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Mémoire de Maîtrise
DOI
https://doi.org/10.11606/D.18.2021.tde-19102021-123936
Document
Auteur
Nom complet
Karen Tavares Zambrano
Unité de l'USP
Domain de Connaissance
Date de Soutenance
Editeur
São Carlos, 2021
Directeur
Jury
Cunha, Davi Gasparini Fernandes (Président)
Jesus, Tatiane Araujo de
Rodrigues, Valeria Guimarães Silvestre
Titre en portugais
O papel dos sedimentos de fundo de rios e riachos na dinâmica do fósforo: estado da arte e avaliação preliminar do equilíbrio água-sedimento em ambientes tropicais
Mots-clés en portugais
Concentração de equilíbrio
Freundlich
Isoterma de adsorção
Sistemas Fluviais
Resumé en portugais
A influência potencial dos sedimentos nas concentrações de fósforo (P) da água pode ser avaliada pela concentração de equilíbrio de P no ponto de sorção zero (EPC0Equilibrium phosphorus concentration at net zero sorption). Esse parâmetro, quando comparado às concentrações de P reativo solúvel (PSR) da água, indica o potencial dos sedimentos de agirem como fontes ou sumidouros de P. A presente pesquisa se dividiu nas seguintes frentes: (i) teórica, por meio da análise de dados pré-existentes na literatura; e (ii) prática, por meio de coletas de campo e ensaios de adsorção em batelada para determinação da isoterma de Freundlich. Inicialmente, realizou-se uma revisão sistemática sobre tema, a qual resultou em 63 artigos. Nos meses de fevereiro e dezembro/2020, avaliou-se preliminarmente o potencial de retenção ou liberação de PSR em dois corpos de água mais preservados, um receptor de efluentes e um receptor de águas pluviais urbanas, todos localizados no interior do estado de São Paulo. Todos os ensaios foram realizados em duas séries: (i) sedimentos e água naturais dos ambientes; e (ii) sedimentos e água dos ambientes após esterilização com azida de sódio (0,001 mol·L-1). Em dezembro/2020, também foram realizados ensaios comparando o efeito de diferentes soluções de base de cloreto de cálcio (CaCl2) com concentrações entre 0,0005 M e 0,01 M. Observou-se a frequente disparidade os resultados de EPC0 e PSR (78% dos dados da revisão sistemática e 100% dos resultados experimentais), indicando que os sedimentos raramente estão em equilíbrio com a coluna de água e podem influenciar significativamente as concentrações ambientais de P. Porém, esse potencial de troca de P dos sedimentos com a água depende também de fatores hidrológicos e biogeoquímicos. A partir da revisão, observou-se que a capacidade de sorção, o teor de P trocável e a granulometria dos sedimentos são fatores que exercem forte influência sobre os resultados de EPC0, assim como as concentrações de PSR da água e os valores de pH e potencial de oxirredução (ORP). A biota dos sedimentos também pode influenciar a retenção de P, mas a discriminação da influência relativa de fatores bióticos e abióticos representa um grande desafio. Nos experimentos realizados na presente pesquisa, a esterilização dos sedimentos aumentou em 112% a mediana da EPC0 em comparação aos sedimentos naturais, possivelmente como resultado da lise celular. No que diz respeito aos aspectos metodológicos, a análise dos resultados da revisão ressaltou a necessidade de maior padronização dos critérios dos ensaios de adsorção. Nos experimentos realizados com uma solução de base de 0,0005 M CaCl2, observou-se redução de 86% na mediana da EPC0, em comparação com a água natural. Recomenda-se a realização de análises preliminares da composição e da força iônica da água dos ambientes para a escolha da solução que melhor representa as características naturais. A presente pesquisa contribui para a compreensão da dinâmica de P em rios e riachos e ressalta a importância de integrar parâmetros dos sedimentos (e.g., EPC0) para melhorar as políticas de controle do aporte de P aos cursos de água.
Titre en anglais
The role of streambed sediments in phosphorus dynamics: state of the art and preliminary assessment of sediment-water equilibrium in tropical environments
Mots-clés en anglais
Adsorption isotherm
Equilibrium concentration
Fluvial systems
Freundlich
Resumé en anglais
The role of sediments on phosphorus (P) concentration in water can be measured with the equilibrium P concentration at net zero sorption (EPC0). This parameter is an indicator of the sediments potential to act as sinks or sources of P when compared to soluble reactive P (SRP) concentrations in water. This research was divided into two fronts: (i) theoretical, through the analysis of existing literature data; and (ii) practical, through field collections and batch adsorption experiments to determine the Freundlich isotherm. Initially, a systematic review on the subject was developed, which resulted in 63 articles. In February and December 2020, the potential for SRP retention and release in two well-preserved streams, an effluent receiving water body, and an urban stormwater receiver, all located in the state of São Paulo, was preliminarily evaluated. All the batch experiments were carried out in two series: (i) sediments and natural stream water; and (ii) sediments and stream water after sterilization with sodium azide (0.001 mol·L-1). In December 2020, the experiments were also carried out using calcium chloride (CaCl2) solutions with concentrations between 0.0005 M and 0.01 M. The frequent disparity between EPC0 and SRP was observed (78% of observations from systematic review and 100% of the experimental results), indicating that sediments are rarely in equilibrium with the water column and may significantly influence environmental P concentrations. However, this potential for sediments to exchange P with the surrounding solution also depends on hydrological and biogeochemical factors. From the review, it was observed that the sorption capacity, exchangeable P concentration, and sediment particle size are factors that strongly influence the EPC0 results, as well as the SRP concentrations in water and the pH and oxidation-reduction potential (ORP). Biotic mechanisms can also contribute to the streambed sediments P buffer, but separating biotic and abiotic processes remains a major challenge. In the experiments carried out in this research, sediments sterilized by sodium azide (0.001 mol·L-1) increased in median EPC0 compared to fresh sediments by a median of 112%, possibly as a result of cell lysis. Regarding methodological aspects, the analysis from the review highlighted the need for more standardized choices. The experiments carried out with a 0.0005 M CaCl2 solution decreased the median EPC0 compared to stream water by 86%. It is recommended to carry out preliminary analyses of stream water composition and ionic strength before deciding on an appropriate base solution to best represent the environmental conditions. The present study enhances understanding of the P dynamic in streams and highlights the importance of integrating sediment P buffer parameters (e.g., EPC0) in P pollution control policies.
 
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Date de Publication
2021-11-08
 
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