Importancia do Oxigenio dissolvido em ambiente aquatico

Importancia do Oxigenio dissolvido em ambiente aquatico

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10 QUÍMICA NOVA NA ESCOLAN° 2, NOVEMBRO 2005

A seção “Química e sociedade” apresenta artigos que focalizam diferentes inter-relações entre Ciência e sociedade, procurando analisar o potencial e as limitações da Ciência na tentativa de compreender e solucionar problemas sociais. Neste número a seção apresenta dois artigos.

Recebido em 29/4/04, aceito em 9/5/05

Oxigênio dissolvido em sistemas aquáticos

Todas as formas de vida existentes na Terra dependem da água. Apesar da maior parte da superfície do nosso planeta ser recoberta por água, 97,3% da água do mundo é água salgada, inadequada para beber e para a maioria dos usos agrícolas. Os lagos e rios são as principais fontes de água potável; porém, constituem menos de 0,01% do suprimento total de água (Baird, 2002; Azevedo, 1999). Adicionando aos rios e lagos a água subterrânea a menos de 800 m da superfície, a água doce facilmente disponível representa apenas 0,3% do volume total na Terra.

Diante da disponibilidade restrita de águas naturais para consumo humano e da sua crescente poluição, é importante entender os processos químicos que nelas ocorrem e como o uso do conhecimento químico pode ser empregado na avaliação da qualidade da água. Pretende-se neste artigo, portanto, fornecer alguns subsídios teóricos ao professor de Química do Ensino Médio para a abordagem do tema “água” numa perspectiva ambiental, proposta esta já discutida nesta revista (Silva, 2003).

Pode-se considerar a química das águas naturais dividida em duas categorias de reações mais comuns: as reações ácido-base e as de oxidaçãoredução (redox). Os fenômenos ácido-base e de solubilidade controlam o pH e as concentrações de íons inorgânicos dissolvidos na água, como o carbonato e o hidrogenocarbonato, enquanto o teor de matéria orgânica e o estado de oxidação de elementos como nitrogênio, enxofre e ferro, entre outros presentes na água, são dependentes da presença de oxigênio e das reações redox.

Oxigênio dissolvido: propriedades e solubilidade

O agente oxidante mais importante em águas naturais é o oxigênio molecular dissolvido, O2 (Baird, 2002). Em uma reação envolvendo transfe- rência de elétrons, cada um dos átomos da molécula é reduzido do estado de oxidação zero até o estado de

As semi-reações de redução do O2 em solução ácida e neutra são, res- pectivamente:

A concentração de oxigênio dissolvido (OD) em um corpo d’água1 qualquer é controlada por vários fatores, sendo um deles a solubilidade do oxigênio em água.

A solubilidade do OD na água, como para outras moléculas de gases apolares com interação intermolecular fraca com água, é pequena devido à característica polar da molécula de água (Tabela 1). A presença do O2 na água se deve, em parte, à sua disso- lução do ar atmosférico para a água:

O2(g)O2(aq)(3)

cuja constante de equilíbrio apropriada é a constante da Lei de Henry2,

KH. Outra fonte importante de oxigênio para água é a fotossíntese.

Para o processo de dissolução do

O2, KH é definida como:

Antonio Rogério Fiorucci e Edemar Benedetti Filho

Nos ecossistemas aquáticos, as reações de oxidação e redução exercem papel primordial na manutenção da vida. No presente artigo, são discutidos: a importância do oxigênio dissolvido como agente oxidante, os fatores que afetam sua solubilidade, o balanço de oxigênio dissolvido nos sistemas aquáticos e suas variações com a profundidade da coluna d’água. Essas informações podem ser utilizadas pelo professor do ensino médio na abordagem dos temas estruturadores “Química e hidrosfera” e “Reconhecimento e caracterização das transformações químicas” descritos nos Parâmetros Curriculares Nacionais.

oxigênio dissolvido, ecossistemas aquáticos, oxidação-redução

1 QUÍMICA NOVA NA ESCOLAN° 2, NOVEMBRO 2005Oxigênio dissolvido em sistemas aquáticos onde pO2 é a pressão parcial do oxigênio atmosférico.

O valor de KH para o O2 a temperatura de 25 °C é de 1,29 x 10–3 mol L–1

Desta forma, como no nível do mar a pressão atmosférica é de 1 atm e a composição média em volume ou molar do ar seco é de 21% de O2, pode-se estimar a pres- são parcial do oxigênio como sendo 0,21 atm. Substituindo esse valor de pressão na expressão da constante de equilíbrio de Henry rearranjada, tem-se:

[O2] = KH pO2 =

1,29 x 10–3 mol L–1 atm–1 x 0,21 atm = 2,7 x 10–4 mol L–1

Portanto, estima-se a solubilidade do O2 em água, a 25 °C e no nível do mar, como sendo 8,6 mg L–1. Esse va- lor apresenta uma concordância razoavelmente boa com o valor medido de 8,1 mg L–1 mostrado na Tabela 1 (Connell, 1997). Como a solubilidade é proporcio- nal à pressão parcial2 de O2 ([O2] =

KH pO2 ), pode-se inferir que a uma dada temperatura a solubilidade do oxigênio na água decresce com o aumento da altitude, pois com o aumento da altitude há uma diminuição da pressão atmosférica e o oxigênio, sendo um dos componentes do ar, terá sua pressão parcial também reduzida. Como a composição do ar se- co em termos de O2 é praticamente constante em altitudes modestas, poderíamos dizer que a diminuição da pressão parcial de O2 será praticamente proporcional à diminuição da pressão atmosférica. Um fator mais importante que a altitude no controle da solubilidade do

O2 na água é a temperatura. Como a solubilidade dos gases em água di- minui com a elevação da temperatura3, a quantidade de oxigênio que se dissolve a 0 °C (14,2 mg L–1) é mais do que o dobro da que se dissolve a 35 °C (7,0 mg L–1). A Figura 1 ilustra esse fato. Deste modo, águas de rios ou lagos aquecidas artificialmente como resultado de poluição térmica contêm menos OD. A poluição térmica ocorre freqüentemente como resultado da operação de usinas geradoras de energia elétrica, que retiram água fria de um rio ou lago e a utilizam para refrigeração, devolvendo continuamente água aquecida à sua origem.

Baseado na solubilidade do O2, fica notório que os organismos aquá- ticos tropicais têm menos oxigênio disponível do que os de ambientes aquáticos de clima temperado. Essa constatação assume importância quando se considera que nos lagos próximos ao Equador a temperatura pode atingir até 38 °C (Esteves, 1998). Isto não significa que os organismos em um lago próximo do Equador irão ter problemas para sobreviver, pois estão adaptados para essas condições ambientais.

Embora insignificante quando comparada à temperatura, a salinidade também influencia na capacidade da água em dissolver oxigênio. O aumento da salinidade diminui a solu- bilidade do O2 na água. Assim, a quantidade de minerais ou a presen- ça de elevadas concentrações de sais dissolvidos na água em decorrência de atividades potencialmente poluidoras podem, mesmo que em pequena intensidade, influenciar o teor de OD na água. Desta forma, a salinidade é a principal causa do menor valor de OD nas águas salgadas, em relação ao mesmo valor em águas doces em condições idênticas de temperatura e pressão atmosférica.

Além da temperatura, pressão e salinidade que controlam a solubilidade do oxigênio na água, existem outros fatores bioquímicos e climáticos que também influenciam o teor de OD e que serão discutidos no texto a seguir.

O balanço de oxigênio dissolvido nos sistemas aquáticos

Dentre os gases dissolvidos na água, o oxigênio é um dos mais importantes na dinâmica e caracterização dos ecossistemas aquáticos (Esteves, 1998). As principais fontes de oxigênio para a água são a atmosfera e a fotossíntese. Por outro lado, as perdas de oxigênio são causadas pelo consumo pela decomposição da matéria orgânica (oxidação), por perdas para a atmosfera, respiração de organismos aquáticos, nitrificação4 e oxidação química abiótica de substâncias como íons metálicos - ferro(I) e manganês(I) -, por exemplo. Essas diversas transformações do

O2 nos sistemas aquáticos são representadas esquematicamente na Figu- ra 2.

Nas condições naturais de um sistema aquático não poluído, o material mais habitualmente oxidado pelo oxigênio dissolvido na água é a matéria orgânica de origem biológica, como a procedente de plantas mortas e restos de animais. Esse processo de oxidação, chamado de degradação aeróbica, ocorre em água ricas em oxigênio, ou seja, que possuem níveis de oxigênio próximos de 100% de saturação5, e é mediado por microorganismos aeróbicos. A reação química envolvida pode ser expressa de forma simplificada supondo que a matéria orgânica seja em sua totalidade carboidrato polimerizado

Tabela 1: Solubilidade de alguns gases em água e constantes da Lei de Henrya (adaptado de Connell, 1997).

GásSolubilidade /KH / mg L–1mol L–1 atm–1 aValores para pressão atmosférica de 1 atm e temperatura de 25 °C.

Figura 1: Solubilidade do gás oxigênio em água a várias temperaturas, na pressão atmosférica de 1 atm (760 mmHg). Os valores de solubilidades para construção do gráfico foram consultados no seguinte sítio na Internet: http://www.tps.com.au/ handbooks/93BFDOv2_1.PDF).

No controle da solubilidade do O2 na água, a temperatura é o fator mais importante

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(Guimarães e Nour, 2001), com uma fórmula empírica aproximada de

CH2O:

Considerando a matéria orgânica

(MO) de uma forma mais complexa, pode-se substituir a Eq. 5 pela Eq.6:

O consumo de oxigênio por esses processos, em condições naturais, é compensado pelo oxigênio produzido na fotossíntese e pelo “reabastecimento” de oxigênio com a aeração da água através do fluxo da água em cursos d’água e rios pouco profundos. Porém, a água estagnada ou a que está situada próxima ao fundo de um lago de grande profundidade está, com freqüência, quase completamente sem oxigênio, devido à sua reação com a matéria orgânica e à falta de qualquer mecanismo que possibilite sua reposição com rapidez, já que a difusão, possível forma de reposição de O2, é um processo lento.

Substanciais reduções no OD podem ocorrer nos ambientes aquáticos, com implicações ambientais severas, se quantidades significativas de matéria orgânica forem a eles incorporadas. Essa situação ocorre normalmente com o lançamento de esgotos domésticos e de efluentes industriais ricos em matéria orgânica nos corpos d’água. O aumento da matéria orgânica resulta na maior taxa de respiração de microorganismos, dando origem à elevação das quantidades de CO2 e metano (o último produzido apenas por degrada- ção anaeróbica) e, principalmente, em uma demanda de oxigênio, cuja disponibilidade é pequena devido à sua solubilidade bastante limitada na água.

Para avaliar a qualidade da água quanto à concentração de OD e a presença de cargas poluidoras ricas em material orgânico, alguns parâmetros como o teor de OD e a DBO (demanda bioquímica de oxigênio) devem ser determinados. Uma descrição do significado químico e biológico desses parâmetros é apresentada na Tabela 2. Os valores de DBO de esgotos e alguns efluentes industriais são mostrados na Tabela 3.

Não é raro que águas poluídas com substâncias orgânicas associadas a resíduos de animais e de alimentos ou a esgoto apresentem uma demanda de oxigênio superior à solubilidade de equilíbrio máxima de oxigênio. Sob tais circunstâncias, a menos que a água seja continuamente aerada, a depleção de oxigênio será alcançada rapidamente.

A construção de represas sobre áreas de florestas também pode resultar na formação de lagos com alta demanda de oxigênio dissolvido. Nessas represas, a grande quantidade de fitomassa inundada6, ao se decompor, consome grande quantidade de OD, gerando déficits altos de oxigênio. Os primeiros anos após a inundação correspondem ao período de maior demanda de oxigênio. Assim, não raramente, toda a coluna d’água7 pode tornar-se desoxigenada.

Decomposição anaeróbica da matéria orgânica

Em baixa quantidade ou ausência de OD, microorganismos anaeróbicos e facultativos8, principalmente as bactérias, desenvolvem a degradação e decomposição da matéria orgânica, através do processo de degradação anaeróbica. A reação de degradação anaeróbica pode ser expressa de maneira simplificada:

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