Methane, Microbes and Models in Amazonian Floodplains: State of the Art and Perspectives

Amazon floodplain ecosystems include open water and intermittent flood forest and agricultural systems with different water types. They are a significant natural source of methane (CH4) in the tropics. When soils are flooded and become anoxic, CH4 is produced by methanogenesis, while microbially mediated aerobic and anaerobic oxidation of CH4 serves as the primary biological sink of this greenhouse gas. Measurements of rates and controls on CH4 production and emission in the Amazon basin mainly come from studies on individual wetlands and floodplain lakes. Similarly, microbial communities in those Amazon floodplain habitats have been studied on individual lakes based on sequence-specific DNA analysis. Existing biogeochemical ecosystem models of CH4 from the Amazon floodplains focus on soil properties or involve factors such as pH, redox potentials, or substrates. None of these models incorporate appropriate seasonal inundation; neither the microbiota does it as a component. In this sense, our chapter will highlight how the important efforts already contributed to understand the CH4 emission and its connections with abiotic and biotic factors in Amazon floodplains, as well as emphasize the need of encouraging cooperation and exchange of experience between research teams by using different approaches and scientific methods

Variabilidade hidrogeoquímica em águas do Estuário AmazônicoHydrogeochemistry variability in the Amazon Estuary waters

Este artigo objetivou avaliar a qualidade das águas do rio Guamá, da baía do Guajará e do canal Furo Grande, mediante métodos estatísticos de análise multivariada, apresentando os resultados de pH, oxigênio dissolvido (OD), condutividade elétrica e concentrações iônicas (Cl- , Na+ , NO3 - e NH4 + ), coletadas durante nove campanhas que ocorreram em 2013 e 2014, nos municípios de Belém e Barcarena, PA. Os dados foram avaliados pela análise de componentes principais (ACP), a fim de investigar a variabilidade espacial e sazonal da área, que evidenciou a carga iônica (explicada por 51,10% da variância total) e o consumo de oxigênio para degradação da matéria orgânica (explicada por 17,9%) como determinantes na qualidade das águas. Porém, as variáveis meteorológicas demonstraram potencial influência nos parâmetros de qualidade das águas, sobretudo com os parâmetros de PC1, bem como a temperatura atmosférica que apresentou forte correlação positiva com condutividade elétrica (0,8), Cl- (0,82) e Na+ (0,81). Outra parte da explicação para a variabilidade dos parâmetros de qualidade da água está relacionada aos fatores de poluição antrópicos.AbstractThis study aim to evaluate the water quality of the Guamá river, the Guajará bay and Furo Grande river through statistical methods of multivariate analysis, presenting the results of pH, dissolved oxygen, electrical conductivity and ion concentrations (Cl- , Na+ , NO3 - and NH4 + ) collected during nine campaigns that occurred in 2013 and 2014 in the municipalities of Belém and Barcarena, PA. The data were evaluated by principal component analysis (PCA) in order to investigate the spatial and seasonal variability of the area, which showed the ionic charge (explained for 51,10% of the total variance) and the consumption of oxygen for degradation of organic matter (explained for 17,9%) as determinants on water quality. However, the meteorological variables showed potential influence on the water quality parameters, especially with the PC1 parameters, just as well the atmospheric temperature that presented positive correlation strong with electrical conductivity (0,8), Cl- (0,82) and Na+ (0,81), and other part of the explanation for the variability of water quality parameters is related to anthropogenic pollution factors.

Resgate da sociobiodiversidade: restauração ambiental com geração de renda em comunidades ribeirinhas na Amazônia Oriental

Resgatar a diversidade sociocultural e biológica é uma estratégia importante para a sustentabilidade do desenvolvimento humano na atualidade. Conduzido junto a uma comunidade ribeirinha da região insular de Belém, na Amazônia brasileira, o presente trabalho explora a interface entre a restauração ambiental, a segurança alimetar e o incremento de renda por meio de ações combinadas de educação, pesquisa e extensão. Tendo como eixo catalizador a reintrodução da abelha nativa uruçu amarela (Melipona flavolineata) em ambiente natural, as atividades integram ações de educação ambiental a uma série de capacitações destinadas a desenvolver as potencialidades locais e a organização social da comunidade. Ações educativas sobre os serviços ecossistêmicos prestados pelas abelhas são integradas à pesquisa dos seus impactos na produtividade dos açaizais nativos e as capacitações em manejo de espécies. Além da meliponicultura, a estratégia de incremento da renda inclui o aproveitamento dos recursos florstais não madeireiros para a fabricação de bijoterias e outras peças artesanais. A organização social é promovida por meio de capacitações em ação coletiva e pelo apoio à agregação de valores intangíveis aos produtos. Intervenções para a implantação de um sistema de coleta, armazenamento, tratamento e filtragem da água da chuva foram realizadas para sanar deficiências graves de acesso à água potável. Resultados das ações iniciadas em 2012 mostram impactos positivos do projeto nos pilares da sustentabilidade, atestando melhorias ambientais, maior coesão social, valorização da cultura local e incremento da renda das familias. </p

The carbon cycle in the upper Xingu Basin: terrestrial, aquatic and atmospheric interactions.

O objetivo da pesquisa foi quantificar os fluxos de entrada e saída de carbono (C) ao longo de um ano hidrológico, medidas estas importantes para o balanço de C num ecossistema. A microbacia em estudo apresenta uma área de 1319 hectares, o rio que drena esta microbacia é afluente do Rio Darro, Bacia do Rio Xingu, Mato Grosso Brasil. A cobertura vegetal é de Tensão Ecológica, área de contato entre a floresta tropical chuvosa e cerrado. Para estimar a entrada e o transporte de C no sistema, amostras de 12 eventos de chuva foram coletadas e determinadas as concentrações de carbono orgânico dissolvido (COD) e carbono inorgânico dissolvido (CID) na água da chuva, precipitação interna da floresta, escoamento de água pelo tronco, escoamento superficial do solo, solução do solo e água do lençol freático. Os fluxos de saída de C foram quantificadas em 13 eventos, com a determinação de CO2 e CH4 do rio e do solo, e a exportação de COD, CID e carbono orgânico particulado (COP) pelo rio. Na água da chuva as concentrações médias de COD foram de 6,7 ± 3,7 mg L-1, o que representou uma entrada de 82,3 Kg C ha-1 ano-1. Após o percurso através do dossel, a precipitação interna apresentou a maior quantidade de COD transportada no sistema, com valores de 142,6 Kg C ha-1 ano-1. O escoamento superficial do solo e o escoamento pelo tronco, contribuíram com apenas 1 a 2 % do COD transportado no sistema. No caso do CID, as concentrações nos compartimentos acima do solo foram muito baixas, semelhantes ao esperado pelo equilíbrio com o CO2 da atmosfera, ao passo que nos compartimentos abaixo do solo, houve supersaturação de CO2 e aumento considerável de CID. O solo foi a componente de maior perda de carbono do sistema, com fluxos para a atmosfera de mais de 6000 Kg C ha-1 ano-1, o que representou 99% da saída da microbacia. Para o CH4 o solo foi um pequeno sumidouro de carbono na ordem de 4,37 ± 0,09 Kg C ha-1 ano-1. O rio apresentou fluxos extremamente elevados de CO2 e CH4, com mais de 63000 Kg C ha-1 ano-1, porém as perdas pelo rio foram baixas quando comparadas com a área total da bacia (56,2 ± 0,07 Kg C ha-1 ano-1). Das frações exportadas na descarga pelo rio, o COD foi a fração dominante, porém relativamente baixa, com uma saída de 1,6 Kg C ha-1 ano-1. As perdas de CID e COP pelo rio foram de 0,9 Kg C ha-1 ano-1 e 0,01 Kg C ha-1 ano-1 respectivamente. Concentrações elevadas de COD nos compartimentos acima do solo, mostram uma clara variação sazonal, em parte, provavelmente como resultado das atividades humanas nesta região. As elevadas concentrações de CID na solução do solo e água do lençol freático durante o período chuvoso, associado aos maiores fluxos de CO2, indicam uma forte conectividade entre ambientes terrestre e aquático.The objective of this research was to quantify the fluxes of carbon (C) input and output in a watershed during a hydrological year that represent important components for the C budget in an ecosystem. The watershed studied covered an area of 1319 ha, and is drained by the Darro River tributary, Xingu Basin, Mato Grosso state - Brazil. The area is characterized by a typical transition from evergreen tropical forest to Cerrado. In order to estimate the input and transport of C in the system, samples from 12 rain events were collected over the year and measured for dissolved organic carbon (DOC) and dissolved inorganic carbon (DIC) in the rainwater, throughfall, stemflow, overlandflow, soil solution, and groundwater. C fluxes were quantified in 13 sampling events for carbon dioxide (CO2) and methane (CH4) emissions from the stream and soil, and for DOC, DIC and particulate organic carbon (POC) exported by the stream. Mean annual DOC concentration in the rainwater was 6.7 ± 3.7 mg L-1 representing an input of 82.3 Kg C ha-1 yr-1. Throughfall represented the largest flow path of DOC in the system with an annual transport of 142.6 Kg C ha-1 yr-1. Stemflow and overlandflow contributed to 1 and 2% of the total DOC transported in the system. For dissolved inorganic carbon, the concentrations in aboveground compartments were very low, similar to what is expected as result of the equilibrium whith the atmosphere. In contrast, DIC concentration in the belowground flow paths was high due to supersaturation in relation to the CO2 concentrations in the atmosphere. Soil C emission was the largest carbon flow path in the basin, more than 6000 Kg C ha-1 yr-1, which represented 99% of C losses in the watershed. In the case of CH4 the soil acted as a C sink with a sequestration rate of 4.37 ± 0.09 Kg C ha-1 yr-1. The stream showed elevated fluxes of CO2 and CH4 of more than 63000 Kg C ha-1 yr-1 . However, compared to the entire basin area the losses from the stream were small (56.2 ± 0.07 Kg C ha-1 yr-1). Although the DOC concentration in the stream was low, it represented the main organic carbon loss component, with a flux of 1.6 Kg C ha-1 yr-1. Losses of DIC and POC from the stream amounted around 0.9 Kg C ha-1 yr-1 and 0.01 Kg C ha-1 yr-1, respectively. The high DOC concentrations in aboveground flow paths exibited clear seasonal variations, in part problably as a result of massive human activities in the region. Also, the high concentrations of DIC in the soil solution and in groundwater during the rainy season, associated with the highest CO2 fluxes, indicated the strong connectivity between terrestrial and aquatic environments

The carbon cycle in the upper Xingu Basin: terrestrial, aquatic and atmospheric interactions.

O objetivo da pesquisa foi quantificar os fluxos de entrada e saída de carbono (C) ao longo de um ano hidrológico, medidas estas importantes para o balanço de C num ecossistema. A microbacia em estudo apresenta uma área de 1319 hectares, o rio que drena esta microbacia é afluente do Rio Darro, Bacia do Rio Xingu, Mato Grosso Brasil. A cobertura vegetal é de Tensão Ecológica, área de contato entre a floresta tropical chuvosa e cerrado. Para estimar a entrada e o transporte de C no sistema, amostras de 12 eventos de chuva foram coletadas e determinadas as concentrações de carbono orgânico dissolvido (COD) e carbono inorgânico dissolvido (CID) na água da chuva, precipitação interna da floresta, escoamento de água pelo tronco, escoamento superficial do solo, solução do solo e água do lençol freático. Os fluxos de saída de C foram quantificadas em 13 eventos, com a determinação de CO2 e CH4 do rio e do solo, e a exportação de COD, CID e carbono orgânico particulado (COP) pelo rio. Na água da chuva as concentrações médias de COD foram de 6,7 ± 3,7 mg L-1, o que representou uma entrada de 82,3 Kg C ha-1 ano-1. Após o percurso através do dossel, a precipitação interna apresentou a maior quantidade de COD transportada no sistema, com valores de 142,6 Kg C ha-1 ano-1. O escoamento superficial do solo e o escoamento pelo tronco, contribuíram com apenas 1 a 2 % do COD transportado no sistema. No caso do CID, as concentrações nos compartimentos acima do solo foram muito baixas, semelhantes ao esperado pelo equilíbrio com o CO2 da atmosfera, ao passo que nos compartimentos abaixo do solo, houve supersaturação de CO2 e aumento considerável de CID. O solo foi a componente de maior perda de carbono do sistema, com fluxos para a atmosfera de mais de 6000 Kg C ha-1 ano-1, o que representou 99% da saída da microbacia. Para o CH4 o solo foi um pequeno sumidouro de carbono na ordem de 4,37 ± 0,09 Kg C ha-1 ano-1. O rio apresentou fluxos extremamente elevados de CO2 e CH4, com mais de 63000 Kg C ha-1 ano-1, porém as perdas pelo rio foram baixas quando comparadas com a área total da bacia (56,2 ± 0,07 Kg C ha-1 ano-1). Das frações exportadas na descarga pelo rio, o COD foi a fração dominante, porém relativamente baixa, com uma saída de 1,6 Kg C ha-1 ano-1. As perdas de CID e COP pelo rio foram de 0,9 Kg C ha-1 ano-1 e 0,01 Kg C ha-1 ano-1 respectivamente. Concentrações elevadas de COD nos compartimentos acima do solo, mostram uma clara variação sazonal, em parte, provavelmente como resultado das atividades humanas nesta região. As elevadas concentrações de CID na solução do solo e água do lençol freático durante o período chuvoso, associado aos maiores fluxos de CO2, indicam uma forte conectividade entre ambientes terrestre e aquático.The objective of this research was to quantify the fluxes of carbon (C) input and output in a watershed during a hydrological year that represent important components for the C budget in an ecosystem. The watershed studied covered an area of 1319 ha, and is drained by the Darro River tributary, Xingu Basin, Mato Grosso state - Brazil. The area is characterized by a typical transition from evergreen tropical forest to Cerrado. In order to estimate the input and transport of C in the system, samples from 12 rain events were collected over the year and measured for dissolved organic carbon (DOC) and dissolved inorganic carbon (DIC) in the rainwater, throughfall, stemflow, overlandflow, soil solution, and groundwater. C fluxes were quantified in 13 sampling events for carbon dioxide (CO2) and methane (CH4) emissions from the stream and soil, and for DOC, DIC and particulate organic carbon (POC) exported by the stream. Mean annual DOC concentration in the rainwater was 6.7 ± 3.7 mg L-1 representing an input of 82.3 Kg C ha-1 yr-1. Throughfall represented the largest flow path of DOC in the system with an annual transport of 142.6 Kg C ha-1 yr-1. Stemflow and overlandflow contributed to 1 and 2% of the total DOC transported in the system. For dissolved inorganic carbon, the concentrations in aboveground compartments were very low, similar to what is expected as result of the equilibrium whith the atmosphere. In contrast, DIC concentration in the belowground flow paths was high due to supersaturation in relation to the CO2 concentrations in the atmosphere. Soil C emission was the largest carbon flow path in the basin, more than 6000 Kg C ha-1 yr-1, which represented 99% of C losses in the watershed. In the case of CH4 the soil acted as a C sink with a sequestration rate of 4.37 ± 0.09 Kg C ha-1 yr-1. The stream showed elevated fluxes of CO2 and CH4 of more than 63000 Kg C ha-1 yr-1 . However, compared to the entire basin area the losses from the stream were small (56.2 ± 0.07 Kg C ha-1 yr-1). Although the DOC concentration in the stream was low, it represented the main organic carbon loss component, with a flux of 1.6 Kg C ha-1 yr-1. Losses of DIC and POC from the stream amounted around 0.9 Kg C ha-1 yr-1 and 0.01 Kg C ha-1 yr-1, respectively. The high DOC concentrations in aboveground flow paths exibited clear seasonal variations, in part problably as a result of massive human activities in the region. Also, the high concentrations of DIC in the soil solution and in groundwater during the rainy season, associated with the highest CO2 fluxes, indicated the strong connectivity between terrestrial and aquatic environments

Influence of vegetation cover on nutrient cycling in soil solution at the area of Manaus AM.

A pesquisa teve como objetivo contribuir para a sustentabilidade das formas de uso dos solos na Amazônia central, avaliando a influência da cobertura vegetal nos teores de nutrientes na solução do solo, ou seja, nos teores de cátions, ânions e carbono orgânico dissolvido (COD). Tomou-se como referência uma floresta primária, para comparação com áreas degradada, de reflorestamento, e de floresta secundária. O estudo foi realizado nos municípios de Manaus e Presidente Figueiredo, AM. Em cada área foram instalados extratores de tensão, nas profundidades de 10, 20, 50, 100 e 150 cm, para as coletas de solução de solo para análise da fase inorgânica, e nas profundidades 20 e 100 cm, para a fase orgânica. A coleta de solo para análise química foi realizada nas mesmas profundidades utilizadas para as coletas de solução do solo da fase inorgânica. As coletas de solução do solo e a quantificação da água da chuva foram realizadas ao longo de um ano hidrológico, seguindo a sazonalidade do clima regional, durante os anos de 2002 e 2003. Após a coleta, filtragem e preservação, as amostras foram encaminhadas ao laboratório para a determinação das concentrações de cátions e ânions por cromatografia líquida (Equipamento Dionex, modelo DX500). As concentrações de COD foram determinadas por combustão, com detecção do CO2 gerado nesta por infra vermelho não-dispersivo (Equipamento Shimadzu, modelo TOC 5000A). A maioria dos solos foi classificada como latossolos, muito ácidos, intemperizados e com baixa disponibilidade de nutrientes. Dos cátions presentes na solução do solo observou-se a predominância sódica-potássica, com grande influência dos aportes atmosféricos. Em relação aos ânions, a predominância foi de bicarbonato e cloreto, com grande contribuição da atividade biológica nas concentrações de bicarbonato em áreas cobertas por vegetação, e do aporte atmosférico nas concentrações de cloreto nas áreas sem cobertura vegetal. A vegetação apresentou forte influência na dinâmica dos íons, principalmente para nitrogênio, fósforo, potássio e magnésio, que apresentam como principal fontes a reciclagem da matéria orgânica e a transprecipitação. Na área degradada ocorreu predominância de cloreto e sódio, elementos que apresentam como principal fonte de entrada a precipitação. Na floresta secundária e no reflorestamento observou-se sinais de recuperação, com níveis mais elevados de nutrientes do que observado na área degradada, com destaque para aumentos significativos de COD e nitrato. Não somente a vegetação afetou a dinâmica dos íons avaliados, mas também a textura do solo, acidez, profundidade e precipitação. Para o carbono orgânico dissolvido observou-se enriquecimento à 100 cm de profundidade, provavelmente em função dos menores teores de ferro e alumínio em profundidade no solo. Este aumento em profundidade pode estar indicando uma ligação entre os sistemas terrestre e aquático, na qual o primeiro funciona como possível exportador de carbono para o segundo.The main objective of this study was to contribute for the sustainability of land use in the central Amazon, evaluating the influence of vegetation cover on nutrient concentrations in soil solution that is, on the amounts of cations, anions and dissolved organic carbon (DOC). Using a primary forest as reference, we compared these concentrations with those in a degraded area, in a reforestation and also in a secondary forest. The study was conducted in the counties of Manaus and Presidente Figueiredo. In each site we collected soil solution using tension lysimeters installed at the depths of 10, 20, 50, 100 and 150 cm for the inorganic phase and at 20 and 100 cm for the analysis of the organic phase. The soil itself was also collected at the same depths used for the study of the inorganic phase of soil solution, to determine its structure and chemical composition. Soil solution and precipitation were collected during a hydrological year, following the regional climate seasonality in the years of 2002 and 2003. After sampling, filtering and preserving in the field, soil solution samples were sent to the laboratory for the determination of cation and anion concentrations by liquid chromatography (Dionex, DX500) and DOC concentrations in a total organic carbon analyzer (Shimadzu, TOC5000A). Most of the soils were classified as Oxisols, very acid, highly weathered and with low nutrient availability. Sodium and potassium were the most predominant cations in soil solution, due to the influence of the atmospheric inputs. For anions, bicarbonate and chloride were showed the highest concentrations. At the sites covered with vegetation, biological activity played an important role in bicarbonate concentrations, as opposed to the site without vegetation, in which chloride was predominant, due to atmospheric inputs. There was a good correlation between vegetation cover and the dynamics of nitrogen, phosphorus, potassium and magnesium, all of which have as the main source recycling of organic matter recycling and throughfall. At the degraded area, chloride and sodium predominated, due to their main source, which is the precipitation. At the secondary forest and the reforestation there are indicators of the recovery of pristine conditions, whit higher levels of nutrients than those of the degraded area, specially significant increases in DOC and nitrate concentrations. Not only the vegetation influenced the dynamics of these nutrients in soil solution, but also soil texture, acidity, soil depth and precipitation. DOC, for example, showed significant increases in concentrations at 1m depths, probably due to the lowest iron and aluminum concentrations at these soil depths. This increase of DOC with depth may indicate an important connection between terrestrial and aquatic ecosystem, with the acting as an exporter of C to the rivers of the region