Thesis (M.S.)--Indiana University, 2009. / Department of Geography, Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI). Advisor(s): Jeffrey S. Wilson, Lenore P. Tedesco, Daniel P. Johnson. Includes vitae. Includes bibliographical references (leaves 71-77).

In river ecology the description and understanding of near-natural ecosystem functionality is a difficult task to achieve as the majority of river floodplains have been intensively impacted by human activities. This work addresses ecological functionality of a relatively unimpacted large river system, focussing on the lateral dynamic and connectivity mechanisms driving aquatic vegetation processes. Macrophytes were found to be very patchily distributed at the riverscape scale, being mainly confined to low energy lateral habitats in the floodplain, such as backwaters. Backwaters provided favourable conditions for plants to colonise and recruit and contributed highly to species diversity and productivity at the floodplain scale. Differences between backwaters were attributed to the frequency of connectivity with the main channel during flood events. Nevertheless, the ecological mechanism driving diversity through flooding appears not to be related to flow disturbance. Biomass produced in backwaters was found to remain stable after potentially scouring floods. Therefore the hypothesis that flood disturbances promote species diversity through the removal and destruction of biomass and rejuvenate communities such that species coexistence is increased was rejected. Rather, it appears that diversity in backwaters increases along a temporal gradient as a response to the input of colonists and their accumulation overtime through successive flood inputs. Despite the apparently non-destructive effect of floods on macrophyte biomass, backwaters appear to have a significant role in exporting large amounts of plant propagules from the site of production. Backwaters represented a net source of propagules which highly enriched the main channel pool of potential colonists. However, whereas propagules could be dispersed for long distances in flood flows the probability for them to reach a suitable downstream habitat was extremely low. This work showed that dispersal at baseflow and entry to backwaters through the downstream end after short dispersal drift provided a greater chance of successful colonisation despite the individually much shorter distance moved. Backwaters were demonstrated to be rather isolated aquatic habitats, even though they experience hydrological connectivity, suggesting that primary colonisation of these sites is a limiting step. Instead, colonisation was shown to rely primarily on propagules generated internally by established plants. Whereas colonisation could occur via internal re-organisation of existing plant propagules, the backwater seed bank could also contribute to the macrophytes species established in backwaters. Such contribution was consistently low to medium along a gradient of disturbances and connectivity and showed independence from such river flow processes. Species richness was found to be higher in the established species than in the seed bank, suggesting that asexual reproduction is prioritised by aquatic vegetation in riverine backwaters. The occurrence or persistence of macrophyte species in backwaters depends upon rhizome and plant shoot regeneration. The lack of influence of connectivity revealed that plants may originate from both in situ and externally waterborne vegetative propagules derived from other upstream backwaters. This research demonstrated that the lateral dynamic and associated connectivity are major components of river floodplain ecology which generate a wide spectrum of habitats and have a controlling effect on vegetation processes. Therefore a naturally dynamic ecological state is required to support ecosystem functionality in large river floodplains and especially to maintain a high level of species diversity, productivity and colonisation of backwaters by macrophytes.

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CAPES / As cianobactérias se proliferam rapidamente em ambientes eutrofizados e podem ser capazes de sintetizar toxinas que inviabilizam a utilização dos recursos hídricos. A espécie Microcystis aeruginosa apresenta ampla distribuição, além de ser potencial produtora de hepatotoxinas denominadas microcistinas. O risco à saúde humana destas substâncias faz com que os métodos para controle destes microrganismos na água adquiram fundamental importância. De forma a verificar possíveis efeitos inibitórios de compostos fitoquímicos produzidos por macrófitas aquáticas sobre o crescimento e a produção de microcistinas da cianobactéria Microcystis aeruginosa, o presente estudo utilizou extratos hidroalcoólicos de sete espécies de macrófitas aquáticas (Eichhornia azurea, Eleocharis cf. acutangula, Ludwigia cf. peruviana, Myriophyllum cf. aquaticum, Pontederia cordata, Sagittaria montevidensis e Typha domingensis). O meio de cultura ASM-1 foi otimizado em relação ao pH, nitrogênio, fósforo e ferro através de planejamento fatorial. Para o preparo dos extratos, as sete espécies de macrófitas aquáticas foram coletadas, processadas e submetidas ao processo de extração com solução hidroetanólica 80% (v/v). Os extratos obtidos foram liofilizados e aplicados em concentrações conhecidas aos cultivos de M. aeruginosa, em meio ASM-1 otimizado. O monitoramento da concentração celular foi realizado a cada 48 h por 10 dias. As diferenças estatísticas foram avaliadas através do método estatístico ANOVA repeated. A determinação da concentração de microcistina-LR foi realizada nas culturas contendo a concentração de extrato de maior efeito inibitório. Para a verificação de efeitos bacteriostáticos e bactericidas, ao final do período testado, os cultivos foram reinoculados em tubos de ensaio contendo apenas o meio de cultura estéril. Os extratos foram avaliados quanto à presença de metabólitos secundários e à toxicidade aguda sobre Daphnia magna. Os experimentos apresentaram valores de crescimento elevados no meio que continha maiores concentrações de P e Fe. Os extratos inibiram significativamente o crescimento da cepa quando foram aplicados na concentração de 500 mg.L-1, com exceção do extrato obtido a partir de S. montevidensis em que o efeito inibitório sobre as células foi o menor observado. O extrato com maior efeito inibitório foi obtido de partes aéreas de M. cf. aquaticum pois a taxa de inibição foi de 99,1% na concentração de 500 mg.L-1. As análises de microcistina evidenciaram que para o extrato de E. cf. acutangula a redução do crescimento foi acompanhada de aumento na produção de microcistina-LR de 216 para 610 ppb. Nos testes com o extrato de S. montevidensis a concentração de toxina sofreu pouca alteração, aumentando de 216 para 222 ppb. Efeitos bactericidas foram verificados para a exposição aos extratos de E. cf. acutangula, L. cf. peruviana e M. cf. aquaticum, uma vez que após reinoculadas não foram verificados crescimentos celulares. Para os extratos de E. azurea, P. cordata e T. domingensis não foram observados efeitos tóxicos, por outro lado, a maior toxicidade ocorreu para S. montevidensis, pois 100% dos organismos apresentaram imobilidade na concentração de 50 mg.L-1. Considerando os dados de inibição e de toxicidade foi possível constatar que o extrato obtido de L. cf. peruviana apresentou maiores vantagens em sua aplicação. Os resultados obtidos indicam a possibilidade futura da aplicação de extratos para a remediação de florações e mostram, também, a necessidade de investigações fitoquímicas e toxicológicas mais detalhadas no sentido de identificar as substâncias ativas no controle de florações, de forma a potencializar a ação destas e minimizar seus efeitos tóxicos. / Cyanobacteria proliferate rapidly in eutrophic environments and may be able to synthesize toxins that block water resources use. The cyanobacterium Microcystis aeruginosa is widely distributed, being a potential producer of hepatotoxins called microcystins. The risks to human health of these substances demands methods to control these microorganisms in water. In order to investigate possible inhibitory effects of phytochemical compounds produced by aquatic macrophytes on the growth and microcystin production of Microcystis aeruginosa, the present study used aquatic macrophytes hydroalcoholic extracts of seven species (Eichhornia azurea, Eleocharis cf. Acutangula, Ludwigia cf. peruviana, yriophyllum cf. aquaticum, Pontederia cordata, Sagittaria montevidensis and Typha domingensis). The culture medium ASM-1 was optimized with respect to pH, nitrogen, phosphorus and iron through a factorial design. For extracts preparation, the seven species of aquatic macrophytes were collected, processed and submitted to extraction process solution ethanol 80% (v/v). The extracts were lyophilized and applied in known concentrations to cultures of M. aeruginosa, in optimized ASM-1 medium. Cell concentration was determined every 48 h for 10 days. Statistical differences were evaluated using ANOVA repeated. The microcystinLR concentration was determined in cultures containing greater inhibitory effect extract concentration. Evaluation of bacteriostatic and bactericidal effects at the end of tested period, the cultures were reinoculated into test tubes containing only sterile culture medium. The extracts were evaluated for the presence of secondary metabolites and acute toxicity on Daphnia magna. The experiments showed high growth rates in medium containing higher concentrations of P and Fe. Hydroalcoholic extracts inhibited the growth of Microcystis aeruginosa strain, more effective when applied at a concentration of 500 mg L-1, except for tests performed with S. montevidensis in that the mean inhibitory effect on the cells was the lowest observed. The extract with the highest inhibitory effect was obtained from aerial parts of M. cf. aquaticum in which the inhibition rate was 99.1%. The analyzes showed that microcystin for the extract of E. cf. acutangula the greatest cellular inhibition was accompanied by an increase in microcystin-LR production from 216 to 610 ppb. In tests with S. montevidensis extract the concentration of toxin was few changed, increasing from 216 to 222 ppb. Bactericidal effects were observed for exposure to extracts of E. cf. acutangula, L. cf. peruviana and M. cf. aquaticum. For extracts of E. azurea, P. cordata and T. domingensis toxic effects were not observed. The major toxicity was observed for S. montevidensis, in which 100% of organisms presented immobility in concentration of 50 mg.L-1. Considering inhibition and toxicity data was found that L cf. peruviana extract showed more advantages on its application. The results indicate the possibility of future application of extracts for blooms remediation and also show the need for detailed toxicological and phytochemical investigations in order to identify the active compounds in blooms control and minimize their toxic effects.

CNPq / A poluição ambiental causada pelas indústrias tem elevado a concentração de poluentes no ambiente, principalmente nas águas. Entre os mais diversos contaminantes, temos os metais, podendo ou não ser pesados/tóxicos, gerando efluente de difícil tratamento quando em baixas concentrações. A busca por medidas alternativas de tratamentos de efluentes de águas residuais, tem levado a estudos utilizando de técnica de fitorremediação através das mais diversas matrizes (plantas, fungos, bactérias) como formas de tratamento de polimento para remover contaminantes por meio de biossorção/bioacumulação. No intuito de se utilizar a técnica de fitorremediação para remoção de metais do ambiente, realizou-se o bioensaio com a macrófita Pistia stratiotes. Realizaram-se os bioensaios com indivíduos saudáveis de P. stratiotes aclimatadas em casa de vegetação, em condições de temperatura e luminosidade ambiente, durante 28 dias de cultivo. Os cultivos foram realizados em recipientes de vidro contendo 1 L da solução hidropônica com cromo (VI) na forma de dicromato de potássio, com concentração na faixa de 0,10 a 4,90 mg L-1. Os experimentos foram realizados por Delineamento Central Composto Rotacional (DCCR), onde a cinética da bioacumulação e a fluorescência da clorofila a foram monitoradas em indivíduos de P. stratiotes durante o cultivo. As coletas das amostras e da solução de cultivo foram realizadas conforme o DCCR. Os teores de cromo foram dosados em amostras de P. stratiotes e nas soluções remanescentes pela metodologia de espectrometria de absorção atômica por chama. A tolerância de P. stratiotes em relação à exposição ao cromo (VI) foi analisada por parâmetros da atividade fisiológica, por meio da fluorescência da clorofila a, utilizando-se o fluorômetro portátil PAM (Pulse Amplitude Modulation). O desenvolvimento de P. stratiotes e sua biomassa foram relacionados ao fator tempo, enquanto que as capacidades de bioacumulação foram fortemente influenciadas pelos fatores tempo e concentração de cromo (VI). Os parâmetros da fluorescência da clorofila a foram afetados pelo tempo de exposição nos bioensaios. Obteve-se maior remoção do metal pela raiz em relação a folha, alcançando alta taxa de remoção do metal em solução. Os dados experimentais da cinética de remoção foram representados pelos modelos cinéticos de Langmuir Irreversível, Langmuir Reversível, Pseudo-primeira Ordem e Pseudo-segunda Ordem, sendo que o melhor ajuste para a solução de cultivo foi o modelo de Langmuir Reversível com R² 0,993 e para a planta o melhor modelo sendo o Pseudo-segunda Ordem com R² 0,760. / The environmental pollution caused by industries has increased the concentration of pollutants in the environment, especially in water. Among the most diverse contaminants, there is the metals, who may or may not to be heavy/toxic, causing effluent of difficult treatment when in low concentrations. The search for alternative measures of wastewater effluent treatment has led to studies using phytoremediation technique through the various matrices (plant, fungi, bacteria) as means of polishing treatment to remove contaminants by means of biosorption/bioaccumulation. In order to use the phytoremediation technique for removing metals of the environmental, it have been performed bioassay with the macrophyte Pistia stratiotes. The bioassays were realized with healthy plants of P. stratiotes acclimatized in a greenhouse, at room temperature and lighting conditions during 28 days of cultivate. The cultivations were performed in glass vessels containing 1 L of the hydroponic solution with chromium (VI) in the potassium dichromate form with concentration range 0.10 to 4.90 mg L-1. The experiments were performed by Outlining Central Composite Rotational (OCCR), where the kinetics of bioaccumulation and chlorophyll a fluorescence were monitored in plants of P. stratiotes during cultivation. The collections of the samples and cultive solution were performed according to the OCCR. The chromium levels were measured in samples of P. stratiotes and the remaining solutions by the methodology of atomic absorption spectrometry by flame. The tolerance of P. stratiotes in relation to exposure to chromium (VI) was analyzed by parameters of physiological activity by means of chlorophyll a fluorescence, using the portable fluorometer PAM (Pulse Amplitude Modulation). The development of P. stratiots and their biomass were related to the time factor, while bioaccumulation capacities were strongly influenced by factors of time and chromium concentration (VI). The chlorophyll fluorescence parameters were affected by chromium and the exposure time at the bioassays. It was obtained an higher metal removal from the root in relation to the sheet, reaching a high rate of metal removal in solution. The experimental data removal kinetics were represented by kinetic models Irreversibly Langmuir, Reversible Langmuir, Pseudo-first Order and Pseudo-second Order, and the best fit for the culture solution was the Reversible Langmuir model with R² 0.993 and for the plant the best model was Pseudo-second order with R² 0.760.

Orientador: Maria de Lourdes Boeno Trindade Galo / Banca: Nilton Nobuhiro Imai / Banca: Francisco Antônio Dupas / Resumo: Nos últimos anos, infestações de plantas aquáticas em reservatórios estão sendo estudadas como um efeito do desequilíbrio causado pela poluição e represamento dos rios. A quantidade excessiva de plantas, conseqüente desse desequilíbrio, dificulta tanto a navegação como a produção de energia elétrica. Esse tipo de ocorrência, assim como a presença de algumas substâncias na água, provocam mudanças na radiância da mesma, registradas por sensores orbitais. Nesse sentido, técnicas de processamento e análise de dados de sensoriamento remoto podem se constituir em uma fonte complementar de dados e fornecer informações relacionadas ao grau de infestação de reservatórios. Nesse contexto, o presente trabalho teve como objetivo verificar a influência da resolução espacial de imagens multiespectrais na detecção e mapeamento de áreas infestadas por plantas aquáticas emersas em um reservatório de pequeno porte, através de utilização de procedimentos de análise multiescala e classificação supervisionada usando redes neurais artificiais. Para isso foram utilizadas imagens IKONOS multiespectrais (4 metros de resolução espacial) do reservatório de Salto Grande localizado na cidade de Americana- SP. Assim, foram geradas imagens multiescala, resultando em imagens de 8, 16 e 32 metros de resolução espacial. Na classificação das imagens, utilizando Redes Neurais Artificiais, os dados de entrada constituíram-se de imagens multiespectrais IKONOS (bandas 1, 2, 3 e 4), imagem de textura (banda do IVP), e uma imagem de índice de vegetação (NDVI). O procedimento metodológico adotado mostrou-se adequado para o mapeamento das variações espectrais da água e detecção das infestações por plantas aquáticas, nos vários níveis de resolução da imagem. Os resultados obtidos mostraram que a classificação pela rede neural, com os parâmetros...(Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: In past few years, great infestations of aquatic plants in reservoirs have been studied as an effect of the environmental unbalance caused by pollution and damming of rivers. The excessive amount of plants, deriving from this unbalance, makes navigation and the production of electricity difficult. This kind of occurrence, as well as the appearance of some substances in the water, cause changes in the water radiance detected by satellite sensors. Thus, processing techniques and data analysis may be used as a complementary data source to give information related to the degree of infestation of these plants in reservoirs. So, the present dissertation aimed at verifying the influence of the spatial resolution of multispectral images in the detection and mapping of areas infested by aquatic plants in a small reservoir , through the use of multiscale analysis procedures and supervised classification using artificial neural networks. Multiespectral imagens IKONOS (spatial resolution of 4 meters) of the reservoir of Salto Grande, in the city of Americana-SP were used. So, multiscale images were generated, resulting in images of 8, 16 and 32 meters of spatial resolution. In the classification of these images, using Artificial Neural Networks, the input data was constituted of multispectral images IKONOS (bands 1, 2, 3 and 4), image of texture (band of NIR), and one image of vegetation index (NDVI). The method used was adequate to map the spectral variation of the water and to detect infested areas of aquatic plants in the various levels of resolution of the image. The results obtained showed that the classification by the parameters defined for the original image and applied in the training of the scheme adopted for the different resolution levels was satisfactory. Furthermore, an analysis was made comparing multiscale images classified through crossed comparison, which permits comparing...(Complete abstract click electronic access below) / Mestre

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Determina a variabilidade genética da N. rudgeana em ambientes aquáticos de áreas de savana no estado de Roraima, associando-as com as variáveis limnológicas. / It determines the genetic variability of N. rudgeana in aquatic environments of savanna areas in the state of Roraima, associating them with the limnological variables.

D.Sc. (Freshwater Biology) / Please refer to full text to view abstract

Orientador: Marcelo da Costa Ferreira / Resumo: A Salvinia molesta é uma planta aquática de difícil controle e tem causado prejuízos aos ambientes aquáticos. O controle químico com herbicida é uma forma de manejo destas plantas. Contudo, para aplicação de produtos químicos no ambiente aquático é necessário fazer uma avaliação do impacto desta utilização e o potencial risco ambiental. O objetivo deste estudo foi avaliar a eficácia do herbicida imazamox e dos adjuvantes (Dash® e Veget’oil®) em aplicação eletrostática e convencional (CO2 pressurizado) para o controle de S. molesta e os efeitos sobre indicadores ambientais de qualidade de água em condição de microcosmos. Para tanto, foram utilizadas doses de imazamox isolado e acrescido de adjuvantes (600 a 1000 g i.a. ha-1) em aplicação eletrostática e convencional e foram realizadas avaliações de eficácia, clorofila a das plantas, massa fresca e seca e parâmetros químicos, físicos e biológicos de qualidade da água por um período experimental de 60 dias. O imazamox isolado foi mais eficaz no controle de S. molesta na dose de 900 g i.a. ha-1 com 94% em aplicação convencional e 63% em aplicação eletrostática com redução de 95 e 82% de massa fresca e 92 e 62% de massa seca, respectivamente. O imazamox + Dash® foi mais eficaz na dose de 1000 g i.a. ha-1 com 40% de controle em aplicação eletrostática e 25% em aplicação convencional com redução de 50 e 30% da massa fresca e seca, respectivamente. O imazamox com 900 g i.a. ha-1 + 0,5% de Veget’oil® em aplicação sequencial foi mais e... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Salvinia molesta is an aquatic plant difficult to control and cause damage to aquatic environments Chemical control with herbicide is a way of management these plants. However, for the application of chemicals in the aquatic environment it is necessary to make an assessment of the impact of this use and the potential environmental risk. The objective of this study was to evaluate the efficacy of the herbicide imazamox and adjuvants (Dash® and Veget'oil®) in electrostatic and conventional (CO2-pressurized sprayer) application for the control of S. molesta and the effects on environmental indicators of water quality in microcosms. Therefore, doses of imazamox alone and more adjuvants (600 to 1000 g i.a. ha-1) were used in electrostatic and conventional applications and the effectiveness, chlorophyll, fresh and dry biomass and chemical, physical and biological parameters of water quality were evaluated over a period 60 days. Isolated imazamox was more effective in controlling S. molesta at a dose of 900 g i.a. ha-1 with 94% in conventional application and 63% in electrostatic application, with a reduction of 95 and 82% in fresh weight and 92 and 62% dry weight, respectively. Imazamox + Dash® was more effective at a dose of 1000 g i.a. ha-1 with 40% control in electrostatic application and 25% in conventional application with a reduction of 50 and 30% in fresh and dry weight, respectively. The imazamox with 900 g i.a. ha-1 + 0,5% Veget'oil® in sequential application was more effe... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

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