Algas verdes azuis
8.1 Introdução
Cyanobacteria (algas azuis-esverdeadas) são os fotoautotróficos oxigenados mais antigos da Terra e têm exercido grandes impactos na formação da biosfera, o que levou à evolução da vida vegetal e animal terrestre superior (Paerl e Otten, 2013). Através da longa história evolutiva (cerca de 3,5 mil milhões de anos), as cianobactérias adquiriram a capacidade de se adaptarem às mudanças geoquímicas e climáticas (Paerl e Paul, 2012) e aos diversos ambientes aquáticos com diferentes níveis de nutrientes, desvio de água e salinização (Reynolds, 1987; Paerl e Otten, 2013). O aquecimento global e a eutrofização dos corpos de água aumentaram os potenciais de floração de cianobactérias devido a condições preferenciais de crescimento de cianobactérias de temperatura e níveis de nutrientes mais elevados (Smith, 1986; Paerl e Huisman, 2008). Esta tendência é desfavorável porque as florescências produzem escumas superficiais e cheiro a terra nos corpos de água para abastecimento de água potável (Codd et al., 1999) e foi relatado que as cianobactérias produzem uma variedade de compostos tóxicos, por exemplo, microcistos e saxitoxinas (Baker et al., 2002; Chorus e Bartram, 1999; Sivonen, 1996). Estas toxinas geradas por cianobactérias podem causar graves problemas de saúde; por exemplo, foi sugerido que as microcistinas causavam lesões hepáticas agudas ou mesmo a morte (Falconer et al., 1983; Jochimsen et al., 1998; Carmichael et al. 2001; Azevedo et al. 2002) e a exposição crónica a microcistinas de baixo nível aumentou o risco tumoral (Falconer e Humpage, 1996; Humpage et al., 2000). Assim, as flores adversas de cianobactérias resultam em sérios problemas em lagos e reservatórios para abastecimento de água potável e/ou actividades recreativas. É fundamental monitorizar as florações de cianobactérias e determinar a toxicidade nas fontes de água potável desde a fase inicial (Baker et al., 2002; Codd et al., 2005; Song et al., 2014).
Por isso, determinar a abundância de cianobactérias ajuda os gestores de recursos hídricos a tomar medidas para diminuir os acidentes de saúde causados por cianobactérias. A primeira abordagem é a contagem de células cianobacterianas utilizando a microscopia, que também permite a identificação do género de cianobactérias. A reacção em cadeia da polimerase foi também adaptada para identificar directamente as cianobactérias de outros organismos em amostras de água através da amplificação da região inter-génica do espaçador da ficocianina, o que também fornece uma implicação directa de toxigenicidade (Baker et al., 2002). A aplicação da cromatografia líquida de alta pressão (HPLC) é outro protocolo padrão para identificação e quantificação de cianobactérias (Lawton et al., 1994). Embora a HPLC não tenha a capacidade de identificar espécies de cianobactérias, mede vários pigmentos e fornece uma medida robusta da abundância de cianobactérias. Por outro lado, as abordagens fluorométricas in vivo fornecem geralmente uma medida indirecta da abundância de cianobactérias através da determinação da concentração de um ou dois pigmentos como a clorofila a (chl-a) e a ficocianina (PC). Por exemplo, várias empresas (por exemplo, Hydrolab e YSI) fabricam sondagens multiparamétricas submersíveis equipadas com sensores fluorescentes para quantificar a clorofila-a, PC, e ficoeritrina dentro de uma coluna de água. Apesar das abordagens laboratoriais e de campo descritas acima fornecerem dados úteis para inferir o crescimento de cianobactérias, estas abordagens tradicionais são frequentemente limitadas devido aos extensos esforços de amostragem de água (Hunter et al., 2009) ou pequena escala espacial de cobertura (Guanter et al., 2010).
Como resultado, as abordagens tradicionais não são adequadas para monitorizar florescimentos de cianobactérias que são efémeras no tempo e amplamente dispersas no espaço (Hunter et al., 2010; Huang et al., 2015). As limitações das abordagens tradicionais são ultrapassadas por técnicas de detecção remota, que fornecem uma visão sinóptica a uma escala temporal curta. Por exemplo, a teledetecção foi utilizada para monitorizar a dinâmica espaço-temporal da concentração de chl-a () em águas interiores (por exemplo, Gons, 1999; Gons et al., 2008; Li et al., 2013 e respectivas referências; ver também Capítulos 6 e 7Capítulo 6Capítulo 7 deste livro para modelagem bio-óptica e fluorescência de chl-a em águas interiores, respectivamente), que foi posteriormente utilizada para inferir biomassa cianobacteriana (Kutser, 2004). No entanto, implica apenas a biomassa total de algas, mas não a biomassa específica de cianobactérias. A quantificação de chl-a não é um meio robusto para estimar com precisão a abundância de cianobactérias porque todo o fitoplâncton contém chl-a (Randolph et al., 2008; Song et al., 2014). É necessária uma quantificação de um pigmento contido por cianobactérias de água doce a fim de determinar com maior precisão a abundância de cianobactérias nos corpos de água. Foi sugerido que o PC é um pigmento único de cianobactérias de água doce e representa uma característica óptica distinta à volta de 620-630 nm (ver secção 8.2), o que torna possível a detecção remota (isto é, modelação bio-óptica) de cianobactérias (por exemplo, Dekker, 1993; Simis et al., 2005; Mishra et al., 2013). Portanto, a detecção remota de cianobactérias de água doce tem estado largamente focada no desenvolvimento de algoritmos bio-ópticos deferentes para estimar PC nas últimas mais de duas décadas (p. ex., Dekker, 1993; Schalles e Yacobi, 2000; Simis et al., 2005, 2007; Li et al., 2015 e respectivas referências) embora também tenham sido encontrados alguns trabalhos de quantificação remota de células de cianobactérias (p. ex., Dekker, 1993; Schalles e Yacobi, 2000; Simis et al., 2005, 2007; Li et al., 2015 e respectivas referências), embora também tenham sido encontrados alguns trabalhos de quantificação remota de células de cianobactérias (p. ex, Lunetta et al., 2015).
Como discutido acima, as abordagens tradicionais de monitorização de cianobactérias que dependem da amostragem de campo são demoradas e trabalhosas; assim, este capítulo centra-se nas técnicas emergentes de detecção remota que fornecem um método rápido e eficiente para nos fornecer tanto a intensidade como a distribuição espacial das florações de cianobactérias. Na Secção 8.2, será discutida a característica de absorção do PC e a sua correspondente resposta na reflectância da teledetecção, como sendo a base fundamental para a modelação bio-óptica da fitocianina a partir de medições de teledetecção. Na Secção 8.3, revimos então exaustivamente os algoritmos de teledetecção existentes na literatura. Alguns algoritmos representativos são subsequentemente avaliados e comparados utilizando o mesmo grande conjunto de dados de campo na Secção 8.4. Na Secção 8.5, foram gerados mapas de imagens aerotransportadas para demonstrar a capacidade da teledetecção para apresentar uma visão sinóptica de um corpo de água. Finalmente, na Secção 8.6.
é feita uma síntese deste capítulo e da futura direcção de investigação da modelação bio-óptica.