Baixe Importancia do Oxigenio dissolvido em ambiente aquatico e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Biológica, somente na Docsity! 10 QUÍMICA NOVA NA ESCOLA N° 22, NOVEMBRO 2005 QUÍMICA E SOCIEDADE 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 exis-tentes na Terra dependem daágua. Apesar da maior parte da superfície do nosso planeta ser reco- berta 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 prin- cipais fontes de água potável; porém, constituem menos de 0,01% do su- primento 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 ape- nas 0,3% do volume total na Terra. Diante da disponibilidade restrita de águas naturais para consumo hu- mano 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 qua- lidade da água. Pretende-se neste ar- tigo, portanto, fornecer alguns subsí- dios 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 cate- gorias de reações mais comuns: as reações ácido-base e as de oxidação- redução (redox). Os fenômenos áci- do-base e de solubilidade controlam o pH e as concentrações de íons inor- gânicos 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, en- tre outros presentes na água, são dependentes da presença de oxigê- nio e das reações redox. Oxigênio dissolvido: propriedades e solubilidade O agente oxidante mais impor- tante em águas naturais é o oxigênio molecular dissolvido, O2 (Baird, 2002). Em uma reação envolvendo transfe- rência de elétrons, cada um dos áto- mos da molécula é reduzido do esta- do de oxidação zero até o estado de oxidação -2, formando H2O ou OH –. As semi-reações de redução do O2 em solução ácida e neutra são, res- pectivamente: O2 + 4H + + 4e– → 2H2O E° = 1,229 V (1) O2 + 2H2O + 4e – → 4OH– E° = 0,401 V (2) A concentração de oxigênio dis- solvido (OD) em um corpo d’água1 qualquer é controlada por vários fato- res, sendo um deles a solubilidade do oxigênio em água. A solubilidade do OD na água, co- mo para outras moléculas de gases apolares com interação intermolecu- lar 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 apropria- da 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: KH = [O2(aq)]/pO2 (4) 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 11 QUÍMICA NOVA NA ESCOLA N° 22, NOVEMBRO 2005Oxigênio dissolvido em sistemas aquáticos onde pO2 é a pressão parcial do oxigênio atmosférico. O valor de KH para o O2 a tempe- ratura de 25 °C é de 1,29 x 10–3 mol L–1 atm–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, po- de-se estimar a pres- são parcial do oxi- gênio como sendo 0,21 atm. Substituin- do esse valor de pressão na expres- são 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 me- dido de 8,11 mg L–1 mostrado na Ta- bela 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 au- mento da altitude, pois com o aumen- to da altitude há uma diminuição da pressão atmosférica e o oxigênio, sendo um dos componentes do ar, terá sua pressão parcial também re- duzida. 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 prati- camente 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 temperatu- ra3, 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 polui- ção térmica contêm menos OD. A polui- ção 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 continua- mente 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 condi- ções ambientais. Embora insignificante quando comparada à temperatura, a salini- dade também influencia na capacida- de 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 decor- rência 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 me- nor 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 solubili- dade do oxigênio na água, existem outros fatores bioquímicos e climáti- cos 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 im- portantes na dinâmica e caracteriza- ção dos ecossistemas aquáticos (Es- teves, 1998). As principais fontes de oxigênio para a água são a atmosfera e a fotossíntese. Por outro lado, as perdas de oxigênio são causadas pe- lo consumo pela decomposição da matéria orgânica (oxidação), por per- das para a atmosfera, respiração de organismos aquáticos, nitrificação4 e oxidação química abiótica de subs- tâncias como íons metálicos - ferro(II) e manganês(II) -, por exemplo. Essas diversas transformações do O2 nos sistemas aquáticos são repre- sentadas esquematicamente na Figu- ra 2. Nas condições naturais de um sis- tema aquático não poluído, o mate- rial mais habitualmente oxidado pelo oxigênio dissolvido na água é a maté- ria orgânica de origem biológica, co- mo a procedente de plantas mortas e restos de animais. Esse processo de oxidação, chamado de degrada- ção aeróbica, ocorre em água ricas em oxigênio, ou seja, que possuem níveis de oxigênio próximos de 100% de saturação5, e é mediado por micro- organismos aeróbicos. A reação quí- mica envolvida pode ser expressa de forma simplificada supondo que a matéria orgânica seja em sua totali- dade carboidrato polimerizado Tabela 1: Solubilidade de alguns gases em água e constantes da Lei de Henrya (adaptado de Connell, 1997). Gás Solubilidade / KH / mg L–1 mol L–1 atm–1 O2 8,11 1,29 x 10 –3 N2 13,4 6,21 x 10 –4 CH4 24 1,34 x 10 –3 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 14 QUÍMICA NOVA NA ESCOLA N° 22, NOVEMBRO 2005 níveis de oxigênio dissolvido próximos à saturação (solubilidade), condição que se deve tanto ao seu contato com o ar quanto à presença de O2 produzi- do na fotossíntese das algas e plantas aquáticas. As condições da camada superior são aeróbicas e, conseqüen- temente, os elementos dessa região existem em suas for- mas mais oxidadas9: o carbono como CO2, H2CO3 ou HCO3 –; o enxofre como SO4 2–; o nitrogênio como NO3 – e o ferro como Fe(OH)3 insolúvel (estado de oxidação: +3). Perto do fundo ocorre depleção11 do oxigênio, visto que não existe conta- to com o ar e que o O2 é consumido na decomposição de material biológico abundante. Sob tais condições anae- róbicas, os elementos químicos exis- tem em suas formas mais reduzidas9: o carbono como metano, CH4; o enxo- fre como gás sulfídrico, H2S; o nitrogê- nio como NH3 e NH4 + e o ferro como Fe2+ solúvel. É importante também levar em con- ta o efeito da sazonalidade no perfil de Tabela 3: Valores típicos de DBO5 de al- guns efluentes industriais e domésticos sem tratamento (adaptado de Mota, 1995). Fonte poluidora DBO5 / mg L –1 Esgotos domésticos 300 Engenhos de açúcar 1000 Destilarias de álcool > 7000 Cervejaria (maltaria) 400-1500 Cervejaria 1000-2000 Curtumes 1000-1500 Matadouros e frigoríficos 800-32000 Laticínios 500-2000* *Quando não há recuperação do soro do leite, a DBO5 pode atingir até 3000 mg L –1. Tabela 4: Concentrações mínimas de oxi- gênio dissolvido (OD) e de temperatura necessárias à existência continuada de al- guns peixes (Connell, 1997, p. 347). Organismo Temperatura / OD / °C mg L–1 Truta marrom 6-24 1,3-2,9 (Salmo trutta) Salmão de Coho 16-24 1,3-2,0 (Oncohynchus kisutch) Truta arco-íris 11-20 1,1-3,7 (Salmo gairdnerii) Figura 3: Representação esquemática da estratificação térmica e química das águas de um lago no verão, mostrando as principais espécies químicas presentes (adaptado de Baird, 2002). OD com a profundidade. Normalmen- te, as condições anaeróbicas das re- giões mais profundas de um lago de clima temperado não perduram indefi- nidamente. Durante o outono e o inver- no, a camada superior da água é resfriada pelo ar frio que passa sobre ela, de modo que, finalmente, a água rica em oxigênio da parte superior torna-se mais densa que a da parte inferior e ocorre uma mistura por con- vecção das camadas de água com diferentes temperaturas, ou seja, a ca- mada superior mais fria e densa tende a se deslocar para o fundo, ao mesmo tempo que a camada inferior mais quente e menos densa tende a se mo- ver para a superfície. Assim, durante o inverno e primeiros dias da primavera, o ambiente próximo ao fundo de um lago é, em geral, aeróbico. Diferentemente, condições de hipo- xia (baixa concentração de oxigênio) ou mesmo anoxia12 podem ocorrer na su- perfície de lagos tropicais, totalmente livres de poluição. Em ecossistemas da re- gião amazônica e do Pantanal, observa-se o fenômeno da “fria- gem” ou “dequada”, respectivamente. Nes- ses fenômenos, há a queda de tem- peratura da água de até cerca de 20 °C, como conseqüência do vento e da chuva fria. Como resultado da queda da temperatura, há uma mistura total da massa d’água de diferentes profundi- dades, com conseqüente redução da concentração de oxigênio na partes superiores até níveis de 10% de satu- ração. Esse fenômeno pode persistir por três dias e é suficiente para provocar intensa mortandade de peixes e causar a redução acentuada da população de fitoplâncton13 e zooplâncton14. Importância do oxigênio dissolvido O OD é necessário para a respi- ração de microorganismos aeróbicos, bem como outras formas aeróbicas de vida. A sobrevivência dos peixes, por exemplo, requer concentrações mí- nimas de OD entre a 10% e 60% de saturação, dependendo da espécie e outras características do sistema aquático. A Tabela 4 mostra exemplos de concentrações mínimas de OD ne- cessárias à sobrevivência de algumas espécies de peixes. A importância do OD não se res- tringe apenas à sobrevivência dos seres aquáticos. A presença de OD em águas residuárias (águas servidas) industriais ricas em material orgânico é desejável por prevenir a formação de substâncias com odores desagradá- veis que comprometem os diversos usos da água como, por exemplo, fonte de água potável ou meio de re- creação. Em condições anaeróbicas, a decomposição de matéria orgânica contendo enxofre leva à formação de gás sulfrídrico (H2S) e mercaptanas 15, enquanto a decomposição de mate- rial protéico produz, entre outros, o in- dol16 e o escatol17 (compostos deriva- dos da decomposição do aminoácido triptofano18). Todas essas substâncias apresentam odores desagradáveis (vi- de Figura 4). A Figura 5 apresenta vias biossintéticas que têm o aminoácido triptofano como precursor do indol e do escatol e de outras substâncias de relevância biológica, como o neuro- transmissor serotonina e os hormônios melatonina e ácido 5-hidroxiindola- cético. Apesar de desejável nos sistemas aquáticos naturais, a presença de altas concentrações de OD não é conveni- Oxigênio dissolvido em sistemas aquáticos Em condições anaeróbicas, a decomposição de matéria orgânica contendo enxofre leva à formação de gases fétidos 15 QUÍMICA NOVA NA ESCOLA N° 22, NOVEMBRO 2005 ente em águas que percorrem tubu- lações de ferro e aço, por favorecer a corrosão. Esse fato resulta do poder oxidante do O2 (Eq. 1) e, por esse moti- vo, em águas tratadas é recomendado que os valores de OD sejam menores que 2,5 mg L–1. Considerações finais As informações apresentadas no presente artigo evidenciam como o uso do conhecimento químico pode ser usado na avaliação da qualidade da água do ponto de vista ambiental (Tabela 2). Essas informações podem ser utilizadas pelo professor de Quí- mica no Ensino Médio para contex- tualização de conceitos de oxidação e redução e na abordagem dos temas estruturadores “Química e hidrosfera” e “Reconhecimento e caracterização das transformações químicas” descri- tos nos Parâmetros Curriculares Na- cionais (Brasil, 2002). Notas 1. Também denominado de corpo hídrico, refere-se a uma denominação genérica para rio, ribeirão, riacho, cór- rego, lago, reservatório, laguna ou aqüífero. 2. William Henry, amigo pessoal de John Dalton, dispensou muito tempo estudando a solubilidade de gases re alta taxa de fotossíntese. 6. É a quantidade de matéria orgâ- nica submersa que pode ser expressa por toneladas de carbono por hec- tare, indicando a carga orgânica pre- sente no corpo d’água. 7. Perfil de espessura de um lago, rio ou oceano, desde o leito até a su- perfície do corpo d’água. 8. Microorganismos anaeróbicos é o termo que designa qualquer orga- nismo inferior que consegue viver na ausência de oxigênio e microorga- nismos anaeróbicos facultativos são organismos que podem viver em am- bientes com ou sem oxigênio (Lincoln et al., 1982). 9. Os conceitos de oxidação e re- dução no texto também se relacio- nam a perda e ganho de elétrons, porém com certa especificidade para compostos orgânicos. Um elemento ou composto é oxidado quando liga- se ou adquire átomos de oxigênio. Um composto é oxidado quando perde átomos de hidrogênio e é reduzido quando ganha átomos de hidrogênio (Hill et al., 1993). 10. A temperatura na qual a água apresenta sua densidade máxima é de 3,94 °C (Esteves, 1998). 11. Termo usado para designar a diminuição do teor de certas substân- cias ou de íons em uma solução (Lin- coln et al., 1982). 12. Insuficiência ventilatória de uma célula ou de um tecido celular; pouco ou nenhum oxigênio disponível para uso celular, o que implica o acú- mulo de íons hidrogênio no protoplas- ma e conseqüente acidose metabó- lica, com morte da célula (Soares, 1993). 13. No século 19, o fisiologista ale- mão Johannes Müller, ao filtrar água do mar através de uma rede de malha fina, descobriu uma comunidade cons- tituída de pequenos animais e plantas. Em 1887, Viktor Hensen (outro fisiolo- gista), denominou essa comunidade de “plâncton” e a definiu como sendo o conjunto de organismos que não dis- põe de movimentos próprios capazes de se opor ao movimento da água. O plâncton é constituído pelo fitoplâncton (algas), pelo zooplâncton (pequenos animais) e pelo bacterioplâncton (Esteves, 1998). em líquidos. Em 1801, ele resumiu suas descobertas na lei que conhe- cemos hoje como Lei de Henry. Ele descobriu que a solubilidade de um gás dissolvido em um líquido a uma dada temperatura é diretamente pro- porcional à pressão do gás na super- fície do líquido (Hill et al., 1993). 3. Diferentemente da maioria dos solutos sólidos, os gases se tornam menos solúveis quando a tempera- tura aumenta. O calor aumenta a mo- bilidade das moléculas de soluto e solvente. Em oposição aos solutos sólidos, as moléculas de gases po- dem escapar da solução quando es- tas atingem a superfície de um líquido em um sistema aberto. 4. Em decorrência da decompo- sição da matéria orgânica em siste- mas aquáticos, há formação de com- postos nitrogenados reduzidos, por exemplo, a amônia e o íon amônio. A oxidação biológica desses compos- tos a nitrato (NO3 –) é denominada nitri- ficação. 5. Entende-se 100% de saturação de oxigênio a quantidade máxima de oxigênio que pode ser dissolvida na água em determinada pressão, tem- peratura e salinidade. Valores de OD acima de 100% de saturação podem ocorrer em águas naturais durante al- guns períodos do dia, nos quais ocor- Oxigênio dissolvido em sistemas aquáticos Figura 4: Vista parcial da Lagoa da Jansen, mais famosa lagoa de São Luís, capital do Maranhão. Localizada no bairro Ponta D’Areia, sua beleza tem sido ofuscada pelo mal cheiro que de suas águas exala, fruto da decomposição anaeróbica de matéria orgânica. Esse problema pode ser minimizado, ou quiçá até eliminado, arejando-se a água da lagoa. 16 QUÍMICA NOVA NA ESCOLA N° 22, NOVEMBRO 2005 Referências bibliográficas AZEVEDO, E.B. Poluição vs. tratamen- to de água: duas faces de uma mesma moeda. Química Nova na Escola, n. 10, p. 21-25, 1999. BAIRD, C. Química Ambiental. 2ª ed. Trad. M.A.L. Recio e L.C.M Carrera. Porto Alegre: Bookman, 2002. BRASIL, MINISTERIO DA EDUCA- ÇÃO, SECRETÁRIA DE EDUCAÇÃO MÉDIA E TECNOLÓGICA. 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Keywords: dissolved oxygen, aquatic ecosystems, oxidation-reduction ESTEVES, F.A. Fundamentos de Limno- logia. 2ª ed. Rio de Janeiro: Interciência, 1998. GUIMARÃES, J.R. e NOUR, E.A.A. Tratando nossos esgotos: Processos que imitam a natureza. Em: GIORDAN, M. e JARDIM, W.F. (Eds.). Cadernos Temáticos de Química Nova na Escola, n. 1, p. 19- 30, 2001. HILL, J.W.; FEIGL, D.M. e BAUM, S.J. Chemistry and life. An introduction to gen- eral, organic, and biological chemistry. 4ª ed. Nova Iorque: Macmillan, 1993. LINCOLN, R.J.; BOXSHALL, G.A. e CLARK, P.F. A dictionary of ecology, evo- lution and systematics. Cambridge: Cam- bridge University Press, 1982. MOTA, S. Preservação e conservação de recursos hídricos. Rio de Janeiro: ABES, 1995. PARKER, S.P. (Ed.). McGraw-Hill dictio- nary of chemistry. Nova Iorque: McGraw- Hill, 1997. SILVA, R.M.G. Contextualizando aprendizagens em Química na formação escolar. Química Nova na Escola, n. 18, p. 26-30, 2003. SOARES, J.L. Dicionário etimológico e circunstanciado de Biologia. São Paulo: Scipione, 1993. Para saber mais Sobre o uso de experimentação sim- ples para determinação do oxigênio dis- solvido em água, recomendamos a leitura do artigo: FERREIRA, L.H.; DE ABREU, D.G.; IA- MAMOTO, Y. e ANDRADE, J.F. Experi- mentação em sala de aula e meio am- biente: Determinação simples de oxigênio dissolvido em água. Química Nova na Escola, n. 19, p. 32-35, 2004. 14. Zooplâncton é o termo genéri- co para um grupo de animais de dife- rentes categorias sistemáticas, tendo como característica comum a coluna d’água como seu habitat principal. Na grande maioria dos ambientes aquá- ticos, o zooplâncton é formado por protozoários e por vários grupos de metazoários (Esteves, 1998). 15. Um grupo de compostos orga- nossulforados que são derivados do sulfeto de hidrogênio (H2S), da mes- Oxigênio dissolvido em sistemas aquáticos Figura 5: Biossíntese de diversas moléculas de relevância biológica a partir do aminoácido triptofano como precursor (adaptado de Hill et al., 1993). ma forma que os álcoois são deriva- dos da água. Têm um odor desagra- dável característico. São também chamados de tióis, com uma fórmula genérica R-SH, na qual R é um grupo alquila. 16. Também conhecido como 2,3- benzopirrol. É um sólido cangerígeno de cor branca amarelada e de aroma desagradável. Usado como um rea- gente químico para as indústrias de perfume e medicamentos (Parker, 1997). Também pode ser formado em ambientes naturais pela degradação do aminoácido triptofano. 17. Também conhecido como 3- metilindol. É um sólido branco que funde a 93-95 °C. É responsável pelo odor característico das fezes, apesar de sua estrutura química ser muito semelhante à do indol usado na com- posição de perfumes. 18. Aminoácido essencial da dieta dos seres humanos. É precursor de substâncias biológicas relevantes como o neurotransmissor serotonina (Figura 5). Antonio Rogério Fiorucci (arfiorucci@uems.br), licenciado e bacharel em Química (com Atribuições Tecnológicas) e doutor em Ciências (Química Analí- tica) pela Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), é docente do Curso de Química na Uni- versidade Estadual de Mato Grosso do Sul (CQ- UEMS), em Dourados - MS. Edemar Benedetti Filho (edemar@uems.br), licenciado e bacharel em Química, mestre e doutor em Ciências (Química Ana- lítica) pela UFSCar, também é docente do CQ-UEMS.