Dinâmica do nitrogênio e fósforo em águas fluviais de uma bacia hidrográfica com diferentes usos do solo no Sudeste do Brasil

Abstract

As atividades humanas estão provocando alterações substanciais no ciclo do nitrogênio (N) e fósforo (P), que resultam em aumento das concentrações e alteração na distribuição das formas desses elementos nos sistemas aquáticos. O presente estudo teve como objetivo avaliar os impactos provocados na distribuição das formas de N e P na bacia hidrográfica do rio Piabanha (Região Serrana do estado do Rio de Janeiro), em áreas com cobertura de vegetação natural, agrícola e urbana. Foram inseridos dois pontos fora do limite da bacia do rio Piabanha, no rio Paraibuna (afluente do rio Paraíba do Sul) e no rio Paraíba do Sul, à montante da foz dos rios Paraibuna e Piabanha. A bacia do Piabanha, possui área de drenagem de 2059 km2 e uma população estimada em 500.000 habitantes. Os rios Piabanha e Paquequer nascem em trechos preservados de mata Atlântica, e atravessam o perímetro urbano dos municípios de Petrópolis e Teresópolis, respectivamente. O rio Preto, seu maior afluente, está inserido em uma região com atividades agrícolas, o que aumenta a poluição das águas fluviais devido ao uso de fertilizantes. Foram coletadas amostras de águas fluviais em duas campanhas de amostragem (verão e inverno) em 2013. Foram efetuadas medidas in situ de pH, condutividade, temperatura e concentrações de oxigênio dissolvido e a determinação das formas dissolvidas e particuladas de N e P. As medidas de vazão foram efetuadas in situ e estimadas por cálculos em todos os pontos de amostragem. A sazonalidade foi mais marcante nas cabeceiras e nas áreas agrícolas, possivelmente em razão das chuvas, que arrastam os nutrientes que passam pela vegetação e pelas áreas cultivadas e chegam aos rios. Os maiores valores de condutividade e concentrações de N e P foram verificados nos pontos das áreas urbanas e os menores valores nos pontos localizados nas cabeceiras dos rios. As elevadas concentrações de NH4+ e PO43-, em relação às demais formas, logo a jusante dos maiores centros urbanos, são um forte indicativo da descarga de esgotos, além disso, é a principal causa da poluição das águas dos rios Piabanha e Paquequer. O aumento gradual da abundância relativa do nitrogênio particulado (NP) em relação ao N ao longo do curso do rio Piabanha a partir do setor mais poluído, sugere que este aumento esteja relacionado à hidrodinâmica fluvial, que favorece a aeração e, em decorrência disso, o crescimento aeróbio de biomassa heterotrófica e autotrófica (nitrificação), processos através dos quais, parte do NH4+ assimilado é convertido em biomassa, processo semelhante ao verificado em um sistema de tratamento de esgotos por lodos ativados, onde parte do N é removido da fase aquosa e incorporado ao lodo ativado. A carga de N no rio Paraíba do Sul, a jusante da confluência dos três rios, e próximo à sua foz sugerem que existem processos efetivos em causar perda líquida de N ou retenção ao longo do rio Paraíba do Sul, a principal hipótese seria a sedimentação de NP, especialmente em áreas de represamento de água localizadas entre estes dois pontos de estudo. No trecho final do rio Piabanha, os resultados mostraram a diminuição da carga de P, a principal hipótese é que o P pode estar adsorvido às formas inorgânicas e devido à maior densidade dessas formas, foi removido da água e depositado no sedimento de fundo. O lançamento de esgotos domésticos nas águas fluviais da bacia do rio Piabanha contribui com pelo menos 43% da carga de N lançada no rio Paraíba do Sul. A contribuição atmosférica seria de 31% e a atividade agrícola contribui com pelo menos 15% do N lançado no Paraíba do Sul. Restando um total de 11% de erro associado à incerteza na estimativa das 3 principais fontes de N aqui consideradas. Os valores estimados de fluxo de P para a população e a deposição atmosférica foram maiores que os fluxos encontrados na foz do rio Piabanha. Estima-se que mais de 44% do P que entra na bacia esteja sendo removido das águas superficiais e depositado no sedimento de fundo.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal Nível SuperiorHuman activities are causing substantial changes in the nitrogen cycle (N) and phosphorus (P), which results in increased concentrations and changes in the distribution of forms of these elements in aquatic systems. This study focused on evaluating the impacts done during the distribution of forms of N and P in the watershed of the Piabanha River (Mountain region of the state of Rio de Janeiro), in areas with natural vegetation cover, agricultural and urban. Two points outside the boundary of the basin of the Piabanha River basin were inserted in Paraibuna river (tributary of the River Paraiba do Sul) and the Paraíba do Sul River, upstream from the mouth of Paraibuna and Piabanha rivers. The basin Piabanha has a 2059 km2 drainage area and an estimated population of 500,000 inhabitants. The Piabanha and Paquequer rivers rise in the preserved Atlantic Forest stretches, and pass through the urban area of the cities of Petropolis and Teresopolis, respectively. The Preto River, its largest affluent, is inserted in a region with agricultural activities which increases the pollution of fluvial waters due to the use of fertilizers. Samples of fluvial waters were collected in two sampling campaigns (summer and winter) in 2013. In Situ measurements of pH were made as well as conductivity, temperature and dissolved oxygen concentrations and the determination of dissolved and particulate forms of N and P. The flow measurements were carried out in situ and estimated by calculations in all the sampling points. Seasonality was most outstanding in the headwaters and agricultural areas, possibly because of the rains, dragging the nutrients that pass through vegetation and the cultivated areas and reach the rivers. The highest conductivity and concentration values of N and P were found in sections of urban areas and the lowest values in the points located in the headwaters of rivers. High concentrations of NH4 + and PO4-3, in relation to other forms, just downstream of the largest urban centers, are a strong indicator of sewage discharge, moreover, is the leading cause of water pollution of rivers Piabanha and Paquequer. The gradual increase in the relative abundance of particulate nitrogen (PN) to N over the course of Piabanha river from the most polluted sector suggests that this increase is related to the hydrodynamic fluvial, which favors aeration and, as a result, aerobic growth of heterotrophic biomass and autotrophic (nitrification), the processes by which part of the NH4+ absorbed is converted into biomass similar to what was found in a sewage treatment system by activated sludge, in which part of the N is removed from the aqueous phase and incorporated into the activated sludge. The N load in the Paraiba do Sul river, downstream of the confluence of three rivers, and near its mouth suggest that there are effective processes in causing net loss of N or retention along the Paraiba do Sul river, the main hypothesis sedimentation of NP, especially in areas of dammed water located between these two study points. In the final stretch of river Piabanha, the results showed a decreasing load of P, the main assumption is that P can be adsorbed to inorganic forms and due to the greater density of these forms, it was removed from the water and deposited in the bottom sediments. The launch of domestic sewage in the fluvial waters of the basin of the Piabanha river contributes with at least 43% of N load thrown into the Paraiba do Sul River. The atmospheric contribution would be 31% and agriculture contributes with at least 15% of N released in Paraiba do Sul. Leaving a total of 11% of associated error to the uncertainty in the estimation of three main sources of N considered here. The estimated values of P flow to the population and atmospheric deposition were higher than the flows found in the mouth of the Piabanha river. It is estimated that more than 44% of P entering the bowl is being removed from the surface and deposited in the bottom sediment