Efeitos da temperatura, fosfóro e luz no crescimento da cianobactéria Cylindrospermopsis raciborskii (Woloszynska) Seenayya et Subba Raju do reservatório de Alagados, Paraná

Resumo: A dominância das cianobactérias na comunidade fitoplanctônica depende de um conjunto de fatores ambientais reguladores do seu crescimento, como temperatura, intensidade luminosa e concentração de nutrientes. Quando as condições ambientais são favoráveis, pode ocorrer um crescimento intensivo dessas microalgas, originando uma floração. Os gatilhos ambientais que promovem esses fenômenos podem ser determinados por meio de estudos laboratoriais, a fim de entender as estratégias ecológicas, bem como controlar as causas e os efeitos da deterioração ambiental. Cylindrospermopsis raciborskii é um cianobactéria filamentosa que possui comportamento altamente invasivo e está entre as espécies tóxicas que mais causam problemas em reservatórios destinados ao abastecimento público por todo o mundo. O objetivo central deste trabalho foi investigar os efeitos de fatores reguladores (temperatura, luz, fósforo reativo) sobre o crescimento da cianobactéria C. raciborskii isolada do reservatório de Alagados, PR, em condições de cultivo laboratorial. Para isso foram realizados experimentos de crescimento de C. raciborskii em nove intensidades luminosas, quatro temperaturas e quatro concentrações de fósforo. A taxa de crescimento da cepa de C. raciborskii foi calculada em cada um dos tratamentos e, além disso, a morfologia dos tricomas foi acompanhada. A partir dos resultados concluiu-se que (1) a cepa responde morfologicamente as condições ambientais as quais é submetida, demonstrando grande plasticidade morfofisiológica e capacidade de adaptação; (2) o crescimento da cepa pode ser acelerado em condições de temperaturas mais elevadas, podendo ser favorecida pelo aquecimento global em detrimento das outras espécies do fitoplâncton; (3) o fósforo reativo pode desempenhar um importante papel na regulação do crescimento de C. raciborskii em temperatura e luminosidade altas; (4) a cepa do reservatório de Alagados parece estar adaptada às concentrações de fósforo que ocorrem no ambiente do qual foi isolada

Causas da organização das comunidades fitoplanctônicas e do crescimento de cianobactérias

Orientador : Prof. Dr. André A. PadialCoorientador : Prof. Dr. Jani HeinoTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Biológicas, Programa de Pós-Graduação em Ecologia e Conservação. Defesa: Curitiba, 30/03/2017Inclui referênciasÁrea de concentração : Ecologia e conservaçãoResumo: A dominância de Cianobactérias na comunidade do fitoplâncton depende de um conjunto de fatores reguladores do seu crescimento. Determinar os gatilhos que promovem o crescimento de Cianobactérias e entender as causas da variação da diversidade fitoplanctônica são fundamentais para evitar a deterioração ambiental que as florações podem causar. Nesse sentido, no capítulo 1, os efeitos do enriquecimento por nutrientes no crescimento de Cianobactérias e produção de cianotoxinas foi sistematizado em uma meta-análise. O objetivo foi explicar a variação entre estudos usando a identidade das espécies, grupos de Cianobactérias, região do globo, abordagem de estudo, forma de N e P e tipo de toxina como moderadores. Os efeitos do enriquecimento por nutrientes no crescimento de Cianobactérias, principalmente observado em estudos experimentais, são maiores considerando adições de P, em região temperada e para Cianobactérias heterocitadas como algumas espécies pertencentes a ordem Nostocales. A produção de metabólitos secundários é melhor explicada pelos mesmos preditores. Nossos resultados sugerem atividades práticas para controlar nutrientes em ecossistemas aquáticos: a produção de toxinas é principalmente relacionada a nutrientes dissolvidos. Além disso, Cianobactérias heterocitadas e homocitadas foram aquelas que tiveram as maiores produções de toxinas em resposta ao enriquecimento por nutrientes, sugerindo precaução particular com relação a esse grupo. Nos capítulos 2 e 3, dados de 17 reservatórios paranaenses amostrados sazonalmente durante oito anos foram utilizados. No capítulo 2, a variação temporal da diversidade beta do fitoplâncton e seus componentes e a estrutura das metacomunidades fitoplanctônicas foram analisadas. A variação foi modelada em relação as condições climáticas, heterogeneidade ambiental, produtividade e/ou dominância de Cianobactérias. Não foram encontradas evidências de homogeneização do fitoplâncton. A heterogeneidade ambiental foi o principal responsável pela manutenção da diversidade, enquanto a eutrofização foi responsável pela redução. A estrutura das comunidades foi anualmente variável, enfatizando a complexidade da organização do fitoplâncton. O objetivo do capítulo 3 foi determinar os preditores ambientas que geram a composição de espécies e grupos funcionais do fitoplâncton nesses reservatórios através de partição da variância. A variação temporal da fração ambiental foi modelada em relação a heterogeneidade ambiental, riqueza de espécies, dominância de Cianobactérias e produtividade. O determinismo ambiental das espécies e grupos funcionais do fitoplâncton foi muito variável temporalmente e dependente do grupo funcional estudado, enfatizando a importância de estudos temporalmente replicados e que utilizem caracteres funcionais para entender as causas da estruturação das metacomunidades. Palavras-chave: Fitoplâncton, diversidade beta, meta-análise, metacomunidade, determinismo ambiental, variação temporal.Abstract: Cyanobacterial dominance in the phytoplankton community depends on a set of drivers of its growth. Determine the triggers that promote Cyanobacterial growth and understand the causes of variation in phytoplankton diversity are fundamental to avoid the environmental deterioration caused by blooms. In this sense, in Chapter 1 the effects of nutrient enrichment on Cyanobacterial growth and cyanotoxins production were systematized in a meta-analysis. Our aim was to explain the variation among studies using species identity, Cyanobacterial groups, region of the globe, study approach, N and P form, and toxin type as moderators. The effects of nutrients enrichment on Cyanobacterial growth, mainly observed in experiments, are higher considering P addition, mainly in temperate regions and for heterocyted Cyanobacteria like some belonging to Nostocales order. Production of metabolites is better explained by the same predictors. Our results suggest practical actions to control nutrients in aquatic ecosystems: toxins production is mainly related to dissolved nutrients. Also, heterocyted and homocyted cyanobacterium were those that had highest production of toxins in response to nutrient enrichment, suggesting caution particularly to those groups. In chapters 2 and 3, data taken seasonally for eight years from 17 reservoirs in Paraná state were used. In chapter 2, temporal variation of phytoplankton beta diversity and its components and the structure of phytoplankton metacommunities were analyzed. The variation was modeled in relation to climatic conditions, environmental heterogeneity, productivity and/or Cyanobacteria dominance. No evidence of phytoplankton homogenization was found. Environmental heterogeneity was the main responsible for maintaining diversity, while eutrophication was responsible for its reduction. Communities structure was yearly variable, highlighting the complexity of phytoplankton organization. Our aim in chapter 3 was to determine the environmental predictors that generate the composition of phytoplankton species and functional groups in these reservoirs by partitioning the variance. Temporal variation of the environmental fraction was modeled in relation to environmental heterogeneity, species richness, Cyanobacterial dominance and productivity. The environmental determinism of phytoplankton species and functional groups was highly variable and dependent on the functional group analyzed, emphasizing the importance of temporally replicated studies and using functional traits to understand the causes of metacommunity structuring. Key-words: Phytoplankton, beta diversity, meta-analysis, metacommunity, environmental determinism, temporal variation

Variação nictemeral do fitoplâncton no Reservatório Rio Verde, PR

Orientador: Luciano Felicio FernandesMonografia (Bacharelado) - Universidade Federal do Paraná. Setor de Ciências Biológicas. Curso de Graduação em Ciências BiológicasResumo : A dinâmica nictemeral e o padrão de distribuição vertical do fitoplâncton são movidos por fatores que produzem pequenas modificações nas taxas de crescimento populacional ou que promovem a redistribuição das populações no lago. Estas dinâmicas são dependentes não somente de alterações na estrutura vertical da coluna de água (estratificação/mistura), que interferem na acessibilidade a nutrientes e luz, mas também da capacidade de auto-regulação de populações que podem se deslocar verticalmente na coluna de água como por exemplo através de flagelos ou aerótopos. O objetivo deste trabalho foi descrever a variação nictemeral do fitoplâncton no reservatório Rio Verde, em dois períodos do ano, a fim de detectar alterações na distribuição das espécies ao longo da coluna de água, assim como discutir as possíveis causas deste comportamento. O reservatório Rio Verde (subtropical, monomítico quente) está localizado na Região Metropolitana de Curitiba, Paraná. As coletas foram realizadas durante dois períodos (em Março e Julho de 2009) na região mais profunda do lago (11 metros), sempre em quatro profundidades. Foram utilizadas duas estratégias de coleta: diária (às 10 horas da manhã durante uma semana) e nictemeral (durante um período de 24 horas, com 4 horas de intervalos entre as amostragens). Com base nos resultados das contagens do fitoplâncton e levando em conta a auto-ecologia dos grupos funcionais, as espécies foram classificadas em três padrões de distribuição vertical na coluna de água. O padrão 1 foi composto por espécies presentes em todo o epilímnio (até 6 metros), como Aulacoseira granulata, Tetrastrum sp., Dyctiosphaerium sp., Hyaloraphidium sp. e Monoraphidium minutum. Espécies como Aphanocapsa sp., Aulacoseira ambigua e Merismopedia sp., que se apresentaram concentradas na base do metalímnio (em torno de 6 e 7 metros), formaram o padrão 2. Já as espécies que exibiram algum tipo de migração vertical, como Cryptomonas sp. e os nanoflagelados, foram enquadradas no padrão 3. Durante a coleta de Março de 2009, a estratificação térmica da coluna de água favoreceu claramente a distribuição diferencial do fitoplâncton entre epilímnio, metalímnio e hipolímnio. Neste período, a presença de amônia esteve praticamente restrita ao hipolímnio, direcionando a distribuição de Cryptomonas sp. para a base do metalímnio. Já durante a coleta de Julho de 2009, a distribuição do fitoplâncton na coluna de água esteve relativamente homogênea, decrescendo em direção a zona afótica. Durante esta coleta foi possível detectar um padrão de migração diferente para Cryptomonas sp. em função da baixa disponibilidade de luz presente no período de inverno, adicionada a uma acentuada depleção da radiação solar durante este ciclo nictemeral. Além disso, a migração pode ter sido favorecida pela estabilidade da coluna de água, mesmo durante o inverno, que parece não ter sofrido ação de ventos fortes durante a amostragem. Tendências observadas durante o estudo nictemeral indicam que a dinâmica de estratificação e circulação, a disponibilidade de recursos, como nutrientes e luz, e a capacidade de migração ativa de algumas espécies, são fatores determinantes da distribuição do fitoplâncton no reservatório Rio Verde

Genotoxicity detected during cyanobacteria bloom in a water supply reservoir

The aquatic ecosystems are susceptible to cyanobacterial blooms due to the eutrophication of water bodies caused by human activities. In this study, phytoplankton and cyanotoxins analysis, as well as cellular and genetic biomarkers of toxicity (Allium cepa test - higher plant test system), were evaluated in water samples of Alagados Reservoir during a cyanobacterial bloom in South Brazil. The water samples were collected during the wet season at two sites in the Reservoir. Paralytic shellfish toxins (PSTs) were detected in both samples (sites 1 and 2); however, the levels of PSTs were higher in site 1. Gonyautoxin 2 was the major cyanotoxin found in the Reservoir. Both samples were able to induce cytotoxic effects (reduced Mitotic Index) and damage the genetic material (i.e., increased frequencies of chromosome aberration and micronuclei) of meristematic cells of A. cepa. The cellular and genetic damages were higher in the sample site 1, wherein high levels of PSTs were verified. Thus, our findings suggested that cyanotoxins-contaminated waters may damage the genetic material of living organisms, and therefore this group of contaminants should be assessed for their potential genotoxicity

Efeitos da temperatura, fosfóro e luz no crescimento da cianobactéria Cylindrospermopsis raciborskii (Woloszynska) Seenayya et Subba Raju do reservatório de Alagados, Paraná

Resumo: A dominância das cianobactérias na comunidade fitoplanctônica depende de um conjunto de fatores ambientais reguladores do seu crescimento, como temperatura, intensidade luminosa e concentração de nutrientes. Quando as condições ambientais são favoráveis, pode ocorrer um crescimento intensivo dessas microalgas, originando uma floração. Os gatilhos ambientais que promovem esses fenômenos podem ser determinados por meio de estudos laboratoriais, a fim de entender as estratégias ecológicas, bem como controlar as causas e os efeitos da deterioração ambiental. Cylindrospermopsis raciborskii é um cianobactéria filamentosa que possui comportamento altamente invasivo e está entre as espécies tóxicas que mais causam problemas em reservatórios destinados ao abastecimento público por todo o mundo. O objetivo central deste trabalho foi investigar os efeitos de fatores reguladores (temperatura, luz, fósforo reativo) sobre o crescimento da cianobactéria C. raciborskii isolada do reservatório de Alagados, PR, em condições de cultivo laboratorial. Para isso foram realizados experimentos de crescimento de C. raciborskii em nove intensidades luminosas, quatro temperaturas e quatro concentrações de fósforo. A taxa de crescimento da cepa de C. raciborskii foi calculada em cada um dos tratamentos e, além disso, a morfologia dos tricomas foi acompanhada. A partir dos resultados concluiu-se que (1) a cepa responde morfologicamente as condições ambientais as quais é submetida, demonstrando grande plasticidade morfofisiológica e capacidade de adaptação; (2) o crescimento da cepa pode ser acelerado em condições de temperaturas mais elevadas, podendo ser favorecida pelo aquecimento global em detrimento das outras espécies do fitoplâncton; (3) o fósforo reativo pode desempenhar um importante papel na regulação do crescimento de C. raciborskii em temperatura e luminosidade altas; (4) a cepa do reservatório de Alagados parece estar adaptada às concentrações de fósforo que ocorrem no ambiente do qual foi isolada

Monitoring studies should consider temporal variability to reveal relations between cyanobacterial abundance and environmental variables

One of the main goals of monitoring cyanobacteria blooms in aquatic environments is to reveal the relationship between cyanobacterial abundance and environmental variables. Studies typically correlate data that were simultaneously sampled. However, samplings occur sparsely over time and may not reveal the short-term responses of cyanobacterial abundance to environmental changes. In this study, we tested the hypothesis that stronger cyanobacteria x environment relationships in monitoring are found when the temporal variability of sampling points is incorporated in the statistical analyses. To this end, we investigated relationships between cyanobacteria and seven environmental variables that were sampled twice yearly for three years across 11 reservoirs, and data from an intensive monitoring in one of these reservoirs. Poor correlations were obtained when correlating data simultaneously sampled. In fact, the 'highly recurrent' role of phosphorus in cyanobacteria blooms is not properly observed in all sampling periods. On the other hand, the strongest correlation values for the total phosphorus x cyanobacteria relationship were observed when we used the variation of sampling points. We have also shown that environment variables better explain cyanobacteria when a time lag is considered. We conclude that, in cyanobacteria monitoring, the best approach to reveal determinants of cyanobacteria blooms is to consider environmental variability

Morpho-physiological responses of a subtropical strain of Cylindrospermopsis raciborskii (Cyanobacteria) to different light intensities

ABSTRACT The toxigenic cyanobacterium Cylindrospermopsis raciborskii previously restricted to tropical latitudes, has been increasingly reported in temperate lakes in recent decades. The causes of its biogeographical expansion are under investigation, but efficient physiological adaptation to changes in temperature and light regimes are likely to be involved. The present study evaluated the morpho-physiological responses of a strain of C. raciborskii from southern Brazil to nine light intensities, from 9 to 250 µmol photons m-2 s-1. Blooms of this cyanobacterium are regularly recorded in the region. Morpho-physiological responses were measured based on growth rate and trichome length. Cylindrospermopsis raciborskii showed slow growth at low light intensities, 9 and 20 µmol photons m-2 s-1, and responded morphologically by increasing the length of trichomes. In turn, the strain displayed constant maximum growth rates at light intensities higher than 50 µmol photons m-2 s-1. These results support the hypothesis that C. raciborskii can survive under low light conditions and continue to produce viable trichomes. Moreover, the strain achieved high growth rates under a relatively wide range of light intensities, a physiological adaptation that can potentially be a competitive advantage in the phytoplankton community

Potential effects of mechanically removing macrophytes on the phytoplankton community of a subtropical reservoir

ABSTRACT Intensive growth of aquatic macrophytes interferes with water quality and ecosystem dynamics worldwide. Although mechanically removing macrophytes is the most commonly used method for their eradication, it can also cause undesirable disturbances in aquatic reservoir communities. We performed laboratory incubations of phytoplankton sampled before and after macrophytes were mechanically removed from the Piraquara II reservoir, South Brazil. We analyzed changes in growth and composition of the main phytoplankton groups with respect to nutrient shifting. Prior to removing the macrophytes, the phytoplankton community was dominated by low cell abundances of diatoms and flagellates. In contrast, growth rates of cyanobacteria (mainly Cylindrospermopsis raciborskii, Pseudanabaena sp., and Geitlerinema sp.) and of colonial chlorophytes were favored after macrophyte removal, while the abundances of diatoms and flagellates decreased. Our results suggest that removing macrophytes causes dramatic changes in phytoplankton composition and biomass and selects for toxigenic species of cyanobacteria. These changes were probably associated with the disturbance caused by removing the macrophytes, which immediately created new environmental conditions prone to species competition. These findings indicate that the use of mechanical techniques to manage macrophytes should be carefully considered, along with monitoring of harmful species and changes of limnological parameters