FABIO TREVISOL MARCELO ROSALES MORI MÁRCIO JO SÉ DANT AS D A SILVA
SISTEM A DE CONTROLE E MO NITORAÇÃO DOS FATORES
DETERMINÍSTICOS PARA O DESENVOLVIMENTO DE
MACRÓFITAS AQUÁTICAS EM AQUÁRIOS
TRABALHO D E CON CLUSÃO D E CU R SO
CURITIBA 2014
MARCELO ROSALES MORI MÁRCIO JO SÉ DANT AS D A SILVA
SISTEM A DE CONTROLE E MONITORAÇÃO DOS FATORES
DETERMINÍSTICOS PARA O DESENVOLVIMENTO DE
MACRÓFITAS AQUÁTICAS EM AQUÁRIOS
P ro je to a p re sen tad o co mo p ré -re q u isito p a ra o Tra b a lho d e Co n clu sã o de Cu rso d e g ra du a ção , do Cu rso S up e rio r de Te cn o lo g ia e m A u to ma çã o In d u stri a l do De p a rta me n to A ca d ê mico de E le tro té cn ica – DAELT – da Universidade Te cn o ló g ica Fed e ra l d o P a ra ná – UTFPR. Orie n ta d o ra : P rof .ª Ro sâ ng e la W in ter MS c.
CURITIBA 2014
MARCELO ROSALES MORI
MÁRCIO JOSÉ DANTAS DA SILVA
SISTEMA DE CONTROLE E MONITORAÇÃO DOS FATORES
DETERMINÍSTICOS PARA O DESENVOLVIMENTO DE
MACRÓFITAS AQUÁTICAS EM AQUÁRIOS
Este Trabalho de Diplomação foi julgado e aprovado como requisito parcial para a obtenção do Título de Tecnólogo em Automação Industrial do Curso Superior de Tecnologia em Automação Industrial da Universidade Tecnológica Federal do Paraná.
Curitiba, 03 de Outubro de 2014
____________________________________ Prof. José da Silva Maia, M.Eng.
Coordenador de Curso
Departamento Acadêmico de Eletrotécnica
____________________________________ Prof. Rafael Fontes Souto, M.Sc.
Responsável pelo Trabalho de Diplomação da Tecnologia Departamento Acadêmico de Eletrotécnica
BANCA EXAMINADORA
________________________________ Profª. Rosângela Winter , M.Sc.
Universidade Tecnológica Federal do Paraná Orientadora
_____________________________________ Prof. Carlos Eduardo Fortes Gonzalez, Dr. Universidade Tecnológica Federal do Paraná
_____________________________________ Prof. Daniel Balieiro Silva, M.Eng.
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
_____________________________________ Prof. Marcelo Rodrigues, Dr.
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
MORI, Marcel o Rosal es, TR EVI SOL, F abi o, SILVA, Márci o José Dantas . Si ste ma de Control e e Moni toração dos Fatores Deter mi nísti cos para o Desenvol vi mento de Macrófi tas Aquá ti cas e m Aquári os. 2014. 133f. Trabal ho de Concl usão de Curso – Tecnologia em Automação Industri al , UTFPR – Universidade Tecnológica Federal do Paraná.
Esta pesqui sa é di reci onada a um ra mo do pai sagi smo que ve m ganhando notóri o destaque: o aquapaisagi smo. Nas úl ti ma s décadas, o trabal ho e dedi cação de di versos aquapai sagi stas vêm i mpul si onando esse setor, el evando -o a u m novo p ata mar. Desde então, a práti ca dessa ati vi dade, tanto por pessoas comuns, quanto por cri adores co m fi ns co merci ai s, ve m crescendo. Entretanto, di fi cul dades na manutenção do aquári o acaba m c o mpro metendo a sua bi ol ogi a, l evando al gumas vezes à perda daq uel e, gerando ao i nvés do l azer proporci onado pel o aquapai sagi smo, a frustração e pre juí zo do s adeptos. Assi m, a i ntegração de técni cas de aquapai sagi smo – adqui ri das e aperfei çoadas ao l ongo dos anos – com as novas tecnol ogi as da el etrôni ca, hardware e firmware é a base para nortear o presente trabal ho, cuja fi nali dade é desenvol ver um protóti po que i ntegre di versas tecnol ogi as. O protótipo te m o i ntui to de automati zar o moni tora mento e control e dos pri nci pai s parâmetros que i nter ferem n a quali dade da água de aquári os, a fi m de faci l i tar sua manutenção e estabi li dade, cri ando um a mbi ente mai s saudável para pei xes e pl antas. Este propósi to é ati ngi do por mei o de um si ste ma auto mati zado, versáti l e adaptável , que uni fi ca, de manei ra l ógi ca e si mpl i fi cada, as i nformações e m u m módul o de processa mento co m i nterface com o usuári o.
Palavras -c have: Aquapai sagi smo ; Si ste ma auto mati zado; Bi ol ogi a do
MORI, Mar cel o Rosal es . TR EVI SOL, F abi o. SILVA, Márci o José Dantas .
Control and Monitor ing System of Determin ist ic Factors fo r Development of Aquat ic Macrophytes in a quar iums. 2014. 133f. F ina l
Project – Industrial Automation Technology , UTFPR – Federal
Un ivers ity o f Technology - Parana.
This research is d ire cted to a branch of landscap ing that has been in the spotl ight: aqua scap ing. In the last decades, the work and dedicat io n of many aquascapers has been pushing this sector, ra is ing it to a ne w level. Since then, the pract ice of a quascaping has been increas ing , both by common people and by designers with commerc ial purposes. However, d iff icult ies in the ma inten ance of the a quar ium end u p compromis ing its b io logy, somet imes lead ing to it s ru in, generat in g frustration and loss rather than the l eisure prov ided by the a quar iu m hobby. That be ing so, the integrat io n of a quascap ing techn iques – acqu ired and improved over the years – with new technologies of electronics, hardware and firmware, is the basis for gu id ing th is study , whose purpose is to develop a pr ototype that integrates severa l technolog ies. The prototype a ims t o automate the monitor ing an d controll ing of the main parameters that affect the qual it y of the aquar ium water in order to make its maintenance and st ab il it y eas ier, creating a health ier env ironment for f ishes and plants. Th is purpose i s achie ved by means of an automated system, versatile and adaptable, that unif ies the informat ion in a proce ss ing module w ith user interface , in a log ical and s imp l if ied manner.
Key words : Aquascap ing ; Automat ed system ; Aquar ium b iology ;
Figura 1. Aquário plantado holandês ... 18
Figura 2. Aquário plantado estilo nature ... 19
Figura 3. Formas biológicas das macrófitas aquáticas ... 21
Figura 4. Espectro de absorção dos pigmentos fotossintético ... 23
Figura 5. Relação entre a concentração de nitrogênio nos tecidos e a capacidade .. 29
Figura 6. Produtividade de Egeria densa em diferentes concentrações de carbono . 30 Figura 7. Penetração da luz na água ... 31
Figura 8. Relação entre pH e kH ... 38
Figura 9. Fenômeno Pearling ... 39
Figura 10. Barramento I2C ... 40
Figura 11. Protocolo I2C ... 41
Figura 12. Sinais protocolo de comunicação RS232 ... 44
Figura 13. Níveis lógicos protocolo de comunicação RS232 ... 44
Figura 14. Sensor de CO2, Senseair K30 ... 45
Figura 15. Diagrama representativo do funcionamento do sensor NDIR ... 46
Figura 16. Sensor de potencial hidrogeniônico ... 47
Figura 17. Sensor de temperatura MLX90615 ... 48
Figura 18. Display de cristal líquido (LCD) da IHM ... 50
Figura 19. Conjunto de teclas para IHM ... 50
Figura 20. Circuito integrado PCF8574 ... 50
Figura 21. Esquema de alimentação do RTC ... 52
Figura 22. Válvula pneumática ... 53
Figura 23. Bobina para válvula ... 53
Figura 24. Ficha técnica válvula MFHB 3 1/8 ... 53
Figura 25. Acessórios para válvula pneumática ... 54
Figura 26. Shields conectadas sobre o Arduino ... 57
Figura 27. Arduino Mega 2560 ... 58
Figura 28. Módulo do controlador Arduino ... 60
Figura 29. Integração dos blocos à central de processamento ... 60
Figura 30. Montagem do RTC ... 61
Figura 31. Esquema elétrico de ligação do RTC ... 62
Figura 32. Lâmpada para iluminação artificial ... 62
Figura 33. Circuito de iluminação ... 63
Figura 34. Esquema elétrico de ligação da iluminação ... 63
Figura 35. Esquema de controle de CO2 ... 64
Figura 36. Sensor de CO2 ... 65
Figura 37. Esquema de monitoração do CO2 ... 66
Figura 38. Montagem shield de acionamento da bomba de ar ... 67
Figura 39. Esquema elétrico de ligação da bomba de ar ... 67
Figura 40. Esquema de injeção forçada de CO2 ... 68
Figura 41. Difusor, pedra porosa ... 69
Figura 42. Esquema elétrico de ligação da válvula ... 69
Figura 43. Sensor de pH conectado ao Arduino ... 70
Figura 44. Esquema elétrico de ligação do sensor de pH ... 70
Figura 45. Calibração pH 4,0 ... 71
Figura 46. Calibração pH 7,0 ... 72
Figura 49. Resistência de aquecimento ... 74
Figura 50. Circuito eletrônico para aquecimento ... 74
Figura 51. Teclado da IHM ... 76
Figura 52. Esquema elétrico de ligação do teclado ... 76
Figura 53. Esquema elétrico de ligação do display ... 77
Figura 54. LCD da IHM com circuito de ligação ... 78
Figura 55. Fonte 5 Vcc ... 78
Figura 56. Fonte 12 Vcc ... 79
Figura 57. Tela de configuração do pH ... 80
Figura 58. Tela de configuração do CO2 ... 80
Figura 59. Tela de configuração da temperatura ... 81
Figura 60. Tela de configuração do funcionamento do aerador ... 81
Figura 61. Tela de configuração da iluminação ... 82
Figura 62. Mensagem de erro para valores mínimo e máximo ... 82
Figura 63. Tela inicial ... 83
Figura 64. Leitura da EEPROM ... 83
Figura 65. Tela de redefinição de data/hora ... 83
Figura 66. Tela de confirmação de data/hora ... 84
Figura 67. Menu de configurações das variáveis ... 84
Figura 68. Fluxograma do software ... 86
Figura 69. Contagem de tempo ... 87
Figura 70. Módulo principal da estrutura mecânica ... 87
Figura 71. Localização do display na mecânica ... 88
Figura 72. Vista interna da mecânica principal ... 89
Figura 73. Face superior da estrutura mecânica ... 90
Figura 74. Câmaras de ar no aquário ... 90
Figura 75. Resistência de aquecimento 550 W / 220 V ... 93
Figura 76. Tempo de aquecimento da água ... 93
Figura 77. Testes do sensor K30 ... 94
Figura 78. Teste químico de kH ... 95
Figura 79. Medição do sensor K30 e teste químico ... 95
Figura 80. Estabilização na leitura do CO2 ... 96
Figura 81. Liberação de CO2 pelo aerador ... 97
Figura 82. Teste químico de CO2 ... 97
Figura 83. Comparativo da leitura do sensor de CO2 com teste químico ... 98
ACRÔNIMOS
ADA Aqua Design Amano
ATP Trifosfato de Adenosina CI Circuito Integrado
CID Carbono Inorgânico Dissolvido
EEPROM Electrically Erasable Programmable Read Only Memory
EIA Electronic Industries Association
IAPLC International Aquatic Plant Layout Contest
IBP International Biological Program
IDE Interface Integrada de Desenvol vi ment o IEEE Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos
I2C Inter Integrated Circuit
IHM Interface Humano Máquina
I/O Input/Output – Entrada/Saída
KH Carbonate Hardness / Dureza Carbonatada
LCD Liquid Crystal Display / Tela de Cristal Líquido
NA Normalmente Aberto
NADPH Nicotinamida Adenina Dinucleotídeo Fosfato NDIR Nondispersive Infrared
NF Normalmente Fechado
OEM Original Equipament Manufacturer
PH Potencial Hidrogeniônico
PID Proporcional Integral Derivativo
PWM Pulse Width Modulation / Modulação de Largura de Pulso
RTC Real Time Clock
RS 232 Recommended Standard 232
SCL Serial Clock Line
SDA Serial Data Line
TPA Troca Parcial de Água
1 INTRODUÇÃO ... 10 1.1 TEMA ... 11 1.1.1 Delimitação do Tema ... 13 1.2 PROBLEMAS E PREMISSAS ... 14 1.3 OBJETIVOS ... 15 1.4 JUSTIFICATIVA ... 16 1.5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS ... 17 2 AQUAPAISAGISMO... 18 2.1.1 Macrófitas Aquáticas ... 20
2.1.2 O Processo de Fotossíntese em Macrófitas Aquáticas ... 22
2.2 FATORES PRIMÁRIOS QUE DETERMINAM O DESENVOLVIMENTO DAS MACRÓFITAS ... 24
2.2.1 Limnologia ... 25
2.2.2 Nutrientes e Oligoelementos ... 27
2.2.3 A Luz - Propriedades e Características ... 30
2.2.4 Potencial Hidrogeniônico - pH ... 31
2.2.5 Ciclo do Nitrogênio ... 33
2.2.6 Temperatura ... 35
2.2.7 Quantidade de carbonatos e bicarbonatos dissolvidos na água - kH ... 36
2.2.8 Fenômeno Pearling ... 38
2.3 TECNOLOGIA, ESTRUTURA DE HARDWARE E PROTOCOLO DE COMUNICAÇÃO ... 40
2.3.1 Protocolo de Comunicação I2C ... 40
2.3.2 Protocolo de Comunicação RS232 ... 42
2.3.3 Sensor Detector de Dióxido de Carbono - NDIR ... 45
2.3.4 Sensor de Potencial Hidrogeniônico - pH ... 47
2.3.5 Sensor de Temperatura por Infravermelho ... 48
2.3.6 Interface Humano Máquina ... 49
2.3.7 Real Time Clock - RTC ... 51
2.3.8 Válvula solenoide ... 52 2.3.9 Processos de Filtragem ... 54 2.3.10 Controlador Arduino ... 56 3 DESENVOLVIMENTO ... 59 3.1 HARDWARE... 59 3.1.1 Central de Processamento ... 59 3.1.2 RTC e Controle de Iluminação ... 61 3.1.3 Controle de CO2 ... 64
3.1.3.1 Monitoramento do nível de CO2 ... 65
3.1.3.2 Injeção forçada de CO2 ... 68
3.1.4 Monitoramento do pH ... 70
3.1.5 Controle de temperatura ... 72
3.1.6 IHM e fonte de alimentação... 75
3.2 FIRMWARE ... 79
3.2.1 Configurações das variáveis ... 80
3.2.2 Sequência de trabalho do firmware ... 82
3.3 ESTRUTURA MECÂNICA ... 87
4 TESTES E RESULTADOS ... 92
4.3 SENSOR DE CO2 ... 94 4.4 LEITURA DE CO2 ... 96 4.5 LEITURA DO pH ... 98 5 CONCLUSÕES ... 99 5.1 PROBLEMAS E SOLUÇÕES ... 99 5.2 MELHORIAS FUTURAS... 100 5.3 CONSIDERAÇÕES FINAIS... 101 REFERÊNCIAS ... 103 APÊNDICE A ... 111
1
INTRODUÇÃO
Co m o cresci mento das ci dades e da si tuação de estresse ori unda deste progresso, cada vez mai s se sente a necessi dade de buscar mo mentos de paz, tranqui li dade e mel hor convívi o fami l i ar. Nestas si tuações, o aquari smo surge c o mo u ma e xcel ente opção.
Há i ndíci os, segundo estudos arqueol ógi cos, de que há 4.000 anos no Egi to tenham surgi do as pri mei ras formas de aquári o uti li zado para orna mentação ou co mo estoque de al i mentos. O i tal i ano Marco Pol o regi strou em rel atos so bre suas i númeras vi agens pel o Ori ente que, já no sécul o XII, os chi neses cri ava m pei xe s e m tanques de vi dro, sendo os pi onei ros na cri ação de métodos de sel eção genéti ca para desenvol ver espéci es adequadas à vida em cati vei ro (SANTOS, 2011). Mas, so mente no sécul o XX, o aquari smo co meçou a se popul ari zar.
O aquari smo e stá l onge de ser so me nte u m hobby. Neto (2008 ) afirma que “a beleza das plantas de várias formas e o movi mento de pei xes de vári as cores ta mbé m tê m u m papel razoavel mente terapêutico” e ressalta que contemplar um aquário ajuda a di minuir a ansi edade e a tensão. Ki tagawa (20 11), por sua vez, e m u m e studo sobre supersti ções e benefíci os rel aci onados co m a manutenção d e pei xes e m aquári os, entrevi stou 119 aquari stas, dos quai s 84% afi rmara m mel ho ri a no rel acionament o fa mi l i ar após a aqui si ção do aquári o e 55% afi rmara m, ta mbé m, possuíre m aquári os por moti vos terapêuti cos ou para fi ns de rel axa men to.
Segundo Lopes (2007), os benefíci os de se ter u m aquári o e m casa i ncl uem u ma redução do estresse, d a pressão al ta, da ansi edade, da pul sação e da tensão muscul ar. Aq uári os podem até mes mo a judar a reduzi r probl emas co m i nsôni a para aquel es que preci sam de paz e u m pouco mai s de tranqui li dade em ca sa. Cri anças co m hi perati vi dade responde m be m aos aquári o s, a juda ndo -as a se acal mar. Paci entes co m Al zhei mer e i dosos mel hora m si gni fi cati vamente o apeti te (± 30%)
e se sentem menos ansi osos e agressi vos quando se tem u m aquári o de pei xes.
Os aquári os ai nda são util i zados, para harmoni zar os ambi ente s consi derados “pesados” ou de “baixa energia”. Para isto, muitas vezes uti li za-se o aquári o pl antado, ou seja, u m aquári o cujo si ste ma é vol tado para o cresci mento das pl antas co m a preocupação para que este tenha aspecto o mai s natural possível , formando u m agradáv el a mbi ente aquáti co.
Poré m, a vi da no aquári o requer al guns cui dados i mportantes , não só pel a escol ha do model o de aquári o, ta manho e l ocal de i nstal ação, mas ta mbé m pel a séri e de vari ávei s que devem se r moni toradas e control adas, tai s co mo: te mperatura d a água, oxi gêni o, pH1, kH2, fi l tragem, CO2 e i l umi nação. Co m u m pouco de conheci men t o e dedi cação é possível manter as condi ções favorávei s ao desenvol vi mento bi ol ógi co no aquári o.
1.1 TEMA
A auto mação é mui to mai s que u m si mpl es i nvesti mento par a moderni za ção de u ma fábri ca ou dete r mi nado processo, el a é apli cada para garantir que o processo segui rá u m padrão, gerando di versos benefíci os, tai s como: au mento da autono mi a do si stema, au mento da quali dade em decorrênci a da preci são dos equi pamentos, econo mi a e conforto so mado à segurança dos usu ári os.
“Na medida em que caminhamos cada vez mais para a otimização dos custos, buscando sempre economia com gastos operacionais, energéticos e de manutenção, a automação vem se consolidando a melhor saída. Uma das vantagens e que se torna decisiva para aplicação de automação nos atuais empreendimentos pode ser traduzida na palavra economia. A automação raciona o consumo de insumos e mão de obra (operação e manutenção)” (MIRANDA, 2012). 1 p H r ef er e- s e à q u a l i d a d e d a á g u a s er á c i d a o u al c a l i n a , p H i g u a l a 7 . 0 é c o n si d er a d o n eu t r o , v a l o r es a b a i xo d e 7 . 0 s ã o ác i d o s e a c i m a a l c a l i n o s . 2 k H m ed e a c a p a c i d a d e d e b u f f e r in g , q u e é a c a p a c i d a d e d e a b s o r v er e n eu t r a l i za r o á c i d o a d i c i o n a d o , s em q u e i s s o i m pl i q u e a l t er a ç õ es s i g n i f i c at i v a s n o p H. Q u a n t o m a i s el ev a d o o k H , m ai o r a c a p a ci d a d e d e m a n t er o p H es t á v el .
Nos di as atuai s para que seja fei ta a gestão das vari ávei s que atua m para garanti r a qual i dade de vi da e característi cas dentro do aquári o, exi stem di ferentes control adores e si stemas manuai s à di sposi ção no mercado. No entanto, observa -se que os i nteressados neste assunto pos sue m consi de rável di fi cul dade para ter acesso a al gum ti po de si stema que exec ute o trabal ho de control e e moni tora mento auto máti co de todo o a quári o.
Consi derando as di versas vari ávei s que exi ste m para manter a quali dade de vi da dos organi smos nos aquári os, al guns i t ens requerem atenção si gni fi cati va. Di ante di s so, neste projeto, fora m observados i tens como: concentração de CO2 dissol vi do na água, l umi nosi dade, te mperatura, pH, kH e fi l tragem, i tens estes que i nfl uenci a m di retamente no equil íbri o quími co, físi co e bi o l ógi co de um aquári o (JORNAL INFOR MATIVO ALCON, 200 0).
O entendi mento dos fatores que i nfl uenci am no cresci mento de macrófi tas aquáti cas faz co m que a Bi ol ogi a seja l e mbrada, poi s é a ci ênci a que estuda os seres vi vos pel a observação, experi ênci a, e as suas rel ações. O aprofunda mento d o te ma l i mi ta -se ao sati sfatóri o desenvol vi mento das pl antas aquáti cas, onde a cri ação deste hab ita t adequado aos demai s seres, é apenas u m mero refl exo da sati sfatóri a i nteração dos fatores.
Nu m aquári o, o equi l íbri o não é u m fi m a ser ati ngi do, mas si m al go que vai sendo manti do co m a ajuda das pesqui sas e estudos que gui arão o cami nho do que se pode utilizar no aquári o para mantê -l o por mui to te mpo saudável (CASA D A ADA, 2013).
U ma vari ável ao sofrer uma mudanç a desencadei a em outra s vari ávei s mudanças de mai or ou men or grau. Por exe mpl o, Manti l l a et
al. (2010) e xpl i ca m que “quando o CO2 se di ssol ve e m água, est e acidifica o meio” alterando, assim, as leituras de pH.
Segundo Cardoso (2011), e m 1801 o quí mi co bri tâni co W illi an Henry propôs a l ei de Henry, que defende que a solubili dade de um gás e m u m l íqui do à determi nada te mperatura é diretamente proporci onal à pressão do gás parci al que o gás exerce sobre o l íqui do. A te mperatura do l íqui do també m i nfl uencia. Assi m, quanto m ai or o grau de agi tação
das partícul as do l íqui do, menor a cap aci dade desse l íqui do di ssol ver o gás. Outro fator i mportante e m ter mos de sol ubi li dade de gases e m l íqui dos é a agi tação da superfíci e do l íqui do, que, quanto mai s agi tada, mai or a possi bil idad e de trocas gasosas.
1.1.1 Delimitação do Tema
O al vo do projeto aqui proposto foi desenvol ver uma central que fosse capaz de moni torar e control ar as segui ntes variávei s: concentração de CO2 di ssol vi do na água, l umi nosi dade, temperatura, pH, kH e fi l tragem a fi m de manter a s condi ções favorávei s à bi ol ogi a das pl antas, mi croscópi cos seres e consequente mente a vi da dos pei xes que vi ve m e se reproduze m nes se habitat .
Este pro jeto teve co mo i ntui to cri ar u m si ste ma que faça a i ntegração e o moni tora mento dos el e mentos por mei o de uma úni ca aparel hagem que fi casse externa ao a quári o, garanti ndo a facil i dade na manutenção, mai or co modi dade para o usuári o, mel hora do aspecto vi sual , autonomi a e o au mento na qual i dade do processo de control e no aquári o como u m todo; tendo co mo fo co, aquári os de pequeno e médi o porte, e m a mbi entes resi denci ai s e comerci ai s.
Não foi tratada neste TCC a automação de grandes aquári os, mas apenas u ma sol ução para aquário s de u m vol u me má xi mo de 6 0 l i tros, onde se encontram grandes d i fi cul d ades para se i mpl e mentar todos os recursos que hoje são co merci al i zados pel as l ojas de aquari ofi li a, i nstrumentos esses que to ma m mui to espaço físi co do aquári o e compl i cam o trabal ho da ma nutenção.
1.2 PROBLEMAS E PREMISSAS
Os pri nci pai s probl emas encon trad os e que moti vara m o desenvol vi mento deste trabal ho fora m:
i ) A manutenção dos ecossi ste ma s de u m aquári o requer uma quanti dade de di sposi ti vos e equi pame ntos que geral mente fi ca m al ojados i nternamente – O uso destes itens compromete não só a aparênci a d o aquári o, como ta mbé m pode reduzi r consi deravel mente o espaço i nterno al terando o di mensi ona mento i ni ci al di sponível para pl antas e demai s seres vi vos que possa m e xi sti r nesse habitat ;
i i) A operação e o control e de u m aquári o real i zado manual mente, co m bai xa auto ma ção, i mpl i ca m e m i ntervenções di ári as de moni tora mento e control e. Isso pode li mi tar o aquari ófi l o3 e m l ongas vi agens, u ma vez que ne m todas a s funções pode m ser progra madas. A op eração manual pode ai nda gerar transtornos para os menos expe ri entes na área, já que e m u m si ste ma manual a probabi li dade de erros é mai or.
Ho je, a auto mação é u ma tendênci a e te m apl i cação nas mai s di versas áreas. Trazer a automati z ação para o aquari smo vi sa à redução da ocorrênci a de erros e auxi li ar o aquari ófil o em tar efas qu e requerem moni tora mento frequente, proporci onando mai or equi l íbri o dos ecossi ste mas presentes no aquári o.
Logo: como simplifica r os dispositivos de co ntrole físico ,
químico e biológico de modo a facilitar a operação e ma nutençã o de um aquá rio?
Por mei o de u m si ste ma que agreg ue o moni tora mento e o control e da concentração de CO2 dissol vi do na água, l umi nosi dade, te mperatura, pH, kH e fi l tragem é possível reduzi r os erros de operação, faci li tar o moni tora ment o das menci onadas vari ávei s,
3
au mentar espa ço di sponível para seres vi vos, reduzi r a quanti dade de i ntervenções do usuári o e mel horar a manutenção do aquári o.
U m si ste ma auto mati zado pode enco ntrar certa resi stênci a por parte do propri etário para ser i mpl antado. A causa desta resi stênci a está no fa to de que um si ste ma auto mati zado tende a ter seu custo superi or ao si stema manual , poi s as tecnol ogi as i nseri das el evam o val or agregado. Por outro l ado, a pratici dade e a facili dade operaci onal que será proporci onada pel o uso de u m si ste ma auto mati zado c onfere u m atrati vo a este produto.
1.3 OBJETIVOS
1.3.1 Objetivo Geral
Pro jetar u m si ste ma auto mati zado versáti l e adaptável que atenda os pri nci pai s quesi tos físi cos, quí mi cos e bi ol ógi cos no desenvol vi mento de u m aquári o pl antado, a fi m de que as i nfor ma çõe s seja m uni fi cadas e m u m módul o de processa mento de i nterface co m o usuári o, de manei ra l ógi ca e si mp l i fi cada, vi sando o control e e moni tora mento da concentração de CO2 di ssol vi do na água, l umi nosi dade, te mperatura, pH, kH e fi l tragem de aquári os de até 6 0 l i tros.
1.3.2 Objetivos Específicos
Realizar a escol ha das di versas tecnol ogi as de atuadores/sensores que mel hor atenda m às necessi dades do projeto;
Determinar o microcontrolador que atenda às necessidades de processa mento da moni toração a ser real i zada;
Desenvolver os circuitos de interface para microcontrolador; Desenvolver e simular o hardware e firmware;
Projetar e i mplementar a estrutura mecânica do projeto ;
Integrar as diversas partes do projeto, realizar testes acerca de seu funci onamento e a val i ar os resul tados .
1.4 JUSTIFICATIVA
O sucesso de u m aquári o pl antado consi ste e m reproduzi r u m
habitat o mai s fi el possível e que condi z co m a real i dade apresentada
pel a natureza. Em u m macrossi ste ma, as vari ações costu ma m ser míni mas e graduai s. Em a mb i entes mari nhos, por exe mpl o, si mpl es vari ações de temperaturas pode m ser l etai s para a fl ora.
Entre os benefíci os que a automaçã o trará para o aquari smo pode m-se ci tar:
i ) Mai or confi abi li dade do si stema pel o moni tora mento constante das vari ávei s mai s críti c as , tai s co mo: te mperatura, i l umi nação, pH, kH e concentração de CO2 di ssol vi do na água; i i) A auto mati zação das tarefas, o moni t ora mento e o control e auto máti co de vari ávei s reduzem a po ssi bili dade de erros;
i ii ) Per mi te-se a i ntegração dos componentes reduzi ndo a quanti dade de i tens al ojados no aquá ri o mel horando o aspect o vi sual ;
i v) Per mi te-se ai nda a si mpl i fi cação das tarefas faci l i tando a operação e manutenção.
De for ma geral , a aut o mati zação d e u m aquári o torna sua manutenção mai s práti ca e segura proporci onando ao aquari ófi l o mai s l i berdade e confi abili dade e ao objeto mel hor aparênci a e mobi l i dade.
1.5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS
Para ati ngi r o objeti vo proposto, o tra bal ho foi desenvol vi do e m três partes pri nci pai s: a) pesqui sa, b) desenvol vi mento do protóti po e c) testes e aval i ação dos resul tados.
Na fase da pesqui sa foram l evantadas as tecnol ogi as atual ment e apli cadas no seg mento do aquari s mo por mei o de buscas e m l i vros técni cos, sites, revi stas especi a l i zadas e trabal hos anteri ores . També m fora m real i zadas vi si tas a l ojas de aquári os e consul tas aos profi ssi onai s do ramo.
Para o desenvol vi mento do protóti po foi pri mei ramente cri ado u m esboço do protóti po com a defi ni ção dos componentes que ser i a m uti li zados, após i sso fei to, trabal hou -se o desenvol vi mento do hardwar e e, na sequênci a, o desenvol vi ment o do firmware4. Fi nali zado esta etapa, defi ni u-se o layout dos componentes, desenho, corte d a mecâni ca e i ntegração dos co mponent es.
Por fi m, fora m e xecutados testes de f unci onamento do protóti po e aval i ação dos r esul tados. Al gumas mel hori as e adequações do projeto surgi r a m ao l ongo de seu desenvol vi mento .
4
Firmware é o conjunto de instruções operacionais programadas diretamente no hardware de um equipamento eletrônico.
2 AQUAPAISAGISMO
O aquapai sagi smo , segundo Mati as (2010), corresponde à apli cação de concei tos de estéti ca e arte a u m aquári o, sendo uti li zado especi al mente entre os possui dores de aquári os pl antados.
É, portanto, a “representação de paisagens dentro de ambientes aquáticos. Envolve também, além da elaboração destes ambientes, a sua correta manutenção, a fim de atingir os melhores resultados possíveis, dentro de um planejamento pré-existente” (SEKAI SCAPING, 2008).
Ai nda segundo Mati as (2010), e sta for ma de e xpressão artísti ca surgi u com a evol ução tecnol ógi ca paral el amente na Europa e Ási a e m meados do sécul o XX segundo duas escol as mui to di ferentes na apli cação da arte: o e sti l o hol andês (Fi gura 1) e o esti l o nature (Fi gura 2).
Esti l o hol andês – surgiu na Europa, especialmente na Hol anda, onde o aquari sta buscava repre sentar, nos aquári os pl antados, os bel os jardi ns característi co s daquel e país. Como se tratasse de um cantei ro de fl ores, as pl antas eram di spostas e m grupos organi zados n o aquári o em função da cor, vel oci dade de cresci mento e ta manho de fol ha, predo mi nand o as pl antas de caul e com cresci mento rápi do , for mando verdadei ros jardi ns subaquáti cos .
Figura 1. Aquário plantado holandês Fonte: MATIAS, 2010
Esti l o Nature – na Ásia, particularmente no Japão , i mpul si onado pri nci pal mente pel o fotógrafo e aquapai sagi sta Takashi Amano, surgi a o estil o Nature, baseado na observação da natureza e transpo si ção da i mage m de natureza do seu auto r para o i nteri or do aquári o. Esta corrente engl obava vári os estil os e m função do ti po de materi ai s ou pl antas uti li zado. Al guns exe mpl os destes esti l os são o Iwa gumi – layouts com uma for mação rochosa equi li brada den tro do aquári o segui da sempr e por plantas rastei ras formando u m denso carpete (EQUIPE AQUALIZ E, 2009) – e o Ryoboku – o foco desse estilo está nos troncos e gal hos (AQUAPAISAGI SMO, 2011). Em contraste co m o estil o hol andês , no estil o nature predo mi nava m pl antas de cresci mento l ento co mo as de tapete, musgos e fetos.
Figura 2. Aquário plantado estilo nature Fonte: MATIAS, 2010
Ho je e m di a o aquapai sagi smo es tá be m di sse mi nado e m di versos países onde o acesso ao s e qui pamento s nece ssári o s é cada vez mai s fáci l e tem a internet co mo u m dos pri nci pai s motores d e desenvol vi mento co m o surgi mento de dezenas de fóruns e sites i nternaci onai s e naci onai s dedi cados ao te ma nos anos mai s recentes.
Outro i mportante veícul o de desenvolvi mento são os concurso s de aquapai sagi smo , dos quai s o mai s i mportante é o The International
Aquat ic Plant Layout Contest (IAPL C) organi zado anual mente pel a Aqua Des ign Amano (AD A) . Este, na edi ção de 2013 , contou co m mai s
Assi m o aquapai sagi smo ve m ganhan do i mportânci a econô mi ca no mercado de hobb ies, apresentan do grande desenvol vi mento nos úl ti mos anos.
2.1.1 Macrófitas Aquáticas
Macrófi tas aquáti cas, ou si mpl es me nte ma crófi tas (macro = grande, fi ta = pl anta), são pl antas que habi tam l ugares al agados, desde brejos até a mbi entes total mente sub mersos (ESTEVES, 1998) .
Desde o nasci mento da Li mnol ogi a5 até a década de 1960 mui to pouco era pesqui sado sobre as ma crófi tas aquáti cas. Com a cri ação do
International Bio log ical Program (IBP) , as pesqui sas sobre ecol ogi a de
macrófi tas aquáti cas receberam gra nde i mpul so (THOMAZ e BI NI, 2003).
Segundo Esteves (1998), o termo macrófi tas aquáti cas foi proposto i ni ci al mente por W eaner & Cl ements e m 1938, que defi ni ra m de manei ra mui to a mpl a: pl antas herbáceas que cresce m na água, e m sol os cobertos por água ou em sol os s aturados co m água.
A terminologia utilizada para descrever o conjunto de vegetais adaptados ao ambiente aquático é muito variada. Na literatura especializada podem ser encontrados termos como hidrófitas, helófitas, euhidrófitas, limnófitos, plantas aquáticas, macrófitas, entre outros. O termo macrófitas aquáticas (em inglês aquatic macrophytes ou macrophytes) pode ser considerado de uso mais corrente (POMPÊO & MOSCHINI-CARLOS, 2003 apud PROJETO YPORÃ, 2008).
Contudo a defi ni ção de macrófi tas aquáti cas já é u m ter mo consagrado, adotado pel o IBP, sendo a denomi nação mai s adequada para caracteri zar vegetai s que o corre m desde bre jos até a mbi entes verdadei ramente aquáti cos, i ncl ui ndo desta for ma, vegetai s desd e macroal gas até pl antas vascul ares (ESTEVES, 1998).
Ai nda segundo Esteves (1998), as macrófi tas aquáti cas são ori gi nal mente vegetai s terrestres que sofreram m odi fi cações adaptati vas, ao l ongo do curso evol utivo. Por i sso, apresenta m al gu ma s
5
Limnologia é o estudo das reações funcionais e produtividade das comunidades bióticas de lagos, rios, reservatórios e região costeira em relação aos parâmetros físicos, químicos e bióticos ambientais (POMPÊO e CARLOS, 2004).
característi cas de vegetai s terrestres e uma grande capaci dade de adaptação a di ferentes ti pos de a mbi entes (o que torna sua ocorrênci a mui to a mpl a).
Devi do ao fato de consti tuírem u m g rupo mui to grande, Pott e Pott (2000) cl assi fi cou em sete grupos ecol ógi cos, baseados e m se u modo de vi da ( bi óti po ) no ambi ente aquáti co (Fi gura 3):
1. Anfíbia ou semi-aquática: capaz de viver bem tanto em área alagada como fora da água, geralmente modificando a forma da fase aquática para a terrestre quando baixam as águas;
2. Emergente: enraizada no fundo, parcialmente submersa e parcialmente fora d’ água;
3. Flutuante fixa: enraizada no fundo, com caules e/ou ramos e/ou folhas flutuantes;
4. Flutuante livre: não enraizada no fundo, podendo ser levada pela correnteza, pelo vento ou até por animais;
5. Submersa fixa: enraizada no fundo, caule e folhas submersas, geralmente saindo somente a flor para fora d’ água;
6. Submersa livre: não enraizada no fundo, totalmente submersa, geralmente só com as flores para fora d’água;
7. Epífita: que se instala sobre outras plantas aquáticas.
Figura 3. Formas biológicas das macrófitas aquáticas Fonte: POTT e POTT, 2000
No aquari s mo pl antado, as condi ções do layout do aquári o e d e l i mi tações de espaço favorecem o u so dos ti pos: submersas fi xas e sub mersas l i vres.
2.1.2 O Processo de Fotossíntese em Macrófitas Aquáticas
As macrófi tas aquáti cas são vegetai s que durante sua evol uçã o retornaram do a mbi ente terrestre para o aquáti co. Em consequênci a , apresenta m ai nda vári as características de vegetai s terrestres, tai s co mo a presença de cu tícul as6 e de estô matos7 não funci onai s na mai ori a das espéci es (ESTEVES, 1998 ).
U ma das característi cas mai s i mp ortantes manti das pel as pl antas aquáti cas é a capaci dade de reali zar fotossíntese. Os vegetai s cl orofil ados têm o equi pamento bi oquími co necessári o para transforma r substânci as pouco energéti cas (CO2 e H2O) em subs tânci a ri ca e m energi a: gl i cose (BARTHEM, 2005) .
O termo fotos síntese si gni fi ca síntese que usa l uz. É u m processo pel o qual a energi a l umi nosa é captada por determi nados pi gmentos e converti da e m energi a quími ca ( SANTO S, 2005 ).
A equação que mostra o processo de síntes e de co mposto s orgâni cos a parti r de substânci as i norgâni cas, utili zando -se a energi a l umi nosa e co m l i beração de oxi gêni o, é mostrada abai xo:
6CO2 + 12H2O + (ENERGIA LUMINOSA) → C6H12O6 + 6H2O + 6O2 + (ENERGIA)
As reações da fotossíntese t êm i níci o “quando a energia solar, na forma de l uz do sol , é absorvi da por substânci as dentro de um organi smo, cha madas de pi g mento s fotossi ntéti cos” (CASTRO e HUBER, 2012) . Essas reaçõe s s e processa m e m duas fase s deno mi nadas de fase cl ara que são as que ocorrem so ment e na
6
Cutícula vegetal é uma cobertura de substâncias impermeabilizantes produzida pelas células epidérmicas das folhas, com a função de proteger a planta contra a desidratação, infecções e traumas mecânicos.
7
Os estômatos estão relacionados com a entrada e saída de ar no interior dos órgãos em que se encontram ou, ainda, com a saída de água na forma de vapor.
presença de l uz e fase escura que ocorre m i ndependentemente da presença de l uz .
Segundo Karp (2005), d urante a pri mei r a fase, a energi a do sol é absorvi da pel os pi gmentos fotossi ntéti cos e ar mazenada co mo energi a quí mi ca, e m duas mol écul as bi ol ógi cas de al ta energi a: o ATP (Tri fosfato de Adenosi na) e o NAD PH (Ni coti nami da Adeni na Di nucl eotídeo Fosfato) . Nessa fase oc orre a l i beração de mol écul as de O2 pel a quebra de mol écul as de água. Durante a segunda fase (ou a s reações da fase escura), os carboi drat os são si nteti zados a parti r do di óxi do de carbono usando a energia armazenada nas mol écul as de ATP e N ADPH produzi das nas reações dependentes da l uz.
A l uz do sol é consti tuída por di ferentes co mpri mentos de onda. Segundo Vi ei ra et al. (2010), a l uz utili zada na fotossíntese, deno mi nada de radi ação fotossi nteti ca mente ati va , está co mpreendi da no espectro da l uz vi sível (400 a 700 n m) sobretudo nas regi ões do azul e do vermel ho, co mo pode ser observado na Fi gura 4.
Figura 4. Espectro de absorção dos pigmentos fotossintético Fonte: AZOCAR, 2012.
Observando -se o gráfi co apresentado, pode -se notar que o s pi cos do espectro de ação da l uz na fotossíntese e os dos espectros de absorção da l uz p el a cl orofil a têm p adrão se mel hante, evi denci ando
que a cl orofi l a é o pi gmento mai s i mportante na recepção da l uz n a fotossíntese.
A absorção da l uz pel a cl orofi la se faz co m i ntensi dade má xi ma nas fai xas de co mpri mento de onda de 450 n m (nanô metros), que é correspondente à l uz azul , e 700 nm q ue corresponde à l uz vermel ha.
Al é m da fotossíntese, outro processo e m que a l uz é essenci al para a pl anta é a fotomorfogênese. Para Kendri ck & Kronenberg (1994
apud Carval ho, 2003) e sse processo te m efei to sobre a ap arênci a da
pl anta, i sto é, o seu desenvol vi mento estrutural ou morfogênese8. Atu a no desenvol vi mento da pl anta e deter mi na di versas al terações como ger mi nação de se mentes, i ni bi ção do al ongamento caul i nar, síntese de cl orofil a e antoci ani nas, expansão fol i ar, fl oração e tuberi zação.
2.2 FATORES PRIMÁRIOS QUE DETERMINAM O DESENVOLVIMENTO DAS MACRÓFITAS
O desenvol vi mento das ma crófi tas aquáti cas é i nfl uenci ado pri nci pal mente por fatores i nerentes à li mnol ogi a, i ncl ui ndo os rel aci onados co m atri butos físi cos co mo geo morfol ogi a, sedi mento, cl i ma e hi drol ogi a, al ém de i nteraçõ es bi óti cas. Entre os pri nci pai s fatores abi óti cos podem-se ci tar: di sponi bi li dade de l uz (fotoperí odo), vento, macronutri entes, carbono di ssol vi do na água, oxi gêni o, conduti vi dade el étri ca, pH, te mpera tura, profundi dade, decl i vi dade, vel oci dade da corrente (BATISTA et al ., 2013).
Quando as condi ções a mbi entai s estã o próxi mas aos l i mi tes de tol erânci a de u ma deter mi nada espé ci e, esta real i za a fotossíntese apenas o sufi ci ente para sua sobrevi v ênci a, no entanto, quando as condi ções estão pró xi mas do óti mo pode -se observar u m al to desenvol vi mento .
8
Morfogênese é um processo de modelagem dos organismos através da formação dos tecidos, órgãos e sistemas.
2.2.1 Limnologia
A Li mnol ogi a, cujo no me te m ori ge m do grego limne – lagos e
logos – estudo, é uma ciência onde o foco de estudo são as águas
conti nentai s, tai s co mo l agos, l agoas e ri achos, vi sando às reações funci onai s e produti vi dade das co mu ni dades bi óti cas de l agos, ri os, reservatóri os e regi ão costei ra em rel ação aos parâmetros físi cos, quí mi cos e bi óti cos ambi entai s. A Li mnol ogi a engl oba os estudos rel aci onados aos aspectos quí mi co s, hi drográfi cos, geol ógi cos e ecol ógi cos destes ambi entes aquáti cos ( POMPÊO e CARLOS, 2004).
Apesar de atual mente a Li mnol ogi a possui r seu própri o corpo teóri co, sendo u ma ci ênci a basi camente ecol ógi ca, a mes ma é resul tante també m da i ntegração de vári as outras ci ênci as, tai s como a Botâni ca, a Zool ogi a, a Quí mi ca, a Fí si ca, a Geol ogi a, Mate máti ca e a Meteorol ogi a (ESTEVES, 1998).
Ini ci al mente, os es tudos l i mnol ógi cos real i zados focavam n a descri ção dos padrões de funci onamen to dos a mbi entes aquáti cos, co mo por e xe mpl o, a ci cl agem de n utri entes e a estrati fi cação dos corpos d’água. No entanto, o desenvolvimento da ciência ecológica nas úl ti mas décadas marcou o i níci o da busca dos processos capazes d e expl i car tai s padrões. Atu al mente, a Li mnol ogi a tem i mportânci a não só ci entífi ca, mas ta mbé m pel a medi ação de probl ema s s oci oeconô mi co s causados pel os múl ti pl os usos da água (Laboratóri o de li mnol ogi a UFRJ, 2012).
A qual i dade das águas é representada por u m con junto d e característ i cas, geral mente mensuráv ei s, de natureza quími ca, físi ca e bi ol ógi ca. Característi cas essas que provêm do própri o ambi e nte natural ou foram i ntroduzi da s a parti r de ati vi dades humanas.
Para caracteri zar uma água, são determi nados di versos parâ metros, os q uai s representam as suas característi cas físi cas, quí mi cas e bi ol ógi cas. Esses parâ met ros são i ndi cadores da qual i dade da água e consti tue m i mpurezas qua ndo al cançam val ores superi ores aos estabel eci dos para determi nado uso (SANTOS, TERRA e BARBIÉRI, 2008).
Segue m os pri nci pai s i ndi cadores da quali dade da água.
Parâ metros físi cos:
Temperatura - medi da da i ntensi dade de cal or, esta i nfl ui e m al gumas propri edades da água com refl exos sobre a vi da aquáti ca, como a den si dade, vi scosi dade e oxi gêni o di ssol vi do; Cor - resul ta da exi stênci a, na água, de substânci as e m sol ução .
Pode ser causada pel a decomposi ção da matéri a orgâni ca da água, pel as al gas;
Turbi dez - grau de atenuação de i ntensi dade que um fei xe de l uz sofre ao atravessá -l a, se dá devi do à presença de matéri a em suspensão na água, co mo argi l a, substânci as orgâni cas fi namente di vi di das, organi smos mi croscópi cos e outras partícul as.
Parâ metros quí mi cos :
Potenci al hi drogeni ôni co (pH) - representa o equi l íbri o entre íons H+ e íons OH; vari a de 7 a 14, i nd ica se a água é áci da (pH i nferi or a 7), neutra (pH i gual a 7) ou al cali na (pH mai or do que 7);
Al cali ni dade - causada por sai s al cal inos, pri nci pal mente d e sódi o e cál ci o, mede a capaci dade da água de neutral i zar os áci dos;
Dureza - resul ta da presença, p ri nci pal mente, de sai s al cali nos terrosos (cál ci o e magnési o), ou de outros metai s bi val entes, e m menor i ntensi dade, em teores el e vados. Cl assi fi cação das águas, e m ter mos de dureza (e m CaC O3):
o Menor que 50 mg/1 CaCO3 - água mol e ;
o Entre 50 e 150 mg/1 CaCO3 - água com dureza moderada ; o Entre 150 e 300 mg/1 CaCO3 - água d ura ;
Ni trogêni o - este pode estar presente na água sob vári as for ma s : mol ecul ar, a môni a, ni tri to, ni trato; é um el e mento i ndi spensável ao cresci ment o de al gas;
Oxi gêni o di ssol vi do - é i ndi spensável aos organi smos aeróbi os. A água, e m condi ções nor mai s, contém o xi gêni o di ssol vi do, cujo teor de saturação depende da al ti tude e da te mperatura.
2.2.2 Nutrientes e Oligoelementos
Nutri ente é qual quer el emento ou co mposto quí mi co necessári o para o metabol i s mo de u m organi smo vi vo, são essenci ai s para o perfei to funci onamento do organi s mo e todos os que não podem ser si nteti zados pel o própri o organi smo tê m de ser obti dos de fontes externas. Os nutri entes necessári os e m grandes quanti dades são deno mi nados por macronutri entes e os necessári os e m pequenas quanti dades por mi cronutri entes.
Do ponto de v i sta da Botâni ca e d a Ecol ogi a, os nutri entes bási cos são o oxi géni o, o di óxi d o de carbono e os sai s mi nerai s necessári os para a vida das pl antas e dos outros seres vi vos autotrófi cos.
Segundo a vi são da Bi oquími ca os oli goel ementos sã o el ementos que exi ste m na cél ul a viva ani mal e vegetal em ínfi ma s quanti dades e em bai xa concentração, por ém estes parti ci pam e m u m nú mero i mportante de reações bi oquí mi cas (VIEIRA, 2010).
Ol i goel ementos são catal i sadores das fu nções enzi máti cas , substânci as que se encontram e m e stado natural no organi smo so b for ma de ves tígi o de di versos metai s, que parti ci pam de u m nú mer o i mportante de reações fi si ol ógi cas. Se m sua presença ati va no organi smo, estas funçõe s são p rejudi cadas e a ssi m o bo m funci onamento do organi smo. O Ol i goel emento é u m el e mento quí mi c o de bai xo peso mol ecul ar presente e m pequenas quanti dades nas cél ul as vi vas, sem sua presença ati va o organi smo não te m u m
funci onamento regul ar, as funções enzi máti cas são pre judi ci ai s e o bo m funci ona mento do organi s mo é afetado ( Nutr isc ience W orld
Nutrit ion, 2013).
Fatores rel aci onados aos nutri entes, aci dez e al cali ni dade têm i nfl uênci as i mportantes sobre pl antas aquáti cas e suas co muni dades. Em geral , a produti vi dade das pl anta s aquáti cas é li mi tada pel as fontes de fosfato e de azoto9 (co mo ni trato e/o u a môni o), mas outros nutri entes ta mbé m pode m ser i mportantes co mo exe mpl o o carbono i norgâni co, cál ci o e potássi o (LACOUL e FREEDMAN, 2006).
Fatores li mnol ógi cos que reconhecida me nte afeta m espéci e s fl utuantes, como a s concentraçõ es de fósforo e ni trogêni o, aparentemente não l i mi ta m o desenv ol vi mento de E. najas e m Itai pu . De acordo com i nvesti gações em c a mpo, as concentrações de sses nutri entes n a água e no sedi mento n ão afetaram s i gni fi cati vamente a bi omassa dessa espéci e. Esses r esul tados foram posteri orment e confi rmados e m e xperi mentos d e l aboratóri o. Em condi ções control adas, o cresci mento de brotos d e E. najas que se desenvol vera m e m sedi mento que recebeu adi ções fósforo e ni tr ogêni o não di feri ram si gni fi cati vamente daquel es que cres cera m e m sedi mento se m adi ção de nutri entes (THOMAZ, BINI e PAGIO RO, 2003).
Madsen e Baattrup Pedersen (1995) sugerem que nutri entes co mo ni trogêni o e fó sforo são i mportantes fatores l i mi tantes ao cresci mento de espéci es sub mersas , vi sto que a foto ssíntese po r uni dade de CO2 au mentou consi deravel mente co m o au mento d e ni trogêni o nos teci dos da pl anta, de acordo co m o gráfi co da Fi gura 5. Pode-se afi rmar que a i mportânci a do ni trogêni o e do fósforo, na produção pri mári a das macrófi tas sub mersas enrai zadas, ai nda é mui to di scuti da.
Para as macrófi tas aquáti cas enrai zadas, o sedi mento consti tui -se na pri nci pal fonte de ni trogêni o e fósforo. É rel evante ressal tar que espéci es pertencentes a esse grupo ecol ógi co podem reti rar os
9
Azoto ou Nitrogênio, em seu estado natural encontra-se principalmente na atmosfera, representa 78% do volume do ar que respiramos, entretanto encontra se também na crosta terrestre, mas não de forma muito abundante (sob a forma de salitre ou nitratos), no húmus do solo, na sua forma orgânica (plantas e organismos vivos ou mortos) e sob a forma mineral (amoníaco).
nutrientes necessários ao seu desenvolvimento tanto da coluna d’água quanto do sedi mento (C AMARGO, PEZZATO e HENR Y-SIL VA, 2003).
Figura 5. Relação entre a concentração de nitrogênio nos tecidos e a capacidade fotossintética10 (μmol CO2/g PS/h) de Elodea anadensis
F o n t e: M ADS E N e B AAT T RUP - P E DE RS E N , 1995 .
O carbono i norgâni co di ssol vi do (CID) na água, junta mente co m a te mperatura da água e a radi ação fotossi nteti cam ente ati va, é um dos fatores pri mordi ai s para o bom dese nvol vi mento das macrófi tas. Este pode control ar a produti vi dade de mac rófi tas aquáti cas submersa s, poi s é essenci al à fotossíntese destes vegetai s. O carbono i norgâni co pode estar presente na água como CO2, H2CO3, HCO3- e CO3- 2, entretanto , para a fotossíntese de macrófi tas aqu áti cas, o CO2 é a for ma preferi da, l evando em consi deração este fato optou -se pel a utili zação do CO2 para se el evar a quanti dade de carbono i norgâni co di ssol vi do na água do projeto proposto.
Pezzato (2002), ao aval i ar a produção pri mári a bruta da macrófi ta sub mersa Eger ia densa e m di ferentes concentrações de carbono i norgâni co di ssol vi do (CID) na água, observou mai ores val ores de produção e m al tas concentrações d e CID na água, co m o se pode observar no gráfi co na Fi gura 6. Esses resul tados evi denci am que o CID é u m i mportante fator li mi tante à produção de macrófi tas aquáti cas sub mersas.
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Figura 6. Produtividade de Egeria densa em diferentes concentrações de carbono inorgânico dissolvido (CID) na água
Fonte: PEZZATO, 2002.
2.2.3 A Luz - Propriedades e Características
A bi osfera recebe radi ação sol ar, cu jos co mpri mento s de ond a osci l am de 290 a 3000 n m. Em médi a 45% da energi a sol ar recebi da se encontra entre 380 -710 n m, regi ão da l uz vi sível , que é uti li zada para a fotossíntese das pl antas (rad i ação fotossi nteti camente ati va ). Parte da radi ação que i nci de sobre a pl anta é refl eti da, parte é absorvi da de modo a tornar -se fi si ol ogi camente efi caz, e o restante é irradi ado. O grau de refl exão, absorção e trans mi ssão dos teci dos vegetai s depende da i dade da pl anta, da espessura e camadas de fol has e do co mpri mento de onda da radi ação (F ACULD AD E D E T ECNOLOGI A E CIÊNCI AS, 200 6).
Já para as ma crófi tas aquáti cas submersas, a quanti dade de l uz que ati nge os corpos d'água e que pode estar di sponível para as mes mas es tá di reta mente rel aci onada co m a refração e co m a absorçã o da radi ação ( ESTEVES, 199 8).
Segundo Mannhei mer (2002), qua ndo a l uz i nci de na i nterface entre doi s mei os, parte é refl eti da de vol ta para o pri mei ro mei o e parte é refratada, ou seja, penetra no segundo mei o sofrendo um de svi o de
di reção. O índi ce de refração depende da cor da l uz. Por i sso, a l uz branca sofre re fração co m separ ação e m suas cores bási cas co mponentes.
Na água, mei o di ferente do ar, a absorção das di versas radi ações di fere para os di sti ntos co mpri mentos de onda. A l uz ver mel ha te m u m grande co mpri men to de onda, porém u m pequeno poder de penetração, já a l uz azul te m u m pequeno co mpri mento de onda e u m grande poder de penetração. A Fi gura 7 mostra a absorção da l uz pel a água no ambi ente mari nho.
Figura 7. Penetração da luz na água Fonte: Gianesella, 2014.
A penetração da l uz na água depende de fatores co mo : transparênci a, absorção, turbi dez e índi ce de refração.
2.2.4 Potencial Hidrogeniônico - pH
O Potenci al Hi drogeni ôni co (pH) consi ste em u m índi ce cri ado co m o i ntui to de quanti fi car os valores de aci dez e basi ci dade de uma
sol ução, esse concei to foi i ntroduzi do por Sorensen e m 190 9 (FIORUCCI, SO AR ES e CAVALH EIRO , 2001).
As substânci as e m geral , pode m se r caracteri zadas pel o seu val or de pH, sendo que este é determi nado pel a concentração de íons de Hi drogêni o (H+). Quanto menor o pH de u ma substânci a, mai or a concentração de íons H+ e menor a co ncentração de íons OH-.
Os val ores de pH vari am de 0 a 14 e p ode m ser medi dos através do uso de equi pamen tos e senso r es específi cos . Poré m, pode-se ta mbé m medi r o pH co m o uso de i ndi cadores, que basi camente s e trata m de substânci as que revel a m a presença de íons de hi drogêni o l i vres e m u ma sol ução, o i ndi cador muda de cor e m função d a concentração dos íons de H+ e OH- de u ma sol ução, ou se ja , e m funçã o do pH (ALVES, 2001).
O Potenci al Hi drogeni ôni co é usado para cl assi fi car as sol uções da segui nte forma:
pH 0 a 7 - sol uções áci das ; pH = 7 - sol uções neutras ;
pH aci ma de 7 - sol uções bási cas ou al cali nas.
A i nfl uênci a do pH sobre os ecossi stemas aquáti cos naturai s dá -se di retamente devi do a -seus efei tos sobre a fi si ol ogi a das di versas espéci es, o efei to i ndi reto també m é mui to i mportante, podendo deter mi nadas condi ções de pH contri buírem para a preci pi tação de el emento s quí mi cos tó xi cos co mo met ai s pesados (PINTO; OLIVEIRA; PER EIR A, 2010).
Em aquári os de água doce, deve -se t er cui dado especi al com o índi ce do pH da água, poi s cada espéci e vi vente no aquári o se adapta mel hor em u m deter mi nado pH, que é referente às característi cas de seu mei o de ori gem.
Embora a mai ori a das espéci es aceite m val ores de pH pouco di ferente de seu habitat natural , a mai or parte dos seres vi ventes e m u m aquári o, se ja m el es, pei xe s, pl antas, al gas, bactéri as, dentre
outros, são e xtre ma mente sen sívei s à vari ações bruscas do p H, u ma vari ação mai or que 0, 3 no pH por di a é prejudi ci al ao equil íbri o da vida no aquári o. Al gumas espéci es mai s se nsívei s de pei xes pode m até não resi sti r a essas vari ações (OLIVEIRA, 2011).
Tendo como base as i nfor mações a nt eri ores pode -se di zer que tão i mportante quanto a ju star o pH ao nível desejado, l evando e m consi deração as espéci es cri adas e ou cul ti vadas no aquári o, é ta mbé m de suma i mportânci a estabil i zar o pH, i mpedi ndo que ocorra m vari ações i ndesejadas.
2.2.5 Ciclo do Nitrogênio
O ci cl o do ni trogênio é uma cadei a de reações bi ol ógi cas que produz resul tados quí mi cos. Este ci cl o te m seu i níci o co m resíduos de pei xe, restos de ali mentação, fol has, enfi m, toda matéri a orgâni ca que ao se deco mpor produz a môni a. A a môni a é mui to tó xi ca, e dentro do s l i mi tes de um aquári o, poderi a, eventual mente, ser pre judi ci al aos seres vi ventes neste . Entretanto a a môni a é ali mento para as bac téri as ni tri fi cantes, que estão se mpre pres entes na água (PETCO, An ima l
Suppl ies, 2004).
Confor me consta e m ESTEVES (1998), a for mação de co mposto s ni trogenados reduzi dos, como a a môni a, ocorre como resul tado da deco mposi ção aeróbi a e anaeróbi a da matéri a orgâni ca. A oxi dação bi ol ógi ca desses compo stos a ni trato é deno mi nada ni tri fi cação, que é u m processo caracteri zado pel a uti li zação de co mposto s i norgâni cos, co mo o íon a môni o, co mo doadores de hi drogêni o, sendo que, por mei o de sua o xi dação, os mi crorgani s mos obtê m os equi val entes de redução para o processo de síntese (PEREIRA e MERCANTE, 2005).
Doi s gêneros de bactéri as parti ci pam da transfor mação do ío n a môni o para ni trato (processo de ni tri ficação), são el as:
NH4 + + 1½ O2 NO2 - + H2O;
Ni trobacter – que oxidam nitrito a nitrato: NO2 - + ½ O2 NO3 - .
A ni tr i fi cação é um processo predomi nante mente aeróbi o e, co mo tal , ocorre so mente nas regi ões onde há oxi gêni o di sponível , geralmente a coluna d’água e a superfície do sedimento ( SOUZA, 2010). As pl antas são capazes de converter ni tratos em ni trogêni o orgâni co. Desta for ma o ni trato esti mul a o cresci mento das pl antas e organi smos aquáti cos (como as a l gas), mas e m e xcesso pode desencadear a proli feração destes organi smos, este fato torna necessári a à troca parci al da água (TPA) do aquári o, desta for ma fazendo a d i l ui ção do ni trato, di mi nui ndo sua concentração.
Na l i nguagem do aquari s mo, o perío do i ni ci al de for mação d a col ôni a em u m aquári o novo, para que o mes mo efetue o ci cl o do ni trogêni o em equi l íbri o, costuma ser cha mado de ci cl agem do aquári o. Este processo nor mal mente se co mpl eta entre 4 a 6 se manas, tendo seu te mpo afetado por fatores co mo pH e te mperatura, entre outros (DEVO S, BELTRÃO e AVIL A. 2011 ).
No i níci o do ci cl o, quando a bi omassa é ai nda pequena, observa m-se bai xos nívei s de a môn i a – compostos resultantes do catabol i smo das proteínas, que se el evam proporci onal mente ao au mento da quanti dade de ali me nto forneci do e da bi omass a (HURVITZET et al., 1997, apud CAVERO et al.,2004).
U ma vez e m presença de a môni a, as bactéri as ni trossoma s passa m a degradá -l a, resul tando em ni tri to. O estabel eci mento da s bactéri as e o i níci o da degradação da a môni a demora m e m médi a de 8 a 10 di as (MATAR ATZIS , 2008).
Co mo consequênci a , há u ma di mi nui ção da concentração de a môni a no aquári o e um au mento da concentração de ni tri to, produto resul tante deste processo.
Em condi ções favorávei s, aproxi mada mente 15 di as após o i níci o do processo, a concentração de ni tri to estará e m seu nível má xi mo, e a de a môni a já estará ao menos pró xi ma de zero. O ní vel de ni tri to estará
di mi nui ndo e m apro xi mada mente 25 a 30 di as de i ni ci ada a pre paração do aquári o (MATARATZIS, 2008).
Neste período de preparação do aquári o, o mes mo já terá e m quanti dade sufi ci ente, bactéri as Ni trobacter, responsávei s pel a oxi dação dos ni tri tos, transformando -os e m ni tratos. Está o xi dação reduz a quanti dade de ni tri to no ambi ente, que em dado mo mento , chegará a zero. Entretanto o nível de ni trato tende a aumentar conti nuamente, sendo necessári a a troca parci al de água do aquári o para a remo ção do mes mo do a mbi ente.
Quando, ao fazer testes específi cos de dosagem de a môni a e ni tri to na água do aquári o, e os resul tados forem i guai s à zero, pode -se consi derar o aquári o pronto para receber sua fauna ( MATAR ATZIS , 2008).
2.2.6 Temperatura
A te mperatura é u ma grandeza físi ca que c aracteri za o estado tér mi co de u m corpo ou si ste ma, co mu mente associ ada às noções de fri o e quente . E m u ma descri ção do ponto de vi sta mol ecul ar , el a é defi nida como a medi da da energi a cinéti ca associ ada à vi bração das partícul as em u m sól i do ou ao movi me nto das partícul as e m u m gás (KAPP e KAPP-NUNES, 2010).
O desenvol vi mento das macrófi tas aquáti cas é afetado por uma séri e de fatores abi óti cos11 co mo a te mperatura da água, radi ação fotossi nteti camente ati va, vari ação do nível de nutri entes e di sponi bili da de de carbono i norgâni co ( CAMARGO, PEZZATO e HENR Y-SIL VA, 2003).
W el ch (1952 apud LACOUL e FREED MAN, 2006 ) rel ata que nenhu m outro fator abi óti co te m u ma i nfl uênci a tão di reta e i ndireta sobre o comporta mento bi ol ógi co, fi si ol ógi co, metaból i co e as
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Fatores abióticos são todas as influências que os seres vivos possam receber em um ecossistema, derivadas de aspectos físicos, químicos ou físico-químicos do meio ambiente, tais como a luz, a temperatura, o vento.
propri edades físi cas e quí mi cas dos ecossi ste m as aquáti cos co mo a te mperatura .
A te mperatura i nfl uenci a o desenvol vimento das macrófi tas por control ar a veloci dade de reações quí mi cas destes vegetai s (CAMARGO e BI UDES, 2008). De modo geral , al tas temperaturas favorece m o desenvol vi mento das ma crófi tas aquáti cas por acel erare m as reações quími cas metaból i cas das mes mas, por é m cada espéci e apresenta uma fai xa de te mperatura i deal para que seu cresci ment o seja sati sfatóri o.
Co m rel ação à concentração de gases di ssol v i dos na água, pode-se afi rmar que a sol ubil i dade dos gases nos l íqui dos é i nversamente proporci onal à te mperat ura, de modo que, quanto mai or a te mperatura do mei o l íqui do, menor é a possi bi li dade do mes mo reter gases di ssol vi dos (PÁDU A, 2010). A pressão at mo sféri ca e a al ti tude ta mbé m i nterferem na concentração de gases nos l íqui dos.
2.2.7 Quantidade de carbonatos e bicarbonatos dissolvidos na água - kH
A dureza de carbonatos k H (Carb onate Hardness) ta mbé m conheci da como dureza e m carbonatos, dureza carbonatad a, potenci al al cali no, capaci dade de tampona ment o ou dureza temporári a, refere -se aos carbonatos e bi carbonatos di ssol vi dos na água. Exi ste m outros co mpostos co mo fosfato s, si l i catos e outros que ta mbé m pos sue m efei to tampão.
Segundo Harri s (1999 apud FIORUCCI, SO ARES e CAVALH EIRO, 2001 ), u ma sol ução tamponada resi ste a mudanças de pH quando áci dos ou bases são adi ci onados ou qua ndo u ma di l ui ção do mei o ocorre.
Encontra -se a di sposi ção no mercado testes para se executar a medi ção do val or de kH, por é m es ses testes al é m de mensurar a quanti dade de carbonatos e de bi carbonatos di ssol vi dos na água ta mbé m mede m outros co mpostos al c al inos. E m resu mo , esses teste s
mensura m a al cal i ni dade total da água . Entretanto , o uso do ter mo k H, quando se faz o uso destes test es e m a mbi entes fechados co mo aquári os e tanques de cri ação, pode -se consi derar o uso termo correto poi s neste ti po de ambi ente os pri ncipai s compostos al cal i nos são os carbonatos e os bi carbonatos.
A kH responsável pelo “efeito tampão”, que é a capacidade de manter o pH estável , mes mo co m a adi ção de áci dos ou bases (co mpostos al cal i nos). Deste modo o pH está i nti ma mente rel aci onado co m a kH (PÁDUA, 2010) .
U m si ste ma aquáti co que apresenta a dureza de carbonatos kH e m u m nível el evado, oferecerá u ma grande resi stênci a a al teração do val or de pH, enquanto que se e sti ver co m a k H e m u m nível bai xo, o si stema te m di fi cul dade para manter o pH estável , desta for ma estand o a água sujei ta a grandes vari ações de pH.
A Fi gura 8 mostra u ma tabel a onde é apresentada u ma rel ação entre o kH, o pH e o CO2. Esta tabel a te m a fi nal i dade de apresentar u m val or esti mado da quanti dade de CO2 di ssol vi do na água para a rel ação entre kH e pH. Val e ressal tar que co mo di to no i tem 2.2. 2 Nutri entes e Ol i goel ementos , o carbon o i norgâni co pode estar presente na água nas segui ntes formas: CO2, H2CO3, HCO3- e CO3- 2. Logo est e val or é apenas uma esti mati va, não é u m val or exato para tal rel ação.
De acordo co m Si l va (2010) as cores para os val ores de CO2 da tabel a da Figura 8 representam:
Cor a marel a i ndi ca el evado nível de CO2 para cul ti vo de espéci es de ma crófi tas e m aquári o;
Cor verde i ndi ca bom nível de CO2 para cul ti vo de espéci es de ma crófi tas e m aquári o;
Cor azul i ndi ca pouco CO2 para culti vo de espéci es de macrófi tas e m aquári o.
2.2.8 Fenômeno Pearling
Segundo Brázi o (2011) o pearling consi ste no apareci mento d e pequenas bol has de oxi gêni o nas pontas da s fol has das macrófi tas , que ao aumentare m de ta manho são l i bertadas até ao topo da col una de água do aquári o. Tai s bol has de oxi gêni o são proveni entes do processo de fotossíntese abordado no i te m 2.1. 2 O Processo de Fotossíntese e m Macrófi tas Aquáti cas , no qual ci ta que e m sua pri mei ra fase, o processo de fotossíntese, efetua a liberação de moléculas de O2 pela quebra de moléculas de água.
O pearl ing não é si nôni mo de fotossí ntese, é si mpl es mente u m fenô meno especi fi co que depende da fotossíntese para aparecer, o
Figura 8. Relação entre pH e kH Fonte: SILVA, 2010.
