Incorporação de nitrogênio e fósforo no tecido foliar da macrófita Typha domingensis Pers. durante o tratamento de efluente da bovinocultura leiteira em wetlands construídos

Incorporation of nitrogen and phosphorus in the leaves of Typha domingensis Pers. macrophyte during treat dairy cattle wastewater in constructed wetlands

RESUMO

O objetivo deste estudo foi avaliar o desempenho da macrófita Typha domingensis Pers., em diferentes etapas de seu desenvolvimento, na remoção de nitrogênio (N) e fósforo (P) em um wetland construído horizontal (WCH) aplicado no tratamento de efluente de bovinocultura leiteira. Para isso, foi realizado o monitoramento do crescimento e dos teores de N e P no tecido foliar das macrófitas, durante um período de 120 dias de crescimento. A macrófita Typha domingensis Pers. foi responsável por uma remoção média de 5,12 e 3,16% das cargas de N e P aplicadas no WCH, respectivamente. As maiores taxas de remoções de nutrientes (30,2 e 6,4 g P kg^-1) foram identificadas quando ocorreram as maiores taxas de crescimento foliar (24,17 cm semana^-1).

Palavras-chave:
wetland construído; nitrogênio; fósforo; taxa de crescimento

ABSTRACT

The objective of this study was to evaluate the performance of macrophyte Typha domingensis Pers. in different development stages in the nitrogen and phosphorus removal from a horizontal flow constructed wetland (WCH) applied for dairy cattle wastewater treatment. In this way, growth, nitrogen and phosphorus levels in the leaf tissue of macrophytes were monitored during a 120-day growth period. Typha domingensis Pers. macrophyte was responsible for a mean removal of 5.12 and 3.16% of the applied loads in the WCH, for nitrogen and phosphorus, respectively. The higher nutriens removal rates (30.2 and 6.4 g P kg^-1) were identified when the higher tissue growth rates occurred (24.17 cm week^-1).

Keywords:
constructed wetland; nitrogen; phosphorus; growth rate

INTRODUÇÃO

Os wetlands construídos (WC) são sistemas amplamente utilizados para o tratamento de diversos tipos de efluentes, tais como domésticos, industriais e agrícolas. São conhecidos como tecnologia de baixo custo de implantação, operação e manutenção, e estão em constante desenvolvimento em todo o mundo. Além disso, essa tecnologia vem demonstrando boa adaptação nos mais variados cenários, apresentando-se como um sistema naturalmente integrado ao ambiente, sendo atrativo na manutenção dos aspectos paisagísticos.

Entre as modalidades de WC, o wetland construído horizontal (WCH) pode atingir eficiência de tratamento em nível secundário e avançado. Essa modalidade de WC pode ser uma boa alternativa quando busca-se tratar o efluente em locais povoados ou em áreas recreativas, em razão, principalmente, da ausência de aspersão de esgoto por bombeamento (evitando formação de aerossóis), bem como da inexistência de insetos (GARCÍA et al., 2010). Nesses sistemas, a depuração das águas residuárias ocorre por meio da interação do material filtrante, os micro-organismos e as macrófitas (KADLEC & WALLACE, 2009).

Atualmente, o papel das macrófitas como um componente essencial nos WC está bem estabelecido, uma vez que elas atuam diretamente nos mecanismos de remoção de poluentes (BRIX, 1997; KADLEC & WALLACE, 2009). A assimilação de nutrientes, apesar de ser em baixa magnitude, é uma das principais atribuições dadas às macrófitas nessa tecnologia de tratamento. No Brasil, vários estudos já foram conduzidos a fim de quantificar a assimilação de nutrientes pelas macrófitas em WC (BRASIL et al., 2007; MATOS et al., 2008; 2010; FIA et al., 2008; 2011).

No entanto, a assimilação de nutrientes pelas macrófitas está associada a vários fatores, como a modalidade de WC, as cargas orgânicas e inorgânicas aplicadas no sistema, as condições ambientais, bem como a espécie empregada (SAEED & SUN, 2012). Recentemente, um estudo mostrou que, no Brasil, Typha spp (popularmente conhecida como taboa) se destaca como a espécie de macrófita mais empregada em WCH (SEZERINO et al., 2015).

Além disso, estudos mostraram que, para efluente proveniente de bovinocultura leiteira, os WCH apresentaram desempenho de tratamento satisfatório (PELISSARI et al., 2014). No entanto, pouco se conhece sobre a magnitude de assimilação de nutrientes pela macrófita Typha associado a esse tipo de efluente. Ademais, o mecanismo de assimilação de nutrientes ao longo das diferentes fases do crescimento da macrófita Typha ainda não está elucidado. Nesse contexto, o objetivo deste estudo foi avaliar o desempenho de remoção de nitrogênio (N) e fósforo (P) pela macrófita Typha domingensis Pers., em um WCH empregado para o tratamento de efluente de bovinocultura leiteira.

METODOLOGIA

Descrição da estação de tratamento de efluente

O estudo foi conduzido nas dependências de uma instalação de bovinocultura leiteira com capacidade de produção diária de 140 L de leite, situada na cidade de Frederico Westphalen, Rio Grande do Sul (altitude 27°21’33” sul, longitude 53º23’40” oeste e 566 m de altitude). A planta de tratamento de efluente produzido nas instalações da bovinocultura leiteira era composta por uma lagoa de armazenamento (LA), a qual atuou como tratamento primário e recebeu todo o volume de efluente produzido, e um WCH operado em série. Parte do efluente da LA era conduzida por gravidade para o WCH, que, após o tratamento, era infiltrado no solo por meio de valas de infiltração (Figura 1).

Figura 1 -
Diagrama da planta de tratamento de efluente implantada nas instalações da bovinocultura leiteira.

O WCH tinha uma área superficial de 26,5 m², plantado com a macrófita Typha domingensis Pers (plantadas em uma razão de 4,5 plantas por m²), e areia grossa (diâmetro efetivo d₁₀ = 0,3 mm e uniformidade = 2,5) como material filtrante. A vazão média diária de efluente aplicada no WCH foi de 995 L^-1, distribuída ao longo de 4 horas do dia (das 9 às 13h), resultando em uma taxa hidráulica aplicada de 37,5 mm d^-1. O regime hidráulico operado no WCH foi intercalando ciclos de alimentação e repouso de 4 e 3 dias, respectivamente, ao longo da semana.

Durante o período do estudo (maio a outubro de 2012), análises das concentrações de N total e P ortofosfato do afluente e do efluente do WCH foram realizadas uma vez por semana, segundo recomendações de American Public Health Association (APHA, 2005).

Monitoramento do crescimento e assimilação de nitrogênio e fósforo das macrófitas

Para monitorar o crescimento das macrófitas, foi realizada a poda de todos os indivíduos presentes no WCH, em uma altura de 30 cm acima da superfície do material filtrante. Em seguida, o WCH foi dividido em seis quadrantes (Figura 2) para a obtenção de amostras aleatórias e estatisticamente representativas da biomassa vegetal emergente no sistema. O acompanhamento do crescimento das macrófitas foi feito semanalmente, a partir da poda. Para tanto, realizou-se um sorteio aleatório de cinco plantas por quadrante, as quais foram identificadas ao longo do período amostrado. As medições de crescimento deram-se com o auxílio de fita métrica. A taxa de crescimento das macrófitas amostradas foi calculada, seguindo recomendações de Esteves (1998), conforme descrito na Equação 1.

$TA=\left(\frac{C^2}{T^2}-\frac{C^1}{T^1}\right)$ (1)

Em que:

• TA =  taxa de crescimento (cm d^-1);
• C₂ e C₁ =  comprimento médio das folhas nos tempos 1 e 2 (cm);
• T₂-T₁ =  intervalo entre as coletas (dias).

Figura 2 -
Esquema representando a área superficial do wetland construído horizontal dividido em quadrantes.

Para avaliar os teores de N e P no tecido vegetal das macrófitas, foi coletada 1 planta por quadrante do WCH, em diferentes fases do crescimento das macrófitas (44, 58, 92, 105, 133 e 150 dias de crescimento), totalizando 6 plantas amostradas por fase de crescimento. Após a coleta, a parte áerea das macrófitas foi levada à estufa, sob temperatura de 60°C, até atingir peso constante. Após essa etapa, parte das amostras foi separada para a análise nutricional e o restante das amostras permaneceu na estufa sob temperatura de 105°C, até atingir peso constante, para a quantificação da massa seca total. As análises dos teores de N e P no tecido foliar seguiram as recomendações de Tedesco et al. (1995).

Para os cálculos de assimilação de nutrientes pelas macrófitas, foi considerada uma relação entre teor de N e P (g kg^-1) no tecido foliar, massa seca foliar (kg), crescimento das macrófitas (cm) e sua densidade no filtro (plantas m^-2). O número de plantas foi determinado contando todas as plantas, sem distinguir os colmos das emissões laterais (brotos), sendo adotado o conceito de que cada broto corresponde a um indivíduo. Ressalta-se que as cargas de P assimiladas pelas macrófitas foram baseadas nas cargas de P ortofosfato aplicadas.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Desenvolvimento da macrófita Typha domingensis Pers. no wetland construído horizontal

Decorridos 100 dias de crescimento, as macrófitas atingiram a altura máxima (207 cm). Após esse período, ocorreu a estabilização do crescimento, concomitantemente ao início da inflorescência e senescência das macrófitas (Figura 3A). Com base nesse comportamento, as maiores taxas de crescimento deram-se no início do ciclo de desenvolvimento das macrófitas, ocorrendo variação entre 1,35 e 24,17 cm semana^-1 (Figura 3B). Esse mesmo comportamento já foi relatado por outros estudos realizados em WCH, em que ocorreu maior crescimento da Typha domingensis Pers. na primeira semana após o plantio (crescimento médio de 19 cm); após esse período, a altura média identificada foi de 130 cm com 90 dias de crescimento e de 210 cm em um período de 150 dias (SOUZA, 2003).

Figura 3 -
Desenvolvimento da macrófita Typha domingensis Pers ao longo de 150 dias de monitoramento. (A) Altura média; (B) taxa de crescimento.

Além disso, identificou-se maior desenvolvimento das macrófitas na zona de entrada do WCH (quadrantes 1 e 2). Esse fato pode estar associado com a maior disponibilidade de nutrientes sessa seção, pela proximidade desta com a zona de entrada de efluente (Figura 4).

Figura 4 -
Desenvolvimento da macrófita Typha domingensis Pers. no wetland construído horizontal ao longo de do período de março a setembro de 2012.

Teores de nitrogênio e fósforo no tecido foliar da macrófita Typha domingensis Pers.

As maiores concentrações de nutrientes tanto de N quanto de P (30,2 e 6,4 g P kg^-1) no tecido foliar das macrófitas foram identificadas no início do desenvolvimento das macrófitas, ou seja, próximo de 60 dias de crescimento (Figura 5). Esses valores de concentrações coincidiram com as maiores taxas de crescimento (Figura 3), apresentando diminuição nos teores de nutrientes decorridos cerca de 90 dias de crescimento (25,5 e 2,4 g P kg^-1). Esse fato pode estar associado com a translocação de nutrientes para as gemas reprodutivas das plantas. A maior parte dos nutrientes transcoláveis é produzida durante a passagem da fase vegetativa para a fase reprodutiva de desenvolvimento e durante a mobilização das proteínas estocadas para novos ramos da planta (LARCHER, 2000). Trabalhos conduzidos no Brasil reportam grande variação da concentração de nutrientes no tecido foliar da macrófita Typha domingensis Pers. Brasil et al. (2007), ao utilizarem Typha no tratamento de esgoto doméstico, obtiveram valores de 15 e 2,8 g kg^-1 para N e P, respectivamente, Freitas (2006) verificou valores na ordem de 21,30 g K N g^-1 e 4,4 g P Kg^-1. Em outro trabalho, Fia et al. (2011) encontraram valores variando de 29,90 a 32,7 g N kg^-1 e de 2 a 3,2 g P kg^-1. Essa variação pode estar associada com a disponibilidade de nutrientes no meio, a natureza do efluente e a fase de desenvolvimento das plantas analisadas (SAEED & SUN, 2012).

Figura 5 -
Concentração de nitrogênio e fósforo no tecido vegetal da macrófita Typha domingensis Pers.

Influência da macrófita Typha domingensis Pers. no desempenho de tratamento do wetland construído horizontal em relação à remoção de nitrogênio e fósforo

As remoções médias de N e P foram de 1,07 e 0,17 g m^-2 semana^-1, respectivamente. Esses valores correspondem a uma remoção média de 5,12 % da carga total de N e de 3,16% da carga total de P aplicadas no WCH (Tabela 1). Esses valores são superiores aos encontrados por Brasil et al. (2007) (1,69% para N e 1,64% para P). Como comentado, as maiores remoções de nutrientes obtidas no presente trabalho, em comparação a outros realizados no Brasil, podem estar relacionadas com as maiores cargas de nutrientes aplicadas, quando comparadas com os demais autores. Além disso, as remoções de nutrientes pelas macrófitas nos WCH dependem, em grande parte, da densidade de plantas e também do clima, o qual influencia na sua taxa de crescimento. É visível que a maior remoção de nutrientes ocorreu no primeiro mês de crescimento das macrófitas, em função das suas maiores taxas de crescimento.

Tabela 1 -
Desenvolvimento e incorporação de nutrientes no tecido foliar da macrófita Typha domingensis Pers. presente no wetland construído horizontal*.

Dias de crescimento	Crescimento (m)	Carga NT aplicada (kg)	Carga NT incorporada tecido vegetal (kg)	N removido pelo tecido vegetal (%)	Carga P-PO4 3- aplicada (kg)	Carga P incorporada tecido vegetal (kg)	P removido pelo tecido vegetal (%)
0-30	0,83	2,00	0,15	7,5	0,49	0,03	5,75
31-60	0,28	1,71	0,05	3,10	0,41	0,01	2,79
61-90	0,45	1,54	0,08	5,28	0,38	0,01	2,53
91-120	0,21	0,81	0,03	4,13	0,30	0,003	1,07
Total	1,77	6,06	0,31	5,12	1,58	0,05	3,16

• *Os cálculos de remoção de nutrientes pelo tecido foliar foram realizados com base na relação massa seca (7,35 g de massa seca por metro de tecido foliar), crescimento e densidade de macrófitas (850 plantas, ou seja, uma densidade de 50 plantas por m² de filtro plantado); NT: nitrogênio total; N: nitrogênio; P: fósforo.

Com base nos resultados obtidos pode-se sugerir que o período ideal para a poda é aquele em que as macrófitas atingem seu máximo desenvolvimento, ou seja, quando se reduzem significativamente as taxas de crescimento, o que no presente estudo se deu entre 60 e 90 dias após a poda, corroborando os estudos de Vera et al. (2010).

CONCLUSÕES

Por meio do monitoramento do crescimento e dos teores de N e P no tecido foliar da macrófita Typha domingensis Pers. presentes em um WCH aplicado no tratamento de efluente de bovinocultura leiteira, pode-se concluir:

• A remoção de nutrientes pelas macrófitas no WCH está relacionada com as taxas de crescimento e com a fase de desenvolvimento das plantas;

• Os teores médios de N e P no tecido foliar foram de 25,6 e 3,8 g kg^-1, respectivamente;

• A macrófita foi responsável pela remoção média de 5,12 e 3,16% das cargas de N e P aplicadas no WCH, respectivamente;

• A poda de Typha domingensis Pers. em WCH deve ser realizada quando a macrófita atingir ser crescimento máximo, o que, neste estudo, se deu entre 60 e 90 dias após a poda.

AGRADECIMENTOS

Os autores gostariam de agradecer ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), o financiamento da pesquisa (Edital MCT/CNPq nº 014/2010).

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• 1
  Reg. ABES: 109345

FONTE DE FINANCIAMENTO

• Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq).

Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  10 Jun 2019
• Data do Fascículo
  May-Jun 2019

Histórico

• Recebido
  08 Jan 2013
• Aceito
  15 Maio 2018