Interaction between resource identity and bacterial community composition regulates bacterial respiration in aquatic ecosystems

Abstract Resource identity and composition structure bacterial community, which in turn determines the magnitude of bacterial processes and ecological services. However, the complex interaction between resource identity and bacterial community composition (BCC) has been poorly understood so far. Using aquatic microcosms, we tested whether and how resource identity interacts with BCC in regulating bacterial respiration and bacterial functional diversity. Different aquatic macrophyte leachates were used as different carbon resources while BCC was manipulated through successional changes of bacterial populations in batch cultures. We observed that the same BCC treatment respired differently on each carbon resource; these resources also supported different amounts of bacterial functional diversity. There was no clear linear pattern of bacterial respiration in relation to time succession of bacterial communities in all leachates, i.e. differences on bacterial respiration between different BCC were rather idiosyncratic. Resource identity regulated the magnitude of respiration of each BCC, e.g. Ultricularia foliosa leachate sustained the greatest bacterial functional diversity and lowest rates of bacterial respiration in all BCC. We conclude that both resource identity and the BCC interact affecting the pattern and the magnitude of bacterial respiration in aquatic ecosystems.

Resumo A identidade e a composição do recurso estruturam a comunidade bacteriana, que, por sua vez, determina a magnitude dos processos bacterianos e seus serviços ecológicos. Porém, a complexa interação entre a identidade do recursos e a composição da comunidade bacteriana (CCB) tem sido pouco avaliada até o momento. Utilizando microcosmos aquáticos, nós testamos quando e como a identidade do recurso interage com a CCB na regulação da respiração bacteriana e da diversidade funcional bacteriana. Diferentes lixiviados de macrófitas aquáticas foram utilizados como diferentes fontes de carbono, enquanto que a CCB foi manipulada através de mudanças sucessionais das populações bacterianas em culturas de recrescimento. Nós observamos que tratamentos com a mesma CCB respiraram diferentemente em cada fonte de carbono; diferentes fontes também suportaram diferentes valores de diversidade funcional bacteriana. Não houve padrão linear claro de mudança na respiração bacteriana em relação ao tempo de sucessão das comunidades bacterianas nos lixiviados, i.e. diferenças na respiração bacteriana entre diferentes CCB foram idiossincráticas. A identidade do recurso regulou a magnitude da respiração, em cada CCB, e.g. o lixiviado de Ultricularia foliosa sustentou os maiores valores de diversidade funcional bacteriana e as menores taxas de respiração bacteriana em todas as CCB. Nós concluímos que a identidade do recurso e a CCB interagem afetando o padrão e a magnitude da respiração bacteriana em ecossistemas aquáticos.

Interaction between resource identity and bacterial community composition regulates bacterial respiration in aquatic ecosystems / A interação entre a identidade do recurso e a composição da comunidade bacteriana regula a respiração bacteriana em ecossistemas aquáticos

Abstract Resource identity and composition structure bacterial community, which in turn determines the magnitude of bacterial processes and ecological services. However, the complex interaction between resource identity and bacterial community composition (BCC) has been poorly understood so far. Using aquatic microcosms, we tested whether and how resource identity interacts with BCC in regulating bacterial respiration and bacterial functional diversity. Different aquatic macrophyte leachates were used as different carbon resources while BCC was manipulated through successional changes of bacterial populations in batch cultures. We observed that the same BCC treatment respired differently on each carbon resource; these resources also supported different amounts of bacterial functional diversity. There was no clear linear pattern of bacterial respiration in relation to time succession of bacterial communities in all leachates, i.e. differences on bacterial respiration between different BCC were rather idiosyncratic. Resource identity regulated the magnitude of respiration of each BCC, e.g. Ultricularia foliosa leachate sustained the greatest bacterial functional diversity and lowest rates of bacterial respiration in all BCC. We conclude that both resource identity and the BCC interact affecting the pattern and the magnitude of bacterial respiration in aquatic ecosystems.

Resumo A identidade e a composição do recurso estruturam a comunidade bacteriana, que, por sua vez, determina a magnitude dos processos bacterianos e seus serviços ecológicos. Porém, a complexa interação entre a identidade do recursos e a composição da comunidade bacteriana (CCB) tem sido pouco avaliada até o momento. Utilizando microcosmos aquáticos, nós testamos quando e como a identidade do recurso interage com a CCB na regulação da respiração bacteriana e da diversidade funcional bacteriana. Diferentes lixiviados de macrófitas aquáticas foram utilizados como diferentes fontes de carbono, enquanto que a CCB foi manipulada através de mudanças sucessionais das populações bacterianas em culturas de recrescimento. Nós observamos que tratamentos com a mesma CCB respiraram diferentemente em cada fonte de carbono; diferentes fontes também suportaram diferentes valores de diversidade funcional bacteriana. Não houve padrão linear claro de mudança na respiração bacteriana em relação ao tempo de sucessão das comunidades bacterianas nos lixiviados, i.e. diferenças na respiração bacteriana entre diferentes CCB foram idiossincráticas. A identidade do recurso regulou a magnitude da respiração, em cada CCB, e.g. o lixiviado de Ultricularia foliosa sustentou os maiores valores de diversidade funcional bacteriana e as menores taxas de respiração bacteriana em todas as CCB. Nós concluímos que a identidade do recurso e a CCB interagem afetando o padrão e a magnitude da respiração bacteriana em ecossistemas aquáticos.

Seasonal dynamics of methane in the water column of two subtropical lakes differing in trophic status / Dinâmica sazonal do metano na coluna d'água de dois lagos subtropicais em diferentes estados tróficos

Alterations in methane concentration in the water column of aquatic systems is closely linked to the processes of production and consumption of this gas, i.e., methanogenesis and methanotrophy respectively. The aim of this research is to evaluate methane dynamics through diurnal variation in the concentration of this gas in the water column of two lakes differing in trophic status at the campus of Fundação Universidade do Rio Grande (FURG). In two sampling periods (November 2001 and July 2002) methane concentrations in the water column were significantly higher (3.66 and 0.41 μmoles.L-1, respectively) at Lago dos Biguás, with mesoeutrophic features when related to Lago Polegar (1.43 and 0.19 μmoles.L-1, respectively) which has oligotrophic features. The higher methane concentrations were detected in November 2001 when higher temperature was also detected. The results highlighted the importance of trophic status as well as seasonality for the methane dynamics in these ecosystems.

As alterações na concentração de metano na coluna d'água nos ecossistemas aquáticos estão intimamente ligadas aos processos de produção e consumo deste gás, ou seja, à metanogênese e metanotrofia, respectivamente. Esta pesquisa tem como objetivo determinar a dinâmica do metano através da variação diurna da concentração deste gás na coluna d'água em dois lagos de diferentes estados tróficos do Campus da Fundação da Universidade do Rio Grande (FURG). Nos dois períodos de coleta (novembro de 2001 e julho de 2002), as concentrações de metano foram significativamente maiores no lago dos Biguás (3,66 e 0,41 μmoles.L-1, respectivamente) de caráter mesoeutrófico em relação ao lago Polegar (1,43 e 0,19 μmoles.L-1, respectivamente), de característica oligotrófica. Os maiores valores da concentração de metano na coluna d'água nos dois lagos foram observados no período de novembro de 2001, quando foram registrados também os maiores valores de temperatura. Estes resultados evidenciam tanto a importância do caráter trófico dos lagos quanto a sazonalidade em relação à dinâmica do metano nestes ecossistemas.

Neotropical coastal lagoons: an appraisal of their biodiversity, functioning, threats and conservation management / Lagoas costeiras neotropicais: uma apreciação sobre sua biodiversidade, funcionamento, principais ameaças e estratégias de conservação

Neotropical coastal lagoons (NCL) are human-dominated ecosystems. Their distribution along densely populated coastal areas of developing countries makes these systems among the most threatened in the world. Here, we summarize some aspects of the causes and consequences of NCL biodiversity, their functioning, their importance to the surrounding populations, their fragility, and their responses to local and global anthropogenic impacts and the challenges that Neotropical countries face in conserving these systems. Although still scarce and geographically concentrated, a growing body of studies has shown that NCLs are physiographically diversified systems, which harbor a considerable and particular proportion of the Neotropical inland aquatic biodiversity. Despite the fact that coastal lagoons are ecotones that are intricately connected to surrounding environments, they develop mechanisms for structural and functional regulation, which confer to these systems higher productivity and carrying capacities than surrounding ecosystems. Such traits attract residential developments and subsidize local traditional populations with important economic and aesthetic ecosystem revenues such as fisheries and scenic beauty. However, the disorganized human occupation around NCLs are causing profound impacts such as eutrophication, salinization, exotic species introduction, as well as other effects, which are ultimately imposing major habitat degradations and biodiversity extirpations in NCLs. We argue that interdisciplinary conservation strategies, which integrate scientific expertise, government officials, private companies and the general public, are the most likely to overcome the geographic and economic obstacles to NCL conservation.

As lagoas costeiras neotropicais (LCN) estão inseridas em um ambiente antropogênico. Sua localização em regiões costeiras densamente povoadas de países em desenvolvimento coloca estes ecossistemas entre os mais impactados do mundo. Neste trabalho, resumimos vários aspectos relacionados às causas e conseqüências da sua biodiversidade, seu funcionamento e os bens proporcionados à população do seu entorno. Sua fragilidade e as respostas a impactos humanos locais e globais, assim como os desafios para a sua conservação por países neotropicais, também são abordados. Apesar de escassos e geograficamente concentrados, um número crescente de estudos tem mostrado que as LCN são sistemas fisiograficamente diversificados, abrigando uma proporção considerável da biodiversidade dos ambientes aquáticos continentais neotropicais. Apesar de as lagoas costeiras representarem ecótonos bastante conectados ao ambiente adjacente, elas desenvolveram mecanismos próprios de regulação funcional e estrutural, conferindo uma maior produtividade e capacidade de suporte em relação aos ambientes circundantes. Tais características estimulam o desenvolvimento humano ao seu redor e subsidiam populações tradicionais locais com benefícios econômicos e estéticos como pesca e beleza cênica. No entanto, a ocupação desordenada de regiões próximas às LCN vem causando profundos distúrbios como eutrofização, salinização, introdução de espécies exóticas e outros, os quais acarretam a degradação do hábitat e a perda de biodiversidade. Acreditamos que estratégias de conservação multidisciplinares, que integrem conhecimento científico, órgãos governamentais, companhias privadas e opinião pública, são as mais indicadas para sobrepor os obstáculos geográficos e econômicos impostos à conservação das LCN.

Temporal and spatial fluctuations of phytoplankton in a tropical coastal lagoon, southeast Brazil

Spatial and temporal variability of the phytoplankton community in the tropical coastal Imboassica lagoon, an environment naturally isolated from the ocean by a narrow sandbar, was analysed every two weeks for 19 months by sampling three sites. During this study, the lagoon received direct input of marine water three times, resulting in remarkable salinity, nutrient concentrations and phytoplankton biomass variations in both temporal and spatial aspects. The phytoplankton biomass presented relatively low values ranging, on average, from 0.54 mg.L-1 in the station closest to the sea (station 1) to 1.34 mg.L-1 in the station close to a macrophyte bank (station 3). Diatoms and cryptomonads dominated in stations 1 and 2 (located relatively close to station 1, yet receiving the runoff of domestic sewage), and euglenoids, cryptomonads and dinoflagellates at station 3. Stations 1 and 2 usually presented the same dominant species but station 2 presented a higher phytoplankton biomass. On the other hand, station 3 showed more similar results concerning phytoplankton biomass with station 2, however the dominant species were usually different. The high fluctuations of salinity and the reduced nutrient availability are pointed out as the main factors structuring the dynamics of the phytoplankton community at the Imboassica lagoon.

Variações espaciais e temporais da comunidade fitoplanctônica da lagoa Imboassica, um ambiente naturalmente isolado do oceano por uma estreita barra de areia, foram analisadas com base em coletas quinzenais, realizadas em três estações, durante 19 meses. Durante este estudo, a barra de areia foi rompida três vezes, resultando em acentuadas variações temporais e espaciais na salinidade, na concentração de nutrientes e na biomassa fitoplanctônica. Esta apresentou valores relativamente baixos, variando de 0,54 mg.L-1 na estação mais próxima ao mar (estação 1) a 1,34 mg.L-1 na estação próxima a um banco de macrófitas (estação 3). Diatomáceas e criptofíceas dominaram nas estações 1 e 2 (esta última localizada, relativamente próxima à estação 1, porém recebendo aporte de esgotos domésticos), e euglenofíceas, criptofíceas e dinofíceas na estação 3. As estações 1 e 2 apresentaram, de modo geral, as mesmas espécies dominantes, diferindo neste aspecto da estação 3, no entanto, esta diferiu significantemente apenas da estação 1, em termos de biomassa fitoplanctônica. As elevadas flutuações na salinidade e a reduzida disponibilidade de nutrientes são apontadas como os principais fatores estruturadores da dinâmica da comunidade fitoplanctônica na lagoa Imboassica.

Environmental changes and zooplankton temporal and spatial variation in a disturbed brazilian coastal lagoon

The Imboassica lagoon, located in the Municipality of Macaé (RJ), is separated from the sea by a sand bar, and its surroundings are partially occupied by residential areas. This coastal lagoon has undergone environmental degradation due to sewage input and artificial sand bar openings. The temporal and spatial variation of environmental variables and zooplankton were studied monthly for four years. There were five artificial openings of the sand bar during the period of study, mostly in the rainy season. Besides osmotic changes, these events caused the drainage of the water of the lagoon into the sea, loss of total organic nitrogen, and an increase of total phosphorus. The zooplankton community of Imboassica lagoon included freshwater and marine taxa, holoplanktonic, meroplanktonic and nectobenthonic forms. Polychaeta, Bivalvia and Gastropoda larvae, and the taxa of Rotifera Hexarthra spp., Lecane bulla, Synchaeta bicornis, nauplii of Cyclopoida and Calanoida copepods were considered constant taxa. Distinct zooplankton assemblages were found during zooplankton spatial surveys in oligohaline and mesohaline conditions. The successful zooplankton populations were either favored by the disturbance of the sand bar opening, such as the veligers of the gastropod Heleobia australis, or capable of fast recovery after the closing of the sand bar, during the succession from a marine into an oligohaline environment, such as Hexarthra spp.. Such populations seemed well adapted to the stress conditions usually found in the lagoon due to osmotic changes, column mixing, nutrient input, and high fish predation pressure. Rare species in the community, such as Moina minuta, presented population increases all over the lagoon under oligohaline conditions.

A Lagoa Imboassica, localizada no Município de Macaé (RJ), é separada do mar por uma barra de areia e se encontra cercada parcialmente por áreas residenciais. Esta lagoa costeira tem sofrido intensa degradação ambiental devido à afluência de esgotos domésticos e a aberturas artificiais da barra de areia. Neste estudo foram acompanhadas, mensalmente ao longo de quatro anos, as variações temporais e espaciais de variáveis ambientais e do zooplâncton. Durante o período estudado foram realizadas cinco aberturas artificiais da barra de areia, sendo a maioria efetuada na época chuvosa. Além das alterações osmóticas, estas aberturas causaram a drenagem da água da lagoa para o mar, diminuição dos valores de nitrogênio total e aumento da concentração de fósforo total. A comunidade zooplanctônica da lagoa incluiu táxons de água doce e marinhos e formas holoplanctônicas, meroplanctônicas e nectobentônicas. Foram considerados constantes na comunidade larvas de Polychaeta, Bivalvia e Gastropoda, os táxons de Rotifera Hexarthra spp., Lecane bulla, Synchaeta bicornis e naúplios de copépodos Cyclopoida e Calanoida. Durante as amostragens espaciais ao longo de todo o corpo da lagoa em condições oligohalinas e mesohalinas foram encontradas distintas assembléias zooplanctônicas. As populações zooplanctônicas que apresentaram maior ocorrência foram aquelas aparentemente favorecidas pelo distúrbio causado pelas aberturas de barra, tais como véligers do gastrópode Heleobia australis, ou capazes de recuperação rápida após o fechamento da barra de areia, durante a transição de um ambiente marinho para um oligohalino, como Hexarthra spp.. Tais populações se mostraram bem adaptadas às condições de "stress" usualmente encontradas na lagoa devido a mudanças osmóticas, mistura da coluna d'água, aporte contínuo de nutrientes e alta pressão de predação por peixes. As espécies consideradas como raras na comunidade zooplanctônica, como Moina minuta apresentaram maiores...

Bacterial growth and DOC consumption in a tropical coastal lagoon

Os objetivos desta pesquisa foram: determinar o principal nutriente limitante ao crescimento bacteriano na lagoa Imboassica, estimar a porcentagem de Carbono Orgânico Dissolvido (COD) disponível para o crescimento bacteriano e determinar a Eficiência de Crescimento Bacteriano (ECB) da comunidade bacteriana. O crescimento bacteriano e o consumo de COD foram avaliados em experimentos de culturas de diluição, nos quais nitrogênio e fósforo foram adicionados às amostras de água, juntos ou separadamente, e um controle foi preparado sem adições de nutrientes. Quando adicionados juntos, N e P estimularam um maior crescimento e produção bacterianos, assim como maiores taxas de consumo de COD. ECB e taxas de consumo de COD foram fortemente dependentes do método utilizado para determinar a produção bacteriana. ECB variou de 11% a 72%, porém apenas uma pequena fração do COD total foi consumida pelas bactérias planctônicas (de 0,7% a 3,4%). Sugere-se que as baixas disponibilidades de fósforo e nitrogênio são os principais fatores responsáveis pela baixa utilização de COD pelas bactérias na lagoa Imboassica.

Flood pulse influence and anthropic impact on the chemical composition and energy content of Oryza glumaepatula in an Amazonian lake

O objetivo desta pesquisa foi estudar as influências do pulso de inundação e do impacto antrópico causado pelo rejeito de bauxita sobre a composição química de O. glumaepatula no lago Batata (PA, Brasil). As amostras foram realizadas em estandes de O. glumaepatula nos períodos de águas baixas, enchente, águas altas e vazante nas áreas natural e impactada desse ecossistema. Nos períodos de águas baixas e vazante, a área coletada encontrava-se exposta, enquanto nos períodos de enchente e águas altas, a profundidade da coluna d'água era de 1,4 e 3,8 m, respectivamente. O material coletado foi seco a 70ºC, moído e suas concentrações de fósforo total, nitrogênio total, carbono orgânico e conteúdo energético foram mensuradas. Os resultados indicaram que o aumento da biomassa causado pela elevação do nível d'água teve efeito diluidor sobre as concentrações de nitrogênio e fósforo em O. glumaepatula. O conteúdo energético não variou significativamente entre as áreas e os períodos estudados. Os resultados sugerem que, à medida que o nível d'água aumenta, O. glumaepatula torna-se limitada por nitrogênio na área impactada e por fósforo na área natural. A população de O. glumaepatula contribui para a recuperação da área impactada do lago Batata em decorrência do acúmulo de detritos dessa espécie sobre o sedimento, impedindo a resuspensão do rejeito de bauxita e promovendo aumento das concentrações de matéria orgânica e nutrientes.

Charophytes as a nutrient and energy reservoir in a tropical coastal lagoon impacted by humans (RJ, Brazil)

Na Lagoa Imboassica, localizada em Macaé, RJ, Brasil (22º24'S e 42º42'W), foram identificadas duas espécies de macroalgas do gênero Chara (C. angolensis e C. fibrosa), apresentando ampla distribuição. A lagoa recebe vários impactos antrópicos, e o lançamento de esgoto não tratado é um dos mais importantes. A biomassa variou entre 172 e 510 gDW.mû2 em diferentes áreas da lagoa. A concentração de nutrientes apresentou ampla variação, com os valores de carbono entre 325 e 392 mg.gû1DW, nitrogênio entre 14 e 27 mg.gû1DW e fósforo entre 0,45 e 0,85 mg.gû1DW, assim as taxas C:N:P apresentaram variação de 387:24:1 a 872:47:1. Os valores mínimo e máximo de energia na biomassa foram, respectivamente, 9,54 e 12,34 kJ.gû1DW. Há tendência de as menores taxas C:N:P ocorrerem em áreas mais eutrofizadas. Considerando os valores de biomassa e a concentração de nutrientes na biomassa, os maiores estoques de nutrientes estão associados aos bancos de Carófitas em áreas mais oligotróficas. A correlação de Spearman entre a concentração de nutrientes na coluna de água e a biomassa foi rs = 0,45 (p < 0,05) para o nitrogênio e rs = 0,50 (p < 0,01) para o fósforo (n = 30). A grande biomassa associada à concentração de nutrientes e os valores energéticos indicam que as carófitas são um importante compartimento biológico na estrutura e metabolismo da lagoa.

The use of indices for evaluating the periphytic community in two kinds of substrate in Imboassica Lagoon, Rio de Janeiro, Brazil

Biological indices based on the biomass (dry weight, ash content, and chlorophyll-a) of the periphyton in a natural (submersed leaves of Typha domingensis Pers) and in an artificial (plastic hoses) substrate were compared, in experiments performed in summer and winter, in two sampling stations of Imboassica Lagoon, Macaé, Rio de Janeiro. The periphytic community exhibited low biomass at the beginning and end of the experiments, and moderate biomass in the intermediate period of the experiment, whatever the kind of substrate, sampling station, and season. In both seasons, there was a spatial variation regarding the degree of trophy of the periphyton, due to the difference of nutrient availability among the sampling stations. The alternation of inorganic and organic periphyton, as well as of their heterotrophic, hetero-autotrophic, auto-heterotrophic and, autotrophic character was due to changes in the abiotic factors of the sampling periods. The Lakatos index proved more sensitive than the Autotrophic Index to variations in the composition of the periphytic community

Diversity and biomass of Chironomidae (Diptera) larvae in an impacted coastal lagoon in Rio de Janeiro, Brazil

Diversity and biomass of Chironomidae larvae were studied between January-November 1993 and March-November 1994 in an impacted lagoon in Rio de Janeiro, Southeastern Brazil, in an attempt to establish the ecological consequences of anthropogenic eutrophication processes. Nine hundred and seventy-five organisms belonging to the Tanypodinae, Orthocladiinae, and Chironominae were collected. Polypedilum (62 percent) and Chironomus (58 percent) were the most common genera found in the limnetic and littoral zones

Variation of biometric parameters and C, N, and P concentrations of Oryza glumaepatula at different depths of an amazonian lake impacted by bauxite tailings (Lake Batata, Pará, Brazil)

Lake Batata is a typical Amazonian clear water lake which has undergone anthropogenic impacts. Thirty percent of its total area has been covered with bauxite tailings. Thus, it is possible to distinguish two areas in this ecosystem: the impacted and the natural. The goal of this research was to study C, N, and P content variation and the values of biomass, length, density, and culm diameter of Oryza glumaepatula at different depths in the natural and impacted areas of Lake Batata. The results obtained in this research suggest that the availability of P and N, in both water and sediment, is lower at the shallow site when compared to the deeper sites. On the other hand, C concentrations decreased as P and N concentrations increased. This may be explained by the structural function of C in aquatic macrophytes. At shallower sites, due to the reduced water column, individuals invest in supporting structures that display high C concentrations. The higher density and biomass of O. glumaepatula at the intermediate site indicate that this area presents the best conditions for germination and establishment of individuals of this species. The chemical composition and biometric parameters of O. glumaepatula have shown that this population has higher spatial variation in the natural area. In the impacted area, the absence of significant variations in N and P concentrations in O. glumaepatula among the three sampled sites promotes higher homogeneity in the stands. The high C:P and N:P ratios indicate that, in the impacted area, P is more limiting to the development of O. glumaepatula than it is in the natural area. The reduced values of biomass and density of O. glumaepatula in the impacted area suggest that the bauxite tailings limit the development of this population

Influence of photoperiod on the uptake of nitrogen and phosphorus in the water by Eichhornia crassipes and Salvinia auriculata

The main goal of this research was to quantify the concentrations of total and ammonium N, nitrate, total and soluble P in the water in the presence of Eichhornia crassipes and Salvinia auriculata, which were submitted to two different photoperiods in a 24 hours incubation period in the laboratory. The macrophytes were incubated in plastic vials of approximately 1.5 litters, with a previously prepared solution with NH4NO3, NH4Cl, and KH2PO4. Eichhornia crassipes showed the highest average rate of reduction of all the nutrients analysed in relation to Salvinia auriculata. The largest photoperiod reflected in a higher average rate of reduction of nutrients, in both plants. Therefore, we may expect that in some periods of the year (e.g. summer), the aquatic macrophytes would show higher growth rates and higher rates of nitrogen and phosphorus absorption. These results are important for the implementation and management of wastewater treatment systems in tropical areas using aquatic macrophytes