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Dissertação de Mestrado
DOI
10.11606/D.18.2017.tde-29032017-142708
Documento
Autor
Nome completo
Gabriela Albino Marafão
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2016
Orientador
Banca examinadora
Cunha, Davi Gasparini Fernandes (Presidente)
Santino, Marcela Bianchessi da Cunha
Santos, Analu Egydio dos
Título em português
Estudo in situ da fixação biológica de nitrogênio pelo fitoplâncton em reservatórios subtropicais (SP)
Palavras-chave em português
Cianobactérias
Eutrofização artificial
Fixação de nitrogênio
Gerenciamento dos recursos hídricos
Isótopo 15N2
Reservatórios subtropicais
Resumo em português
A eutrofização artificial é um dos maiores desafios da sociedade moderna em relação à manutenção dos usos múltiplos da água, portanto, é preciso estudar os mecanismos que influenciam a variação das características bióticas e abióticas dos reservatórios em resposta às interferências antrópicas, sobretudo ao incremento excessivo de nutrientes, nitrogênio e fósforo. Estes nutrientes afetam a produção da biomassa aquática e favorecem florações de cianobactérias. Diante dessa problemática, a presente pesquisa quantificou as taxas de fixação biológica de nitrogênio pelo fitoplâncton, considerando que algumas cianobactérias se beneficiam dessa habilidade competitiva para dominarem muitos ecossistemas aquáticos. Para isso, foram estudados três reservatórios subtropicais com diferentes graus de trofia no estado de São Paulo, totalizando oito amostragens entre 2013 e 2015. Além de variáveis abióticas e bióticas da água, foram utilizados dois métodos, um indireto e outro direto, para estimar as taxas de fixação: redução do acetileno e traçador isótopo 15N2. Os reservatórios de Itupararanga, Barra Bonita e Lobo foram classificados como eutrófico, hipereutrófico e supereutrófico, respectivamente. As maiores concentrações de nutrientes (nitrogênio total Kjeldahl: 5.930 µg /L e fósforo total: 466 µg /L ) foram observadas no reservatório de Barra Bonita, no qual não foi detectada fixação significativa pela predominância de Microcystis aeruginosa, não fixadora de N2, que atingiu biovolume máximo de 110 mm3/L. Em Itupararanga, nas coletas de outubro de 2013 e fevereiro de 2014, Cylindrospermopsis raciborskii e Anabaena sp. foram responsáveis pelas taxas de fixação, sendo que essa última apresentou maior frequência de heterócitos (75%). No Lobo, Aphanizomenon sp. (durante o inverno), C. raciborskii (durante o verão) e Lyngbya sp. (fixadora noturna de N2) realizaram a fixação em todas as amostragens, com exceção de fevereiro de 2014. Nos reservatórios de Itupararanga e no Lobo, mesmo em condições de excesso de nutrientes e elevadas relações N:P (máximo de 564:1), as taxas de fixação atingiram 0,22 e 0,95 µg/L.h, que são consideradas elevadas quando comparadas a outros estudos em ambientes temperados. A comparação entre as metodologias sugeriu que o método direto, com o traçador 15N2, foi mais sensível que o indireto, da redução do acetileno. Entre as variáveis analisadas, a que mais influenciou a fixação foi a estrutura da comunidade fitoplanctônica (e.g., características qualitativas, capacidade de fixação e presença de heterócito). As variáveis climatológicas (precipitação e temperatura) e hidrológica (tempo de detenção hidráulico), juntamente com a disponibilidade de nutrientes e a possível competição entre espécies e grupos fitoplanctônicos, regularam a comunidade fitoplanctônica. A análise do processo de fixação no período diurno ou noturno permitiu inferir diferentes estratégias adaptativas das cianobactérias presentes nos ambientes estudados. Para os três reservatórios analisados, concluiu-se que a qualidade da água está comprometida devido à floração de cianobactérias potencialmente tóxicas e isso evidencia a necessidade de medidas de controle de estado trófico para garantir os usos múltiplos da água e a saúde pública. O processo de fixação pode representar uma parcela significativa de nitrogênio nos sistemas aquáticos e não foi inibido pelo excesso de nutrientes.
Título em inglês
Study in situ of biological nitrogen fixation by phytoplankton in subtropical reservoirs (SP)
Palavras-chave em inglês
Artificial eutrophication
Atmospheric nitrogen fixation
Isotope 15N2
Phytoplankton community
Subtropical reservoirs
Water resources management
Resumo em inglês
Artificial eutrophication is one of the greatest challenges of modern society in relation to the maintenance of the multiple uses of water, therefore it is necessary to study the mechanisms that influence the variation of biotic and abiotic characteristics of the reservoirs in response to anthropogenic interference, especially the increase of nutrients, nitrogen and phosphorus. Such nutrients affect the production of aquatic biomass and favor cyanobacteria. This research quantified the biological nitrogen fixation rates by the phytoplankton, considering that some cyanobacteria benefit from this competitive ability to dominate many Brazilian aquatic ecosystems. We studied three subtropical reservoirs with different trophic levels in the São Paulo State, Brazil, performing eight sampling campaigns between 2013 and 2015. In addition to the abiotic and biotic variables of water, two methods were used to estimate the fixation rates: acetylene reduction and tracer isotope 15N2. The reservoirs Itupararanga, Barra Bonita and Lobo were classified as eutrophic, hypertrophic and supereutrophic, respectively. The highest concentrations of nutrients (Total Kjeldahl Nitrogen: 5.930 µg/L and total phosphorus = 466 µg/L) were observed in the Barra Bonita Reservoir, where no fixation was detected due to the predominance of Microcystis aeruginosa, non-fixing cyanobacteria, with a maximum biovolume of 110 mm3/L. In Itupararanga, in October 2013 and January 2014, Cylindrospermopsis raciborskii and Anabaena sp. were responsible for nitrogen fixation, the latter with greater frequency of heterocysts (75%). In Lobo, Aphanizomenon sp. (during the winter), C. raciborskii (during the summer) and Lyngbya sp. (night fixing N2) fixation was detected in all samplings, except for February 2014. In the Itupararanga and Lobo Reservoirs, even with excess of nutrients and at high N:P ratios (maximum of 564:1), the fixation rates reached 0.22 and 0.95 µg/L.h, which were high when compared to temperate environments. The comparison between the methodos indicated that the direct method, through the tracer 15N2, was more sensitive than the indirect method of the acetylene reduction. Considering the analyzed variables, phytoplankton community structure significantly influenced the nitrogen fixation (e.g., qualitative aspects, N2 fixation capacity and presence of heterocysts). The climatological (precipitation and temperature) and hydrological (hydraulic retention time) variables, associated with the availability of nutrients and competition among species and phytoplankton groups, regulated the phytoplankton community in the reservoirs. The analysis of the nitrogen fixation during day or night periods allowed inferring different adaptive strategies of cyanobacteria. For the three reservoirs analyzed, it is concluded that the water quality is impaired due to the bloom of potentially toxic cyanobacteria and this highlights the need for trophic state control measures to ensure the multiple uses of water and public health. The fixation process can represent a significant part of nitrogen in aquatic systems and was not inhibited by excess nutrients.
 
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Data de Publicação
2017-04-19
 
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