Eutrophication potential of lakes: an integrated analysis of trophic state, morphometry, land occupation, and land use / Potencial de eutrofização de lagos: uma análise integrada do estado trófico, morfometria, uso e ocupação do solo

AbstractDespite being inside a protected area, Lake Sumidouro has been impacted by the anthropogenic occupation of the surrounding area since the 1970’s, compromising the ecological integrity of the lake and the sustainable use of natural resources. This study examined the current trophic classification of the lake and developed methods for improving it through an integrated analysis of morphometric and limnological parameters, land use and land occupation in the watershed, and eutrophication potential. Data for the limnological parameters, land use and land occupation, and morphometric characteristics of Lake Sumidouro were collected in the rainy and dry seasons of 2009 and 2010. Depending on the trophic classification system used, Lake Sumidouro is classified as oligotrophic to hypereutrophic. In our study, the highest concentration of nutrients occurred in the rainy season, indicating that high nutrient inputs played an important role during this period. Areas of anthropogenic occupation comprised approximately 62.9% of the total area of the watershed, with pasture and urban settlement as the main types of land use. The influent total phosphorus load was estimated to be 15,824.3 kg/year. To maintain mesotrophic conditions, this load must be reduced by 29.4%. By comparing the isolated use of trophic state indices, this study demonstrated that comparing the trophic state classification with morphometric analyses, land use and land occupation types in the watershed, and potential phosphorus load provided better information to guide management actions for restoration and conservation. Furthermore, this approach also allowed for evaluating the vulnerability of the environment to the eutrophication process.

ResumoA lagoa Sumidouro apesar de incluída em área protegida tem sido impactada pela ocupação antrópica desde os anos 70, com riscos consideráveis à sua integridade ecológica e utilização sustentável de seus recursos naturais. Este estudo teve como objetivo discutir a classificação trófica comumente utilizada propondo reforça-la através de uma análise integrada dos parâmetros morfométricos e limnológicos, usos e ocupação do solo na bacia e o cálculo do potencial de eutrofização. Parâmetros limnológicos, levantamento dos usos e ocupação do solo e dados morfométricos da lagoa Sumidouro foram medidos nos períodos de chuva e seca de 2009 e 2010. Dependendo do sistema trófico utilizado a lagoa Sumidouro tem sido classificada desde oligotrófica até hipereutrófica e, no presente estudo apresentou as maiores concentrações de nutrientes durante os períodos de chuvas, demonstrando o papel dos maiores aportes neste período. Do total de sua bacia hidrográfica as áreas antropizadas totalizam c.62,9% da área total, sendo que pastagens e ocupação urbana constituem os usos principais. Neste estudo, estimou-se a carga total afluente de fósforo neste ambiente como sendo 15.824,3 kgP/ano. Para manter uma condição de mesotrofia esta carga deverá ser reduzida em 29,4% deste total. Comparado com o uso isolado de índices de estado trófico, este estudo demonstrou que uma associação da classificação do estado trófico com análises morfométricas, usos e ocupação do solo da bacia e potencial de contribuição de fósforo fornece melhor indicação para ações de gestão visando a recuperação e conservação além de também contemplar, a vulnerabilidade dos ambientes ao processo de eutrofização.

Diurnal sampling reveals significant variation in CO2 emission from a tropical productive lake

It is well accepted in the literature that lakes are generally net heterotrophic and supersaturated with CO2 because they receive allochthonous carbon inputs. However, autotrophy and CO2undersaturation may happen for at least part of the time, especially in productive lakes. Since diurnal scale is particularly important to tropical lakes dynamics, we evaluated diurnal changes in pCO2and CO2 flux across the air-water interface in a tropical productive lake in southeastern Brazil (Lake Carioca) over two consecutive days. Both pCO2 and CO2 flux were significantly different between day (9:00 to 17:00) and night (21:00 to 5:00) confirming the importance of this scale for CO2 dynamics in tropical lakes. Net heterotrophy and CO2 outgassing from the lake were registered only at night, while significant CO2 emission did not happen during the day. Dissolved oxygen concentration and temperature trends over the diurnal cycle indicated the dependence of CO2 dynamics on lake metabolism (respiration and photosynthesis). This study indicates the importance of considering the diurnal scale when examining CO2emissions from tropical lakes.

É amplamente aceito na literatura que lagos são em geral heterotróficos e supersaturados com CO2 já que recebem carbono alóctone. Porém, autotrofia e insaturação de CO2 podem ocorrer em pelo menos parte do tempo, especialmente em lagos produtivos. Como a escala diurna é particularmente importante para a dinâmica de lagos tropicais, variações diurnas na pCO2 e no fluxo de CO2 através da interface ar-água foram avaliadas num lago tropical produtivo do sudeste do Brasil (Lagoa Carioca) durante dois dias consecutivos. Tanto a pCO2 quanto o fluxo de CO2 foram significativamente diferentes entre o dia (9:00 às 17:00) e a noite (21:00 às 5:00), confirmando a influência desta escala na dinâmica do CO2 na Lagoa Carioca. Foram registradas heterotrofia e emissão de CO2 pela lagoa apenas durante a noite, enquanto durante o dia não houve emissão significativa. Variações na concentração de oxigênio dissolvido e na temperatura ao longo do dia indicaram a dependência da dinâmica do CO2 no metabolismo (respiração e fotossíntese) deste lago. Este estudo indica a importância de se considerar a escala diurna na avaliação da emissão de CO2 por lagos tropicais.

Toxic concentrations of metronidazole to Microcystis protocystis

Antimicrobials are among the most commonly used drugs and have become a class of contaminants with great environmental importance. Metronidazole is an antimicrobial used for the therapeutic management of several human diseases. The toxicity of antimicrobials on aquatic species may affect sensitive microorganisms and reduce metabolic processes. Cyanobacteria is a group of organisms that are of great ecological importance in aquatic environments. Studies indicate that cyanobacteria are very sensitive to some antimicrobials. Therefore, it is necessary to evaluate the effects of metronidazole contamination on phytoplankton. The aim of this study was to investigate the effects of metronidazole on the growth of the cyanobacterium Microcystis protocystis and to evaluate the stability of this antimicrobial agent in the culture medium over a period of 96 hours. M. protocystis was resistant to growth inhibition by metronidazole. The EC50 of this antimicrobial for M. protocystis was 117.3 mg L1. Under the growth inhibition test conditions, neither a significant change in the MNZ concentration nor the presence of drug metabolites or degradation products was observed. These results indicate low cellular uptake of the antimicrobial agent and its persistence in the culture medium.

Antimicrobianos estão entre os fármacos mais usados e tem se tornado uma classe emergente de contaminantes com grande importância ambiental. A toxicidade dos antimicrobianos sobre as espécies aquáticas podem afetar microrganismos sensíveis e reduzir seus processos metabólicos. O Metronidazol é um antimicrobiano usado para o manejo terapêutico de várias doenças humanas. Cyanobacteria é um grupo de organismos de grande importância ecológica no ambiente aquático. O estudo visou investigar os efeitos do metronidazol- MNZ sobre o crescimento da cianobactéria Microcystis protocystis e avaliar a persistência do antimicrobiano no meio de cultivo durante 96h. A M. protocystis mostrou-se resistente à inibição de crescimento pelo MNZ. A EC50% do MNZ para a espécie foi 117,3 mg L1. Nas condições do teste de inibição de crescimento não foi observada variação significativa da concentração de MNZ nem a presença de metabólitos ou produtos de degradação do fármaco, indicando baixa captação celular do antimicrobiano e sua persistência no meio de cultivo.

Diurnal sampling reveals significant variation in CO2 emission from a tropical productive lake / Amostragem diurna demonstra variação significativa na emissão de CO2 em um lago tropical produtivo

It is well accepted in the literature that lakes are generally net heterotrophic and supersaturated with CO2 because they receive allochthonous carbon inputs. However, autotrophy and CO2 undersaturation may happen for at least part of the time, especially in productive lakes. Since diurnal scale is particularly important to tropical lakes dynamics, we evaluated diurnal changes in pCO2 and CO2 flux across the air-water interface in a tropical productive lake in southeastern Brazil (Lake Carioca) over two consecutive days. Both pCO2 and CO2 flux were significantly different between day (9:00 to 17:00) and night (21:00 to 5:00) confirming the importance of this scale for CO2 dynamics in tropical lakes. Net heterotrophy and CO2 outgassing from the lake were registered only at night, while significant CO2 emission did not happen during the day. Dissolved oxygen concentration and temperature trends over the diurnal cycle indicated the dependence of CO2 dynamics on lake metabolism (respiration and photosynthesis). This study indicates the importance of considering the diurnal scale when examining CO2 emissions from tropical lakes.

É amplamente aceito na literatura que lagos são em geral heterotróficos e supersaturados com CO2 já que recebem carbono alóctone. Porém, autotrofia e insaturação de CO2 podem ocorrer em pelo menos parte do tempo, especialmente em lagos produtivos. Como a escala diurna é particularmente importante para a dinâmica de lagos tropicais, variações diurnas na pCO2 e no fluxo de CO2 através da interface ar-água foram avaliadas num lago tropical produtivo do sudeste do Brasil (Lagoa Carioca) durante dois dias consecutivos. Tanto a pCO2 quanto o fluxo de CO2 foram significativamente diferentes entre o dia (9:00 às 17:00) e a noite (21:00 às 5:00), confirmando a influência desta escala na dinâmica do CO2 na Lagoa Carioca. Foram registradas heterotrofia e emissão de CO2 pela lagoa apenas durante a noite, enquanto durante o dia não houve emissão significativa. Variações na concentração de oxigênio dissolvido e na temperatura ao longo do dia indicaram a dependência da dinâmica do CO2 no metabolismo (respiração e fotossíntese) deste lago. Este estudo indica a importância de se considerar a escala diurna na avaliação da emissão de CO2 por lagos tropicais.

Toxic concentrations of metronidazole to Microcystis protocystis / Concentrações tóxicas de metronidazol para Microcystis protocystis

Antimicrobials are among the most commonly used drugs and have become a class of contaminants with great environmental importance. Metronidazole is an antimicrobial used for the therapeutic management of several human diseases. The toxicity of antimicrobials on aquatic species may affect sensitive microorganisms and reduce metabolic processes. Cyanobacteria is a group of organisms that are of great ecological importance in aquatic environments. Studies indicate that cyanobacteria are very sensitive to some antimicrobials. Therefore, it is necessary to evaluate the effects of metronidazole contamination on phytoplankton. The aim of this study was to investigate the effects of metronidazole on the growth of the cyanobacterium Microcystis protocystis and to evaluate the stability of this antimicrobial agent in the culture medium over a period of 96 hours. M. protocystis was resistant to growth inhibition by metronidazole. The EC50 of this antimicrobial for M. protocystis was 117.3 mg L–1. Under the growth inhibition test conditions, neither a significant change in the MNZ concentration nor the presence of drug metabolites or degradation products was observed. These results indicate low cellular uptake of the antimicrobial agent and its persistence in the culture medium.

Antimicrobianos estão entre os fármacos mais usados e tem se tornado uma classe emergente de contaminantes com grande importância ambiental. A toxicidade dos antimicrobianos sobre as espécies aquáticas podem afetar microrganismos sensíveis e reduzir seus processos metabólicos. O Metronidazol é um antimicrobiano usado para o manejo terapêutico de várias doenças humanas. Cyanobacteria é um grupo de organismos de grande importância ecológica no ambiente aquático. O estudo visou investigar os efeitos do metronidazol- MNZ sobre o crescimento da cianobactéria Microcystis protocystis e avaliar a persistência do antimicrobiano no meio de cultivo durante 96h. A M. protocystis mostrou-se resistente à inibição de crescimento pelo MNZ. A EC50% do MNZ para a espécie foi 117,3 mg L–1. Nas condições do teste de inibição de crescimento não foi observada variação significativa da concentração de MNZ nem a presença de metabólitos ou produtos de degradação do fármaco, indicando baixa captação celular do antimicrobiano e sua persistência no meio de cultivo.

Morphological variation in Staurastrum rotula (Zygnemaphyceae, Desmidiales) in the deepest natural Brazilian lake: essence or accident? / Variação morfológica em Staurastrum rotula (Zygnemaphyceae, Desmidiales) em um lago natural profundo do Brasil: essência ou acidente?

For many decades, polymorphism and its consequences have only been studied from the taxonomic point of view. Presently, interest has switched to the environmental causes of morphological variation and its consequences in the form and essence of the species. This study aimed at evaluating desmids morphological modifications of Staurastrum rotula Nordstedt during inter-annual succession patterns in two warm monomitic tropical lakes: Dom Helvécio (19°45′- 19°48′45″S, 42°33′45″W) and Carioca (19°45′20″S, 42°37′12″W). The effect of thermal stability and light and nutrients availability was based on samples collected monthly from January 2002 to December 2006 compared the morphological modifications. Results indicated that morphological variation, asexual reproduction, theratological forms, mucilaginous envelope and fungal infection were highest in Lake Dom Helvécio and coincided with the biomass increase of species with complex morphology between September and March (stratification period). The Zmix oscillation, wind and rainfall occurring at the end of the mixing period and beginning of the stratification were suggested as autochthonous and allochthonous disturbance agents, respectively, identified as inducers of asexual reproduction and consequently of the morphological variation. It was suggested that incidence of parasitism may act as a potential controlling agent for the Staurastrum rotula population size. It was concluded that morphological variation represents accidents in the original form, i.e. in the desmid species essence, promoting the existence of ecoforms, not of new infraspecific taxa.

Por muitas décadas, o polimorfismo e suas conseqüências foram estudados apenas do ponto de vista taxonômico. Atualmente, o interesse se volta para as causas ambientais das variações morfológicas e suas consequencias na forma e essência da espécie. O estudo teve como objetivo avaliar as modificações morfológicas de Staurastrum rotula Nordstedt durante padrões inter-anuais de sucessão em dois lagos tropicais monomíticos-quentes: Dom Helvécio (19°45′-19°48′45″S, 42°33′45″W) e Carioca (19°45′20°″S, 42°37′12″W). O efeito da estabilidade térmica e potenciais distúrbios sobre as modificações morfológicas foi baseado em amostras coletadas mensalmente de janeiro de 2002 a dezembro de 2006. Os resultados indicaram que a variação morfológica, a reprodução assexuada, as formas teratológicas, envelope mucilaginoso e infecção fúngica foram maiores no Lago Dom Helvécio e coincidiu com o aumento da biomassa de espécies com morfologia complexa entre setembro e março (período de estratificação). A oscilação Zmix, vento e chuva ocorrentes entre o final do período de mistura e início da estratificação foram sugeridos como agentes perturbadores autóctones e alóctones, respectivamente, identificados como indutores de reprodução assexuada e, consequentemente, de variação morfológica. Foi sugerido que a incidência de parasitismo atua no controle do tamanho da população Staurastrum rotula. A variação morfológica, portanto, representa acidentes na forma original, ou seja, na essência das desmídias, promovendo a existência de ecoformas, não de novos táxons infraespecíficos.

Limnological changes in Dom Helvécio Lake (South-East Brazil): natural and anthropogenic causes

In order to verify changes in physical, chemical and biological features of Dom Helvécio Lake (South-East Brazil), this study compares previous and recent data obtained from limnological investigations over three decades. Plankton species composition and density together with environmental data from 1978, 1983, and during 1999 to 2006 showed changes driven by seasonal climatic forces or by anthropogenic causes. Changes in diversity are shown as a consequence of alternation of rainy and dry periods and introduction of exotic fish species. Finally, suggestions are made for improving conservation efforts in the area, through planned actions and monitoring programmes.

Com o objetivo de avaliar as mudanças nas características físicas, químicas e biológicas do lago Dom Helvécio (Sudeste do Brasil), este estudo compara dados anteriores e recentes de investigações limnológicas através de três décadas. A composição e a densidade das espécies planctônicas juntamente com os dados ambientais apresentaram mudanças decorrentes de forças climáticas e de causas antropogênicas. Mudanças na diversidade como consequência da sazonalidade e da introdução de espécies exóticas de peixes foram observadas. Com base nos resultados, são feitas sugestões para aumentar os esforços de conservação na área através de ações planejadas e programas de monitoramento.

The inverted trophic cascade in tropical plankton communities: impacts of exotic fish in the Middle Rio Doce lake district, Minas Gerais, Brazil

The present study deals with the ecological impacts of the introduction of two alien species of piscivorous fish in several lakes of the Middle Rio Doce lake district in Minas Gerais, Brazil. It was demonstrated that these effects were not restricted only to the fish community. The introduction of the predatory red piranha Pygocentrus nattereri and the tucunaré Cichla cf. ocellaris caused not only a sharp decrease in the number of native fish species, but also major shifts in other trophic levels. Just after the fish were introduced, most lakes began to show conspicuous changes in phytoplankton species composition, in which Cyanophyceae gradually came to dominate. The zooplankton community lost several species, and in some cases, such as Lake Carioca, all the cladoceran species disappeared. On the other hand, invertebrate predators, represented by the dipteran Chaoboridae, boomed in the lake, with higher densities of exotic species, probably as a result of the "ecological release" by reduction of the original fish fauna. There was a general trend of species loss in different trophic levels. All these changes are apparently associated with decreases in water quality. The present situation in these lakes demands new approaches to the management and conservation of these ecosystems.

O presente estudo trata dos impactos ecológicos da introdução de duas espécies invasoras de peixes piscívoros em diversos lagos da região lacustre do médio rio Doce em Minas Gerais, Brasil. Demonstrou-se que estes efeitos não se restringiram às comunidade de peixes. A introdução dos predadores Pygocentrus nattereri (piranha-vermelha) e Cichla cf. ocelaris (tucunaré) não só causou uma forte redução no número de espécies de peixes nativos, como também mudanças nos níveis tróficos inferiores. Pouco depois das introduções, a maioria dos lagos começou a mostrar alterações na comunidade fitoplanctônica, tais como o aparecimento da dominância de Cyanophyceae. A comunidade zooplanctônica perdeu diversas espécies e, em alguns casos, houve o desaparecimento de todas as espécies de cladóceros limnéticos, como é o caso da lagoa Carioca. Por outro lado, predadores invertebrados, representados pelos dípteros da família Chaoboridae, floresceram nos lagos com maiores densidades de espécies exóticas de peixes, provavelmente como resultado da "liberação ecológica" causada pela redução da ictiofauna original. Além de uma tendência geral de perda de espécies em diferentes níveis tróficos, outras mudanças estão aparentemente associadas com a redução da qualidade de água. Dessa forma, esses ecossistemas estão necessitando urgentemente de novas abordagens nas estratégias de manejo e conservação.