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Departamento de Química

BIOMONITORAMENTO DA QUALIDADE DO AR NA REGIÃO DO

ENTORNO DA TKCSA, DISTRITO INDUSTRIAL DE SANTA CRUZ,

RIO DE JANEIRO

Aluno: Laura Benevides dos Santos

Orientador: José Marcus de Oliveira Godoy

Introdução

Ao longo do tempo, o volume de emissões atmosféricas tem se intensificado, devido ao

aumento da industrialização, da circulação de veículos, de queimadas e a outros fatores de

influência antrópica. A poluição atmosférica é um problema crítico, que pode afetar a saúde

humana, bem como seu bem-estar, principalmente em áreas mais urbanizadas [1]. Desta

forma, é necessário o monitoramento constante destas emissões a fim de se assegurar que a

qualidade do ar esteja dentro de padrões aceitáveis.

Biomonitores (ou bioindicadores) podem ser definidos como organismos (uma parte de

um organismo ou uma população de organismos) que são capazes de fornecer informações

sobre a qualidade ambiental. E o Biomonitoramento é a observação contínua de uma área ou

região com o auxílio de bioindicadores. Os bioindicadores podem ser muito úteis, devido a

sua sensibilidade a um largo espectro de substâncias, ou por causa da sua tolerância a níveis

elevados de uma substância acumuladas nos seus tecidos durante um período de tempo

prolongado ou para integrar a sua influência em uma área de conhecido e relevante tamanho

[2].

Este estudo tem como objetivo avaliar o comportamento da espécie de bromélia

Tillandsia usneoides L. como bioindicador da qualidade do ar na região do entorno da

Thyssenkrupp Companhia Siderúrgica do Atlântico (TKCSA), localizado no bairro de Santa

Cruz, no Rio de Janeiro, através da determinação de metais, assim como rever os dados

obtidos anteriormente e a bibliografia existente para posterior produção de um artigo

científico.

Metodologia

O estudo foi realizado na região do entorno da THYSSENKRUPP COMPANHIA

SIDERÚRGICA DO ATLÂNTICO (TKCSA). O empreendimento está situado na Zona

Industrial do bairro de Santa Cruz. Em suas proximidades estão o Conjunto João XXIII, que é

um conjunto residencial, o centro do bairro de Santa Cruz, que é caracterizada pela presença

de residências e de uma área comercial. Na região também existem vias que apresentam

intenso tráfego de carros, ônibus e caminhões, como a Rodovia Rio-Santos e a Avenida

Brasil.

Os pontos de monitoramento selecionados foram aqueles onde estavam instaladas as

estações do programa de monitoramento da qualidade do ar da TKCSA. Suas coordenadas e

localização espacial podem ser observadas na Tabela 1 e Figura 1.


Tabela 1: Coordenadas das estações do programa de monitoramento da qualidade do ar

da TKCSA

Estação Localização da Estação Coordenadas

EMTKCSA 4

Estação Meteorológica TKCSA

Rua interna de acesso à portaria 2

22° 54' 19.4" S

43° 43' 33.0" W

EMQAM 1

Escola Municipal Adalgisa Nery

Rua Eduardo de Aguiar Filho, s/n° Lote 230 - Conjunto

São Fernando - Santa Cruz - RJ - CEP: 23565-250

22° 53' 19.5" S

43° 42' 57.5" W

EMQAM 2

CIEP Maestro Francisco Mignone

Rua Kaisser Abraão s/n° - Monte Serrat - Itaguaí - RJ -

CEP: 23810-560

22° 52' 30,7" S

43° 46' 13.6" W

EMQAM 3

CIEP Barão de Itararé

Rua Vitor Dumas, s/n° - Largo do Bodegão - Santa Cruz -

RJ - CEP: 23550-140

22° 55' 37.3" S

43° 41' 40,8 " W

Figura 1: Localização das estações de monitoramento de qualidade do ar – TKCSA


A espécie de bromélia (Bromeliaceae) Tillandsia usneoides L. é uma epífita aérea, o que

significa que possui a habilidade de obter água e nutrientes diretamente do ar. O

desenvolvimento de raízes nesta espécie é esporádico ou virtualmente inexistente.

Usualmente, habita o topo de árvores ou se dispõe sobre algum tipo de substrato inerte,

utilizando-os como suporte. Devido as suas características estruturais, esta espécie tem a

capacidade de acumular os poluentes presentes na atmosfera. Adapta-se facilmente a regiões

quentes e secas, e tem sido amplamente utilizada como bioindicador.

A escolha da Tillandsia usneoides L. foi feita com base nos estudos desenvolvidos por

Figueiredo et al (2004) [3], Figueiredo et al (2007), Alves et al (2008) [4] e Vianna et al

(2010), nos quais esta espécie foi utilizada como bioindicador para avaliar a poluição

atmosférica e determinação de metais em diferentes regiões metropolitanas do Brasil.

Os exemplares desta espécie foram coletados no campus da Pontifícia Universidade

Católica do Rio de Janeiro (PUC-Rio) localizado no bairro da Gávea, no Rio de Janeiro, onde

há remanescentes de vegetação da Mata Atlântica. Este ponto foi considerado o ponto

controle. As amostras foram lavadas com água deionizada e logo após foram secas com papel-

toalha. Posteriormente, foram pesadas porções e estas foram dispostas em redes de nylon, no

qual cada rede continha 5 (cinco) gramas da planta.

Em cada ponto de monitoramento, e no ponto de controle, foi instalado um sistema de

tripé feito de bambu, onde cada ponta superior deste tripé contava com duas hastes. Em cada

haste foi colocada uma rede de nylon com a planta, contabilizando 6 (seis) redes por ponto de

monitoramento. Estas amostras ficaram expostas por cerca de oito semanas. Após este

período, as amostras foram levadas para o laboratório, onde passaram pelo processo de

secagem em um dessecador por duas semanas, para que estas atingissem massa constante.

Posteriormente, essas amostras passaram pelo processo de moagem, no qual foram triturados

dois a dois os conteúdos das redes de nylon presentes em cada ponta de tripé. O produto desta

etapa é uma amostra composta, de modo que cada ponto de monitoramento forneceu 3 (três)

amostras compostas.

Do grupo de amostras compostas foram pesadas 3 (três) alíquotas de 0,5 grama de cada

amostra composta, totalizando 9 (nove) alíquotas por ponto de monitoramento. Estas alíquotas

foram submetidas ao ácido nítrico concentrado por um período de 24 horas e posterior

aquecimento a 80 °C. A análise e determinação de metais foram feitas através de

Espectrometria de Massa por Plasma Acoplado Indutivamente (ICP-MS). O resultado relativo

a cada ponto de monitoramento, e período de exposição, foi calculado considerando-se a

mediana das nove alíquotas, de cada um dos pontos de monitoramento. Paralelamente foram

analisadas alíquotas dos materiais de referência certificados Orchard Leaves (NIST SRM

1571) e Apple Leaves (NIST SRM 1515).

Através dos resultados obtidos após cada período de exposição, foi calculado o Fator de

Enriquecimento, para cada ponto de monitoramento e para cada elemento. Para este estudo,

foram considerados como relevantes os valores de fatores de enriquecimento superiores acima

de 150. O fator de enriquecimento foi obtido através da seguinte fórmula.

Onde:

FEE = Fator de Enriquecimento do Elemento (E)

CEA = Concentração do Elemento (E) na amostra

CEC = Concentração do Elemento (E) na amostra controle

Estes resultados foram comparados com aqueles verificados, através do programa de

monitoramento da qualidade do ar conduzido pela TKCSA, em termos de correlações

encontradas na análise elementar dos potes coletores de poeira e a observada nas amostras da


planta. Também foram investigadas eventuais correlações entre os elementos/local de

amostragem empregando a técnica de análise de agrupamentos (Cluster Analysis).

A instalação das estações ocorreu em abril/2014, tendo início o primeiro período de

exposição. Foram realizadas seis campanhas de amostragem ao todo, finalizando em

junho/2015. (Tabela 2)

Tabela 2: Data de início e final da exposição dos biomonitores, bem como o total de dias de

exposição.

Amostragem Início Final Dias de exposição

1a. 17/04/2014 08/07/2014 81

2a. 08/07/2014 24/09/2014 76

3a. 24/09/2014 28/11/2014 64

4a. 28/11/2014 30/01/2015 62

5a. 30/01/2015 31/03/2015 60

6a. 31/03/2015 01/06/2015 61

Na Figura 2 é apresentado o índice pluviométrico diário e os períodos de amostragem

(barras vermelhas), nota-se que em todos os períodos de amostragem houve a ocorrência de

períodos chuvosos.

Figura 2: Índice pluviométrico diário e os períodos de amostragem (barras vermelhas)

Resultados e discussão

Os resultados obtidos para as amostras relativas às quatro estações de monitoramento

bem como a estação de controle (PUC-Rio), são apresentados nas Tabelas 3-8:

Tabela 3: Mediana referente às amostras compostas das estações de biomonitoramento, 1ª

coleta, valores em μg g-1

PUC-RIO 444 25 1,2 1,7 38 717 1,1 17 76 19 1,5 1,1 19 3,4

EMQAM 1 1924 102 7,3 7,6 163 3230 2,6 21 117 30 2,6 1,2 35 9,4

EMQAM 2 1545 86 4,2 4,3 79 2562 2,0 25 104 25 2,4 1,1 28 7,4

EMQAM 3 2898 168 6,5 5,5 100 4210 2,7 25 136 30 3,0 1,7 43 8,8

EMQAM 4 (TKCSA) 3666 237 41 45 1268 16222 3,8 18 231 100 2,8 1,2 46 25

Sb Ba PbFe Ni Cu Zn Sr SnLocal de coleta Al Ti V Cr Mn




PUC-RIO 780 48.8 1.69 1.90 49.7 1160 1.38 13.3 82.0 19.9 21.8 4.38

EMQAM 1 747 40.2 2.57 2.83 73.5 1507 1.03 5.57 43.7 11.2 11.3 2.95

EMQAM 2 914 54.4 2.14 2.88 53.0 1300 1.30 7.61 43.2 10.2 13.4 3.10

EMQAM 3 1316 72.1 2.79 2.61 39.8 1478 1.34 7.58 49.8 11.5 17.2 2.93

EMQAM 4 (TKCSA) 2021 125 26.2 20.1 750 9426 2.38 6.02 119 61.3 21.6 8.66

Cu Zn Sr Ba PbLocal de coleta Al Ti V Cr Mn Fe Ni



PUC-RIO 510 31.1 1.47 1.35 31.6 632 1.09 8.95 71.9 15.2 1.56 15.6 2.98

EMQAM 1 657 38.3 2.98 3.26 65.7 1362 1.11 5.24 40.1 9.8 2.11 10.1 3.02

EMQAM 2 616 35.4 2.01 2.46 46.5 1106 1.68 7.88 39.2 9.7 2.49 11.0 3.52

EMQAM 3 990 60.0 2.85 2.50 28.1 1183 1.41 5.98 41.8 8.3 2.69 14.7 2.52

EMQAM 4 (TKCSA) 2625 199 51.5 38.9 1278 15342 3.19 7.77 162 110 1.51 33.5 12.9

Local de coleta Al Ti V Cr Mn Fe Ba PbNi Cu Zn Sr Sn







Além dos elementos apresentados, foram, também, determinados Li, Be, B, Co, Sc, As,

Se, Mo, Cd, W, Hg, U e Th, cujos valores obtidos estiveram abaixo do limite de quantificação

na maioria das amostras analisadas e, portanto, não foram utilizados para efeito de

comparação entre as estações.


Considerando, como sendo significativo apenas FE maiores do que 100, ou seja,

concentrações encontradas igual ou maior do que o dobro daquela observada na estação

controle, verifica-se que apenas na estação EMTKCSA 4 (no interior da TKCSA) encontra-se

FE acima de 100 nas seis coletas, em particular, para Al, Ti, V, Cr, Mn, Fe e Sr .

Tabela 9: Fatores de enriquecimento obtidos, 1ª coleta







Tomando-se por base os valores obtidos para a EMTKCSA 4, instalada dentro da

TKCSA, ao lado do pátio de escória, temos que os elementos V, Cr, Mn e Fe foram aqueles

apresentaram, sistematicamente, os maiores fatores de enriquecimento. A Figura 3 apresenta

a variação nos valores do FE, obtido para estes quatro elementos, nas seis coletas realizadas.

Considerando-se a distância em relação à TKCSA e a direção preferencial dos ventos, a

sequência esperada em termos de FE, para as estações localizadas fora da TKCSA, deveria ser

EMQAM 1> EMQAM 2> EMQAM 3. Verifica-se que, em geral, apenas os pontos 1 e 3

apresentam FE(%) maior do que 100 e, que a sequência obtida não segue a sequência

esperada.

Figura 3: Variação dos FE nas quatro estações de coleta, ao longo das três coletas

realizadas, para os elementos V, Cr, Mn e Fe

Foi realizada a análise de correlação entre as concentrações elementares encontradas

nas amostras dos bioindicadores, considerando-se apenas os três pontos da rede de

monitoramento da TKCSA e a estação meteorológica (Tabela 15). É possível notar existência

de diversas correlações como Fe-Mn e de elementos-traço entre si como, por exemplo, V-Cr-

Ni-Cu.

A análise de agrupamentos mostra o ferro como uma variável em separado, o que

condiz com o fato do ferro ser um dos principais elementos emitidos pela TKCSA, e os

demais elementos formando um único agrupamento (Figura 4). Ao incluirmos os dados da

estação da PUC-Rio na análise de agrupamentos observa-se uma melhor resolução entre os

grupos, com a formação, por exemplo, de um agrupamento com elementos crustais, Al, Fe,

Mn, um com elementos traço, e dois outros: um envolvendo Sr-Pb e outro com Ti-Zn (Figura

5). O agrupamento por elemento, também, foi realizado utilizando os resultados dos coletores

de poeira instalados no terreno da TKCSA (Figura 6), nota-se a ferro formando um grupo em

separado, mas associado ao Ni, além da existência de grupos como, por exemplo, Na-Cl-S,

indicando a influência do aerossol marinho, e Mg-K-Si oriundos ressuspenção do solo.

Quando o agrupamento é realizado por amostras verifica-se que, as amostras da estação

meteorológica formam um agrupamento em separado do agrupamento que contém as


amostras das três estações junto com as amostras da estação de controle (PUC-Rio), nota-se

também, que estes dois grupos se subdividem em função do período de amostragem, com um

subgrupo envolvendo a 1ª, 4ª, 5ª e 6ª amostragem, um subgrupo com a 2ª, e outro com a 3ª

amostragem (Figura 7).

Tabela 15: Coeficientes de Correlação de Pearson para as concentrações elementares

nas amostras dos biomonitores instalados nas estações de monitoramento da TKCSA e na

estação meteorológica TKCSA


Figura 4: Dendograma representando o agrupamento dos elementos, envolvendo os

resultados das três estações de monitoramento e da estação meteorológica



resultados das três estações de monitoramento, da estação meteorológica e da estação controle

(PUC-Rio)



resultados dos coletores de poeira instalados no terreno da TKCSA


Figura 7: Dendograma representando o agrupamento por amostra, envolvendo os

resultados das três estações de monitoramento, da estação meteorológica e da estação controle

(PUC-Rio)

A diferença nas correlações encontradas para as amostras do biomonitoramento e os

coletores de poeira pode ser verificada nas Figuras 8 a-d, mostrado os gráficos Fe-Mn e V-Cr

para estes dois tipos de amostras. Mostrando um comportamento distinto entre Fe-Mn nas

poeiras coletadas na região da TKCSA e nos biomonitores em contraste com o observado para

V-Cr.


(a)

Fe (mg kg-1

)

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000

Mn (

mg k

g-1

)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Rede TKCSA

PUC-Rio

TKCSA

(b)

V (mg kg-1

)

0 50 100 150 200 250 300 350

Cr

(mg k

g-1

)

0

50

100

150

200

250

300

350

(c)

V (mg kg-1)

0 10 20 30 40 50 60

Cr

(mg k

g-1

)

0

10

20

30

40

50

60

Rede TKCSA

TKCSA

PUC-RIO

(d)

Figura 8: Relação Fe-Mn nas poeiras coletadas na região da TKCSA (a) e nos

biomonitores (b) e a relação V-Cr nos mesmos locais (c) e (d), respectivamente.

Conclusão

Neste estudo foi avaliado o biomonitoramento da qualidade atmosférica de uma região

no entorno da usina siderúrgica TKCSA, localizada no bairro de Santa Cruz. A espécie de

bromélia Tillandsia usneoides L. foi utilizada como bioindicador para determinação de

metais. Foram realizadas seis campanhas de amostragem, no período entre abril de 2014 e

junho de 2015, onde havia quatro pontos de monitoramento, coincidentes a rede de

monitoramento de qualidade de ar da TKCSA, e um ponto controle localizado no campus da

PUC-Rio.

Os resultados obtidos revelaram que o ponto da estação meteorológica, situado dentro

das imediações da TKCSA, apresentou em todas as amostragens, os valores de fatores de

enriquecimento percentual acima de 150. Em termos de fatores de enriquecimento

significativo, a ordem das estações foi 3>1>2, observando-se uma inversão da ordem

esperada, que seria 1>2>3. Foi encontrada uma similaridade entre os resultados obtidos nas

três estações da rede da TKCSA e a estação controle, enquanto as amostras referentes à

estação meteorológica representam um grupo em separado.

Dentre os elementos quantificáveis encontrados nas amostras dos bioindicadores, o

ferro parece ser o elemento que melhor representa as emissões oriundas da TKCSA. Esta

Fe (mg kg-1

)

0.0 1.0e+5 2.0e+5 3.0e+5 4.0e+5 5.0e+5

Mn (

mg k

g-1

)

0

5000

10000

15000

20000

25000


conclusão é corroborada pelos resultados verificados nas amostras dos potes coletores de

poeira, nos quais não se observa a relação Fe-Mn típica em amostras de solo.

Através deste estudo foi possível a observação do potencial da espécie Tillandsia

usneoides L. como bioindicador da qualidade do ar na região do entorno de uma siderúrgica.

Os resultados demonstraram que esta espécie respondeu positivamente à exposição a uma

área sujeita a emissões atmosféricas industriais. Pode ser considerada uma boa forma

alternativa de monitoramento, devido a sua capacidade de acumulação de metais, a sua fácil

adaptação ao ambiente e forma de obtenção de nutrientes, e ao baixo custo de implantação,

quando comparado às técnicas tradicionais de monitoramento da qualidade do ar.

Referências

1-VIANNA, N. A. et al. Assessment of heavy metals in the particulate matter of two Brazilian

metropolitan areas by using Tillandsia usneoides as atmospheric biomonitor. Environ Sci

Pollut Res (2011) 18:416-427.

2-FIGUEIREDO, A. M. G. et al. Assessment of atmospheric metallic pollution in the

metropolitan region of São Paulo, Brazil, employing Tillandsia usneoides L. as biomonitor.

Environmental Polution 145, 279-292, 2007. 3-FIGUEIREDO, A. M. G. et al. The use of Tillandsia usneoides L. as bioindicator of air

pollution in Sao Paulo, Brazil. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, v. 259,

n.1, p. 59-63, 2004.

4-ALVES, E. S. et al. Structural Analysis of Tillandsia usneoides L. Exposed to Air

Pollutants in São Paulo City–Brazil. Water, Air and Soil Pollution (2008) 189: 61-68.

5- AQUINO, S. M. F. et al. Bioindicadores vegetais: uma alternativa para monitorar a

poluição atmosférica. Revista Internacional de Ciências. Disponível em: < http://www.e-

publicacoes.uerj.br/index.php/ric/article/view/3629> Acesso em: 01 jul 2016.

6-CARDOSO-GUSTAVSON, P. et al. Tillandsia usneoides: a successful alternative for

biomonitoring changes in air quality due to a new highway in São Paulo, Brazil. Environ Sci

Pollut Res (2016) 23:1779-1788.

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