Morphometry and retention time as forcing functions to establishment and maintenance of aquatic macrophytes in a tropical reservoir / Morfometria e tempo de residência como fatores determinantes no estabelecimento e manutenção de macrófitas aquáticas em um reservatório tropical

Abstract Macrophytes may constitute an important resource for several chemical, physical and biological processes within aquatic ecosystems. This study considers that in tropical reservoirs with low retention time and with low values of shoreline development (DL), the expansion and persistence of aquatic macrophytes are mainly reported to local conditions (e.g., hydrodynamic and wind exposure) rather than trophic status and depth of the euphotic zone. In this context, this study aimed at describing and comparing the incidence of aquatic macrophytes in a throughflowing, non-dendritic tropical reservoir. During February 2006 to November 2007, eight limnological surveys were performed quarterly within the Ourinhos Reservoir, and in the mouth areas of its tributaries. At the six sampling stations 30 variables were measured. The number of sites with plants varied between 21 and 38 and at the end of the 1st year the total richness was found. The sampling survey outcome the recognition of 18 species of aquatic macrophytes; Cyperaceae (2 genera and 1 species), Pontederiaceae (3 species) and Onarograceae (3 genera) were the families with higher diversity. Seven species (Typha domingensis Pers., Myriophyllum aquaticum (Vell.) Verdec, Salvinia auriculata Aubl., Eichhornia azurea (Sw.) Kunth, Eleocharis sp1, Eichhornia crassipes (Mart.) Solms, Oxycaryum cubense (Poepp. & Kunth) Lye) always were present and were more frequent in the sites. The occurrence of emergent species predominated (45.9%), followed by submersed rooted (24.5%), free floating (19.5%), floating rooted (9.7%) and free submersed (0.3%). Although limnological variables and the distribution of macrophytes have discriminated the same sampling points, the stepwise multiple linear regressions did not pointed out strong correspondences (or coherence) among the most constant and distributed macrophyte species and the selected limnological variables, as well the trophic statuses. Seeing the low relationship among limnological variables and macrophytes distribution, in the case of Ourinhos Reservoir, the results pointed out that the water turbulence, low DL and wind exposure are the main driving forces that determine its aquatic plant distribution, life forms and species composition.

Resumo As macrófitas podem constituir um recurso importante para vários processos físicos, químicos e biológicos dos ecossistemas aquáticos. Esse estudo considera que nos reservatórios tropicais com baixo tempo de retenção e com baixos valores do grau de desenvolvimento das margens (DL), a expansão e manutenção das macrófitas aquáticas são referidas principalmente às condições locais (e.g., hidrodinâmica e exposição ao vento), ao invés do estado trófico e da profundidade de zona eufótica. Nesse contexto, o presente estudo teve como objetivo descrever e comparar a incidência de macrófitas aquáticas em um reservatório tropical de fluxo rápido e não dendrítico. De fevereiro de 2006 a novembro de 2007, oito avaliações limnológicas foram realizadas trimestralmente no reservatório Ourinhos e nas regiões de desembocadura de seus afluentes. Nas seis estações de amostragem 30 variáveis foram determinadas. O número de locais com plantas variou entre 21 e 38 e no final do primeiro ano o número total de espécies foi encontrado. Foram relacionadas 18 espécies de macrófitas aquáticas; Cyperaceae (2 gêneros e espécies), Pontederiaceae (3 espécies) e Onarograceae (3 gêneros) foram as famílias com mais diversidade. Sete espécies (Typha domingensis Pers., Myriophyllum aquaticum (Vell.) Verdec, Salvinia auriculata Aubl., Eichhornia azurea (Sw.) Kunth, Eleocharis sp1, Eichhornia crassipes (Mart.) Solms, Oxycaryum cubense (Poepp. & Kunth) Lye) sempre estiveram presentes e foram as mais frequentes. As ocorrências de espécies emergentes predominaram (45,9%), seguidas das submersas enraizadas (24,5%), flutuantes livres (19,5%), flutuantes enraizadas (9,7%) e submersas livres (0,3%). Embora as variáveis limnológicas e as distribuições de macrófitas tenham discriminado os mesmo pontos de coleta, regressões lineares múltiplas stepwise não apontaram correspondências fortes (ou coerentes) entre as espécies de macrófitas mais constantes e distribuídas e as variáveis limnológicas, assim como os estados tróficos. No reservatório Ourinhos, a baixa relação entre as variáveis limnológicas e a distribuição das macrófitas aponta que a turbulência da água, o baixo valor de DL e a exposição ao vento sejam as principais forças que determinam a distribuição das plantas aquáticas, as suas formas de vida e a composição das espécies.

Cellulase and xylanase activity during the decomposition of three aquatic macrophytes in a tropical oxbow lagoon

Due to the connection between enzymatic activity and degradation of different fractions of organic matter, enzyme assays can be used to estimate degradation rates of particulate and dissolved organic carbon in freshwater systems. The aim of this study was to quantify and model the enzymatic degradation involving the decomposition of macrophytes, describing temporal activity of cellulases (EC 3.2.1.4 and EC 3.2.1.91) and xylanase (EC 3.2.1.8) during in situ decomposition of three aquatic macrophytes (Salvinia sp., Eichhornia azurea and Cyperus giganteus) on the surface and water-sediment interface (w-s interface) of an oxbow lagoon (Óleo lagoon) within a natural Brazilian Savanna Reserve. Overall, the enzymatic degradation of aquatic macrophytes in Óleo lagoon occurred during the whole year and was initiated together with leaching. Xylanase production was ca. 5 times higher than cellulase values due to easy access to this compound by cellulolytic microorganisms. Enzymatic production and detritus mass decay were similar on the surface and w-s interface. Salvinia sp. was the most recalcitrant detritus, with low mass decay and enzymatic activity. E. azurea and C. giganteus decomposition rates and enzymatic production were high and similar. Due to the physicochemical homogeneity observed in the Óleo lagoon, the differences between the decay rates of each species are mostly related with detritus chemical quality.

Aerobic and anaerobic decomposition of Pistia stratiotes leachates from a tropical eutrophic reservoir (Barra Bonita, SP, Brazil) / Decomposição aeróbia e anaerobia de lixiviados de Pistia stratiotes de um reservatório eutrófico tropical (Barra Bonita, SP, Brasil)

The present study discussed the kinetic aspects of leachate decomposition from an aquatic macrophyte, Pistia stratiotes L (water lettuce). This species was collected from Barra Bonita Reservoir located in the State of São Paulo (Brazil). Decomposition chambers were prepared with high molecular weight (HMW), low molecular weight (LMW) and integral (INT = HMW + LMW) dissolved organic matter (DOM) diluted with reservoir water. The samples were incubated at 20 °C, in darkness and under aerobic or anaerobic conditions. For 79 days, the concentrations of dissolved oxygen (DO) and organic carbon (OC) were measured. For calculating the deoxygenation coefficients (k d) and maximum oxygen consumption (COmax) the concentration of DO was integrated and fitted to a first-order kinetics model, which also applied to the depletion of OC concentrations. The COmax of INT incubations were 4 percent higher than the sum of HMW and LMW fractions. The deoxygenation coefficients, k d, had the same order of magnitude for all treatments. In relation to carbon decay, regardless of the availability of oxygen, the INT DOM also showed higher mineralisation. These results suggest that the leachate mineralisations are short-term processes; when the fractionation of the leachates occurs, the LMW had organic compounds with more accessibility for heterotrophic metabolism. On the other hand, when compared to INT DOM, the HMW and LMW were less consumed suggesting an interaction of the reactivity of the leachate. Our data suggest that in the Barra Bonita Reservoir the mineralisation of P. stratiotes leachates occurs through two competitive pathways (i.e. mineralisation of the labile compounds and formation of recalcitrant organic resources and their mineralisation) in which the oxygen availability and the molecular mass of DOM can interfere in the rates of reactions.

Nesse estudo foram discutidos aspectos cinéticos da decomposição de lixiviados da macrófita aquática Pistia stratiotes L (alface-d'água). A macrófita foi coletada no reservatório de Barra Bonita, localizado no Estado de São Paulo (Brasil). As câmaras de decomposição foram preparadas com amostras de água do reservatório e matéria orgânica dissolvida (MOD) de lixiviados com massa molecular alta (MMA), massa molecular baixa (MMB) e integral (INT = MMA + MMB). As amostras foram incubadas a 20 ºC, no escuro e sob condições aeróbias e anaeróbias. Durante 79 dias, as concentrações de oxigênio dissolvido (OD) e de carbono orgânico (CO) foram determinadas. Para os cálculos dos coeficientes de desoxigenação (k d) e das quantidades máximas de oxigênio consumido (OCmax), as concentrações de OD foram integradas e ajustadas a um modelo cinético de primeira ordem, que também foi empregado para os ajustes dos decréscimos das concentrações de CO. O OCmax da incubação com lixiviado integral (INT) foi 4 por cento maior que a soma dos OCmax das frações MMA e MMB. Os coeficientes de desoxigenação foram da mesma ordem de magnitude em todos os tratamentos. Em relação à perda de massa do carbono, independente da disponibilidade de oxigênio, a MOD INT apresentou as mineralizações mais elevadas. Os resultados sugeriram que as mineralizações desses lixiviados foram processos de curto prazo; na ocorrência de fracionamento, os lixiviados com MMB apresentam compostos orgânicos mais acessíveis aos metabolismos dos heterótrofos. Por outro lado, quando comparados com MOD INT, os lixiviados com MMB e MMA foram menos consumidos, sugerindo interação na reatividade dos lixiviados. Os resultados sugerem que no reservatório de Barra Bonita as mineralizações dos lixiviados de P. stratiotes ocorrem por duas rotas competitivas (i.e. mineralização dos compostos lábeis e formação de recursos refratários e sua mineralização), nas quais a disponibilidade de oxigênio e a massa molecular...

Oxygen demand during mineralization of aquatic macrophytes from an oxbow lake

This study presents a kinetic model of oxygen consumption during aerobic decomposition of detritus from seven species of aquatic macrophytes: Cabomba furcata, Cyperus giganteus, Egeria najas, Eichhornia azurea, Salvinia auriculata, Oxycaryum cubense and Utricularia breviscapa. The aquatic macrophytes were collected from Óleo Lagoon situated in the Mogi-Guaçu river floodplain (SP, Brazil). Mineralization experiments were performed using the closed bottles method. Incubations made with lake water and macrophytes detritus (500 mL and 200 mg.L-1 (DM), respectively) were maintained during 45 to 80 days at 20 °C under aerobic conditions and darkness. Carbon content of leachates from aquatic macrophytes detritus and dissolved oxygen concentrations were analyzed. From the results we concluded that: i) the decomposition constants differ among macrophytes; these differences being dependent primarily on molecular and elemental composition of detritus and ii) in the short term, most of the oxygen demand seems to depend upon the demineralization of the dissolved carbon fraction.

Nesse estudo foi utilizado um modelo cinético para a descrição dos consumos de oxigênio durante a mineralização aeróbia de detritos de sete espécies de macrófitas aquáticas: Cabomba furcata, Cyperus giganteus, Egeria najas, Eichhornia azurea, Salvinia auriculata, Oxycaryum cubense e Utricularia breviscapa. As macrófitas aquáticas foram coletadas na Lagoa do Óleo, situada na planície de inundação do rio Mogi-Guaçu (SP, Brasil). Os experimentos foram realizados empregando-se incubações similares as de DBO. As incubações foram preparadas com água da lagoa e detritos das macrófitas aquáticas (500 mL e 200 mg.L-1 (PS), respectivamente) e foram mantidas durante 45 a 80 dias a 20 °C, sob condições aeróbias e no escuro. Foram determinados os conteúdos de carbono dos lixiviados dos detritos e os consumos de oxigênio dissolvido durante a mineralização. A partir dos resultados obtidos pôde-se concluir que: i) os coeficientes de mineralização das macrófitas aquáticas diferiram entre si, essas diferenças dependeram principalmente das composições moleculares e elementares dos detritos; e ii) a curto prazo, grande parte da demanda de oxigênio parece depender da mineralização das de carbono dissolvido provenientes da lixiviação.

Oxygen uptake during mineralization of photosynthesized carbon from phytoplankton of the Barra Bonita Reservoir: a mesocosm study

This study aimed to discuss and describe the oxygen consumption during aerobic mineralization of organic products (cells and excretion products) from five unialgal cultures: Cryptomonas sp., Microcystis aeruginosa, Anabaena spiroides, Thalassiosira sp. and Aulacoseira granulata. These species were isolated from Barra Bonita reservoir (22º 29’ S and 48º 34’ W) and cultivated in the laboratory. From each culture, two decomposition chambers were prepared; each chamber contained about 130 mg.L-1 of carbon from water samples of the reservoir. The chambers were aerated and incubated in the dark at 20.0 ºC. The concentration of dissolved oxygen, pH values and electrical conductivity of the solutions were determined during a period of 10 days. The results indicated increases in oxygen consumption for all the solutions studied and also for electrical conductivity. The pH values presented a decreasing tendency throughout the experiment. Oxygen consumption varied from 43 (Aulacoseira granulata chamber) to 345 mg O2 g-1 C (Anabaena spiroides chamber). Decrease in pH values was probably due to increase in CO2 concentration from microbial respiration. Increase in electrical conductivity might be due to the liberation of ions during decomposition. The results demonstrate the potentiality of the studied genera in influencing oxygen availability followed by a die-off event. It also indicates the possibility of changing of the electrical conductivity and pH values in the water column due the aerobic algae mineralization.

Este estudo teve por objetivo descrever e discutir aspectos do consumo de oxigênio decorrente da mineralização aeróbia de células e produtos de excreção provenientes de cinco culturas de algas: Cryptomonas sp., Microcystis aeruginosa, Anabaena spiroides, Thalassiosira sp. e Aulacoseira granulata. As algas foram isoladas do reservatório de Barra Bonita (22º 29’ S e 48º 34’ W) e cultivadas em laboratório. Para cada cultura, foram preparadas duas câmaras de mineralização; cada garrafa conteve, em base de carbono, cerca de 130 mg.L-1 em amostras de água do reservatório. As câmaras foram aeradas e incubadas no escuro a 20 ºC. Durante um período de 10 dias, foram determinadas as concentrações de oxigênio dissolvido, pH e condutividade elétrica das misturas. Os resultados indicaram incrementos nos consumos de oxigênio e de condutividade elétrica e decréscimos nos valores de pH. O consumo de oxigênio variou de 43 (experimento com Aulacoseira granulata) a 345 mg O2 g-1 C (experimento com Anabaena spiroides). Os aumentos dos valores de condutividade elétrica provavelmente decorreram da liberação de íons durante a decomposição. Para o pH, a diminuição dos valores foi provavelmente resultante do incremento das concentrações de CO2 provenientes da respiração dos microrganismos. Os resultados sugeriram para a represa de Barra Bonita, a possibilidade de incremento das demandas de oxigênio em função da degradação dos gêneros selecionados. Visto que esse reservatório é eutrófico, os resultados indicam também a possibilidade de alterações da condutividade elétrica da água e do pH devido à mineralização aeróbia de algas.

The effect of the size of particles on mineralization of Oxycaryum cubense (Poepp. & Kunth) Lye

Ensaios foram realizados para avaliar os efeitos de tamanho dos detritos na mineralização de uma macrófita aquática, a Oxycaryum cubense. Foram coletadas amostras de planta e de água de uma lagoa marginal, a lagoa do Infernão (21° 35' S e 47° 51' W), localizada na planície de inundação do rio Mogi Guaçu. As plantas foram levadas ao laboratório, lavadas em água corrente, secas (50 °C) e fracionadas em seis grupos de acordo com o tamanho: 100, 10, 1,13, 0,78, 0,61 e 0,25 mm. Foram preparadas câmaras de decomposição adicionando aproximadamente 1,0 g de fragmentos de planta em 4,1 L de água da lagoa. Na seqüência, as incubações foram aeradas e as concentrações de oxigênio dissolvido, o pH, a condutividade elétrica e a temperatura foram monitorados durante 120 dias. A ocorrência de processos de anaeróbios foi evitada por reoxigenação das soluções. Os resultados experimentais foram ajustados a um modelo cinético de primeira ordem e o consumo de oxigênio dissolvido decorrente da mineralização foi obtido. De maneira geral, o processo físico de fragmentação não tende a envolver maiores quantidades de oxigênio durante a mineralização aeróbia dos detritos, significando que a fragmentação não interfere no balanço de oxigênio dissolvido deste sistema aquático; entretanto favoreceu a acidificação e também a liberação de íons dissolvidos na lagoa do Infernão.

Oxygen uptake during mineralization of humic substances from Infernão Lagoon (São Paulo, Brazil)

Foram realizados ensaios a fim de avaliar o consumo de oxigênio dissolvido resultante da mineralização de substâncias húmicas (ácido fúlvico - AF e ácido húmico - AH) provenientes de diferentes fontes: sedimento, matéria orgânica dissolvida (MOD) resultante de 120 dias de degradação de macrófitas aquáticas (Scirpus cubensis e Cabomba piauhyensis) e MOD da lagoa do Infernão. O experimento também teve por objetivo estimar os coeficientes de consumo de oxigênio durante a mineralização. Cerca de 20-30 mg de substratos foram adicionados a 1,1 litro de água da lagoa do Infernão (21º33' a 21º37'S; 47º45' a 47º51'W). As soluções foram aeradas e o oxigênio dissolvido (OD) foi monitorado durante 40 dias. O carbono orgânico dissolvido (COD) e o particulado (COP) foram estimados após 80 dias. Os processos anaeróbios foram evitados aerando-se as soluções. Os resultados foram ajustados a um modelo cinético de primeira ordem e os parâmetros do consumo de oxigênio foram obtidos. O consumo de oxigênio (CO) variou de 4,24 mg L-1 (AH - S. cubensis) a 33,76 mg L-1 (AF - sedimento). O coeficiente de desoxigenação mais elevado (kD) foi observado durante mineralização do AF - MOD (0,299 dia-1), seguido em ordem decrescente: AF - S. cubensis, AH - sedimento, AH - S. cubensis, AF - sedimento e AF - C. piauhyensis (0,282; 0,255; 0,178; 0,130; e 0,123 dia-1, respectivamente). As análises de carbono indicaram que o AF e o AH ao final do experimento apresentaram decaimento de 15,23% a 42,35% e que as conversões de AF e de AH em COP foram relativamente baixas (0,76% a 3,94%).

Aerobic and anaerobic degradation of tannic acid on water samples from Monjolinho reservoir (Säo Paulo, SP, Brazil)

In order to describe the transformations of tannic acid during its degradation (under aerobic and anaerobic conditions) incubations were performed. To evaluate the oxygen consumption, the tannic acid was added to 1 L of water sample from Monjolinho's reservoir (22º00'S and 47º54'W); these solutions were aerated and the dissolved oxygen was monitored for 16 days, the anaerobic process was avoided. For the anaerobic and aerobic degradation, the dissolved organic carbon and the acid tannic concentrations were estimated on the samples days. The results were fitted to first-order kinetic model, being possible to verify that during the 16 days the oxygen uptake was 3.6 mg.L-1, the deoxygenation rate (kD)of this process was 0.39 day-1. The degradation coefficients were calculated through the decay of the tannic acid and organic carbon concentrations. In the aerobic process, the global decay coefficient (kG) was 0.36 day-1 and in the anaerobic 0.28 day-1. Overall, the obtained degradation coefficients suggest that the bacterioplankton of the Monjolinho's reservoir possess a high capacity of polyphenols degradation