Ana Bernardete Norberto FerreLra
Contribuição dos substratos de Leitos
de Plantas para as biocenoses
rizosféricas e eficiência do tratamento
de águas residuais
UMinho|20 14 Ana Bernar de te Norber to F err eiraContribuição dos subs
tratos de Leitos de Plant
as para as biocenoses
rizosféricas e eficiência do trat
amento de águas residuais
Universidade do Minho
Ana Bernardete Norberto FerreLra
Dissertação de Mestrado
Mestrado em Biologia Molecular, Biotecnologia e
Bioempreendedorismo em Plantas
Contribuição dos substratos de Leitos
de Plantas para as biocenoses
rizosféricas e eficiência do tratamento
de águas residuais
Universidade do Minho
Escola de Ciências
Trabalho realizado sob a orientação da
Professora Doutora Isabel Aguiar Pinto Mina
e da
Agradecimentos
O trabalho realizado no âmbito desta tese de mestrado teve o apoio de várias pessoas e entidades, às quais quero expressar o meu reconhecimento, apreço e os mais sinceros agradecimentos.
À orientadora, Professora Isabel Aguiar Pinto Mina, por toda a dedicação, compreensão, incansável apoio, motivação e todo o conhecimento que me transmitiu. Obrigada por fazer parte deste percurso e contribuir para meu crescimento profissional e pessoal.
À co-orientadora, Mª Cristina S. C. Calheiros, da Escola Superior de Biotecnologia da Universidade do Porto, por toda a disponibilidade, sugestões e orientações na realização deste trabalho.
Ao Professor Mário Almeida, pela preciosa ajuda, pela disponibilidade e pelo constante optimismo.
À Quinta do Paço de Calheiros por permitir e possibilitar a realização das campanhas de amostragem nos diversos sistemas lá implementados.
À CEBAL por fornecerem o Bagaço de Azeitona Extratado para a realização dos ensaios em microcosmos.
À Dr. Cristina Ribeiro e ao Sr. Luís Correia, técnicos do Departamento de Biologia da Escola de Ciências por toda a simpatia e disponibilidade.
À minha família e amigos por acima de tudo fazerem parte da minha vida e permitirem que eu faça parte das suas.
Contribuição dos substratos de Leitos de Plantas para as biocenoses rizosféricas e eficiência do tratamento de águas residuais
Resumo
Os leitos de plantas apresentam-se cada vez mais como uma solução tecnologicamente económica, eficiente e sustentável para o tratamento de águas residuais especialmente adequados a pequenos aglomerados populacionais.
O substrato é um dos principais componentes destes sistemas, influenciando a eficiência do tratamento de águas residuais. Este é essencial para a fixação das plantas e também para o desenvolvimento das comunidades microbiológicas. Servindo de matriz ao percurso das águas residuais, pode eventualmente determinar as biocenoses da rizosfera.
O trabalho desenvolvido incluiu a monitorização das biocenoses do substrato do leito de plantas a tratar águas residuais da unidade turística do Paço de Calheiros (Ponte de Lima), e a inventariação da biodiversidade do charco que recebe as águas tratadas no referido leito. Incluiu também a avaliação em mesocosmo e microcosmo da carga orgânica de diferentes tipos de materiais a utilizar como substrato, estudando a influência do uso destes no desenvolvimento de biocenoses.
Foi ainda analisada a potencialidade do uso da espetrotofometria na monitorização da qualidade de águas e avaliada a informação fornecida pela determinação da tensão superficial de diferentes tipos de águas.
Uma grande variabilidade foi observada entre as biocenoses dos sistemas do Paço de Calheiros, provavelmente associada às diferentes características de cada um dos sistemas.
Dos materiais avaliados para substrato de leitos plantados, o Bagaço de Azeitona
Extractado apresentou uma carga orgânica muito elevada, os colmos de Phragmites australis
uma carga orgânica inicial da ordem dos 400mgL-1 de CBO
5 e a casca de Eucalyptus globulus
nunca ultrapassou os 60mgL-1 de CBO
5.
A espetofotometria apresentou fortes relações com a carga orgânica presente nas amostras de água residual, indiciando-se como uma alternativa viável, rápida e económica para estimar este parâmetro.
A determinação da tensão superficial apesar de fornecer indicações sobre as características de uma amostra de água, não indica que tipo de substâncias poderão estar presentes na mesma, podendo ser complementada por análise espetrofotométrica UV-Vis.
Contribution of Constructed Wetlands’ substrates to rhizhosphere biocenoses and wastewater treatment efficiency
Abstract
The constructed wetlands are presented as an efficient, sustainable and economic technological solution for the treatment of wastewater especially suitable for small villages.
The substrate is a key component of these systems influencing the efficiency of the wastewater treatment. It is essential for the establishment of plants and also for the development of microbial communities. Serving as a matrix to the route of wastewater may even eventually enhance rhizosphere biocenoses.
This work included the monitoring of the substrate biocenoses from a constructed
wetland treating wastewater of a tourism unit, Paço de Calheiros (Ponte de Lima), and the
inventory of the pond’s biodiversity that receives treated water from that system. It also included the evaluation of the organic load from different types of materials as substrate using mesocosm and microcosm, studying their influence in rhizosphere biocenoses.
The spectrophotometry potential to monitor water quality was also analysed, and the information supplied by surface tension determination from different types of water was evaluated.
A great variability was observed among the Paço de Calheiros’s systems biocenoses
probably related to the different characteristics of each system.
Form the materials being evaluated it was the pomace extract the one with the highest
organic load, followed by Phragmites australis stalks with inicial BOD5 about 400mgL-1 and
Eucalyptus globulus barks with BOD5 never above 60mgL-1.
The spectrophotometry showed strong relationships with organic matter present in the wastewater samples, indicating it could be a viable, fast and economical alternative to estimate this parameter.
The determination of surface tension while providing information on the characteristics of a sample of water does not indicate what substances may be present in it, but tensiometry may be complemented by UV-Vis spectrophotometry.
Índice
Agradecimentos ... i
Resumo ... ii
Abstract...iii
Índice ...iv
Lista de Abreviaturas ... vii
Lista de Figuras...ix
1 Introdução ... 1
1.1 Recursos hídricos mundiais e cenário nacional ... 1
1.2 Leitos de Plantas: Funcionamento e Características ... 3
1.2.1 Tipos de Leitos de Plantas ... 4
1.3 Principais Componentes dos leitos de plantas... 6
1.3.1 Vegetação ... 6
1.3.2 Substratos ... 7
1.3.3 Microrganismos ... 10
1.4 Caracterização de águas residuais ... 13
1.4.1 Espetofotometria ... 14
1.4.2 Tensão superficial ... 15
1.4.3 Conceitos de absorvância e tensão superficial ... 16
1.5 Objetivos do presente trabalho... 16
2 Material e métodos... 18
2.1 Paço de Calheiros (Ponte de Lima) ... 18
2.1.1 Leito de Plantas ... 21
2.1.1.1 Amostragem do substrato do leito de plantas ... 21
2.1.1.2 Amostras de água residual... 23
2.1.2 Leito de plantas piloto ou Mesocosmo com cortiça... 23
2.1.3 Charco / Lagoa de retenção... 24
2.2 Ensaios em Microcosmos... 25
2.2.1 Microcosmos de colmos de Phragmites autralis (CPa)... 25
2.2.2 Microcosmos de Bagaço de Azeitona Extractado (BAE) ... 26
2.3 Análises Laboratoriais ... 28
2.3.1 Carência Bioquímica e Oxigénio... 28
2.3.2 Espetrofotometria ... 28
2.3.3 Tensão superficial ... 28
2.3.4 Análise microscópica de biocenoses ... 30
3 Resultados... 31
3.1 Paço de Calheiros (Ponte de Lima) ... 31
3.1.1 Leito de Plantas ... 31
3.1.1.1 Análise de Biocenoses ... 32
3.1.1.2 Carência Bioquímica de Oxigénio ... 41
3.1.2 Biocenose do mesocosmo com cortiça ... 42
3.1.3 Biocenoses do Charco / Lagoa de Retenção... 45
3.1.3.1 Tensão superficial, Temperatura e pH ... 48
3.2 Ensaios em microcosmos... 50
3.2.1 Ensaio com colmos de Phragmites australis ... 50
3.2.1.1 Carência Bioquímica de Oxigénio ... 52
3.2.1.2 Tensão superficial ... 53
3.2.1.3 Espetros de absorção das amostras de água... 54
3.2.1.4 Biocenoses dos Microcosmos CPa ... 54
3.2.2 Ensaio com Bagaço de Azeitona Extractado ... 55
3.2.2.1 Carência Bioquímica de Oxigénio ... 56
3.2.2.2 Tensão superficial ... 57
3.2.2.3 Espetros de absorção das amostras de água... 57
3.2.2.4 Biocenoses dos Microcosmos BAE ... 59
3.2.3 Ensaio com casca de eucalipto... 59
3.2.3.1 Carência Bioquímica de Oxigénio ... 63
3.2.3.2 Tensão Superficial... 64
3.2.3.3 Espetros de absorção das amostras de água... 65
3.2.3.4 Biocenoses dos Microcosmos CEg... 67
4 Discussão e Conclusões ... 71
4.1 Paço de Calheiros (Ponte de Lima) ... 71
5 Referências Bibliográficas ... 82
6 Anexos ... 93
6.1 Anexo 1 ... 93
Lista de Abreviaturas
a – espessura do anel AR – Água residual
AR E – Água residual recolhida à entrada AR S – Água residual recolhida à saída
BAE – Microcosmos com Bagaço de Azeitona Extractado CBO – Carência Bioquímica de Oxigénio
CBO5 – Carência Bioquímica de Oxigénio, ao longo de 5 dias
cc. – campo claro ce. – campo escuro
CEBAL – Centro de Biotecnologia Agrícola e Agro-Alimentar do Alentejo
CEg – Microcosmos com casca de eucalipto (Eucalyptus globulus)
cf. – contraste de fase ci. – contraste interferência
CPa – Microcosmos com colmos de Phragmites australis
CPE – Microcosmos com colmos de Phragmites australis e com Eucalipto
CO2 – Dióxido de Carbono
CQO – Carência Química de Oxigénio E – Entrada
ETAR – Estação de Tratamento de Águas Residuais
Fext – Força máxima
H2O – Água
LECA – ―agregado‖ de argila expandida
LJ – Amostra de substrato recolhida a montante do leito de plantas do Paço de Calheiros LM – Amostra de substrato recolhida a jusante do leito de plantas do Paço de Calheiros mf – massa final mi – massa inicial MO – Microscópio Ótico N2 – Gás Nitrogénio NO -3 – Nitrato
S – Saída
SS – Sólidos Suspensos SST – Sólidos Suspensos Totai TCO – Carbono Orgânico Total TSS – Total de Sólidos Suspensos TS – Tensão Superficial
UV-VIS – Ultra Violeta e Visível
- Tensão superficial
ap – Tensão superficial aparente
- Diferença de densidades entre líquido e ar
Lista de Figuras
Figura 1 – Classificação geral dos diferentes tipos de leitos de plantas para tratamento de AR .... 4
Figura 2 – Esquema representativo, em corte transversal, dos componentes estruturais de um leito de plantas, com escoamento subsuperficial e fluxo horizontal ... 5
Figura 3 - Leito de plantas na quinta do Paço de Calheiros (15 julho de 2014) ... 19
Figura 4 - Charco ou lagoa de retenção do Paço de Calheiros (20 janeiro de 2014)... 20
Figura 5 - Leito de plantas piloto ou mesocosmo para receção de água proveniente das atividades da adega do Paço de Calheiros (15 de julho de 2014) ... 20
Figura 6 - Leito de plantas do Paço de Calheiros: outono (a); inverno (b); primavera (c); verão (d) ... 21
Figura 7 – Nova entrada de águas residuais domésticas (apenas águas cinzentas) no leito de plantas no Paço de Calheiros ... 22
Figura 8 – Recolha da água adicionada às amostras LM e LJ do substrato do leito de plantas do Paço de Calheiros ... 23
Figura 9 – Microcomos com colmos secos de Phragmites australis (CPa)... 26
Figura 10 – Microcosmos com Bagaço de Azeitona Extractato (BAE)... 27
Figura 11 – Microcosmos com: colmos secos de Phragmites australis (CPa); casca seca de Eucalipto (CEg) e casca seca de Eucalipto e colmos secos de Phragmites australis (CPE) ... 27
Figura 12 – Massa das amostras de substrato recolhidas a montante (LM) e a jusante (LJ) do leito de plantas do Paço de Calheiros, entre outubro de 2013 e julho de 2014 ... 31
Figura 13 – Volume de água de homogeneização recuperado das amostras de substrato recolhidas a montante (LM) e a jusante (LJ) do leito de plantas do Paço de Calheiros, entre outubro de 2013 e julho de 2014 ... 32 Figura 14 – Arcella (cc, 400x)... 35 Figura 15 – Difflugia (cc, 400x)... 35 Figura 16 – Euglypha (cc, 400x) ... 35 Figura 17 – Actinophrys (cc, 400x)... 35 Figura 18 – Anisonema (cc, 400x) ... 36 Figura 19 – Peranema (cc, 400x)... 36 Figura 20 – Peranema (cc, 400x)... 36 Figura 21 – Chilodonella (cc, 400x)... 37
Figura 22 – Aspidisca (cc, 400x)... 37 Figura 23 – Colpidium (cc, 400x)... 37 Figura 24 – Tetrahymena (cc, 400x)... 37 Figura 25 – Uronema (cc, 400x) ... 37 Figura 26 – Didinium (cc, 200x) ... 37 Figura 27 – Litonotus (cc, 400x) ... 38 Figura 28 – Spirostomum (cc, 100x) ... 38 Figura 29 – Vorticella (cc, 100x) ... 38 Figura 30 – Vorticella (cc, 200x) ... 38 Figura 31 – Vorticella (cc, 400x) ... 39 Figura 32 – Podophrya (cc, 400x) ... 39 Figura 33 – Sphaerophrya (cc, 400x) ... 39 Figura 34 – Rotifera (cc, 400x) ... 40 Figura 35 – Rotifera (cc, 400x) ... 40 Figura 36 – Platyhelminthes (cc, 100x)... 40 Figura 37 – Platyhelminthes (cc, 400x)... 40 Figura 38 – Nauplius (cc, 400x) ... 40 Figura 39 – Copepoda (cc, 400x)... 40 Figura 40 – Aeolosoma (cc, 100x)... 41 Figura 41 – Aeolosoma (cc, 400x)... 41 Figura 42 – Naididae (cc, 100x) ... 41 Figura 43 – Naididae (cc, 400x) ... 41 Figura 44 – Leveduras (cc, 400x)... 42 Figura 45 – Paramecium (cc, 100x) ... 44 Figura 46 – Paramecium (cc, 400x) ... 44
Figura 47 – Paramecium, pormenor de vacúolo contrátil (cc, 400x)... 44
Figura 48 – Oxytricha (cc, 400x) ... 44
Figura 49 – Nematoda (cc, 100x) ... 45
Figura 50 – Aeolosoma (cc, 50x) ... 45
Figura 51 - Diatomáceas e clorófitas. (a) Scenedesmus (cc, 400x) ... 46
Figura 52 – Protozoário amebóide – ameba nua (cc, 400x) ... 46
Figura 54 – Vorticella (cc, 400x) ... 48 Figura 55 – Massa média inicial (mi) e final (mf) dos três microcosmos ao longo do período experimental (entre 25 de setembro e 13 de novembro de 2013)... 50 Figura 56 – Perfil do pH médio da água recolhida dos três microcosmos ao longo do período experimental (entre 25 de setembro e 13 de novembro de 2013)... 52 Figura 57 – Temperatura média (°C) das amostras de água recolhida semanalmente dos três microcosmos e temperatura ambiente, ao longo do período experimental (entre 25 de setembro e 13 de novembro de 2013) ... 52 Figura 58 – Carga orgânica média estimada nas amostras de água recolhida dos três
microcosmos pela determinação da CBO5 (mgL-1), ao longo do período experimental (entre 25 de
setembro e 13 de novembro de 2013) ... 53
Figura 59 – Tensão superficial média (Nm-1) das amostras de água recolhida dos três
microcosmos e de água da torneira (controlo), ao longo do período experimental (entre 25 de setembro e 13 de novembro de 2013) ... 53 Figura 60 – Espetros de absorvância na zona visível (400 – 700nm) das amostras de água dos três microcosmos, obtidos no espectrofotómetro AquaMate Plus (UV-VIS) ... 54 Figura 61– Espetros de absorvância da água recolhida semanalmente dos três microcosmos BAE, na zona do visível (400nm e 700nm) no espectrofotómetro AquaMate Plus (UV-VIS). (a) diluição 1:10; (b) diluição 1:100... 58 Figura 62 – Massa média inicial (mi) dos dois microcosmos com: eucalipto (CEg), colmos de Phragmites e eucalipto (CPE) e colmos de Phragmites (CPa) ao longo do período experimental (23 de abril e 23 de junho de 2014) ... 60 Figura 63 – Massa média final (mf) dos dois microcosmos com: eucalipto (CEg), colmos de Phragmites e eucalipto (CPE) e colmos de Phragmites (CPa) ao longo do período experimental (23 de abril e 23 de junho de 2014) ... 60 Figura 64 – pH médio, registado semanalmente, para as amostras de água recolhida dos dois microcosmos com: eucalipto (CEg), com colmos de Phragmites e eucalipto (CPE) e colmos de Phragmites (CPa) ao longo do período experimental (23 de abril e 23 de junho de 2014) ... 62 Figura 65 – Temperatura média (°C) das amostras de água recolhida dos dois microcosmos com: eucalipto (CEg), colmos de Phragmites e eucalipto (CPE) e colmos de Phragmites (CPa) e temperatura (°C) ambiente, ao longo do período experimental (23 de abril e 23 de junho de 2014). ... 63
Figura 66 – Carga orgânica média estimada pela determinação da CBO5 (mgL-1) das amostras de
água recolhidas dos dois microcosmos com: eucalipto (CEg), colmos de Phragmites e eucalipto
(CPE) e colmos de Phragmites (CPa) ao longo do período experimental (23 de abril e 23 de junho de 2014)... 64 Figura 67 – Tensão superficial média, determinada semanalmente na água recolhida dos dois microcosmos com: eucalipto (CEg), colmos de Phragmites e eucalipto (CPE), colmos de Phragmites (CPa) e em água da torneira (controlo), ao longo do período experimental (23 de abril e 23 de junho de 2014)... 65 Figura 68 - Espetros de absorvância da água recolhida semanalmente dos microcosmos com Eucalipto (CEg), obtidos no espetrofotómetro AquaMate Plus (UV-VIS) entre 190nm e 750nm.. 66 Figura 69– Espetros de absorvância da água recolhida semanalmente dos microcosmos com colmos de Phragmites e eucalipto (CPE), obtidos no espetrofotómetro AquaMate Plus (UV-VIS) entre 190nm e 750nm ... 66 Figura 70 – Espetros de absorvância da água recolhida semanalmente dos microcosmos com colmos de Phragmites (CPa) obtidos no espetrofotómetro AquaMate Plus (UV-VIS) entre 190nm e 750nm... 67
Figura 71 – Relação entre a carga orgânica (CBO5 mgL-1) e a absorvância a 600nm, das
amostras provenientes do ensaio com colmos de Phragmites australis (CPa) ... 77
Figura 72 – Relação entre a carga orgânica (CBO5 mgL-1) e a absorvância a 600nm, das
amostras provenientes dos microcosmos CEg, CPE e CPa... 78
Figura 73 – Relação entre a carga orgânica (CBO5 mgL-1) e a absorvância a 250nm, das
Lista de Tabelas
Tabela 1 - Diâmetro do campo do microscópio Motic BA200 em cada ampliação ... 30 Tabela 2 – Organismos observados nas amostras provenientes do substrato recolhido a
montante (LM) do leito de plantas do Paço de Calheiros, entre outubro de 2013 e julho de 201 4 ... 33 Tabela 3 – Organismos observados nas amostras provenientes do substrato recolhido a jusante (LJ) do leito de plantas do Paço de Calheiros, entre outubro de 2013 e julho de 2014 ... 34 Tabela 4 – Carga orgânica estimada nas amostras de água residual recolhida à entrada (AR E) e saída (AR S) do leito de plantas do Paço de Calheiros (- ausência de amostra) ... 41 Tabela 5 – Organismos observados em amostras do substrato do mesocosmo do Paço de Calheiros, entre outubro de 2013 e julho de 2014 ... 43 Tabela 6– Organismos observados em amostras de água recolhida no Charco/ Lagoa de retenção do Paço de Calheiros, entre outubro de 2013 e março de 2014 ... 47
Tabela 7 - Tensão superficial (Nm-1), temperatura (°C) e pH das amostras de água recolhidas no
charco/lagoa de retenção da Quinta do Paço de Calheiros ... 49 Tabela 8– Variação da massa média dos três microcosmos (g) e da quantidade média de água recolhida (mL) ao longo do período experimental - 25 de setembro a 13 de novembro de 201351 Tabela 9 – Organismos observados nas amostras provenientes dos três microcosmos com colmos de P. australis ao longo do período experimental (entre 25 de setembro e 13 de
novembro de 2013) ... 55 Tabela 10– Variação da massa média dos microcosmos (g), e da quantidade média de água deles recolhida semanalmente (mL) ao longo do período experimental (entre 01 e 22 de
dezembro de 2013)... 56
Tabela 11 – Volumes de amostra (mL) selecionados para determinação da CBO5 da água
recolhida dos três microcosmos BAE1, BAE2 e BAE3 e valores de CBO5 (mgL-1) obtidos nas três
semanas experimentais. (*valor ultrapassou a gama esperada; # valor inferior à gama esperada) ... 57 Tabela 12–Tensão superficial média das amostras de água recolhida dos três microcosmos BAE e de água da torneira (controlo), ao longo do período experimental (entre 01 e 22 de dezembro de 2013) ... 57
Tabela 13 – Organismos observados nas amostras provenientes dos três microcosmos com BAE ao longo do período experimental (entre 01 e 22 de dezembro de 2013) ... 59 Tabela 14 – Variação da massa média (g) dos microcosmos (CEg, CEP e CPa) e da quantidade média de água recolhida (mL) ao longo do período experimental (23 de abril e 23 de junho de 2014) ... 61 Tabela 15 – Organismos observados nas amostras provenientes dos dois microcosmos com Eucalipto (CEg) ao longo do período experimental (23 de abril e 23 de junho de 2014) ... 68 Tabela 16 – Organismos observados nas amostras provenientes dos dois microcosmos com colmos de Phragmites e casca de eucalipto (CPE) ao longo do período experimental (23 de abril e 23 de junho de 2014)... 69 Tabela 17 – Organismos observados nas amostras provenientes dos dois microcosmos com colmos de Phragmites (CPa) ao longo do período experimental (23 de abril e 23 de junho de 2014) ... 70
1 Introdução
1.1 Recursos hídricos mundiais e cenário nacional
O planeta Terra possui cerca de 70% da sua superfície coberta por água, mas desta 97% é salgada e 2% está retida sob a forma de neve ou gelo. Deste modo resta pouco menos de 1% de água doce disponível para todas as formas de vida do planeta (WWL, 2008; WBCSD, 2009). Existem ainda outros fatores que põem em causa a qualidade e quantidade de água disponível no nosso planeta. Entre estes podemos destacar o crescimento demográfico e as eventuais alterações climáticas. O primeiro fator leva a um consequente aumento do consumo de água, principalmente e mais notório nos países em desenvolvimento. O segundo perturba, entre outros aspectos, os ciclos hidrológicos (Hoekstra et al., 2012; Haddeland et al., 2014). A degradação da qualidade da água disponível também está associada a razões de origem natural (e.g. características morfológicas e geoquímicas do solo) que podem, no seu conjunto ou individualmente, inviabilizar os diversos usos da água (Oliveira, 2008). De uma perspectiva antrópica, uma das principais fontes de deterioração dos meios hídricos é a descarga de águas residuais (AR), nomeadamente, domésticas. Estas comprometem a pureza e qualidade originais das águas receptoras, devido às altas cargas orgânicas e presença de microrganismos patogénicos, tornando-as inadequadas para determinadas utilizações (Duarte et al., 2010).
Um dos objectivos do tratamento de AR domésticas é diminuir a carga orgânica que estas transportam, para que a sua descarga nos meios hídricos seja o menos prejudicial possível à qualidade das massas de água que as recebem. De acordo com a diretiva Quadro-Água da União Europeia (2000/60/EC) as águas de todos os países Europeus devem atingir um ―bom estado ecológico‖ até 2015. Entende-se como ―bom estado ecológico‖ o estado alcançado por uma massa de águas de superfície, classificado como bom, segundo as definições normativas do estado ecológico presentes na mesma diretiva. Tendo em conta este objectivo é crucial que os sistemas de tratamento de AR sejam o mais eficientes possível, na
remoção da carga orgânica e dos microrganismos causadores de doenças (Mina et al., 2011).
O controlo da poluição da água tem custos variáveis consoante os meios tecnológicos aplicados para o tratamento de AR e o grau de qualidade pretendido, sendo geralmente efetuado através da instalação de Estações de Tratamento de Águas Residuais (ETAR). Estas
têm que possuir características que assegurem a qualidade da água devolvida aos meios recetores, tendo em conta os respectivos usos atuais e possíveis (Helmer e Hespanhol, 1997; Galvão, 2009).
Em Portugal, entre os anos 2000 a 2006, estava estimado um investimento de cerca de 2450 milhões de euros para se atingirem os níveis de atendimento da população de 90% em saneamento de AR, tendo o valor real ultrapassado os 3400 milhões de euros (PEAASAR II, 2007). Para os anos 2007-2013, no âmbito do PEAASAR II foi feito um investimento adicional de mais de 3500 milhões de euros para o abastecimento de água e saneamento de águas residuais. Uma parte significativa deste investimento foi conduzido para a construção e melhoramento de pequenos sistemas de saneamento, sendo o maior desafio desenvolver, nestas circunstâncias, soluções sustentáveis ao nível económico, ambiental e social (PENSAAR, 2014).
No nosso país, a construção de ETAR em meios urbanos, tendencialmente privilegiou estruturas que necessitam de elevados níveis de energia e de mão-de-obra, quer na sua construção, quer na sua operação e manutenção, o que implica custos significativos para as
entidades que as operam (Matos et al., 2009). A aplicação dos Planos Estratégicos de
Abastecimento de Água e de Saneamento de Águas Residuais I e II (PEAASAR I, 2000-2006 e PEAASAR II, 2007-2013), tem promovido a restruturação de todo o setor de abastecimento de água e de saneamento de águas residuais do país.
Segundo Oliveira (2008), o consumo anual de água em Portugal é de 561719x103 m3.
Cerca de 90,9% deste volume é devolvido a massas hídricas. Destes, 56,9% não sofrem qualquer tipo de tratamento, 3,8% passam por fossa sética e os restantes 29,3% sofrem tratamentos diversos. Para satisfazer os objectivos referidos no PEAASAR I e II, tornou-se necessário aumentar a abrangência dos sistemas de tratamento de AR, nomeadamente para população ainda não servidas por saneamento de AR, a maioria localizada em regiões com pequenos aglomerados populacionais (menos de 2000 habitantes equivalentes). Contudo estes têm características muito próprias e de difícil gestão devido à sua dispersão geográfica, aos reduzidos recursos financeiros disponíveis e à grande variabilidade de caudais e de cargas poluentes das suas AR. Mais ainda estes aglomerados estão inseridos em locais com elevada
beleza paisagística e de elevada qualidade dos meios receptores (Matos et al., 2003). As
soluções alcançadas devem ser tecnicamente robustas, simples e de baixa manutenção, compreendendo viabilidade económica e energética. Nestas circunstâncias percebe-se a
premência de adoptar sistemas de tratamento de AR mais sustentáveis, adaptados a cada local específico e principalmente que assegurem os níveis de tratamento requeridos na legislação (Galvão, 2009; Matos et al., 2009; Duarte et al., 2010). Nestas circunstâncias surge o desafio de conseguir desenvolver soluções sustentáveis a nível económico, ambiental e social, pela construção ou melhoramento de sistemas de tratamento de AR para pequenas comunidades.
1.2 Leitos de Plantas: Funcionamento e Características
Os Leitos de Plantas são considerados sistemas de baixa tecnologia apresentando-se como uma solução sustentável e de baixo impacto ambiental, para satisfazer os requisitos
necessários ao tratamento biológico de AR, tendo aplicações no tratamento secundário e
terciário de águas residuais domésticas e industriais e no controlo de poluição difusa (Kadlec et al.,2000). Potenciam ainda uma gestão eficiente da água podendo promover a sua
reutilização e eventual criação de habitats selvagens (Matos et al., 2009). São sistemas
biológicos construídos que pretendem mimetizar os processos biológicos e físico-químicos que ocorrem nas zonas húmidas naturais, integrando diversos componentes como: água, plantas, substrato, microrganismos e meio ambiente. Estes processos assentam na atividade metabólica de microrganismos para a remoção eficientemente da carga orgânica e de agentes
patogénicos (Stottmeister et al., 2003). O papel das comunidades bacterianas no tratamento
de AR é indiscutível. As plantas têm um importante papel na retenção de partículas sólidas em
suspensão, remoção de nutrientes e metais pesados (Brix, 1994; Stottmeister et al., 2003;
Stefanakis & Tsihrintzis, 2012). Em muitas situações, os leitos de plantas podem mesmo ser desenhados de maneira a dependerem quase exclusivamente de processos naturais e do fluxo gravítico, tendo por isso baixas exigências energéticas. No que diz respeito à manutenção, todo o processo de tratamento pode manter-se operacional por longos períodos de tempo sem
que seja necessária qualquer intervenção humana (Matos et al., 2009; Brix et al., 2011).
Em Portugal entre 2002 e 2009 foram construídas mais de 300 ETAR, tendo as mais pequenas um custo médio associado de 600€ por habitante. A recente tendência observada em Portugal de construção de leitos de plantas para o tratamento de AR de aglomerados rurais de pequenas dimensões resulta dos baixos custos operacionais e baixos consumos de
recursos, que estes sistemas apresentam (Matos et al., 2009). Os leitos de plantas já são
Contudo, hoje em dia, este tipo de sistema é usado no tratamento de uma ampla variedade de AR, incluindo agrícolas, industriais, de escorrências e lixiviados (Vymazal, 2009). Apresentando este conjunto de características, os leitos de plantas apresentam-se como uma boa alternativa para o tratamento de AR de zonas rurais e/ou de montanha, onde não existe sistema de saneamento básico ou o seu acesso é difícil. Nestes locais, as AR são normalmente tratadas em fossas séticas, podendo por em causa a qualidade das águas subterrâneas e constituindo um risco para a saúde pública se não forem devidamente eficientes (Calheiros et al., 2011).
1.2.1 Tipos de Leitos de Plantas
Um pouco por todo o mundo nas últimas décadas do século XX, os leitos de plantas evoluíram para uma tecnologia de tratamento viável de AR de origens distintas. Existem hoje vários tipos deste sistema que podem ser distinguidos de acordo com as diferentes características (Figura 1). Estes sistemas podem ser classificados segundo o tipo de macrófitas dominante (vegetação) em flutuantes, emergentes ou submersos. Podem ainda ser classificados atendendo ao tipo de escoamento em superficial ou subsuperficial. Por último podem ser classificados segundo a direção do fluxo em horizontal ou vertical (Duarte, 2010; Vymazal, 2010).
Figura 1 – Classificação geral dos diferentes tipos de leitos de plantas para tratamento de AR
Os sistemas com fluxo subsuperficial têm sido comummente usados na Europa, já os sistemas superficiais têm sido mais populares na América do Norte (Vymazal, 2011a). A sua aplicação teve inicio na Alemanha baseada na pesquisa feita por Käthe Seidel por volta de 1960 e por Reinhold Kickuth nos anos 70 (Sundaravadivel e Vigneswaran, 2001; Vymazal, 2009). De facto em 1953 a Doutora Käthe Seidel apresentou, pela primeira vez, métodos de tratamento de águas poluídas através da utilização de leitos plantados com espécies
apropriadas de plantas. Contudo, nessa altura os meios de tratamento de AR estavam limitados a métodos físicos, químicos e biológicos (bactérias) e portanto o uso controlado de macrófitas não foi tomado em consideração. Ao primeiro sistema montado pela Dra. Seidel ela deu o nome de método hidrobotânico (Vymazal, 2008). A utilização destes sistemas como alternativa ao tratamento convencional de AR ou como complemento em ETAR tem aumentado, tendo já dado provas de ser uma tecnologia capaz de tratar com sucesso uma grande variedade de AR (Sundaravadivel & Vigneswaran, 2001; Puigagut, 2007). Nos sistemas com escoamento subsuperficial e fluxo horizontal (Figura 2) a água é introduzida no leito a montante e circula devagar através do substrato poroso abaixo da superfície do leito, num percurso mais ou menos horizontal até chegar à saída localizada a jusante, onde é recolhida.
Figura 2 – Esquema representativo, em corte transversal, dos componentes estruturais de um leito de plantas, com escoamento subsuperficial e fluxo horizontal
Durante este percurso pelo leito plantado, a AR entrará em contacto com zonas aeróbias, anaeróbias e anóxicas (Vymazal, 2009). Os compostos orgânicos presentes na AR serão aeróbia e anaerobiamente degradados por bactérias e outros microrganismos presentes na rizosfera.
Diferentes tipos de sistemas de leito de plantas podem ser combinados entre si de forma a optimizar o tratamento das AR. Estes sistemas combinados podem designar-se por ―leitos de plantas híbridos‖. Por exemplo, um sistema de escoamento subsuperficial com fluxo horizontal pode ser combinado com um sistema de fluxo vertical para um melhor arejamento do leito e consequente aumento da remoção de nitrogénio. Contudo as diferentes combinações de sistemas que poderão ser feitas dependerão sempre do tipo de AR a tratar (Vymazal, 2009).
1.3 Principais Componentes dos leitos de plantas 1.3.1 Vegetação
A maioria dos leitos de plantas sustentam o crescimento de plantas vasculares que vivem nos seus solos saturados de água suportando estas condições por possuírem canais internos (aerênquima) por onde é transportado oxigénio desde os órgãos aéreos até às raízes e rizomas. Deste modo são supridas as necessidades respiratórias dos tecidos soterrados/emersos e criadas na rizosfera condições que estimulam a decomposição aeróbia da matéria orgânica e o crescimento de bactérias nitrificantes (Brix, 1994).
A presença de plantas macrófitas é uma das características mais evidentes das zonas húmidas naturais, distinguindo os sistemas de tratamento do tipo leito de plantas de outros como sistemas não plantados ou de lagunagem (Vymazal, 2011b).
Os sistemas de tratamento de AR em leitos de plantas distinguem-se essencialmente, pelo tipo de espécies vegetais utilizadas. A escolha destas plantas deve ser criteriosa pois devem: (i) ser tolerantes às altas cargas orgânicas e de nutrientes, (ii) possuir uma vasta rede de órgãos subterrâneos (i.e., raízes e rizomas) e (iii) possuir biomassa aérea abundante (Vymazal, 2011b). Estas características fazem das plantas parte essencial de todo o processo envolvido no tratamento de AR nestes sistemas (Vymazal, 2013). Por um lado sistemas radiculares das plantas ajudam na estabilização dos substratos prevenindo a formação de canais erosivos. Por outro, estes mesmos sistemas fornecem uma enorme área para o desenvolvimento de comunidades microbiológicas. Em sistemas superficiais a presença destas plantas reduz a velocidade da água ao passar pelo leito, criando melhores condições para a sedimentação e prolongando o tempo de contacto entre a AR e as superfícies dentro do leito. No seu próprio metabolismo consomem nutrientes (filtrando a AR) e libertam oxigénio que acaba por influenciar todo o processo, com maior ou menor relevância dependendo também do design do sistema. A sua presença atribui ainda valor estético e isola o leito das baixas temperaturas durante o inverno, importante em climas mais frios (Brix, 1994; Brix,
1997; Caselles-Osorio e García, 2007; Brix, 2011; Mina et al., 2011; Vymazal, 2011b;
Vymazal, 2013; Meng et al., 2014).
A presença de macrófitas nos leitos de plantas parece tornar todo o processo de tratamento de AR mais eficiente (Vymazal, 2011b). Apesar de indiscutível o valor da s ua
presença nos sistemas do tipo leito de plantas parece não haver unanimidade quanto à sua influência sobre as comunidades microbiológicas (Baptista et al., 2008).
O estudo realizado por Zhang et al., (2010) sugere a existência de uma
correlação/efeito entre a diversidade das espécies de plantas utilizadas e a dimensão das comunidades microbiológicas. Outros autores relatam também efeitos das plantas sobre as
comunidades microbiológicas. Truu et al. (2009) afirma que os processos mediados por
microrganismos estão dependentes entre outros fatores das plantas. Também Calheiros et al. (2009) suporta que a presença de plantas (T. latifolia) juntamente com o tipo de substrato
parece ter efeito na diversidade das comunidades bacterianas. Collins et al. (2004) conclui
que as plantas têm um grande efeito no perfil das comunidades bacterianas afetando deste
modo a qualidade da água tratada. Meng et al. (2014) demonstrou que as plantas interferem
na distribuição microbiológica no leito acabando assim por afectar a eficiência do processo sublinhando desta forma a importância da escolha consciente da(s) macrófita(s) usada(s).
De entre as espécies de macrófitas mais utilizadas um pouco por tudo o mundo podem destacar-se Phragmites australis, espécies do género Typha (T. latifolia, T. angustifolia, T. domingensis, T. orientalis e T. glauca) e espécies do género Scirpus (S. lacustris, S. validus, S. californicus e S. acutus). Em Portugal entre as macrófitas mais comuns encontram-se Phragmites australis, Iris pseudacorus, Cyperus spp., Juncus effuses e Scirpus spp. (Calheiros, 2007; Vymazal, 2011b).
1.3.2 Substratos
A escolha do substrato é de grande importância para o bom funcionamento e eficiência de leitos de plantas para tratamento de AR. O substrato apresenta-se como um dos componentes com maior influência no processo, pois é o principal suporte para o desenvolvimento quer das plantas quer das comunidades microbiológicas e ajuda no isolamento de poluentes/contaminante presente nas AR, através do processo de adsorção (Stottmeister et al., 2003; Calheiros et al., 2008; Calheiros et al., 2009).
A natureza do material utilizado como substrato influencia as condições ambientais presente entre os poros como, por exemplo, o potencial redox (Saeed et al., 2012). Já as suas características físicas como o tamanho do grão, espaço dos poros intersticiais, grau de irregularidade e coeficiente de permeabilidade influenciam o fluxo da AR através do leito de
2003). Um meio mais poroso pode ser uma alternativa mais eficaz uma vez que fornece uma maior superfície de tratamento assim como uma maior superfície para o desenvolvimento de biofilmes (Calheiros et al., 2008). Por exemplo, a seleção de um material com alta capacidade de adsorção pode ser muito importante para a eficiência do leito de plantas. Esta capacidade
está contudo dependente das características físicas e químicas do material (Dordio et al.,
2007). Esta escolha ganha maior peso na remoção de poluentes não biodegradáveis (compostos fenólicos, farmacêuticos e pesticidas), para os quais o processo de adsorção se apresenta como um dos mais relevantes na remoção destes compostos das AR (Dordio & Carvalho, 2013a).
A resistência mecânica do material constituinte do substrato é também fundamental já que este tem que suportar as condições de operacionalidade (e.g. fluxo e composição química das AR) sem sofrer degradação substancial. O material também não deve libertar para o sistema substâncias que possam ser fonte de toxicidade para os componentes biológicos ou mesmo para a água tratada (Dordio & Carvalho, 2013b). Dos substratos mais utilizados destacam-se o cascalho, diversas granulometrias de areia e a argila expandida. Quer o cascalho quer a areia apresentam frequentemente problemas como a obstrução do fluxo devido às suas características e também devido às características da AR. Apresentam ainda dificuldades no estabelecimento das comunidades vegetais e baixa capacidade de adsorção
(Albuquerque et al., 2010; Wang et al., 2010).
A obstrução do fluxo não é mais do que a perda progressiva das características hidráulicas iniciais do sistema. Manifesta-se pela perda da porosidade e de condutividade hidráulica do substrato granular. Isto deve-se principalmente à acumulação de sólidos presentes nas AR, ao crescimento dos biofilmes, ao crescimento das plantas e ainda à acumulação de precipitados químicos. Ao longo do tempo a perda das características hidráulicas iniciais leva a uma diminuição da capacidade do sistema em remover
contaminantes (Pedescoll et al., 2013). Na tentativa de reduzir os problemas de obstrução do
fluxo outro tipo de materiais são utilizados. É o exemplo do ―agregado‖ de argila expandida. Este material apresenta uma elevada porosidade e uma elevada área superficial especifica que permite uma boa adesão de biofilmes assim como uma alta condutividade hidráulica
(Albuquerque et al., 2009; Calheiros et al., 2009). A suportar as vantagens do uso da argila
expandida como substrato nestes sistemas surge Dordio (2007 e 2013a) que à escala laboratorial registou boa eficiência nas taxas de remoção de SST (Sólidos Suspensos Totais),
CQO (Carência Química de Oxigénio) nitrogénio, polifenóis, compostos farmacêuticos e pesticidas. Também foi registado uma boa capacidade tampão e uma capacidade hidráulica apropriada para a sua utilização nestes sistemas.
Grande parte dos sistemas do tipo leito de plantas consegue satisfazer as taxas de remoção de SS (Sólidos Suspensos), CQO e nitrificação, mas normalmente ficam aquém na
remoção de fósforo (Brix et al., 2001). A remoção de fósforo dá-se maioritariamente por
ligação ao substrato como consequência dos processos de adsorção e precipitação com o cálcio (Ca), alumínio (Al) e ferro (Fe) presentes no substrato. Deste modo a capacidade de remoção de fósforo pelo sistema está condicionado à presença destes minerais no material
utilizado (Brix et al., 2001). Alguns materiais de origem mineral, como o carvão e o xisto
podem melhorar as taxas de remoção de fósforo do sistema, já que apresentam alta
capacidade de adsorção (Drizo et al., 1999; Wang et al., 2010). Para além destes também
podem ser utilizados substratos orgânicos/vegetais, isolados ou misturados com substratos inorgânicos. Esta utilização pretende providenciar uma fonte interna de carbono promovendo a remoção de nitrogénio possibilitando, que o processo de desnitrificação não dependa totalmente da presença de carbono disponível na AR. Os substratos minerais mais comummente utilizados não asseguram este fornecimento de carbono limitando assim,
muitas vezes o processo de desnitrificação (Saeed et al., 2011; Saeed et al., 2012). Um
estudo realizado no Bangladesh por Saeed e Sun (2013) testou o bagaço de cana de açúcar, um substrato rico em carbono orgânico. Este realizou-se com recurso a um sistema com dois leitos de plantas híbridos à escala laboratorial tratando AR industriais (têxtil). Verificaram que a estrutura física (boa porosidade) e propriedades químicas (libertação de carbono) deste material auxiliaram quer nos processo de nitrificação e desnitrificação, quer na remoção de carbono biodegradável.
Com características físicas, químicas e biológicas bastante distintas dos restantes substratos um substrato orgânico irá apresentar comportamentos diferentes, ainda pouco explorados. A casca de pinheiro e turfa foram utilizados (em mistura) como substrato em mesocosmos plantados simulando um sistema de tipo leito de plantas com fluxo vertical (Wang et al., 2010). Nestes foi registado a libertação de matéria orgânica solúvel e reduzidas quantidades de nutrientes para o sistema. As quantidades destas substâncias libertadas pelo substrato orgânico foram diminuindo ao longo do tempo. É sugerido também que este acréscimo de matéria orgânica poderá ter sido compensado pela ação das plantas, que
promoveram a remoção orgânica. De acrescentar que ao longo deste estudo não foi observada obstrução do fluxo.
Os materiais de origem natural com boa capacidade de adsorção (biossorventes) têm ganho importância mostrando alta afinidade para alguns contaminantes. Outra vantagem destes materiais é o seu baixo custo, já que normalmente são produtos secundários de outras atividades. A cortiça (desperdícios da indústria corticeira) está entre um destes materiais,
apresentando boa capacidade de retenção para alguns compostos xenobióticos (Dordio et al,
2011). Estes autores testaram este material à escala laboratorial tendo registado boas capacidades de adsorção para a remoção de compostos farmacêuticos como ibuprofeno e carbamazepina. É referido ainda que este material apresentou melhor capacidade de adsorção, para estes compostos, do que a argila expandida.
Todos os materiais referidos mostram vantagens e limitações na sua utilização como substrato em sistemas do tipo leito de plantas. A sua seleção deve ser criteriosa e ter em atenção tanto as características da AR a tratar como as características de operacionalidade do sistema. Dependendo destas, a solução pode passar pela utilização de mais do que um destes materiais colmatando as suas desvantagens individuais e aumentando a eficácia do processo.
1.3.3 Microrganismos
O papel das comunidades bacterianas no tratamento de AR é indiscutível. Contudo, protistas e pequenos metazoários também tem um papel muito importante, senão crucial, para o sucesso destes sistemas de tratamento. Para além de bactérias, os organismos mais facilmente encontrados em leitos de plantas são protozoários, sobretudo ciliados bacteriófagos (Mina & Ferreira, 2011).
Os sistemas de tratamento de AR biológicos assentam fundamentalmente na atividade de microrganismos procariotas e eucariotas. Os microrganismos procariotas estão entre os mais importantes no que respeita à transformação de compostos orgânicos complexos (Bouali et al., 2013). A importância dos organismos eucariotas, como os protozoários em processos
de tratamento de AR como lamas ativadas está já descrita (Nicolau et al., 2001). Estes
microrganismos ao alimentarem-se das bactérias eliminam-nas, contribuindo para a purificação das AR. É também reconhecido que modificações nestas comunidades de protozoários podem afetar toda a rede trófica que se estabelece nestes ecossistemas artificias, podendo pôr em causa a eficiência dos processos biológicos. Sendo assim, a presença destes
microrganismos eucariotas e a estrutura das suas comunidades podem funcionar como indicador das condições de operacionalidade destes sistemas convencionais (Madoni, 1994; Salvadó et al., 1995; Nicolau et al., 2001; Jiang & Shen, 2005; Pérez-Uz et al., 2010; Bouali et al., 2013).
O tratamento das AR através de sistemas do tipo leito de plantas advêm de processos combinados entre a ação de microrganismos e substrato que podem ser auxiliados pela ação
das plantas processos estes que podem ser químicos, físicos e/ou biológicos (Truu et al.,
2009). A degradação por ação das comunidades microbiológicas é um dos mecanismos mais
importantes na remoção de poluentes das AR em leitos de plantas (Baptista et al., 2003;
Iasur-Kruh et al., 2010; Bouali et al., 2013; Adrados et al., 2014).
A purificação das AR em sistemas do tipo leito de plantas pode ocorrer através de processos como a sedimentação, filtração, precipitação, volatilização, adsorção e absorção pelas plantas. Mas a grande parte da remoção resulta de mecanismos como a respiração e fermentação realizados pelos microrganismos, decompondo poluentes orgânicos em
substâncias assumidamente inofensivos como o dióxido de carbono (CO2), nitrogénio (N2) e
água (H2O) (Stottmeister et al., 2003; Faulwetter et al., 2009).
Entre alguns dos processos de degradação dos poluentes encontra-se a nitrificação autotrófica que consiste em duas reações aeróbias sucessivas. A conversão de amónia em nitrito pelas bactérias oxidativas de amónia e a posterior conversão de nitrito em nitrato pelas bactérias oxidativas de nitrito. A desnitrificação é também um processo relevante, sendo a este que se deve a redução dos níveis de nitrato nos leitos de plantas. Este consiste num processo
de quatro reações que convertem NO3- em N2. Já o sulfato, composto presente na maioria das
AR, é reduzido por bactérias redutoras de sulfato, que o utilizam como aceitador final de eletrões na oxidação anaeróbica de substrato orgânico (Stottmeister et al., 2003).
Em sistemas com fluxo subsuperficial os processos aeróbios, como a nitrificação, são predominantes somente perto das raízes ou mesmo na superfície destas uma vez que necessitam de um ambiente oxidado, com elevado potencial redox, para ocorrerem. Caso contrário e devido à escassez de oxigénio em ambientes reduzidos, com baixo potencial redox, predominam os processos anaeróbios, como a redução de sulfato e a metanogénese
(Faulwetter et al., 2009; Stottmeister et al., 2003; Truu et al., 2009; Bouali et al., 2013).
As comunidades microbiológicas encontradas nos leitos de plantas podem possuir organismos alóctones e autóctones (Truu et al., 2009). Os microrganismos autóctones exibem
características adaptativas que lhes permitem sobreviver e desenvolver nos leitos de plantas participando dos processos de purificação das AR. Já os microrganismos alóctones (incluindo patogénicos que chegam ao leito através das AR) normalmente não sobrevivem, não apresentando grande importância funcional para o leito de plantas (Vymazal, 2005). Muitos destes processos que ocorrem nos leitos de plantas e que são mediados pelos microrganismos podem ser influenciados por vários fatores como as características do próprio leito, o tipo de substrato, as condições hidráulicas, a presença de plantas, as próprias características da AR e também pelas condições ambientais durante o período de operação do sistema (Faulwetter et al., 2009; Truu et al., 2009; Adrados et al., 2014). O conhecimento de todos estes fatores e de como controlam os processos mediados pelas comunidades microbiológicas, poderia dar lugar a uma optimização de todo o processo de depuração da AR
nestes sistemas (Faulwetter et al., 2009).
A monitorização microbiana de leitos de plantas, tendo em conta a sua eficiência, é na
generalidade insuficiente (Mina et al., 2011). Há uma falta de conhecimento científico no que
respeita à composição, distribuição e relações ecológicas da microfauna presente no leito de plantas (Puigagut, 2007) e ainda da diversidade e alterações das comunidades
microbiológicas em sistemas a operar a longo prazo e em escala real (Adrados et al., 2014).
Existe por isso uma lacuna no conhecimento científico que não permite uma correta utilização da microfauna destes sistemas como bioindicadores da eficiência do processo e das suas condições de operacionalidade.
Em Espanha foi realizado um estudo por Puigagut et al. (2007) num leito de plantas
para tratar efluentes domésticos provenientes do tratamento secundário e terciário. As análises realizadas neste estudo sugerem uma relação entre a abundância da microfauna e as concentrações da carga orgânica ao longo do leito de plantas construído. Com o avançar do
processo de tratamento da AR Puigagut et al. (2007) observaram uma diminuição da
abundância da microfauna. Neste estudo também é sugerido que os ciliados têm um papel mais importante que os microflagelados. E ainda que a presença destes últimos parece estar relacionada com condições ambientais de baixa qualidade (altas cargas orgânicas). Quanto aos metazoários, os nemátodes apresentaram maior relevância no início do leito de plantas, tendo sido os rotíferos a apresentar maior relevância no final. É concluído pelos autores que a carga orgânica por si só, é insuficiente para perceber a dinâmica da microfauna e que para se
efetuar a caracterização das comunidades microbiológicas, a natureza da matéria orgânica é
no mínimo tão importante como a sua quantidade (Puigagut et al., 2007).
Num outro estudo realizado no norte da Grécia, à escala laboratorial, sobre a diversidade e abundância de protozoários em sistemas do tipo leito de plantas Papadimitriou
et al. (2010), obtiveram-se elevadas taxas de remoção de CBO5 (Carência Bioquímica de
Oxigénio) atribuídas diretamente ao consumo da matéria orgânica pelos microrganismos, e
uma forte correlação entre o nº de taxa e a eficiência na remoção de bactérias. Estes autores
também verificaram que a concentração de oxigénio dissolvido na água foi o parâmetro mais relevante na distribuição da microfauna. As análises efetuadas ao sistema registaram uma diminuição da diversidade de ciliados à medida que a profundidade aumentava e também à medida que a temperatura subia. Os autores concluem que não só a quantidade, mas também a diversidade da microfauna parecem poder correlacionar-se com a qualidade do efluente, sendo esta tanto melhor quanto mais abundante e diversificada for a microfauna. Consequentemente é sugerido que os microrganismos podem ser usados como bioindicadores da eficiência do tratamento em sistemas do tipo leito de plantas (Papadimitriou et al., 2010). A utilização de microrganismos eucariotas com esta finalidade tinha já sido suportada também por Liang et al. (2003) e Mina & Ferreira (2006)
1.4 Caracterização de águas residuais
A monitorização de águas residuais (AR) à entrada e saída dos sistemas de tratamento é necessária, para garantir a eficiência do processo e verificar se a qualidade das águas tratadas obedece aos requisitos legais exigidos para a segurança das populações, para a
proteção ambiental e para o uso eficiente dos recursos hídricos (Thomas et al., 1997;
Platikanov et al., 2014).
A caracterização de águas residuais é feita pela determinação de parâmetros como, a Carência Bioquímica de Oxigénio (CBO), a Carência Química de Oxigénio (CQO), o Carbono Orgânico Total (TCO), os Sólidos Suspensos Totais (SST), o pH, a alcalinidade, a condutividade e a concentração de nutrientes tais como, nitrato e fosfato. Contudo a análise conjunta destes parâmetros apenas providencia informações qualitativas limitadas e a determinação de alguns destes parâmetros requer técnicas demoradas, caras (considerando o elevado número de amostras a analisar) e de certo modo complicadas (Thomas et al., 1996; Vaillant et al., 2002; Platikanov et al., 2014).
Assim, é necessária a procura de técnicas alternativas para tornar a monitorização de AR mais rápida, mais barata, e mais adequada à legislação cada vez mais exigente, e que
permita atuar em tempo real no processo com vista à melhoria da sua eficiência (Lourenço et
al., 2006, Brito et al., 2014).
1.4.1 Espetofotometria
Uma técnica que parece contornar alguns destes problemas é a espetrofotometria na região do ultra violeta (UV). A espetrofotometria UV apresenta-se como um método simples e rápido, não destrutivo e pouco dispendioso para complementar a avaliação da qualidade de
AR e identificar a sua matriz orgânica (Thomas et al., 1996; Vaillant et al., 2002; Lourenço et
al., 2006). A espetrofotometria a vários comprimentos de onda, na gama do ultra violeta e visível (UV-VIS) adequa-se à monitorização da qualidade de águas (residuais ou outras) uma vez que a maior parte dos compostos orgânicos e alguns minerais solúveis (como os nitratos) que podem estar presentes numa amostra, apresentarem absorvâncias na região UV (Brito et al., 2014; Platikanov et al., 2014). Tendo já sido testada como método para substituir as técnicas que se utilizam para caracterizar AR, mesmo apresentando alguns problemas do ponto de vista prático, a espetofotometria tem-se mostrado bastante útil, sendo cada vez mais
utilizada para este fim (Vaillant et al., 2002).
O espetro de absorção na região UV da água não é facilmente interpretado pois não apresenta picos relevantes. Contudo o estudo da evolução do espetro de água residual bruta para a água de superfície mostra três tendências relevantes: (i) a absorvância normalmente diminui à medida que o comprimento de onda aumenta; (ii) a área por baixo do espetro também diminui com o aumento da qualidade e (iii) a forma do espectro é perceptivelmente modificada com o desaparecimento da absorvância para comprimentos de onda acima dos 250nm. Esta evolução está principalmente relacionada com alterações na qualidade da água, provenientes especialmente do processo de biodegradação que ocorre quer em sistemas de tratamento de AR, quer em rios (Thomas et al., 1996).
Na absorvância aparente de uma amostra de AR estão envolvidos dois fenómenos: o mecanismo de absorção química que segue a Lei de Beer-Lambert para soluções homogéneas diluídas; e o efeito de dispersão da luz devido à presença de material heterogéneo, como
partículas sólidas em suspensão e coloidais (Thomas et al., 1996; Vaillant et al., 2002; Myers
O espetro de absorção da água na região UV-VIS é de facto o resultado destes dois fenómenos e a sua forma depende, quer da natureza química e concentração dos componentes dissolvidos que absorvem a luz, quer das características físicas e concentração do material heterogéneo em suspensão. Deste modo a forma do espetro UV está relacionada com os sólidos suspensos totais (SST), colóides e parte dos componentes orgânicos e
minerais, dissolvidos (Thomas et al., 1996).
Tendo isto em conta, os métodos espetrofotométricos mais eficientes para a análise qualitativa de AR baseiam-se na eliminação ou restituição das interferências, que correspondem quer ao fenómeno de difusão, quer à presença de uma matriz do complexo dissolvido (Vaillant et al., 2002).
Vários autores sugerem que de facto a espetrofotometria na região do UV deve ser eficiente e útil como técnica complementar para a monitorização da qualidade da água
(Thomas et al., 1996; Thomas et al., 1999; Azema et al., 2002; Lourenço et al., 2006;
Platikanov et al., 2014).
1.4.2 Tensão superficial
A energia superficial de um líquido descreve-se como, a energia necessária para romper as ligações intermoleculares criando uma unidade de área de uma nova superfície. Já a tensão superficial é definida como uma força, força esta necessária para quebrar a superfície de um líquido, por unidade de área, estando relacionada com a energia superficial e forças intermoleculares (Tariq et al., 2012). Em interfaces água-ar a tensão superficial da água surge da atração mais forte entre as moléculas de água (coesão) do que destas para com as moléculas de ar (adesão). O efeito resultante desta atração diferenciada das moléculas resulta numa força que puxa as moléculas de água para baixo, ao mesmo tempo que a impulsão se opõe a esta, resultando na nulidade das forças (equilíbrio). Isto faz com que a superfície da água se comporte, até certo ponto, como uma membrana elástica. Algumas substâncias quando adicionadas à água (dissolvidas ou em suspensão) podem alterar este equilíbrio de forças e deste modo alterar a tensão superficial da água.
Vários métodos podem ser utilizados para medir a tensão superficial: medição direta usando microbalanças (Wilhelmy Plate, Du Nouy Ring), medição da pressão capilar (pressão máxima de bolha, e gota crescente), análise das forças capilares (aumento capilar, volume de
gota), distorção gravítica da gota (gota pendente, gota séssil) e distorção reforçada da gota (gota rolante, micropipeta) (Drelich et al., 2002).
O método do anel de du Noüy mede a força máxima necessária para destacar um anel circular da superfície líquida de uma amostra, ou o peso máximo que o anel é capaz de
manter (Lee et al., 2012). Este método quando utilizado com exatidão pode garantir uma
precisão mais elevada do que qualquer outro método por destacamento (Drelich et al., 2002).
1.4.3 Conceitos de absorvância e tensão superficial
O conhecimento de princípios fundamentais subjacentes a determinada técnica é essencial à compreensão dos fenómenos que os dados por ela fornecidos pretendem explicar. Técnicas como a espetrofotometria e a determinação da tensão superficial permitem comparar propriedades de substâncias contidas em meio líquido. Apesar dos parâmetros determinados por estas duas técnicas não estarem relacionado a priori, a sua análise conjunta pode fornecer pistas sobre os mecanismos relacionados com as propriedades dessas substâncias (Ferreira et al., 2014).
Para consolidar os conceitos de absorvância e tensão superficial foi realizada uma atividade prática que utilizou hortelã como material biológico. Esta atividade e foi apresentada
sob a forma de painel (Anexo 1) na 11th International Conference on Hands-on Science (HSCI
2014) que se realizou entre 21 e 25 de julho de 2014 na Universidade de Aveiro, e publicada nos proceedings desta conferência.
1.5 Objetivos do presente trabalho
Os sistemas de tratamento de AR em leitos de plantas com fluxo subsuperficial horizontal são sistemas largamente utilizados e considerados fiáveis (Brix, 1994; Vymazal, 2011). Contudo para optimizar a eficiência do processo e aumentar o tempo de vida dos sistemas é necessário um crescente conhecimento do seu funcionamento.
O presente trabalho pretendeu avaliar a influência de substratos utilizados (ou a utilizar) em Leitos de Plantas, nas biocenoses da rizosfera e na eficiência destes sistemas de tratamento de AR. Um caso de estudo à escala real foi realizado no Leito de Plantas para tratamento de águas residuais domésticas na unidade de Turismo de Habitação - Paço de Calheiros (Ponte de Lima). À escala piloto foram feitos estudos em mesocosmo (in situ) e em microcosmo (no laboratório). O mesocosmo consistiu de um leito de plantas piloto com cortiça
como substrato para tratamento de águas provenientes da adega da quinta do Paço de Calheiros. Os estudos em microcosmo foram realizados no laboratório para avaliar vários tipos de substratos.
Assim foi objetivo deste trabalho:
- monitorizar o leito de plantas do Paço de Calheiros pela análise microscópica das biocenoses presentes no seu substrato;
- inventariar a biodiversidade do charco que recebe a água tratada no leito de plantas;
- avaliar em mesocosmo e microcosmo a carga orgânica de diferentes tipos de materiais como substrato para leitos de plantas;
- estudar a influência do uso desses materiais no desenvolvimento de biocenoses;
- analisar as potencialidades da espetrofotometria na monitorização da qualidade de água;
- apreciar a informação fornecida pela determinação da tensão superficial de diferentes tipos de água
2 Material e métodos
Os dados analisados no presente estudo provêm de amostras recolhidas in situ, numa casa de Turismo de Habitação - Paço de Calheiros (Ponte de Lima) e de microcosmos mantidos no Laboratório de Análises de Águas Residuais (LAAR), sediado no Departamento de Biologia da Universidade do Minho (DB-UM). No Paço de Calheiros foram feitas, sempre que possível, amostragens mensais: (i) no leito de plantas para tratamento de águas residuais domésticas (AR) do solar; (ii) no charco ou lagoa de retenção que recebe a água tratada no leito e (iii) num leito de plantas piloto (mesocosmo) construído para testar cortiça como substrato para tratamento de águas provenientes de atividades da adega da quinta. Os microcosmos mantidos no LAAR durante um dado período experimental foram elaborados
com diferentes tipos de substrato: (i) canas secas (colmos) de Phragmithes australis
provenientes de uma FitoETAR (CPa); (ii) casca de eucalipto - Eucalyptus globulus (CEg) e (iii)
Bagaço de Azeitona Extractado (BAE).
2.1 Paço de Calheiros (Ponte de Lima)
O Paço de Calheiros situa-se na Vila de Ponte de Lima, concelho de Viana do Castelo, na região minhota no norte de Portugal e funciona atualmente como unidade de turismo de habitação.
O principal sistema de tratamento de águas residuais domésticas do solar é uma fossa sética seguida de um leito de plantas, este último em funcionamento desde 2010. O leito de plantas (Figura 3) tem cerca de 4,50m de largura a montante e 2,50m de largura a jusante, 13m de comprimento e cerca de 0,40m de profundidade (nível do substrato, sendo que o nível da água permanece pelos 0,35m). O leito foi impermeabilizado com tela e
preenchido com material inerte - argila expandida (Leca® M, granulometria entre 4 e
12,5mm).
Aquando da sua construção este leito foi plantado com diferentes espécies de plantas: cana (Canna flaccida), cana da Índia (Canna indica), jarro (Zantedeschia aethiopica), agapanto (Agapanthus africanus) e hastes de São José (Watsonia borbonica). Atualmente Canna flaccida é a espécie mais conspícua.
As águas residuais brutas (AR) provenientes do solar são recolhidas numa fossa sética localizada a montante do leito, onde ocorre o tratamento primário da AR com decantação de
sólidos. O efluente decantado segue para o leito de plantas existindo a montante (LM) e a jusante (LJ) duas caixas de visita para recolha de amostras. Daqui a água é encaminhada para uma lagoa de retenção, que para além de pretender servir objetivos educativos, funciona como local de armazenamento da água depurada para potencial reutilização. Este charco é um dos inventariados no projeto que promove a Campanha de educação ambiental ―Charcos com Vida‖ (CIBIO-Div).
Figura 3 - Leito de plantas na quinta do Paço de Calheiros (15 julho de 2014)
O leito de plantas recebia, até ao final de 2013, as águas residuais domésticas do Paço de Calheiros. Desde então o leito é apenas alimentado pelas águas cinzentas do solar: água de lavagens provenientes da cozinha e lavandaria.
O leito foi construído para ter um escoamento subsuperficial com fluxo horizontal e o volume de água diário é bastante variável estando condicionado pela taxa de ocupação da casa (uma das razões que dificultou a recolha de amostras, já que nem sempre o leito estava a receber AR).
O charco, que funciona como lagoa de retenção (Figura 4) da água proveniente do leito de plantas, foi construído a uma cota inferior à do leito. A vegetação circundante
compreende essencialmente caniços (Phragmithes), junco (Scirpus), tábua ou foguetes (Typha) e lírio amarelo (Iris pseudacorus).
Figura 4 - Charco ou lagoa de retenção do Paço de Calheiros (20 janeiro de 2014)
Na quinta do Paço de Calheiros foi também construído um ―piloto‖ ou mesocosmo - pequeno leito de plantas experimental (1,2 x 1m) para receber as águas provenientes da atividade da adega (Figura 5). Estas águas são encaminhadas para o sistema, apenas na altura das vindimas. O substrato deste mesocosmo compreende cortiça triturada, e nele foram
colocadas plantas do género Typha e Iris. Contudo, foram feitas algumas amostragens neste
mesocosmo fora da época das vindimas.
Figura 5 - Leito de plantas piloto ou mesocosmo para receção de água proveniente das atividades da adega do Paço de Calheiros (15 de julho de 2014)
2.1.1 Leito de Plantas
Realizaram-se seis campanhas de amostragens no leito de plantas para tratamento das águas residuais domésticas do Paço de Calheiros: as duas primeiras no outono - outubro e novembro de 2013 (Figura 6a); duas no inverno - uma no início de janeiro e outra no final de março de 2014 (Figura 6b); uma na primavera - abril de 2014 (Figura 6c) e a última no verão - julho de 2014 (Figura 6d). Em todas as amostragens foram registadas as condições ambientais, o estado das plantas, assim como qualquer alteração detetada nos sistemas.
Figura 6 - Leito de plantas do Paço de Calheiros: outono (a); inverno (b); primavera (c); verão (d) No laboratório, água de lavagem das amostras de substrato do leito de plantas, água do mesocosmo com cortiça, e água do charco era observada ao microscópio ótico para análise das comunidades biológicas ou biocenoses.
2.1.1.1 Amostragem do substrato do leito de plantas
Nas campanhas de amostragem eram feitas amostras compostas de substrato recolhido em três pontos escolhidos aleatoriamente, quer a montante (LM) quer a jusante (LJ) do leito. O substrato era recolhido com o auxílio de um goblé de plástico (250mL), e as sub amostras de cada ponto colocadas em frascos de amostragem (1000mL) também de plástico,
