The research presented in this thesis describes the development and application of a portable, high-resolution instrument, specifically designed for the at-site monitoring of algae and cyanobacteria in freshwaters. The instrument incorporates a miniature charge-coupled device (CCD) based spectrometer and a low power combined deutelium and tungsten light source, enabling the absorbance to be measured between 200 - 850 nm at a resolution of 1.3 nm. A transmission dip probe with removable tips of 5, 10 and 40 mm pathlengths forms the sampling device. A specifically developed control program allows easy operation of the instrument. A linear response from 0.0 - 1.2 AU and a combined signal to noise ratio of 576: 1 for the instrument components resulting in a high baseline stability of 1.0 mAU drift over five hundred measurements being observed. The instrument provides in-vivo absorbance characteristics with high resolution across the visible spectrum. Up to twelve specific spectral features were commonly identified in the absorbance spectra of algae and cyanobacteria between 400 - 750 nm. Individual spectral features were linked to specific pigments, some of which were found to be taxonomically distinct. Fourth derivative analysis was proven to provide further enhancement of subtle spectral features. The instrument has a linear range for chlorophyll a up to 1000 !lg rl and a detection limit of 8 )lg rl using the 40 mm pathlength probe. Physiological adaptation to light and nutrient conditions were shown to have a significant effect on the in-vivo absorbance spectrum, therefore providing potential information on physiological status and health of a natural sample. Spectral analysis using principal component analysis (PCA) with classification based on the soft independent modelling of class analogy (SIMCA) method was used to classify nine species from three taxonomic classes, including four cyanobacteria (Microcystis aeruginosa, Anabaena variabilis, Aphanizornenon flos-aquae, Synechnococcus sp.), four chlorophyceae (Chlorella vulgaris, Scenedesmus acuminatus, Spirogyra mirabilis, Staurastrurn chaetoceros) and a single bacillariophyceae (Asterionella Formosa). Classification using the SIMCA method proved to be highly reliable and robust. Moreover, the addition of noise was found to have very little effect on the classification. Under laboratory conditions all nine species were correctly classified using 'unknown' spectra. At-site classification of natural samples and laboratory simulations have shown the robustness and reliability of the developed portable instrument. In combination with the data analysis techniques, the instrument is well suited to the proactive at-site assessment of algal and cyanobacterial blooms in eutrophic freshwater environments.

Water quantity, availability and, particularly, quality of Brazilian freshwater is under progessive degradation due to Anthropocene\'s environmental changing conditions. Strategies of Ecosystem-based Adaptation (EbA) are essential to mitigate these impacts. This Ph.D. thesis proposes a new model of water resources management, thereby integrating selfpurification and ecohydrologic processes to evaluate ecosystem services from watershed under change. In Chapter 2, this thesis examinates the payment for hydrologic cosystem services (Water-PES) in Brazilian Atlantic Forest and points ecohydrologic variables useful for assessing and further valuing hydrologic services. In Chapter 3, this thesis discusses proposals for freshwater monitoring plan which integrate quali-quantitative aspects for EbA and Water-PES projects. Therefore, in Chapter 4 experimental quali-quantative freshwater data from in-situ field observations are investigated according land-use/land-cover (LULC) in headwaters of water supply systems. In Chapter 5, through simulated impacts on freshwater yield from scenarios of LULC change, the grey water footprint (greyWF) is assessed, as well as environmental sustainability of sub-basins is depicted from a new ecohydrologic index for assessing hydrologic services. The methodology is performed using through field sampling and lab-analysing of physico-chemical, biologic and hydraulic variables in nested sub-basins draining to the Cantareira Water Supply System, in Sao Paulo and Minas Gerais states, Brazil. These areas participate in the Water-PES projects Water Producer/PCJ and Water Conservator at headwaters of Piracicaba watershed, during recent severe drought conditions between years 2013-15. The greyWF is estimated from outputs of time series simulated through ecohydrologic model Soil and Water Assessment Tool (SWAT). Under assumption of continuity of Water-PES projects, and using the same series of hydrometorological records for a common period (2008-2014), freshwater quali-quantitative impacts are performed through three LULC scenarios: past situation \"S1\" (year 1990), current situation \"S2\" (year 2010) and future situation \"S2+EbA\" (year 2035). From these scenarios, flow and load duration curves, mean water yields, greyWF and seasonal variabilities, were simulated. Through this research, continuous-monitoring Data Collecting Stations were installed in public-private partnership encompassing EESC/USP, ANA, CPRM, CEMADEN, SMA, TNC, WWF and local mayors. This continuous monitoring is addressed to increase the system resilience, based on better decision-making for water security, in strategic headwaters not only for water supply, but also for environmental conservation. This doctoral thesis brings contributions to a better comprehension of anthropic impacts on water resources and for strategies of EbA in front of progressive rates of losses of ecosystem services. This PhD. thesis was part of three research initiatives which partly granted activities: (1) Thematic Project FAPESP 2008/58161-1 \"Assessment of Impacts and Vulnerability to Climate Change in Brazil and Strategies for Adaptation Options\"; (2) \"INCLINE - INterdisciplinary CLimate INvEstigation Center\" (NapMC/USP Núcleo de Apoio às Pesquisas em Mudanças Climáticas) and (3) \"Água Brasil\" Project, Banco do Brasil Foundation, WWF Brazil, ANA & FIPAI/EESC-USP. / A quantidade, a disponibilidade e, em particular, a qualidade da água doce está em degradação progressiva devido às mudanças ambientais no Antropoceno. Estratégias de adaptação baseadas em ecossistemas (EbA) são essenciais para reduzir estes impactos. Propõe-se um novo modelo de gerenciamento de recursos hídricos que integre a pegada hídrica cinza e processos ecohidrológicos para avaliação dos serviços hidrológicos em bacias hidrográficas sob mudanças. As etapas da pesquisa são: Capítulo 2 – análise dos projetos de pagamentos por serviços ambientais de proteção às bacias hidrográficas na Mata Atlântica brasileira e, no contexto de EbA, indicação de variáveis ecohidrológicas úteis na quantificação e futura valoração dos serviços hidrológicos; Capítulo 3 – desenvolvimento de plano de monitoramento ecohidrológico que integra aspectos qualitativos e quantitativos dos recursos hídricos para projetos de EbA; Capítulo 4 – provisão de dados experimentais de qualidade e quantidade da água, além de observações in-situ, para investigação das influências das mudanças de uso e ocupação do solo nas cabeceiras de mananciais, estratégicos para o abastecimento público e a conservação ambiental; Capítulo 5 – estimativas da pegada hídrica cinza para nitrato, fósforo total e sedimentos a partir do monitoramento de variáveis quali-quantitativas em bacias com diferentes condições de uso e ocupação de solo. Foi realizada a instalação de três Plataformas de Coleta de Dados, por meio de parceria entre EESC, ANA, CPRM, CEMADEN, SMA, TNC e WWF, visando aumentar a resiliência do sistema, decorrente de futuro aprimoramento da gestão, para a segurança hídrica. A metodologia incluiu coletas em seis diferentes períodos, durante dois anos, e análises das variáveis condutividade elétrica, cor, DQO, DBO5,20, nitrato, nitrito, nitrogênio amoniacal, fosfato, pH, turbidez, sólidos totais, coliformes termotolerantes, Escherichia coli, medidas de vazões e velocidades médias em seções transversais. O método foi aplicado em microbacias participantes dos projetos Produtor de Água/PCJ e Conservador das Águas, dentre outras, com áreas de drenagem entre 7 e 1.000 km2, que contribuem para a bacia do rio Piracicaba (12.530 km2). Dados primários, medidos em recente período de severa estiagem no Sistema Cantareira (2013-14), foram integrados aos bancos de dados de órgãos gestores federais e estaduais. A produção de água foi maior em sub-bacias menos florestadas. Foi possível aprimorar a regionalização de cargas poluidoras por área de drenagem na região do Cantareira. A pegada hídrica cinza (WF) foi estimada a partir de simulações no modelo ecohidrológico Soil and Water Assessment Tool (SWAT). Curvas de permanência de vazões e carga poluidora por área de drenagem foram elaboradas. Supondo-se a continuidade dos projetos \"Produtor de Água/PCJ\" e \"Conservador das Águas\", foram investigados os impactos de cenário futuro de uso do solo. Finalmente, foi desenvolvido novo índice ecohidrológico para quantificação dos serviços hidrológicos e avaliação a sustentabilidade das sub-bacias, a partir da pegada hídrica cinza composta. Assim, usando ferramentas de vanguarda tecnológica (SWAT e WF), a tese fornece subsídios para uma melhor compreensão dos impactos antropogênicos sobre os recursos hídricos e novas estratégias de adaptação baseada em ecossistemas, frente às progressivas taxas de perda de serviços ambientais. Esta tese esteve vinculada a três projetos de pesquisa, dos quais obteve apoio financeiro: (1) Projeto Temático FAPESP 2008/58161-1 \"Assessment of Impacts and Vulnerability to Climate Change in Brazil & Strategies for Adaptation Options\"; (2) \"INCLINE - INterdisciplinary CLimate INvEstigation Center\" (NapMC/USP) e (3) Projeto \"Água Brasil\", Fundação Banco do Brasil, WWF Brasil, ANA e FIPAI/EESC-USP.

Water quantity, availability and, particularly, quality of Brazilian freshwater is under progessive degradation due to Anthropocene\'s environmental changing conditions. Strategies of Ecosystem-based Adaptation (EbA) are essential to mitigate these impacts. This Ph.D. thesis proposes a new model of water resources management, thereby integrating selfpurification and ecohydrologic processes to evaluate ecosystem services from watershed under change. In Chapter 2, this thesis examinates the payment for hydrologic cosystem services (Water-PES) in Brazilian Atlantic Forest and points ecohydrologic variables useful for assessing and further valuing hydrologic services. In Chapter 3, this thesis discusses proposals for freshwater monitoring plan which integrate quali-quantitative aspects for EbA and Water-PES projects. Therefore, in Chapter 4 experimental quali-quantative freshwater data from in-situ field observations are investigated according land-use/land-cover (LULC) in headwaters of water supply systems. In Chapter 5, through simulated impacts on freshwater yield from scenarios of LULC change, the grey water footprint (greyWF) is assessed, as well as environmental sustainability of sub-basins is depicted from a new ecohydrologic index for assessing hydrologic services. The methodology is performed using through field sampling and lab-analysing of physico-chemical, biologic and hydraulic variables in nested sub-basins draining to the Cantareira Water Supply System, in Sao Paulo and Minas Gerais states, Brazil. These areas participate in the Water-PES projects Water Producer/PCJ and Water Conservator at headwaters of Piracicaba watershed, during recent severe drought conditions between years 2013-15. The greyWF is estimated from outputs of time series simulated through ecohydrologic model Soil and Water Assessment Tool (SWAT). Under assumption of continuity of Water-PES projects, and using the same series of hydrometorological records for a common period (2008-2014), freshwater quali-quantitative impacts are performed through three LULC scenarios: past situation \"S1\" (year 1990), current situation \"S2\" (year 2010) and future situation \"S2+EbA\" (year 2035). From these scenarios, flow and load duration curves, mean water yields, greyWF and seasonal variabilities, were simulated. Through this research, continuous-monitoring Data Collecting Stations were installed in public-private partnership encompassing EESC/USP, ANA, CPRM, CEMADEN, SMA, TNC, WWF and local mayors. This continuous monitoring is addressed to increase the system resilience, based on better decision-making for water security, in strategic headwaters not only for water supply, but also for environmental conservation. This doctoral thesis brings contributions to a better comprehension of anthropic impacts on water resources and for strategies of EbA in front of progressive rates of losses of ecosystem services. This PhD. thesis was part of three research initiatives which partly granted activities: (1) Thematic Project FAPESP 2008/58161-1 \"Assessment of Impacts and Vulnerability to Climate Change in Brazil and Strategies for Adaptation Options\"; (2) \"INCLINE - INterdisciplinary CLimate INvEstigation Center\" (NapMC/USP Núcleo de Apoio às Pesquisas em Mudanças Climáticas) and (3) \"Água Brasil\" Project, Banco do Brasil Foundation, WWF Brazil, ANA & FIPAI/EESC-USP. / A quantidade, a disponibilidade e, em particular, a qualidade da água doce está em degradação progressiva devido às mudanças ambientais no Antropoceno. Estratégias de adaptação baseadas em ecossistemas (EbA) são essenciais para reduzir estes impactos. Propõe-se um novo modelo de gerenciamento de recursos hídricos que integre a pegada hídrica cinza e processos ecohidrológicos para avaliação dos serviços hidrológicos em bacias hidrográficas sob mudanças. As etapas da pesquisa são: Capítulo 2 – análise dos projetos de pagamentos por serviços ambientais de proteção às bacias hidrográficas na Mata Atlântica brasileira e, no contexto de EbA, indicação de variáveis ecohidrológicas úteis na quantificação e futura valoração dos serviços hidrológicos; Capítulo 3 – desenvolvimento de plano de monitoramento ecohidrológico que integra aspectos qualitativos e quantitativos dos recursos hídricos para projetos de EbA; Capítulo 4 – provisão de dados experimentais de qualidade e quantidade da água, além de observações in-situ, para investigação das influências das mudanças de uso e ocupação do solo nas cabeceiras de mananciais, estratégicos para o abastecimento público e a conservação ambiental; Capítulo 5 – estimativas da pegada hídrica cinza para nitrato, fósforo total e sedimentos a partir do monitoramento de variáveis quali-quantitativas em bacias com diferentes condições de uso e ocupação de solo. Foi realizada a instalação de três Plataformas de Coleta de Dados, por meio de parceria entre EESC, ANA, CPRM, CEMADEN, SMA, TNC e WWF, visando aumentar a resiliência do sistema, decorrente de futuro aprimoramento da gestão, para a segurança hídrica. A metodologia incluiu coletas em seis diferentes períodos, durante dois anos, e análises das variáveis condutividade elétrica, cor, DQO, DBO5,20, nitrato, nitrito, nitrogênio amoniacal, fosfato, pH, turbidez, sólidos totais, coliformes termotolerantes, Escherichia coli, medidas de vazões e velocidades médias em seções transversais. O método foi aplicado em microbacias participantes dos projetos Produtor de Água/PCJ e Conservador das Águas, dentre outras, com áreas de drenagem entre 7 e 1.000 km2, que contribuem para a bacia do rio Piracicaba (12.530 km2). Dados primários, medidos em recente período de severa estiagem no Sistema Cantareira (2013-14), foram integrados aos bancos de dados de órgãos gestores federais e estaduais. A produção de água foi maior em sub-bacias menos florestadas. Foi possível aprimorar a regionalização de cargas poluidoras por área de drenagem na região do Cantareira. A pegada hídrica cinza (WF) foi estimada a partir de simulações no modelo ecohidrológico Soil and Water Assessment Tool (SWAT). Curvas de permanência de vazões e carga poluidora por área de drenagem foram elaboradas. Supondo-se a continuidade dos projetos \"Produtor de Água/PCJ\" e \"Conservador das Águas\", foram investigados os impactos de cenário futuro de uso do solo. Finalmente, foi desenvolvido novo índice ecohidrológico para quantificação dos serviços hidrológicos e avaliação a sustentabilidade das sub-bacias, a partir da pegada hídrica cinza composta. Assim, usando ferramentas de vanguarda tecnológica (SWAT e WF), a tese fornece subsídios para uma melhor compreensão dos impactos antropogênicos sobre os recursos hídricos e novas estratégias de adaptação baseada em ecossistemas, frente às progressivas taxas de perda de serviços ambientais. Esta tese esteve vinculada a três projetos de pesquisa, dos quais obteve apoio financeiro: (1) Projeto Temático FAPESP 2008/58161-1 \"Assessment of Impacts and Vulnerability to Climate Change in Brazil & Strategies for Adaptation Options\"; (2) \"INCLINE - INterdisciplinary CLimate INvEstigation Center\" (NapMC/USP) e (3) Projeto \"Água Brasil\", Fundação Banco do Brasil, WWF Brasil, ANA e FIPAI/EESC-USP.