Mineralização De Carboidratos Durante A Decomposição De Três Espécies De Macrófitas Aquáticas

MINERALIZAÇÃO DE CARBOIDRATOS DURANTE A DECOMPOSIÇÃO DE TRÊS ESPÉCIES DE MACRÓFITAS AQUÁTICAS

CAMPOS JR., J.J.F.1 & BIANCHINI JR., I.2

No presente trabalho discute-se a mineralização de carboidratos ocorrida durante a decomposição anaeróbia de três espécies de macrófitas aquáticas, Scirpus cubensis, Cabomba piauhyensis e Salvinia sp. Para a realização do experimento foram montadas câmaras de decomposição nas quais foram adicionadas 4 g de planta (peso seco) em 1 litro de água. Para cada espécie foram montadas 20 câmaras para cada espécie de macrófita, sendo que em 10 foi borbulhado nitrogênio, e nas outras 10 hidrogênio de modo a se obter meios neutros e redutores de decomposição anaeróbia. Com base nos resultados obtidos, foi possível determinar: C. piauhyensis lixiviou a maior quantidade de carboidratos (85.7 % do carboidrato total), seguida por S. cubensis (79 %) e por Salvinia sp. (62.8 %). Com relação mineralização de carboidratos da CP, Salvinia sp. mostrou os maiores teores (37.2 % da CP), seguida por S. cubensis (21 %) e C. piauhyensis ( 14.3 %).

CARBOHYDRATES MINERALIZATION AT THE ANAEROBIC DECOMPOSITION OF THREE AQUATIC MACROPHYTES. This paper presents the preliminary results of a study about the anaerobic decomposition of three species of aquatic macrophytes, Scirpus cubensis, Cabomba piauhyensis e Salvinia sp. For this experiment two decomposition chamber were assembled for each macrophyte, one of then was burbled with hidrogen, and the other with nitrogen to have neutral and acid anaerobic environments. Cabomba piauhyensis has the higher carbohydrates solubilization (85.7 %), followed by Scirpus cubensis (79 %) and Salvinia sp. (62.8 %). About the carbohydrates mineralization, Salvinia sp. has the higher values (37.2 %), followed by S. cubensis (21 %) and C. piauhyensis ( 14.3 %). CAMPOS JUNIOR, J. J. F.; BIANCHINI JUNIOR, Irineu . Mineralização de Carboidratos Durante a Decomposição de Três Espécies de Macrófitas Aquáticas. In: VI Congresso Brasileiro de Limnologia, 1997, São Carlos. Livro de Resumos do VI Congresso Brasileiro de Limnologia, 1997. v. 1. p. 97-97.

INTRODUÇÃO

Os carboidratos são importantes constituintes da matéria orgânica vegetal sendo importantes integrantes da matéria orgânica dissolvida, podendo se apresentar na forma livre de monossacarídeos, ou na forma combinada de dissacarídeos ou polissacarídeos, sendo que estes últimos, por estarem polimerizados tem um tempo de residência maior que os monossacarídeos, que pode ser prontamente utilizados. Dentre os carboidratos presentes na vegetação, a celulose de constitui no mais abundante por sua utilização na estrutura das células 1

PPG -RN / UFSCar : Universidade Federal de São Carlos, Via Washington Luís, Km 235, Caixa Postal 676, São Carlos, SP. Cep 13565 - 905, SP. [email protected] 2 DHB / UFSCar, SP. [email protected]

vegetais. Sua degradação gera basicamente três produtos: 1) Material celular bacteriano; 2) Mucilagem celular polissacarídea e 3) Produtos metabólicos finais (CO2, em condições aeróbias, e metano, alcalis e ácidos orgânicos em condições anaeróbias), Hofsten et alli, (1972); Bianchini Jr., (1982); Wetzel (1983); Nordi (1993). Após a quebra de polissacarídeos a dissacarídeos, ou monossacarídeos, por hidrólise, a degradação de carboidratos pode ocorrer pela via anaeróbia (fermentação) ou aeróbia (oxidação). Uma vez convertidos em monômeros, os carboidratos são então quebrados a estruturas mais simples de várias formas, podendo-se citar duas vias: 1) A Emden-MeyerhofParnas, mais longa via glicólise e fermentação alcoólica gerando glicerol, e 2) A via das pentoses fosfatos, via oxidação. Um importante composto gerado pela via de EmdenMeyerhof-Parnas é o ácido pirúvico, importante no metabolismo, sendo convertido a ácido láctico, ácido acético, amino-ácido, ácido oxalacético, acetaldeido e etanol, via fermentação, ou a CO2 e água via oxidação. ( Bianchini Jr., 1982; Antônio, 1996). Dentre as várias funções exercidas pelos carboidratos em sistemas aquáticos citam-se: atuam como apoio estrutural e material de reserva nas macrófitas aquáticas, aumentam a viscosidade da água por fitoplâncton para redução de seu coeficiente de afundamento.(Toledo et alli, 1976; Soares, F. S, 1992; Antônio, 1996) Este trabalho apresenta os resultados de um experimento que teve como objetivo verificar a dinâmica de mineralização de carboidratos durante a decomposição anaeróbia de três plantas aquáticas: Scirpus cubensis, Cabomba piauhyensis e Salvinia sp, representantes das comunidades de macrófitas emergentes, submersas e flutuantes, respectivamente, de uma lagoa marginal da rio Mogi-Guaçu. MATERIAIS E MÉTODOS As plantas utilizadas foram coletadas na Lagoa do Infernão (21o 35’ S e 47o 51’ W), situada na Estação Ecológica de Jataí, município de Luiz Antônio, ( Estado de São Paulo). A Lagoa do Infernão faz parte de um conjunto de 15 lagoas que se localizam na planície de inundação do Rio Mogi-Guaçu, no trecho referente a estação ecológica. Constitui-se de uma lagoa de infiltração que se conecta ao rio somente durante as épocas de maior precipitação (vazão), Fig. 1. Após coletadas, as macrófitas: Scirpus cubensis, Cabomba piauhyensis e Salvinia sp foram lavadas no próprio local. Foram levadas ao laboratório, lavadas novamente com água corrente e secas em estufa ( 40 oC), até peso constante. Foram então colocadas (em pedaços), exceto Salvinia sp., que por seu pequeno tamanho foi colocada inteira, em câmaras de decomposição. Estas se constituíram de frascos de vidro com volume aproximado de 500 ml. A proporção utilizada foi de 10g de planta para cada litro de água da Lagoa do Infernão. Foram montadas um total de 60 câmaras da seguinte forma: 20 câmaras para cada espécie de macrófita, sendo que em 10 foi borbulhado nitrogênio, e nas outras 10 hidrogênio de modo a se obter meios neutros e redutores de decomposição anaeróbia.

Figura 1: Lagoa do Infernão, Estação Ecológica de Jataí

Foram feitas amostragens das câmaras a 1, 3, 5, 10, 15, 20, 30, 60, 90 e 120 dias. A cada amostragem Foram desmontadas duas câmaras de cada espécie, uma em que foi borbulhado nitrogênio e uma em que foi borbulhado hidrogênio, num total de 6 câmaras. Durante o procedimento de desmontagem das câmaras, a matéria orgânica particulada (MOP) foi separada da água e matéria orgânica dissolvida (MOD) através de filtragem com malha de náilon ( 0.4 mm). Foi também feita a medição do pH das câmaras durante a sua desmontagem. Para a estimativa do teor de carboidratos solúveis da MOP , foi feita extração a quente com oxalato de amônio, a MOD foi separada de partículas mais finas de MOP , não separadas no processo de filtração, por centrifugação (978.25 g ). Foi então utilizado colorimetria pelo método fenol-ácido sulfúrico para a determinação dos teores de carboidratos do particulado

(CP) e do dissolvido (CD), utilizando-se espectrofotômetro a 490 nm, comparando-se o resultado a curva padrão previamente traçada com glicose. Os dados obtidos foram então analisados com a ajuda de modelagem matemática. O modelo utilizado admite que: 1) O detrito se constitui de uma fração lábil (CPL) e de uma fração refratária (CPR). 2) A CPL origina o carboidrato dissolvido lábil (CPL), tendo uma fração oxidada no processo. A formação de CDL, assim como a oxidação da CPL ocorrem segundo um coeficiente k1. Este coeficiente corresponde ao coeficiente de decaimento global de CPL e

também á soma dos coeficientes de dissolução de carboidratos (k1d) e de mineralização da CPL (k1m). 3) O CDL origina por sua vez carboidratos dissolvidos refratários (CDR) tendo uma fração oxidada no processo. Ambos os processo ocorrem segundo um coeficiente k2 que corresponde ao decaimento global de CDL assim como á soma dos coeficientes de formação de CDR (k2r) e de mineralização do CDL (k2m) 4) As frações de CPR são mineralizadas segundo um coeficiente k3. O modelo admite também que as reações que regem as cinéticas os processos durante a mineralização de carboidratos são de primeira ordem. Um diagrama esquemático do modelo utilizado está representado na (Fig. 2). (Levenspiel, O. 1972; Bianchini Jr. 1982) RESULTADOS Os resultados obtidos permitiram observar que a principal rota de mineralização seguida pelos carboidratos de Cabomba piauhyensis , Scirpus cubensis e Salvinia sp. foi via a formação de carboidratos dissolvidos lábeis (lixiviação) e a subsequente formação de carboidratos dissolvidos refratários a partir dos lábeis. Destes processos, a lixiviação foi a mais rápida, sendo que a mineralização de carboidratos a partir da fração refratária do detrito foi o processo mais lento. Dentre todas as plantas, Cabomba piauhyensis apresentou o maior teor de carboidratos na planta ( 22,22 mg/g de peso seco de planta ), seguida por Scirpus cubensis (12,84 mg/g) e Salvinia sp. (12,68 mg/g). Os resultados obtidos estão apresentados na TAB. I. Pode-se observar que, nos detritos, dentre todas as plantas Salvinia sp. apresentou os maiores teores de CPR ( 32.45 % ), enquanto que na fração lábil (CPL) Scirpus cubensis obteve os maiores teores ( 85.7 % ), não havendo distinção entre os meios de decomposição utilizados. As analises indicaram também que no dissolvido, em relação ao teores iniciais nas plantas, Cabomba piauhyensis apresentou os maiores teores médios de carboidratos ( 14.55 % no CDL e 4.38 % no CDR). Com relação aos meios utilizados, o meio com hidrogênio tendeu a apresentar os maiores teores de CDL em Scirpus cubensis ( 4.96 % ) e em Salvinia sp. ( 2.96 % ), assim como no CDR ( 1.5 % em Scirpus cubensis e 0.66 % em Salvinia sp.).

Os coeficientes k1, k2 e k3 foram maiores, em média, em Scirpus cubensis ( k1 = 2.46 , k2 = 0.246 e k3 = 0.109 ). Dentre os meios utilizados, o meio com hidrogênio apresentou os maiores de k1, k2 e k3 em Scirpus cubensis ( k1 = 2.856 ), em Salvinia sp. ( k1 = 1.227 e k2 = 0.109 ) e em Cabomba piauhyensis (k2 = 0.205 e k3 = 0.009 ). Os valores de pH medidos na desmontagem das câmaras podem ser vistos na tabela II e figura 3. Dentre as plantas, Cabomba piauhyensis apresentou o menor valor médio ( 5.54 ), seguida por Scirpus cubensis ( 6.41 ) e Salvinia sp. ( 7.55 ). O meio com hidrogênio apresentou os menores valores variando entre 5.54 ( Cabomba piauhyensis ), 6.41 ( Scirpus cubensis ) e 7.55 ( Salvinia sp. ), enquanto que no meio com nitrogênio apresentou valores

Figura 2 :Diagrama esquemático do processo de mineralização dos carboidratos dos detritos de Cabomba piauhyensis , Scirpus cubensis ,e Salvinia sp.. Todos os valores em % de carboidratos, exceto k1, k2 e k3 (dias -1 )

pouco maiores ( 5.59 em Cabomba piauhyensis, 6.55 em Scirpus cubensis e 7.56 em Salvinia sp. )

Espécie

Atmosfera CPR e CPRM Cabomba piauhyensis hidrogênio 14.3 nitrogênio 14.3 Scirpus cubensis hidrogênio 21 nitrogênio 21 Salvinia sp. hidrogênio 32.45 nitrogênio 32.45

CPL CPLM

CDL

CDLM

CDR

k1

k2

k3

85.7 85.7 79 79 67.55 67.55

3.41 25.7 4.96 3.56 2.96 2.8

0.12 20.2 3.46 2.95 2.3 2.3

3.29 5.5 1.5 0.61 0.66 0.5

1.5 1.620 2.856 2.074 1.227 0.816

0.205 0.102 0.241 0.252 0.109 0.066

0.009 0.007 0.009 0.209 0.442 0.149

82.29 67 74.04 75.44 64.59 64.75

Tabela I : Relação dos resultados obtidos para o modelo cinético do processo de mineralização de carboidratos. (k1 , k2 e k3 em dias-1, demais em % de carboidratos)

Dias 0 1 3 5 10 15 20 30 60 90 120

Cabomba piauhyensis nitrogênio hidrogênio 7.07 7.07 5.04 5.1 5.26 4.84 5.43 5.03 5.09 4.97 4.88 5.01 4.89 4.93 4.75 4.71 4.61 4.57 4.46 4.43 4.46 4.3

Scirpus cubensis nitrogênio hidrogênio 7.07 7.07 5.45 5.38 5.8 5.37 5.16 5.54 5.36 5.24 6.43 5.57 6.1 5.19 6.06 6.11 5.92 5.54 6.29 5.9 5.91 5.95

Tabela II :Valores de pH das câmaras de decomposição.

Salvinia sp. nitrogênio hidrogênio 7.07 7.07 6.88 6.93 6.9 6.81 6.58 6.69 6.84 6.89 6.83 7.01 7 6.9 6.77 6.81 6.8 6.83 6.94 6.82 6.96 6.88

100 8

8100

(A)

(A)

(B)

(B)

Hidrogênio

80 7

Nitrogênio

80

pH (%) Carboidratos

Carboidratos (%) pH

7

60 6 40

20 5

60 6

40

5 20

0

0

4

4 0

20

40

60

80

100

120

0 0

20 20

Tempo (dias)

830

25

60 60

80 80 100100 120120

Tempo Tempo (dias) (dias)

30

(C)

(C)

40 40

Hidrogênio

(D)

25

Nitrogênio

20

Carboidratos (%)

pH (%) Carboidratos

7

15

6

10

5

5 0

20 15 10 5 0

4 0

0

20 20

40 40

60 60 80 80 Tempo (dias) Tempo (dias)

100 100 120120

0

20

40

60

80

100

120

Tempo (dias)

Figura 4: Cinéticas de mineralização dos carboidratos de Cabomba piauhyensis nas atmosferas de hidrogênio e nitrogênio: A e B, decaimento de carboidratos particulados (CP) e ajuste de Modelo de Figura 3 : Variação do pH durante o experimento com Cabomba piauhyensis (A), Scirpus cubensis (B) decaimento; C e D, formação de carboidratos dissolvidos (CD) e ajuste dos modelos ( dados de e Salvinia sp. (C). (  meio com nitrogênio,  meio com hidrogênio) laboratório;  ajustes dos modelos)

160

160

120

Hidrogênio

120

(A)

60

80 60 40

Hidrogênio

40 20

20

Carboidratos (%)

Carboidratos (%)

80

100

(B)

100

140

100

(B)

60

80 60 40

0 0

40 20 0

0 0 20

2040

4060

6080

80100 100 120 120

0

0 20

6

6

5

5

2

(C) (C)

Hidrogênio Hidrogênio

4 3 2

1

1

0

0 0

0 20

2040

4060

6080

80100 100 120 120

Tempo Tempo (dias)(dias)

7

7

6

6

5

5

4 3 2

Carboidratos (%)

7

2040

4060

6080

80100 100 120 120

Tempo Tempo (dias)(dias)

Teor de Carboidratos (%)

7

Carboidratos (%)

Carboidratos (%)

Tempo Tempo (dias)(dias)

3

Nitrogênio

20

0

4

Nitrogênio

80

Carboidratos (%)

140

Carboidratos (%)

(A)

100

(D) (D)

Nitrogênio Nitrogênio

4 3 2

1

1

0

0 0

0 20

2040

4060

6080

80100 100 120 120

Tempo Tempo (dias)(dias)

Figura Figura 6: Cinéticas 5: Cinéticas de mineralização de mineralização dos carboidratos dos carboidratos de Salvinia de spScirpus nas atmosferas cubensisdenas hidrogênio atmosferas e de nitrogênio: hidrogênio A e eB,nitrogênio: decaimentoAdee carboidratos B, decaimento particulados de carboidratos (CP) eparticulados ajuste de Modelo (CP) de e ajuste decaimento; de Modelo C de e D, formação de carboidratos dissolvidos (CD) e ( ajuste dosdemodelos ( dados e D,decaimento; formação deC carboidratos dissolvidos (CD) e ajuste dos modelos dados laboratório;  de ajustes laboratório; dos modelos)  ajustes dos modelos)

DISCUSSÃO Com base nos resultados obtidos, foi possível determinar a ocorrência de maior solubilização de carboidratos a partir do detrito da planta por parte de Cabomba piauhyensis, seguida por Scirpus cubensis e Salvinia sp, ocorrendo o mesmo com a taxa k1. Isto ocorreu provavelmente em função da estrutura da C. piauhyensis, que por ser uma planta submersa, não necessita de tecidos de sustentação tão lignificados quanto S. cubensis e mesmo Salvinia sp, proporcionando uma mais rápida disponibilização de carboidratos para o meio aquoso durante a decomposição. Do mesmo modo, seria esperado Salvinia sp uma maior solubilização por parte de Salvinia sp. em relação a S. cubensis, cabe ressaltar entretanto que enquanto Salvinia sp. foi utilizada inteira nas câmaras de decomposição, Scirpus cubensis foi utilizado em pedaços. Desta forma a proporção entre tecidos de sustentação lignificados e raízes, constituídos por tecidos mais propensos a decomposição, foi menor nas câmaras com Scirpus cubensis, que por ser colocada em pedaços, teve uma distribuição mais uniforme entre do dois tipos de tecidos vegetais, permitindo a obtenção de teores de carboidratos dissolvidos maiores que Salvinia sp. Ainda com relação á Salvinia sp., cabe ressaltar que esta não se adequou ao método de extração utilizado, apresentando teores de carboidratos no material particulado maiores que o inicial após os primeiros dias do experimento, o que vem a apoiar a suposição de que sua estrutura aérea seja proporcionalmente maior que a de S. cubensis, permitindo uma grande disponibilização de carboidratos no material particulado, para o método de análise utilizados, após alguns dias de decomposição. Devido a isto, não foi possível ajustar as equações do modelo matemático para se obter valores do coeficiente de mineralização a partir do particulado refratário (k3), que foi maior em S. cubensis que em Cabomba Piauhyensis. Do mesmo modo que os valores de k1 acompanharam o de carboidratos, supõe-se que k3 tenha acompanhado o padrão de mineralização de carboidratos do particulado refratários, que foram maiores em Salvinia sp. seguida por Scirpus cubensis e por Cabomba Piauhyensis, de forma inversa ao padrão de solubilização. Com relação a distribuição dos teores de compostos dissolvidos refratários formados no final do processo, Cabomba piauhyensis apresentou os maiores teores, seguida por Scirpus cubensis e por Salvinia sp. Esta distribuição pode ser explicada em função da distribuição observada para carboidratos dissolvidos, similar a esta, e disponíveis para a metabolização por microorganismos, de modo que, Cabomba piauhyensis por ter gerado maiores teores de carboidratos dissolvidos, permitiu a formação de maiores teores de compostos dissolvidos refratários. Os meios de decomposição utilizados também apresentaram diferenças, tendo o meio em que foi borbulhado hidrogênio apresentado as maiores taxas de formação de CDL e CDR (k1 e k2 respectivamente) e maiores teores de CDR. Entretanto os meios em que foi borbulhado nitrogênio permitiram maiores taxas de mineralização de carboidratos a partir da CPL e também teores maiores de CDL, demonstrando que o meio ácido favoreceu a formação

de compostos dissolvidos refratários no final da decomposição, enquanto que o meio neutro favoreceu a manutenção de carboidratos dissolvidos, disponíveis para microorganismos.

CONCLUSÕES Com base nos resultados obtidos, foi possível concluir que: 1) A macrófita submersa Cabomba piauhyensis é mais rapidamente decomposta, diponibilizando carboidratos para o meio aquático em menos tempo que Scirpus cubensis e Salvinia sp., tendo também maior contribuição na formação de compostos dissolvidos refratários. 2) A distribuição uniforme de tecidos resistentes a decomposição e de tecidos mais frágeis na macrófita emergente Scirpus cubensis permite que esta libere carboidratos de maneira mais uniforme para o meio aquático. 3) Devido a maior proporção de tecidos resistentes em Salvinia sp., esta permite a solubilização de carboidratos somente após sofrer um curto período de decomposição, permitindo então a liberação de maior quantidades de carboidratos para o meio aquático. 4) A acidez do meio exerceu influência sobre o processo de decomposição como um todo , tendendo a favorecer os processos de solubilização de carboidratos de formação de produtos dissolvidos refratários no final do processo de decomposição. Meios menos ácidos por outro lado promoveram a maior mineralização de carboidratos a partir da matéria orgânica particulada. 5) O método analítico utilizado não se mostrou inteiramente eficaz no estudo da mineralização de carboidratos de Salvinia sp., sendo necessário estudo posteriores para seu desenvolvimento, de modo a fornecer mais dados sobre a cinética de mineralização de carboidratos desta planta. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS. ANTÔNIO, R.M. 1996. Estimativa da Capacidade Heterotrófica da Lagoa do Infernão (Estação Ecológica de Jataí - Luiz Antônio, S.P.). São Carlos. UFSCar. 82p. (Dissertação) BIANCHINI Jr., I. 1982. Contribuição ao Estudo da Decomposição de Plantas Aquáticas. São Carlos. UFSCar. 178p .(Dissertação) HOFSTEN, B.V.& EDBERG, N. 1972. Estimating the Rate of Degradation of Cellulose Fibers in Water. Oikos., 23:29-34.IEL, O. 1972. Engenharia das Reações Químicas: volume 1. São Paulo, USP ed. 212p. NORDI, C.S.F. 1989. Compostos Polissacarídeos de Alta Massa molecular Excretados por Akistrodesmus densus (Kors) (Chlorophyceae): Sua Utilização como Substrato Para bactérias. São Carlos, UFSCar. .(Dissertação)

TOLEDO, A. P. P. 1973. Contribuição ao Estudo Físico-Químico de Ácido Húmico Extraído do Sedimento.. São Paulo, USP. 138p. (Dissertação) WETZEL, R. G. 1983. Limnology, Saunders College Publishing. 858p. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem á Coordenadoria de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) pela concessão de bolsa de estudo (modalidade: Mestrado) e a Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) pelo auxilio concedido (proc. 95/0119-8).