to survive in water logged conditions. phytostimulation N 2 Nitrogen CO 2 H 2 O Carbon dioxide Water NO 3 Nitrates NH 4 Ammonia (CH 2 O) n Carbohydrates This creates soil conditions, which allowing microbial species to flourish. 0 2 Oxygen The bacteria and fungi use organic pollutants as a food source, breaking down the organic chemical products into harmless basic components. Gaseous Pathways

14 CONTROL OF HYDROCARBONS POLLUTION BY VEGETATION (Heglig, SUDAN) Heglig Inlet Heglig post Construction Prior to Development

15 18 Months Growth at Heglig JULY 03 May 04 October 03 January 05

16 CONTROL OF HYDROCARBONS POLLUTION BY VEGETATION (Heglig, SUDAN) Fully Matured

17 VANTAGENS E DESVANTAGENS DA FITOREMEDIAÇÃO ADVANTAGES: Phytoremediation is cost effective It is suited to remediation of large areas of soil It is environmentally friendly Phytoremediation sites are more aesthetically pleasing Phytoremediation sites require low maintenance It involves no noisy and expensive equipment DISADVANTAGES Not as effective for sites with high contaminant concentrations Phytoremediation is slower than conventional methods It does not work through the winter (Seasonally effective)

18 DESENHO EXPERIMENTAL: OBJECTIVO: ANALISAR O POTENCIAL DE USAR VEGETAÇÃO DE SAPAL NA REMOÇÃO DE CONCENTRAÇÕES EXCESSIVAS DE CONTAMINANTES ORGÂNICOS FOSFATOS NITRATOS FOSFATOS NITRATOS SpFToA SpFToB SpNToA SpNToB SaFToA SpNToA SpFT1A SpFT1B SpNT1A SpNT1B SaFT1A SpNT1A SpFT2A SpFT2B SpNT2A SpNT2B SaFT2A SpNT2A BRANCO BRANCO BRANCO BRANCO BRANCO BRANCO Turma 1+Turma 2 Turma 3+Turma 4 Turma 5 Turma 1+ Turma 2 (terças) Turma 3 + Turma 4 (quintas) Turma 5 (sexta) Inicio/dia 1 dia 2 dia 3 dia 4 dia 5 x x x (11/4) (12/4) (13/4) x x x (12/4) (13/4) x x x (13/4) (17/4) (15/4) (16/4)

19 PROCEDIMENTOS PRÁTICOS: 1 lavar a vegetação e remover sedimento 2 pesar cada conjunto e apontar valores 3 colocar num copo cada conjunto separadamente e colocar etiqueta 4 preparar solução com concentrações de fosfatos e nitratos 5 medir as concentrações no fotómetro (seguir cuidadosamente as indicações relativas à quantidade e tipo de reagentes a utilizar). Estas medições constituem os valores T0. 6 anotar os valores medidos 7 colocar os frascos com a vegetação junto à janela para permitir o fotoperíodo normal. 8 efectuar medições da concentração de fosfatos e nitratos nos copos com vegetação e brancos nos intervalos de tempo determinados

20 ABSORÇÃO DE FÓSFORO E AZOTO POR VEGETAÇÃO DE SAPAL SPARTINA SALICORNIA PREPARAÇÃO DAS AMOSTRAS DE VEGETAÇÃO: LAVAGEM DOS SEDIMENTOS PESAGEM DAS AMOSTRAS DE VEGETAÇÃO PREPARAÇÃO DA CONCENTRAÇÃO INICIAL DE NUTRIENTES (P+N)

21 ABSORÇÃO DE FÓSFORO E AZOTO POR VEGETAÇÃO DE SAPAL MEDIÇÃO DAS CONCENTRAÇÕES INICIAIS DE NUTRIENTES (P + N) MANTER COPOS COM VEGETAÇÃO EXPOSTOS AO FOTOPERÍODO NORMAL MEDIR CONCENTRAÇÕES DE NUTRIENTES NOS INTERVALOS DE TEMPO ESTABELECIDOS COLOCAÇÃO DE 200 ml DE SOLUÇÃO COM NUTRIENTES NOS COPOS RESPECTIVOS E USAR NOMENCLATURA ADEQUADA

22 TAXA ABSORÇÃO mg P ou N/d/g vegetação (Cf-Ci)*V/pv/d Cf concentração final Ci concentração inicial Vol. Copo (l) d - dias experiência Pv - peso vegetação (gramas) FOSFATOS Turma nº Data Hora Peso (g) conc. exp. conc. controlo T0 T1 T2

23 ANÁLISE DOS RESULTADOS: JUNCUS SPARTINA Figura 1 Evolução das concentrações médias de Fosfatos nos copos com Spartina e com Juncus, por mg de peso húmido da vegetação, em três tempos: inicial (T0) e ao fim de 72 h e de 96 h PO4 T0 PO4 T72H PO4 T96H 2.50E E E E E-05 JUNCUS Figura 2 Taxas médias de absorção de Fosfatos por hora e por mg de peso húmido da vegetação(spartina e Juncus), após 72h e 96 h do início da experiência 0.00E E E E E-04 PO4 T72H PO4 T96H SPARTINA

24 ELABORAÇÃO DO RELATÓRIO: O relatório sobre um tema/experiência tratado nas aulas práticas, à escolha dos estudantes, deve ter um máximo de 10 páginas (Times New Roman, 12, a espaço 1,5), incluindo figuras e tabelas. O relatório deve ser estruturado considerando as secções de um artigo científico (Título, Autores, Resumo, Introdução, Material e Métodos, Resultados, Discussão, Referências).

25 INFLUÊNCIA DA SALINIDADE NAS TAXAS DE FILTRAÇÃO, RESPIRAÇÃO E EXCREÇÃO DO BIVALVE Corbicula fluminea

26 ESTRUTURA DA AULA 1 - ENQUADRAMENTO 2 - OBJECTIVO DA AULA 3 - APLICAÇÃO PRÁTICA 4 - BASE TEÓRICA 5 - EXEMPLOS 6 - DESENHO EXPERIMENTAL 7 - ANÁLISE DOS RESULTADOS 8 - ELABORAÇÃO DO RELATÓRIO

27 ENQUADRAMENTO variable in their external morphology is found both in lotic and lentic habitats small bivalves - high densities relatively high growth rate Life span varies with habitat, max. 7 years Corbicula fluminea (Muller, 1774) tolerate salinities up to 13 for short periods Características da espécie :

28 Qual a resposta fisiológica do bivalve em diferentes condições de salinidade? ENQUADRAMENTO Corbicula fluminea ESPÉCIE INTRODUZIDA Unio spp. ESPÉCIE AUTÓCTONE Diminuição do caudal Salinização do alto estuário Colonização do alto estuário Competição com espécie autóctone

29 OBJECTIVOS 1 - Previsão da área de distribuição da espécie face ao factor ambiental salinidade? 2 Discutir o efeito da presença do bivalve (densidade) na disponibilidade de alimento para outras espécies planctívoras? 3 - Discutir o efeito da presença do bivalve (densidade) na qualidade da água: conc. O2 e presença de NH4?

30 APLICAÇÃO PRÁTICA Model simulations: biota controls hydrology LL Risk of algal bloom NO3 Phytoplankton C. fluminea m.c NH4 LL: Light Limitation, m.c: : Corbicula mortality. Model based on azote exchange between variables Phytoplankton limited by azote supply Unit box model (0-D) Day/Night phytoplankton limitation Corbicula mortality to balance growth Constant biomass. Efficiency = 0.3 Efficiency = 0.5 Efficiency = 0.7 Efficiency = 0.9 Filtration rates based on 18mm length specimens Top-down control

31 BASE TEÓRICA If freshwater mussels form a large component of the benthic biomass of rivers (Mann, 1964), they may be expected to play an important role in river functioning through their filtering. Invasive freshwater bivalves, such as D. polymorpha and C. fluminea, have had large impacts on river ecosystems (Phelps, 1994; Caraco et al., 1997). Quantifying the effect of freshwater mussels is important, because mussels are routinely (but accidentally) removed during river dredging and weed-cutting operations (McIvor, 1999; Aldridge, 2000), and are often negatively affected by other forms of river management, such as the building of dams (Williams et al., 1993). If mussels are found to play important roles in water purification and river function, it will encourage managers to use mussel-friendly approaches to river management. This will benefit both the mussels themselves, many of which are considered a conservation priority (Willing, 1997; Neves, 1999), and will also help maintain healthy river function. In order to assess the magnitude of mussel filtration in natural waterbodies, it is first necessary to measure the filtration rates of individual mussels. These can then be summed over populations to estimate the population filtration rate of mussels in their natural environment. The filtration rate of a mussel is defined as the volume of water which passes through the mussel s gills per unit time.

32 EXEMPLOS Comparison of bivalves filtration rates µg Taxa Chl.a de Ingestão /h/mg 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0 Corbicula Corbicula fluminea Tempo Time (hours) Bivalve 1 Bivalve 2 Bivalve 3 Bivalve 4 Unio Unio sp. µg Chl.a /h/mg Taxa de ingestão 0,012 0,01 0,008 0,006 0,004 0, , Tempo Time (hours) Bivalve 1 Bivalve 2 Bivalve 3 Bivalve 4

33 DESENHO EXPERIMENTAL EXP. FILTRAÇÃO EXP. RESPIRAÇÃO EXP. EXCRECÇÃO

34 DESENHO EXPERIMENTAL TX. FILTRAÇÃO TX. RESPIRAÇÃO TX. EXCREÇÃO CONSUMO FITOPLÂNCTON (CLOROFILA a) CONSUMO OXIGÉNIO EXCREÇÃO AMÓNIA FLUORÍMETRO OXÍMETRO FOTÓMETRO S1=0.2 S2=4.2 S3=10 S1=0.2 S2=4.2 S3=10 S1=0.2 S2=4.2 S3=10 S1F1 S2F1 S3F1 S1R1 S2R1 S3R1 S1E1 S2E1 S3E1 S1F2 S2F2 S3F2 S1R2 S2R2 S3R2 S1E2 S2E2 S3E2 S1F3 S2F3 S3F3 S1RC S2RC S3RC S1E3 S2E3 S3E3 S1CT S2CT S3CT S1EC S2EC S3ECT

35 TAXA FILTRAÇÃO Ci ÁGUA FILTRADA 200µm FILTRAÇÃO/ INGESTÃO Cf SEDIMENTAÇÃO Taxa de Filtração (TF)/Tx de ingestão (TI) (l/h/g) mgchl/h/g TF = fluxo x ((Ci chl - Cf clo)/ Cf chl))/peso seco ind. TI = fluxo x(ci chl - Cf chl)/peso seco ind. Ci chl and Cf chl= concentração de clorofila a à entrada e à saída dos recipientes

36 TAXA RESPIRAÇÃO OXÍMETRO OXÍMETRO ÁGUA FILTRADA 55µm O2 t0 t1 O2 tn Taxa de Respiração (mgo2/g/h) TR = [V/(PS x t)] x [(Ci - Cf) - (Cic - Cfc)], V= volume do recipiente (L) PS = peso seco bivalve (g) t =intervalo tempo (h), Ci and Cf = concentração de oxigénio inicial e final Cic and Cfc = concentração de oxigénio inicial e final no controlo

37 TAXA EXCREÇÃO ÁGUA FILTRADA 55µm NH4 t0 t1 NH4 Taxa de Excreção (mgnh4/g/h) TE = [V/ (PS x t)] x [(Cf - Ci) - (Cfc- Cic)], V= volume do recipiente (L) PS = peso seco bivalve (g) t =intervalo tempo (h), Cf e Ci = concentração de amónia final e inicial Cfc e Cic = concentração de amónia final e inicial e final no controlo

38 Espécie: Data: Temperatura da água: Salinidade: ºC FOLHA DADOS Conc. clorofila (TAXA INGESTÃO) Conc. Amónia (TAXA EXCRECÇÃO) Conc. O2 (TAXA RESPIRAÇÃO) #1 #2 #3 controlo #1 #2 controlo #1 #2 #3 controlo T h 15.30h 15.30h T h 16.30h 16.30h T h 17.30h 17.30h T h 18.30h 18.30h T h 19.30h 19.30h T h h h T h h h T h h h T h h h T h h h T h h h T H H H T h h h T h h h

39 FOLHA DADOS Taxa de Respiração CS1R 1S1R 2S1R CS2R 1S2R 2S2R CS3R 1S3R 2S3R Comp. (mm) PH (g) Nº tara Tara (g) Tara + PS (g) PS(g) Nº do recipiente Volume (L) T0 (h) Ci O2 (mg/l) T1 (h) Cf1 O2 (mg/l) T2 (h) Taxa de Excreção Comp. (mm) PH (g) Nº tara Tara (g) Tara + PS (g) PS(g) Nº do recipiente Volume (L) T0 (h) Ci NH4 (umol/t1 (h) Cf NH4 (umol/l) CS1E 0,25 1S1E 0,25 2S1E 0,25 3S1E 0,25 CS2E 0,25 1S2E 0,25 2S2E 0,25 3S2E CS3E 0,25 0,25 1S3E 0,25 2S3E 0,25 3S3E 0,25

40 PROCEDIMENTOS PRÁTICOS Taxa Ingestão circuito aberto - Colocar cada grupo de bivalves em recipientes contendo 200 ml água do habitat natural da espécie; -Um recipiente controlo sem bivalves será utilizado para corrigir a taxa de sedimentação; - Medir a concentração de clorofila a in vivo inicial e após cada 30 min. durante uma hora. Para tal, retirar 5 ml de água com pipeta volumétrica, colocar numa cuvette de vidro para leitura. -De forma a calibrar a concentração de clorofila a in vivo, retirar amostras de água do branco inicial e filtrar através de filtros fibra de vidro Whatman GF-F, colocar em tubos de polipropileno e conservar a 80ºC, no escuro até procedimento de clorofila extractiva pelo método de Lorenzen (1967) - Medir e pesar os bivalves (peso húmido), depois calcular peso seco (100ºC, 24h) e peso seco livre cinzas (450ºC, 3 h)

41 PROCEDIMENTOS PRÁTICOS Taxa de excreção (TE): - Colocar os bivalves em erlenmeyers contendo 200 ml de água previamente saturada em oxigénio e filtrada por filtros Millipore (0,2 µm); - Colocar dois erlenmeyers adicionais (controlo) sem bivalves para detectar variações da concentração de amónia. - Após 45 min, retirar 10 ml de água de cada um dos erlenmeyers e determinar a concentração de amónia

42 PROCEDIMENTOS PRÁTICOS Taxa de respiração -Os bivalves serão transferidos para recipientes acrílicos fechados de volume conhecido (~780ml); - A concentração de oxigénio será medida em intervalos de tempo regulares com uma sonda de oxigénio durante aproximadamente 1 hora, antes que a concentração diminua abaixo dos 30% do valor inicial de controlo; - Um recipiente control sem bivalves será utilizado para corrigir respiração bacteriana, electrodos,etc.

43 ANÁLISE DOS RESULTADOS Tx Filtração (L/h/gPS) 0,0180 0,0160 0,0140 0,0120 0,0100 0,0080 0,0060 0,0040 0,0020 0,0000 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 tempo S1 S2 S3 Tx Ingestão (ug Cla/h/gPS) 0,0030 0,0025 0,0020 0,0015 0,0010 0,0005 0,0000 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 tempo S1 S2 S3 Resultados experiência fisiologia bivalves Resposta fisiológica de Corbicula fluminea em diferentes salinidades

44 ANÁLISE DOS RESULTADOS Tx Excreçao NH4Cl 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0 T1 T2 T3 T4 Turmas s1 s2 s3 Tx respiração (mg O2.L/h/gPS) 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 t1 t2 t3 t4 t5 Tempo Resultados experiência fisiologia bivalves Resposta fisiológica de Corbicula fluminea em diferentes salinidades s1 s2 s3

45 ELABORAÇÃO DO RELATÓRIO: O relatório sobre um tema/experiência tratado nas aulas práticas, à escolha dos estudantes, deve ter um máximo de 10 páginas (Times New Roman, 12, a espaço 1,5), incluindo figuras e tabelas. O relatório deve ser estruturado considerando as secções de um artigo científico (Título, Autores, Resumo, Introdução, Material e Métodos, Resultados, Discussão, Referências).

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