Estudo dos processos de remoção de poluentes atmosféricos e utilização de bioindicadores na Região Metropolitana de Porto Alegre, RS

Abstract

A precipitação atmosférica é considerada um importante processo de remoção de poluentes da atmosfera. A caracterização química desta matriz ambiental pode indicar a presença de espécies inorgânicas proveniente de fontes naturais e antrópicas de uma determinada região. O presente trabalho foi realizado em três locais da Região Metropolitana de Porto Alegre (RMPA), no Sul do Brasil: Porto Alegre, Canoas e Sapucaia do Sul. Onde o crescimento das atividades urbano-industriais tem provocado um significativo aumento das emissões de poluentes para a atmosfera. A análise da caracterização química da precipitação úmida foi determinada por diferentes técnicas quantitativas: íons maiores por cromatografia iônica, elementos metálicos (Espectrometria de Emissão por Plasma - ICP/AES), razões isotópicas de Pb, Difratometria de Raios-X (DRX) e Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), com sistema EDS (Energy Dispersive Sistem). Além disso, foi realizado também um biomonitoramento com a espécie Lolium multiflorum Lam. Gramineae, somente para 2007, a fim de relacionar estes resultados com os dados dos parâmetros químicos da precipitação úmida da região estudada. Nesta parte do presente estudo foi selecionado um local controle, em Porto Alegre. Os resultados da integração dos dados do biomonitoramento com os dados de precipitação úmida mostraram que os íons Cl-, Na+, SO4 2-, NH4 + e Ca2+ apresentaram as maiores taxas de deposição, o que representou um elevado fator de enriquecimento para os íons Ca2+, K+ e SO4 2-. Os elementos metálicos Zn, Fe e Mn apresentam as maiores taxas de deposição na maioria dos meses estudados. Os parâmetros que avaliaram o biomonitoramento, atividade da enzima nitrato redutase, teor de enxofre e acúmulo de metais na área foliar da espécie Lolium multiflorum, mostraram-se mais significativos nas estações de amostragens Sapucaia e Canoas. A análise de cluster foi aplicada para integrar os resultados do biomonitoramento e da precipitação úmida, indicando a formação de dois agrupamentos distintos: Cluster 1 identificou os meses menos chuvosos e locais de exposição que não apresentaram valores elevados das variáveis analisadas, tanto no biomonitoramento como na precipitação úmida, incluindo a estação Porto Alegre/Controle. Entretanto, o cluster 2 caracterizou-se pela correlação entre os meses que mostraram as maiores taxas de pluviometria, o maior acúmulo de elementos metálicos e o mais elevado teor de enxofre na espécie de L. multiflorum, e as maiores taxas de deposição de elementos metálicos e íons maiores nas amostras de precipitação úmida da região estudada. A precipitação atmosférica de uma determinada região pode indicar alterações em bioindicadores acumulativos, principalmente para elementos metálicos, como a espécie L. multiflorum. Os resultados da composição química da precipitação úmida dos locais estudados, durante o período de 2005 a 2007, apresentaram como íons predominantes NH4 +, SO4 2- e Ca2+. O pH apresentou um valor médio de 5,97 +/- 0,5. Foram identificadas origens naturais e antrópicas na região estudada, através da aplicação de análises estatísticas multivariadas. Observam-se como fontes naturais aerossóis marinhos (Na+, Cl- e Mg2+) e partículas da crosta terrestre (Ca2+ e Mn). E a origem antrópica foi identificada pela presença de NO3 -, SO4 2-, NH4 +, Fe, Cu e Ni, e em menor proporção H+ e F- , proveniente de atividades industriais como refino de petróleo, siderurgia, fertilizantes, termoelétricas e também emissões veiculares. O predomínio da contribuição antrópica proveniente de emissões veiculares e de atividades siderúrgicas, presentes na região estudada, pode ser identificado pelas assinaturas isotópicas de 208Pb/207Pb e 206Pb/207Pb analisadas na precipitação úmida e material particulado suspenso da RMPA. Outra parte importante do presente trabalho foi à aplicação de modelos numéricos no estudo dos processos de remoção de SO4 2- que podem ocorrer dentro e abaixo da nuvem na região estudada. Foram aplicados dois modelos, o BRAMS (Brazilian Regional Atmospheric Modeling System) para simular a estrutura vertical das nuvens e o modelo de remoção B. V. 2 (Below-Cloud Beheng, versão 2) para calcular as concentrações de SO2 e SO4 2- que podem ocorrer na remoção úmida dentro (rainout) e abaixo da nuvem (washout). As concentrações de SO4 2- medidas experimentalmente na precipitação úmida e a concentração de SO2 no ar foram utilizadas como dados na modelagem. Os resultados modelados para a remoção de SO4 2- demostraram uma boa concordância (r=0,73) com os valores observados experimentalmente na precipitação úmida dos locais estudados. E também foi observada uma predominância dos processos de remoção que ocorrem dentro da nuvem como sendo os responsáveis por cerca de 70 a 90% da concentração de SO4 2- encontrada na água de chuva, sendo corroborados por dados encontrados na literatura.

The atmospheric precipitation is considered one of the most important scavenging processes of pollutants from the atmosphere. The chemical characterization of this environmental matrix may indicate the presence of inorganic species from natural and anthropogenic sources in a determined region. This study was conducted in three cities in the Metropolitan Area of Porto Alegre (MAPA), in southern Brazil: Porto Alegre, Canoas and Sapucaia do Sul. The growth of urban-industrial activities in this region has caused a significant increase in emissions of pollutants to the atmosphere. The analysis of the chemical characterization of wet precipitation was determined by different quantitative techniques: major ions by ion chromatography, metallic elements (by Inductively Coupled Plasma - ICP/AES), Pb stable isotope ratio, X-ray diffraction (XRD) and Scanning Electron Microscopy (SEM), with EDS (Energy Dispersive System). Moreover, a biomonitoring with Lolium multiflorum Lam Gramineae species has been realized for 2007 in order to relate these results to data from chemical parameters of wet precipitation in the region studied. For this part of the study a control site was selected in Porto Alegre. The results of the integration of data from biomonitoring with wet precipitation data showed that the ions Cl-, Na+, SO4 2-, NH4 + and Ca2+ had the highest rates of deposition, which represented a high enrichment factor for the ions Ca2+, K+ and SO4 2-. The metallic elements Zn, Fe and Mn have the highest rates of deposition in most of the months studied. The parameters evaluating the biomonitoring, activity of the enzyme nitrate reductase, sulfur and accumulation of metals in leaf samplers of L. multiflorum, were more significant in the sampling stations Sapucaia and Canoas. The cluster analysis was applied to integrate the results of biomonitoring and wet precipitation, indicating the formation of two distinct groups: Cluster 1 identified the less rainy months and sites of exposure that did not show high values of variables, both in biomonitoring and in wet precipitation, including the station Porto Alegre/Control. However, the cluster 2 was characterized by the correlation between the months that showed the highest rates of rainfall, the largest accumulation of metallic elements and high sulfur content in the species of L. multiflorum, and higher deposition rates of metallic elements and major ions in samples of wet precipitation in the region studied. It was shown that the atmospheric precipitation in a region may indicate changes in accumulative bioindicators, especially for metallic elements, such as species L. multiflorum. The results of the chemical composition of wet precipitation at the studied sites during the period 2005 to 2007 presented as predominant ions NH4 +, SO4 2- and Ca 2+. The pH presented an average of 5.97 ± 0.5. Natural and anthropogenic sources in the studied region were identified by the application of multivariate statistical analysis. As natural sources from marine aerosols observes Na+, Cl- and Mg2+ as well as Ca2+ and Mn for soil of origin respectively. The anthropogenic sources were identified by the presence of NO3 -,SO4 2-, NH4 +, Fe, Cu and Ni and to a lesser extent H+ and F-, from industrial activities as oil refinery, steel production, fertilizers, coal-fired power plants and vehicular emissions. The dominance of the anthropogenic emissions from vehicles and industrial activities, present in the studied region, can be identified by the isotopic signatures of 208Pb/207Pb and 206Pb/207Pb analyzed in wet precipitation and suspended particulate material of the MAPA. Another essential part of this work is characterized by the application of numerical models in the study the scavenging processes of SO4 2- that can occur in-cloud and below-cloud in the region studied. Two models were applied: The BRAMS (Brazilian Regional Atmospheric Modeling System) to simulate cloud vertical structure and model B. V. 2 (Below-Cloud Beheng, version 2) to calculate the concentrations of SO2 and SO4 2- that occur in-cloud and below-cloud in the event of rainfall. The experimentally observed concentrations of SO4 2- in wet precipitation and concentration of SO2 in the air were used as modeling data. The modeled results for the removal of SO4 2- showed a good correlation (r = 0.73) with the experimentally observed values of wet precipitation in the studied sites. There was also a predominance of in-cloud scavenging processes responsible for about 70 to 90% of the concentration of sulfate in rainwater, corroborating data in the literature.