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.

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

Assays were carried out to evaluate effects of detritus size on the mineralization of an aquatic macrophyte, the Oxycaryum cubense. Samples of plant and water were collected from an oxbow lake, the Infernão lagoon (21° 35' S and 47° 51' W) located at Mogi Guaçu river floodplain. The plants were taken to the laboratory, washed under tap water, dried (50 °C) and fractioned into six groups according to their size, viz. 100, 10, 1.13, 0.78, 0.61 and 0.25 mm. Decomposition chambers were prepared by adding 1.0 g of plant fragments to 4.1 L of water lagoon. In sequence, the incubations were aerated and the concentrations of dissolved oxygen, the pH, the electric conductivity and the temperature were monitored for 120 days. The occurrence of anaerobic processes was avoided by reoxygenating the solutions. The experimental results were fitted to a first order kinetic model and the consumption of dissolved oxygen from mineralization processes was obtained. The physical process of fragmentation of O. cubense detritus is unlikely to promote the consumption of higher quantities of dissolved oxygen in mineralization processes meaning that fragmentation should not interfere in the balance of DO in this aquatic system, however fragmentation processes favored the acidification and increased the liberation of dissolved ions from the Infernão lagoon.

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.

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

Assays were carried out to evaluate effects of detritus size on the mineralization of an aquatic macrophyte, the Oxycaryum cubense. Samples of plant and water were collected from an oxbow lake, the Infernão lagoon (21° 35' S and 47° 51' W) located at Mogi Guaçu river floodplain. The plants were taken to the laboratory, washed under tap water, dried (50 °C) and fractioned into six groups according to their size, viz. 100, 10, 1.13, 0.78, 0.61 and 0.25 mm. Decomposition chambers were prepared by adding 1.0 g of plant fragments to 4.1 L of water lagoon. In sequence, the incubations were aerated and the concentrations of dissolved oxygen, the pH, the electric conductivity and the temperature were monitored for 120 days. The occurrence of anaerobic processes was avoided by reoxygenating the solutions. The experimental results were fitted to a first order kinetic model and the consumption of dissolved oxygen from mineralization processes was obtained. The physical process of fragmentation of O. cubense detritus is unlikely to promote the consumption of higher quantities of dissolved oxygen in mineralization processes meaning that fragmentation should not interfere in the balance of DO in this aquatic system, however fragmentation processes favored the acidification and increased the liberation of dissolved ions from the Infernão lagoon.

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)

Assays were carried out to evaluate the dissolved oxygen uptake resulting from mineralization of humic substances (fulvic acid (FA) and humic acid (HA)) from different sources: sediment, dissolved organic matter (DOM) of 120-day decomposed aquatic macrophyte (Scirpus cubensis and Cabomba piauhyensis), and lagoon DOM. The experiments were also aimed at estimating the oxygen uptake coefficient of the mineralization. About 20-30 mg of substrate were added to 1.1 liters of water from Infernão Lagoon (21º33' to 21º37'S; 47º45' to 47º51'W). The solutions were aerated and the dissolved oxygen (DO) was monitored during 40 days. Dissolved organic carbon (DOC) and particulate organic carbon (POC) were estimated after 80 days of the experiment. Anaerobic processes were avoided by aerating the solutions. The results were fitted to a first-order kinetics model, from which the uptake of oxygen parameters was obtained. Oxygen consumption (OC) ranged from 4.24 mg L-1 (HA - S. cubensis) to 33.76 mg L-1 (FA - sediment). The highest deoxygenation coefficient (kD) was observed during mineralization of FA - DOM (0.299 day-1), followed in decreasing order by FA - S. cubensis, HA - sediment, HA - S. cubensis, FA - sediment, and FA - C. piauhyensis (0.282; 0.255; 0.178; 0.130, and 0.123 day-1, respectively). The carbon analyses indicated that the FA and HA samples at the end of the experiment presented a decay that varied from 15.23% to 42.35% and that the FA and HA conversions into POC were relatively low (from 0.76% to 3.94%).

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%).

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

Assays were carried out to evaluate the dissolved oxygen uptake resulting from mineralization of humic substances (fulvic acid (FA) and humic acid (HA)) from different sources: sediment, dissolved organic matter (DOM) of 120-day decomposed aquatic macrophyte (Scirpus cubensis and Cabomba piauhyensis), and lagoon DOM. The experiments were also aimed at estimating the oxygen uptake coefficient of the mineralization. About 20-30 mg of substrate were added to 1.1 liters of water from Infernão Lagoon (21º33' to 21º37'S; 47º45' to 47º51'W). The solutions were aerated and the dissolved oxygen (DO) was monitored during 40 days. Dissolved organic carbon (DOC) and particulate organic carbon (POC) were estimated after 80 days of the experiment. Anaerobic processes were avoided by aerating the solutions. The results were fitted to a first-order kinetics model, from which the uptake of oxygen parameters was obtained. Oxygen consumption (OC) ranged from 4.24 mg L-1 (HA - S. cubensis) to 33.76 mg L-1 (FA - sediment). The highest deoxygenation coefficient (kD) was observed during mineralization of FA - DOM (0.299 day-1), followed in decreasing order by FA - S. cubensis, HA - sediment, HA - S. cubensis, FA - sediment, and FA - C. piauhyensis (0.282; 0.255; 0.178; 0.130, and 0.123 day-1, respectively). The carbon analyses indicated that the FA and HA samples at the end of the experiment presented a decay that varied from 15.23% to 42.35% and that the FA and HA conversions into POC were relatively low (from 0.76% to 3.94%).

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 (São 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.

Tendo em vista descrever as transformações do ácido tânico durante sua degradação (sob condições aeróbias e anaeróbias), foram realizadas incubações. Para estimar o consumo de oxigênio, o ácido tânico foi adicionado a 1 L de amostra de água do reservatório do Monjolinho (22º00'S e 47º54'W); essas soluções foram aeradas e o oxigênio dissolvido foi monitorado durante 16 dias, sendo evitado o processo de anaerobiose. Para a degradação anaeróbia e aeróbia, as concentrações de carbono orgânico dissolvido e de ácido tânico foram periodicamente estimadas. Os resultados foram ajustados a um modelo cinético de primeira ordem, sendo possível verificar que durante os 16 dias de experimento o consumo de oxigênio foi 3,6 mg.L-1, apresentando coeficiente de desoxigenação (kD) de 0,39 dia-1. Os coeficientes de degradação foram calculados por intermédio dos decréscimos das concentrações de ácido tânico e de carbono orgânico. No processo aeróbio, o coeficiente global de decaimento (kG) foi de 0,36 dia-1 e, no anaeróbio, de 0,28 dia-1. De maneira geral, os coeficientes de degradação obtidos sugerem que o bacterioplâncton do reservatório do Monjolinho possui capacidade elevada de degradação de polifenóis.

Aerobic and anaerobic degradation of tannic acid on water samples from Monjolinho reservoir (São 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.

Tendo em vista descrever as transformações do ácido tânico durante sua degradação (sob condições aeróbias e anaeróbias), foram realizadas incubações. Para estimar o consumo de oxigênio, o ácido tânico foi adicionado a 1 L de amostra de água do reservatório do Monjolinho (22º00'S e 47º54'W); essas soluções foram aeradas e o oxigênio dissolvido foi monitorado durante 16 dias, sendo evitado o processo de anaerobiose. Para a degradação anaeróbia e aeróbia, as concentrações de carbono orgânico dissolvido e de ácido tânico foram periodicamente estimadas. Os resultados foram ajustados a um modelo cinético de primeira ordem, sendo possível verificar que durante os 16 dias de experimento o consumo de oxigênio foi 3,6 mg.L-1, apresentando coeficiente de desoxigenação (kD) de 0,39 dia-1. Os coeficientes de degradação foram calculados por intermédio dos decréscimos das concentrações de ácido tânico e de carbono orgânico. No processo aeróbio, o coeficiente global de decaimento (kG) foi de 0,36 dia-1 e, no anaeróbio, de 0,28 dia-1. De maneira geral, os coeficientes de degradação obtidos sugerem que o bacterioplâncton do reservatório do Monjolinho possui capacidade elevada de degradação de polifenóis.