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. / 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.

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. / 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.

Os reservatórios são uma alternativa recorrente para o armazenamento de água destinada a múltiplos usos. O adensamento populacional e a intensificação de atividades antrópicas não planejadas em suas bacias de drenagem representam um risco aos serviços ecossistêmicos por eles oferecidos. Desenvolvida no reservatório de Itupararanga (SP), que possui importância estratégica para os recursos hídricos da bacia do rio Sorocaba e cuja área de entorno tem enfrentado pressões ambientais pela proximidade com a Região Metropolitana de São Paulo, a presente pesquisa avaliou a heterogeneidade espacial e a variabilidade temporal do reservatório e de seus principais tributários, com ênfase na análise do estado trófico e do fitoplâncton. Em treze estações de amostragem e em seis coletas realizadas em 2009 e 2010, diferentes níveis da escala espacial e temporal foram estudados com base em parâmetros operacionais do reservatório, atributos climatológicos e hidrológicos locais e variáveis abióticas e bióticas da água e do sedimento no reservatório e nos rios formadores. Foram observadas heterogeneidade espacial horizontal e variabilidade temporal significativas. As concentrações médias e medianas de fósforo total (45 e 37 \'mü\'g/L), nitrogênio total (669 e 615 \'mü\'g/L) e clorofila-a (18 e 17 \'mü\'g/L), associadas a densidades fitoplanctônicas que atingiram 42,8 \'10 POT.3\' ind/mL, revelaram condição meso-eutrófica do reservatório. A estrutura da comunidade fitoplanctônica e a alternância de Cyanobacteria e Chlorophyceae como os grupos predominantes, principalmente representados por Cylindrospermopsis raciborskii e Monoraphidium contortum, foram associadas à possível colimitação por nutrientes e à disponibilidade de luz em diferentes compartimentos do reservatório, ao tempo de detenção hidráulica, aos padrões de circulação da coluna de água e à interação com o zooplâncton e as macrófitas aquáticas. Os rios Una, Sorocabuçu e Sorocamirim foram reconhecidos como fontes pontuais de poluição e principais responsáveis pela degradação da qualidade da água do reservatório; às fontes difusas (escoamento superficial agrícola), foi atribuída menor importância relativa. Foram propostos subsídios para o manejo sustentável dos recursos hídricos, cuja discussão foi desenvolvida à luz do papel do reservatório para retenção ou exportação de cargas de sólidos e nutrientes, da abordagem das curvas de permanência de qualidade da água e da proposição de um novo Índice de Estado Trófico para reservatórios subtropicais, o IETrs. / Artificial reservoirs are a common alternative for storing water for different uses. However, population increase and unplanned anthropogenic activities in their watersheds are playing a negative role on the ecosystem services associated with them. This research was performed in the Itupararanga Reservoir (SP, Brazil), a strategic water source in the Sorocaba River Basin, which is submitted to significant environmental pressure mainly from the Metropolitan Region of São Paulo. This study analyzed the spatial heterogeneity and temporal variability of the reservoir and its main tributaries, with emphasis on trophic state and phytoplankton assessment. During six sampling occasions in 2009 and 2010 and in thirteen sampling sites, different levels of the spatial and temporal scales were investigated, based on operational parameters of the reservoir, climatological and hydrological local attributes and water and sediment abiotic and biotic variables in the reservoir and tributary rivers. Significant spatial heterogeneity (in the horizontal axle) and temporal variability were observed. The mean and median concentrations of total phosphorus (45 and 37 \'mü\'g/L), total nitrogen (669 and 615 \'mü\'g/L) and chlorophyll-a (18 and 17 \'mü\'g/L), associated with phytoplankton densities reaching 42.8 \'10 POT.3\' ind/mL, revealed the meso-eutrophic condition of the reservoir. The phytoplankton community structure and the high abundance of Chlorophyceae and Cyanobacteria as the dominant groups, especially the species Cylindrospermopsis raciborskii and Monoraphidium contortum, were associated with the possible co-limitation by nutrients and light availability in different spatial compartments of the reservoir, the hydraulic retention time, the circulation patterns within the water column and the interaction with zooplankton and macrophytes. The tributary rivers (Una, Sorocabuçu Sorocamirim) were recognized as point sources of pollution and as the main drivers of water quality degradation in the reservoir. Smaller relative importance was attributed to the diffuse sources (agricultural runoff). In order to aid in the local water resources management, the following topics were discussed: the role of the reservoir for retention or exportation of solids and nutrients, the water quality frequency curves and the proposal of a new Trophic State Index for subtropical reservoirs, the TSIsr.

Os reservatórios são uma alternativa recorrente para o armazenamento de água destinada a múltiplos usos. O adensamento populacional e a intensificação de atividades antrópicas não planejadas em suas bacias de drenagem representam um risco aos serviços ecossistêmicos por eles oferecidos. Desenvolvida no reservatório de Itupararanga (SP), que possui importância estratégica para os recursos hídricos da bacia do rio Sorocaba e cuja área de entorno tem enfrentado pressões ambientais pela proximidade com a Região Metropolitana de São Paulo, a presente pesquisa avaliou a heterogeneidade espacial e a variabilidade temporal do reservatório e de seus principais tributários, com ênfase na análise do estado trófico e do fitoplâncton. Em treze estações de amostragem e em seis coletas realizadas em 2009 e 2010, diferentes níveis da escala espacial e temporal foram estudados com base em parâmetros operacionais do reservatório, atributos climatológicos e hidrológicos locais e variáveis abióticas e bióticas da água e do sedimento no reservatório e nos rios formadores. Foram observadas heterogeneidade espacial horizontal e variabilidade temporal significativas. As concentrações médias e medianas de fósforo total (45 e 37 \'mü\'g/L), nitrogênio total (669 e 615 \'mü\'g/L) e clorofila-a (18 e 17 \'mü\'g/L), associadas a densidades fitoplanctônicas que atingiram 42,8 \'10 POT.3\' ind/mL, revelaram condição meso-eutrófica do reservatório. A estrutura da comunidade fitoplanctônica e a alternância de Cyanobacteria e Chlorophyceae como os grupos predominantes, principalmente representados por Cylindrospermopsis raciborskii e Monoraphidium contortum, foram associadas à possível colimitação por nutrientes e à disponibilidade de luz em diferentes compartimentos do reservatório, ao tempo de detenção hidráulica, aos padrões de circulação da coluna de água e à interação com o zooplâncton e as macrófitas aquáticas. Os rios Una, Sorocabuçu e Sorocamirim foram reconhecidos como fontes pontuais de poluição e principais responsáveis pela degradação da qualidade da água do reservatório; às fontes difusas (escoamento superficial agrícola), foi atribuída menor importância relativa. Foram propostos subsídios para o manejo sustentável dos recursos hídricos, cuja discussão foi desenvolvida à luz do papel do reservatório para retenção ou exportação de cargas de sólidos e nutrientes, da abordagem das curvas de permanência de qualidade da água e da proposição de um novo Índice de Estado Trófico para reservatórios subtropicais, o IETrs. / Artificial reservoirs are a common alternative for storing water for different uses. However, population increase and unplanned anthropogenic activities in their watersheds are playing a negative role on the ecosystem services associated with them. This research was performed in the Itupararanga Reservoir (SP, Brazil), a strategic water source in the Sorocaba River Basin, which is submitted to significant environmental pressure mainly from the Metropolitan Region of São Paulo. This study analyzed the spatial heterogeneity and temporal variability of the reservoir and its main tributaries, with emphasis on trophic state and phytoplankton assessment. During six sampling occasions in 2009 and 2010 and in thirteen sampling sites, different levels of the spatial and temporal scales were investigated, based on operational parameters of the reservoir, climatological and hydrological local attributes and water and sediment abiotic and biotic variables in the reservoir and tributary rivers. Significant spatial heterogeneity (in the horizontal axle) and temporal variability were observed. The mean and median concentrations of total phosphorus (45 and 37 \'mü\'g/L), total nitrogen (669 and 615 \'mü\'g/L) and chlorophyll-a (18 and 17 \'mü\'g/L), associated with phytoplankton densities reaching 42.8 \'10 POT.3\' ind/mL, revealed the meso-eutrophic condition of the reservoir. The phytoplankton community structure and the high abundance of Chlorophyceae and Cyanobacteria as the dominant groups, especially the species Cylindrospermopsis raciborskii and Monoraphidium contortum, were associated with the possible co-limitation by nutrients and light availability in different spatial compartments of the reservoir, the hydraulic retention time, the circulation patterns within the water column and the interaction with zooplankton and macrophytes. The tributary rivers (Una, Sorocabuçu Sorocamirim) were recognized as point sources of pollution and as the main drivers of water quality degradation in the reservoir. Smaller relative importance was attributed to the diffuse sources (agricultural runoff). In order to aid in the local water resources management, the following topics were discussed: the role of the reservoir for retention or exportation of solids and nutrients, the water quality frequency curves and the proposal of a new Trophic State Index for subtropical reservoirs, the TSIsr.

Made available in DSpace on 2017-07-10T18:13:32Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Elaine C Rodrigues Bartozek.pdf: 1985797 bytes, checksum: a358025d50258b7eaddead48b3a3dc40 (MD5) Previous issue date: 2012-06-11 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / In Brazil, hydroelectric powerplant reservoirs are used for multiple purposes, among them, fish farming in net cages. The present study aimed to evaluate spacial and temporal variations of the abiotic variables, nutrients concentration, trophic state and composition and structure of the phytoplankton community in an arm of Salto Caxias reservoir influenced by experimental fish cultivation in net cages. Samples were bimontly betweem September 2010 and July 2011 at the subsurface of the pelagic zone in four sampling stations, been two of them placed in the arm influenced by the cultivation of 30 net cages and the other two in the cagaless arm. No significant differences were observed for composition, diversity, density and phytoplankton biomass between the treatments. The results of the analisys performed showed only seasonal variations, separating the dry from the rainy period. The values of species richness and Shannon diversity were low during the entire study period. Evenness was high in the dry period and low in the rainy period. Both arms were classified as oligotrophic, possible demonstrating low influence of the net cages in the environment. Phytoplankton density and biomass were higher during the rainy period. The dry period was represented mainly for Bacillariophyceae taxa and the rainy period by Cyanobacteria and Chlorophyceae. Two functional groups (FG) were observed (FG F and K), both of them typical from shallow environments with high transparency water. Variations in the phytoplakton structure seem to have been influenced mainly by the seazonality. The effects of the net cages in the nutrients concentration and phytoplankton structure were probably low, possibly due to the low number of net cages and fishes emploied and environment dinamics, influenced by the inflows of the upstream rivers. / No Brasil, reservatórios de usinas hidrelétricas são utilizados para múltiplas propostas, entre elas, o cultivo de peixes em tanques-rede. O presente estudo objetivou avaliar as variações espaciais e temporais das variávies abióticas, concentração de nutrientes, estado trófico e da composição e estrutura da comunidade fitoplanctônica em um braço do reservatório de Salto Caxias influenciado pelo cultivo experimental de peixes em tanques-rede. Foram realizadas amostragens bimestrais, entre setembro de 2010 e julho de 2011, à subsuperfície da zona pelágica, em quatro estações de amostragem, sendo duas localizadas em um braço influenciado pelo cultivo em 30 tanques-rede e duas em um braço não influenciado. Não foram registradas diferenças significativas para a composição, diversidade, densidade e biomassa fitoplanctônica entre os tratamentos utilizados. Os resultados das análises realizadas evidenciaram apenas variações sazonais, separando o período seco do período chuvoso. Os valores de riqueza de espécies e diversidade de Shannon foram baixos durante todo o período de estudo. A equitabilidade foi elevada no período seco e baixa no período chuvoso. Ambos os braços foram classificados como oligotróficos, demonstrando possivelmente baixa influência dos tanques-rede sobre o ambiente. A densidade e biomassa fitoplanctônica foram maiores durante o período chuvoso. O período seco foi representado principalmente por táxons de Bacillariophyceae e o período chuvoso por Cyanobacteria e Chlorophyceae. Dois grupos funcionais (GF) fitoplanctônicos foram observados (GF F e K), ambos característicos de ambientes rasos e com elevada transparência da água. As variações da estrutura fitoplanctônica parecem ter sido influenciadas principalmente pela sazonalidade. Os efeitos dos tanques-rede sobre a concentração de nutrientes e estrutura da comunidade fitoplanctônica parecem ter sido pouco significativos, possivelmente devido ao pequeno número de tanques-rede e peixes utilizados e a hidrodinâmica dos ambientes estudados, influenciados pelos influxos dos rios à montante.