Implication of anaerobic and aerobic decomposition of Eichhornia azurea (Sw.) Kunth. on the carbon cycling in a subtropical reservoir / Implicações da decomposição aeróbia e anaeróbia de Eichhornia azurea (Sw.) Kunth. na ciclagem de carbono em um reservatório subtropical

This study aimed at describing kinetic aspects of aerobic and anaerobic mineralization of Eicchornia azurea. The samples of aquatic macrophyte and water were collected in the Monjolinho Reservoir (22° 00′ S and 47° 54′ W). To determine the leachate potential, dried plant fragments were added to reservoir water, with sampling lasting for 4 months, where the particulate and dissolved organic carbon concentrations were measured. The kinetics of mass loss was obtained with 10 mineralization chambers for both aerobic and anaerobic conditions, with the plant fragments and reservoir water. Two additional chambers were used to monitor the volume of gases produced from anaerobic mineralization, with bioassays to determine oxygen uptake. The results were fitted to a first-order kinetic model, from which 27.21% of detritus corresponded to labile/soluble fractions and 72.62% to the refractory fractions. The decay rates for the global mass losses of the labile/soluble components were 2.07 day–1. DOC mineralization was not verified for either condition. Under aerobic condition, the mass loss constant rate (0.0029 day–1) for the refractory fractions was 2.4 the value for the anaerobic one. Under anaerobic condition, the gases formation occurred in three phases. Based on these results, in the Monjolinho Reservoir, the decomposition of E. azurea that undergo within the water column and in upper layers of sediment is a faster process, favoring the mineralization. In contrast, in the lower layers of sediment the diagenetic processes (i.e. humus production and accumulation of organic matter) are favored.

Nesse estudo descreveram-se aspectos cinéticos da decomposição aeróbia e anaeróbia de Eichhornia azurea. As amostras da macrófita aquática e de água foram coletadas no reservatório do Monjolinho (22° 00′ S e 47° 54′ O). Para a determinação do potencial de lixiviação, adicionaram-se fragmentos de planta (previamente secos) em água do reservatório. Nos experimentos de decomposição, as amostragens foram realizadas durante 4 meses e quantificaram-se as frações particuladas e dissolvidas de carbono. Para descrever as cinéticas de perda de massa, para cada condição (aeróbia e anaeróbia) foram preparadas 10 incubações contento fragmentos de plantas e água do reservatório. A cada dia de amostragem as frações particuladas e dissolvidas de carbono orgânico foram quantificadas. Foram também preparadas 2 câmaras para registrar a formação de gases da degradação anaeróbia e o consumo de oxigênio na degradação aeróbia. Os resultados foram ajustados a um modelo cinético de 1ª ordem. Verificou-se que 27,21% dos detritos corresponderam à fração lábil/solúvel e 72,62% à refratária. O coeficiente global de perda de massa das frações lábeis/solúveis foi 2,07 dia–1. Nas duas condições não houve mineralização da matéria orgânica dissolvida. Na condição aeróbia, o coeficiente de perda de massa das frações refratárias (0,0029 dia–1) foi 2,4 vezes maior que o da anaeróbia. Para a condição anaeróbia observou-se que a formação de gases constituiu-se de três fases. Diante destes resultados, no reservatório do Monjolinho, os processos degradativos dos detritos de E. azurea que ocorrem tanto na coluna d'água quanto na superfície do sedimento são mais rápidos, favorecendo assim, a mineralizaçao; por outro lado, no sedimento os processos diagenéticos (i.e. humificação e o acúmulo de matéria orgânica) são favorecidos.

Anaerobic decomposition of a native and an exotic submersed macrophyte in two tropical reservoirs / Decomposicao anaerobica de uma macrofita submersa nativa e de uma exotica em dois reservatorios tropicais

Some aquatic plants have fast metabolism and growth, even at sub-optimal conditions, and become dominant in lentic environments such as large reservoirs, altering the nutrient cycle and impairing their environmental quality. There is great need in the knowledge impact processes of invasive species in aquatic environments, among the major, those related to the decomposition. This study evaluated the anaerobic decomposition of invasive submerged macrophytes Egeria densa Planch, native, and Hydrilla verticillata (L.f.) Royle, exotic in Porto Primavera and Jupiá reservoirs, Paraná basin. We evaluated the decay of organic matter, humification degree of the leached material, electrical conductivity and pH of the decomposition process. Mathematical models were utilised to describe the decomposition patterns over time. Both species showed the same heterogeneous pattern of decay of organic matter and carbon mineralisation. The models of carbon mineralisation, compared with the experimentally obtained data presented were adequate. Both species show no significant differences in the decomposition processes. Incubations of both species presented rapid t ½ for POC mineralisation and low DOC mineralisation.

Algumas plantas aquáticas apresentam rápido metabolismo e desenvolvimento, mesmo em condições subótimas, tornando-se dominantes em ambientes lênticos, como em grandes reservatórios, alterando o ciclo de nutrientes e depreciando a qualidade ambiental. Existe grande necessidade do conhecimento das vias de impacto de espécies invasoras em ambientes aquáticos; dentre as principais, apontam-se as vias de impacto relacionadas à decomposição. Este estudo avaliou a decomposição anaeróbia das macrófitas submersas invasoras Egeria densa Planch., nativa, e da Hydrilla verticillata (Lf) Royle, exótica, nos Reservatórios de Porto Primavera e Jupiá, Bacia do Rio Paraná. Foram avaliados os seguintes aspectos: a decomposição da matéria orgânica, o grau de humificação do material lixiviado e a condutividade elétrica e o pH do processo de decomposição. Modelos matemáticos foram utilizados para descrever os padrões de decomposição ao longo do tempo. Ambas as espécies apresentaram o mesmo padrão heterogêneo de decomposição da matéria orgânica e mineralização do carbono. Os modelos de mineralização do carbono, em comparação com os dados obtidos experimentalmente, apresentaram boa convergência. As espécies não apresentaram diferenças significativas entre si nos processos de decomposição. As incubações das duas espécies apresentaram t½ rápido para a mineralização do COP e baixo, para a mineralização do COD.

Oxygen uptake from aquatic macrophyte decomposition from Piraju Reservoir (Piraju, SP, Brazil) / Consumo de oxigênio da decomposição de macrófitas aquáticas do reservatório da usina hidrelétrica Piraju (Piraju, SP, Brasil)

The kinetics of oxygen consumption related to mineralisation of 18 taxa of aquatic macrophytes (Cyperus sp, Azolla caroliniana, Echinodorus macrophyllus, Eichhornia azurea, Eichhornia crassipes, Eleocharis sp1, Eleocharis sp2, Hetereanthera multiflora, Hydrocotyle raniculoides, Ludwigia sp, Myriophyllum aquaticum, Nymphaea elegans, Oxycaryum cubense, Ricciocarpus natans, Rynchospora corymbosa, Salvinia auriculata, Typha domingensis and Utricularia foliosa) from the reservoir of Piraju Hydroelectric Power Plant (São Paulo state, Brazil) were described. For each species, two incubations were prepared with ca. 300.0 mg of plant (DW) and 1.0 L of reservoir water sample. The incubations were maintained in the dark and at 20 ºC. Periodically the dissolved oxygen (DO) concentrations were measured; the accumulated DO values were fitted to 1st order kinetic model and the results showed that: i) high oxygen consumption was observed for Ludwigia sp (533 mg g-1 DW), while the lowest was registered for Eleocharis sp1 (205 mg g-1 DW) mineralisation; ii) the higher deoxygenation rate constants were verified in the mineralisation of A. caroliniana (0.052 day-1), H. raniculoides (0.050 day-1) and U. foliosa (0.049 day-1). The oxygen consumption rate constants of Ludwigia sp and Eleocharis sp2 mineralisation (0.027 day-1) were the lowest. The half-time of oxygen consumption varied from 9 to 26 days. In the short term, the detritus of E. macrophyllus, H. raniculoides, Ludwigia sp, N. elegans and U. foliosa were the critical resources to the reservoir oxygen demand; while in the long term, A. caroliniana, H. multiflora and T. domingensis were the resources that can potentially contribute to the benthic oxygen demand of this reservoir.

Neste estudo foram descritas as cinéticas dos consumos de oxigênio dissolvido (OD) das mineralizações de 18 espécies de macrófitas aquáticas (Cyperus sp, Azolla caroliniana, Echinodorus macrophyllus, Eichhornia azurea, Eichhornia crassipes, Eleocharis sp1, Eleocharis sp2, Hetereanthera multiflora, Hydrocotyle raniculoides, Ludwigia sp., Myriophyllum aquaticum, Nymphaea elegans, Oxycaryum cubense, Ricciocarpus natans, Rynchospora corymbosa, Salvinia auriculata, Typha domingensis e Utricularia foliosa) do reservatório da Usina Hidrelétrica Piraju (São Paulo, Brasil). Para cada planta, duas incubações foram preparadas, com ca. 300,0 mg de planta (PS) em 1,0 L de água do reservatório. As incubações foram mantidas no escuro a 20 ºC. Periodicamente, as concentrações de oxigênio dissolvido (OD) foram determinadas; os consumos acumulados de OD foram ajustados a um modelo cinético de 1ª ordem e os resultados indicaram que: i) o consumo mais elevado foi observado na mineralização de Ludwigia sp (533 mg g-1 PS), enquanto que o menor foi registrado para os detritos de Eleocharis sp1 (205 mg g-1 PS); ii) os maiores coeficientes de desoxigenação foram verificados nas mineralizações de A. caroliniana (0,052 dia-1), H. raniculoides (0,050 dia-1) e U. foliosa (0,049 dia-1). Os coeficientes de desoxigenação das mineralizações de Ludwigia sp e Eleocharis sp2 foram os mais baixos (0,027 dia-1). Os tempos de meia-vida dos consumos de oxigênio variaram entre 9 e 26 dias. A curto prazo, os detritos de E. macrophyllus, H. raniculoides, Ludwigia sp, N. elegans e U. foliosa representam os recursos mais críticos para a demanda de oxigênio, enquanto que a longo prazo, A. caroliniana, H. multiflora e T. domingensis são os recursos que potencialmente mais podem contribuir para as demandas bentônicas do reservatório.

Oxygen uptake from aquatic macrophyte decomposition from Piraju Reservoir (Piraju, SP, Brazil)

The kinetics of oxygen consumption related to mineralisation of 18 taxa of aquatic macrophytes (Cyperus sp, Azolla caroliniana, Echinodorus macrophyllus, Eichhornia azurea, Eichhornia crassipes, Eleocharis sp1, Eleocharis sp2, Hetereanthera multiflora, Hydrocotyle raniculoides, Ludwigia sp, Myriophyllum aquaticum, Nymphaea elegans, Oxycaryum cubense, Ricciocarpus natans, Rynchospora corymbosa, Salvinia auriculata, Typha domingensis and Utricularia foliosa) from the reservoir of Piraju Hydroelectric Power Plant (São Paulo state, Brazil) were described. For each species, two incubations were prepared with ca. 300.0 mg of plant (DW) and 1.0 L of reservoir water sample. The incubations were maintained in the dark and at 20 ºC. Periodically the dissolved oxygen (DO) concentrations were measured; the accumulated DO values were fitted to 1st order kinetic model and the results showed that: i) high oxygen consumption was observed for Ludwigia sp (533 mg g-1 DW), while the lowest was registered for Eleocharis sp1 (205 mg g-1 DW) mineralisation; ii) the higher deoxygenation rate constants were verified in the mineralisation of A. caroliniana (0.052 day-1), H. raniculoides (0.050 day-1) and U. foliosa (0.049 day-1). The oxygen consumption rate constants of Ludwigia sp and Eleocharis sp2 mineralisation (0.027 day-1) were the lowest. The half-time of oxygen consumption varied from 9 to 26 days. In the short term, the detritus of E. macrophyllus, H. raniculoides, Ludwigia sp, N. elegans and U. foliosa were the critical resources to the reservoir oxygen demand; while in the long term, A. caroliniana, H. multiflora and T. domingensis were the resources that can potentially contribute to the benthic oxygen demand of this reservoir.

Neste estudo foram descritas as cinéticas dos consumos de oxigênio dissolvido (OD) das mineralizações de 18 espécies de macrófitas aquáticas (Cyperus sp, Azolla caroliniana, Echinodorus macrophyllus, Eichhornia azurea, Eichhornia crassipes, Eleocharis sp1, Eleocharis sp2, Hetereanthera multiflora, Hydrocotyle raniculoides, Ludwigia sp., Myriophyllum aquaticum, Nymphaea elegans, Oxycaryum cubense, Ricciocarpus natans, Rynchospora corymbosa, Salvinia auriculata, Typha domingensis e Utricularia foliosa) do reservatório da Usina Hidrelétrica Piraju (São Paulo, Brasil). Para cada planta, duas incubações foram preparadas, com ca. 300,0 mg de planta (PS) em 1,0 L de água do reservatório. As incubações foram mantidas no escuro a 20 ºC. Periodicamente, as concentrações de oxigênio dissolvido (OD) foram determinadas; os consumos acumulados de OD foram ajustados a um modelo cinético de 1ª ordem e os resultados indicaram que: i) o consumo mais elevado foi observado na mineralização de Ludwigia sp (533 mg g-1 PS), enquanto que o menor foi registrado para os detritos de Eleocharis sp1 (205 mg g-1 PS); ii) os maiores coeficientes de desoxigenação foram verificados nas mineralizações de A. caroliniana (0,052 dia-1), H. raniculoides (0,050 dia-1) e U. foliosa (0,049 dia-1). Os coeficientes de desoxigenação das mineralizações de Ludwigia sp e Eleocharis sp2 foram os mais baixos (0,027 dia-1). Os tempos de meia-vida dos consumos de oxigênio variaram entre 9 e 26 dias. A curto prazo, os detritos de E. macrophyllus, H. raniculoides, Ludwigia sp, N. elegans e U. foliosa representam os recursos mais críticos para a demanda de oxigênio, enquanto que a longo prazo, A. caroliniana, H. multiflora e T. domingensis são os recursos que potencialmente mais podem contribuir para as demandas bentônicas do reservatório.

Q10 of heterotrophic activity during aerobic decomposition of Utricularia breviscapa and its effect on carbon cycling in a tropical lagoon / Q10 da atividade heterotrófica durante a decomposição aeróbia de Utricularia breviscapa e seu efeito na ciclagem do carbono da lagoa do óleo

In this study the Q10 coefficients of heterotrophic activities were measured during aerobic decomposition of Utricularia breviscapa Wright ex Griseb from Óleo lagoon (21º 36' S and 49º 47' W), Luiz Antonio, SP. The bioassays were set up with fragments of U. breviscapa and incubated with lagoon water at distinct temperatures (15.3, 20.8, 25.7 and 30.3 ºC). Periodically for 95 days, the concentrations of dissolved oxygen were determined in the bioassays. The results of the temporal variation of dissolved oxygen were fitted to a first-order kinetic model. The stoichiometric relations were calculated on the basis of these fittings. In general, the results allowed us to conclude: i) the oxygen/carbon stoichiometric relations (O/C) varied in function of temperature and time. The temporal variations of the O/C observed in the decomposition of U. breviscapa, suggest that, in the initial phases of the process, low organic carbon concentrations were enough to generate great demands of oxygen, ii) the oxygen consumption coefficients (k d) presented low variation in function of increasing temperature, iii) the increment of the temperature induced a higher consumption of oxygen (COmax) and iv) the simulations indicate that during summer, temperature activates the metabolism of decomposing microbiota.(AU)

Neste estudo, foram discutidos os coeficientes Q10 das atividades heterotróficas durante a decomposição aeróbia de Utricularia breviscapa Wright ex Griseb da lagoa do Óleo (21º 36' S e 47º 49' O), Luiz Antônio, SP. Os bioensaios foram realizados com fragmentos de U. breviscapa e água da lagoa sendo incubados em diferentes temperaturas (15,3, 20,8, 25,7 e 30,3 ºC). Periodicamente, por 95 dias, as concentrações de oxigênio dissolvido foram determinadas nos bioensaios. Os resultados da variação temporal de oxigênio dissolvido foram ajustados a um modelo cinético de primeira ordem. As relações estequiométricas foram calculadas com base nesses ajustes. De modo geral, os resultados permitiram concluir: i) as relações estequiométricas (O/C) variaram em função da temperatura e do tempo. As variações temporais dos coeficientes estequiométricos observadas na decomposição de U. breviscapa sugerem que, nas fases iniciais do processo, concentrações baixas de carbono orgânico são suficientes para gerar grandes demandas de oxigênio; ii) os coeficientes de consumo de oxigênio (k d) apresentaram baixa variação em função do incremento da temperatura; iii) o incremento da temperatura induziu um maior consumo de oxigênio (COmáx); e iv) as simulações indicaram que, durante o verão, a temperatura favoreceu o aumento do metabolismo da microbiota decompositora.(AU)

Q10 of heterotrophic activity during aerobic decomposition of Utricularia breviscapa and its effect on carbon cycling in a tropical lagoon / Q10 da atividade heterotrófica durante a decomposição aeróbia de Utricularia breviscapa e seu efeito na ciclagem do carbono da lagoa do óleo

In this study the Q10 coefficients of heterotrophic activities were measured during aerobic decomposition of Utricularia breviscapa Wright ex Griseb from Óleo lagoon (21° 36' S and 49° 47' W), Luiz Antonio, SP. The bioassays were set up with fragments of U. breviscapa and incubated with lagoon water at distinct temperatures (15.3, 20.8, 25.7 and 30.3 °C). Periodically for 95 days, the concentrations of dissolved oxygen were determined in the bioassays. The results of the temporal variation of dissolved oxygen were fitted to a first-order kinetic model. The stoichiometric relations were calculated on the basis of these fittings. In general, the results allowed us to conclude: i) the oxygen/carbon stoichiometric relations (O/C) varied in function of temperature and time. The temporal variations of the O/C observed in the decomposition of U. breviscapa, suggest that, in the initial phases of the process, low organic carbon concentrations were enough to generate great demands of oxygen, ii) the oxygen consumption coefficients (k d) presented low variation in function of increasing temperature, iii) the increment of the temperature induced a higher consumption of oxygen (COmax) and iv) the simulations indicate that during summer, temperature activates the metabolism of decomposing microbiota.

Neste estudo, foram discutidos os coeficientes Q10 das atividades heterotróficas durante a decomposição aeróbia de Utricularia breviscapa Wright ex Griseb da lagoa do Óleo (21° 36' S e 47° 49' O), Luiz Antônio, SP. Os bioensaios foram realizados com fragmentos de U. breviscapa e água da lagoa sendo incubados em diferentes temperaturas (15,3, 20,8, 25,7 e 30,3 °C). Periodicamente, por 95 dias, as concentrações de oxigênio dissolvido foram determinadas nos bioensaios. Os resultados da variação temporal de oxigênio dissolvido foram ajustados a um modelo cinético de primeira ordem. As relações estequiométricas foram calculadas com base nesses ajustes. De modo geral, os resultados permitiram concluir: i) as relações estequiométricas (O/C) variaram em função da temperatura e do tempo. As variações temporais dos coeficientes estequiométricos observadas na decomposição de U. breviscapa sugerem que, nas fases iniciais do processo, concentrações baixas de carbono orgânico são suficientes para gerar grandes demandas de oxigênio; ii) os coeficientes de consumo de oxigênio (k d) apresentaram baixa variação em função do incremento da temperatura; iii) o incremento da temperatura induziu um maior consumo de oxigênio (COmáx); e iv) as simulações indicaram que, durante o verão, a temperatura favoreceu o aumento do metabolismo da microbiota decompositora.

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.

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.