Produção primária e respiração pelágica em um lago costeiro subtropical (lagoa do Peri, Brasil): variações vertical e temporal e suas relações com a comunidade fitoplanctônica

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Ciências Biológicas. Programa de Pós-Graduação em EcologiaLagos costeiros são ambientes que apresentam características particulares quanto a sua dinâmica, estado trófico, morfologia e interação das comunidades biológicas. Em geral, são ambientes rasos submetidos à intensa ação dos ventos. A lagoa do Peri localizada na ilha de Santa Catarina (27°44#S e 48°31#W) é um sistema costeiro subtropical de água doce com 5,7 km2 de área e 4,2 m de profundidade média. De acordo com a literatura, apresenta homogeneidade horizontal e vertical para clorofila a e nutrientes, característica oligotrófica para a concentração de nutrientes e presença de cianobactérias. Com o objetivo de verificar a ocorrência de autotrofia e heterotrofia na lagoa do Peri, determinaram-se as taxas de produção primária (bruta e líquida) e de respiração fitoplanctônica através de incubações em garrafas claras e escuras durante 24 horas no outono, inverno, primavera e verão. Incubações em garrafas claras e escuras, também foram conduzidas bimensalmente, em quatro profundidades em uma estação central da lagoa, para avaliar a variação vertical das taxas de produção primária (bruta e líquida) e de respiração bem como sua relação com a comunidade fitoplanctônica. Condições de heterotrofia foram encontradas no outono, quando as maiores taxas de respiração ocorreram devido ao aumento da disponibilidade de matéria orgânica e fósforo total. Condições de autotrofia ocorreram no verão devido às maiores taxas de produção primária líquida, favorecida pelas maiores temperaturas e luz. As taxas de produção primária, respiração e a densidade dos grupos fitoplanctônicos, em geral, não apresentaram variação vertical, em função da homogeneização promovida pelos ventos incidentes na lagoa do Peri. Condições limitantes de luz e nutrientes, para o crescimento fitoplanctônico, foram os fatores atribuídos as menores taxas de produção primária encontradas neste ambiente em relação a outros ambientes tropicais e subtropicais. A densidade fitoplanctônica e condições de temperatura e luz favoreceram a produção primária na primavera e no verão. Cyanobacteria e Chlorophyta foram os grupos mais importantes da comunidade fitoplanctônica, em termos de densidade e diversidade, com destaque para Cylindrospermopsis raciborskii que dominou na maior parte do período de estudo. Assim, a lagoa do Peri apresentou alternância entre períodos autotróficos e heterotróficos em função das diferentes condições ambientais e as taxas de produção primária foram menores que em outros ambientes, variando em função das variáveis bióticas e abióticas.Coastal lakes are environments with distinct characteristics when it comes to dynamics, trophic state, morphology, and the interaction of biological communities. They are generally shallow environments subjected to intense winds. Peri lagoon located on the island of Santa Catarina (27°44'S and 48°31'W) is a subtropical coastal system of freshwater with an area of 5.7 km2 and average depth of 4.2 m. According to literature, it is horizontally and vertically homogenous for chlorophyll a and nutrients, oligotrophic characteristics for nutrient concentration and presence of Cyanobacteria. In order to verify the occurrence of autotrophy and heterotrophy in the Peri lagoon, primary production (gross and net) and respiration rates were determined by incubating in light and dark bottles over a period of 24 hours in the fall, winter, spring and summer. Incubations in light and dark bottles were also conducted every two months, at four depths in the central part of the lagoon, in order to evaluate the vertical variation in primary production rates (gross and net) and respiration and the relationship to the phytoplankton community. Heterotrophic conditions were found in autumn, where the highest rates of respiration were found due to an increased availability of organic matter and total phosphorus. Autotrophic conditions occurred in the summer due to higher rates of net primary production, favored by higher temperatures and light availability. In general, the primary production rates, respiration and phytoplankton group density, did not show vertical variation due to the homogenization promoted by winds in the Peri lagoon. Light and nutrients limitation were attributed to the lower rates of primary production found in this environment than other ones. However, phytoplankton density, temperature and light conditions favored the primary production rates in spring and summer. Cyanobacteria and Chlorophyta were the most important groups of the phytoplankton community in terms of density and diversity, especially Cylindrospermopsis raciborskii, which was dominant during the majority of the study period. Thus, the Peri lagoon had alternating autotrophic and heterotrophic periods due to different environmental conditions and the primary production rates were lower than other tropical environments, depending on biotic and abiotic variables

Avaliação do potencial nutritivo da Macrófita aquática Lemna minor, por meio da análise da composição química e por sua utilização em ração para carpa comum (Cyprinus carpio L.) na fase de recria

Macrófitas aquáticas são amplamente utilizadas no tratamento de efluentes, atuando na redução e remoção de nutrientes, compostos tóxicos, metais pesados e organismos patógenos. Recentemente, diversos trabalhos têm evidenciado a sua utilização na alimentação de animais por possuir altas taxas de proteínas em sua biomassa. Neste trabalho analisou-se a composição química de Lemna minor e sua eficiência quando utilizada em rações para carpa comum (Cyprinus carpio L.) em substituição à soja. Pela análise de composição química, a biomassa seca de L. minor apresentou 13,5% de matéria inorgânica e 86,5% de matéria orgânica, 5,34% correspondem a lipídeos, 6,3% a carboidratos, 9,16% a amido, 3,62 UDO/g de peso seco de polifenóis e 45% correspondem à proteína. Escolheu-se elaborar rações para peixes em virtude da sua resposta e crescimento rápido a diversos tipos de tratamentos e melhor controle sobre os fatores externos. Formularam-se quatro tipos de tratamentos: tratamento I com 0% de L. minor (tratamento controle), tratamento II com 6%, tratamento III com 12% e tratamento IV com 18% de farinha de L. minor em substituição à farinha de soja. Cada tratamento foi fornecido para 30 alevinos (Cyprinus carpio, fase de pré-engorda) divididos em 6 aquários, durante 120 dias. A maior taxa de sobrevivência foi verificado no tratamento III, o tratamento IV foi o que apresentou maiores deformações nos alevinos e o maior peso final foi verificado no tratamento II, portanto, indica-se uma substituição de 6% da farinha de soja por farinha de L. minor para alimentação de Cyprinus carpio L. na fase de recria ou sua utilização como suplemento em rações. Palavras-chave: Alimentação. Composição química. Cyprinus carpio L. Lemna minor

Linking shifts in bacterial community with changes in dissolved organic matter pool in a tropical lake

Bacterioplankton communities have a pivotal role in the global carbon cycle. Still the interaction between microbial community and dissolved organic matter (DOM) in freshwater ecosystems remains poorly understood. Here, we report results from a 12-day mesocosm study performed in the epilimnion of a tropical lake, in which inorganic nutrients and allochthonous DOM were supplemented under full light and shading. Although the production of autochthonous DOM triggered by nutrient addition was the dominant driver of changes in bacterial community structure, temporal covariations between DOM optical proxies and bacterial community structure revealed a strong influence of community shifts on DOM fate. Community shifts were coupled to a successional stepwise alteration of the DOM pool, with different fractions being selectively consumed by specific taxa Typical freshwater clades as Limnohabitans and Sporichthyaceae were associated with consumption of low molecular weight carbon, whereas Gammaproteobacteria and Flavobacteria utilized higher molecular weight carbon, indicating differences in DOM preference among Glades. Importantly. Verrucomicrobiaceae were important in the turnover of freshly produced autochthonous DOM, ultimately affecting light availability and dissolved organic carbon concentrations. Our findings suggest that taxonomically defined bacterial assemblages play definite roles when influencing DOM fate, either by changing specific fractions of the DOM pool or by regulating light availability and DOC levels. (C) 2019 Elsevier B.V. All rights reserved.Peer reviewe

Fatores controladores do metabolismo aquático em lagos de Mata Atlântica

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Ciências Biológicas, Programa de Pós-Graduação em Ecologia, Florianópolis, 2016.Os lagos inseridos no bioma Mata Atlântica são importantes ecossistemas para a ciclagem do carbono podendo atuar como fontes ou sumidouros de carbono. Nesta tese foi abordado o metabolismo aquático ecossistêmico de dois lagos brasileiros, utilizando as taxas de produção primária e respiração, bem como o fluxo de CO2 entre a água e a atmosfera, para entender como as variáveis limnológicas e meteorológicas direcionam a dinâmica espaço-temporal do metabolismo ecossistêmico. Nossos resultados mostraram que a Lagoa do Peri foi predominantemente heterotrófica, com períodos de autotrofia em condições de alta temperatura e luminosidade. Analisando a dinâmica espacial das taxas metabólicas, a região litorânea apresentou maior variabilidade que a região pelágica, bem como maiores taxas de respiração, em função da baixa profundidade da coluna d?água, influência do sedimento e do ecossistema terrestre. Verticalmente maiores taxas de produção primária foram registradas na superfície, diminuindo em direção ao fundo, e as taxas de respiração mostraram padrão inverso. Ao longo de oito anos consecutivos observamos que a diminuição do nível d?água ao longo dos anos de 2012 e 2014 foi reflexo da baixa precipitação. Essa mudança física promoveu aumento na concentração de clorofila-a, nutrientes, carbono e o fluxo de CO2 para a atmosfera. A Lagoa Carioca também se mostrou heterotrófica e o fluxo de CO2 foi intensificado quando adições experimentais de matéria orgânica foram conduzidas em mesocosmos. Por outro lado, a adição de nutrientes inorgânicos resultou no aumento do O2, com diminuição do CO2 e alta variabilidade diária. Esta tese mostrou que o metabolismo ecossistêmico de lagos de Mata Atlântica é altamente dinâmico e predominantemente heterotrófico com diferentes variáveis sendo importantes nas diversas escalas espacial e temporal. Entretanto, sugerimos que em um lago polimítico as variáveis físicas como disponibilidade de luz, estabilidade térmica e profundidade da coluna d?água determinam a variação espaço-temporal das taxas metabólicas. Além disso, mudanças climáticas afetando a região tropical pode alterar as características limnológicas dos lagos, que por sua vez podem intensificar ou alterar a função dos ecossistemas na ciclagem do carbono.<br>Abstract : Lakes in the Atlantic Forest are important ecosystems for the carbon cycling and they can be sources or carbon sinks. This thesis addressed the aquatic ecosystem metabolism of two Brazilian lakes, using the primary production and respiration rates, as well as the air-water CO2 flux to understand how limnological and meteorological variables affect the spatio-temporal dynamics of ecosystem metabolism. Our results showed that the Peri Lake was predominantly heterotrophic due to bacterioplankton. However, during high temperature and light conditions the lake was net autotrophic. Regarding to the spatial dynamics of metabolic rates, the coastal area showed higher variability than the pelagic area, as well as higher respiration rates, which was related to the low water column depth, influence of sediment and terrestrial ecosystem. Vertically we recorded higher primary production rates at surface, decreasing toward the bottom, and respiration rates showed the opposite pattern. Over eight consecutive years Peri Lake featured decrease in water level over the years 2012 and 2014 due to low rainfall. This physical change increased the chlorophyll-a, nutrients, carbon and CO2 flux to the atmosphere. Carioca Lake was also heterotrophic and experimental additions of organic matter promoted the increase in CO2, while the addition of inorganic nutrients resulted in an O2 increase concomitant with CO2 decrease and high daily variability in both gases. This thesis showed that the ecosystem metabolism from Atlantic Forest lakes is highly dynamic and predominantly heterotrophic with many variables being important in the different spatio-temporal scales. However, we suggest that in a polymictic lake the physical variables, such as light availability, thermal stability and water column depth, determine the spatial and temporal variation in the metabolic rates. In addition, climate change affecting tropical areas can change the limnological conditions in the lakes, intensifying or changing the ecosystems function in the carbon cycling

Temporal variation in phytoplankton community in a freshwater coastal lake of southern Brazil

AIM: The aim of the present study was to study the vertical variation in phytoplankton community in a subtropical coastal lake and to verify the temporal variation of this community following variation in temperature and dissolved nitrogen and phosphorus. METHODS: Sampling of phytoplankton and abiotic variables were performed monthly from June/2009 to January/2011 at four depths from the central part of Peri Lake. The data were analyzed using analysis of variance, correlation and canonical correspondence analysis. RESULTS: Vertical variation in the phytoplankton community and limnological data did not occur but temporal variation was found. The lake was limited by light and nutrients and this light limitation selected the Cyanobacteria species from Sn and S1 functional groups. Phytoplankton community was composed of five groups, with 31 freshwater taxa, in which Cyanobacteria was the most important with 87.7% of total density and Chlorophyta with 11.8%. Cylindrospermopsis raciborskii was dominant during almost the whole study period because when temperature and phosphorus increased and wind speed decreased Limnothrix sp. density was boosted. Different species of Cyanobacteria filamentous showed correlation with variables in different ways, indicating that some species can co-exist, each of them having distinct niches or can compete by the same resource. CONCLUSION: The phytoplankton presented periodicity driven by annual change in water temperature and nutrients availability. Peri Lake's features allow for the occurrence of a vertically homogeneous water column and the dominance of cyanobacterial functional groups adapted to low underwater light and nutrients deficienc

Determining the high variability of pCO2 and pO2 in the littoral zone of a subtropical coastal lake

The aquatic metabolism comprises production and mineralization of organic matter through biological processes, such as primary production and respiration that can be estimated by gases concentration in the water column. AIM: The study aimed to assess the temporal variability of pCO2 and pO2 in the littoral zone of a subtropical coastal lake. Our hypotheses are i) high variability in meteorological conditions, such as temperature and light, drive the high variability in pCO2 and pO2, and ii) the lake is permanently heterotrophic due to the low phosphorus concentration. METHODS: We estimated pCO2 from pH-alkalinity method, and pO2 from dissolved oxygen concentration and water temperature measured in free-water during 24 hours in the autumn, winter, spring and summer. RESULTS: Our findings showed that limnological variables had low temporal variability, while the meteorological variables and pCO2 presented a high coefficient of variation, which is representative of each climatic season. In autumn and winter, it was recorded that the lake was supersaturated in CO2 relative to the atmosphere, while in spring and summer CO2 concentration was below the concentration found in the atmosphere. Over 24 hours, pCO2 also showed high variability, with autumn presenting higher concentration during the night when compared to daytime. Water temperature and chlorophyll a were negatively correlated with pCO2, while pO2 was positively correlated with wind and light. CONCLUSION: Agreeing with our first hypothesis, pCO2 showed an expressive temporal variation in a subtropical lake associated to the high variability in meteorological conditions. On the other hand, our second hypothesis was not confirmed, since Peri Lake exported CO2 to the atmosphere in some periods and in others, CO2 was removed from the atmosphere

Avaliação do potencial nutritivo da Macrófita aquática Lemna minor, por meio da análise da composição química e por sua utilização em ração para carpa comum (Cyprinus carpio L.) na fase de recria

Macrófitas aquáticas são amplamente utilizadas no tratamento de efluentes, atuando na redução e remoção de nutrientes, compostos tóxicos, metais pesados e organismos patógenos. Recentemente, diversos trabalhos têm evidenciado a sua utilização na alimentação de animais por possuir altas taxas de proteínas em sua biomassa. Neste trabalho analisou-se a composição química de Lemna minor e sua eficiência quando utilizada em rações para carpa comum (Cyprinus carpio L.) em substituição à soja. Pela análise de composição química, a biomassa seca de L. minor apresentou 13,5% de matéria inorgânica e 86,5% de matéria orgânica, 5,34% correspondem a lipídeos, 6,3% a carboidratos, 9,16% a amido, 3,62 UDO/g de peso seco de polifenóis e 45% correspondem à proteína. Escolheu-se elaborar rações para peixes em virtude da sua resposta e crescimento rápido a diversos tipos de tratamentos e melhor controle sobre os fatores externos. Formularam-se quatro tipos de tratamentos: tratamento I com 0% de L. minor (tratamento controle), tratamento II com 6%, tratamento III com 12% e tratamento IV com 18% de farinha de L. minor em substituição à farinha de soja. Cada tratamento foi fornecido para 30 alevinos (Cyprinus carpio, fase de pré-engorda) divididos em 6 aquários, durante 120 dias. A maior taxa de sobrevivência foi verificado no tratamento III, o tratamento IV foi o que apresentou maiores deformações nos alevinos e o maior peso final foi verificado no tratamento II, portanto, indica-se uma substituição de 6% da farinha de soja por farinha de L. minor para alimentação de Cyprinus carpio L. na fase de recria ou sua utilização como suplemento em rações. Palavras-chave: Alimentação. Composição química. Cyprinus carpio L. Lemna minor

Considerations regarding the dominance of Cylindrospermopsis raciborskii under low light availability in a low phosphorus lake

ABSTRACTAlthough many studies have shown that the dispersion, increased abundance and dominance of cyanobacteria can be attributed to nutrient enrichment, we discuss features contributing to the dominance of Cylindrospermopsis raciborskii in a shallow, polymictic, subtropical coastal lake with low phosphorus and light limitation (Peri Lake). The presence and dominance of C. raciborskii in an environment with such characteristics emphasizes the idea that nutrients alone do not explain the high density of this cyanobacterium. Other features should be considered in explaining this species dominance, such as phosphorus storage and physiological flexibilitywhich seem to be key features to high densities in low phosphorus systems