Ciclagem de metais pesados na serapilheira de uma floresta urbana no Rio de Janeiro

Turnover of heavy metals in the litter of a urban forest at Rio de Janeiro

Resumo

A produção e o estoque de serapilheira no Maciço da Pedra Branca (RJ) foram monitorados por um ano. A serapilheira produzida foi 7.533 kg.ha^-1.ano^-1; a estocada sobre o solo foi 7.364 kg.ha^-1. Na primeira, a concentração dos metais variou de 0,08 mg.kg^-1 para Cd a 35,2 mg.kg^-1 para Zn e na estocada sobre o solo, a concentração foi em média 1,6 vezes maior. Os tempos de renovação do estoque destes metais na serapilheira variaram de 0,2 ano para Cr a 1,9 anos para Cd e Pb. Os resultados encontrados foram superiores a estudos semelhantes, sendo atribuídos à proximidade da metrópole circundante.

Palavras-chaves:
serapilheira; metais pesados; Maciço da Pedra Branca.

Abstract

The total litter production and its stock on the soil in the Maciço da Pedra Branca (RJ) were monitored for one year. The forest litter produced was 7,533 kg.ha-1.yr-1 and the litter layer was 7,300 kg.ha-1. In the former, the heavy metal concentration ranged from 0.08 mg.kg-1 for Cd to 35.2 mg.kg-1 for Zn. In the litter layer, the concentration was 1.3 times higher, on average. The renewal rates for the stock of these metals in the litter layer varied from 0.2 year for Cr to 1.9 years for Cd and Pb. The results found were higher than those found in similar studies, due to the proximity to the metropolis of Rio de Janeiro.

Key words:
litter fall; heavy metals; Maciço da Pedra Branca

Introdução

As florestas estão entre os mais efetivos depósitos de todas as terras emersas, no que diz respeito aos constituintes do ar atmosférico. Com relação aos poluentes atmosféricos, existem evidências que sua entrada e circulação nestes ecossistemas geralmente se dão por caminhos e processos semelhantes aos das entradas atmosféricas dos nutrientes, seja por deposição úmida ou seca (Mayer & Lindberg, 1985).

Acima de um certo nível de poluição, os poluentes podem ameaçar o ecossistema em sua estrutura e funcionamento, afetando diversos processos relacionados à ciclagem de nutrientes (Delitti, 1995). Aportes baixos de poluentes por longos períodos de tempo podem levar a uma acumulação crescente, considerando-se que a biomassa multiestruturada das florestas apresenta alta capacidade de filtrar os aerossóis atmosféricos, depositados principalmente pela chuva ácida. Assim, a maioria dos ecossistemas florestais constituem grandes acumuladores de poluentes (Zoettl, 1985). Vitousek (1982) considera que estes efeitos negativos possam ser mais severos em florestas tropicais, devido à eficiência na ciclagem de nutrientes.

Entre os poluentes que atingem os ecossistemas florestais, os metais pesados têm um papel de destaque, função de sua tendência à acumulação. Designam-se como metais pesados (ou ainda, metais-traço ou micro elementos) o grupo de elementos que ocorre em sistemas naturais em pequenas concentrações e apresentam densidade igual ou acima de 5 g.cm^-3 (Adriano, 1986). O ciclo atmosférico de um grande número de metais pesados é fortemente influenciado por atividades antropogênicas, como é o caso de Cd, Zn, Pb, Hg, Cu e As, os quais são emitidos em grandes quantidades por processos de refino de metais e combustão (carvão, óleo combustível) ou por contaminação por fertilizantes, pesticidas, mineração, fundição ou resíduos urbanos, podendo inclusive ocorrer sob formas voláteis (Nriagu & Pacyna, 1988). Estes metais-traço são altamente tóxicos em baixas concentrações (Gough et al., 1979), além de serem conhecidos por estarem se acumulando em diversos compartimentos dos ecossistemas. O solo possui uma grande capacidade de retenção de metais pesados, porém, em função de suas características, podendo ser facilmente lixiviados, penetrando na cadeia alimentar dos organismos vivos ou colocando em risco a qualidade dos aqüíferos (Casartelli & Miekeley, 2003).

Dentre os estudos reportados para o Brasil sobre a influência da poluição sobre ecossistemas florestais, destaca-se o de Struffaldi-De Vuono & Marzola (1984), que encontraram um retardo significativo na decomposição da serapilheira nas cercanias de uma siderúrgica nas proximidades da cidade de São Paulo (Struffaldi-De Vuono et al., 1984). A situação crítica da Mata Atlântica em Cubatão, com a deposição acentuada de poluentes da indústria petroquímica foi estudada, entre outros, por Domingos et al. (1997 e 2000) e Leitão Filho et al. (1993), sendo evidenciado um patamar de grave desequilíbrio ecológico, com a ocorrência de uma redução significativa do número de indivíduos jovens e mortalidade acentuada nos adultos.

O Maciço da Tijuca, no Rio de Janeiro, em função de se tratar de uma formação florestal urbana, também vem apresentando problemas decorrentes da deposição de poluentes. Em termos de aportes de poluentes à floresta que recobre o maciço, destacase a acidez da chuva, cujo pH pode chegar a 3,2 (Silva Filho, 1985). A contaminação da serapilheira do Parque Nacional da Tijuca por chumbo, oriundo da queima de combustíveis fósseis, foi detectada por Oliveira & Lacerda (1988).

O presente trabalho objetiva avaliar a ciclagem de metais pesados no Maciço da Pedra Branca, localizado na zona oeste do Rio de Janeiro, por meio da avaliação da ciclagem da serapilheira, incluindo a sua produção, estocagem sobre o solo e o correspondente aporte de metais.

Materiais e Métodos

O local de estudos foi uma área de encostas íngremes, com declividade média de 40º, na vertente sudeste do Pico Itaiaci, na Floresta do Camorim, englobada pelo Parque Estadual da Pedra Branca, localizado na zona oeste do município do Rio de Janeiro. A pluviosidade é de 1.187 mm anuais, ocorrendo deficiência hídrica episódica nos meses de julho a outubro. Na área estudada, profundidade média do solo é de 50 cm e, com relação ao conteúdo de nutrientes, podem ser classificados como oligotróficos. A estrutura da vegetação se caracteriza por uma área basal relativamente baixa, de 35,8 m².ha^-1. A área de estudos localiza-se entre os 200 e 300 metros de altitude, dentro de uma área em forma de anfiteatro que constitui uma das cabeceiras do Rio Caçambe (Firme et al., 2001).

A serapilheira da área de estudos foi monitorada pelo período de um ano (de agosto de 2000 a julho de 2001) em duas situações: a serapilheira recém caída e a acumulada sobre a superfície do solo. A primeira foi amostrada com o uso de coletores de resíduos florestais construídos a partir de caixotes de madeira com 50 cm de lado, com fundo de tela de polietileno com malha de 2 mm. Cada um foi afixado ao solo por meio de estacas ao solo, sendo utilizados 20 coletores espalhados de forma aleatória pela área amostral. O material decíduo recolhido pelos coletores foi retirado em intervalos quinzenais e, em laboratório, o mesmo foi transferido para estufa a 60^o C, até apresentar peso constante.

A biomassa de serapilheira acumulada sobre o solo foi obtida em duas coletas (abril e novembro), com o uso de uma moldura quadrada de 50 cm de lado. Foram obtidas 20 amostras em cada coleta, posicionadas aleatoriamente. Para a estimativa da taxa de decomposição da serapilheira (K_L), foi considerada a produção anual de serapilheira e a média anual da serapilheira estocada sobre o solo, como descrito na seguinte equação: K_L= produção anual da serapilheira / massa da camada de serapilheira acumulada. Para o cálculo da taxa de renovação dos metais pesados, foi considerada a média anual do aporte de cada metal estudado através da serapilheira produzida e a média anual da massa dos mesmos presente na serapilheira estocada sobre o solo (K_E = aporte do metal-traço pela serapilheira produzida em um ano / massa do mesmo na serapilheira estocada sobre o solo). O tempo médio de renovação do estoque foi obtido pela expressão 1/K_L, que pode ser convertido pelo número de dias (Poole, 1974).

Após as pesagens das amostras de serapilheira, foram separadas alíquotas que foram trituradas em moinho Willey e do pó obtido, foram feitas as análises químicas, que forneceram as concentrações de cromo (Cr), mercúrio (Hg), cádmio (Cd), chumbo (Pb), níquel (Ni) e zinco (Zn). As amostras foram decompostas com uma mistura de ácido nítrico e água peroxigenada (ambos os reagentes de qualidade suprapur) em tubos de polipropileno fechados e aquecidos durante uma noite em bloco digestor a cerca de 90 ^oC. As soluções resultantes, ou diluições destas, foram analisadas por espectrometria de massas com plasma indutivamente acoplado (ICPMS). Maiores detalhes da metodologia utilizada foram publicados anteriormente (p.ex. Miekeley et al., 2001).

Resultados e Discussão

A produção de serapilheira na área estudada foi estimada em 7.533 kg.ha^-1.ano^-1. A participação percentual da fração folhas foi de 63,6%, seguida da fração galhos, com 23,5%; dos elementos reprodutivos com 10,6% e dos resíduos, com 2,3%. A massa média de serapilheira estocada sobre o solo foi de 7.364 ± 90 kg.ha^-1.

Quanto ao tempo de renovação da serapilheira estocada no solo, o quociente de decomposição (K_L) calculado para a área de estudos foi de 1,02 anos e o tempo de renovação do estoque (1/K_L) foi de 0,98 ano, o que corresponde a 357 dias.

Com referência à contaminação da serapilheira por metais pesados, os mesmos foram encontrados em concentrações distintas em referência à época de coleta. As concentrações de metais na serapilheira produzida na área de estudos encontram-se na tabela 1. Em termos absolutos, a maior concentração foi a de zinco (35,17 mg.kg^-1) e a menor, de cádmio, com 0,08 mg.kg^-1 . Observaram-se variações nas concentrações dos elementos ao longo do ano: Ni teve o valor mais constante, enquanto que Hg apresentou concentrações menos uniformes. De uma maneira geral, os valores de Ni, Pb e Zn encontram-se abaixo em relação aos reportados por Duarte e Pasqual (2000) em plantas coletadas em áreas peri-urbanas no estado de São Paulo. De acordo com Salisbury & Ross (1965, apud Strufaldi-De Vuono et al., 1984), dos metais analisados, a concentração de zinco ficou acima do valor aceito como normal em tecidos vegetais (20 mg.kg^-1). Já segundo Kabata-Pendias & Pendias (1984), este valor encontra-se na faixa esperada de normalidade (27 a 150 mg.kg^-1). Atribui-se este maior valor encontrado à presença de uma siderúrgica localizada no bairro de Curicica, a cerca de 2 km em linha reta do local de estudos.

Tabela 1
Concentração de metais pesados na serapilheira produzida da área de estudos no Maciço da Pedra Branca, RJ. Valores em mg.kg^-1 de massa seca.
Table 1
Concentration of heavy metals at the litter fall at Pedra Branca, RJ. Values in mg.kg^-1 of dry matter.

Mês	C r	Hg	Cd	Pb	N i	Zn
agosto	1,11	0,17	0,11	2,57	2,16	43,7
setembro	0,94	0,20	0,13	2,41	2,25	33,4
outubro	0,91	0,26	0,08	1,80	2,37	33,3
novembro	0,62	0,35	0,09	2,19	2,11	31,5
dezembro	0,94	0,08	0,09	2,59	1,74	35,7
janeiro	0,71	0,15	0,07	1,74	1,66	30,0
fevereiro	0,90	0,15	0,07	1,90	1,48	34,4
março	0,45	0,16	0,04	1,32	1,58	27,0
abril	1,29	0,15	0,03	1,36	1,94	22,8
maio	0,86	0,16	0,11	1,94	1,81	68,8
junho	0,63	0,12	0,04	1,27	1,64	22,0
julho	0,78	0,08	0,07	1,71	2,01	39,5
Média	0,84	0,17	0,08	1,90	1,90	35,2
D P	0,23	0,07	0,03	0,46	0,29	12,3
CV%	26,9	44,2	39,7	24,4	15,1	35,0

A Tabela 2 apresenta os dados de concentração de metais pesados na serapilheira estocada sobre o solo. Como também foi verificado para a serapilheira recém caída, a concentração mais elevada foi encontrada para zinco e a menor para o cádmio.

Tabela 2
Concentração de metais pesados na serapilheira estocada sobre o solo da área de estudos no Maciço da Pedra Branca, RJ. Valores em mg.kg^-1 de massa seca.
Table 2
Concentration of heavy metals at the litter layer at the study area at Pedra Branca Massive, RJ. Values in mg.kg^-1 of dry matter.

Mês	C r	Hg	Cd	Pb	N i	Zn
abril	2,34	0,14	0,14	3,83	2,67	47,7
novembro	1,39	0,25	0,16	3,47	2,76	44,2
Média	1,86	0,19	0,15	3,65	2,72	46,0
D P	0,48	0,06	0,01	0,18	0,04	1,74
CV%	25,5	28,2	6,7	4,9	1,7	3,8

A Tabela 3 apresenta os valores de concentração dos metais analisados comparando o valor médio deste metal na serapilheira recém-caída e na estocada sobre o solo, estabelecendo uma razão entre ambas. Esta razão representa, portanto, o fator de enriquecimento entre a serapilheira acumulada sobre o solo e a recém caída. Valores maiores do que 1 significam que a serapilheira estocada sobre o solo está mais enriquecida de um determinado metal do que a recém caída. Valores menores do que 1 indicam o oposto e valores iguais mostram que a concentração de um dado elemento é idêntica nos dois compartimentos. Para todos os metais analisados, os fatores de enriquecimento foram superiores a 1, indicando serem mais reduzidas suas concentrações na serapilheira recém caída do que na acumulada sobre o solo. Os fatores de enriquecimento variaram de 1,1 para mercúrio a 2,2, para o cromo. Muito possivelmente isto ocorre por que a serapilheira estocada sobre o solo representa um ambiente acumulador, favorecendo, portanto, a retenção dos metais.

Tabela 3
Concentração, em mg.kg^-1, de metais pesados da serapilheira recém-caída (a), da serapilheira estocada sobre o solo (b) e fator de enriquecimento (a/b).
Table 3
Concentration, in mg.kg^-1, of heavy metals at the litter fall (a), the litter layer (b) and enrichment rate (c).

Metal	Serapilheira	valores
cromo	recém-caída (a)	0,84
	estocada (b)	1,86
	fator de enriquecimento (b/a)	2,2
mercúrio	recém-caída (a)	0,17
	estocada (b)	0,9
	fator de enriquecimento (b/a)	1,1
cádmio	recém-caída (a)	0,08
	estocada (b)	0,15
	fator de enriquecimento (b/a)	2,0
chumbo	recém-caída (a)	1,90
	estocada (b)	3,65
	fator de enriquecimento (b/a)	1,9
	recém-caída (a)	1,90
níquel	estocada (b)	2,72
	fator de enriquecimento (b/a)	1,4
	recém-caída (a)	35,17
zinco	estocada (b)	45,97
	fator de enriquecimento (b/a)	1,5

Acrescente-se a isto o fato de que a serapilheira acumulada sobre o solo representa um ambiente caracterizado pela presença de grande quantidade de ligantes (p.ex. COO^-, -OH, -SH, -S-S-), principalmente onde esta se encontra mais fragmentada (humificada). Estes ligantes apresentam grande capacidade de adsorver e trocar íons dissolvidos na água, agindo como sítios de troca e fazendo com que o folhedo atue como verdadeira superfície de troca iônica (Clevelario, 1988). É interessante observar que a seqüência dos fatores de enriquecimento (Hg < Ni d Zn < Pb d Cd < Cr) está em concordância formal com as esperadas propriedades físico-químicas desses elementos. A maior volatilidade de Hg poderia explicar a sua mais fácil dessorção, enquanto que a menor solubilidade de Cd e Pb na presença de sulfetos e a relativa insolubilidade de Cr³⁺ na forma de hidróxido (estado de oxidação provável neste ambiente) contribuiriam na retenção desses elementos.

Uma vez acumulados na serapilheira, é de se esperar que estes metais estejam sendo incorporados ao solo, e mais provavelmente à comunidade viva, via ciclagem direta, por meio da absorção das raízes superficiais (Stark & Jordan, 1978). De qualquer forma, isto está se dando em espaço de tempo superior à taxa de renovação do pacote da serapilheira, que é de 357 dias (Tabela 4).

A partir da concentração média dos metais na serapilheira produzida e na estocada sobre o solo, foi possível calcular a taxa de renovação ou de mineralização. Para tanto, foi calculada a massa dos metais presentes na serapilheira produzida e na estocada. Os resultados encontram-se na Tabela 4. O metal que apresentou um tempo de renovação mais rápido foi cromo (com 80 dias). Cádmio e chumbo foram os metais com renovação mais lenta (respectivamente 711 e 690 dias).

Tabela 4
Massa de metais pesados na serapilheira recém-caída, na serapilheira acumulada sobre o solo (em kg.ha^-1) e taxa de remineralização da serapilheira estocada sobre o solo (K_E = aporte anual do metal pela serapilheira produzida/estoque do metal na serapilheira acumulada).
Table 4
Weight of heavy metals at the litter fall, at the litter layer (mg.kg^-1) and remineralization rate of the litter layer (K_E = annual input of metal by the litter fall/stock of the metal at the litter layer.

Metal	massa na serapilheira recém-caída	massa na serapilheira acumulada	ke (anos-1)	1/ ke (anos)	1/ ke (dias)
Cr	6,24	1,36	4,6	0,2	8 0
Hg	1,23	1,47	0,8	1,2	436
Cd	0,59	1,15	0,5	1,9	711
Pb	14,09	26,65	0,5	1,9	690
Ni	14,06	20,06	0,7	1,4	521
Zn	284,75	336,51	0,8	1,2	431

O mecanismo de renovação dos metais pesados na serapilheira parece ser mais lento para estes do que para os nutrientes. Embora não se disponham de dados relativos à ciclagem de nutrientes na área de estudos do Maciço da Pedra Branca, é possível se comparar os dados obtidos por Oliveira (1999) na Ilha Grande (litoral sul do Rio de Janeiro), em formação florestal climáxica. Neste estudo, onde a metodologia empregada foi a mesma do presente, o tempo para remineralização de N, P, K, Na, Ca e Mg foram respectivamente de 120, 343, 55, 99, 146 e 106 dias. Para o Maciço da Pedra Branca podem ser esperados resultados semelhantes, em função da relativa similaridade de ambientes. Assim, a faixa de dias reportada para a renovação do estoque destes nutrientes na serapilheira acumulada sobre o solo deve ser significativamente inferior ao tempo necessário para a remineralização dos metais pesados analisados no Maciço da Pedra Branca. Apesar desta diferença entre os tempos de reciclagem de nutrientes e poluentes, fica patente a incorporação dos metais analisados à ciclagem dos nutrientes do ecossistema florestal.

Em função da bioacumulação, os metais pesados possivelmente deverão permanecer no sistema por muito tempo, mesmo que ocorra o controle de suas fontes de emissão. Caso isto não ocorra, pode-se pensar na intensificação das concentrações encontradas, levando a uma acumulação crescente, com resultantes imprevisíveis para a biota. Como sugeriram as evidências, os metais pesados apresentam velocidade de ciclagem consideravelmente mais lenta do que a dos nutrientes. Ou seja, a sua estocagem nos diversos compartimentos do ecossistema florestal (serapilheira, solo, vegetação, fauna, etc.) é mais lenta provavelmente em função de diferentes formas de metabolização destes poluentes pela biota.

Conclusões

A serapilheira produzida e a estocada sobre o solo no Maciço da Pedra Branca encontra-se com um conteúdo variável de metais pesados, depositados possivelmente por entradas atmosféricas oriundas da cidade do Rio de Janeiro. A concentração mais elevada foi para Zn e a menor para cromo, tanto na serapilheira recém-produzida como aquela estocada sobre o solo. A ciclagem destes metais no subsistema da serapilheira, à exceção do cromo, é lenta (maior que um ano) e evidências sugerem ser mais lenta do que a dos nutrientes, o que pode favorecer a sua acumulação e contaminação das cadeias alimentares do ecossistema.

Agradecimentos

Pelos comentários e sugestões, os autores são gratos ao prof. Norbert Miekeley do Depto. de Química da PUC-Rio e aos dois revisores anônimos deste periódico.

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  15 Jan 2024
• Data do Fascículo
  Jan-Nov 2005

Histórico

• Recebido
  15 Set 2003