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20.1.1: Poluentes da água e suas fontes

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    Embora processos naturais, como erupções vulcânicas ou evaporação, às vezes possam causar poluição da água, a maior parte da poluição é derivada de atividades humanas terrestres. Os poluentes podem se espalhar por diferentes reservatórios de água, à medida que a água que os carrega progride pelos estágios do ciclo da água (figura\(\PageIndex{a}\)). O tempo de permanência (o tempo médio que uma molécula de água passa em um reservatório) é fundamental para problemas de poluição porque afeta o potencial de poluição. A água nos rios tem um tempo de residência relativamente curto, então a poluição geralmente ocorre apenas brevemente. É claro que a poluição nos rios pode simplesmente se mover para outro reservatório, como o oceano, onde pode causar mais problemas. A água subterrânea é normalmente caracterizada por fluxo lento e maior tempo de permanência, o que pode tornar a poluição das águas subterrâneas particularmente problemática. Finalmente, o tempo de permanência na poluição pode ser muito maior do que o tempo de permanência na água, pois um poluente pode ser absorvido por muito tempo no ecossistema ou absorvido pelos sedimentos.

    A paisagem mostra poluentes de água de fonte pontual e fonte não pontual se movendo entre reservatórios.
    Figura\(\PageIndex{a}\): Fontes de alguns poluentes da água e movimentação de poluentes em diferentes reservatórios de água do ciclo da água (como rios e aquíferos). A contaminação da fonte pontual pode ser rastreada até pontos específicos de descarga. A poluição do ar é um exemplo de contaminação não pontual porque os contaminantes estão espalhados pelo ar e pela paisagem, acabando por entrar na água a partir de vários locais. Solo e sedimentos erodidos são outra fonte de poluição não pontual. Imagem do USGS (domínio público).

    A água pode ser contaminada por várias atividades humanas ou por características naturais existentes, como formações geológicas ricas em minerais. Atividades agrícolas, operações industriais, aterros sanitários, operações com animais e processos de tratamento de esgoto em pequena e grande escala, entre muitas outras coisas, podem potencialmente contribuir para a contaminação. À medida que a água corre sobre a terra ou se infiltra no solo, ela dissolve o material deixado por essas fontes potenciais de contaminantes. Os riscos e o tipo de remediação de um contaminante dependem do tipo de produto químico presente.

    A poluição por fontes pontuais pode ser atribuída a uma origem única e definível. Por exemplo, fazendas de fábricas de animais (figura\(\PageIndex{b}\)) criam um grande número e alta densidade de gado, como vacas, porcos e galinhas. Sistemas combinados de esgoto que têm um único conjunto de tubulações subterrâneas para coletar esgoto e escoamento de águas pluviais das ruas para tratamento de águas residuais também podem ser as principais fontes pontuais de poluentes. Durante chuvas fortes, o escoamento das águas pluviais pode exceder a capacidade do esgoto, fazendo com que ele volte a funcionar. Isso derrama esgoto não tratado diretamente nas águas superficiais (figura\(\PageIndex{c}\)). Outros exemplos incluem tubos de fábricas, locais de descarte de resíduos, tanques de armazenamento e derramamentos de produtos químicos.

    Nesta operação de alimentação concentrada, os porcos são criados em altas densidades.
    Figura\(\PageIndex{b}\): Grandes fazendas de animais são frequentemente chamadas de operações de alimentação concentrada (cFos). Essas fazendas são consideradas potenciais fontes pontuais de poluição porque resíduos animais não tratados podem entrar em corpos d'água próximos como esgoto não tratado. Crédito: ehp.gov
    Neste sistema combinado de esgoto, o esgoto e a água de um bueiro são coletados no mesmo sistema de tubulação.
    Figura\(\PageIndex{c}\): Um sistema de esgoto combinado é uma possível fonte pontual importante de poluição da água durante chuvas fortes devido ao transbordamento de esgoto não tratado. O esgoto de fontes domésticas, comerciais e industriais entra no sistema pelo bico e a água da chuva entra pelo bueiro. Durante o tempo seco (e pequenas tempestades), todo o esgoto é tratado pelas obras públicas de tratamento (POTW). Uma barragem impede que o esgoto bruto flua para um corpo d'água através do cano de saída. Durante o tempo úmido (grandes tempestades), a estrutura de relevo permite que parte do esgoto combinado e das águas pluviais seja descarregada sem tratamento em um corpo d'água adjacente. Imagem da Agência de Proteção Ambiental dos EUA (domínio público).

    A poluição de origem não pontual vem de várias fontes dispersas. Toda a contribuição dos poluentes é prejudicial, mas os componentes individuais podem não atingir concentrações nocivas. Fontes não pontuais de poluição incluem campos agrícolas, cidades e minas abandonadas. As chuvas correm pela terra e pelo solo, captando poluentes de toda a bacia hidrográfica (incluindo áreas de terra e riachos menores que drenam para um determinado corpo de água). Esses poluentes podem incluir herbicidas, pesticidas e fertilizantes de campos agrícolas e gramados; óleo, anticongelante, dejetos animais e sal rodoviário de áreas urbanas; e elementos ácidos e tóxicos de minas abandonadas. Em seguida, essa poluição é transportada pelo escoamento para corpos d'água superficiais e subterrâneos. A poluição de fontes não pontuais, que é a principal causa de poluição da água nos EUA, geralmente é muito mais difícil e cara de controlar do que a poluição por fontes pontuais devido à sua baixa concentração, múltiplas fontes e volume muito maior de água.

    De acordo com um relatório de 2016, houve 20.912 casos de corpos d'água comprometidos nos Estados Unidos, o que significa que eles não podiam sustentar um ecossistema saudável nem atender aos padrões de qualidade da água (tabela\(\PageIndex{a}\)). As causas selecionadas de deficiência (poluentes da água) são discutidas abaixo, categorizadas de acordo com se elas surgem de processos químicos, biológicos ou físicos.

    Tabela\(\PageIndex{a}\): As principais causas de corpos d'água comprometidos nos Estados Unidos em 2016. Dados da EPA (domínio público).
    Causa da deficiência Número de corpos d'água danificados
    Bifenilos policlorados (PCBs) 3.712
    Patógenos 2.248
    Nutrientes 2.228
    Mercúrio 2.138
    Metais (exceto mercúrio) 2.075
    Causa biota desconhecida - comprometimento 1.852
    Enriquecimento orgânico/depleção de oxigênio 1.281
    Turbidez 1.175
    Pesticidas 795
    Salinidade/total de sólidos dissolvidos/cloretos/sulfatos 576
    Condições de pH/acidez/cáusticas 489
    Sedimento 453
    Temperatura 358
    Total de substâncias tóxicas 282
    Crescimento de algas 174
    Causa desconhecida 159
    Dioxinas 136
    Orgânicos tóxicos 127
    Inorgânicos tóxicos 99

    Poluentes químicos

    A poluição química da agricultura, indústria, cidades e mineração ameaça a qualidade global da água. Os poluentes atmosféricos dessas atividades também podem entrar em corpos d'água (e se tornar poluentes da água) por meio de deposição seca, precipitação e escoamento. Alguns poluentes químicos têm efeitos graves e bem conhecidos na saúde, enquanto muitos outros têm efeitos pouco conhecidos a longo prazo na saúde.

    Qualquer água natural contém produtos químicos dissolvidos, alguns dos quais são nutrientes humanos importantes, enquanto outros podem ser prejudiciais à saúde humana. A concentração de um poluente da água é geralmente dada em unidades muito pequenas, como partes por milhão (ppm) ou mesmo partes por bilhão (ppb). Uma concentração de arsênio de 1 ppm significa 1 parte de arsênico por milhão de partes de água. Isso equivale a uma gota de arsênico em 50 litros de água. Para lhe dar uma perspectiva diferente sobre a apreciação de pequenas unidades de concentração, converter 1 ppm em unidades de comprimento é de 1 cm (0,4 pol.) em 10 km (6 milhas) e converter 1 ppm em unidades de tempo é de 30 segundos em um ano. O total de sólidos dissolvidos (TDS) representa a quantidade total de material dissolvido na água. Os valores médios de TDS para água da chuva, água do rio e água do mar são cerca de 4 ppm, 120 ppm e 35.000 ppm, respectivamente.

    Poluentes orgânicos

    Os poluentes orgânicos incluem herbicidas e pesticidas, produtos farmacêuticos, combustíveis (como derramamentos de óleo), solventes e produtos de limpeza industriais e hormônios sintéticos associados a produtos farmacêuticos. Esses hormônios sintéticos podem atuar como desreguladores endócrinos. Muitos são poluentes orgânicos persistentes (POPs), que têm vida longa no meio ambiente, biomagnificam por toda a cadeia alimentar e podem ser tóxicos. Conforme mencionado anteriormente, DDT (pesticida), dioxina (subproduto herbicida) e PCBs (bifenilos policlorados, que eram usados como isolante líquido em transformadores elétricos) são todos POPs.

    Um exemplo de contaminação química orgânica é o Canal do Amor, em Niagara Falls, Nova York (Figura\(\PageIndex{d}\)). De 1942 a 1952, a Hooker Chemical Company descartou mais de 21.000 toneladas de resíduos químicos, incluindo hidrocarbonetos clorados, em um canal e o cobriu com uma fina camada de argila. Os hidrocarbonetos clorados são um grande grupo de produtos químicos orgânicos que têm grupos funcionais de cloro, a maioria dos quais são tóxicos e cancerígenos para humanos (DDT e PCBs são exemplos). A empresa vendeu o terreno para o Conselho Escolar de Nova York, que o transformou em um bairro. Depois que os moradores começaram a sofrer de graves problemas de saúde e poças de fluido oleoso começaram a subir para os porões dos moradores, o bairro teve que ser evacuado. Este site se tornou um site do Superfund da Agência de Proteção Ambiental dos EUA, um site com financiamento e supervisão federais para garantir sua limpeza.

    Um canal verde com invólucro nas laterais
    Figura\(\PageIndex{d}\): O Canal do Amor em Niagra Falls, Nova York. Imagem da Agência de Proteção Ambiental (domínio público).

    Poluentes inorgânicos

    Os poluentes inorgânicos (figura\(\PageIndex{e}\)) incluem nutrientes como nitrato (NO 3 -) e fosfato (PO 4 3 -), metais pesados, cloreto (Cl -) e isótopos radioativos liberados por mineração ou acidentes nucleares (como césio, iodo, urânio e gás radônio). Os nutrientes podem ser de materiais geológicos, como rochas ricas em fósforo, mas geralmente são provenientes de fertilizantes e dejetos animais e humanos. O esgoto não tratado e o escoamento agrícola concentram nitrogênio e fósforo, essenciais para o crescimento de microrganismos. Nutrientes como nitrato e fosfato na água superficial podem promover o crescimento de micróbios, como algas verde-azuladas (cianobactérias), que por sua vez esgotam o oxigênio dissolvido (O 2) e produzem toxinas. Esse processo é conhecido como eutrofização (discutido abaixo e anteriormente em Ciclos Biogeoquímicos, Ameaças à Biodiversidade e Agricultura Industrial).

    Um cientista com um jaleco demonstra equipamento de qualidade da água sob um capuz químico
    Figura\(\PageIndex{e}\): Este cientista demonstra como testar a qualidade da água, e parte disso envolve a medição dos níveis de poluentes inorgânicos. Imagem de Erin Gleeson (CC-BY).

    Exemplos de metais pesados incluem arsênio, mercúrio, chumbo, cádmio e cromo, e eles podem se bioacumular e biomagnificar ao longo da cadeia alimentar. O arsênico (As) entra naturalmente no suprimento de água devido ao desgaste de minerais ricos em arsênico e de atividades humanas, como queima de carvão e fundição de minérios metálicos. O pior caso de intoxicação por arsênico ocorreu no país empobrecido e densamente povoado de Bangladesh, que sofreu 100.000 mortes por diarréia e cólera a cada ano por beber água superficial contaminada com patógenos devido ao tratamento inadequado de esgoto. Na década de 1970, as Nações Unidas forneceram ajuda para milhões de poços de águas rasas, o que resultou em uma queda dramática nas doenças patogênicas. Infelizmente, muitos dos poços produziam água naturalmente rica em arsênico. Tragicamente, há cerca de 77 milhões de pessoas (cerca de metade da população) que, inadvertidamente, podem ter sido expostas a níveis tóxicos de arsênico em Bangladesh como resultado. A Organização Mundial da Saúde o chamou de o maior envenenamento em massa de uma população na história.

    O mercúrio entra no abastecimento de água naturalmente devido ao desgaste de minerais ricos em mercúrio e, como o mercúrio, de atividades humanas, como queima de carvão e processamento de metais. Um famoso caso de intoxicação por mercúrio em Minamata, Japão, envolveu uma descarga industrial rica em metilmercúrio que causou altos níveis de mercúrio em peixes. As pessoas nas aldeias de pescadores locais comeram peixe até três vezes por dia durante mais de 30 anos, o que resultou em mais de 2.000 mortes. Durante esse período, a empresa responsável e o governo nacional fizeram pouco para mitigar, ajudar a aliviar ou mesmo reconhecer o problema.

    O sal, normalmente cloreto de sódio, é um contaminante inorgânico comum. Ele pode ser introduzido nas águas subterrâneas a partir de depósitos naturais ou de fontes antropogênicas, como os sais aplicados às estradas no inverno, para evitar a formação de gelo (figura\(\PageIndex{f}\)). A contaminação por sal também pode ocorrer por intrusão de água salgada, onde cones de depressão ao redor do bombeamento de água doce subterrânea perto da costa oceânica induzem a invasão da água salgada no corpo de água doce.

    Uma estrada de neve e um caminhão grande com um limpa-neve na frente e uma cama cheia de sal
    Figura\(\PageIndex{f}\): Um limpa-neves e um caminhão de aplicação de sal na estrada que é usado para limpar a neve e o gelo das estradas para melhorar a segurança do trânsito e dos pedestres. O uso de sal para descongelar o pavimento pode ser prejudicial à vida aquática em riachos urbanos. Imagem e legenda (modificadas) do USGS (domínio público).

    A acidez ou alcalinidade de um corpo de água também pode afetar sua qualidade. O pH é uma medida da concentração de íons de hidrogênio (prótons) em uma solução, que determina o quão ácida ou básica (alcalina) é uma solução. As soluções ácidas têm uma alta concentração de íons de hidrogênio e um pH menor que 7, e as soluções básicas têm um pH maior que 7. O pH da água doce geralmente varia de 5 a 9, e a água salgada é ligeiramente básica (pH = 8,2) em um ecossistema saudável. Quando as condições são muito ácidas, alguns animais aquáticos não conseguem se reproduzir e as estruturas de carbonato de cálcio (amêijoas, caracóis, corais, etc.) se dissolvem. A deposição ácida é discutida mais adiante neste capítulo, e a acidificação dos oceanos é discutida no próximo capítulo.

    A água dura contém cálcio e magnésio em abundância, o que reduz sua capacidade de desenvolver espuma de sabão e melhora a formação de incrustações (minerais de carbonato de cálcio e magnésio) em equipamentos de água quente. Os amaciadores de água removem o cálcio e o magnésio, o que permite que a água ensaboe facilmente e evite que os minerais se precipitem nas superfícies (figura\(\PageIndex{g}\)). A água dura se desenvolve naturalmente a partir da dissolução dos minerais de carbonato de cálcio e magnésio no solo; ela não tem efeitos negativos à saúde das pessoas.

    Um copo embaçado com resíduos de água dura fica sobre uma mesa de madeira.
    Figura\(\PageIndex{g}\): Água excessivamente dura (alto teor de cálcio) pode causar película na vidraria. Imagem de Liz Meimann/Iowa State Univ. (domínio público).

    Poluentes biológicos

    Os patógenos (microrganismos ou vírus infecciosos) entram na água principalmente a partir de resíduos fecais humanos e animais devido ao tratamento inadequado do esgoto. Em muitos países subdesenvolvidos, o esgoto é descarregado em águas locais sem tratamento ou após apenas tratamento rudimentar. Nos países desenvolvidos, a descarga de esgoto não tratada pode ocorrer devido a transbordamentos de sistemas combinados de esgoto, fazendas de fábricas de gado mal administradas e sistemas de coleta de esgoto com vazamentos ou quebrados. A água com patógenos pode ser remediada adicionando cloro ou ozônio (O 3), fervendo ou tratando o esgoto em primeiro lugar.

    Fontes físicas de poluição

    Lixo, sedimentos e poluição térmica surgem de fontes físicas de poluição (figura\(\PageIndex{h}\)). O lixo foi discutido extensivamente no Gerenciamento de Resíduos Sólidos. O excesso de sedimentos entra em corpos d'água quando vários usos da terra, como mineração, desmatamento e agricultura, aumentam a erosão. Os sedimentos podem transportar toxinas ou excesso de nutrientes e turvar a água (resultando em turbidez). A turbidez impede que as plantas aquáticas acessem luz solar suficiente. A poluição térmica ocorre quando a temperatura da água excede sua faixa natural. Muitas usinas de energia (como carvão, gás natural, nuclear, etc.) dependem da água do meio ambiente para resfriamento. Essa água é liberada de volta para corpos d'água a uma temperatura mais alta do que o normal. As altas temperaturas interrompem os organismos aquáticos por vários motivos; um deles é que as águas mais quentes não podem reter tanto oxigênio dissolvido (veja abaixo; figura\(\PageIndex{i}\)). As barragens também podem elevar a temperatura da água em detrimento dos organismos que vivem lá.

    Dois meninos estão em um pequeno barco que flutua em um rio com lixo flutuando na superfície.
    Figura\(\PageIndex{h}\): Poluição da água. Poluição óbvia da água na forma de detritos flutuantes; poluentes invisíveis da água às vezes podem ser muito mais prejudiciais do que os visíveis. Imagem de Stephen Codrington (CC-BY).
    Gráfico de linhas do oxigênio dissolvido e da temperatura da água ao longo do ano (2017) no Rio Passaic
    Figura\(\PageIndex{i}\): A temperatura da água afeta as concentrações de oxigênio dissolvido em corpos d'água. De janeiro a dezembro de 2017, a temperatura da água (azul) aumenta nos meses de verão e depois diminui. Os níveis de oxigênio dissolvido (laranja) caem no verão, quando a temperatura aumenta. Imagem e legenda (modificadas) do USGS (domínio público).

    Demanda bioquímica de oxigênio, hipóxia e eutrofização

    Resíduos que exigem oxigênio são um poluente extremamente importante para os ecossistemas. A maior parte da água superficial em contato com a atmosfera tem uma pequena quantidade de oxigênio dissolvido, que é necessária aos organismos aquáticos para a respiração celular. Decompositores, como bactérias e fungos, também conduzem a respiração celular e consomem oxigênio à medida que decompõem a matéria orgânica morta.

    O excesso de matéria orgânica em decomposição na água é um poluente porque remove o oxigênio da água, o que pode matar peixes, mariscos e insetos aquáticos. A quantidade de oxigênio usada pela decomposição aeróbica (na presença de oxigênio) da matéria orgânica é chamada de demanda bioquímica de oxigênio (DBO). A principal fonte de matéria orgânica morta em muitas águas naturais é o esgoto; capim e folhas são fontes menores.

    Um corpo de água não poluído em relação ao BOD é um rio turbulento que flui por uma floresta natural. A turbulência coloca continuamente a água em contato com a atmosfera, onde o conteúdo de oxigênio dissolvido é restaurado. O conteúdo de oxigênio dissolvido nesse rio varia de 10 a 14 ppm. Quando a demanda biológica de oxigênio é baixa, peixes de água limpa, como a truta, prosperam (figura\(\PageIndex{j}\)).

    Uma truta arco-íris manchada em águas claras.Duas carpas cinzentas com aparelhos bucais sugadores em água turva
    Figura\(\PageIndex{j}\): Esquerda: Peixes como a truta arco-íris prosperam sob baixa demanda biológica de oxigênio e amplos níveis de oxigênio dissolvido. Certo: Peixes como a carpa prosperam sob alta demanda biológica de oxigênio e baixos níveis de oxigênio dissolvido. Imagem à esquerda de Engbretson Eric/U.S. Fish and Wildlife Service (domínio público). Imagem correta de X posid (domínio público).

    Um corpo de água poluído em relação ao BOD é um lago profundo e estagnado em um ambiente urbano com um sistema de esgoto combinado. Esse sistema favorece uma alta entrada de carbono orgânico morto dos transbordamentos de esgoto e a chance limitada de circulação de água e contato com a atmosfera. Nesse lago, o conteúdo de oxigênio dissolvido é ≤ 5 ppm. A demanda biológica de oxigênio é alta e peixes tolerantes a baixos níveis de oxigênio, como carpas e bagres, dominam (figura\(\PageIndex{k}\)).

    Nutrientes em excesso, particularmente nitrogênio (N) e fósforo (P), são poluentes intimamente relacionados aos resíduos que exigem oxigênio. Plantas e algas precisam de 15 a 20 nutrientes para o crescimento, a maioria dos quais é abundante em água. No entanto, o nitrogênio e o fósforo são chamados de nutrientes limitantes, porque geralmente estão presentes na água em baixas concentrações e, portanto, restringem a quantidade total de crescimento das plantas. Isso explica por que o nitrogênio e o fósforo são os principais ingredientes da maioria dos fertilizantes.

    Altas concentrações de nutrientes limitantes, particularmente nitrogênio (N) e fósforo (P), de fontes humanas (principalmente escoamento agrícola e urbano, incluindo fertilizantes, esgoto e detergente à base de fósforo) podem causar eutrofização cultural, o que leva ao rápido crescimento dos produtores aquáticos, particularmente algas. Esteiras espessas de algas flutuantes ou plantas enraizadas levam a uma forma de poluição da água que danifica o ecossistema ao entupir as brânquias dos peixes e bloquear a luz solar (figura\(\PageIndex{k}\)). Uma pequena porcentagem das espécies de algas produz toxinas que podem matar animais, incluindo humanos. Os crescimentos exponenciais dessas algas são chamados de proliferação de algas tóxicas.

     

    Um lago escuro é verde devido ao crescimento excessivo de bactérias fotossintéticas
    Figura\(\PageIndex{k}\): Uma cianobactéria (alga verde-azulada) floresce no Lago Erie resultante da poluição por fertilizantes. Imagem da NASA (domínio público).

    Quando a prolífica camada de algas morre, ela se torna um resíduo que exige oxigênio, o que pode criar concentrações muito baixas de oxigênio na água (< 2 ppm), uma condição chamada hipóxia. Isso resulta em uma zona morta porque causa a morte por asfixia de organismos que não conseguem sair desse ambiente (figura\(\PageIndex{l}\)). Aproximadamente 50% dos lagos na América do Norte, Europa e Ásia são afetados negativamente pela eutrofização. A eutrofização e a hipóxia são difíceis de combater porque são causadas principalmente pela poluição de origem não pontual, que é difícil de regular, e o nitrogênio e o fósforo são difíceis de remover das águas residuais.

    Um fluxograma da eutrofização.
    Figura\(\PageIndex{l}\): O processo de eutrofização. Durante a eutrofização, o aumento de nutrientes causa o crescimento de micróbios fotossintéticos, resultando em mais biomassa para se decompor. Mais oxigênio é usado na decomposição, resultando na morte de organismos maiores. O crescimento de micróbios fotossintéticos também leva a toxinas (por exemplo, aquelas produzidas durante a maré vermelha), o que também leva à morte de organismos maiores.

    Atribuições

    Modificado por Melissa Ha a partir das seguintes fontes: