UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE CENTRO DE ESTUDOS GERAIS
INSTITUTO DE QUÍMICA
Programa de Pós-Graduação em Geociências
DANIEL CABRAL TEIXEIRA
DEPOSIÇÃO DO MERCÚRIO ATRAVÉS DA SERAPILHEIRA NA
MATA ATLÂNTICA, PARQUE ESTADUAL DA PEDRA BRANCA, RJ
Niterói 2008
DANIEL CABRAL TEIXEIRA
DEPOSIÇÃO DO MERCÚRIO ATRAVÉS DA SERAPILHEIRA NA
MATA ATLÂNTICA, PARQUE ESTADUAL DA PEDRA BRANCA, RJ
Dissertação apresentada ao Curso de Pós-Graduação em Geociências da Universidade Federal Fluminense, como requisito parcial para obtenção do Grau de Mestre. Área de Concentração: Geoquímica Ambiental.
Orientador: Emmanoel Vieira da Silva Filho Co-orientador: Rogério Ribeiro de Oliveira
NITERÓI
T2661 Teixeira, Daniel Cabral
Deposição do mercúrio através da serapilheira na Mata Atlântica, Parque Estadual da Pedra Branca, RJ. / Daniel Cabral Teixeira – Niterói: [s.n.], 2008.
85 f.: il., color., 30 cm.
Dissertação (mestrado)-Universidade Federal Fluminense, 2008. Orientador: Prof. Dr. Emmanoel Vieira da Silva Filho; co-orientador: Prof. Dr. Rogério Ribeiro de Oliveira.
1. Deposição atmosférica 2. Floresta Tropical 3. Mercúrio 4. Mata Atlântica 5. Tese 6. Produção intelectual I. Título.
CDD 551.51
DANIEL CABRAL TEIXEIRA
DEPOSIÇÃO DO MERCÚRIO ATRAVÉS DA SERAPILHEIRA NA MATA
ATLÂNTICA, PARQUE ESTADUAL DA PEDRA BRANCA, RJ
Dissertação apresentada ao Curso de Pós-Graduação em Geociências da Universidade Federal Fluminense, como requisito parcial para obtenção do Grau de Mestre. Área de Concentração: Geoquímica Ambiental.
Aprovado em ___/____/ 2008.
BANCA EXAMINADORA
______________________________________________________________________ Prof. Dr. : EMMANOEL VIEIRA DA SILVA FILHO – Orientador – PPG
UFF
______________________________________________________________________ Prof. Dr. ROGÉRIO RIBEIRO DE OLIVEIRA– Co-Orientador –
PUC-RJ
______________________________________________________________________ Prof. Dr. WILLIAM ZAMBONI DE MELLO– PPG
UFF
______________________________________________________________________ Prof. Dr. RENATO CAMPELLO CORDEIRO – PPG
UFF
_____________________________________________________________________ Profa Dra.DORA MARIA VILLELA JOSÉ– PPGERN
UENF
Niterói 2008
AGRADECIMENTOS
A Deus,
A minha amada companheira Mariana, sempre tão incentivadora em todos os momentos dessa dissertação e à nossa pequena Lia, pela descontração e motivação durante o período desse trabalho.
Aos meus pais, pelo cuidado e suporte, sempre.
Ao professor Emmanoel Vieira da Silva Filho, pela confiança e a atenção dedicadas a mim e à todas as portas que ele abriu.
Ao professor Rogério Ribeiro de Oliveira, pela enorme ajuda em campo e com a dissertação.
Aos amigos Max e Rita, pelo auxílio em campo nesses dois anos.
A todos os meus amigos e familiares, pelas idéias, críticas e concretização dos ideais desse trabalho.
A todos os funcionários da UFF e aos colegas de curso que dividiram um ambiente agradável e construtivo nesse tempo.
RESUMO
A Mata Atlântica, um hotspot mundial com grande diversidade de plantas e animais, está localizado na região mais industrializada do Brasil, uma fonte em potencial de elementos químicos para a atmosfera. Recentemente, foi descrito a entrada de Hg via serapilheira para o solo principalmente, após a captação estomática (poros foliares), agindo como via importante para o transporte deste poluente do ar para o solo durante o seu ciclo biogeoquímico. Este fluxo de mercúrio é mais evidente em florestas tropicais, que apresentam as maiores produções de serapilheira. O objetivo deste trabalho foi quantificar a concentração total do Hg na serapilheira, e estimar sua deposição no Parque Estadual da Pedra Branca, na cidade do Rio de Janeiro, durante o período de um ano. Foram analizadas, folhas de cinco espécies dominantes, para se avaliar a concentração de Hg nas folhas do dossel e testar as correlações com os parâmetros anatômicos foliares, tais como as freqüências estomáticas e tricomáticas. A média anual da concentração de Hg foi de 237+ 52 ng g-1 e o fluxo de 184 + 98 µg m-2 sobre uma produção de serapilheira de 7,6 t.ha-1. A concentração mensal de Hg variou de acordo com a temperatura de dois meses anteriores. A precipitação mensal teve uma forte correlação negativa com as concentrações de Hg somente durante os meses de altas temperaturas. Estas correlações confirmam a dependência com os eventos fisiológicos, controlados por processos bioquímicos que definem a abertura estomática, sendo mais eficiente durante altas temperaturas e solo sem deficiência hídrica. A concentração de Hg na folhagem do dossel revelou uma grande variação interespecífica de 60 ng g-1 em Metternichia
príncipes; 84 ng g-1em Colubrina. glandulosa; 170 ng g-1 em Cordia trichotoma; 190 ng g-1
em Piptadenia gonoacantha; até 215 ng g-1 em Alchornea iricurana.. Uma correlação positiva ocorreu entre as concentrações de Hg e a densidade estomática, exceto pelas espécies com tricomas, demonstrando mais uma evidência da captação estomática e possível papel da adsorção superficial dos tricomas. Estes valores elevados, mesmo para áreas urbanas poluídas, mostram a complexidade dos fenômenos climáticos e fisiológicos que regem a captação de Hg em florestas tropicais. Esta captação potencial da Mata Atlântica deve ser considerada para sua conservação e preservação, uma vez que o destino do Hg, vindo da serapilheira, no solo é desconhecido. Devido ao status de poluente global do Hg, o desenvolvimento de leis internacionais para emissões atmosféricas de Hg, é crucial.
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ABSTRACT
The Atlantic Forest, a hotspot in the world with a great diversity of plants and animals, is located in the most industrialized region of Brazil, a potential source of chemical elements for the atmosphere. Recently, was described the Hg litterfall input to the soil mainly, after the stomatal (leaf pores) uptake, acting as an important way to transport this pollutant from air to soil. This flux of mercury is more notable in tropical forests, which have the higher annual litter production. The aim of this work was quantify the total concentration of Hg in litterfall, and estimate how much was deposited in the Parque Estadual da Pedra Branca, na cidade do Rio de Janeiro. Leaves of the five most predominant species were analyzed to assess the Hg concentrations by canopy leaves and test the correlations with foliar anatomical parameters, such as stomatal and trichomatic frequency. The annual mean of Hg concentration was 237, 7+ 52 ng g-1 and the flux was 184, 2 + 98 µg m-2 over a 7,6 t.ha-1 of litter production. The past two months temperature was correlated to the monthly concentration deviation, showing the relation with biochemistry process ruling the plant growing. The monthly precipitation had a strong negative correlation with the Hg concentrations of the higher temperature months. These correlations confirm the dependency on physiological events, controlled by biochemistry processes that rule the stomatal opening, being optimal during high temperatures and soil with no water deficiency. The green foliage Hg concentration revealed a great interespecific variation, from 60 ng g-1 - Metternichia principes, 84 ng g-1 -
Colubrina. glandulosa,170 ng g-1 - Cordia trichotoma, 190 ng g-1 - Piptadenia gonoacantha to 215 ng g-1 - Alchornea iricurana. There was a clear positive correlation between these concentrations and
the stomatal density of these species, except by the species with trichomes, showing one more evidence of the stomatal uptake and the superficial trichomes adsorption roles. These results are very high even to a polluted urban area, and show the complexity of phenological and climatic phenomena that rules the Hg uptake in tropical forests. This potential uptake of Mata Atlantica must be considered for their conservation and preservation, once the Hg soil destination came from litter, is unknown. Due to the global Hg pollutant status, the development of international laws, to Hg air emissions, is crucial.
KEYWORDS: Atmospheric Deposition, Tropical Rainforest, Mercury, Trace Element, Atlantic Florest
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO...8
. 1.1 APRESENTAÇÃO DO TEMA:...8
1.2 BASE TEÓRICA:...9
1.2.1 O mercúrio: características gerais ...9
1.2.2 A ciclagem biogeoquímica do mercúrio...11
1.2.3 A ciclagem do mercúrio em ecossistemas florestais...12
1.2.4 A transferência do mercúrio nas interfaces atmosfera/fitosfera/litosfera...14
1.2.5 O ecossistema florestal e a poluição atmosférica...16
1.2.6 A fisiologia vegetal e a produção da serapilheira...23
1.2.7 A transpiração e a abertura estomática...24
. 2 JUSTIFICATIVA ...27 3 OBJETIVOS...28 ] 4 ÁREA DE ESTUDO ...29 . 5 COLETA DAS AMOSTRAS...34
.. 6 ANÁLISE QUÍMICA...35
. 7 ANÁLISE ESTRUTURAL DA VEGETAÇÃO ...36
7.1 PARÂMETROS ANATÔMICOS... 36
8 PARÂMETROS CLIMÁTICOS...37
9 RESULTADOS E DISCUSSÃO...38
9.1 O FLUXO DE SERAPILHEIRA ...38
9.2 A CONCENTRAÇÃO DE MERCÚRIO NA SERAPILHEIRA...40
9.3 O FLUXO DE MERCÚRIO NA SERAPILHEIRA ...45
9.4 CORRELAÇÕES CLIMÁTICAS...52
9.4.1 Temperatura...52
9.4.2 Precipitação...54
9.4.3 Ventos...55
9.5 EFEITOS ECOLÓGICOS DO FLUXO DE SERAPILHEIRA NO CICLO DO MERCÚRIO...57
9.6 O MERCÚRIO FOLIAR EM CINCO ESPÉCIES REPRESENTATIVAS DO PEPB...62
9.7 O MERCÚRIO FOLIAR E OS PARÂMETROS ANATÔMICOS...65
9.8 POSSÍVEIS FONTES LOCAIS DE MERCÚRIO...69
10 CONCLUSÃO...74
1 INTRODUÇÃO
1.1 APRESENTAÇÃO DO TEMA
Recentemente, foi descrita para as zonas temperadas e boreais, a importância dos biomas florestais na ciclagem atmosfera/solo do mercúrio (Hg) elementar, através da captação foliar e posterior transferência pela serapilheira ao solo (ERICKSEN et al., 2003; FLECK et al., 1999; GRIGAL, 2002; LINDBERG et al., 1991; REA et al., 2002; ST-LOUIS et al., 2001). No entanto, há carência deste tipo de pesquisa para o bioma de maior produtividade de serapilheira do mundo: a Floresta Tropical. Este trabalho tem como meta estimar a quantidade total de Hg0 na serapilheira coletada durante dois anos na Floresta Ombrófila Densa Submontana da Mata Atlântica (VELOSO et al., 1991) no bairro do Camorim, dentro dos limites do parque Estadual da Pedra Branca no município do Rio de Janeiro, RJ. Esta área vive atualmente um franco processo de desenvolvimento das atividades urbanas em seu entorno e de expansão da degradação no ecossistema florestal. O crescimento da malha urbana, as cunhas de desmatamento que adentram suas bordas florestais e a expansão das atividades agrícolas em suas encostas imprimem hoje na paisagem as modificações do arranjo espacial de seus elementos e definem, assim, sua nova dinâmica geoecológica (SILVA et al., 2003). Dentre os valores de deposição de Hg presentes na serapilheira dos ecossistemas mundiais, altas concentrações são encontradas especificamente na Mata Atlântica (FOSTIER
et al., 2003; OLIVEIRA et al., 2006; SILVA-FILHO et al., 2006).. Porém, como ainda são
poucas as publicações, este trabalho vem acrescentar dados a esta discussão ecológica. Pretende-se testar possíveis correlações com parâmetros botânicos e meteorológicos, podendo visualizar se estes justificam a elevada estocagem de Hg na serapilheira.
1.2 BASE TEÓRICA:
1.2.1 O mercúrio: características gerais
Comparativamente a outros metais, o mercúrio é considerado um elemento bastante peculiar que apresenta características únicas: é o único metal líquido a temperatura ambiente; único que possui temperatura de ebulição abaixo de 650oC; é quase inerte quimicamente; é o que possui potencial de ionização mais alto do que qualquer outro elemento eletropositivo com exceção do Hidrogênio; existe em três formas de oxidação: como Hg0, Hg22+ e Hg2+ e pode formar amálgamas com vários metais (LIDE; KEHIAIAN, 1994). O mercúrio é considerado um elemento raro, situado em 16º lugar no conjunto dos elementos conforme sua abundância na Terra, sendo o cinábrio (HgS) o minério de mercúrio mais difundido na natureza. Suas reservas naturais são avaliadas em cerca de 30 bilhões de toneladas (MAGARELLI, 2006).
As principais jazidas de cinábrio são encontradas na Espanha e na Itália. A mina de Almadén na Espanha opera de forma contínua desde 400 a.C, e outras importantes jazidas podem ser encontradas na Rússia, América do Norte entre outras. O mercúrio é mobilizado tectonicamente, e significantes depósitos são encontrados em regiões caracterizadas pelo encontro de placas tectônicas (SCHLUTER, 2000).
Além disso, este elemento se relaciona bem com o enxofre (calcófilo), e é ativo biologicamente. O Hg não é um bom condutor de calor em comparação a outros metais mas é condutor de eletricidade, e mistura-se facilmente com muitos metais, tais como o ouro, a prata, e estanho, formando ligas chamadas de amálgamas. A facilidade do Hg amalgamar com ouro possibilita o seu uso na recuperação do ouro de seus minérios. Os sais mais importantes formados pelo mercúrio são o cloreto mercúrico HgCl2 (um veneno poderoso), o cloreto
mercuroso Hg2CI2 (calomelano, ainda usado ocasionalmente na medicina), o fulminato de
mercúrio Hg(ONC)2 (um detonador usado nos explosivos), e sulfeto mercúrico (HgS), um
pigmento usado em tintas (ALMEIDA, 2005).
O mercúrio e alguns de seus compostos apresentam uma pressão de vapor relativamente elevada, interferindo no estado físico predominante deste na superfície terrestre.
As características físico-químicas conferem ao mercúrio uma aplicabilidade variada em diversos ramos da indústria. Como por exemplo, o catodo de mercúrio de células eletrolíticas usadas para produção de cloro e soda cáustica, que nos dias de hoje, vêm sendo banida das indústrias. As baterias de células secas desenvolvidas durante a Segunda Guerra Mundial
levou a um grande uso do metal em baterias alcalinas até recentemente. O mercúrio foi essencial para o desenvolvimento de lâmpadas incandescentes por Thomas Edison e hoje é o componente principal de lâmpadas fluorescentes. Compostos organo-metálicos foram
amplamente empregados como fungicidas na agricultura e na fabricação de tintas
(NRIAGU,1979). Porém os danos ambientais do uso do Hg foram ignorados. O metilmercúrio (MeHg), por exemplo, é o mais tóxico dos alquil-mercuriais, e constitui o mais importante composto à base de mercúrio com relação à eficiência na contaminação do meio ambiente devido ao processo de biometilação, uma vez que o mercúrio inorgânico pode ser
metilado por bactérias sulfo-redutoras no ambiente aquático, ou no solo enxarcado de florestas tropicais por exemplo. Segundo Grigal (2003), as observações do aumento das concentrações de MeHg próximas à superfície do solo, no verão, e em associação com o fluxo do MeHg em charcos são consistentes com a sulfo-redução das bactérias. Além das altas concentrações de MeHg que seguem as inundações de reservatórios, presumivelmente estimulada pela decomposição da matéria orgânica inundada. Logo pela incorporação deste MeHg a níveis tróficos superiores ocorre sua disseminação, sendo acumulado no predador a soma de todas as concentrações de cada uma de suas presas, o que se denomina biomagnificação. Um predador de alta ordem trófica absorveria todo o metilmercúrio acumulado desde os produtores primários até sua presa.
A exposição a esta espécie de mercúrio acontece principalmente através do consumo de peixes e derivados (FITZGERALD; CLARKSON, 1991). Indíos brasileiros apresentam altos índices de Hg em sua biomassa (SANTOS et al., 2001) A contaminação patológica por metilmercúrio é conhecida como "doença de Minamata".
Entre 1950 e 1975, a liberação de grande quantidade de metilmercúrio por indústrias, provocou severos efeitos e muitas mortes em Minamata e Niigata, no Japão. A tragédia japonesa resultou do consumo de peixes contaminados por metilmercúrio liberados por uma fábrica de acetaldeido. O metilmercúrio foi sintetizado como um sub-produto da produção do
acetaldeido, quando mercúrio inorgânico era usado como catalisador. Outro grande incidente ocorreu no Iraque, cuja a fonte de contaminação foram os pães contaminados, produzidos com trigo tratado com fungicida a base de metilmercúrio (BAKIR, 1973). Nos dias de hoje, em muitos países as emissões industriais são controladas por leis ambientais severas. Contudo, em escala global, o declínio da emissão não pode ser notado, pelo contrário, tem sido documentado o aumento nas emissões antrópicas de mercúrio das nações em desenvolvimento, particularmente na Ásia (PACYNA; PACYNA 2002, WHO 2000), que mantiveram em alta as emissões globais. As emissões de mercúrio associadas à queima de
combustíveis fósseis, especialmente a queima de carvão mineral, e processos de combustões a altas temperaturas (ex.incineradores de lixo) representam fontes primárias de poluição por mercúrio em escala global. Em consequência, as emissões de mercúrio desde meados do século XIX parecem estar relacionadas diretamente com aumentos nas emissões de CO2 (LAMBORG 2000), já que é emitido para atmosfera durante a combustão de materiais associados. Alguns combustíveis fosseis, como o carvão mineral, possue quantidades variáveis de Hg em sua composição, assim como, o lixo urbano. Nriagu; Pacyna (1988) estimaram que em 1983 em todo o planeta, mais da metade da emissão atmosférica de Hg produzida pelo homem, derivou da queima de carvão mineral e da incineração de lixo urbano.
1.2.2 A ciclagem biogeoquímica do mercúrio
O mercúrio é um elemento natural, assim não pode ser criado ou destruído, e a mesma quantidade que existe nos dias atuais no planeta existia desde que a terra foi formada, a exemplo de numerosos elementos. Várias pesquisas indicam que atividades naturais e antrópicas podem redistribuir este elemento nos ecossistemas terrestres, atmosféricos e aquáticos com uma combinação complexa de transformações e transporte (ALMEIDA, 2005). O mercúrio atmosférico, por exemplo, é muito significativo para o ciclo global do mercúrio. O estoque do mercúrio na atmosfera varia em função das trocas deste metal entre a as camadas atmosféricas e diferentes superfícies encontradas no meio ambiente (solo, vegetação e água). A deposição úmida de Hg2+ (dissolvido) e a deposição seca de Hg particulado são consideradas processos de transferência do Hg da atmosfera para os compartimentos terrestres. No caso do mercúrio elementar, pode haver um fluxo bidirecional entre atmosfera e as superfícies terrestres (água/atmosfera, solos/atmosfera e vegetação/atmosfera) como mostra a figura 1.
Devido a algumas de suas propriedades tais como baixa reatividade, alta pressão de vapor e baixa solubilidade em água, o Hg0 apresenta um tempo de residência na atmosfera da ordem de um ano, facilitando a sua distribuição e deposição numa escala global, razão pela qual foi desenvolvido o conceito de “poluente global” para esse elemento (SCHROEDER; MUNTHE, 1998).
FIGURA 1 - Ciclo do mercúrio e suas espécies químicas. Adaptado de Mason et al.(1994)
Desde a Revolução Industrial, pelas suas propriedades físico-químicas (massa específica elevada, resistência elétrica baixa, volume de expansão constante), o mercúrio foi largamente empregado na indústria, e como resultado de seus usos, a quantidade de mercúrio mobilizada e liberada na atmosfera aumentou em comparação aos níveis pré-industriais (FITZGERALD et al., 1998), estando correlacionado com as emissões antrópicas de CO2. O
Hg aumentou 1,5 a 3 vezes sua deposição atmosférica em escala global, desde os tempos pré-industriais e de 2 a 10 vezes a deposição atmosférica próximo a locais industrializados nas últimas duas décadas (BERGAN et al.,1999;). Estima-se que atualmente 50-75% (US-EPA, 1997) de todo o aporte anual de Hg da atmosfera, venha de origem humana, já que não há grandes eventos desgaseificantes acontecendo na crosta terrestre que justifiquem grandes fontes naturais, como das erupções vulcânicas.
1.2.3 A ciclagem do mercúrio em ecossistemas florestais
A ciclagem biogeoquímica de um dado ecossistema consiste na movimentação de elementos químicos entre seus compartimentos e nas transferências entre o próprio
ecossistema e os outros ecossistemas. Os compartimentos e/ou sistemas inorgânicos e/ou
orgânicos estão interligados nesses processos de movimentação; assim, os elementos são
continuamente transferidos entre os compartimentos bióticos e os abióticos (POGGIANI et al., 2000).
A ciclagem em ecossistemas florestais, por tanto, abrange as trocas de elementos químicos entre os seres vivos e o ambiente que os circunda. A relação entre a vegetação, a atmosfera e o solo é um dos focos de estudo desta ciclagem. Os ciclos biogeoquímicos em florestas integram a interface solo/atmosfera de diversos elementos, e em alguns campos estão sendo amplamente estudados, utilizados na agronomia moderna na nutrição foliar (RODRIGUES et al., 1997) e justificados na base do manejo agroflorestal nos trópicos (ARATO et al., 2003). A partir da análise quantitativa do estoque dos elementos na biomassa podem-se detectar, inclusive, distúrbios de origem natural ou antrópica de determinado elemento (DE FRANÇA et al., 2004). Desse modo, o dossel das árvores atua como um sorvedouro de elementos traços, concentrando-os e futuramente transferindo ao solo com a deposição da serapilheira. Em geral, elementos-traço que não se caracterizam como nutrientes vegetais não possuem carreadores bioquímicos específicos, limitando-se ao tecido vegetal de contato. O mercúrio, por exemplo, quando o seu aporte ocorre via atmosfera (BISHOP et al., 1998) adere-se ao epitélio superficial ou é absorvido pelas células da câmara estomática e não é expressivamente translocado no interior do vegetal, o mesmo acontecendo quando a entrada ocorre pela raiz (COCKING et al., 1995), com níveis de concentração foliar significantes somente quando, em solos contaminados (ELLIS et al., 1997) ou perto de minas de cinábrio (HgS).
Esta ciclagem envolve poluentes globais como o mercúrio, que por ter baixa pressão gasosa pode ser transportado na atmosfera a grandes distâncias, até milhares de quilômetros de sua origem (SCHROEDER; MUNTHE, 1998). Sua deposição atmosférica em áreas florestais pode representar um importante sumidouro local no ciclo biogeoquímico deste elemento. Além disso, por ser um poluente global, o efeito deste seqüestro poderia afetar valores de background regionais e até globais.
A concentração de Hg encontrada na serapilheira (litterfall) é maior do que a concentração obtida na transprecipitação, (troughfall - chuva que escoa pelo dossel em direção ao chão depois de ter lavado superfícies de folhas e galhos) e bem maior que a deposição pela chuva direta ao solo (openfall) (GRIGAL, 2002). Um exemplo do papel amplificador, que as folhas vivas representam em transmitir o Hg para o solo, é ilustrado em uma floresta em Gardsjon, na Suécia. Neste tipo florestal a deposição de Hg através da chuva
direta foi de 12µg m-2ano-1 e aproximadamente 40µg m-2ano-1 de transprecipitação (17-19µg m-2ano-1) mais serapilheira (25µg m-2ano-1) (IVERFELDT, 1991).
O aporte de Hg pela serapilheira ao horizonte O é diretamente proporcional à quantidade de serapilheira produzida (SILVA-FILHO et al., 2006), e esta deposição por sua vez, está relacionada principalmente com o clima, sendo menor sua deposição nas regiões frias do que em regiões quentes (POGGIANI et al., 2000).
Outro fator importante na quantidade de Hg na serapilheira são os valores distintos encontrados da análise entre as espécies vegetais (MÉLIÈRES et al., 2003), variando perto de 32–114 ng g_1 (n=11), este fato pode estar associado com o período de vida foliar, estado fisiológico da planta e com características morfológicas como tricomas, ceras epicuticulares e densidade/condutividade estomática de cada espécie (SILVA-FILHO et al., 2006). Assim, existe uma aparente relação positiva entre alta diversidade ecofisiológica das espécies e as altas concentrações de Hg nas florestas tropicais, em contrapartida à baixa diversidade e concentração encontrada nas florestas temperadas e boreais, mesmo com níveis semelhantes de mercúrio atmosférico.
1.2.4 A transferência do mercúrio nas interfaces atmosfera/fitosfera/litosfera
As forças físico-químicas que limitam a dinâmica da transpiração estomática são as mesmas que por conseqüência regem a entrada de CO2 e outros gases pra o interior da planta. É através de um sistema Ar-Planta-Solo que ocorre o controle do fluxo de gases (inclusive vapor d´água) e seiva dentro da planta e a atmosfera. A teoria mais aceita da elevação de água das raízes até o topo do dossel é a teoria da coesão-tensão (KOZLOWSKI; PALLARDY, 1997) que propõe a transpiração como sendo a força motriz. A diferença de potencial hídrico entre a atmosfera e o solo seriam suficientes para elevar 10 metros ou mais. Para tanto as plantas dispõem dos poros estomáticos, aberturas sediadas nos estômatos das folhas, estando sob influência em sua estrutura, frequência e função de fatores genéticos e/ou ambientais. As estruturas dos complexos estomáticos são características genéticas e podem ser usadas para distinções taxonômicas, por exemplo. Outros fatores que interferem na dinâmica de abertura dos estômatos são a quantidade e qualidade da radiação incidente, a temperatura, o vento, a nutrição, a umidade e a disponibilidade de água no solo (LARCHER, 2000). A exposição a níveis elevados de CO2 além de causar fechamento dos estômatos, diminui a freqüência estomática de futuras folhas no mesmo indivíduo.
As florestas ombrófilas tropicais mantêm um dossel fechado e compartimentalizado diferindo do padrão de comportamento de parâmetros micro-climáticos encontrados ao redor de folhas no mesmo indivíduo, e no interior da floresta. Almeida (2005), em um trabalho com fluxo de Hg na Amazônia, aponta para as diferenças refletidas no comportamento atmosférico do mercúrio em microclimas específicos. Mostrou que a concentração atmosférica no interior do dossel é menor do que em áreas abertas. Na literatura há alguns trabalhos que correlacionam as concentrações foliares de Hg com fatores climáticos, porém somente foi abordada a temperatura e a pluviosidade (SILVA-FILHO et al;. 2006). Fatores da biota e de micro-clima ainda são pouco relacionados, havendo somente trabalhos que medem o fluxo de Hg entre folha e atmosfera dentro de câmaras fechadas com alguns parâmetros controlados (GRAYDON et al.,2006; MILLHOLLEN et al., 2006a)
A hipótese mais aceita é que a entrada de Hg nas folhas ocorre pelos estômatos, cerca de 50-80% de todo o aporte de Hg atmosférico na área florestal é derivado deste mecanismo (Figura 2) (REA et al., 2001; SCHWESIG; KREBS, 2003; ST-LOUIS et al., 2001). As vias de entrada cuticulares e seiva acima (raíz-folhas) são desprezíveis (BISHOP et al, 1998; ST-LOUIS et al, 2001), sendo desconsideradas também neste estudo. Apesar disso, valores de fluxo bidirecionais são encontrados nas câmaras de teste, indicando que o Hg é constantemente adsorvido e re-emitido da folha (HANSON et al., 1995; MILLHOLLEN et al., 2006).
Com relação ao seqüestro de Hg, é sugerido um ponto de compensação (HANSON; LINDBERG, 1995). Cada espécie vegetal sorveria Hg quando sua concentração estivesse acima do ponto de compensação (um valor atmosférico de Hg específico para cada espécie vegetal), ou, cederia para o ambiente quando houvesse taxas menores do que o seu ponto ou ainda, dentro dos limites do ponto de compensação, haveria uma faixa de Hg atmosférico onde o balanço da troca seria neutro.
Por outro lado, Millhollen e colaboradores (2006b) apontam para a possibilidade de todos os sítios de adsorção nas folhas ficarem saturados acima de 10 ng.m-3 de exposição ao Hg0. Esses fatores, sem desconsiderar a difusibilidade dos gases no interior do tecido vegetal e o movimento estomático, evidenciam uma faixa estreita para a absorção. Ou seja, quanto menor o ponto de compensação e maior o de saturação, maior será o intervalo de captura, onde estariam as plantas com alto poder seqüestrador, resultando num balanço final positivo entre a captura e a evasão, acarretando em acúmulo crescente ao longo do tempo (GRIGAL, 2002). Logo o fluxo de Hg na serapilheira deverá variar segundo o clima, fator limitante do
estado ecofisiológico da floresta, proveniente de uma longa adaptação aos nutrientes disponíveis.
FIGURA 2 - Esquema mostrando as diversas vias do Hg no dossel (adaptado de ST.-LOUIS et al., 2001)
1.2.5. O ecossistema florestal e a poluição atmosférica
Na Mata Atlântica do Sudeste brasileiro é significativo o crescimento atingido pela floresta das encostas voltadas para o oceano, principalmente a face voltada para o Sul (OLIVEIRA et al., 1995). A Mata Atlântica, assim como outras Florestas Tropicais, possui solos pobres em fito-nutrientes e, depende em parte da entrada destes elementos através da atmosfera, para seu balanço nutricional (WARING, 1985). A floresta é dependente também da reciclagem e de outros mecanismos conservadores para manter os nutrientes biodisponíveis dentro do compartimento florestal, sendo capaz de minimizar a lixiviação constante destes elementos dos ecossistemas tropicais. Através desta entrada, elementos poluentes ou não são incorporados como Br, Ca, Co, Cs, Hg, K, Na, Pb, Rb, Sr and Zn (DE FRANÇA et al., 2004; OLIVEIRA et al., 2006) tanto através da deposição úmida quanto da seca.
As conseqüências da poluição atmosférica nos ecossistemas florestais podem manifestar-se pela eliminação de espécies sensíveis à contaminação do ar; pela eliminação seletiva de plantas emergentes; pela redução da produção de biomassa, diminuindo o estoque de nutrientes disponível no ecossistema, e pela maior incidência de pragas e doenças
(KOZLOWSKI 1980). Dependendo da carga de poluição, a comunidade florestal pode sofrer grandes alterações na sua estrutura florística, resultando num empobrecimento da biodiversidade dos ecossistemas, diminuindo os valores de densidade, altura e dominância das árvores que, em conseqüência, provocam uma diminuição da biomassa aérea e subterrânea (LIMA, 1980). Esses desdobramentos ocorrem devido à fotossíntese ser o processo metabólico mais atingido pelos efeitos da poluição atmosférica (INOUE; REISSMANN, 1991)
Os ecossistemas florestais envolvidos em poluição são submetidos às tensões dos efeitos fitotóxicos diretos dos poluentes do ar, causados pelo aumento dos processos erosivos, pelo aumento da lixiviação de nutrientes, pela redução do pH, levando a um agravamento dos processos de degradação do ambiente, o que pode tornar-se um processo irreversível. Na figura 3, verificam-se as tensões resultantes dos efeitos diretos dos poluentes do ar sobre as
florestas como possíveis tensores:
FIGURA 3 - Esquema das principais alterações provocadas pela poluição do ar na região da Mata Atlântica, em Cubatão-SP. Adaptado de POMPÉIA, 1998.
Um exemplo de tensor ambiental é a chuva ácida, em que elementos não reativos se transformam em espécies químicas reativas, acarretando a entrada de uma série de poluentes atmosféricos. Porém, o Hg foliar é composto em sua maioria por Hg0, disponibilizado pela deposição seca. Sua passagem pela cutícula da epiderme foliar pode ser composta por diversas camadas, como mostra a figura 4, existentes na superfície com estruturas químicas e morfológicas interespecificamente diversas. Já as células da parede da câmara subestomática são finas facilitando as trocas gasosas (Figuras 5 e 6). Segundo Miller & Mc Bride (1975), durante os processos de absorção de CO2 e de liberação de vapor de água, na presença de luz, outros gases presentes próximo à folha serão também absorvidos pelos estômatos.
FIGURA 5: Disposição do estômato na superfície foliar e suas partes. Adaptado de: COSTA, 2007.
FIGURA 6 - Interação entre as moléculas dos poluentes gasosos com a folha. Fonte: Silva-Filho, 1988.
A quantidade de poluentes atmosféricos transferidos para o interior da folha é controlada por uma série de resistências:
1) atmosférica, sendo alguns dos fatores controladores a velocidade de vento, tamanho e geometria da folha, difusividade e viscosidade do gás; e segundo Hanson et al. (1995), no caso do mercúrio, depende inversamente da carga deste elemento na atmosfera. Ou seja, quanto maior a pressão parcial de Hg no ambiente menor será a resistência atmosférica para a entrada na folha.
2) estomática, que é regulada pela abertura dos estômatos, sendo influenciada pelo déficit hídrico, concentração de CO2, estado nutricional da planta, intensidade luminosa e também pelo déficit de pressão de vapor na atmosfera;
3) mesofílica, regulada pela solubilidade do gás na água, difusão líquida do gás e metabolismo das folhas (SILVA-FILHO, 1988).
Portanto, um momento ótimo da troca gasosa estomática está nas manhãs ensolaradas e com suprimento de água abundante, acontece quando a radiação solar incidente na folha favorece altas taxas de fotossíntese, já que a demanda por CO2 dentro da folha é alta e por isso o poro estomático permanece amplamente aberto. De noite quando não há fotossíntese e, portanto, não há demanda por CO2 dentro da folha, a abertura estomática fica pequena ou fechada. Como demonstrado por Frescholtz e Gustin (2004) em um experimento com câmaras para análises das trocas gasosas, foram encontrados fluxos próximos a zero durante a noite em uma espécie de angiosperma do gênero Aspen. Já em uma gimnosperma estudada do gênero
Pinus foram encontrados fluxos presentes, ainda que menores do que os diurnos, mesmo
durante a ausência da fotossíntese, justificado pela disposição e maior eficiência no fechamento dos estômatos do primeiro grupo. Na maioria das plantas do grupo das angiospermas os estômatos ficam na parte inferior da folha (abaxial) facilitando sua proteção.
O advento da industrialização tem levado a significantes aumentos na emissão global de substâncias gasosas (CO, NOx , CH4, etc.) e material particulado atmosférico. A concentração atmosférica de muitos elementos traços tem sido significativamente afetada por atividades antropogênicas (AL-MOMANI, 2003), o mercúrio, por exemplo, aumentou 3 vezes seu nível de background atmosférico devido a fontes antropogênicas, em um período muito curto, como anteriormente citado (US-EPA, 1997).
Todo esse rápido acréscimo da carga atmosférica de poluentes pode representar, considerando as devidas proporções, um grande desafio para a biota exposta, principalmente pelo tempo de vida dos indivíduos de grande porte dos ecossistemas florestais que podem não acompanhar a velocidade desta mudança atmosférica em seu metabolismo. Como, até agora não se conhece nenhuma utilidade deste elemento para as plantas e muito provavelmente pela não abundância deste elemento na natureza e em processos co-evolutivos com a vegetação (Figura 7), não há via bioquímica de saída exclusiva para ele, produzindo assim acumulação nas folhas por onde predomina sua entrada. A fotossíntese, ocorrida principalmente nas
folhas, é o principal processo metabólico afetado por contaminação de mercúrio em testes in
vitro e in vivo, porém quantidades muito acima do background foram utilizadas (> 20ppm)
(PATRA; SHARMA, 2000). Os cátions de mercúrio parecem estar intimamente ligados aos grupos sulfidrilas –SH, presentes em todo o arcabouço de aminoácidos que constituem as células. Porém, somente a inibição da catalase foi comprovada pela exposição ao vapor de mercúrio, igualmente em quantidades extremas (PATRA; SHARMA, 2000).
FIGURA 7 - Sistema Biológico dos Elementos construído a partir da correlação de dados da função fisiológica dos elementos individuais em organismos vivos, do desenvolvimento evolutivo do ambiente inorgânico e de informações da absorção dos elementos pela planta (molécula simples ou troca de íons). Os elementos H e Na exercem várias funções no sistema biológico, por isso não são fixos no sistema. Outros não foram posicionados devido à ausência de informações. (Fränzle; Markert, 2000 apud De França, 2006.)
As plantas tolerantes bioacumuladoras de mercúrio possuem grande potencial para a fitoremediação de solos contaminados, inclusive há ensaios bem sucedidos mostrando a potencialidade de plantas modificadas geneticamente em reduzir Hg(II) para mercúrio elementar, espécie mais inerte (RUGH et al, 1998).
1.2.6 A fisiologia vegetal e a deposição da serapilheira
A serapilheira é composta pelas partes do vegetal caídas no solo, coletivamente composta de folhas, galhos e elementos reprodutivos. A queda das folhas por senescência é um processo controlado pela planta, que ou sazonalmente (decíduas) ou intermitentemente separa suas folhas do caule, preparando assim o indivíduo para as restrições climáticas de determinada estação, para as restrições fisiológicas de uma fenofase específica e para o próprio crescimento do indivíduo. Em caso de estresse hídrico, essa separação também ocorre evitando perdas excessivas de água. A disponibilidade luminosa também é, responsável pela reorientação da área de cobertura do dossel, em detrimento de outras partes que se atrofiam. A separação não natural pode ocorrer devido a ventos muito fortes ou por parasitas e predadores, porém muito pouco representativo na produção da serapilheira.
Segundo Raven et al (2001), a abscisão das folhas é desencadeada pela inibição da auxina juntamente com a produção de etileno, um gás fitorregulador (hormônio vegetal) que desencadeia um processo enzimático responsável pela transferência de elementos, aminoácidos e carboidratos para outras partes ainda vivas da planta. A formação de um conjunto de células na base da folha, chamada zona de abscisão é responsável pelo rompimento desta separando a folha do caule. Isso garante à planta o estoque de alguns nutrientes importantes e concentra outras moléculas que podem ter relevantes interações ecológicas com as outras espécies, como por exemplo, através da alelopatia (inibição de crescimento de outras espécies no solo atingido pela serapilheira) ou do recrutamento de fauna específica. Esta “maquinaria” florestal pode ser comparada a filtros atmosféricos descartáveis com área de superfície e peculiaridades anatômicas diversas.
As folhas das árvores das florestas tropicais exibem diferentes características morfológicas e anatômicas, variando estas formas até entre espécies de um mesmo gênero. As folhas deste bioma podem exibir um grande número de tricomas (“pêlos foliares”) e outras estruturas anatômicas em sua epiderme celular. Além disso, podem apresentar rugosidades na camada mais externa da folha (Figura 4) devido a formação de ceras epicuticulares com diversas composições químicas. Todas estas peculiaridades influenciam a adsorção e dessorção de elementos na superfície foliar, ou seja, na concentração total de um elemento por grama de folha analisada.
Outro ponto que evidencia a contribuição da diversidade dos trópicos sobre os altos valores de Hg foliar é a correlação positiva entre a concentração de mercúrio e o tempo de vida das folhas para espécies das zonas temperadas e boreais (MILLHOLLEN, 2006b).
Apesar de não existir estudos em zonas tropicais para esta variação temporal, o mesmo processo de acúmulo progressivo deve estar acontecendo. Essa absorção foliar é deveras usada já na agricultura tradicional, principalmente em espécies tropicais onde há mais densidade de poros nas folhas do que em espécies das zonas temperadas e boreais. Em locais onde há uma diversidade fenológica interespecífica bem maior como nos trópicos, é provável que existam também, grandes diferenças entre as concentrações por espécie, já que as folhas de cada espécie teriam tempos de vida distintos. Portanto, a serapilheira corresponde a um filtro onde se encontra o registro temporal (aproximadamente de 1 ano nas decíduas e >1 ano para as não decíduas) do acúmulo de Hg atmosférico referente ao período de vida das folhas oriundo de um equilíbrio dinâmico da troca gasosa com a atmosfera do fluxo de Hg estomático.
O monitoramento da dinâmica da serapilheira tem sido um dos métodos mais utilizados para avaliar a produtividade florestal e o fluxo de Hg por ser um método não destrutivo e, quando associado a outros dados ecológicos, permite avaliar a resposta da floresta às alterações ambientais. Na região Sudeste brasileira, estudos da dinâmica da serapilheira em áreas protegidas de Mata Atlântica com diferentes históricos de uso reportaram valores de deposição de serapilheira que variam de 6,0 t. ha-1.ano-1 até valores superiores a 11,0 t. ha-1.ano-1 (ABREU, 2006; CUSTODIO-FILHO et al., 1997; DINIZ; PAGANO, 1997; MARTINS; RODRIGUES, 1999).
1.2.7. A transpiração e a abertura estomática
A transpiração, também chamada de “mal inevitável”, pode ser extremamente danosa para uma planta. Isso pode acontecer quando a perda de água excede a absorção, retardando o crescimento e podendo levar o indivíduo a morte. Porém, além de arrefecer as folhas, deslocar a seiva com nutrientes e metabólitos e manter uma turgidez ótima onde as células trabalham a abertura estomática (Figura 8), por onde ocorre parte predominante da transpiração, e é responsável pela entrada do CO2 na planta, combustível, da fotossíntese. Por isso para a planta viver ela tem que deslocar água dos solos para a atmosfera (RAVEN et al., 2001). O que compensa essa perda e otimiza a absorção de CO2 é um complexo sistema fisiológico, montado sobre um arcabouço genético e morfológico, que responde: ao clima, a disponibilidade da entrada de nutrientes do solo/ar e a disponibilidade qualitativa e quantitativa de luz recebida por cada folha do individuo.
FIGURA 8 – Fotomicrografias eletrônicas de um estômato aberto (A) e fechado (B). Retirado de: RAVEN et al., 2001.
Todos os fatores exógenos e endógenos que afetam a transpiração estão sujeitos a alterações durante o dia, originando uma periodicidade diurna na taxa a que este processo ocorre. Para a maior parte das plantas durante a noite a taxa de transpiração é geralmente baixa, perto de zero, aumentando depois do nascer do sol até atingir um máximo ao meio-dia. Na parte da tarde a transpiração começa a diminuir até atingir, ao entardecer, os valores mínimos semelhantes aos da noite.
O crescimento e desenvolvimento de árvores in situ experimentam períodos ocasionais de stress hídrico dependendo da habilidade do estômato em controlar a perda de água enquanto mantém o crescimento. Mesmo quando o potencial hídrico das células (a capacidade que a célula têm para receber a água através de uma gradiente) diminui drasticamente, devido à perda de turgidez ou diminuição do potencial osmótico, o sistema contínuo de água na planta permite o fornecimento de água para as células nos locais de evaporação (MEIDNER; SHERIFF, 1976). A taxa de transpiração pode ser mantida até ser alcançada uma quantia crítica de umidade do solo (DUNIN; ASTON, 1984), após esse ponto haveria a queda das taxas de transpiração. Quando o potencial hídrico da folha decresce, a abertura estomática diminui, reduzindo a transpiração e permitindo que o potencial hídrico foliar se restabeleça. O potencial hídrico foliar per se não é o transdutor desta resposta estomática perante o estresse hídrico (GOLLAN et al., 1986; HINCKLEY et al., 1978), mas em geral, normalmente há um intervalo onde o potencial hídrico foliar varia sem que haja alterações na condutância estomática. Quando um determinado limite do potencial hídrico é alcançado, a fotossíntese
A B
declina por respostas enzimáticas, a concentração de CO2 interno então aumenta e o estômato fecha de um modo linear ou curvilíneo até a condutância estomática aproximar-se de zero (SCHULTE et al., 1987; WANG et al., 1988; DE LÚCIA; HECKATHORN, 1989).
2 JUSTIFICATIVA:
Através deste estudo espera-se contribuir para o conhecimento científico da ciclagem do Hg nas florestas tropicais, visto que há uma grande carência deste estudo para este bioma, comparado às pesquisas realizadas em florestas temperadas e boreais. A quantificação do Hg em serapilheira tropical, por exemplo, foi feita apenas em sete levantamentos, quatro destes na Floresta Amazônica e apenas três referentes à Mata Atlântica (FOSTIER et al., 2003; OLIVEIRA et al., 2006; SILVA-FILHO et al., 2006). Assim, espera-se gerar dados para futuramente se estimar a quantidade de Hg estocada no solo a longo prazo pelo processo fenológico das florestas tropicais testando possíveis correlações com parâmetros meteorológicos e botânicos, tais como precipitação, temperatura, densidade estomática e área foliar, que estariam atuando nas altas taxas de Hg encontradas na serapilheira tropical.
Esta abordagem quantitativa é de suma importância, pois conhecendo o ciclo deste elemento, e suas vias de entrada, poderá ser avaliada a origem das altas concentrações do Hg estocado nos solos florestais, que por sua vez, ao ser lixiviado ou erodido o libera para os cursos d’água onde pode se metilar novamente no sedimento e biomagnificar-se ao longo da cadeia trófica até chegar no pescado, fonte de alimento humano. O mercúrio também pode ser liberado em estado gasoso para a atmosfera através das queimadas, que atingem facilmente o estoque da serapilheira. Logo, o estudo do ciclo do Hg é fundamental para predizer o impacto potencial sobre os seres humanos, bem como avaliar a qualidade de vida para toda a biota.
Estes dados acrescentam também detalhes à pesquisa de base para a preservação, conservação e valoração da Mata Atlântica, que é tida como um hotspot (MYERS et al., 2000), título dado a uma área fortemente ameaçada, com alto grau de endemismo, que abriga muitas espécies não encontradas em nenhum outro lugar do mundo. Atualmente, dos 1.300.000 km2 que cobriam o território brasileiro pré-colonial, apenas 8% de mata original pode ser encontrada. Hoje, a maioria dos animais e plantas ameaçados de extinção no Brasil são encontrados na Mata Atlântica. A situação é agravada pelo fato da região sediar tanto os centros urbanos mais povoados como os grandes centros industriais e de silvicultura do país. Aproximadamente 80% do PIB do Brasil são gerados na região da Mata Atlântica, onde vivem mais de 70% dos 170 milhões de brasileiros. Apesar disso, a Mata Atlântica brasileira possui uma taxa de biodiversidade relativa mais elevada que a da Amazônia, sua diversidade de plantas lenhosas pode chegar, em um único hectare, a 454 espécies como no sul da Bahia (THOMAS et al., 1998). Somente em plantas vasculares, das 20.000 espécies, 8.000 são endêmicas (MYERS et al., 2000).
3 OBJETIVOS
:
• Determinar a concentração de mercúrio elementar na serapilheira durante um ano. • Estimar o fluxo de mercúrio através da deposição de serapilheira.
• Avaliar também, a influência dos parâmetros climatológicos na concentração de mercúrio encontrado na serapilheira.
• Analisar a concentração de mercúrio foliar de cinco espécies representativas e testar a correlação destes valores com parâmetros da anatomia e morfologia gerados também neste estudo.
• E, realizar o levantamento das possíveis fontes locais de Hg atmosférico, através do estudo da direção e velocidades dos ventos.
4 ÁREA DE ESTUDO
O Parque Estadual da Pedra Branca (PEPB) está localizado na região Metropolitana do Rio de Janeiro (Figura 9), que congrega 17 municípios ocupando 11% da área total do Estado e concentra, numa superfície de pouco menos de 4.690 km2, uma população de 11 milhões de pessoas, cerca de 70% do Estado, dos quais 54% vivem no município do Rio de Janeiro. Das regiões metropolitanas existentes no país, a do Rio de Janeiro é a que apresenta a maior densidade demográfica, aproximadamente 2.285 hab/km2, e é a de maior grau de urbanização, 96,8%, responsável pela geração de cerca de 80% da renda interna do Estado e de 13% da nacional. É reconhecida como a segunda maior concentração de população, de veículos, de indústrias e de fontes emissoras de poluentes do país, gerando sérios problemas de poluição do ar (FEEMA, 2006).
FIGURA 9 – Mapa destacando a Zona Oeste da cidade do Rio de Janeiro, mostrando a área do PEPB e da are de estudo. Modificado de: OLIVEIRA, 2004
A geologia da região é caracterizada nas partes mais baixas pela presença de ampla faixa de gnaisse melanocrático, enquanto que nas mais elevadas por granitos de diversos tipos. O substrato rochoso é superficial e os afloramentos são relativamente comuns. O tipo climático da região do maciço da Pedra Branca é sub-úmido, com pouco ou nenhum déficit de
água, megatérmico, com calor uniformemente distribuído por todo o ano. A baixada de Jacarepaguá, onde se encontra a região segundo a classificação de Köppen, acha-se incluída no tipo Af, ou seja, clima tropical quente e úmido, sem estação seca, com 60 mm de chuvas no mês mais seco (agosto). Durante o período estudado apresentou 47 mm e 54 mm em julho e agosto respectivamente. A região, durante novembro de 2005 e outubro de 2006 obteve pluviosidade de 1.620 mm e a temperatura média anual foi de 23,7 oC.
As matas que revestem o grande anfiteatro montanhoso do Camorim (Figura 10) fazem parte da Floresta Ombrófila Densa Submontana (VELOSO et al., 1991) e, em termos legais, encontram-se protegidas pela criação, em 1974, do Parque Estadual da Pedra Branca, onde se localiza o Pico da Pedra Branca, com 1024 m, ponto culminante do município do Rio de Janeiro. O que auxiliou fisicamente à sua permanência ao longo dos anos que sucederam a chegada dos europeus no Brasil com a urbanização da cidade do Rio de Janeiro. Dada à amplitude de tempo e intensidade de ocupação, muito possivelmente a maior parte destas florestas tenha tido mais de um uso, pelo menos a partir do período colonial. No entanto, pelo fato de este trecho da serra do Mar ser constituído por encostas voltadas para o sul, a recomposição da floresta geralmente se dá em tempo relativamente curto, em função da maior disponibilidade de água no sistema e do menor grau de insolação (OLIVEIRA et al., 1995).
O local de estudos foi uma área de encostas íngremes, com declividade média de 40º, na vertente sudeste do Pico Itaiaci, na Floresta do Camorim, localizado na zona oeste do município do Rio de Janeiro. Trata-se de uma floresta secundária com 50 anos aproximadamente (Figura 11). Na área estudada, a profundidade média do solo é de 50 cm e, com relação ao conteúdo de nutrientes, podem ser classificados como oligotróficos (OLIVEIRA et al., 2006). A estrutura da vegetação caracteriza-se por uma área basal relativamente baixa, de 26,2 m2.ha-1. A área de estudos localiza-se entre os 200 e 300 metros de altitude, dentro de uma área em forma de anfiteatro que constitui uma das cabeceiras do Rio Caçambe (PENNA-FIRME et al., 2001). Os perfis de solos levantados por Oliveira e colaboradores (2004) para a área de estudo revelaram um solo ácido, porém com baixos teores de alumínio e de acordo com o grau de saturação de bases (valor V), os solos do divisor de drenagem do Camorim no PEPB, podem ser considerados como distróficos (V < 50%) (Tabela 1).
FIGURA 11 – Bacia do rio Camorim e localização da área de estudo no vale do rio Caçambe, maciço da Pedra Branca, Rio de Janeiro. Modificado de Oliveira, 2004.
TABELA 1 – Principais características químicas do solo na área de estudo do Parque Estadual da Pedra Branca (RJ). Médias de quatro repetições feitas com amostras compostas.
pH Al Ca Mg Na K H+Al P S T V N Hg “Oi”
H20 cmolc/dm³ mg/dm³ cmolc/dm³ mg/dm³ cmolc/dm³ % µg/g 4,8 0,17 2,1 0,8 9,5 89 4,7 1,8 3,2 7,9 33,3 1,4 0,19
Fonte: OLIVEIRA et al., 2004.
A análise fitossociológica foi realizada por Solórzano et al. (2005) na área em questão onde foram empregadas as fórmulas apresentadas por Mueller-Dombois e Ellenberg (1974) para densidade, freqüência e dominância e valor de importância (VI). A dominância foi considerada como a área basal ou área da seção do tronco a 1,3 m do solo. A estimativa da diversidade foi obtida utilizando-se o índice de diversidade de Shannon, descrito em Magurran (1988). Foi utilizado como critério de inclusão os indivíduos como diâmetro superior a 5 cm a 1,3 m do solo.
O mesmo autor, em uma área amostral de 2.500m2, registrou 92 espécies arbóreas subordinadas a 34 famílias, com uma média de altura correspondente a 9 m, com P.A.P. > 15 cm (perímetro à altura do peito) e área basal de 26,2 m2 ha–1. Dez espécies dominaram a composição florestal (Piptadenia gonoacantha, Cordia trichotoma, Metternichia princeps,
Colubrina glandulosa, Alchornea iricurana, Miconia tristis, Chrysophyllum flexuosum,
Guapira opposita, Senefeldera multiflora e Allophylus sericeus) representando 47,7% de
dominância relativa por espécie (SOLÓRZANO et al., 2005). Estes valores servem como base para a identificação do Valor de Importância (VI) das espécies presentes. Este parâmetro é formado pelo somatório dos valores relativos de densidade, freqüência e dominância das espécies, e estão disponíveis na tabela 2.
TABELA 2 – Parâmetros fitossociológicos das cinco espécies mais bem rankeadas segundo o valor de importância, amostradas no Parque Estadual da Pedra Branca, Rio de Janeiro (RJ).. N = número de indivíduos amostrados; DRs = densidade relativa por espécie (%); ABs = área basal da espécie (m2); DoRs = dominância relativa por espécie (%); FR = freqüência relativa (%); VI = valor de importância; VC = valor de cobertura.
Familia Espécie N DRs DoRs FR VI VC
Leguminosae Piptadenia gonoacantha
(Mart.) J.F.Macbr. 27,0 6,6 19,4 6,0 32,0 26,0
Boraginaceae Cordia trichotoma
(Vell.) Arrab. ex. Steud. 25,0 6,1 3,4 3,9 13,5 9,6
Solanaceae Metternichia princeps Mik.
19,0 4,7 3,8 2,5 10,9 8,5
Sterculiaceae Colubrina glandulosa Perkins
17,0 4,2 4,2 2,1 10,5 8,4
Euphorbiaceae Alchornea iricurana Casar. 11,0 2,7 4,2 3,2 10,0 6,9
Valores somados de todas as spp
do levantamento 308 100 100 100 300 200 Fonte: Oliveira et al., 2004.
5 – COLETA DAS AMOSTRAS
As amostras de serapilheira foram coletadas quinzenalmente, durante o início de novembro de 2005 ao final de outubro de 2006, tempo em que permaneceram os coletores em campo. Os coletores de resíduos florestais foram construídos a partir de caixotes de madeira com 50 cm de lado, com fundo de tela de polietileno com malha de 2 mm, adaptados de Proctor (1983). Cada um foi afixado ao solo por meio de estacas, posicionados a 0,7 m do chão da floresta, sendo utilizados 12 coletores espalhados de forma aleatória pela área amostral de 5000 m2.
As amostras de serapilheira foram separadas para pesagem do material seco, usando-se luvas descontaminadas, em folhas, galhos (menores que 2 cm de diâmetro) e materiais reprodutivos com resíduos (miscelânea de restos vegetais não identificáveis), e mantidas em estufa a temperatura menor que 60 oC até peso constante. As datas das coletas seguem discriminadas abaixo:
19/11/2005, 2/12/2005, 17/12/2005, 29/12/2005, 13/1/2006, 27/1/2006, 9/2/2006, 17/3/2006, 10/4/2006, 26/4/2006, 3/6/2006, 19/6/2006, 5/7/2006, 19/7/2006, 9/8/2006, 12/9/2006, 12/10/2006 e 2/11/2006
A partir dos valores de peso seco, foram calculadas as médias mensais em kg/ha da serapilheira total (serapilheira composta por todas as frações) e de suas frações, como também seus respectivos desvios. Após pesagem, as frações foram homogeneizadas, e então retiradas 2 gramas de serapilheira total de cada quinzena para mensurar as concentrações de Hg retirando-se as médias destas para a obtenção da concentração mensal. Para a correção dos meses em que houveram quinzenas subtraídas por problemas técnicos foram utilizadas as médias das concentrações da quinzena anterior e posterior a ausente. As folhas vivas também foram coletadas em duas ocasiões, após período de chuvas em dezembro de 2006 e 2007, para análises de parâmetros biológicos para correlação com a quantidade de Hg encontrada. A coleta do material botânico de cada indivíduo amostrado foi realizada utilizando uma tesoura de alta poda, com 5 m de altura. Quando necessária, para a subida nas árvores foi utilizada a técnica descrita por Oliveira; Zaú (1995). A identificação das cinco espécies botânicas,
Piptadenia gonoachanta, Metternichia principes, Alchornea iricurana, Cordia trichotoma e
Colubrina glandulosa, foram feitas por Solórzano e colaboradores (2005), por consultas a
especialistas ou por comparação em herbários institucionais, do Jardim Botânico do Rio de Janeiro e da Universidade Federal do Rio de Janeiro.
6 - ANÁLISE QUÍMICA
A determinação das concentrações totais de Hg foi feita a partir de 1.0g das amostras secas colocadas em uma bomba de Teflon e a partir de um ataque ácido de 3:1 HCl : HNO3 (LECHLER et al., 1997) a quente em sistema fechado para posterior determinação com um Espectrofotômetro de Absorção Atômica a Vapor Frio (EAA-VF) para a determinação do Hg, depois da redução do Hg2+ com SnCl2 (SILVA-FILHO et al., 2006). Brancos analíticos foram analisados em paralelo às amostras, sempre apresentando um sinal menor do que 0,5 %, contribuindo para a precisão do método. Para averiguar a exatidão do processo analítico, amostras de material certificado foram analisadas (NIST SRM 1515 – contituídas por folhas de macieiras), a média de 92 % foi encontrada para a recuperação das concentrações certificadas de Hg (n=12).
7 – ANÁLISE ESTRUTURAL DA VEGETAÇÃO 7.1 – PARÂMETROS ANATÔMICOS
As folhas foram coletadas em três plantas de cada uma das cinco espécies com os maiores Valores de Importância, de ocorrência espontânea em campo. De cada indivíduo foram coletadas 20 folhas do terço médio do dossel, completamente expandidas. As folhas foram armazenadas diretamente em FAA (ácido acético + formalina) 50% (KRAUS; ARDUIM, 1997) e transportadas ao laboratório de anatomia vegetal (LABES) do Departamento de Biologia Geral da UFF. De cada folha de cada uma das cinco espécies, foram obtidas duas amostras na região central, com aproximadamente 1cm2, da qual se contaram os estômatos referentes a uma área de 1mm2 visualizada ao microscópio. Estas amostras foram utilizadas, para clarificação e contagem dos parâmetros, gerando ao todo 40 observações por espécie.
As amostras foram clarificadas em álcool etílico 70% e branqueadas com solução de NaOH a 5% e em hipoclorito de sódio durante dois a três minutos. Após essa etapa, as amostras foram lavadas e desidratadas em série etílica progressiva, coradas com safranina (1% solução aquosa) e azul-de-astra e montadas em lâminas não permanentes com glicerina e vedadas com esmalte. Fotomicrografias das epidermes superior e inferior foram feitas em fotomicroscópio Olympus AX 70 e para a contagem dos estômatos por área e as medidas do ostíolo foram usados, o microscópio Leitz modelo Diaplan, conectado por placa gráfica de aquisição de imagem ao software Imaq Vision Builder da National Instruments.
Dessas lâminas foram obtidos o índice estomático, a densidade estomática, o comprimento do ostíolo e a densidade de tricomas nas superfícies adaxial e abaxial das cinco espécies observadas. O índice estomático (IE) foi calculado pela razão entre o número de estômatos e o número total de células da epiderme (número de estômatos + células epidérmicas) x 100.
8 - PARÂMETROS CLIMÁTICOS
Para verificar a influência da pluviosidade sobre a concentração e fluxo de Hg através da serapilheira foram utilizados dados de precipitações diárias registrados pela estação pluviométrica automática localizada no Bairro da Cidade de Deus, que dista aproximadamente 4 km em linha reta da área amostral e é operada pela Fundação Instituto de Geotécnica do Município do Rio de Janeiro (GEORIO) (22º58'16''O e 43º22'73''S). Os dados (atuais e normais climatológicas) de temperatura e direção e velocidade dos ventos, foram retirados da estação automática de Jacarepaguá que dista aproximadamente 5,5 km da área amostral e é operada pela FEEMA-RJ (22º59'16''O e 43º22'13''S).
9 - RESULTADOS E DISCUSSÃO
Os resultados referentes à massa de serapilheira depositada mensalmente, massa da fração folhas e a concentração de Hg na serapilheira da floresta do PEPB, podem ser vistos aqui resumidos na tabela 3. As análises estatísticas dos dados de todo este trabalho, como médias, desvio padrão, testes de correlação “r” de Pearson e teste de comparação entre médias “t” de Student, foram realizadas com o auxílio do software STATISTICA for Windows – versão 5.1.
TABELA 3 – Médias mensais das deposições de serapilheira, do fluxo de Hg e de sua concentração foliar encontradas neste estudo.
Massa de serapilheira depositada (t/ha.ano) [Hg] (ng/g) na serapilheira total Massa de Hg depositada na serapilheira (µg/m2.mês) Massa de Hg depositada na fração foliar * (µg/m2.mês) Nov 4,7 192 7,5 5,2 Dez 6,2 225 11,6 8,6 Jan 7,0 167 9,8 7,6 Fev 7,4 279 17,4 15,5 Mar 11,0 258 23,8 21,9 Abr 9,0 323 24,4 20,3 Mai 3,2 234 6,3 4,3 Jun 2,9 226 5,5 4,1 Jul 4,7 210 8,2 7,2 Ago 10,1 210 17,7 15,4 Set 14,0 192 22,6 19,6 Out 10,3 333 28,9 24,9 Méd. 7,6 237 15,3 12,9 D.P. 3,4 51 8,1 7,5
* estimado a partir da porcentagem da fração folhas sobre a [Hg] da serapilheira total
9.1 O FLUXO DE SERAPILHEIRA
O fluxo total acumulado de serapilheira no período do estudo foi estimado em 7,6 t.ha -1.ano-1, sendo dividido em: 83,7% folhas, 10,1% galhos, 6,2% elementos reprodutivos mais resíduos. Em um levantamento feito por Abreu (2005) a média retirada de 16 artigos sobre deposição de serapilheiraem diversas regiões do Sudeste Brasileiro (Tabela 4) apontou para uma fração de folhas de 68,2% ± 5,5, diferenciando estatisticamente (p=0,01) do encontrado pelo presente trabalho no período estudado.
TABELA 4 - Média da deposição de serapilheira em 14 áreas de Mata Atlântica no Sudeste do Brasil.
Adaptado de: Abreu et al., 2005.
A produção elevada da fração folhas revela a grande influência deste parâmetro sobre a deposição total da serapilheira. A fração galhos e elementos reprodutivos contribuiram significativamente abaixo da média quando comparadas aos valores de outras regiões do Sudeste brasileiro (Tabela 4). Custódio Filho e colaboradores (1997) consideram que tempestades poderiam acarretar em maior queda de ramos e elementos reprodutivos. Apesar de o período estudado ter aproximadamente 30% das chuvas anuais concentradas acima da faixa dos 50mm diários, o que em um ano com 1620 mm acumulados pode ser considerado eventos de chuvas fortes. A estrutura e a composição da vegetação são fatores que podem explicar esta alta produção de folhas na área. Solórzano et al. (2005), estudando a composição fitossociológica das mesmas áreas amostrais do presente trabalho verificou no divisor de drenagem a ocorrência de 91 espécies/ha e um índice de Shannon de 3,98, o grande número de espécies no divisor de drenagem levaria a uma maior diversificação da fisionomia das copas e folhas, o que se traduziria num melhor aproveitamento da luz na área do divisor de drenagem e, portanto, numa alta produtividade (JANZEN, 1980; ABREU, 2006).
Os meses com os maiores e menores fluxos foram setembro (1,2 t.ha-1ano-1) e junho de 2006 (0,2 t.ha-1ano-1) (Figura 12) respectivamente. Se considerarmos a área florestada do PEPB como a área total do Parque (12.398 ha) teremos aproximadamente 9,4 x 104 t de serapilheira produzida anualmente por este remanescente florestal da Mata Atlântica.
0 20 40 60 80 100 120 140 n o v /0 5 d e z /0 5 ja n /0 6 fe v /0 6 m a r/0 6 a b r/0 6 m a i/0 6 ju n /0 6 ju l/0 6 a g o /0 6 s e t/0 6 o u t/0 6 d e p . s e ra p il h e ir a ( g m -2 )
FIGURA 12 - Variação anual da deposição da serapilheira do PEPB, Rio de Janeiro
9.2 A CONCENTRAÇÃO DE MERCÚRIO NA SERAPILHEIRA
A média anual da concentração de Hg na serapilheira depositada no período de novembro de 2005 até outubro de 2006 na floresta do Camorim, PEPB, foi de 238+ 52 ng g-1, tendo como valor mensal mínimo 167 ng g-1 e máximo de 334 ng g-1 (Figura 13), pertencentes ao mês de janeiro e outubro respectivamente. As maiores concentrações de mercúrio na serapilheira foram observadas nos meses de fevereiro a abril e em outubro de 2006.
0 50 100 150 200 250 300 350 400 n o v /0 5 d e z /0 5 ja n /0 6 fe v /0 6 m a r/0 6 a b r/0 6 m a i/0 6 ju n /0 6 ju l/0 6 a g o /0 6 s e t/0 6 o u t/0 6 c o n c e n tr a ç ã o d e H g n g g -1
