Phytoplankton scenario and microcystin in water during extreme drought in semiarid tropical water supplies, Northeastern Brazil / Cenário de fitoplanctônico e microcistinas na água durante extrema estiagem em reservatórios tropical semiárido de abastecimento de água, nordeste do Brasil

Abstract The objective of this study was to characterize the limnological, microystin and phytoplankton community of five tropical eutrophic reservoirs located in the Brazilian northeastern semi-arid region, used for domestic use at the time of extreme drought and reduction of water volume. The study was conducted in July and August 2015, and an integrated sample of the water column was collected at three points near the dam in each reservoir. Analysis of limnological parameters, identification and quantification of phytoplankton, with emphasis on cyanobacteria were performed, as well as detection of microcystin by means of immunoassay (ELISA). The reservoirs presented ~ 90% water volume reduction. High turbidity and concentrations of nitrogen and phosphorus, as well as high cyanobacterial densities, revealed an increase in the eutrophic state for hypereutrophy. The total biovolume of phytoplankton and cyanobacterial density is high, plus an average increase in relation to previous studies of 350% and 150%, respectively. The density of cyanobacteria and microcystin concentration presented values ​​above acceptable levels for drinking water according to Brazilian legislation. A phytoplankton community was represented by 17 functional groups, including potentially toxic cyanobacteria species such as Planktothrix agardhii (S1), Microcystis aeruginosa (M), Anabaena planktonica e Anabaena spp. (H1), Cylindrospermopsis raciborskii (Sn). Our results confirm that conditions of extreme drought and reduction of the volume of the reservoirs influence the composition, biovolume of phytoplankton and water quality, but not the increase of total microcystin in the analysed, although above 1μg-1 registered a significant decrease of water quality in used for human consumption.

Resumo O objetivo deste trabalho foi caracterizar a comunidade limnológica, microistalina e fitoplanctônica de cinco reservatórios eutróficos tropicais localizados no semi-árido nordestino brasileiro, utilizados para uso doméstico no período de seca extrema e redução do volume de água. O estudo foi realizado em julho e agosto de 2015, e uma amostra integrada da coluna de água foi coletada em três pontos próximos à barragem em cada reservatório. Análises de parâmetros limnológicos, identificação e quantificação do fitoplâncton, com ênfase em cianobactérias, foram realizadas, assim como a detecção de microcistina por meio de imunoensaio (ELISA). Os reservatórios apresentaram ~ 90% de redução do volume de água. A alta turbidez e as concentrações de nitrogênio e fósforo, bem como as altas densidades de cianobactérias, revelaram um aumento no estado eutrófico da hipereutrofia. O biovolume total de fitoplâncton e densidade de cianobactérias é alto, além de um aumento médio em relação a estudos anteriores de 350% e 150%, respectivamente. A densidade de cianobactérias e a concentração de microcistina apresentaram valores acima dos níveis aceitáveis ​​para água de consumo, de acordo com a legislação brasileira. Uma comunidade fitoplanctônica foi representada por 17 grupos funcionais, incluindo espécies de cianobactérias potencialmente tóxicas, como Planktothrix agardhii (S1), Microcystis aeruginosa (M), Anabaena planktonica e Anabaena spp. (H1), Cylindrospermopsis raciborskii (Sn). Nossos resultados confirmam que condições de seca extrema e redução do volume dos reservatórios influenciam a composição, o biovolume de fitoplâncton e a qualidade da água, mas não o aumento do total de microcistina no analisado, embora acima de 1μg-1 tenha registrado uma diminuição significativa da qualidade da água usado para consumo humano.

Phytoplankton scenario and microcystin in water during extreme drought in semiarid tropical water supplies, Northeastern Brazil

Abstract The objective of this study was to characterize the limnological, microystin and phytoplankton community of five tropical eutrophic reservoirs located in the Brazilian northeastern semi-arid region, used for domestic use at the time of extreme drought and reduction of water volume. The study was conducted in July and August 2015, and an integrated sample of the water column was collected at three points near the dam in each reservoir. Analysis of limnological parameters, identification and quantification of phytoplankton, with emphasis on cyanobacteria were performed, as well as detection of microcystin by means of immunoassay (ELISA). The reservoirs presented ~ 90% water volume reduction. High turbidity and concentrations of nitrogen and phosphorus, as well as high cyanobacterial densities, revealed an increase in the eutrophic state for hypereutrophy. The total biovolume of phytoplankton and cyanobacterial density is high, plus an average increase in relation to previous studies of 350% and 150%, respectively. The density of cyanobacteria and microcystin concentration presented values above acceptable levels for drinking water according to Brazilian legislation. A phytoplankton community was represented by 17 functional groups, including potentially toxic cyanobacteria species such as Planktothrix agardhii (S1), Microcystis aeruginosa (M), Anabaena planktonica e Anabaena spp. (H1), Cylindrospermopsis raciborskii (Sn). Our results confirm that conditions of extreme drought and reduction of the volume of the reservoirs influence the composition, biovolume of phytoplankton and water quality, but not the increase of total microcystin in the analysed, although above 1g-1 registered a significant decrease of water quality in used for human consumption.

Resumo O objetivo deste trabalho foi caracterizar a comunidade limnológica, microistalina e fitoplanctônica de cinco reservatórios eutróficos tropicais localizados no semi-árido nordestino brasileiro, utilizados para uso doméstico no período de seca extrema e redução do volume de água. O estudo foi realizado em julho e agosto de 2015, e uma amostra integrada da coluna de água foi coletada em três pontos próximos à barragem em cada reservatório. Análises de parâmetros limnológicos, identificação e quantificação do fitoplâncton, com ênfase em cianobactérias, foram realizadas, assim como a detecção de microcistina por meio de imunoensaio (ELISA). Os reservatórios apresentaram ~ 90% de redução do volume de água. A alta turbidez e as concentrações de nitrogênio e fósforo, bem como as altas densidades de cianobactérias, revelaram um aumento no estado eutrófico da hipereutrofia. O biovolume total de fitoplâncton e densidade de cianobactérias é alto, além de um aumento médio em relação a estudos anteriores de 350% e 150%, respectivamente. A densidade de cianobactérias e a concentração de microcistina apresentaram valores acima dos níveis aceitáveis para água de consumo, de acordo com a legislação brasileira. Uma comunidade fitoplanctônica foi representada por 17 grupos funcionais, incluindo espécies de cianobactérias potencialmente tóxicas, como Planktothrix agardhii (S1), Microcystis aeruginosa (M), Anabaena planktonica e Anabaena spp. (H1), Cylindrospermopsis raciborskii (Sn). Nossos resultados confirmam que condições de seca extrema e redução do volume dos reservatórios influenciam a composição, o biovolume de fitoplâncton e a qualidade da água, mas não o aumento do total de microcistina no analisado, embora acima de 1g-1 tenha registrado uma diminuição significativa da qualidade da água usado para consumo humano.

Can microcystins affect zooplankton structure community in tropical eutrophic reservoirs? / Microcistinas podem afetar a estrutura da comunidade zooplanctônica em reservatórios eutróficos tropicais?

Abstract The aim of our study was to assess whether cyanotoxins (microcystins) can affect the composition of the zooplankton community, leading to domination of microzooplankton forms (protozoans and rotifers). Temporal variations in concentrations of microcystins and zooplankton biomass were analyzed in three eutrophic reservoirs in the semi-arid northeast region of Brazil. The concentration of microcystins in water proved to be correlated with the cyanobacterial biovolume, indicating the contributions from colonial forms such as Microcystis in the production of cyanotoxins. At the community level, the total biomass of zooplankton was not correlated with the concentration of microcystin (r2 = 0.00; P > 0.001), but in a population-level analysis, the biomass of rotifers and cladocerans showed a weak positive correlation. Cyclopoid copepods, which are considered to be relatively inefficient in ingesting cyanobacteria, were negatively correlated (r2 = – 0.01; P > 0.01) with the concentration of cyanotoxins. Surprisingly, the biomass of calanoid copepods was positively correlated with the microcystin concentration (r2 = 0.44; P > 0.001). The results indicate that allelopathic control mechanisms (negative effects of microcystin on zooplankton biomass) do not seem to substantially affect the composition of mesozooplankton, which showed a constant and high biomass compared to the microzooplankton (rotifers). These results may be important to better understand the trophic interactions between zooplankton and cyanobacteria and the potential effects of allelopathic compounds on zooplankton.

Resumo Com o objetivo de avaliar se as cianotoxinas (microcistinas) podem afetar a composição da comunidade zooplanctônica, levando à dominância de formas microzooplanctônicas (protozoários e rotiferos), as variações nas concentrações de microcistina e a biomassa do zooplâncton foram analisadas em três reservatórios eutróficos na região semi-árida do nordeste brasileiro. A concentração de microcistinas na água esteve correlacionada com o biovolume de cianobactérias, indicando a contribuição de formas coloniais como Microcystis na produção de cianotoxinas. A nível de comunidade, a biomassa total do zooplâncton não apresentou correlacão com a concentração de microcistina (r2 = 0.00; P > 0.001), mas em uma análise a nível de populações, a biomassa de rotíferos e cladóceros apresentou uma fraca correlação positiva. Copépodos Cyclopoida, os quais são considerados relativamente ineficientes na ingestão de cianobactérias, estiveram negativamente correlacionados com a concentração de microcistinas (r2 = - 0.01; P > 0.01). Surpreendentemente, a biomassa de copépodos Calanoida foi positivamente correlacionada com a concentração de cianotoxinas (r2 = 0.44; P > 0.001). Os resultados indicam que mecanismos de controle alelopáticos (efeitos negativos da microcistina sobre o zooplâncton) parecem não afetar substancialmente a composição do mesozooplâncton, que apresentou uma alta e constante biomassa, quando comparada à biomassa do microzooplâncton (rotíferos). Esses resultados podem ser importantes para um melhor entendimento das interações tróficas entre o zooplâncton e cianobactérias, e do efeito potencial de compostos alelopáticos sobre o zooplâncton.

Occurrence of toxin-producing cyanobacteria blooms in a Brazilian semiarid reservoir

Nós relatamos a ocorrência de florescimentos de cianobactérias e a presença de cianotoxinas em amostras de água do reservatório Armando Ribeiro Gonçalves (06º 08Æ S; 37º 07Æ W) situado no Estado do Rio Grande do Norte, na região semi-árida do Brasil. Cianobactérias foram identificadas e quantificadas nos períodos seco e chuvoso do ano 2000. Cianotoxinas tais como, microcistinas, saxitoxinas e cilindrospermopsinas foram quantificadas por HPLC e ELISA. Florescimentos tóxicos mistos de Cylindrospermopsis raciborskii, Microcystis spp (M. panniformis, M. protocystis, M. novacekii) e Aphanizomenon ssp (Aphanizomenon gracile, A. cf. manguinii, A. cf. issastschenkoi) foram persistentes e representaram 90-100% da comunidade fitoplanctônica ao longo do período estudado. No período de chuvas, florescimentos tóxicos de Cylindrospermopsis raciborskii coincidiram com maiores valores de saxitoxinas (3,14 µg.L-1). Entre o período de chuva e estiagem, ocorreram florescimentos tóxicos de Microcytis spp, excedendo o valor mínimo aceitável para consumo humano (8,8 µg.L-1). Na estiagem, baixas concentrações de saxitoxinas foram detectadas em florescimentos menos intensos com co-dominância de Cylindrospermopsis raciborskii, Microcystis spp e Aphanizomenon spp. Nossos resultados revelaram a presença de microcistinas (8,8 µg.L-1) e saxitoxinas (3,14 µg.L-1) na água bruta, a partir da segunda quinzena de abril até o final de maio de 2000. A ocorrência de blooms tóxicos de cianobactérias no reservatório em estudo aponta um risco permanente de cianotoxinas em águas de abastecimento e indica a necessidade da implementação de medidas de controle das florações, visando à melhoria da qualidade da água. A exposição das populações locais às cianotoxinas, pela sua potencial acumulação em musculatura de peixes, também deve ser considerada.