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Oxigênio Dissolvido na Água Superficial
 
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Oxigênio Dissolvido na Água Superficial

Overview

Fonte: Laboratórios de Margaret Workman e Kimberly Frye - Universidade Depaul

As medições de oxigênio dissolvido (DO) calculam a quantidade de oxigênio gasoso dissolvido em águas superficiais, o que é importante para toda a vida respiratória de oxigênio nos ecossistemas fluviais, incluindo espécies de peixes preferidas para consumo humano (por exemplo, bluegill e baixo), bem como espécies decompor críticas à reciclagem de materiais biogeoquímicos no sistema.

O oxigênio dissolvido em lagos, rios e oceanos é crucial para os organismos e criaturas que vivem nele. À medida que a quantidade de oxigênio dissolvido cai abaixo dos níveis normais nos corpos d'água, a qualidade da água é prejudicada e as criaturas começam a morrer. Em um processo chamado eutrofização, um corpo de água pode se tornar hipóxico e não será mais capaz de suportar organismos vivos, tornando-se essencialmente uma "zona morta".

A eutrofização ocorre quando o excesso de nutrientes faz com que as populações de algas cresçam rapidamente em uma flor de algas. A flor de algas forma tapetes densos na superfície da água bloqueando duas entradas essenciais de oxigênio para a água: troca de gás da atmosfera e fotossíntese na água devido à falta de luz abaixo dos tapetes. À medida que os níveis de oxigênio dissolvidos diminuem abaixo da superfície, organismos respiradores de oxigênio morrem em grandes quantidades, criando um aumento na matéria orgânica. O excesso de matéria orgânica causa um aumento nas populações de decomposição respiratória de oxigênio na zona benthic, o que esgota ainda mais os níveis de oxigênio dissolvidos restantes durante a atividade de decomposição metabólica. Uma vez que os níveis de oxigênio se tornem tão baixos, as espécies móveis de respiração de oxigênio (por exemplo, peixes) se afastarão, não deixando vida aeróbica na água e criando uma zona morta.

O método de titulação Azide-Winkler usa titulação para determinar a concentração de um desconhecido em uma amostra. Especificamente, o tiossulfato de sódio é usado para titular iodo, que pode estar estequiometricamente relacionado com a quantidade de oxigênio dissolvido em uma amostra.

Principles

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O método Azide-Winkler é usado para medir o DO no local, onde a água superficial é coletada. Sulfato de manganês(II) e hidróxido de potássio são adicionados à amostra, e o oxigênio dissolvido na amostra oxida o manganês e forma um precipitado marrom. Azide é adicionado na forma de um reagente alcalino-azide comprado para corrigir a presença de nitritos, que são encontrados em amostras de águas residuais e podem interferir com o procedimento de oxidação winkler.

MnSO4 + 2 KOH arrow Mn(OH)2 + K2SO4

4 Mn(OH)2 + O2 + 2 H2O arrow 4 Mn(OH)3

O ácido sulfúrico é então adicionado para acidificar a solução, e o precipitado se dissolve. Nessas condições, o iodeto do reagente alcalino iodida-azide na solução é convertido em iodo.

2 Mn(OH)3 + 3 H2SO4 arrow Mn2(SO4)3 + 6 H2O

Mn2(SO4)3 + 2 KI arrow 2 MnSO4 + K2SO4 + 2 I2

O tiossulfato é então usado para titular o iodo na presença de um indicador de amido adicionado.

4 Na2S2O3 + 2 I2 arrow 2 na2S4o6 + 4 Nai

4 mols de S2O32-1 arrow mole de O2

No ponto final desta titulação, a solução azul ficará clara. A quantidade de oxigênio dissolvido na amostra é quantificada em proporção direta à quantidade de tiosulfato necessária para chegar ao ponto final.

X mL S2O3 arrow X mg/L O:

Equation 1

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Procedure

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1. Medição de oxigênio dissolvido da amostra

  1. No local de coleta de água, use uma pipeta calibrada para adicionar sulfato de 2 mL manganous a uma garrafa de BOD de 300 mL clara cheia com a água da amostra. Tenha cuidado para não introduzir oxigênio na amostra inserindo a ponta da pipeta sob a superfície da amostra e distribuindo cuidadosamente sulfato manganous. Isso evitará criar bolhas até que a amostra seja "fixada" e evitará mudanças na concentração de oxigênio dissolvida.
  2. Usando a mesma técnica, adicione 2 mL de reagente de iodeto alcalino-azide.
  3. Insira imediatamente a rolha, inclinando a garrafa ligeiramente e empurrando rapidamente a rolha no lugar para que nenhuma bolha de ar fique presa na garrafa.
  4. Inverta cuidadosamente várias vezes (sem criar bolhas de ar) para misturar. Um flocule (floc) se formará a partir de uma agregação precipitada de material com aparência nublada(Figura 1).
  5. Espere até que o floc na solução tenha resolvido. Novamente, inverta a garrafa várias vezes e espere até que o floc tenha se estabelecido. A amostra agora é fixada para evitar alterações no teor de oxigênio dissolvido, e pode ser transportada de volta para o laboratório e armazenada por até 8h, se necessário, em uma condição fria e escura.
  6. Se armazenar, as amostras devem ser seladas usando uma pequena quantidade de água deionizada esguichada ao redor da rolha, e a rolha deve ser enrolada em papel alumínio, presa com um elástico.
  7. Pipeta 2 mL de ácido sulfúrico concentrado na amostra, segurando a ponta da pipeta logo acima da superfície da amostra. Inverter cuidadosamente várias vezes para dissolver o floco(Figura 2).
  8. Em um frasco de vidro, e usando uma pipeta calibrada, titular 200 mL de água de amostra com tiossulfato de sódio padronizado de 0,025 N, girando e misturando continuamente até formar uma cor de palha pálida(Figura 3).
  9. Adicione 2 mL de solução indicadora de amido com um retirador e redemoinho para misturar. Uma vez adicionado o indicador de amido, a solução ficará azul(Figura 4).
  10. Continue a titulação, adicionando uma gota de cada vez até que uma gota dissipa o azul, causando o ponto final incolor. Certifique-se de adicionar cada gota de titrant cuidadosamente e misturar uniformemente cada gota antes de adicionar a próxima. Segurar a amostra contra um pedaço de papel branco pode ajudar a melhorar a visualização do ponto final.
  11. A concentração de DO é equivalente ao volume (mL) do titulante utilizado. Cada mililitro de tiossulfato de sódio adicionado à amostra de água equivale a 1 mg/L de oxigênio dissolvido.

Figure 1
Figura 1. Uma amostra após o reagente alcalino iodida-azide foi adicionada e misturada, mostrando a formação de floco no topo da amostra antes de se estabelecer.

Figure 2
Figura 2. Uma amostra com floco dissolvido após a adição de ácido sulfúrico.

Figure 3
Figura 3. Uma amostra após a adição de tiossulfato de sódio exibindo uma cor de palha pálida.

Figure 4
Figura 4. Uma amostra mostrando a cor azul após o indicador de amido é adicionada e misturada.

O oxigênio dissolvido é crucial para os ecossistemas de rios e lagos para suportar a vida aeróbica. O método de titulação Azide-Winkler permite quantificação da quantidade de oxigênio dissolvido em amostras de água superficial.

O oxigênio gasoso dissolvido na água superficial é necessário para a sobrevivência dos organismos que vivem nela; decompostores críticos à reciclagem de materiais biogeoquímicos no ecossistema, ou espécies de peixes preferidas para consumo humano. À medida que os níveis de oxigênio caem abaixo do normal nos sistemas de água, a qualidade da água é prejudicada e os organismos começam a morrer.

O método de titulação Azide-Winkler é um teste padrão para determinar a concentração de oxigênio dissolvido em uma amostra. O tiossulfato de sódio é usado para titular o iodo, que está estoquiometricamente relacionado com a quantidade de oxigênio dissolvido na amostra.

Este vídeo ilustrará os princípios por trás da quantificação de oxigênio dissolvida, o processo de realização da titulação Azide-Winker e a interpretação de medidas de oxigênio dissolvidas.

Eutrófica é a introdução do excesso de nutrientes em um ecossistema. Isso faz com que as populações de algas cresçam rapidamente em esteiras densas, conhecidas como flores de algas. Esses tapetes podem levar à hipóxia, ou baixos níveis de oxigênio, bloqueando a troca de gás na superfície, e evitar a fotossíntese bloqueando a luz solar. Organismos respiratórios de oxigênio começam a morrer, causando um aumento na matéria orgânica, o que, por sua vez, causa um aumento nos decompoentes dependentes de oxigênio, esgotando ainda mais os recursos de oxigênio. Finalmente, organismos móveis dependentes de oxigênio se afastam, deixando uma zona morta sem vida aeróbica.

Para testar o nível de oxigênio dissolvido em uma fonte de água, o método Azide-Winkler pode ser usado para medir oxigênio dissolvido diretamente no campo, ou amostras podem ser fixas e levadas ao laboratório para análise posterior.

Sulfato de manganês e hidróxido de potássio são adicionados à amostra, formando hidróxido de manganês. Isso reduz o oxigênio dissolvido, formando um precipitado marrom. O reagente de iodeto-azida alcalino é adicionado para corrigir a presença de nitratos encontrados em amostras de águas residuais que podem interferir no procedimento de oxidação.

O ácido sulfúrico adicionado acidifica a solução e dissolve o precipitado. Este novo composto oxida o iodeto do reagente alcalino iodo-azide ao iodo.

Em seguida, é adicionado um indicador de amido que ficará azul na presença de iodo. O tiossulfato, que transforma o iodo de volta em iodeto, é usado para titular o iodo. Quando a titulação estiver completa, a solução azul ficará incolor. A quantidade de oxigênio dissolvido na amostra é proporcional à quantidade de tiossulfato necessária para transformar a solução de azul para incolor.

Agora que estamos familiarizados com os princípios por trás da medição do oxigênio dissolvido em amostras de água, vamos dar uma olhada em como isso é realizado no campo e no laboratório.

O experimento começará no local da coleta. Primeiro, colete a água da amostra em uma garrafa de BOD de 300 ml. Em seguida, meça e regise a temperatura da água da fonte de água. Adicione cuidadosamente 2 mL manganous sulfato à amostra inserindo a ponta da pipeta sob a superfície da água e lentamente dispense para evitar a criação de bolhas.

Usando a mesma técnica, adicione 2 mL de reagente alcalino iodo-azide, e insira imediatamente a rolha, inclinando ligeiramente a garrafa para que nenhum ar fique preso na garrafa.

Inverta cuidadosamente várias vezes para misturar a solução, tomando cuidado para não criar bolhas de ar. Um precipitado se formará, causando uma aparência nublada. Deixe o precipitado na solução resolver, e depois misture bem invertendo a garrafa várias vezes antes de deixá-la se acomodar novamente. As amostras devem ser seladas usando uma pequena quantidade de água deionizada esguichada ao redor da rolha, depois enrolada em papel alumínio e fixada com um elástico. A amostra está agora fixada, e pode ser transportada de volta para o laboratório.

Uma vez que as amostras foram corrigidas, elas são transportadas para o laboratório para análise suplementar. Primeiro, segurando a ponta da pipeta logo acima da superfície da amostra, adicione 2 mL de ácido sulfúrico concentrado na amostra. Inverta várias vezes para dissolver o precipitado. Utilizando um frasco de vidro e pipeta calibrada, titular 200 mL da água da amostra pré-tratada com tiossulfato de sódio padronizado de 0,025 N, girando e misturando continuamente até formar uma cor de palha pálida.

Uma vez que a solução esteja colorida de palha, adicione gotículas de 1 mL de solução indicadora de amido e redemoinho para misturar. A solução ficará azul. Continue a titulação, adicionando uma gota de tiossulfito de sódio de cada vez e misturando lentamente usando uma barra de mexida até que o azul se dissipe e a solução se torne incolor. Segure a amostra contra um pedaço de papel branco para melhorar a visualização. Registo o volume de thiosulfate adicionado.

A concentração de oxigênio dissolvido é proporcional ao volume de tiossulfato de sódio adicionado à amostra. Cada mililitro adicionado equivale a 1 mg/L, ou partes por milhão, oxigênio dissolvido.

A quantidade máxima de oxigênio que pode ser dissolvida na água varia de acordo com a temperatura da água. As medidas de oxigênio dissolvidas em mg/L são convertidas em porcentagem de saturação usando temperatura da água e um gráfico de conversão. A saturação de 91 a 110% de oxigênio dissolvido é considerada excelente; entre 71 e 90% é bom, 51-70% é justo, e abaixo de 50% é ruim.

Níveis de oxigênio dissolvidos de 6 mg/L são suficientes para suportar a maioria das espécies aquáticas. Níveis abaixo de 4 mg/L são estressantes para a maioria dos animais aquáticos, por isso a biodiversidade será afetada. A água que contém menos de 2 mg/L de oxigênio dissolvido não suportará vida aquática aeróbica.

A capacidade de quantificar a quantidade de oxigênio dissolvido em uma fonte de água também tem métodos alternativos, e muitas aplicações práticas relevantes. Algumas delas são exploradas aqui.

Oxigênio e temperatura dissolvidos também podem ser medidos usando um monitor LabQuest portátil com sondas de oxigênio e temperatura dissolvidas. Para oxigênio dissolvido, conecte a sonda ao canal 1. As unidades devem estar em mg/L. Submergir a sonda na amostra de água, circulando a sonda lentamente através da amostra para evitar o consumo de oxigênio em uma área localizada. Quando as leituras aparecerem para estabilizar, regissuça o valor.

A maioria dos peixes requer níveis moderados a bons de oxigênio dissolvido em seus habitats para prosperar e se reproduzir. Para fazendas de peixes, que podem ocupar lagos ou córregos naturais ou feitos pelo homem, ser capaz de testar níveis de oxigênio dissolvidos pode ajudar os gerentes da fazenda a escolher um bom local inicial de configuração, ou para acompanhar a saúde de suas piscinas ou córregos.

O monitoramento do oxigênio dissolvido também pode ser útil para o manejo e conservação do habitat. Se uma região do lago ou rio contém flora ou fauna protegida ou ameaçada, o monitoramento dos níveis de oxigênio dissolvido pode dar uma indicação da saúde do ecossistema. Se os níveis mudarem rapidamente, isso pode indicar perigo para as espécies protegidas, e pode indicar que uma estratégia de intervenção de manejo deve ser implementada.

A Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos, a EPA, sugere uma série de medidas para corrigir os níveis de oxigênio dissolvidos nos ecossistemas. Estes incluem o uso correto e mínimo de fertilizantes, tratamento adequado de águas residuais, não descarregar esgoto de barcos e preservar rios adjacentes, córregos e pântanos. Reduzir os óxidos de nitrogênio minimizando o uso de eletricidade e automóveis e escolhendo motores de barco mais eficientes também pode ajudar a manter os níveis de oxigênio dissolvidos adequados nos recursos hídricos.

Você acabou de assistir a introdução de JoVE para medir oxigênio dissolvido em águas superficiais. Agora você deve entender os princípios por trás da medição de oxigênio dissolvida, como quantificar oxigênio dissolvido em suas próprias amostras de água, e como interpretar suas descobertas e suas implicações para o meio ambiente. Obrigado por assistir!

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Results

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Um nível de oxigênio dissolvido de 6 mg/L é suficiente para a maioria das espécies aquáticas. Níveis de oxigênio dissolvidos abaixo de 4 mg/L são estressantes para a maioria dos animais aquáticos. Níveis de oxigênio dissolvidos abaixo de 2 mg/L não suportarão vida aquática aeróbica(Figura 5).

A quantidade máxima de oxigênio que pode ser dissolvida na água varia de acordo com a temperatura(Tabela 1).

As medidas do em mg/L são convertidas em % saturação utilizando a temperatura da água e o gráfico de conversão abaixo (Figura 6).

NÍVEIS DE OXIGÊNIO DISSOLVIDOS (% SATURAÇÃO)
Excelente: 91 – 110
Bom: 71 – 90
Feira: 51 – 70
Pobre: < 50

Figure 5a
Figura 5. As medidas do são convertidas em % saturação usando a temperatura da água. A temperatura da água no eixo horizontal superior e o valor DO medido no eixo horizontal inferior. Use uma régua para desenhar uma linha entre os dois valores e registrar onde a linha encontra o eixo diagonal médio para % de saturação.

Figure 5
Figura 6. Um nível de oxigênio dissolvido de 6 mg/L é suficiente para a maioria das espécies aquáticas. Níveis de oxigênio dissolvidos abaixo de 4 mg/L são estressantes para a maioria dos animais aquáticos. Níveis de oxigênio dissolvidos abaixo de 2 mg/L não suportarão peixes e abaixo de 1 mg/L não suportarão a maioria das espécies.

Temperatura(°C) DO (mg/L) Temperatura(°C) DO (mg/L) Temperatura(°C) DO (mg/L) Temperatura(°C) DO (mg/L)
0 14.60 11 11.01 22 8.72 33 7.16
1 14.19 12 10.76 23 8.56 34 7.16
2 13.81 13 10.52 24 8.40 35 6.93
3 13.44 14 10.29 25 8.24 36 6.82
4 13.09 15 10.07 26 8.09 37 6.71
5 12.75 16 9.85 27 7.95 38 6.61
6 12.43 17 9.65 28 7.81 39 6.51
7 12.12 18 9.45 29 7.67 40 6.41
8 11.83 19 9.26 30 7.54 41 6.41
9 11.55 20 9.07 31 7.41 42 6.22
10 11.27 21 8.90 32 7.28 43 6.13

Mesa 1. Quantidades máximas de oxigênio que podem ser dissolvidas na água pela temperatura.

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Applications and Summary

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Rios em movimento lento são particularmente vulneráveis a baixos níveis de DO, e em casos extremos, esses níveis de DO podem levar a condições hipóxiis, criando "zonas mortas" onde a vida aeróbica não é mais suportada por um corpo d'água(Figura 7). Uma vez que plantas e animais morrem, o acúmulo de sedimentos que ocorre também pode elevar o leito do rio, permitindo que as plantas colonizem sobre a água e possam levar à perda do rio todos juntos(Figura 8). As águas superficiais em altitudes mais altas também são mais vulneráveis a baixos níveis de DO, à medida que a pressão atmosférica diminui com o aumento da altitude, e menos gás oxigênio é suspenso na água.

Baixos níveis de DO suportam formas de vida consideradas desagradáveis ou impróprias para uso humano, incluindo sanguessugas e vermes aquáticos(Oligochaeta).

Figure 6
Figura 7. Mapa de concentrações de oxigênio dissolvidas através da prateleira da Louisiana mostrando a região da zona morta.

Figure 7
Figura 8.  Fotografia do Mar Cáspio mostrando severa eutrofização no extremo norte.

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