BIOACUMULAÇÃO DE METAIS PESADOS EM PLANTAS NATIVAS A PARTIR DE SUAS DISPONIBILIDADES EM ROCHAS E SEDIMENTOS: O EFEITO NA CADEIA TRÓFICA

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BIOACUMULAÇÃO DE METAIS PESADOS EM PLANTAS

NATIVAS A PARTIR DE SUAS DISPONIBILIDADES EM

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FUNDAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO

Reitor João Luiz Martins

Vice-Reitor Antenor Barbosa Junior

Pró-Reitor de Pesquisa e Pós-Graduação Tanus Jorge Nagem

ESCOLA DE MINAS

Diretor

José Geraldo Arantes de Azevedo Brito

Vice-Diretor

Marco Túlio Ribeiro Evangelista

DEPARTAMENTO DE GEOLOGIA

Chefe

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CONTRIBUIÇÕES ÀS CIÊNCIAS DA TERRA – SÉRIE M - VOL. 29

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO

Nº 241

BIOACUMULAÇÃO DE METAIS PESADOS EM PLANTAS NATIVAS

A PARTIR DE SUAS DISPONIBILIDADES EM ROCHAS E

SEDIMENTOS: O EFEITO NA CADEIA TRÓFICA

Tatiana Lopez Corrêa

Orientador

Sérvio Pontes Ribeiro

Co-orientadores

Hermínio Arias Nalini Jr. e

Hildeberto Caldas de Sousa

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Evolução Crustal e Recursos Naturais do Departamento de Geologia da Escola de Minas da Universidade Federal de Ouro Preto como requisito

parcial à obtenção do Título de Mestre em Ciências Naturais, Área de Concentração: Geologia Ambiental e Conservação de Recursos Naturais

OURO PRETO

2006

(6)

Universidade Federal de Ouro Preto – http://www.ufop.br Escola de Minas - http://www.em.ufop.br

Departamento de Geologia - http://www.degeo.ufop.br/

Programa de Pós-Graduação em Evolução Crustal e Recursos Naturais Campus Morro do Cruzeiro s/n - Bauxita

35.400-000 Ouro Preto, Minas Gerais

Tel. (31) 3559-1600, Fax: (31) 3559-1606 e-mail: pgrad@degeo.ufop.br

Os direitos de tradução e reprodução reservados.

Nenhuma parte desta publicação poderá ser gravada, armazenada em sistemas eletrônicos, fotocopiada ou reproduzida por meios mecânicos ou eletrônicos ou utilizada sem a observância das normas de direito autoral.

ISSN 85-230-0108-6

Depósito Legal na Biblioteca Nacional Edição 1ª

Catalogação: sisbin@sisbin.ufop.br C824b Corrêa, Tatiana Lopez.

Bioacumulação de metais pesados em plantas nativas a partir de suas disponibilidades em rochas e sedimentos: [manuscrito] o efeito na cadeia trófica. / Tatiana Lopez Corrêa. - 2006. xxiv, 143p. : il., color, grafs., tabs, mapas.

Orientador: Prof. Sérvio Pontes Ribeiro.

Co-orientadores: Prof. Hermínio Arias Nalini Jr.; Hildeberto Caldas de Sousa.

Área de concentração: Geologia Ambiental e Conservação de Recursos Naturais.

Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal de Ouro Preto. Escola de Minas. Departamento de Geologia. Programa de Pós-Graduação em Evolução Crustal e Recursos Naturais (Geologia Ambiental).

1. Geoquímica ambiental - Teses. 2. Bioacumulação - Teses. 3. Metais pesados - Bioacumulação - Teses. 4. Plantas - Efeito dos metais pesados - Teses. 5. Solos -Teor do metal pesado - Teses.

I. Universidade Federal de Ouro Preto. Escola de Minas. Departamento de Geologia. Programa de Pós-Graduação em Evolução Crustal e Recursos Naturais. (Geologia Ambiental)

II.Título.

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Agradecimentos

Meus sinceros agradecimentos a todas as pessoas que de alguma forma apoiaram o

desenvolvimento deste trabalho.

Ao Prof. Dr. Sérvio Pontes Ribeiro pelo apoio, orientação e credibilidade desde os tempos da

iniciação científica.

Ao Prof. Dr. Hermínio Arias Nalini Jr. pela co-orientação, apoio e oportunidades cedidas para

realização deste trabalho no Laboratório Geoquímica Ambiental.

Ao Prof. Dr. Hildeberto Caldas de Sousa do DECBI/UFOP pela co-orientação e apoio na

identificação e no estudo anatômico das plantas e pela amizade constante.

Ao Professor Jorge Lena do DEQUI/UFOP pela disponibilidade para a elucidação de várias

dúvidas relacionadas às análises laboratoriais e ao tratamento de dados geoquímicos. Ao Prof. José

Fernandes de Paiva pela disponibilidade e ajuda.

Aos colegas Janice Pereira, Adivane Costa, Adriana Trópia, Luciana Vetel, Margarete Pereira,

Aline Kelly, Cláudio Lanna, Augusta Fujaco, Ronal Rafael, Janaina Soares, Cínthia Borges pela ajuda

e trocas de idéias.

À bolsista deste projeto, Dalila Chaves Sicupira, pela dedicação no desenvolvimento de várias

etapas deste trabalho. Às bolsistas Simone, Tatiana e Juliana do Laboratório de Anatomia Vegetal do

ICEB/UFOP pela ajuda nas coletas e no estudo de anatomia vegetal. Aos colegas César, Eduardo,

Cristiano, Davi, Isabel e Erica do LGqA pela ajuda no laboratório.

Ao Celso e Vandir, técnicos do Laboratório de Geoquímica Ambiental, e Vanderlei, técnico

do Laboratório de difratometria de raios-X pela ajuda constante. Ao Jorge, técnico do Laboratório de

Botânica ICEB/UFOP pela ajuda na coleta das amostras de plantas.

Aos professores responsáveis pelos Laboratórios de Geoquímica Ambiental, Difração de

raios-X e Sedimentologia do DEGEO/UFOP, Anatomia Vegetal, Botânica e Ecologia Evolutiva do

ICEB/UFOP pela disponibilização de suas infra-estruturas para o tratamento das amostras.

Ao CNPq pela concessão da bolsa de mestrado, à Fapemig pela concessão de recurso para este

projeto (Projeto CRA 226/04) e ao PPG-ECRN pelo apoio logístico necessário para o

desenvolvimento deste projeto.

Às amigas da Rep. Anonimato, em especial Edilayne, Cíntia, Renata, Luanda e Dalila pelo

apoio e amizade.

À minha mãe Célia pelo incentivo e apoio nas decisões profissionais e à minha irmã Larissa

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xi

Sumário

AGRADECIMENTOS ... ix

LISTA DE FIGURAS ... xv

LISTA DE TABELAS ... xviii

LISTA DE PRANCHAS ... xix

RESUMO ... xxi

ABSTRACT ... xxiii

CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO ... 01

1.1. Considerações Iniciais... 01

1.1.1. Bioacumulação de Metais Pesados... 02

1.1.2. Herbivoria e Defesa de Plantas... 04

1.1.3. Defesas mecânicas e Químicas de Plantas ... 06

1.2. Justificativa ... 08

1.3. Objetivos ... 08

1.4. Localização e Vias de Acesso ... 10

CAPÍTULO 2. ASPECTOS FISIOGRÁFICOS E GEOLÓGICOS DO QUADRILÁTERO FERRÍFERO ... 13

2.2. Aspectos Fisiográficos da Região Sudeste do Quadrilátero Ferrífero... 14

2.2.1. Clima... 14

2.2.2. Vegetação... 14

2.2.3. Hidrologia ... 16

2.2.4. Geomorfologia ... 17

2.3. Aspectos geológicos do Quadrilátero Ferrífero e da Região Estudada ... 18

CAPÍTULO 3. METODOLOGIA ... 21

3.2. Coleta, Preservação e Tratamento de Amostras ... 23

3.2.1. Coleta, Tratamento e Análise de Solo... 23

3.2.2. Plantas ... 24

3.2.2.1. Coleta de Plantas... 25

3.2.2.2. Herbivoria ... 26

3.2.2.3. Estudo Anatômico ... 26

3.2.2.4. Tratamento e Análise Geoquímica ... 28

3.3. Técnicas Análiticas ... 29

(10)

xii

CAPÍTULO 4. RESULTADOS ... 33

4.1. Solos ... 33

4.1.1. Caracterização Geoquímica das Amostras de Solo ... 33

4.1.1.1. Análise Hierárquica de Agrupamento e Análise Mineralógica ... 33

4.1.1.2. Distribuição dos Elementos nas Amostras de Solo... 36

4.2. Plantas ... 65

4.2.1. Caracterização Geoquímica das Espécies Estudadas ... 65

4.2.1.1. Análise Hierárquica de Agrupamento ... 65

4.2.1.2. Distribuição dos Elementos nas Amostras de Planta ... 67

4.2.1.3. Relação Solo-Planta e Índice de Bioacumulação de Metais Pesados. ... 83

4.2.2. Caracterização Biológica das Espécies Estudadas ... 85

4.2.2.1. Herbivoria em P. vittata... 85

4.2.2.2. Descrição Anatômica de P. vittata... 85

4.2.2.3. Descrição Anatômica de B. variabilis... 87

4.2.2.4. Arquitetura de Planta e Esclerofilia Foliar em B. variabilis... 90

4.2.2.5. Efeito da acumulação de Metais Pesados na Herbivoria em B.variabilis.. 91

4.2.2.6. Efeito das Estruturas de Defesa Anatômica na Herbivoria em B.variabilis93 CAPÍTULO 5. DISCUSSÕES E CONCLUSÕES ... 95

5.1. Discussões Finais... 95

5.2. Conclusões... 98

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 101

ANEXOS ... 109

ANEXO I – SOLOS ... 109

• Resultados das Análises de Elementos Maiores e Traços - Mariana ... 111

• Resultados das Análises de Elementos Maiores e Traços - Ouro Preto... 112

• Resultados das Análises de Difração de Raios X ... 113

ANEXO II – PLANTAS ... 129

• Resultados das Análises de Elementos Maiores e Traços nas frondes - P. vittata... 131

• Resultados das Análises de Elementos Maiores e Traços nas folhas - B. variabilis... 132

• Resultados das Análises de Elementos Maiores e Traços nos Tricomas - B. variabilis. Valores em mg/kg ... 133

• Resultados da comparação entre as médias dos metais pesados referentes às populações de P. vittata utilizando o Teste-t de Student, onde N: 30 e o gl: 28 ... 134

(11)

xiii

• Resultados das regressões lineares simples relacionando as concentrações de metais pesados em P. vittata em função das concentrações nos solos. N: 30 e grau de liberdade do erro para todas

as regressões: 28... 136

• Resultados das Regressões lineares simples relacionando as concentrações de metais pesados em B. variabilis em função das concentrações nos solos. N: 30 e grau de liberdade do erro para todas as regressões:28 ... 137

• Coeficientes de correlação de Pearson para os metais pesados analisados nas folhas e as variáveis biológicas de B. variabilis... 138

ANEXO III – MAPA DE LITOTIPOS ... 139

• Mapa dos Litotipos com a Localização dos Pontos de Amostragem ... 141

(12)

xv

Lista de Figuras

Figura 1.1 - Mapa de localização dos locais de coleta na região de Ouro Preto e Mariana,

MG. (adaptado de Almeida 2004) ... 10

Figura 1.2 - Vista da canga ferruginosa que ocorre no Campus da UFOP em Ouro Preto ... 11

Figura 1.3 - Vista geral da encosta do vale do ribeirão do Carmo em Mariana... .12

Figura 2.1 - Local de coleta em Ouro Preto mostrando a vegetação arbustiva da canga ferruginosa... 15

Figura 2.2 - Local de coleta em Mariana mostrando os afloramentos de quartzito e as candeias predominantes nesse local ... 16

Figura 2.3 - Mapa geológico do Quadrilátero Ferrífero com suas principais estruturas. Adaptado de Dorr II (1969) e Romano (1989) in: César-Mendes & Gandini (2000)19 Figura 3.1 - Fluxograma representando a metodologia utilizada neste trabalho... 22

Figura 3.2 - Espécies de plantas coletadas na região de Ouro Preto - Mariana para estudo ecológico e geoquímico: Pteris vittata (a) e Byrsonima variabilis (b)... 25

Figura 4.1 - Dendrograma obtido na análise de hierárquica de agrupamento nas amostras de solo em Mariana ... 34

Figura 4.2 - Dendrograma obtido na análise de hierárquica de agrupamento nas amostras de solo em Ouro Preto... 36

Figura 4.3 - Variação dos teores de cálcio no solo coletadas em Mariana e Ouro Preto ... 38

Figura 4.4 - Variação dos teores de magnésio no solo coletadas em Mariana e Ouro Preto ... 39

Figura 4.5 - Variação dos teores de potássio no solo coletadas em Mariana e Ouro Preto... 40

Figura 4.6 - Variação dos teores de sódio no solo coletadas em Mariana e Ouro Preto ... 41

Figura 4.7 - Variação dos teores de fósforo no solo coletadas em Mariana e Ouro Preto ... 42

Figura 4.8 - Variação dos teores de ferro no solo coletadas em Mariana e Ouro Preto ... 43

Figura 4.9 - Variação dos teores de manganês no solo coletadas em Mariana e Ouro Preto... 44

Figura 4.10 - Variação dos teores de alumínio no solo coletadas em Mariana e Ouro Preto... 45

Figura 4.11 - Variação dos teores de cobalto no solo coletadas em Mariana e Ouro Preto ... 46

Figura 4.12 - Variação dos teores de cobre no solo coletadas em Mariana e Ouro Preto ... 47

Figura 4.13 - Variação dos teores de cromo no solo coletadas em Mariana e Ouro Preto... 48

Figura 4.14 - Variação dos teores de lítio no solo coletadas em Mariana e Ouro Preto ... 49

Figura 4.15 - Variação dos teores de níquel no solo coletadas em Mariana e Ouro Preto... 50

Figura 4.16 - Variação dos teores de zinco no solo coletadas em Mariana e Ouro Preto ... 51

Figura 4.17 - Variação dos teores de arsênio no solo coletadas em Mariana e Ouro Preto ... 52

Figura 4.18 - Variação dos teores de bário no solo coletadas em Mariana e Ouro Preto... 53

Figura 4.19 - Variação dos teores de bismuto no solo coletadas em Mariana e Ouro Preto ... 54

Figura 4.20 - Variação dos teores de cádmio no solo coletadas em Mariana e Ouro Preto ... 55

Figura 4.21 - Variação dos teores de chumbo no solo coletadas em Mariana e Ouro Preto ... 56

Figura 4.22 - Variação dos teores de antimônio no solo coletadas em Mariana e Ouro Preto... 57

(13)

xvi

Figura 4.24 - Variação dos teores de estrôncio no solo coletadas em Mariana e Ouro Preto .... 59

Figura 4.25 - Variação dos teores de tório no solo coletadas em Mariana e Ouro Preto... 60

Figura 4.26 - Variação dos teores de titânio no solo coletadas em Mariana e Ouro Preto ... 61

Figura 4.27- Variação dos teores de vanádio no solo coletadas em Mariana e Ouro Preto ... 62

Figura 4.28 - Variação dos teores de ítrio no solo coletadas em Mariana e Ouro Preto ... 63

Figura 4.29 - Variação dos teores de zircônio no solo coletadas em Mariana e Ouro Preto ... 64

Figura 4.30 - Dendrograma obtido na análise de hierárquica de cluster nas amostras de folhas de P. vittata, onde PVM01 a 15 são as 15 amostras coletadas em Mariana e PVC01 a 15, são as 15 amostras coletadas em Ouro Preto... 66

Figura 4.31 - Dendrograma obtido na análise de hierárquica de cluster nas amostras de folhas de B. variabilis, onde BVM01 a 15 são as 15 amostras coletadas em Mariana e BVC01 a 15, são as 15 amostras coletadas em Ouro Preto ... 66

Figura 4.32 - Variação das concentrações de manganês nas folhas de P.vittata e B. variabilis em Mariana e Ouro Preto, onde PVM01 a 15 e BVM01 a 15 são as amostras de P. vittata e de B. variabilis, respectivamente, coletadas em Mariana e PVC01 a 15 e BVC01 a 15 são as amostras das mesmas espécies coletadas em Ouro Preto ... 69

Figura 4.33 - Variação das concentrações de cobre nas folhas de P.vittata e B. variabilis em Mariana e Ouro Preto ... 70

Figura 4.34 - Variação das concentrações de cromo nas folhas de P.vittata e B. variabilis em Mariana e Ouro Preto ... 71

Figura 4.35 - Variação das concentrações de níquel nas folhas de P.vittata e B. variabilis em Mariana e Ouro Preto ... 72

Figura 4.36 - Variação das concentrações de molibdênio nas folhas de P.vittata em Mariana e Ouro Preto... 73

Figura 4.37 - Variação das concentrações de zinco nas folhas de P.vittata e B. variabilis em Mariana e Ouro Preto ... 74

Figura 4.38 - Variação das concentrações de arsênio nas folhas de P.vittata e B. variabilis em Mariana e Ouro Preto ... 75

Figura 4.39 - Variação das concentrações de bário nas folhas de P.vittata e B. variabilis em Mariana e Ouro Preto ... 77

Figura 4.40 - Variação das concentrações de chumbo nas folhas de P.vittata e B. variabilis em Mariana e Ouro Preto... 78

Figura 4.41 - Variação das concentrações de estanho nas folhas de P.vittata e B. variabilis em Mariana e Ouro Preto ... 79

Figura 4.42 - Variação das concentrações de estrôncio nas folhas de P.vittata e B. variabilis em Mariana e Ouro Preto... 80

Figura 4.43 - Variação das concentrações de titânio nas folhas de P.vittata e B. variabilis em Mariana e Ouro Preto ... 81

Figura 4.44 - Variação das concentrações de vanádio nas folhas de P.vittata e B. variabilis em Mariana e Ouro Preto... 82

(14)

xvii

Figura 4. 46 - Concentração de arsênio (a) em P. vittata e de manganês (b) em B. variabilis em função das concentrações dos mesmos no solo ... 84

Figura 4.47 - Valor médio das variáveis de arquitetura mais representativas nas duas

populações de B. variabilis... 91 Figura 4.48 - Proporção de folhas danificadas (PFD) nas populações de B. variabilis em Mariana e Ouro Preto (a) e a média relativa de folhas danificadas em função da concentração de manganês (Log) (b)... 92

Figura 4.49 - Número de galhas nas populações de B. variabilis em Mariana e Ouro Preto (a) e o número de galhas em função da concentração de manganês (Log) (b) ... 92

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xviii

Lista de Tabelas

Tabela 4.1 - Resultados mínimos, máximos, médios e desvios-padrão dos elementos

analisados em amostras de solo da região de Mariana e Ouro Preto ... 37

Tabela 4.2 - Concentrações de metais pesados para folhas maduras para N espécies obtidas na literatura. Espécies sensíveis ou altamente tolerantes não foram incluídas ... 67

Tabela 4.3 - Resultados mínimos, máximos, médios e desvios-padrão dos elementos analisados em amostras de folhas de P. vittata e B. variabilis coletadas em Mariana e Ouro Preto. ... 67

Tabela 4.4 - Sumário mostrando os metais pesados que apresentaram valores acima das concentrações adequadas para solos e plantas em algumas amostras analisadas. Valores entre parênteses em mg/Kg... 68

Tabela 4.5 - Classificação dos índices de bioacumulação de elementos de acordo com o grau de acumulação ... 84

Tabela 4.6 - Índice de bioacumulação de metais pesados em plantas a partir de suas concentrações no solo... 85

Tabela 4.7 - Eigenvalores obtidos na matriz de correlações de PCA para cada variável de arquitetura de planta em B. variabilis... 90

Tabela 4.8 - Resultados da análise de covariância (modelo misto). Variável dependente: área foliar perdida (arcoseno) e N:180 ... 93

Tabela I.1 - Resultados da análise de elementos maiores e traços nos solos - Mariana ... 111

Tabela I.2 - Resultados da análise de elementos maiores e traços nos solos - Ouro Preto... 112

Tabela II.1 - Resultados da análise de elementos maiores e traços nas frondes - P. vittata... 131

Tabela II.2 - Resultados da análise de elementos maiores e traços nas folhas - B. variabilis. 132 Tabela II.3 - Resultados das análise de elementos maiores e traços nos tricomas de B. variabilis. Valores em mg/kg ... 133

Tabela II.4 - Resultados da comparação entre as médias referentes às populações de P. vittata utilizando o Teste - t de Student onde N: 30 e o gl: 28 ... 134

Tabela II.5 - Resultados da comparação entre as médias referentes às populações de B. variabilis utilizando o Teste - t de Student onde N: 30 e o gl: 28... 135

Tabela II.6 - Resultados das regressões lineares simples relacionando as concentrações de metais pesados em P. vittata em função das concentrações nos solos. N: 30 e grau de liberdade do erro para todas as regressões: 28... 136

(16)

xix

Lista de Pranchas

Prancha 4.1 - Epiderme dissociada das folhas de P. vittata. a – Epiderme adaxial, mostrando as células epidérmicas sinuosas (Barra: 50µm); b – Epiderme abaxial,

mostrando os estômatos do tipo polocítico (Barra: 50µm). Ce: Célula

epidérmica. Es: Estômatos ... 86

Prancha 4.2 - Cortes transversais das folhas de P. vittata. a – Nervura central da folha Barra: 100µm); b – Detalhe do cilíndro vascular, mostrando a endoderme (Barra: 50µm); c - Detalhe do mesofilo, mostrando os parênquimas paliçadico e lacunoso (Barra: 50µm). Ab: Face abaxial, Ad; Face adaxial, En: Endoderme, Ep: Epiderme, Fl: Floema, Pc: Parênquima córtex, Pl: Parênquima lacunoso, Pp: Parênquima paliçadico, Xl: Xilema ... 87

Prancha 4.3 - Epiderme dissociada das folhas de B. variabilis, mostrando os estômatos e as bases de tricomas. a - Epiderme adaxial, mostrando as base de tricomas (Barra: 100µm); b - Epiderme abaxial, mostrando os estômatos do tipo paracítico e as bases de tricomas (Barra: 100µm). Bt: Bases de Tricomas, Es: Estômatos ... 88

Prancha 4.4 - Cortes transversais das folhas de B. variabilis, mostrando os tricomas em forma de T com braços longos e retorcidos, típicos da família Malpiguiaceae. a - (Barra: 50µm); b - (Barra: 100µm). Ab: Face abaxial, Ct: Cutícula, Es:

Estômato, Tr: Tricoma ... 89

Prancha 4.5 - Cortes transversais das folhas de B. variabilis. a - Detalhe da nervura central da folha (Barra: 100µm); b - Detalhe da nervura central em luz polarizada, mostrando os cristais de oxalato de cálcio (Barra: 100µm); c - Detalhe do mesofilo, mostrando a cutícula espessa (Barra: 100µm). Ab: Face abaxial, Ad: Face adaxial, Cr: Cristais de oxalato de cálcio, Ct: cutícula espessa, Ff: Fibras do floema, Fl: Floema, Fx: Fibras do Xilema, Pl: Parênquima

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xxi

Resumo

As altas concentrações naturais de metais pesados em um ecossistema podem oferecer efeitos

nocivos à saúde humana e têm contribuído para a contaminação do meio ambiente. Por outro lado,

algumas plantas foram naturalmente selecionadas para tolerância e até bioacumulação de elevadas

concentrações destes metais.

O objetivo deste trabalho foi avaliar a possibilidade de tolerância diferencial a metais pesados

em populações de Pteris vittata L. (Pteridaceae) e Byrsonima variabilis A. Juss. (Malpighiaceae) em dois locais situados na região de Ouro Preto e Mariana e de descrever as possíveis variações

anatômicas em folhas de plantas sujeitas a concentrações diferentes de metais pesados,

correlacionando essas variações estruturais a um maior ou menor grau de herbivoria causados por

insetos.

As espécies selecionadas para este trabalho ocorrem nas encostas do ribeirão do Carmo

(Mariana), próximo a uma área onde existe a presença de arsênio em grande quantidade e nas cangas

lateríticas, ricas em ferro, alumínio e manganês pertencente à Universidade Federal de Ouro Preto.

Foram coletadas 30 amostras de folhas de P. vittata e 30 de B. variabilis, metade em cada local de estudo. Além das amostras de plantas, também foram coletadas amostras de solo sob cada planta

amostrada, totalizando 60 amostras. Foram realizadas análises químicas em amostras de plantas e de

solos e análises mineralógicas em oito amostras de solo representativas. Também, feitas medidas de

herbivoria, arquitetura de planta, esclerofilia foliar e de anatomia foliar das espécies estudadas.

As amostras de solo coletadas junto às populações de P. vittata são distintas das amostras coletadas junto às populações de B. variabilis, tanto em Mariana quanto em Ouro Preto, indicando que estas espécies ocupam micro-habitats distintos. As análises químicas mostram que a maioria dos

elementos no solo se encontra em concentração adequadas para solos não contaminados como, solos

para agricultura. Algumas amostras apresentaram concentrações baixas de nutrientes (Ca, Mg e

outros) e outros elementos em decorrência da lixiviação e outras apresentaram concentrações altas de

Fe, Cr, Ni, As, Bi, Cd, Sb, Th e V devido a fontes naturais na região de Mariana e Ouro Preto.

Nas plantas, a maioria dos metais pesados foi encontrada em concentração adequada à

nutrição destas, exceto o As em P. vittata e o Mn em B. variabilis, que foram encontrados em concentrações acima do limite ótimo destes descritos na literatura para plantas em geral. Além disso,

as concentrações de grande parte dos metais pesados nas plantas não refletem as concentrações

encontradas nos solos, evidenciando a existência de mecanismos de tolerância, relacionados

eventualmente com absorção seletiva. De maneira geral, as duas espécies estudadas apresentaram

(18)

xxii

de bioacumulação de Mn e P. vittata de As, sugerindo uma grande eficiência em absorvê-los e translocá-los às folhas em concentrações acima das encontradas nos solos.

A taxa de danos causados por herbívoros em P. vittata foi muito baixo, confirmando a hipótese de menor acúmulo de insetos herbívoros ao longo do tempo evolutivo associados às plantas

inferiores.

Embora as duas populações de B. variabilis tenham apresentado composição química semelhante, a população de Mariana apresentou plantas mais vigorosas, evidenciadas pelas

características de arquitetura de planta, folhas menos atacadas por insetos herbívoros e menos

esclerófilas do que a população de Ouro Preto.

As plantas com maiores concentrações de Mn e maior espessura de cutícula no limbo foliar em

B. variabilis foram menos atacadas por insetos herbívoros. Considerando a hipótese de que insetos especialistas associados às plantas esclerófilas são capazes de superar as defesas mecânicas dessas

plantas, apresentar uma cutícula espessa não é suficiente para barrar ou inibir a entrada desses insetos.

(19)

xxiii

Abstract

Natural high concentrations of heavy metals in an ecosystem could result in harmful effects to

human health and have contributed for the contamination of the evironment. Nevertheless, some plants

tolerates and also bioacumulates high concentrations of these metals, particularly those evalued in

such environments.

The objective of this work was to avaliate the possibility of diferential tolerance to heavy

metal by Pteris vittata L. (Pteridaceae) and Byrsonima variabilis A. Juss. (Malpighiaceae) populations in two locations in Ouro Preto and Mariana region and to describe the possible anatomical variations

in plant leaves in response to the different heavy metal concentrations. I aimed to correlate these

structural variations to a greater or minor degree of herbivory caused by insects.

The species Pteris vittata and Byrsonima variabilis, likely to tolerate heavy metals, were selected for this work. Both species occur in the hillsides of the brook do Carmo (Mariana), near an

area where exists high concentrations of arsenic and in the lateritic soils, rich in Fe, Al and Mn of the

campi of Ouro Preto Federal University.

Thirty leaves samples of each species were collected, half in each study site. Besides, soils

samples were also collected close to each plant sampled, totalizing 60 samples. Chemical analysis of

plant and soils samples and mineralogical analysis of eight representative soil samples were made.

Also herbivory, plant architecture and leaf anatomy traits were measured.

The soil samples colected around P. vittata populations were distinct of the soil samples colected under B. variabilis populations in Mariana and in Ouro Preto, thus indicating that these species occupy different micro-habitats.The chemical analyses showed that the majority of elements in

the soil were found in adequate concentrations for non-contamined soils such as agricultural soils.

Low concentrations of nutrients (Ca, Mg, P, K and others) were found in some samples due to the

lixiviation, while high concentrations of Fe, Cr, Ni, Bi, Cd, Sb, Th and V were also found in isolated

samples due to natural sources in this area.

In the plants, most of elements were found in adequate concentration for the nuticional needs

of both species. Only As concentration in P. vittata and Mn concentration in B. variabilis were found in higher concentrations than the optimial limit found in literature for plants in general. Moreover,

most of the heavy metals concentrations in plants do not reflect the concentrations found in the soils,

sugesting physiological mechanisms to tolerate such elements in high natural concentrations. In

general, the two studied species showed high bioacumulation index for Cu, Zn, Ba and Sr. Moreover,

B. variabilis showed high bioacumulation index for Mn and P. vittata for As, indicating a great efficiency in absorbing and translocating these elements to the leaves in concentrations higher than

(20)

xxiv

The rates of damage caused by herbivores in P. vittata were very low, confirming the

hypothesis of lower accumulation of insects during the evolution time in association to the

cryptogams. Although the B. variabilis populations had similar chemical composition, the

population in Mariana showed more vigorous plants, evidenced by the plant architecture caracters,

along with leaves with less herbivory damage and less sclerophyllous traits than the population of

Ouro Preto.

The plants of B. variabilis with higher manganese concentrations and with thicker leaf

cuticle were less attacked by insects. Considering the hypothesis that specialists insects associated

with sclerophyllous plants are capable to overcome their mechanical defenses, to show a thick

cuticle is not enough to limit or to restrain the entrance of these insects. Therefore, data suggests the

possibility that manganese could acumulate in the B. variabilis’s leaf cuticle, resulting in a more

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CAPÍTULO 1

INTRODUÇÃO

1.1– CONSIDERAÇÕES INICIAIS

Metal pesado é um termo geral aplicado para o grupo de metais e metalóides com uma densidade maior que 6 g/cm3 (Alloway 1993). É um termo amplamente reconhecido e aplicado para elementos tais como arsênio (As), cádmio (Cd), cobre (Cu), mercúrio (Hg), níquel (Ni), chumbo (Pb) e zinco (Zn), que são comumente associados a problemas de contaminação ambiental. Porém, alguns metais e metalóides (p. ex. Arsênio), que possuem densidades menores do que 6g/cm3, são incluídos no grupo dos metais pesados devido aos seus efeitos tóxicos no meio ambiente.

Os principais metais e metalóides considerados tóxicos são As, berílio (Be), Cd, cobalto (Co), cromo (Cr), Cu, molibdênio (Mo), Ni, Pb, antimônio (Sb), escândio (Sc), titânio (Ti), vanádio (V), Zn e ainda ferro (Fe), manganês (Mn) e alumínio (Al) que, apesar de serem nutrientes para as plantas, em grandes concentrações podem ser tóxicos (Larcher, 2000, Siegel 2002, Taiz & Zeiger 2004). Os metais pesados ocorrem naturalmente nos minerais e as concentrações desses elementos variam em solos, sedimentos, água e organismos vivos. Os metais pesados são incluídos no grupo de elementos denominado “elementos-traço”, que juntos constituem menos de 1% da composição das rochas na crosta terrestre. Os demais 99% da crosta terrestre são compostos pelos chamados macroelementos (Alloway 1993).

A contaminação de solos por metais pesados é uma preocupação ambiental global (Chen et al.

2002). A contaminação por metais pesados ocorre, sobretudo em zonas industriais e de mineração, devido ao intenso tráfego de veículos, esgoto e pilhas de rejeitos. Pilhas de rejeitos contendo rochas fragmentadas, por exemplo, são depositadas ao ar livre, sendo expostas ao ambiente oxidante e à ação do intemperismo. Os impactos de poluentes na saúde humana por meio de inalação e ingestão de metais pesados, via alimentação e água para consumo são freqüentemente manifestados a longo prazo e de várias formas. Por exemplo, problemas mentais, perda do controle motor, disfunção crítica dos órgãos, câncer, mal estar crônico e até a morte são registrados (Siegel 2002).

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Corrêa, T. L., 2006 Bioacumulação de Metais Pesados em Plantas Nativas a partir de suas disponibilidades...

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plantas a estes elementos, e sua ação ao longo da cadeia trófica em comunidades endêmicas de locais com altas concentrações naturais destes elementos, podem revelar aspectos importantes para o manejo destes poluentes em ambientes antrópicos.

1.1.1 – Bioacumulação de Metais Pesados

O enriquecimento de metais pesados em um ecossistema pode oferecer efeitos nocivos à saúde humana e aos componentes naturais destes, como os animais e as plantas (Siegel 2002). Como as plantas são sedentárias, elas estão expostas ao estresse da poluição local. Por isso, as plantas podem ser utilizadas como bioindicadores em relação a uma variedade de substâncias tóxicas. Neste caso, bioindicadores são organismos ou uma comunidade de organismos sensíveis à poluição como fator de estresse e respondem por meio de alterações em suas respostas fisiológicas ou pela acumulação de poluentes. Estes organismos respondem às mudanças do meio, por meio do declínio, do desaparecimento ou ao contrário, pela abundância no crescimento e no aumento da capacidade de reprodução (Larcher 2000, Siegel 2002).

A maioria das plantas é sensível aos metais pesados quando estes ultrapassam certas concentrações. Entretanto, algumas espécies são capazes de crescer sobre ambientes contaminados, pois desenvolveram vários mecanismos de desintoxicação evitando o efeito do excesso de metais pesados sobre seu metabolismo, crescimento e reprodução (Larcher 2000). Segundo Larcher (2000), alguns possíveis mecanismos de resistência aos metais pesados presentes nas plantas: imobilização dos íons metálicos na parede celular; impedimento da permeabilidade por meio da membrana celular; quelação (formação de quelatos por proteínas ou fitoquelatinas que se ligam aos metais pesados no citoplasma protegendo a célula contra o efeito tóxico destes); compartimentalização dos metais nos vacúolos; e exportação ativa pela membrana celular.

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Contribuições às Ciências da Terra Série M, vol. 29, 143p.

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No caso do arsênio, alguns trabalhos desenvolveram experimentos utilizando concentrações diferentes, nos quais as plantas estudadas acumulam altas concentrações deste elemento (Holt 1967, Porter & Peterson 1975, Simola 1977). Mais recentemente foi descoberta por Ma et al. (2001) uma espécie de pteridófita, a Pteris vittata L. que acumula até 10000 vezes (5070 ppm) mais arsênio do que plantas normais (Chen et al. 2002). Logo em seguida, outras quatro espécies de Pteridófitas hiperacumuladoras de arsênio foram identificadas: Pityrogramma calomelanos (Vissottiviseth et al.

2002), Pteris cretica, Pteris longifolia e Pteris umbrosa (Zhao et al. 2002).

Diversos trabalhos relacionados às respostas metabólicas ao arsênio foram feitos com P. vittata. Estes sugerem que o mecanismo de detoxificação mais provável utilizado por esta espécie é a quelação do arsênio a ligantes ou seqüestro deste para vacúolos e parede celular, evitando seu contato com sítios de metabolismo no citoplasma (Ma et al. 2001, Zang et al. 2002 a e b, Tu et al. 2003, Cai et al. 2004, Cao et al. 2004). Mecanismos de detoxificação que são baseados na tolerância e não na exclusão de metais são de grande interesse para fitoremediação (Cai et al. 2004). Embora o arsênio seja um modelo importante dada sua importância para a saúde humana, mecanismos evolutivos de detoxificação de outros metais pesados podem ser freqüentes em ambientes naturalmente contaminados, e importantes para interações tróficas das plantas e seus inimigos naturais.

Além de plantas acumuladoras de arsênio, diversas plantas acumulam outros metais pesados em grandes concentrações. Aproximadamente 400 espécies têm sido identificadas e a maioria endêmica de regiões com solos ricos em metais tanto nos trópicos quanto nas zonas temperadas. Estas pertencem a um amplo número de famílias não relacionadas entre si (Bassicaceae, Euphorbiaceae, Flaucortiaceae e Violaceae). A maioria das espécies identificadas é hiperacumuladora de Ni (> 317 espécies), mas além destas, já foram identificadas hiperacumuladoras de Zn, Cd, Pb, Cu, As, Co, Al e Mn, entres outras (Baker & Brooks 1989, Baker et al. 2000, Haridasan 2000, Ma et al. 2001). Espécies de plantas acumuladoras de metais pesados podem ser empregadas na detecção qualitativa e quantitativa da situação de estresse causado por contaminação do meio ambiente. A análise química destas plantas permite a avaliação do grau de poluição do local (Larcher 2000). Para serem consideradas boas bioindicadoras, as plantas devem incorporar um metal pesado em proporções próximas às concentrações nos solos e ter uma ampla distribuição geográfica que permita uma boa amostragem de sua densidade (Siegel 2002).

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4

rizosfera (região próxima à raiz), acúmulo desses nas raízes (preservando sua integridade e funções primárias) e a baixa translocação para a parte aérea (Verkleij & Parest 1989, Arduini et al. 1996).

Várias hipóteses foram sugeridas para explicar qual o papel biológico da hiperacumulação de metais pesados nos órgãos das plantas. Aumentar a tolerância a metais, aumentar a resistência à seca, vantagem competitiva em relação às outras plantas por alelopatia, proteção contra a herbivoria e infecções de fungos são hipóteses investigadas por diferentes grupos de pesquisa (Reeves et al. 1981, Boyd & Martens 1993, Pollard et al. 2000, Hanson et al. 2003).

Dentro das condições de habitat, exigidas por uma dada espécie, existem os chamados habitats marginais, onde, por exemplo, a maioria dos requisitos para a ocorrência desta espécie existe juntamente a algum tipo de contaminação ou carência de recurso. Quando a seleção natural em habitats marginais de uma espécie de planta favorece alelos raros, no presente caso, ligados à tolerância de metais pesados, a colonização deste novo ambiente por estes genótipos tolerantes pode conferir vantagens competitivas e proteção contra insetos herbívoros. A proteção contra insetos herbívoros é uma hipótese que depende da força exercida por estes insetos sobre as plantas entre as várias outras como, competição, condições nutricionais dos solos e excesso de radiação solar. Caso estas populações desenvolvam isolamento reprodutivo, ocorre então o surgimento de uma nova espécie por especiação parapátrica (Futuyma 1997). Esta especiação é comum em insetos não alados que se movem pouco, ou em plantas que, quando colonizando um solo que causa estresse fisiológico, desenvolvem uma fenologia diferenciada do resto da população. Um exemplo clássico desta especiação foi apresentado por Macnair (1981), no qual populações de algumas gramíneas que crescem em áreas de minério contendo metais pesados têm se diferenciado não somente em relação à tolerância a esses metais, mas também quanto ao tempo de florescimento e ao grau de autocompatibilidade. Assim, estas populações são parcialmente isoladas reprodutivamente das populações vizinhas que crescem em solos não contaminados.

1.1.2 – Herbivoria e Defesa de Plantas

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5

Os estudos de Ehrlich & Raven (1964) representam um importante marco nas discussões relativas aos fatores determinantes da especialização alimentar dos herbívoros. Segundo estes autores, os padrões de utilização das plantas hospedeiras pelos herbívoros são determinados pela produção de substâncias químicas secundárias (aleloquímicos). Muitas destas substâncias são impalatáveis, deterrentes e/ou tóxicos para diversos herbívoros. Sua ingestão pode reduzir sensivelmente o desempenho de espécies não adaptadas (Isman & Duffey 1982; Hamilton & Zalucki 1993; Jansen & Stamp 1997). Por outro lado, herbívoros especializados são capazes de evitar a ingestão, metabolizar e/ou eliminar rapidamente tais substâncias, enquanto muitos outros seqüestram estes componentes, utilizando-os em diversas funções, inclusive na própria defesa contra seus inimigos naturais (Duffey 1980; Bowers 1990; Brown & Henriques 1991; Rank 1992).

Ainda assim, o estudo sobre defesa de plantas contra herbivoria remonta dos primeiros problemas agrícolas ligados às pragas, mas cientificamente este debate ganhou grande impulso a partir dos modelos teóricos de Feeny (1976), Rhoades & Cates (1976), Coley et al. (1985) e Herms & Mattson (1992), dentre outros. Estes modelos são tanto competitivos quanto complementares com relação às proposições de mecanismos evolutivos que teriam gerado a diversidade de caracteres químicos e anatômicos relacionados à defesa de planta, e os padrões de ocorrência destes na natureza. Entretanto, poucos dados são referentes à região Neotropical, particularmente em outros biomas que não as florestas úmidas. No Brasil, estudos de herbivoria em ecossistemas naturais são escassos e concentrados na Amazônia e no cerrado (veja Andrade et al. 1995, Ribeiro et al. 1999, Vasconcelos 1999, Ribeiro & Fernandes 2000, Faria & Fernandes 2001, Diniz & Morais 2002, Bruna et al. 2004).

Questões importantes sobre a resposta metabólica de plantas aos seus herbívoros e a influência de fatores abióticos ainda não foram plenamente elucidadas (Sarmiento 1983, Hunter & Price 1992, Richards 1996, Hunter et al. 1997, Ribeiro & Brown 2002). A base genética da capacidade de resposta de uma dada planta está intrinsecamente vinculada à adaptação desta a algumas condições do ambiente, particularmente ao solo (Haridasan 2000). Por exemplo, a resposta aos solos pobres em fosfato, em regiões tropicais com solos antigos e muito lixiviados, resulta em alta taxa de C/N (carbono em relação a nutrientes) e conseqüentemente na acumulação de compostos fenólicos e outros polímeros de carbono. As plantas adaptadas a estas condições são ditas esclerófilas devido à aparência tomada por suas folhas, ricas em fibras, ceras e paredes epidérmicas espessadas (Loveless 1962, Salatino 1993, Larcher 2000, Taiz & Zeiger 2004). Às plantas esclerófilas estão associados insetos especialistas capazes de superar as barreiras mecânicas e químicas impostas por essas plantas (Fernandes & Price 1988, Price 1991, Ribeiro et al. 1999, Ribeiro 2003).

Diversos trabalhos empíricos e teóricos têm abordado o papel secundário das estruturas esclerófilas na defesa de plantas (Salatino 1993, Ribeiro et al. 1994, Price et al. 1998, Ribeiro et al.

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6

arquitetura e desenvolvimento de plantas. Embora trabalhos recentes (Hanson et al. 2003, Huitson & Macnair 2003) abordem a possibilidade dos metais acumulados protegerem as plantas contra ataque de herbívoros, esta é uma área extremamente nova para a ciência com pouquíssimos dados, particularmente de ecossistemas naturais.

A possibilidade de estudar espécies que sejam ao mesmo tempo esclerófilas e tolerantes a metais pesados é particularmente interessante, já que várias características anatômicas tipicamente relacionadas com defesa poderão variar em resposta à acumulação dos metais, desde que estes possam funcionar como inibidores da herbivoria. Existe a hipótese de que a presença de taninos em folhas, juntamente com a esclerificação e a formação de cristais podem estar relacionadas com a defesa da planta contra herbívoros, funcionando como redutores da palatabilidade, o que diminuiria o ataque destas por herbívoros mastigadores e mesmo sugadores (Howe & Westley 1988, Panda & Naush 1995, Molano-Flores 2001). Ainda assim, há uma grande polêmica entre ecólogos e fitoquímicos sobre o papel secundário de defesa de compostos carbônicos (Haslam 1988, Herms & Matson 1992, Hartley & Jones 1997). Tal trabalho, porém, enfrenta o desafio de lidar com fatores de confundimento entre defesas correlacionadas. Entretanto, é necessário descrever as defesas existentes para então tentar diferenciar a importância relativa de cada uma.

1.1.3 – Defesas Mecânicas e Químicas de Plantas

As plantas possuem muitas características que dificultam o ataque de insetos herbívoros. As plantas têm que sobreviver em ambientes nos quais os recursos geralmente são limitados ou lidar com a competição com outras espécies, à qual se soma o estresse e os danos causados pelos meios abiótico e biótico. Como conseqüência, muitas vezes as plantas desenvolvem um conjunto de estratégia de aliar uma constituição química, física e fisiológica que as torna menos nutritivas, e muitas vezes, impalatáveis aos insetos herbívoros (Hartley & Jones 1997). As estruturas e substâncias que exercem um efeito negativo sobre os insetos herbívoros podem ser divididas em duas categorias gerais: defesas mecânicas ou físicas e as defesas químicas. Estão incluídos entre as defesas mecânicas a presença de pêlos epidérmicos ou tricomas, dureza dos tecidos (cutícula e paredes epidérmicas espessas), cristais, látex, ceras e resinas. Já as defesas químicas incluem os produtos do metabolismo secundário que são os terpenos, as substâncias fenólicas (ligninas, taninos, flavonóides e outros) e os compostos nitrogenados (alcalóides, glicosídios cianogênicos e outros).

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7

de defesa das plantas contra insetos dificultando seu acesso aos tecidos das folhas (Johnson 1975, Baur

et al. 1991, Woodman & Fernandes 1991, Fernandes 1994, Glória & Guerreiro 2003).

A dureza dos tecidos é determinada pelas propriedades da epiderme e das paredes espessas das células abaixo dessa (Juniper & Southwood 1986), que, entretanto resultam de acúmulo de compostos carbônicos, assim interagindo com outros fenômenos nutricionais. Estas estruturas representam uma barreira física à entrada de patógenos e a penetração da folha pelos insetos herbívoros, mas também evita a perda de água. Entretanto, a dureza dos tecidos é influenciada por vários fatores ambientais como a disponibilidade de água em espécies arbóreas (Ribeiro 2003) e a deficiência de fósforo nos solos (Loveless 1962).

Os cristais são encontrados amplamente no reino vegetal, ocorrendo em várias espécies e na maioria dos órgãos e tecidos vegetais. A composição dos cristais é predominantemente oxalato de cálcio (CaOx), mas podem ocorrer como outros sais. Os cristais de oxalato de cálcio podem apresentar várias formas, como as ráfides (forma de agulha), drusas (forma de estrela), prismáticos e colunas rombóides e estilóides (Arnott & Pautard 1970, Fernandes 1994, Finley 1999). Assim como os tricomas, os cristais de oxalato de cálcio têm várias funções possíveis. Vários estudos relacionam os cristais à regulação osmótica, desintoxicação através de imobilização de metabólitos tóxicos quando em excesso e sustentação estrutural. Entretanto, existem alguns estudos que sugerem um papel anti-herbívoros para os cristais. Estes tornam os tecidos vegetais menos palatáveis aos insetos e anti-herbívoros em geral (Fernandes 1994, Finley 1999, Molano-Flores 2000).

Muitas plantas exsudam látex, ceras, resinas, mucilagens e outros materiais colantes que podem contribuir para a defesa contra insetos herbívoros, prendendo os insetos e impedindo esses de se libertarem levando até a morte. Além disso, esses materiais podem inibir a palatabilidade dos insetos. Entretanto, outras funções fisiológicas são atribuídas a esses materiais, como filtro contra radiação solar e antidessecação que são adaptações de plantas que vivem em regiões áridas (Rhoades 1977, Jansen 1985).

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e contra microorganismos patogênicos (ação repelente e deterrente), atrair polinizadores e dispersores de sementes e alelopatia (inibição do crescimento de plantas vizinhas) e outros (Taiz & Zeiger 2004).

1.2 - JUSTIFICATIVA

O estudo de plantas bioacumuladores de metais pesados pode gerar conhecimento aplicado, voltado para bioindicação de áreas contaminadas ou para técnicas de bioremediação. Se por um lado a bioindicação de metais pesados através do reconhecimento de plantas bioacumuladoras ou tolerantes a estes metais é fundamental, é preciso aprofundar na compreensão do valor de indicação de cada espécie, explorando a possibilidade de variação interpopulacional na resposta à contaminação ambiental. Os estudos de padrões de danos foliares podem se tornar medidas complementares para a melhoria da aferição do valor de bioindicação destas espécies. Da mesma forma, a investigação da existência de modificações anatômicas que sejam correlacionadas à tolerância ou a bioacumulação de metais pesados é importante devido ao reconhecimento de caracteres confiáveis, intimamente relacionado à evolução destas plantas na presença natural de metais na natureza.

Por outro lado, é fundamental conseguir distinguir que espécie e que tipo de população de planta estão naturalmente associado à presença de metais pesados e como esta responderia ao aumento excessivo da contaminação após uma explotação mineral.

1.3 - OBJETIVOS Objetivo Geral

Este trabalho tem como objetivo dar início a estudos sobre ecologia e evolução de tolerância aos metais pesados por plantas existentes na região de Ouro Preto, avaliando as conseqüências dessa tolerância nas interações entre as plantas e seus insetos herbívoros. Também é objetivo deste trabalho descrever as possíveis variações anatômicas e herbivoria em folhas de plantas sujeitas ao estresse ionizante por metais pesados em contraposição com plantas da mesma espécie, porém pertencentes a populações que não estão sujeitas ao mesmo nível de estresse de contaminação.

Objetivos Específicos

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- Caracterizar geoquimicamente os solos e as populações de P. vittata e B. variabilis que ocorrem sobre estes nos dois locais acima citados.

- Testar a hipótese de que as populações de P. vittata (pteridófita) são menos atacadas por insetos herbívoros do que as populações de B. variabilis (angiosperma). A predição desta hipótese é de que um grupo muito maior de espécies de herbívoros tenham se acumulado sobre as angiospermas do que sobre as plantas inferiores, dada a enorme radiação adaptativa dos herbívoros, em especial dos grupos de insetos mastigadores (Coleóptera e Lepidoptera) em associação com a diversificação das angiospermas. Portanto, pressupõe-se que a acumulação de metais pesados em P. vittata seria apenas uma adaptação fisiológica a locais contaminados, enquanto B. variabilis poderia ser selecionada para utilizar metais pesados para reduzir potenciais pressões seletivas de danos foliares causados por insetos.

- Avaliar a variação em herbivoria, forma de crescimento (arquitetura), e anatômica das populações de

P. vittata e B. variabilis, em função das concentrações de metais pesados nas plantas e no solo nos dois locais de estudo.

- Testar a hipótese de que metais acumulados em tecidos foliares poderiam ter efeito de proteção contra danos foliares causados por insetos herbívoros. A predição mais importante desta hipótese é que a herbivoria seria menor em populações de plantas acumuladoras que crescem em solos com maiores concentrações naturais de metais do que em plantas crescendo em solos com baixa concentração de metais pesados.

- Testar a hipótese da diminuição da pressão seletiva causada por herbivoria em plantas com capacidade de bioacumulação, após colonização de habitats marginais contaminados. A predição desta hipótese é que a menor pressão de herbivoria permitiria um menor investimento por parte das plantas em estruturas mecânicas de defesa, como por exemplo, acumulação de fibras, de cristais de oxalato de cálcio, ocorrência de cutícula espessa e de tricomas (apêndices epidérmicos), independentemente de sua aparência e previsibilidade no habitat.

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10 1.4 - LOCALIZAÇÃO E VIAS DE ACESSO

66

2

7753

7741

65

0

64

4

p/ Belo Horizonte

BR 356

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Média aproximada Declinação (1968)

6 km

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7753

7749

7745

7741

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nio

64

4

Canga

Prainha

Byrsonima

Figura 1.1 – Mapa de localização dos locais de coleta na região de Ouro Preto e Mariana, MG (adaptado de Almeida 2004).

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Figura 1.3 – Vista da canga ferruginosa que ocorre no Campus da UFOP em Ouro Preto.

Os locais de coletas em Ouro Preto encontram-se no Campus Morro do Cruzeiro da Universidade Federal de Ouro Preto. A população de P. vittata encontra-se na canga ferruginosa atrás do Departamento de Geologia (DEGEO), próxima ao laboratório de processamento de Minérios DEMIN/EM. A população de B. variabilis encontra-se na canga ferruginosa (Figura 1.3) próxima ao Instituto de Ciências Exatas e Biológicas (ICEB), Atrás do Canil e do Biotério da UFOP (P. vittata: S 20º 23’ 35,7” e W 43º 30’ 40,3” - UTM: Zona 23 K, E 655360 e N 7744289 e B. variabilis: S 20º 23’ 46,9” e W 43º 30’18,8” - UTM: Zona 23 K , E 655981 e N 7743939).

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CAPÍTULO 2

ASPECTOS FISIOGRÁFICOS E GEOLÓGICOS DO QUADRILÁTERO

FERRÍFERO

2.1 – CONSIDERAÇÕES INICIAIS

A região estudada se situa na porção sudeste do Quadrilátero Ferrífero, no estado de Minas Gerais, incluindo parte dos municípios de Ouro Preto e Mariana. Essa região é drenada pela bacia do rio Doce (sub-bacias dos ribeirões do Carmo, Tripuí, Gualaxo do Sul e Gualaxo do Norte).

Geograficamente, a bacia do rio Doce é uma das principais bacias hidrográficas do país, onde está fixada uma população de, aproximadamente, 2,8 milhões de habitantes, dos quais 1.443.000 residem nas áreas urbanas e 1.316.000 na área rural.

Dentre as principais cidades que circundam a cabeceira dessa bacia, estão Ouro Preto (Patrimônio Cultural da Humanidade - UNESCO) e Mariana (primeira capital do Estado de Minas Gerais e Patrimônio Nacional). Essas cidades têm uma população de cerca de 64.000 e 36.000 habitantes, respectivamente. Nessa região estão localizados, ainda, o Parque Estadual do Itacolomi e a Estação Ecológica do Tripuí, que é reserva da biosfera.

No decorrer do período colonial, a região sudeste do Quadrilátero Ferrífero foi palco de uma intensa explotação aurífera. Estima-se, atualmente, a existência de um total de 350 “bocas” de minas e galerias nos arredores de Ouro Preto e Mariana. Posteriormente, essa explotação ficou restrita às áreas pertencentes à Companhia Minas da Passagem, em Passagem de Mariana, na região da Serra de Ouro Preto e do ribeirão do Carmo. Nessas últimas, contudo, a explotação de ouro, em galerias e garimpos, continua sendo tão rudimentar quanto no período colonial. Atualmente, a maior parte da atividade mineira da região está concentrada nas minerações de ferro.

Na área da Mina de Ouro de Passagem de Mariana, o ouro está associado a sulfetos disseminados e maciços e a turmalinitos do período Arqueano (~3,8 bilhões de anos). Os depósitos de ouro deste período possuem uma associação característica com alguns metais pesados como, Cu, Ni, Pb, Zn, As, Cr e Cd. Avaliações geoquímicas mostram valores altos de alguns metais pesados nas principais mineralizações de ouro do Quadrilátero Ferrífero associadas ao Grupo Nova Lima, sendo que muitas destas, tanto em produção quanto exauridas, têm contribuído para a contaminação de águas superficiais e sedimentos (Eleutério 1997).

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Corrêa, T. L., 2006 Bioacumulação de Metais Pesados em plantas nativas a partir de suas disponibilidades...

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2.2 - ASPECTOS FISIOGRÁFICOS DA REGIÃO SUDESTE DO QUADRILÁTERO

FERRÍFERO

2.2.1 - Clima

Segundo a classificação climática de Köppen (1931), ocorrem na região dois tipos climáticos: clima tropical de altitude com verões quentes (Cwa) e tropical de altitude com verões brandos (Cwb). O primeiro predomina nas partes menos elevadas e se caracteriza como um clima tropical de altitude, com chuvas de verão e verões quentes. A pluviosidade média anual é de 1100 a 1500 e a temperatura média anual oscila entre 19,5º – 21,8ºC e a média do mês mais frio é inferior a 18ºC. A estação seca é curta, principalmente na cidade de Ouro Preto, em que a umidade relativa varia de 78,7% no inverno nos meses de julho e agosto a 86,2% no verão, nos meses de outubro a fevereiro, característico de regiões montanhosas (IGA/CETEC 1995). As temperaturas de Ouro Preto variamentre 6° e 29° C.

O segundo tipo de clima, o tropical de altitude com chuvas de verão, predomina nas partes mais elevadas da região e o que o difere do anterior são os verões mais brandos, ou seja, a temperatura média anual mais baixa entre 17,4º – 19,8ºC e a média dos meses quentes inferior a 22ºC (Castañeda 1993). Especificamente, Ouro Preto apresenta uma pluviosidade média anual de 2100mm e Mariana a 13Km dessa, 1850mm.

2.2.2 - Vegetação

Os aspectos da vegetação atual refletem em grande parte a ação antropogênica sobre o meio ambiente. A cobertura vegetal nativa da região insere-se nos domínios da Floresta Pluvial Montana e dos Campos Quartzitícos (campo rupestre) (Rizzini 1997). As florestas pluviais montanas revestem as serras entre 800 e 1500-1700 m de altitude e encontram-se sobre a paisagem caracteristicamente formada por morros de contorno hemisférico. Hoje as capoeiras substituem a mata nativa em amplas extensões. Os campos quartizíticos são próprios dos afloramentos rochosos e apresentam uma vegetação herbácea e arbustiva típica como plantas dos gêneros Byrsonima, Lyconophora,

Eremanthus, Dalbergia e outros. Algumas destas espécies formam habitats marginais onde formações arbóreas baixas, dominadas por uma ou duas espécies (geralmente do gênero Eremanthus) parecem corresponder a uma comunidade vegetacional limitada por condições edáficas, e de característica transicional entre os campos e as matas. Na região ocorre uma predominância de matas de candeal nos topos de morros, cujas espécies que mais se destacam são a Eremanthus erythropappa DC. e

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15

Figura 2.1 – Local de coleta em Ouro Preto mostrando a vegetação arbustiva da canga ferruginosa.

Em Ouro Preto ainda observa-se a ocorrência de campos ferruginosos que se encontram sobre laterita (canga com concreções de hidróxido de ferro e alumínio). Campos como estes são peculiares pela estrutura e pela flora. Existem dois tipos de campos ferruginosos conforme o estado físico da canga: o primeiro é o campo de canga couraçada em que a concreção ferrosa forma uma couraça sobre o substrato, mas é lacunosa, mostrando várias cavidades. Raízes das plantas crescem nas fendas, mas algumas permanecem por cima da canga, sem penetrar (Lyconophora); o segundo tipo é o campo de canga nodular em que a concreção apresenta-se fragmentada em pedaços geralmente pequenos, os quais compõem substratos muito duros, mas penetráveis. Ocorre em altitudes inferiores a 1000 m, sendo o tipo mais difundido entre Congonhas e Belo Horizonte. A vegetação é dominada por Vellozia,

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Figura 2.2 – Local de coleta em Mariana mostrando os afloramentos de quartzito e as candeias predominantes nesse local.

Neste trabalho os estudos foram concentrados em duas espécies que ocorrem em habitats marginais, terreno transicional entre floresta montana e campos em Mariana e também sobre uma canga em Ouro Preto. Nos locais de coleta em Ouro Preto, a população de Pteris vittata ocorre sobre um depósito antigo de entulho de construção localizado sobre a canga laterítica e quanto à população de Byrsonima variabilis (murici) ocorre sobre canga laterítica, área abandonada de mineração de bauxita. Já em Mariana, outro local de coleta próximo a Estrada de Ferro RFFSA Leopoldina, na encosta do vale do ribeirão do Carmo, a vegetação ocorre no domínio da Floresta Pluvial Montana, com predominância de candeais nos topos de morros. Neste local, a atuação antropogênica, através do garimpo e exploração de pedras ornamentais nas encostas, é bem evidente no relevo, apresentando encostas com aspecto irregulares e descontínuos (Eleutério 1997).

2.2.3 - Hidrografia

Na região de Ouro Preto e Mariana encontra-se um divisor de águas, a Serra de Ouro Preto, que divide duas grandes bacias hidrográficas, a do rio Doce e a do rio São Francisco e respectivos afluentes, Paraopeba e das Velhas, que têm suas nascentes no interior do Quadrilátero Ferrífero. Em Ouro Preto, na Cachoeira das Andorinhas, encontra-se a nascente do Rio das Velhas.

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17

formado em sua cabeceira pelo córrego Tripuí e pelo ribeirão do Funil e flui na direção leste sobre várias seqüências de litotipos do Quadrilátero Ferrífero.

O curso do ribeirão do Carmo é marcado por elevações rochosas de formas irregulares com vales profundos e vestígios de antigos aluviões e operações de drenagem. Grande parte da vegetação na área foi devastada pela mineração e pela construção de ferrovias. Ao longo de seu curso encontram-se vários garimpos que, juntamente, com os depósitos antigos de rejeitos de mineração, vem assoreando e modificando o ribeirão e formando áreas degradadas. A contaminação natural ou antrópica de suas águas por metais pesados como o arsênio é um assunto de grande importância pública.

2.2.4 - Geomorfologia

Os limites do Quadrilátero Ferrífero são marcados à oeste pela Serra da Moeda, ao sul pela Serra de Ouro Branco, a leste pela Serra do Caraça e a norte pela Serra do Curral. A altitude média está em torno de 1.000m na sua porção central, ocorrendo cotas superiores a 2.000m, como a Serra do Caraça e na Serra da Moeda.

As cotas altimétricas mais altas são formadas por rochas dos grupos Caraça, Itabira e Itacolomi, que por possuírem baixa susceptibilidade erosiva, são caracterizadas por longas cristas. Nas cotas intermediárias ocorrem filitos e xistos dos grupos Piracicaba e Sabará, que formam os sinformais e antiformais, topograficamente invertidos e geram as feições suaves e aplainadas. Por último, as cotas altimétricas mais baixas são formadas por rochas dos complexos metamórficos que, por possuírem alta susceptibilidade erosiva, são caracterizadas por morfologias mais suaves do tipo morros na forma de meia-laranja (Barbosa 1968, Varajão 1988).

O município de Ouro Preto encontra-se localizado a 1.150m de altitude. A altitude média da cidade está em torno de 1.116m e destacam-se as serras de Ouro Preto, Itacolomi, Bocaina e Varanda do Pilar. O ponto mais elevado do município é o Pico do Itacolomi, a 1.772m de altura. Mariana se encontra a cerca de 800m de altitude.

A geologia do Município de Ouro Preto e Mariana reflete a constituição geológica do Quadrilátero Ferrífero. Há a ocorrência de rochas como gnaisses, filitos, xistos, quartzo-xistos, quartzitos, itabiritos, calcários, anfibolitos e esteatitos (pedra-sabão). Destaca-se a ocorrência das formações ferríferas bandadas, exploradas por grandes empresas mineradoras.

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18

2.3 – ASPECTOS GEOLÓGICOS DO QUADRILÁTERO FERRÍFERO E DA

REGIÃO ESTUDADA

O Quadrilátero Ferrífero é uma região geológica situada no centro-sudeste de Minas Gerais com cerca de 7000Km2 e possui a forma de um polígono. Esta região é uma das áreas mais estudadas do Brasil e conhecida desde o final do século XVII por suas riquezas minerais como ouro, bauxita, minério de ferro, manganês, topázio e outras (Almeida 1977).

Geologicamente, o Quadrilátero Ferrífero está localizado no extremo sul do cráton São Francisco (Almeida 1977).

As unidades litoestratigráficas (Figura 2.3) que constituem o Quadrilátero Ferrífero segundo Alkmim & Marshak (1998) são as seguintes:

• Complexos Metamórficos (Embasamento cristalino);

• Supergrupo Rio das Velhas;

• Supergrupo Minas;

• Rochas intrusivas pós-Minas,

• Grupo Itacolomi e

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Figura 2.3 - Mapa geológico do Quadrilátero Ferrífero com suas principais estruturas. Adaptado de Dorr II (1969) e Romano (1989) in: César-Mendes & Gandini (2000).

BELO HORIZ ONT E

20o

44 30'o

44o

19 52'33''o

43 52'30''o _{19 45'}o

0 5 10 15 20 25km ITABIRITO

MARIANA

CONGONHAS

OU RO PRETO

PIRAC IC ABA RIO ITABIRA

42o

20o

MINAS GERAIS

Gr upo Maquiné Gr upo Nova Lima

Gr eenstone e clorita xisto

Super grupo Rio das Velhas

Complexo Metamórfio

Gr upo Itacolomi Gr upo Piracicaba / Sabará Gr upo Itabira

Gr upo Caraça

Super grupo Minas

(40)

20

Na região de Ouro Preto e Mariana (MG) encontram-se rochas dos Supergrupo Rio das Velhas, principalmente xistos do Grupo Nova Lima, e do Supergrupo Minas (ver ANEXO III). O Supergrupo Minas é constituído por quartzitos, metaconglomerados, metapelitos, itabiritos e mármores, esporadicamente, metavulcânicas e é dividido em quatro grupos da base para o topo: Caraça, Itabira, Piracicaba e Sabará (Dorr 1969, Alkmim & Marshak 1998). A canga laterítica que se observa na região de Ouro Preto e, especialmente no local de coleta no Campus Morro do Cruzeiro, é originária de rochas da Formação Fecho do Funil do Grupo Piracicaba (Lobato et al. 2004). A laterização é um processo supergênico recente que resulta de intenso intemperismo de rochas ferruginosas. Dessa forma, é formado um substrato rígido de considerável resistência à erosão. Este substrato é denominado de canga ou laterita que é composta, principalmente, por óxidos e hidróxidos de ferro e alumínio (IGA/CETEC 1995).

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CAPÍTULO 3

METODOLOGIA

3.1 - CONSIDERAÇÕES INICIAIS

Este estudo envolveu uma série de etapas metodológicas descritas a seguir e representadas no

fluxograma da Figura 3.1.

Inicialmente, foi realizado um levantamento dos acervos bibliográficos e cartográficos das

áreas de estudo, além do levantamento bibliográfico sobre os temas abordados no estudo proposto. O

mapa de localização dos locais de coleta foi adaptado de Almeida (2004). O mapa geológico do

Quadrilátero Ferrífero com suas principais estruturas foi adaptado de Dorr II (1969) e Romano (1989)

in César-Mendes & Gandini (2000). O mapa dos litotipos com a localização dos pontos de

amostragem encontra-se no ANEXO III.

Em seguida, foram discutidos os possíveis locais para a realização deste trabalho. Baseando-se

na informação de que nos sedimentos do ribeirão do Carmo em Mariana existe a presença de grande

quantidade de arsênio (~1500 mg/kg) decorrente do depósito de rejeito da Mina de Passagem

(Eleutério 1997, Costa 2001) e a presença de P. vittata, conhecida hiperacumuladora de arsênio (Ma et

al. 2001), foi determinado um local nas encostas do vale do ribeirão do Carmo próximo ao trilho da

Estrada de Ferro RFFSA Leopoldina, onde ocorrem tanto a P. vittata quanto a B. variabilis. O

segundo local foi o Campus Morro do Cruzeiro, onde se encontram cangas lateríticas com ocorrência

das duas espécies em questão.

Após a determinação dos locais de estudo, foi estabelecido um plano de coleta de amostras de

plantas e solos. Finalizada as etapas de amostragem, cada uma das matrizes (planta e solo) foi

preservada, preparada e analisada seguindo metodologia específica. De posse dos resultados iniciou-se