Estudaram-se neste trabalho os efeitos da deposição atmosférica sobre o balanço de elementos químicos, analisando-se as entradas e saídas dos elementos através do ciclo hidrológico durante quatro anos (setembro de 1991 a agosto de 1995) na Floresta Atlântica, situada nas vizinhanças do pólo industrial de Cubatão, São Paulo. Por meio de amostragens quinzenais e de determinação da concentração iônica, avaliaram-se, em três florestas diferentemente atingidas pela impacto da poluição aérea – Pilões-menos poluída, área de referência; Moji-fortemente poluída e Paranapiacabamoderadamente poluída – os seguintes aspectos: entrada de elementos pela água de chuva; transferência pela água que atravessa a cobertura vegetal e pela solução do solo a 10cm, 60cm e 100cm de profundidade; saída e neutralização pela água de nascentes e de pequenos córregos, bem como as alterações químicas no solo induzidas pela deposição atmosférica. Na área mais poluída (Moji), as concentrações iônicas médias encontradas na precipitação que atinge a floresta e na precipitação que atinge o solo foram, respectivamente: 5 e 10 mg.L-1 para o sulfato-S, 0,5 e 0,7 mg.L-1 para o nitrato, 0,63 e 1,14 mg.L-1 para o fluoreto, 2,2 e 2,8 mg.L-1 para o amônio-N, 0,69 e 2,15 mg.L-1 para o magnésio, 3,1 e 7,7 mg.L-1 para o cálcio. Na floresta de referência, menos poluída (Pilões), as concentrações iônicas foram em média, 1/3 a 1/9 inferior a esses valores, refletindo claramente as diferenças nas cargas poluidoras que atingem cada floresta. Verificou-se que a composição química da solução do solo muda completamente com a infiltração da água. As concentrações de nitrato aumentaram de 3 a 22 vezes com a infiltração da água nos primeiros 10cm de solo do Pilões e Moji, respectivamente, valores estes bastante expressivos. Em menor proporção, isso também foi observado para o sulfato e cloreto. As mudanças nas concentrações dos elementos durante a passagem da água pelo ecossistema são explicadas pelas reações químicas que ocorrem nos diferentes compartimentos. Assim, nas florestas mais poluídas (Moji e Paranapiacaba) elas são caracterizadas pela retenção praticamente total do amônio, e parcial do sulfato, nas camadas superficiais do solo, pela liberação do alumínio dos minerais do solo e pela lixiviação extremamente alta de nitrato em conseqüência do processo de nitrificação da matéria orgânica. A deposição atmosférica nas florestas investigadas é bastante elevada e variável. Entram anualmente no solo, pela precipitação: de 122 a 255 kg.ha-1 de enxofre na forma de sulfato; de 7 a 70 kg.ha-1 de nitrogênio, principalmente na forma de amônio; e de 4 a 28 kg.ha-1 de fluoreto. Com a entrada de amônio e de nitrogênio orgânico no sistema, reações de nitrificação ocorrem na camada superficial do solo, principalmente das áreas mais atingidas pela poluição. Na floresta mais poluída (Moji), a saída de nitrato pela água do solo a 100cm de profundidade chega anualmente a 271 kg de N por hectare, enquanto a saída de enxofre alcança o valor de 386 kg de S por hectare, anualmente. A acidificação do solo em decorrência da entrada e transferência de nitrogênio e enxofre provoca a liberação de alumínio dos minerais do solo e a lixiviação de formas iônicas (mais de 240 kg de Al por ha anualmente). A transferência de íons alumínio para o lençol freático e para águas de nascentes e córregos acarreta um problema ecológico sério, pois esses íons consomem a alcalinidade e a água fica sujeita a acidificação. / The effects of atmospheric deposition upon element balance (input and output) and turnover through the hydrological cycle have been investigated from September 1991 to August 1995 (four years), in the vicinity of the industrial complex of Cubatão, State of São Paulo, Brazil. The aim was to assess atmospheric deposition and fluxes through precipitation, soil water at 10cm, 60cm and 100cm depths, and surface water as well as to investigate possible soil changes induced by atmospheric deposition. Three sites were chosen which differed significantly with respect to pollution impact: Pilões (reference site, less polluted), Moji (most polluted) and Paranapiacaba (mildly polluted). Annual averages of ionic concentrations in precipitation found in open field and below the tree canopy amounted to 5 and 10 mg.L-1, respectively, for sulfate-S, 0.5 and 0.7 mg.L-1 for nitrate, 0.63 and 1.14 mg.L-1 for fluoride, 2.2 and 2.8 mg.L-1 for ammonium-N, 0.69 and 2.15 mg.L-1for Mg, and 3.1 and 7.7 mg.L-1 for Ca at the most polluted site (Moji). The relatively "clean" reference site (Pilões) attained 1/3 to 1/9 of these averages, thus clearly reflecting the difference in air pollution load. Chemical composition in the liquid phase is completely changed when precipitation infiltrates the soil profile. Nitrate concentration increases by the factor 3 to 22. A clear increase is also found for sulfate and chloride. Concentration changes during ecosystem passage of seepage are interpreted in relation to chemical reactions taking place in different compartments. They are characterized by an almost complete retention of ammonium and some retention of sulfate in the upper soil layers, and at the most polluted site by mobilization of Al from soil minerals and very high leaching of nitrate as a consequence of nitrification of organic matter. The forests under investigation are characterized by a very high input from the atmosphere. Between 122 and 255 kg S per hectare are annually carried into soil by precipitation in the form of sulfate, 7 to 70 kg of nitrogen mainly in the form of ammonium, 4 to 28 kg of fluoride. Input of ammonium and organic bound nitrogen is followed by nitrification in the topsoil. At the most polluted site (Moji), nitrate output with seepage amounts to 271 kg N per ha and year, sulfate output to more than 386 kg S. Soil acidification associated with turnover of sulfur and nitrogen is followed by the release of aluminum from soil minerals, and leaching of ionic forms of Al (up to 240 kg Al per hectare annually). Transfer of aluminum ions to groundwater and surface water can have serious ecological effects. Alkalinity is consumed, and the water is subject to acidification.

Estudaram-se neste trabalho os efeitos da deposição atmosférica sobre o balanço de elementos químicos, analisando-se as entradas e saídas dos elementos através do ciclo hidrológico durante quatro anos (setembro de 1991 a agosto de 1995) na Floresta Atlântica, situada nas vizinhanças do pólo industrial de Cubatão, São Paulo. Por meio de amostragens quinzenais e de determinação da concentração iônica, avaliaram-se, em três florestas diferentemente atingidas pela impacto da poluição aérea – Pilões-menos poluída, área de referência; Moji-fortemente poluída e Paranapiacabamoderadamente poluída – os seguintes aspectos: entrada de elementos pela água de chuva; transferência pela água que atravessa a cobertura vegetal e pela solução do solo a 10cm, 60cm e 100cm de profundidade; saída e neutralização pela água de nascentes e de pequenos córregos, bem como as alterações químicas no solo induzidas pela deposição atmosférica. Na área mais poluída (Moji), as concentrações iônicas médias encontradas na precipitação que atinge a floresta e na precipitação que atinge o solo foram, respectivamente: 5 e 10 mg.L-1 para o sulfato-S, 0,5 e 0,7 mg.L-1 para o nitrato, 0,63 e 1,14 mg.L-1 para o fluoreto, 2,2 e 2,8 mg.L-1 para o amônio-N, 0,69 e 2,15 mg.L-1 para o magnésio, 3,1 e 7,7 mg.L-1 para o cálcio. Na floresta de referência, menos poluída (Pilões), as concentrações iônicas foram em média, 1/3 a 1/9 inferior a esses valores, refletindo claramente as diferenças nas cargas poluidoras que atingem cada floresta. Verificou-se que a composição química da solução do solo muda completamente com a infiltração da água. As concentrações de nitrato aumentaram de 3 a 22 vezes com a infiltração da água nos primeiros 10cm de solo do Pilões e Moji, respectivamente, valores estes bastante expressivos. Em menor proporção, isso também foi observado para o sulfato e cloreto. As mudanças nas concentrações dos elementos durante a passagem da água pelo ecossistema são explicadas pelas reações químicas que ocorrem nos diferentes compartimentos. Assim, nas florestas mais poluídas (Moji e Paranapiacaba) elas são caracterizadas pela retenção praticamente total do amônio, e parcial do sulfato, nas camadas superficiais do solo, pela liberação do alumínio dos minerais do solo e pela lixiviação extremamente alta de nitrato em conseqüência do processo de nitrificação da matéria orgânica. A deposição atmosférica nas florestas investigadas é bastante elevada e variável. Entram anualmente no solo, pela precipitação: de 122 a 255 kg.ha-1 de enxofre na forma de sulfato; de 7 a 70 kg.ha-1 de nitrogênio, principalmente na forma de amônio; e de 4 a 28 kg.ha-1 de fluoreto. Com a entrada de amônio e de nitrogênio orgânico no sistema, reações de nitrificação ocorrem na camada superficial do solo, principalmente das áreas mais atingidas pela poluição. Na floresta mais poluída (Moji), a saída de nitrato pela água do solo a 100cm de profundidade chega anualmente a 271 kg de N por hectare, enquanto a saída de enxofre alcança o valor de 386 kg de S por hectare, anualmente. A acidificação do solo em decorrência da entrada e transferência de nitrogênio e enxofre provoca a liberação de alumínio dos minerais do solo e a lixiviação de formas iônicas (mais de 240 kg de Al por ha anualmente). A transferência de íons alumínio para o lençol freático e para águas de nascentes e córregos acarreta um problema ecológico sério, pois esses íons consomem a alcalinidade e a água fica sujeita a acidificação. / The effects of atmospheric deposition upon element balance (input and output) and turnover through the hydrological cycle have been investigated from September 1991 to August 1995 (four years), in the vicinity of the industrial complex of Cubatão, State of São Paulo, Brazil. The aim was to assess atmospheric deposition and fluxes through precipitation, soil water at 10cm, 60cm and 100cm depths, and surface water as well as to investigate possible soil changes induced by atmospheric deposition. Three sites were chosen which differed significantly with respect to pollution impact: Pilões (reference site, less polluted), Moji (most polluted) and Paranapiacaba (mildly polluted). Annual averages of ionic concentrations in precipitation found in open field and below the tree canopy amounted to 5 and 10 mg.L-1, respectively, for sulfate-S, 0.5 and 0.7 mg.L-1 for nitrate, 0.63 and 1.14 mg.L-1 for fluoride, 2.2 and 2.8 mg.L-1 for ammonium-N, 0.69 and 2.15 mg.L-1for Mg, and 3.1 and 7.7 mg.L-1 for Ca at the most polluted site (Moji). The relatively ”clean” reference site (Pilões) attained 1/3 to 1/9 of these averages, thus clearly reflecting the difference in air pollution load. Chemical composition in the liquid phase is completely changed when precipitation infiltrates the soil profile. Nitrate concentration increases by the factor 3 to 22. A clear increase is also found for sulfate and chloride. Concentration changes during ecosystem passage of seepage are interpreted in relation to chemical reactions taking place in different compartments. They are characterized by an almost complete retention of ammonium and some retention of sulfate in the upper soil layers, and at the most polluted site by mobilization of Al from soil minerals and very high leaching of nitrate as a consequence of nitrification of organic matter. The forests under investigation are characterized by a very high input from the atmosphere. Between 122 and 255 kg S per hectare are annually carried into soil by precipitation in the form of sulfate, 7 to 70 kg of nitrogen mainly in the form of ammonium, 4 to 28 kg of fluoride. Input of ammonium and organic bound nitrogen is followed by nitrification in the topsoil. At the most polluted site (Moji), nitrate output with seepage amounts to 271 kg N per ha and year, sulfate output to more than 386 kg S. Soil acidification associated with turnover of sulfur and nitrogen is followed by the release of aluminum from soil minerals, and leaching of ionic forms of Al (up to 240 kg Al per hectare annually). Transfer of aluminum ions to groundwater and surface water can have serious ecological effects. Alkalinity is consumed, and the water is subject to acidification.

Sustainability is one of the biggest goals of humankind in the new millennium. An increasing global demand on agricultural products stimulates agricultural expansion in Brazil, especially in the Southwestern Amazon, namely in the Cerrado and Amazon biomes. A better understanding of biogeochemical cycles and their influence on natural and agricultural systems is key to achieve environmental sustainability and improve agricultural efficiency. These biogeochemical cycles are driven by microbes, and the aim of this thesis was to correlate microbial functional group abundances with differences in carbon, nitrogen, and greenhouse gas cycles in response to land use changes in Southwestern Amazon soils. This work was performed at the University of São Paulo, Brazil, and at the University of Massachusetts Amherst, USA, while the candidate was enrolled in Ph.D. programs at both universities. The thesis is composed of five studies. The first study shows that land use change from Cerrado and forest to agriculture (soybean, Glycine max (L. Merrill), in succession with other crops) or pasture (Brachiaria brizantha (Hochst. ex A. Rich.) did not reduce soil microbial diversity but changed microbial structure. The second study, a physicochemical background for this land use conversion, describes the alteration of C and N stocks, soil chemical parameters, and microbiological parameters such as biomass, biological C stocks, and changes in the abundance of prokaryotes and fungi. In the third and fourth studies microcosm experiments depict how the agricultural change to soybean and Brachiaria alter the original microbial structure found in forest or cerrado. These studies focused on abundances of key biogeochemical genes (amoA, nirK, nirS, norB, nosZ, mcrA, and pmoA) and correlated gene copy abundances with C, N, and GHG measurements. In the fifth study, in situ soil surveys and GHG samplings were used to characterize the changes from forest to pasture (B. brizantha, 25 years) or soybean crop system (for 2 years or 25 years in succession). We found correlations between genes and processes, indicating that gene abundances provide important microbial information for the understanding of the targeted biogeochemical cycles. Land use, rather than plant species, promotes alterations in microbial gene abundances and processes. During the survey period, forest exhibited higher microbial activity, resulting in higher nitrate availability and N2O emissions. These processes were correlated with higher abundances of process related genes. Nitrate and N2O emissions were lower in agricultural and pasture soils. CO2 emission was higher in the two-year-old soybean plot. The forest and two-year-old soybean plots acted as a sink for CH4, while the pasture plots represented a source of it. The results validated the use of gene abundance determination as a valuable tool to better understand C, N, and GHG processes. The genes nirK, nosZ, and 16S rRNA presented the best correlations with the processes. A larger temporal and spatial analysis is needed to infer statements on the processes dynamics due to land use change. For the first time gene abundance measurements were used to integrate the C, N and GHG cycles, giving insights into land use changes in Southwestern Amazon / Sustentabilidade é um dos maiores objetivos da humanidade no novo milênio. Uma demanda crescente por produtos agrícolas tem estimulado a expansão agrícola no Brasil, especialmente no Sudoeste da Amazônia, nos biomas Cerrado e Amazônia. Um melhor entendimento dos ciclos biogeoquímicos e suas influências em sistemas naturais e agrícolas é chave para se alcançar sustentabilidade ambiental e aumentar eficiência agrícola. Esses ciclos biogeoquímicos são guiados por microrganismos, e o objetivo dessa tese foi correlacionar abundância de grupos funcionais de microrganismos com carbono, nitrogênio e gases de efeito estufa (GEE) em resposta a mudança do uso da terra em solos do sudoeste da Amazônia. Esse trabalho foi realizado na Universidade de São Paulo e na Universidade de Massachusetts Amherst enquanto o doutorando esteve matriculado nas duas universidades. A tese é composta de cinco estudos. O primeiro estudo mostra que a mudança no uso da terra de Cerrado e floresta para agricultura (soja, Glycine max (L. Merrill), em sucessão com outros cultivos) ou pastagem (Brachiaria brizantha (Hochst. ex A. Rich.) não reduz diversidade microbiana, mas muda sua estrutura. O segundo estudo descreve as alterações nos estoques de C, N, parâmetros químicos e microbiológicos da conversão de Cerrado para agricultura e pastagem. No terceiro e no quarto estudos, microcosmos foram usados para avaliar a influência de soja e braquiária na microbiota dos solos. Genes chaves dos processos biogeoquímicos (amoA, nirK, nirS, norB, nosZ, mcrA, e pmoA) foram quantificados e correlacionados com C, N e GEE. No quinto estudo, coletas in situ de solo e gases foram usadss para caracterizar a mudança do uso da terra de floresta para pastagem (braquiária, 25 anos) e para agricultura (soja, segundo ano, e soja, 25 anos, em sucessão com outras culturas). Correlações entre genes e processos foram encontradas, indicando que abundância gênica fornece importantes informações para o entendimento dos ciclos biogeoquímicos. Mudança no uso da terra como um todo, mais do que a mudança de vegetação, promove as alterações na abundância gênica e processos do solo. Durante o período de coleta, floresta exibiu maior atividade microbiana, resultando em maior disponibilidade de nitrato e emissão de N2O. Esses processos correlacionam com maior abundância dos genes relacionados aos processos. Quantidades de nitrato e N2O foram menores em agricultura e pastagem. As emissões de CO2 foram maiores na área de soja de segundo ano. Os solos de floresta e soja de segundo ano se mostraram como drenos de metano, enquanto que a pastagem foi uma fonte de emissão. Os resultados validam o uso de abundância gênica como uma técnica valiosa para um melhor entendimento dos ciclos do C, N e GEE. Os genes nirK, nosZ, e 16S rRNA apresentaram as melhores correlações com os processos. Uma análise temporal e espacial mais abrangente é necessária para generalizações sobre a dinâmica dos processos na região estudada. Pela primeira vez abundância gênica foi usada para integrar os ciclos do C, N e GEE, colaborando para um melhor entendimento dos processos relacionados à mudança no uso da terra no sudoeste da Amazônia

O presente trabalho consistiu na produção de uma síntese sobre os principais aspectos do ciclo biogeoquímico do carbono, envolvendo aspectos recentes do efeito estufa na atmosfera, sendo também contextualizadas as políticas públicas e seus mecanismos sócio-econômicos; inserida num contexto atual, das mudanças climáticas, intimamente relacionadas à Convenção-Quadro das Nações Unidas sobre Mudança do Clima, Protocolo de Kyoto e Mecanismos de Desenvolvimento Limpo. Os ecossistemas terrestres prestam enorme contribuição de serviços ambientais ao homem na forma de oferta de água, alimentos e insumos gerais. Estes ganhos são sustentáveis na medida em que haja um equilíbrio estável entre a entrada e saída de certas variáveis. Ainda não se entende satisfatoriamente a funcionalidade dos ecossistemas naturais e sua plena interação com o clima, nas escalas local, regional e global; portanto, é uma responsabilidade social antecipar o entendimento dessa relação, antes que tudo se transforme. Não se sabe ao certo todas as conseqüências do aumento excessivo na temperatura terrestre, mas são esperadas alterações profundas em diversos ecossistemas, por exemplo: descongelamento das calotas polares e o conseqüente alagamento de regiões costeiras, alterações de intensidade e freqüência de chuvas, e alteração do metabolismo vegetal. São também previstas conseqüências na mudança das zonas climáticas e agrícolas e o desaparecimento de espécies sensíveis a esta mudança de temperatura. Procurando atingir o objetivo final da Convenção-Quadro das Nações Unidas sobre Mudança do Clima, em Kyoto – Japão, foi proposto o Protocolo de Kyoto, no sentido de possibilitar alcançar a estabilização das concentrações de gases de efeito estufa na atmosfera, num nível que não interfira perigosamente no sistema climático. Estabelece metas e prazos para controlar num primeiro esforço os principais gases de efeito estufa. Foram estabelecidos três mecanismos para auxiliar os países desenvolvidos no cumprimento de suas metas de redução ou limitação de emissões de gases de efeito estufa. Um desses mecanismos foi definido como Mecanismo de Desenvolvimento Limpo - MDL, sua implementação interessa particularmente aos países em desenvolvimento, pois permitirá a transferência de recursos e tecnologias para a redução de emissões. Neste contexto, exigi-se da classe cientifica respostas mais precisas e rápidas do entendimento de todos os processos envolvidos. O acompanhamento de projetos é importante, gerando informações para análises técnicas, científicas, sociais, ambientais e econômicas, que serão demandadas nas futuras negociações relativas à mitigação da mudança do clima. / The present work intends to present a synthesis of the information which is distributed in several areas. It approaches the main aspects of the global carbon cycle, including the recent greenhouse effect in the atmosphere, also including the political argumentation and the socioeconomic mechanisms associated. The work also brings a critical revision of the framework related to the United Nations Framework Convention on the Climate Change, the Kyoto Protocol and the Clean Development Mechanism. The terrestrial ecosystems provide enormous contribution of environmental services to the human beings in terms of water, foods, and general inputs supplies. The sustainability of this provision relies on the maintenance of the input/output equity of matter and energy throughout time. There is still no clear understanding of the natural ecosystems functioning and their interactions with climate in a broad perspective, from local to regional and global scales. Therefore it is a social responsibility to anticipate the understanding of this relation, before everything changes. The effects on the ecosystems of the temperature increase in the Earth surface are not fully understood, but strong changes are expected and some are already being measured in several ecosystems, for instance: mountain glaciers and the ice cap in the North Pole are declining, with foreseeable consequences of increasing sea level and flooding of coastal areas; changes in the cycle and intensity of rain events; changes in plant metabolism and distribution of agricultural species, interfering in food production and safety. The Kyoto Protocol was proposed aiming to achieve the objectives of the United Nations Framework Convention on the Climate Change, building the legal and political background for the Nations to lessen and stabilize the concentrations of greenhouse gases in the atmosphere. The Protocol established mechanisms for reduction and mitigation of greenhouse gases emissions including developed and developing countries. In terms of economical and technological gains, the Clean Development Mechanism – CDM, was one of the proposed mechanism of the Kyoto Protocol, which is particularly interesting to the developing countries. This mechanism allows resources and technologies transference for the reduction of GHG emissions in developing countries. In this context, the scientific community is an important component to bring more precise and fast answers to the understanding of all of the processes related to the actual influence of the Human kind in the planet.

Tesis por compendio / [ES] El nitrógeno (N) es uno de los elementos más importantes para la vida, pero el desequilibrio provocado sobre el ciclo del N está causando daños importantes a muchos ecosistemas en todo el mundo. En aguas costeras, los procesos del N se ven alterados por fertilizantes, la urbanización o la producción de energía. El objetivo principal de esta tesis es contribuir a la evaluación de cómo la actividad antropogénica y el cambio climático modifican la dinámica del N en aguas costeras. Con este propósito se seleccionaron dos lugares de estudio: la demarcación hidrográfica del Júcar (JRBD) en el Noroeste del Mar Mediterráneo y la Región Hidrológica del Golfo Central (CGHR) al Sur del Golfo de México. La tesis se presenta como una colección de cuatro artículos. El primer artículo evalúa cómo la nitrificación en aguas costeras es alterada por las presiones antropogénicas y en asentamientos urbanos en el JRBD. Mediante la aplicación de un modelo biogeoquímico simple que simula la dinámica del nitrito en nueve áreas costeras, se evaluó el desacoplamiento de los dos pasos de la nitrificación. Las conclusiones indican que las presiones antropogénicas modifican los picos de nitrito en invierno debido a las bajas temperaturas y que el segundo paso de la nitrificación es más sensible a la temperatura, lo que implica que el cambio climático puede contribuir al desacoplamiento. El segundo artículo evalúa las tendencias del nitrógeno inorgánico disuelto (NID) por el cambio climático en el JRBD. El efecto de las variables meteorológicas en las concentraciones de NID se estudió mediante la aplicación de redes neuronales artificiales simples entrenadas con datos de campo. Se observaron tendencias decrecientes de nitrito y nitrato a lo largo del siglo XXI bajo los escenarios climático RCP 4.5 y RCP 8.5, debido al aumento de las temperaturas y a la disminución de las precipitaciones, con cambios más significativos en invierno. El amonio no mostró ninguna tendencia anual significativa, pero se observaron aumentos o disminuciones durante algunos meses. En el tercer artículo se desarrolla un nuevo método basado en teoría de sistemas grises y entropía de Shannon para obtener información útil sobre la contaminación por N en áreas donde los datos disponibles son limitados. El método se aplicó a ocho estuarios del CGHR asociados a manglares. Se desarrollaron dos índices: el índice gris de prioridad de gestión de nitrógeno (GNMP) y el índice gris de presión de uso del suelo (GLUP). Ambos fueron comparados para validar la metodología y los resultados indican que la urbanización sobre playas y manglares es la principal causa de la contaminación de N. El cuarto artículo es un análisis espaciotemporal de la contaminación de N a lo largo de dos ríos que desembocan en una zona turística del CGHR asociada a manglares. Mediante técnicas estadísticas como el análisis de cluster, la prueba de MannKendall y la prueba W de MannWhitney, se realizó una evaluación del origen de la contaminación de N y las variaciones temporales de los compuestos de N. Los resultados concluyen que las concentraciones de N orgánico están aumentando a lo largo de la costa, y la principal fuente identificada fue la descomposición de la especie invasora de jacintos de agua en aguas salinas, que ha cubierto completamente las playas y manglares circundantes potenciado por la contaminación de N. El conjunto de la investigación concluye que tanto la contaminación como el cambio climático alteran el ciclo del N en aguas costeras al modificar elementos importantes del N como la nitrificación, las variaciones interanuales de las concentraciones de N o los ecosistemas costeros. Las diferencias en las características ecológicas y socioeconómicas de las dos zonas de estudio desempeñaron un papel decisivo en las presiones e impactos de las actividades antropogénicas. Además, los métodos desarrollados pueden aplicar / [CAT] El nitrogen (N) és un dels elements més importants per a la vida, però el desequilibri provocat sobre el cicle del N està causant danys importants a molts ecosistemes. En aigües costaneres els processos del N es veuen alterats per fertilitzants, el desenvolupament urbà o la producció d'energia. L'objectiu principal d'aquesta investigació és contribuir a l'avaluació de com l'activitat antropogénica i el canvi climàtic modifiquen la dinàmica del N en aigües costaneres. Amb aquest propòsit es van seleccionar dos llocs d'estudi: la demarcació hidrogràfica del Xúquer (JRBD) al Nord-oest de la Mar Mediterrània i la Regió Hidrològica del Golf Central (CGHR) al Sud del Golf de Mèxic. La tesi es presenta com una col·lecció de quatre articles. El primer article avalua com la nitrificació en aigües costaneres es veu alterada per les pressions antropogèniques i prop dels assentaments urbans en el JRBD. Mitjançant l'aplicació d'un model biogeoquímic que simula la dinàmica del nitrit a nou àrees costaneres, es va avaluar el desacoblament dels dos passos de la nitrificació. Les conclusions indiquen que les pressions antropogèniques modifiquen els pics de nitrit observats a l'hivern a causa de les baixes temperaturas i que el segon pas de la nitrificació és més sensible a la temperatura, la qual cosa implica que el canvi climàtic pot contribuir al desacoblament d'aquests dos passos. El segon article avalua les tendències futures de nitrogen inorgànic dissolt (NID) pel canvi climàtic en el JRBD. L'efecte de les variables meteorològiques en les concentracions de NID es va estudiar mitjançant l'aplicació de xarxes neuronals artificials simples entrenades amb dades de camp. Es van observar tendències decreixents de nitrits i nitrats al llarg del segle XXI sota els escenaris climàtics RCP 4.5 i RCP 8.5, a causa de l'augment de les temperatures i a la disminució de les precipitacions, amb canvis més significatius a l'hivern. L'amoni no va mostrar cap tendència anual significativa, però es van observar augments o disminucions durant alguns mesos. En el tercer article es desenvolupa un nou mètode basat en la teoria dels sistemes grisos i l'entropia de Shannon per a obtindre informació útil sobre la contaminació per N en àrees on les dades disponibles són limitats. El mètode es va aplicar a huit estuaris del CGHR associats a manglars. Es van desenvolupar dos índexs: l'índex gris de prioritat de gestió de nitrogen (GNMP) i l'índex gris de pressió d'ús de la terra (GLUP). Els dos van ser comparats per a validar la metodologia. Els resultats indiquen que el desenvolupament urbà sobre platges i manglars és la principal causa de la contaminació de N en l'àrea d'estudi. El quart article és una anàlisi espacio-temporal de la contaminació de N al llarg de dues rius que desemboquen en una zona turística costanera del CGHR associada a manglars. Mitjançant tècniques estadístiques com l'anàlisi de clúster, les proves MannKendall i W de MannWhitney, es va realitzar una avaluació de l'origen de la contaminació de N i les variacions temporals dels compostos de N. Els resultats conclouen que les concentracions de N orgànic estan augmentant al llarg de la costa, i la principal font identificada va ser la descomposició de l'espècie invasora de jacints d'aigua en aigües salines, que ha cobert completament les platges i manglars circumdants potenciat per la contaminació de N. El conjunt de la investigació conclou que tant la contaminació com el canvi climàtic alteren el cicle del N en aigües costaneres en modificar els processos del N com la nitrificació, les variacions interanuals de les concentracions de N i la destrucció dels ecosistemes costaners. Les diferències en les característiques ecològiques i socioeconòmiques de les dues zones d'estudi van exercir un paper decisiu en les pressions i impactes de les activitats antropogèniques. A més, els mètodes desenvolupats poden / [EN] Nitrogen (N) is one of the most important elements for life on Earth, but the unbalance caused to the N cylce is causing dramatic damage to many ecosystems around the world. In coastal waters, the N processes are altered by anthropogenic activities such as the excessive use of fertilizers, urban development or energy production. The main objective of this research is to contribute to the evaluation of how anthropogenic activities and climate change modify the N dynamics in coastal waters. For this purpose, two study sites were selected: the Jucar River Basin District (JRBD) in the Northwestern Mediterranean Sea (Spain) and the Central Gulf Hydrological Region (CGHR) in the Southern Gulf of Mexico (Mexico). The thesis is presented as a collection of four research articles. The first article evaluates how nitrification in coastal waters is altered by anthropogenic pressures and close to urban settlements in the JRBD. Through the application of a simple biogeochemical model that simulates nitrite dynamics to nine coastal areas, an evaluation of the decoupling of the two steps of nitrification was carried out. The main conclusions indicate that anthropogenic pressures modify the nitrite peaks observed in winter driven by low temperatures. The research also concludes that the second step of nitrification is more sensitive to temperature, which entails that climate change may contribute to the decoupling. The second article evaluates the future trends of dissolved inorganic nitrogen (DIN) concentrations under climate change in the JRBD. The effect of meteorological variables on DIN concentrations was studied through the application of simple artificial neural networks trained with field data. Decreasing trends of nitrite and nitrate concentrations were observed throughout the 21st century under both climatic scenarios RCP 4.5 and RCP 8.5, mainly due to rising temperatures and decreasing rainfall, with major changes expected in winter. On the other hand, ammonium did not show any significant annual trend but it either increased or decreased during some months. The third article develops a new method based on grey systems theory and Shannon entropy to derive useful information regarding N pollution in areas where only limited data is available. The method was applied to eight estuaries of the CGHR associated to mangroves. Two indexes were developed: the Grey Nitrogen Management Priority (GNMP) index and the Grey Land Use Pressure (GLUP) index. The two indexes were then confronted to validate the methodology. The results indicate that the urban development over beaches and mangroves is the leading cause of N pollution in the study area. The fourth article is a spatiotemporal analysis of N pollution along two rivers discharging into a touristic coastal area of the CGHR associated to mangroves. Through statistical techniques such as clustering analysis, the Mann-Kendall test and the Mann-Whitney W-test, an evaluation of the origine of N pollution and the temporal variations of the N compounds was performed. The results conclude than organic N concentrations are increasing along the coast, and the main potential source identified was the decomposition of the invasive species of water hyacinths in saline waters, which has completely covered the surrounding beaches and mangroves, enhanced by N pollution. Overall, the main conclusions are that both pollution and climate change alter the N cycle in coastal waters by modifying N processes such as nitrification, the interannual variations of N concentrations and by destroying the coastal ecosystems. The differences in ecological and socio-economic characteristics of the two study sites played a significant role in the pressures and impacts of anthropogenic activities. Moreover, the methods developed can be applied to other coastal regions to evaluate the anthropogenic alteration of the N cycle worldwide. / This thesis was carried out with an international cotutelle between the Polytechnic University of Valencia in Spain and the Veracruzan University in Mexico. This thesis has been financed by the following scholarships: - Erasmus Mundus - MAYANET Grant Agreement Number 2014-0872/001 - 001, funded with support from the European Commission. - Cotutelle PhD scholarship granted by the Universitat Politècnica de València. - Excellence Scholarship awarded by the Mexican Government through the Mexican Agency for International Development Cooperation (AMEXCID) / Temiño Boes, R. (2020). Anthropogenic alteration of the nitrogen cycle in coastal waters: Case studies from the Mediterranean Sea and the Gulf of Mexico [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/158560 / TESIS / Compendio