UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS FACULDADE DE TECNOLOGIA
MARCELA RAVANELLI MARTINS
APLICAÇÃO DE LODO DE ESGOTO NO SOLO: AVALIAÇÃO DA ESTABILIZAÇÃO E DA TOXICIDADE
SEWAGE SLUDGE APPLICATION ON SOIL: EVALUATION OF STABILIZATION AND TOXICITY
Limeira - SP Fevereiro/2020
MARCELA RAVANELLI MARTINS
APLICAÇÃO DE LODO DE ESGOTO NO SOLO: AVALIAÇÃO DA ESTABILIZAÇÃO E DA TOXICIDADE
Dissertação apresentada à Faculdade de Tecnologia da Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos exigidos para a obtenção do título de Mestra em Tecnologia, na Área de Ambiente.
Orientadora: Profa. Dra. Marta Siviero Guilherme Pires
ESTE TRABALHO CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA DISSERTAÇÃO DEFENDIDA PELA ALUNA MARCELA RAVANELLI MARTINS, E ORIENTADA PELA PROFA. DRA. MARTA SIVIERO GUILHERME PIRES.
Limeira - SP Fevereiro/2020
Felipe de Souza Bueno - CRB 8/8577
Martins, Marcela Ravanelli,
M386a MarAplicação de lodo de esgoto no solo : avaliação da estabilização e da toxicidade / Marcela Ravanelli Martins. – Limeira, SP : [s.n.], 2019.
MarOrientador: Marta Siviero Guilherme Pires.
MarDissertação (mestrado) – Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Tecnologia.
Mar1. Solos - Qualidade. 2. Ecotoxicidade. 3. Metais. 4. Zinco. I. Pires, Marta Siviero Guilherme, 1969-. II. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Tecnologia. III. Título.
Informações para Biblioteca Digital
Título em outro idioma: Sewage sludge application on soil : evaluation of stabilization and
toxicity Palavras-chave em inglês: Soils - Quality Ecotoxicity Metals Zinc
Área de concentração: Ambiente Titulação: Mestra em Tecnologia Banca examinadora:
Marta Siviero Guilherme Pires [Orientador] Cassiana Maria Reganhan Coneglian Ana Paula Justiniano Régo
Data de defesa: 20-02-2019
Programa de Pós-Graduação: Tecnologia
Identificação e informações acadêmicas do(a) aluno(a) - ORCID do autor: https://orcid.org/0000-0002-8601-7414 - Currículo Lattes do autor: http://lattes.cnpq.br/8831502876893185
FOLHA DE APROVAÇÃO
Abaixo se apresentam os membros da comissão julgadora da sessão pública de defesa de dissertação para o Título de Mestra em Tecnologia na área de concentração de Ambiente, a que submeteu a aluna Marcela Ravanelli Martins, em 20 de fevereiro de 2020 na Faculdade de Tecnologia- FT/ UNICAMP, em Limeira/SP.
Prof.ª Dr.ª Marta Siviero Guilherme Pires
Presidente da Comissão Julgadora
Prof.ª Drª Cassiana Maria Reganhan Coneglian
Faculdade de Tecnologia- UNICAMP
Dr.ª Ana Paula Justiniano Régo
Centro de Energia Nuclear na Agricultura- USP
Ata de defesa, assinada pelos membros da Comissão Examinadora, consta no SIGA/Sistema de Fluxo de Dissertação/Tese e na Secretaria de pós-Graduação da FT.
DEDICATÓRIA
Aos meus pais e a todos pesquisadores e pesquisadoras que diante do atual cenário político são resistência.
AGRADECIMENTOS
Particularmente, essa sempre foi uma das partes mais difíceis de escrever. Aqui não tem artigo pra consultar nem referência pra citar. A complexidade do sentimento de gratidão ao final dessa etapa é imensurável. Mas, vou me esforçar.
Primeiramente, agradeço à minha família. Aos meus pais, Ana Paula e José Eduardo, sem os quais eu jamais chegaria até aqui. Sempre me apoiaram, incentivaram e brigaram – quando necessário –, sem nunca questionar ou duvidar das minhas escolhas profissionais, por mais arriscadas e excêntricas que parecessem. Obrigada por sempre continuarem ao lado, é por vocês que eu sei que sempre tenho pra onde voltar. Eu jamais agradecerei o suficiente, vocês são meus maiores exemplos e minha maior fortaleza. Ao meu irmão Henrique, que sempre me serviu de exemplo de dedicação e esforço; agradeço pelas incontáveis horas em que me socorreu em momentos tão desesperadores, sendo meu técnico e professor de TI pessoal – um privilégio de poucos. Minha dissertação não seria essa sem você. À minha cunhada Carla, por ouvir meus muitos desabafos e por todos os conselhos – foram absolutamente necessários. À minha sobrinha e afilhada Giovanna, que, apesar sequer saber falar direito, me manteve sólida e me deu força em momentos dificeis. Às vezes, só de olhar uma foto sua, sentia minha forças renovadas. E agradeço a todos vocês pela paciência com a minha ausência física quando grandes e muitos prazos tiveram que ser cumpridos. Obrigada.
Ao meu namorado Vitor, que apareceu na minha vida em uma das fases mais complexas e desafiadoras que já vivi, um período de mudanças, adaptações e provações constantes. Obrigada pela imensa paciência em me ouvir e em lidar com as crises de ansiedade; por me fazer rir e mudar o meu dia quando eu acreditei que já estava perdido; por acreditar em mim quando eu não consegui; por me incentivar a buscar os meus sonhos e comemorar comigo todas as conquistas, por menores que elas fossem. Obrigada por não desistir.
À minha orientadora, Profa. Dra. Marta Siviero Guilherme Pires, ou minha “mãe
de pesquisa”, obrigada pela oportunidade, confiança, ensinamentos, paciência e por tantas risadas. Você foi absolutamente essencial e fez toda a diferença nesse meu
caminho rumo à profissão acadêmica. Nunca hesitou em me ajudar, sempre fazendo todo o possível e dando seu melhor. Me ensinou quando continuar e persistir e, quando necessário, insistir um pouco mais. Mas, também me ensinou quando parar (esse ainda estou aprendendo) e que, às vezes, o descanso é necessário. Não posso imaginar melhor orientadora: exemplo de mulher, professora e pesquisadora. Espero um dia servir igualmente de inspiração à outras jovens pesquisadoras.
Aos meus amigos Luis, Giuliana, Paula, Juliana, Filipo, Paula Mayara e Marília, por sempre me ouvirem e me apoiarem. Para mim, vocês são muito mais que amigos, são a segunda família que eu escolhi ter. Obrigada por estarem sempre presentes nessa etapa, mesmo os mais distantes, sempre senti vocês ao meu lado. E aos três últimos, que também escolheram caminhos acadêmicos, obrigada por me compreenderem tão bem, muitas vezes melhor do que eu mesma.
À doutoranda Maraline, obrigada pela paciência e por tantos ensinamentos, por reponder à todos meus chamados, até os das madrugadas, finais de semana, e feriados (inclsuive, desculpa por esses últimos). Obrigada pela amizade e pelo companheirismo. Não teria escolhido uma dupla melhor. À mestranda Juliana, exemplo de mulher, mãe, pesquisadora, e força; e à doutoranda Mariana, inspiração de leveza, alegria e bom humor, obrigada pela amizade e pelas (muitas) risadas pelos laboratórios e corredores da FT. Com vocês, nunca teve tempo ruim. Aos bolsistas de IC, Ana, Ingrid, Bia, Gabi, Laura, Vitória, Lara, Pamela, Luana e Wallace. Vocês foram todos fundamentais na conclusão dessa etapa, em especial os dois últimos, que me acompanharam de perto e que foram muito mais que um braço direito na realização de todos os testes e ensaios no laboratório. Aos técnicos dos laboratórios, Geraldo, Anjaína, Josiane e Gilberto, pela atenção, paciência e lições. Todos vocês contribuíram de maneira fundamental na construção desse trabalho.
Aos Profs. Drs. Cassiana, Elaine e Felippe, que de alguma forma estiveram presentes e contribuíram imensamente na conclusão deste trabalho. Vocês são grandes inspirações de profissionais.
À banca julgadora Prof.ª Drª Cassiana Maria Reganhan Coneglian e Dr.ª Ana Paula Justiniano Régo, por disponibilizarem seu tempo na minha qualificação e agora na defesa, obrigada pelos conselhos e críticas construtivas, algumas que levo pra
vida. Obrigada por toparem essa importante missão na construção na minha carreira e sonho.
À UNICAMP e a Faculdade de Tecnologia, pela oportunidade e confiança na realização deste trabalho, o qual espero poder seguir aprimorando e divulgando como meio de contribuir com medidas mais sustentáveis ao estilo de vida insustentável da sociedade atual.
Agradeço imensamente a todos vocês, que de alguma forma e em algum momento contribuíram com este projeto. É com um sentimento incalculável de gratidão e de missão cumprida que finalizo essa etapa, que é apenas o ponto de partida na realização dos meu sonhos e objetivos.
O PRESENTE TRABALHO FOI REALIZADO COM APOIO DA COORDENAÇÃO DE APERFEIÇOAMENTO DE PESSOAL DE NÍVEL SUPERIOR - BRASIL (CAPES)- CÓDIGO
DE FINANCIAMENTO 001
PROCESSO N°88882.435823/2019-01
“WE MUST NOT FORGET THAT WHEN RADIUM WAS DISCOVERED NO ONE KNEW THAT IT WOULD PROVE USEFUL IN HOSPITALS.THE WORK WAS ONE OF PURE SCIENCE.AND THIS IS A PROOF THAT SCIENTIFIC WORK MUST NOT BE CONSIDERED FROM THE POINT OF VIEW OF THE DIRECT USEFULNESS OF IT.IT MUST BE DONE FOR ITSELF, FOR THE BEAUTY OF SCIENCE, AND THEN THERE IS ALWAYS THE CHANCE THAT A SCIENTIFIC DISCOVERY MAY BECOME LIKE THE RADIUM A BENEFIT FOR MANKIND”
RESUMO
Com o crescente aumento do tratamento de esgotos sanitários, o volume de lodo de esgoto, também tende a aumentar expressivamente. Uma das formas de disposição mais vantajosas existentes hoje, e já mundialmente adotada, é a reciclagem do lodo de esgoto como fertilizante, devido à sua alta concentração de nutrientes essenciais às plantas, e aos benefícios que essa aplicação pode conferir ao solo e à cultura, além de ser uma alternativa de disposição ambientalmente correta. Porém, apesar das inúmeras vantagens, essa aplicação pode ser inviabilizada devido a presença de outros componentes, como metais, compostos orgânicos e agentes patogênicos, que se presentes podem colocar em risco a saúde do ecossistema e da população. O objetivo desse trabalho foi avaliar o lodo de esgoto em relação a estabilização do resíduo e a toxicidade dos metais, realizando testes com sementes e organismos do solo. Dessa forma, foram realizados ensaios ecotoxicológicos com o organismo F. candida, a semente Lactuca sativa e ensaio de respirometria a fim de avaliar a atividade microbiana, todos com aplicação de lodo em diferentes concentrações. A partir dos ensaios com L. sativa foi possível observar que em baixas contrações o lodo pode beneficiar determinadas fases do desenvolvimento das plantas, e que com o aumento da concentração de lodo tanto a germinação quando o crescimento da raiz são afetados negativamente. Os CE50 encontrados para F. candida nos testes com lodo e com Zn foram 62,1 mg.kg-1 e 1108,4 mgZn.kg-1 de solo seco, respectivamente.
Também para avaliar a toxicidade do Zn isoladamente, foram realizados ensaios com L. sativa e Phaseolus vulgaris, que seguiram uma adaptação das normas OPPTS 850.4200 (USEPA, 1996), ISO 11269-1 (2012), OECD 208 (2006), o CE50 encontrado para ambas sementes foi de 766,7 e 1186,3 mgZn.kg-1 de solo seco. O ensaio de
respirometria realizado com aplicações de lodo demonstraram que quanto maior a quantidade de lodo adicionada no solo, maior a atividade microbiana. Com o presente estudo foi possível concluir que para os organismos testados, se a aplicação de lodo em solo agrícola seguir corretamente a taxa de recomendação para as culturas, a aplicação não apresentará toxicidade.
Palavras-chave: Fertilização de solo, ecotoxicidade, metais, zinco, Folsomia candida,
ABSTRACT
With increasing sewage treatment, the volume of sewage sludge production also tends to increase significantly. One of the most advantageous disposal methods available today, which is already adopted worldwide, is sewage sludge recycling as a fertilizer, a consequence of its high concentration of essential nutrients for plants and the benefits that this application may provide to the soil, as well as being an environmentally friendly alternative of disposal. However, in spite of the numerous advantages, this application becomes very restricted due to the presence of other components, such as metals, organic compounds and pathogens, which can endanger the health of the ecosystem and the population. The objective of this work was to evaluate sewage sludge stabilization and metal content relation to toxicity, carrying out tests with seeds and soil organisms. Thus, ecotoxicological tests were performed with the soil organism Folsomia candida, Lactuca sativa seeds and a respirometry test in order to evaluate the microbial activity, all with different sewage sludge concentrations. For the tests with L. sativa, which followed the standard OPPTS 850.4200 (USEPA, 1996), it was possible to observe that in low contractions sludge can benefit certain phases of plants development, and that with the increase of sludge concentration both germination and root growth are negatively affected. The EC50 found for F. candida tests with sludge and Zn were 62.1 mg.kg-1 and 1108.4 mgZn.kg-1 of dry soil,
respectively. Also, to evaluate the toxicity of isolated Zn, tests were carried out with L. sativa and Phaseolus vulgaris, which followed an adaptation of the OPPTS 850.4200 (USEPA, 1996), ISO 11269-1 (2012), OECD 208 (2006). CE50 found for both seeds were 766.7 and 1186.3 mgZn.kg-1 of dry soil, respectively. The respirometry test performed with sludge applications showed that the greater the amount of sludge applied in soil, the greater the microbial activity. With the present study it was possible to conclude that for the tested organisms, if the application of sludge in agricultural soil correctly follows the recommendation rate for the crops, the application will not present toxicity.
LISTADEFIGURAS
Figura 1 - Processos de estabilização do lodo de esgoto ... 25
Figura 2 – Folsomia candida e ovos do organismo ... 41
Figura 3 – Estação de tratamento de esgoto localizada na região metropolitana de Campinas ... 45
Figura 4 - Contêiner contendo o lodo desidratado ... 45
Figura 5 - Limite da bacia do PCJ e da Região Metropolitana de Campinas ... 46
Figura 6 - Sub-bacias da região do PCJ... 46
Figura 7 - Bags encomendados para os testes em escala de laboratório em que o lodo foi acondicionado ... 50
Figura 8 – Amostra do lodo bruto após 30 dias de armazenamento no bag geotêxtil ... 51
Figura 9 – Amostras da solução de lodo (1:4 de lodo e água ultrapura) nos cones Imhoff após 1 hora de decantação ... 51
Figura 10 - Esquema de um Respirômetro de Bartha e Pramer ... 59
Figura 11 - Resultado do Índice de germinação do ensaio de toxicidade com L. sativa, para o lodo assim que coletado e depois com 30 e 60 dias ... 64
Figura 12 - Resultado do alongamento relativo da raiz do ensaio de toxicidade com L. sativa, para o lodo assim que coletado e depois com 30 e 60 dias ... 65
Figura 13 - Curva de dose-resposta e equação da reta da toxicidade do Lodo de Esgoto (LE) para F. candida ... 67
Figura 14 -Resultados da geração acumulada de CO2 do solo com aplicação de lodo nas concentrações 1,5 e 15,0 mg.kg-1 de solo seco... 70
Figura 15 - Resultado da curva dose-resposta da semente P. vulgaris para solos naturais com diferentes taxas de aplicação de Zn ... 73
Figura 16 - Resultado da curva dose-resposta da semente L. sativa para solos naturais com diferentes taxas de aplicação de Zn ... 73
Figura 17 – Curva dose-resposta e equação da reta ... 76
Figura 18 - Curva de dose-resposta e equação da reta do teste de sensibilidade com H3BO3 para F. candida ... 97
Figura 20 – Zoom dos organismos juvenis e ovos após transferência no substrato de
cultivo ... 103
Figura 21 – Foto do substrato de cultivo com organismos adultos ... 104
Figura 22 – Zoom dos organismos adultos ... 104
Figura 23 - Foto tirada no fim do teste com F. candida (a), e após a contagem (b) 105 Figura 24 - Zoom dos organismos ao fim do teste ... 106
Figura 25 – Recipientes utilizados na montagem dos testes com organismos ... 106
Figura 26 – Teste de toxicidade com a semente P. vulgaris ... 107
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Efeitos mais relevantes dos metais mais encontrados no lodo de esgoto 33 Tabela 2 - Caracterização de amostra do solo natural ... 48 Tabela 3 - Metodologia das análises físico-químicas realizadas no Laboratório Físico-Químico da FT/UNICAMP ... 52 Tabela 4 - Metodologia das análises realizadas no Laboratório de Fertilizantes e
Resíduos do IAC ... 53 Tabela 5 – Resultados dos parâmetros físico-químicos da amostra de lodo de esgoto ... 60 Tabela 6 - Resultados dos parâmetros de potencial agronômico da amostra de lodo
de esgoto... 61 Tabela 7 - Resultados da quantificação dos metais do lodo após estabilização e
comparação com os limites máximos permitidos pela Resolução CONAMA 375/06, USEPA (1993) e Directiva/UE (1986) ... 61 Tabela 8 – Resultados dos testes de toxicidade com o organismo F. candida no Lodo
de Esgoto Estabilizado ... 67 Tabela 9 - CENO e CE50 encontrados para o ensaio de toxicidade do lodo de esgoto
com o F. candida. ... 68 Tabela 10 – Germinação Relativa (%) das sementes P. vulgaris e L. sativa para cada
concentração de Zn testada ... 72 Tabela 11 - Valores de CE50 referentes a taxa de aplicação de Zn em solo natural
para as sementes L. sativa e P. vulgaris ... 73 Tabela 12 -Número médio de organismos por concentração de Zn e coeficiente de
variação ... 76 Tabela 13 - CENO e CE50 para F. candida ... 77 Tabela 14 – Comparação das concentrações teóricas de Zn para taxa de aplicação,
CENO e CE50 do lodo e CENO e CE50 encontrados para F. candida, P. vulgaris e L. sativa com aplicação isolada do Zn ... 78 Tabela 15 - Número médio de organismos por concentração de H3BO3 e coeficiente
de variação ... 98 Tabela 16 – Concentrações de Zn utilizadas nos testes volume adicionado em balão
LISTA DE EQUAÇÕES
Equação 1 - Germinação relativa de sementes (%) ... 54
Equação 2 - Alongamento relativo da raiz (%) ... 54
Equação 3 - Índice de Germinação (IG) (%) ... 54
Equação 4 – Cálculo do Nitrogênio Disponível. ... 98
Equação 5 – Taxa de aplicação de solo no solo tendo a Ndisp e N recomendado como referências. ... 98
LISTA DE QUADROS
Quadro 1 - Cargas acumuladas teóricas permitidas de substâncias inorgânicas pela aplicação de lodo de esgoto ou produto derivado em solos agrícolas ... 32 Quadro 2 – Concentração máxima permitida dos 11 metais preconizados pela
SUMÁRIO 1.INTRODUÇÃO ... 19 2.OBJETIVOS ... 21 2.1 OBJETIVOS GERAIS ... 21 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 21 3.REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 22 3.1 LODO DE ESGOTO ... 22
3.1.1 Tratamento de lodo de esgoto ... 23
3.1.2 Estabilização do lodo de esgoto ... 24
3.1.3 Disposição final do lodo de esgoto ... 28
3.2 APLICAÇÃO DO LODO NA AGRICULTURA ... 28
3.2.1 Metais no lodo ... 31
3.3 QUALIDADE E FUNÇÕES DO SOLO ... 35
3.3.1 Metais no solo ... 36
3.4 ENSAIOS DE TOXICIDADE EM SOLOS ... 37
3.4.1 Toxicidade em sementes ... 39
3.4.2 Folsomia candida ... 40
3.5 ATIVIDADE MICROBIANA NO SOLO - RESPIROMETRIA ... 42
4.MATERIAL E MÉTODOS ... 44 4.1 MATERIAL ... 44 4.1.1 Equipamentos e vidrarias ... 44 4.1.2 Lodo de esgoto ... 44 4.1.2.1 Local de amostragem ... 44 4.1.3 Organismos teste ... 47 4.1.3.1 Sementes ... 47 4.1.3.2 Folsomia candida ... 47 4.1.4 Amostras de Solos ... 47
4.1.4.1 Solo Artificial Tropical (SAT) ... 47
4.1.4.2 Solo Natural Tropical ... 48
4.2 MÉTODOS ... 49
4.2.1 Coleta e preservação do Lodo de Esgoto... 49
4.2.2 Preparo dos extratos do lodo para teste de toxicidade em sementes ... 50
4.2.3 Análises físico-químicas do lodo ... 52
4.2.4 Análise de toxicidade do lodo com Lactuca sativa ... 53
4.2.5 Teste de toxicidade com Folsomia candida ... 55
4.2.5.1 Teste de sensibilidade... 55
4.2.5.2 Aplicação do lodo de esgoto no solo ... 55
4.2.5.3 Contaminação do solo com zinco ... 56
4.2.5.4 Procedimento para teste de toxicidade ... 56
4.2.5.5 Análise dos dados ... 57
4.2.1 Teste de toxicidade com Lactuca sativa e Phaseolus vulgaris ... 57
4.2.2 Respirometria de Bartha e Pramer ... 58
5. RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 60
5.1 RESULTADOS DOS ARÂMETROS FÍSICO-QUÍMICOS DO LODO... 60
5.2 RESULTADOS DOS ENSAIOS DE TOXICIDADE COM LODO ... 64
5.2.1 L. sativa ... 64
5.2.2 Resultados do teste de toxicidade do lodo para F. candida ... 66
5.3 RESULTADO DO MÉTODO RESPIROMÉTRICO DE BARTHA E PRAMER ... 69
5.4 RESULTADOS DOS ENSAIOS DE TOXICIDADE COM ZINCO ... 72
5.4.1 Resultados dos testes com sementes ... 72
5.4.2 Resultado do teste de toxicidade do Zn com F. candida ... 75
CONCLUSÕES ... 82 REFERÊNCIAS ... 84 APÊNDICE A ... 97 APÊNCIDE B ... 99 APÊNDICE C ... 101 APÊNDICE D ... 103 APÊNDICE E ... 107
1. INTRODUÇÃO
A crescente melhora na estruturação do sistema de saneamento ambiental no Brasil, que engloba abastecimento de água, esgotamento sanitário, gestão dos resíduos sólidos e drenagem urbana, é devido à uma população mais consciente e exigente, às legislações cada vez mais rígidas e à preocupação ambiental, que movimenta autoridades e empresas públicas e privadas a investirem nesse setor. Como consequência dos fatores citados, a porcentagem de municípios com tratamento de esgoto no Brasil, passou de 20,2% em 2000 para 28,5% em 2008, de acordo com a Pesquisa Nacional de Saneamento Básico (IBGE, 2010), e para 44,9% em 2016, de acordo com o Sistema Nacional de Informações de Saneamento (SNIS, 2018) sendo que em Campinas-SP, município reconhecido por saneamento básico de qualidade, a porcentagem de habitantes atendidos pelo tratamento de esgoto em 2018 chega a aproximadamente 90%, de acordo com a Sociedade de Abastecimento de Água e Saneamento (SANASA, 2019), empresa responsável pelo saneamento no município.
Com esse crescente aumento do tratamento de esgotos sanitários, e também devido ao aumento populacional e à urbanização, o volume gerado do resíduo proveniente desse tratamento, comumente chamado lodo de esgoto, também tende a aumentar expressivamente. Dessa forma, questões como o tratamento e a disposição final desse resíduo de forma sustentável, se tornam também prioridades no setor do saneamento.
Uma das formas de disposição mais vantajosas existentes hoje, e já mundialmente adotada, é a reciclagem do lodo de esgoto como fertilizante agrícola devido à alta concentração de nutrientes essenciais às plantas (fósforo e nitrogênio), menor custo de aplicação em relação à adubação mineral, e aos benefícios que essa aplicação pode conferir ao solo e à cultura, além de ser uma alternativa de disposição mais sustentável. Porém, apesar das inúmeras vantagens, essa aplicação se torna bastante restrita devido a presença de alguns componentes, como metais, compostos orgânicos e agentes patogênicos, que podem colocar em risco a saúde do ecossistema e da população. Portanto, torna-se necessária a caracterização e o
estudo mais aprofundado dos componentes do lodo, das formas de tratamento, e do seu impacto na aplicação em culturas agrícolas.
Dessa forma, o presente trabalho avaliou a viabilidade da aplicação agrícola do lodo de esgoto, bem como a toxicidade decorrente dessa aplicação.
2. OBJETIVOS
2.1 OBJETIVOS GERAIS
Caracterizar o lodo em relação ao potencial de nutrientes e metais, bem como avaliar a toxicidade do resíduo com testes realizados com sementes e organismo terrestre, com vistas à aplicação agrícola de acordo com o estabelecido na Resolução CONAMA 375/06.
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Caracterizar o lodo de esgoto em relação ao carbono orgânico, fósforo total, nitrogênio total, nitrato e nitrito, nitrogênio amoniacal, nitrogênio disponível, pH, umidade, e sólidos voláteis e totais.
• Quantificar a presença dos 11 metais preconizados pela Resolução CONAMA 375/06 (Arsênio, Bário, Cádmio, Chumbo, Cromo, Cobre, Mercúrio, Molibdênio, Níquel, Selênio e Zinco).
• Relacionar a estabilização do lodo de esgoto com a toxicidade utilizando testes com sementes.
• Avaliar a toxicidade do lodo estabilizado para o organismo de solo Folsomia candida utilizando solo natural.
• Avaliar a toxicidade Zn (metal em maior concentração no lodo em estudo) através de testes de germinação com as sementes Lactuca sativa (alface) e Phaseolos vulgaris (feijão), e ensaios com organismos F. candida, todos testados em solo natural.
• Avaliar a atividade microbiana em solo natural com a aplicação do lodo estabilizado, mediante respiração aeróbia e quantificação da geração de CO2.
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1 LODO DE ESGOTO
Quase toda água de consumo recebida por empresas de saneamento básico em centros urbanos é transformada em esgoto após o uso e deve ser adequadamente tratada. Entre 0,1 e 2% do volume total do esgoto é constituído de contaminantes, orgânicos e inorgânicos, dissolvidos ou particulados, enquanto os outros 99,9-98,0% do esgoto é composto por água, o meio de transporte dos poluentes. Dentre os principais contaminantes do esgoto estão os micro-organismos patogênicos (protozoários, bactérias e vírus), poluentes orgânicos (pesticidas, organoclorados etc.) e inorgânicos (metais). Esses poluentes devem ser removidos devido aos riscos que apresentam à saúde pública e à integridade do meio ambiente.
Após o tratamento do esgoto nas estações, tem-se como resultante o resíduo do tratamento, chamado de lodo de esgoto. A porcentagem de água presente no lodo varia de acordo com o tratamento que recebe, e segundo Hospido et al. (2010), são gerados aproximadamente 30 kg de lodo seco por habitante por ano no mundo. O custo operacional do tratamento e gestão desse material pode chegar a 60% de todo custo de uma estação de tratamento de esgoto, o que representa uma das maiores problemáticas das empresas responsáveis pelo saneamento (ANDREOLI, VON SPERLING, FERNANDES, 2014; D’AVILA et al. 2019).
As fontes de substâncias nocivas no lodo de esgoto provêm de efluentes industriais, domésticos e comerciais, águas pluviais e a própria atmosfera (NAFEZ et al. 2015; LEMBER et al. 2018). Efluentes industriais contendo metais como cobre, zinco e cádmio provém, em grande parte, de indústrias tecnológicas de mineração e de aço e alumínio (CZIKKELY et al. 2018).
No Brasil, não existem dados consistentes que indiquem a produção e disposição do lodo de esgoto. Dessa forma, a partir de informações como população atendida com serviços de coleta e tratamento de esgoto, é possível obter estimativas. De acordo com Andreolli, Von Sperling e Fernandes (2014), que consideraram
atendimento de 87 milhões de habitantes por sistemas de esgotamento sanitário no país, e que estes sistemas incluíssem o tratamento de esgoto, os autores estimaram a produção de lodo em:
• 90.000 a 350.000 toneladas por dia de lodo líquido a ser tratado. • 9.000 a 13.000 toneladas por dia de lodo desaguado a ser disposto.
Estas grandes quantidades apresentadas deixam evidente a problemática que o gerenciamento de lodo enfrenta no Brasil atualmente, visto que o destino final é fator fundamental para o sucesso do sistema de saneamento e para preservação do meio ambiente. Porém, esta atividade é muito negligenciada, isso se deve à omissão do tema da gestão do resíduo pelas empresas responsáveis (ANDREOLLI, VON SPERLING, FERNANDES, 2014).
Dessa forma, devido à regulamentação da descarga de efluentes ser em grade parte negligenciada, seja por falta de fiscalização ou lançamento clandestino do esgoto, a composição do lodo muitas vezes é desconhecida, podendo conter altas concentrações de metais e químicos provenientes de descargas industriais, e o estudo da composição do lodo de esgoto ainda é muito escasso e cheio de lacunas não preenchidas (SOUDANI et al. 2016).
3.1.1 Tratamento de lodo de esgoto
As principais etapas do gerenciamento do lodo, com os respectivos objetivos, são (ANDREOLLI, VON SPERLING, FERNANDES, 2014):
• Adensamento: adensamento por gravidade, flotação, centrífuga, filtro prensa de esteiras.
• Estabilização: digestão anaeróbia, digestão aeróbia, tratamento térmico, estabilização química.
• Condicionamento: condicionamento químico, condicionamento térmico.
• Desidratação: leitos de secagem, lagoas de lodo, filtro prensa, centrífuga, filtro prensa de esteiras, filtro a vácuo, secagem térmica.
• Higienização: adição de cal (caleação), tratamento térmico, compostagem, oxidação úmida, outros (radiação gama, solarização etc).
• Disposição final: reciclagem agrícola, recuperação de áreas degradadas, landfaming (disposição no solo), uso não agrícola (construção civil, combustível etc.), incineração, oxidação úmida, aterro sanitário.
Os métodos de custo reduzido de processamento de lodo de esgoto (leitos de secagem, por exemplo) são caracterizados, primeiramente, por seu simples design, tecnologia e fácil operação e, geralmente, fazem uso de processos naturais afim de manter os custos de operação mais baixos (BORUSZKO, 2018).
Outra forma eficiente de condicionamento e estabilização do lodo de esgoto, de acordo com Berilgen e Bulut (2016), são as mantas geotêxtis utilizadas no processo de desaguamento de sedimentos e resíduos contaminados e com alto teor de água. Também conhecidas como bags geotêxtis, esses materiais são constituídos de mantas flexíveis com uma ou mais camadas de geotêxtis de alta resistência com propriedades hidráulicas especializadas. Por ser um sistema natural de desidratação, sem consumo de energia elétrica e produtos químicos, é uma técnica que se destaca por seu baixo custo de implantação e manutenção, além da facilidade de operação quando comparada aos sistemas mecânicos de desaguamento (ACHON, COIMBRA e KELLNER, 2019; BERILGEN e BULUT, 2016).
3.1.2 Estabilização do lodo de esgoto
O lodo de esgoto em sua forma bruta (não estabilizado) possui elevado número de organismos patogênicos, sendo suscetível à decomposição, o que resulta em odores ofensivos. Dessa forma, a fim de eliminar as problemáticas do mal odor, decomposição da matéria orgânica, alta concentração de patógenos, foram desenvolvidos processos de estabilização do lodo (BETTIOL, CAMARGO 2000; ANDREOLI 2006; ANDREOLI, VON SPERLING, FERNANDES 2014; ILANI et al. 2016). Dentre os processos desenvolvidos para se atingir a estabilização do lodo, estão:
• Redução biológica do conteúdo de sólidos voláteis • Oxidação química da matéria orgânica
• Adição de produtos químicos no lodo a fim de eliminar os micro-organismos presentes
• Aplicação de calor para desinfetar e/ou esterilizar o lodo (ANDREOLI 2006). Os processos podem ser divididos em:
• Estabilização biológica: utiliza bactérias especificas para promover a estabilização da fração biodegradável da matéria orgânica;
• Estabilização química: a estabilização é atingida mediante a oxidação química da matéria orgânica;
• Estabilização térmica: obtida a partir da ação do calor sobre a fração volátil em recipientes hermeticamente fechados; como mostra a Figura 1 (ANDREOLI, VON SPERLING, FERNANDES 2014).
Figura 1 - Processos de estabilização do lodo de esgoto
Fonte: Andreoli, Von Sperling, Fernandes (2014).
Na digestão anaeróbia, micro-organismos agem na solubilização e redução de substâncias orgânicas complexas na ausência de oxigênio. Essa biodegradação acontece geralmente em tanques de concreto (digestores), elevando a produção de gases como metano, dióxido de carbono, entre outros, até que o lodo esteja estabilizado (BETTIOL, CAMARGO 2000; ANDREOLI, VON SPERLING, FERNANDES, 2014). A digestão anaeróbia é uma técnica apropriada para a redução do volume e do peso do lodo antes do descarte final, sendo empregada mundialmente como o mais antigo e importante processo de estabilização de lodos (SENTURK e BUYUKGUNGOR, 2018).
A digestão aeróbia também é resultado da biodegradação dos componentes orgânicos presentes no lodo, porém realizada por micro-organismos aeróbios, que agem na presença de oxigênio. Este processo pode ser dividido em três fases: oxidação da matéria orgânica biodegradável, aumento da biomassa bacteriana, e oxidação do material microbiano celular pelos próprios organismos (respiração endógena), ou seja, com o consumo absoluto do substrato disponível para biodegradação os micro-organismos passam a consumir a própria biomassa microbiana a fim de obter energia para suas reações celulares (BETTIOL, CAMARGO 2000; ANDREOLI, VON SPERLING, FERNANDES 2014).
Uma variante do sistema anterior é a digestão aeróbia auto térmica (ATAD), que opera em fase termófila, para acelerar o ritmo de biodegradação da matéria orgânica, e destruir os micro-organismos patogênicos do lodo (BETTIOL, CAMARGO 2000; ANDREOLI, VON SPERLING, FERNANDES 2014).
Já a compostagem é caracterizada pela produção de CO2, água, formação de
matéria orgânica estável e liberação de substâncias minerais, que é resultado de uma oxidação aeróbia exotérmica, que submete os componentes orgânicos biodegradáveis (não estáveis) à repetidas etapas de transformação, realizadas por diferentes tipos de micro-organismos (BETTIOL, CAMARGO 2000; ANDREOLI, VON SPERLING, FERNANDES 2014; ZHANG et. al. 2018).
Na estabilização química, são adicionados produtos para inibir a atividade biológica e/ou oxidar a matéria orgânica. O tratamento químico mais utilizado é a base de cal, resultando na eliminação da maior parte dos micro-organismos devido à elevação do pH, e também devido ao baixo custo, eficiência na eliminação de patógenos e simplicidade de operação. Cloro, ozônio, peroxido de hidrogênio e permanganato de potássio também são utilizados para o mesmo fim, porém em menor escala. (ANDREOLI, VON SPERLING, FERNANDES 2014; BETTIOL, CAMARGO 2000; NASCIMENTO et al. 2014)
A importância da estabilização do lodo tem relação direta com tipo de destinação final a que o lodo será submetido. Para disposição em aterro sanitário, o fator principal é a desidratação, facilitando o transporte do material. Para a incineração, não é interessante que o lodo perca muito da sua fração orgânica, pois
assim perderia muito do seu potencial calorífico. Para a reciclagem como fertilizante ou aditivo agrícola, os objetivos principais da estabilização, são eliminar as problemáticas do mal odor, decomposição da matéria orgânica, e alta concentração de patógenos, como mencionado anteriormente (BETTIOL, CAMARGO 2000; ANDREOLI, VON SPERLING, FERNANDES 2014; ILANI et al. 2016). Dessa forma, a Resolução CONAMA 375/06 estabelece que para utilização agrícola, o lodo de esgoto ou produto derivado será considerado estável se a relação entre sólidos voláteis e sólidos totais for inferior a 0,70 (BRASIL, 2006).
O lodo não estabilizado pode ter efeitos negativos para os organismos do solo, devido à presença de compostos que podem causar toxicidade, por exemplo, na germinação de sementes. De acordo com pesquisa realizada por Yang et al. (2016) existe uma relação direta entre a germinação de sementes com o tempo de estabilização do lodo de esgoto. Esses pesquisadores realizaram testes em sementes de Hordeum vulgare e Brassica oleracea (cevada e couve, respectivamente) submetidas à extratos de lodo de esgoto a uma concentração de 1:10. O lodo de esgoto utilizado nos ensaios foi deixado em repouso por um período total de 500 dias em aterro sanitário, e periodicamente submetido à testes a fim de visualizar a relação da estabilização do lodo com a toxicidade nas sementes selecionadas.
Kinney et al. (2012) utilizaram testes com sementes de alface (L. sativa) para avaliar o efeito da aplicação e estabilização de lodo no solo e de acordo com os resultados obtidos as maiores concentrações de lodo tiveram impacto negativo na germinação das sementes e, esse efeito negativo foi sendo reduzido à medida que o lodo estabilizava no solo. Dessa forma, os autores concluíram que a estabilização do lodo pode diminuir a concentração dos compostos tóxicos presentes ou a biodisponibilidade para as sementes de alface. Sendo assim, é possível observar a existência de uma relação entre a estabilização do lodo de esgoto e a toxicidade em sementes, visto que, o índice de germinação das sementes aumentou de acordo com o tempo em que o lodo permaneceu no aterro.
3.1.3 Disposição final do lodo de esgoto
No Brasil, devido à urbanização acelerada, o volume de esgoto tratado aumentou consideravelmente, e como consequência, o processo de disposição final do lodo tornou-se uma problemática (Da PAIXÃO FILHO et. al. 2014). Tendo em vista o alto custo do transporte desse material e o possível impacto ambiental dependendo da disposição, o principal objetivo neste processo é limitar estes custos e encontrar uma alternativa mais sustentável (ANDREOLLI, VON SPERLING, FERNANDES, 2014; SOUDANI et al. 2016).
Atualmente, tem-se como principais formas de disposição final do lodo, disposição em aterros sanitários, incineração, secagem térmica e oxidação úmida, que apresentam desvantagens como a geração de efluente líquido, liberação de gases na atmosfera, alto consumo de energia e concentração de metais (ANDREOLLI, VON SPERLING, FERNANDES, 2014). Dessa forma, uma viável alternativa às tecnologias apresentadas, é o uso do lodo na agricultura, justificado pelo alto teor de matéria orgânica e macronutrientes necessários às plantas (nitrogênio e fósforo), que podem ser complementares e até substitutos do fertilizante mineral (De ALBUQUERQUE et al. 2015)
De acordo com Sampaio (2013), aproximadamente 21 mil toneladas de base seca do lodo que é produzido anualmente no Brasil são destinadas à agricultura, um número que vem aumentando consideravelmente. Os critérios para o uso agrícola de lodo de esgoto no Brasil são estabelecidos pela Resolução CONAMA 375/06, que delimita limites máximos de concentração de metais, patógenos no lodo, restrições na sua aplicação no solo, define a caracterização necessária antes da aplicação, quais parâmetros devem ser quantificados e também seu monitoramento. No Brasil o aterro sanitário ainda é a disposição final mais adotada para esse resíduo.
3.2 APLICAÇÃO DO LODO NA AGRICULTURA
A adição do lodo de esgoto ao solo pode ser a melhor alternativa do ponto de vista econômico e ambiental uma vez que apresenta baixo custo e promove a
reciclagem de matéria orgânica e nutrientes (LOBO et al. 2013). O reuso do lodo como alternativa ao fertilizante mineral, pode ser bastante vantajoso pois, além de reduzir os custos de operação e tratamento do lodo, permite o retorno de um resíduo gerado em áreas urbanas para o campo, aumentando a sustentabilidade agrícola (De ALBUQUERQUE et al., 2015).
Outra importante vantagem da correta aplicação do lodo de esgoto na agricultura é a melhoria física, química e biológica do solo e o crescimento acelerado das plantas, isso acontece devido ao estímulo da atividade microbiana, imobilização de elementos tóxicos e melhora na estrutura, minimizando a erosão e o escoamento do solo (TESFAMARIAM et al., 2013; BITTENCOURT et al., 2014; NAFEZ et al., 2015; SOUDANI et al., 2016).
Nascimento et al. (2014) mostraram que a aplicação do lodo pode reduzir a densidade do solo, melhorando a capacidade de armazenamento e infiltração de água, diminuindo os riscos de erosão por aumentar a estabilidade dos agregados, devido ao maior conteúdo de húmus. Algumas dessas vantagens foram verificadas também por Da Paixão Filho et al. (2014), que ao aplicar lodo como fertilizante numa plantação de pupunheira, observaram o aumento da biomassa radicular de acordo com o aumento da dose de lodo aplicada.
Nascimento et al. (2011) também verificaram boa resposta no plantio de papaias de acordo com o aumento das doses de lodo aplicado. Os autores encontraram eficiência agronômica de 198% quando comparado ao fertilizante químico, o que evidencia o potencial do lodo em melhorar as características químicas, físicas e biológicas do solo (De ALBUQUERQUE et al., 2015).
Na pesquisa de Soudani et al. (2016) foi demonstrada a possibilidade de aplicação do lodo em áreas urbanas, onde as paisagens são geralmente cobertas por solo pobre e danificado, sendo possível observar que a aplicação do lodo provoca alterações vantajosas no solo, fornecendo os nutrientes essenciais às arvores plantadas.
Entretanto, apesar dos efeitos imediatos da sua aplicação, o reuso de lodo de esgoto na agricultura apresenta algumas problemáticas, como o potencial efeito residual em ciclos de colheita sucessivos, que, de acordo com De Albuquerque et al.
(2015), pode diminuir a produção e crescimento das plantas, reduzindo o lucro da produção para agricultores. Além disso, solo e plantas podem ser contaminados devido a presença de uma carga poluente de patógenos (bactérias, protozoários, vírus etc.), metais (chumbo, níquel, cádmio, cromo, cobre e zinco) e compostos orgânicos sintéticos (hidrocarbonetos policíclicos aromáticos, dioxinas, furanos, pesticidas, hormônios sintéticos e naturais etc.) (NASCIMENTO et al. 2014; ALVARENGA et al. 2015; NAFEZ et al. 2015; FUNG et al. 2018). Por esses motivos, é necessário converter a matéria orgânica original para uma forma menos mineralizável para ser utilizado de maneira segura (LOBO et al. 2013).
Dessa forma, a aplicação de lodo de esgoto não regulamentada pode oferecer riscos à saúde humana via ingestão, inalação e também absorção dérmica, ou causar danos aos ambientes e vidas aquáticas e terrestres. Para evitar qualquer risco potencial à saúde e danos ambientais, são recomendados modelos de exposição, incluindo limites de contaminantes, culturas permitidas, práticas de gerenciamento de campo, requisitos de tratamento, monitoramento, e manutenção de registros e relatórios (FUNG et al. 2018).
Segundo Tesfamariam et. al. (2013), os nutrientes aplicados acima da exigência nutricional da cultura podem ser prejudiciais ao crescimento das plantas e podem consequentemente poluir os corpos d’água. O excesso de nitratos no lodo, por exemplo, pode ser lixiviado e contaminar o lençol freático ou ser carregado aos corpos d’água e exacerbar as proliferações de algas. O excesso de fósforo no solo também pode aumentar a taxa de eutrofização em corpos d’água próximos. Consequentemente, antes da aplicação do lodo no solo, deve-se realizar um monitoramento completo da qualidade dos compostos presentes para assegurar que tal aplicação não gere problemas ambientais ou de saúde humana e animal (NAFEZ et al. 2015)
Na União Européia (UE) a reutilização de lodo de esgoto na agricultura foi regulamentada pela primeira vez pela Directiva 86/278/EEC, cujo objetivo principal era o meio ambiente, especialmente o solo, e a proteção da saúde humana contra os metais presentes no lodo. Embora essa Directiva esteja atualmente em revisão, alguns Estados-Membros, como Portugal, evoluíram para uma legislação mais atualizada, introduzindo critérios para os contaminantes orgânicos e
micro-organismos indicadores patogênicos (ALVARENGA et al., 2015). Nos Estados Unidos (EUA), foram estabelecidos padrões para o uso e descarte de lodo de esgoto municipal com base na análise de risco de referência para a saúde humana. Atualmente, cerca de 40% do lodo de esgoto na UE e mais da metade nos EUA é usado como condicionador de solo ou fertilizante (FUNG et al., 2018).
Na China a aplicação de lodo de esgoto no solo é atualmente limitada, em grande parte devido às suas concentrações enriquecidas de metais, que são não degradáveis e tóxicos, bem como tendem a se acumular ao longo da cadeia alimentar. Especificamente, o lodo de esgoto na China contém concentrações mais altas de metais do que os lodos de países desenvolvidos, pois, de acordo com Yang et al. (2016), as estações municipais de tratamento de esgoto aceitam efluentes industriais. Decorrente da sua grande capacidade de tratamento, procedimento de descarte simples e baixo custo, o aterro sanitário permanece como método predominante de disposição de lodo de esgoto na China (Yang et al. 2016).
3.2.1 Metais no lodo
Efluentes industriais, águas pluviais, águas residuais domésticas e a atmosfera são os principais responsáveis pelo transporte de metais, que são liberados principalmente como resultado de atividades antropogênicas. Fontes naturais incluem a dissolução de metais em rochas, e dessa forma, níquel, cádmio, manganês, zinco e cobre entram facilmente no ciclo hidrológico, sendo encontrados em sua forma solúvel no solo (LEMBER et al., 2018). Dentre as atividades de origem humana, os metais são amplamente utilizados como parte de materiais de construção, agricultura, transporte, processamento de materiais industriais e comerciais, e também indústrias relacionadas à operações de processamento de metal e refinarias. De acordo com Czikkely et al. (2018), efluentes industriais contendo metais como cobre, zinco e cádmio provém, em grande parte, de indústrias tecnológicas de mineração e de aço e alumínio. Dessa forma, é comum encontrar altas concentrações de metais em águas superficiais e subterrâneas em torno de áreas industriais.
Os processos físico-químicos mais usados para remover altas concentrações de alguns metais das águas residuais, são: precipitação, extração de solvente, troca
iônica, osmose reversa, oxidação / redução, sedimentação, filtração, técnicas eletroquímicas e cátion surfactante, etc (CZIKKELY et al. 2018).
Quando presente no lodo, os metais podem limitar sua aplicação no solo devido ao risco de contaminação e transferência das substâncias tóxicas à cadeia alimentar (SOUDANI et al., 2016). O teor de metais no lodo de esgoto estabilizado é muitas vezes crucial para a viabilização de seu uso na agricultura, e devido ao seu potencial de bioacumulação e persistência, se tornou objeto de grande atenção e dedicação de pesquisas (BORUSZKO, 2018). Além da aplicação repetida de lodo no solo ser uma das principais razões para o acúmulo de metais nas culturas seu conteúdo excessivo no lodo de esgoto pode ser tóxico e perigoso para o meio ambiente, e para o ser humano. Seu drástico aumento nos alimentos está associado à carcinogênese e toxicidade em diferentes órgãos, incluindo fígado, rim, coração, sistema nervoso e sistema cardiovascular (FUNG et al., 2018; TORKI et al,. 2018). A fim de controlar o teor de cargas acumuladas de metais no solo decorrente de aplicações sucessivas de lodo de esgoto, a Resolução CONAMA 375/06 estabelece limites máximos de acúmulo dessas substâncias, como mostra o Quadro 1.
Quadro 1 - Cargas acumuladas teóricas permitidas de substâncias inorgânicas pela aplicação de lodo de esgoto ou produto derivado em solos
agrícolas
Visando avaliar a toxicidade e o impacto dos metais nas plantas, Sandru et al. (2018) apresentaram alguns dos efeitos mais relevantes do excesso e da falta dos metais mais encontrados no lodo de esgoto, como mostra a Tabela 1 (SANDRU et al. 2018).
Tabela 1 - Efeitos mais relevantes dos metais mais encontrados no lodo de esgoto
Metal Efeito
Zinco (Zn) A função do Zn é contribuir com a produção de clorofila da planta. Quando há deficiência no solo, as folhas ficam descoradas e o crescimento das plantas é afetado. Essa descoloração das folhas é chamada clorose. Cobre (Cu) O Cu é essencial para o crescimento e
desenvolvimento normal das plantas, embora também seja potencialmente tóxico. O Cu é considerado um micronutriente e desempenha papel importante na assimilação de CO2 e na síntese de ATP. Exposição de plantas ao excesso de Cu gera estresse oxidativo.
Cádmio (Cd) Plantas cultivadas em solo contendo altos níveis de Cd mostram sintomas visíveis de lesão em termos de clorose, inibição do crescimento, escurecimento das pontas das raízes e morte.
Cromo (Cr) O Cr é conhecido por ser um metal tóxico que pode causar sérios danos a plantas e animais. O estresse oxidativo induzido por Cr envolve a indução da peroxidação lipídica em plantas que causa danos severos às membranas celulares, e também inicia a degradação dos pigmentos fotossintéticos causando declínio no crescimento.
Tabela 1 - Efeitos mais relevantes dos metais mais encontrados no lodo de esgoto
Continuação
Níquel (Ni) O Ni é um nutriente essencial às plantas. No entanto, a quantidade de Ni necessária para o crescimento normal das plantas é muito baixa. Assim, com o aumento da concentração de Ni no ambiente, faz-se necessário entender os papéis funcionais e os efeitos tóxicos do Ni nas plantas. Fonte: SANDRU et al. 2018
Portanto, tendo em vista o potencial risco envolvido na presença de metais no solo, e os riscos da aplicação de lodo de esgoto em solos agrícolas, a Resolução CONAMA 375/06 estabelece limites máximos de metais no lodo, como mostra o Quadro 2.
Quadro 2 – Concentração máxima permitida dos 11 metais preconizados pela Resolução Conama 375/06 no lodo de esgoto ou produto derivado
Fonte: Brasil, 2006
Assim, avaliar a presença dos metais no lodo e os efeitos que podem ter no solo e nos organismos presentes nesse compartimento, é de suma importância para
assegurar a utilização segura desse resíduo, sem causar danos e garantir a saúde ambiental.
3.3 QUALIDADE E FUNÇÕES DO SOLO
Os solos contribuem para as necessidades humanas básicas como, suprimento de comida, água e ar, e são os principais portadores de biodiversidade. Ainda, solo, sustentabilidade e qualidade são questões-chave para solucionar os principais desafios da sociedade como, segurança alimentar, recursos hídricos, e biodiversidade. A qualidade do solo está relacionada aos serviços ecossistêmicos, como purificação e regulação de água doce, produção de alimentos e fibras e a manutenção das funções globais do ecossistema (VINCENT et al., 2018).
Segundo Siddiky et al. (2012) a estrutura do solo pode ser entendida como um arranjo entre partículas primárias e compostos orgânicos com agregados e poros correspondentes, e desempenha papel fundamental em uma ampla gama de processos, incluindo trocas de gás e água, ciclagem de nutrientes e resistência à erosão. A própria estrutura do solo pode ser afetada por várias propriedades do mesmo (por exemplo, textura, carbono orgânico) e atividades da biota (EISENHAUER, SABAIS e CHEU, 2011; SIDDIKY et al., 2012).
A biodiversidade do solo também é influenciada pelas interações complexas entre os diferentes componentes bióticos (micro-organismos, meso e macro-fauna e plantas) que desempenham papel importante no funcionamento do ecossistema. Os estudos de biodiversidade e atividade biológica do solo podem ser relevantes para avaliar o ecossistema do solo e de seu funcionando já que os organismos influenciam em processos-chave, como a produção primária, decomposição e ciclagem de nutrientes, aeração do solo, armazenamento de água, e também degradação orgânica de poluentes, ou proteção à toxicidade de metais (SIDDIKY et al., 2012; VINCENT et al., 2018).
A intensificação e expansão das atividades humanas aumentou a pressão sobre os recursos da terra e levou à degradação do solo. Dessa forma, a gestão desse
compartimento, incluindo sua restauração, está entre as seis principais questões globais da Organização das Nações Unidas (Objetivos de Desenvolvimento Sustentável) (VINCENT et al., 2018).
Para estudar a qualidade do solo, parâmetros físico-químicos são geralmente medidos, incluindo parâmetros de fertilidade e concentrações de contaminantes. Por outro lado, os parâmetros biológicos do solo são também considerados indicadores de qualidade (VINCENT et al., 2018). Por exemplo, a biota do solo contribui com a degradação e remoção de contaminantes através da atenuação natural após distúrbios do ecossistema. A decomposição de matéria orgânica é um dos processos ecossistêmicos mais críticos para a reciclagem de nutrientes entre os subsistemas acima e abaixo do solo, sendo realizada diretamente por vários organismos (micro-organismos e vários invertebrados como Diplopoda, Collembola, e minhocas). Quando o subsistema subterrâneo não é funcional, o crescimento das plantas pode ser totalmente inibido (VINCENT et al., 2018). Há evidência de que a diversidade do decompositor é crucial para a decomposição e disponibilidade de N para plantas. Funcionalmente diferentes grupos decompositores podem impactar sinergicamente o desempenho de plantas e herbívoros (EISENHAUER, SABAIS e CHEU, 2011).
3.3.1 Metais no solo
Os metais estão frequentemente presentes no ambiente em altas concentrações, o que pode interferir no funcionamento do sistema do solo e em seus potenciais usos (CALIZ et al., 2012). Portanto, o conhecimento das concentrações consideradas naturais de metais em solos é fundamental para que se possa avaliar adequadamente o grau de contaminação de áreas impactadas (SOARES et al., 2015). Além disso, a contaminação simultânea do solo por pesticidas, organoclorados persistentes e metais ou metalóides é também amplamente detectada em solos urbanos e agrícolas. Consequentemente, as possibilidades de recuperação de tais ambientes devem ser levadas em consideração (CALIZ et al., 2012).
Os efeitos da poluição por metais nos micro-organismos do solo já foram estudados em condições de campo e laboratório. Contudo, a influência de fatores ambientais que poderiam ser alteradas pela presença de metais (como pH ou
disponibilidade de nutrientes), bem como a limitação de metodologias e normas, podem dificultar a avaliação da toxicidade, mesmo sob condições controladas (CALIZ et al., 2012).
Diferenças na biodisponibilidade de metais podem afetar significativamente a toxicidade e estresse microbiano e, uma vez que essa toxicidade depende de cada tipo de metal e solo, tem-se grande diversidade de possibilidades de efeitos. Caliz et al. (2012) relataram a influência de metais nos micro-organismos, afetando suas atividades bioquímicas, diminuindo a biomassa e a diversidade e alterando para uma comunidade microbiana resistente a metais. Portanto, populações microbianas que prosperam em ambiente poluído geralmente desenvolvem ou adquirem capacidades de resistência, que lhes permitem sobreviver e manter as funções do solo. Esses mecanismos incluem o sequestro de metais, produção de exopolissacarídeos, redução química para uma espécie menos tóxica e efluxo direto de metal para fora da célula.
O envolvimento de micro-organismos em contato com poluentes é importante para entender os efeitos tóxicos dos metais no meio ambiente, bem como para o desenvolvimento de estratégias adequadas de biorremediação. Consequentemente, é importante conhecer os efeitos dos poluentes na microbiota em diferentes tipos de solos sem contaminação prévia (CALIZ et al., 2012).
3.4 ENSAIOS DE TOXICIDADE EM SOLOS
A ecotoxicologia é reconhecida como forma de estudo de riscos ambientais desde que as primeiras cidades foram estruturadas, sendo que, como ciência, começou a ganhar destaque a partir de 1970. Posteriormente, a ecotoxicologia com foco em contaminação de solos teve seu reconhecimento na década de 1990, enquanto no Brasil, só obteve notoriedade nos primeiros anos do século XXI (NIVA, 2019).
O acúmulo de substâncias tóxicas, incluindo metais, em solos agrícolas, é decorrente de atividades antropogênicas e processos naturais, e tem atraído
considerável interesse no mundo devido às consequências dessa contaminação à saúde humana e qualidade do meio ambiente, o que torna uma necessidade estudos focados nos efeitos de determinadas substâncias (DAI et al., 2017; NIVA, 2019).
De acordo com Dai et al. (2017) e Liu et al. (2018), análises limitadas à quantificação de metais e outros compostos potencialmente nocivos não é mais suficiente para uma avaliação precisa do seu risco ecológico. Análises físico-químicas, como Carbono Orgânico Total (COT), metais, sólidos totais e voláteis, entre outros, são essenciais para avaliação da poluição do solo, contudo, apresentam deficiência quando utilizados como única fonte de informação para prever o nível de toxicidade de determinado composto (VIANA et al., 2017; LIU et al., 2018). Ainda, segundo Niva (2019), indicadores biológicos têm resposta mais rápida em comparativo as análises físico-químicos e maior sensibilidade na resposta. Dessa forma, os bioensaios estão se tornando ferramentas cada vez mais úteis para a avaliação precisa da qualidade do solo e do potencial de toxicidade de contaminantes (DAI et al., 2017; NIVA, 2019). Os bioensaios constituem determinações de resposta ecotóxicológica de metais e outros compostos potencialmente toxicos em amostras ambientais utilizando organismos como bactérias, plantas, anfípodes, colembolos, peixes, dentre outros. Esses biotestes consideram, além da função dos organismos no solo, sua capacidade fisiológica para captar elementos químicos e acumulá-los em seus tecidos (DALDOUL et al., 2019). Portanto, podem ser classificados segundo a resposta dos organismos (mortalidade, crescimento ou reprodução), tempo de exposição (ecotoxicidade aguda ou crônica), ou grau de letalidade (letal ou subletal) (NIVA, 2019). Adicionalmente, esses métodos são mais baratos, rápidos e sensíveis que as análises químicas e podem ser usados como ferramenta complementar ecológica e útil para avaliar a contaminação por metais e a biodisponibilidade nos solos (DALDOUL et al., 2019; NIVA, 2019).
As formas de avaliação da toxicidade do solo podem ser classificadas em prospectiva e retrospectiva. A primeira consiste em uma avaliação a priori do risco de potenciais contaminantes, ou seja, o solo (artificial ou natural) é contaminado em laboratório com diferentes concentrações do composto a ser avaliado. A segunda, visa a avaliação de solos já contaminados, sendo os ensaios realizados no próprio solo com suspeita de contaminação e comparados com solos de referência ou do mesmo
local (que não estejam contaminados), podendo ser complementados com avaliação em campo, a fim de programar medidas de gerenciamento para remediação do local. Atualmente, métodos de avaliação de contaminantes, da toxicidade e do risco envolvido na presença de certas substâncias, como metais, no lodo de esgoto, é um tema de extrema importância e urgência para a pesquisa de aplicações agrícolas desse resíduo (ZHANG et al., 2017). De acordo com Oleszczuk e Hollert (2011) os testes biológicos são sensíveis para avaliar o perigo relacionado à aplicação de lodo de esgoto no solo, além de permitirem uma avaliação prática da aplicação desse tipo de resíduo na agricultura, o que torna esse tipo de ensaio essencial nos estudos referentes à sua aplicação no solo.
3.4.1 Toxicidade em sementes
Quando realizados em plantas, os testes de toxicidade permitem avaliar efeitos adversos sobre a germinação das sementes e os estágios iniciais de desenvolvimento, e assim, avaliar os efeitos nocivos que determinado composto têm sobre as plantas, seja em relação à germinação, crescimento da raiz ou desenvolvimento (VIANA et al., 2017; POKORSKA-NIEWIADA, RAJKOWSKA-MYSLLWLEC, PROTASOWICKI, 2018). Ainda, deficiências nutricionais e toxicidade em plantas podem ser resultante de diferentes redes de interações que por sua vez podem causar diferentes efeitos na absorção de nutrientes. Por exemplo, a fertilização excessiva de fósforo pode reduzir a colonização micorrízica, resultando em captação reduzida de Zn e logo, deficiência de Zn na planta, enquanto uma deficiência de boro reduz a localização de cálcio, resultando em plantas com menor crescimento (PAWLOWSKI et al., 2019). Dessa forma, nos últimos anos, houve aumento significativo nos estudos da toxicidade em sementes.
Entre os testes de toxicidade destaca-se o de germinação e alongamento de raiz por ser um teste simples, rápido, de baixo custo e que possibilita avaliação dos efeitos causados por diversos compostos (Da MATTA e UMBUZEIRO, 2014). O Índice de Germinação (IG) é um índice que forma uma avaliação cumulativa de toxicidade da substância testada levando em consideração a germinação das sementes e o crescimento radicular, onde o IG abaixo de 50% indica alto efeito de toxicidade
(VENEGAS, LEIVA, VIDAL, 2018). Além disso, são testes confiáveis e apresentam vantagens de serem mais sensíveis ao estresse ambiental (VALERIO et al., 2007; VISIOLI et al., 2014; POKORSKA-NIEWIADA, RAJKOWSKA-MYSLLWLEC, PROTASOWICKI, 2018).
Portanto, juntamente com o aumento da geração de lodo de esgoto e ao fato de existirem poucos estudos sobre os efeitos da lixiviação, germinação de sementes, comprimento de raízes e acúmulo de metais em lodo de esgoto estabilizado, o ensaio de toxicidade em sementes tornou-se uma ferramenta rápida e necessária para avaliar a ecotoxicidade do lodo de esgoto (ZHANG et al., 2017; VENEGAS, LEIVA, VIDAL, 2018).
3.4.2 Folsomia candida
Outro grupo que vem sendo usado em estudos sobre toxicidade terrestre são os Collembola, suscetíveis aos metais e agrotóxicos, e amplamente distribuído no solo, são um importante grupo de organismos decompositores. São responsáveis pela produção primária do solo e ciclagem de nutrientes, e considerados muito sensíveis ao estresse dos solos agrícolas, respondendo rapidamente às mudanças ambientais (BUCH et al., 2016; DAI et al., 2017; MACCARI et al., 2016), como mostra Liu et al. (2018), que constataram que o declínio de biodiversidade pode ser consistente com reduções das funções no ecossistema. Portanto, são excelentes bioindicadores, e sua estrutura ou funções indicam e determinam a qualidade ou o nível de degradação do solo (NIVA, 2019). De acordo com Liu et al. (2019) o grupo Collembola está entre as três faunas dominantes que desempenham funções significativas para o ecosistema do solo, sendo Folsomia candida a principal espécie de Collembola presente no solo.
Podendo apresentar comprimento de 1,5 até 3,0 mm, cor branca ou amarelada, o gênero Folsomia possui um órgão pós-antennal atrás da base de cada antena que segundo Fountain e Hopkin (2005) possivelmente detecta produtos químicos no ar. F. candida possui furca desenvolvida, apêndice traseiro, tubo ventral, abdômen com 6 segmentos e não apresentam ocelos. O tubo ventral, também chamado de colóforo, está envolvido na troca de fluidos com o ambiente externo sendo, portanto, uma
importante via de exposição para produtos químicos dissolvidos na água dos poros do solo (FOUNTAIN e HOPKIN, 2005).
Figura 2 – Folsomia candida e ovos do organismo
Fonte: Niva (2019).
O F. candida é um organismo da fauna edáfica (vive nas camadas superficiais do solo), de reprodução assexuada, que vem sendo bastante utilizado nos estudos de ecotoxicidade para avaliar o efeito de determinadas substâncias no solo, como os metais (FILSER et al., 2014; LIN et al., 2019; LUO et al., 2014; RUIZ et al., 2017). Isso se deve ao fato de ser um organismo representativo do grupo, e também devido à programas de monitoramento da qualidade ambiental, que tem recomendado cada vez mais a integração de respostas biológicas à dados químicos para avaliação de contaminantes (DAI et al., 2018).
De acordo com Adestani, Giska e Gestel (2019) para metais não essenciais, como o cádmio e o chumbo, quanto maior sua concentração no solo maior será a acumulação de metal no organismo. Porém, os autores também afirmam que esse fenômeno pode variar de acordo com a espécie e o metal estudados. O que corrobora com a pesquisa de Dai et al. (2018), que mostraram que para concentrações acima de 200 mgZn.kg-1 em solo seco, houve mudança significativa no comportamento de
aumento a partir 1500 mgPb.kg-1. Para cádmio e cobre, o comportamento de fuga
mostrou aumento significativo a partir das concentrações 50 mgCd.kg-1 e 100
mgCu.kg-1, respectivamente. Os dados obtidos nesse estudo indicaram que para F.
candida o metal mais toxico foi o cádmio, seguido por cobre, zinco e chumbo. Porém, os resultados do estudo de An et al. (2013), que usaram o organismo Lobella sokamensis, outra espécie de colêmbolo, mostraram que o metal mais tóxico foi o zinco, seguido por cobre e cádmio.
Como mostrado nos estudos mencionados, as propriedade físico-químicas do solo, dos contaminantes e dos organismos podem influenciar na resposta que cada organismos apresenta quando exposto a determinado contaminante. O que deixa evidente a necessidade de mais estudos que considerem essas variantes.
3.5 ATIVIDADE MICROBIANA NO SOLO - RESPIROMETRIA
Compostos e minerais orgânicos, incluindo o lodo de esgoto, quando introduzidos no solo, produzem um efeito significativo no número de micro-organismos presentes, e também, podem ser transformados por meio das enzimas desses micro-organismos, o que é devido ao importante papel das comunidades microbianas na ciclagem dos nutrientes e fertilidade do solo (MORENO et al., 2002; WOLEJKO et al., 2015). Na rizosfera, região do solo próxima às raízes das plantas, encontra-se a região com atividade biológica mais intensa, caracterizada por uma rica flora bacteriana e de fungos. A rizosfera tem grande influência na absorção de nutrientes pelas raízes e, portanto, desempenha um importante papel no crescimento e desenvolvimento das plantas (DANTAS et al., 2009; WOLEJKO et al., 2015). De acordo com Wolejko et al. (2015), os micro-organismos interagem com as plantas desde a germinação da semente até sua plena maturidade, e podem apresentar efeitos tanto benéficos quanto prejudiciais no desenvolvimento das plantas.
A respirometria é uma técnica utilizada para avaliar a respiração microbiana de determinado substrato, sendo um bom indicador de toxicidade de potenciais contaminantes sobre a atividade microbiana. Este método consiste na quantificação