In this study, the development and testing of a finite-difference model for wind-induced flow in shallow lakes, and, in particular, a new technique for improving the land--water boundary representation, are documented. The model solves nonlinear, as well as linear, versions of the two-dimensional depth-integrated shallow water equations. Finite-difference methods on rectangular grids are widely used in numerical models of environmental flows. In these models, land--water boundaries are usually approximated by a series of perpendicular line segments, which enable the impermeability condition to be easily implemented. A disadvantage of this approach is that the actual boundary is often poorly approximated, particularly in regions which have complicated coastlines, and, as a result, currents in these regions cannot be accurately predicted. A technique for improving the land--water boundary representation in finite-difference models is introduced. This technique permits the model boundary to contain diagonal line segments, in addition to the vertical and horizontal line segments used in traditional models. The new technique is based on a simple concept and can easily be included in existing finite-difference models. In order to test the new method, the linearised shallow water equations are solved numerically for oscillatory wind-driven flow in lakes with simple geometry. Predictions obtained using the new approach are compared with predictions from the traditional stepped boundary and known analytic solutions. A significant improvement in the accuracy of results is noticed when the new approach is used, particularly in currents close to shore. The increased accuracy obtained using the improved boundary representation can lead to a significant computational saving, when compared with running the rectangular grid model with smaller grid spacings. A second-order analytic solution to the nonlinear shallow water equations is developed for oscillatory wind-driven flow in a rectangular lake. Comparisons between this solution and numerical results, obtained using the traditional stepped boundary and the improved boundary, verify the finite-difference formulae used in these models, including the approximations used for the cross-advective terms close to shore. Once more, currents are predicted with greater accuracy when the new technique for representing the land--water boundary is implemented. The lake circulation model is applied to the Lower Murray Lakes, South Australia, and predicted water levels at Tauwitchere Barrage are shown to agree very well with observations. The model is then used to examine the effectiveness of two schemes that have been proposed to increase wind-induced circulation, and therefore potentially decrease salinity, in Lake Albert, demonstrating the model's use as an efficient and effective tool for analysing flow behaviour in lakes. / Thesis (Ph.D.)--Mathematical Sciences (Applied Mathematics), 2005.

In this study, the development and testing of a finite-difference model for wind-induced flow in shallow lakes, and, in particular, a new technique for improving the land--water boundary representation, are documented. The model solves nonlinear, as well as linear, versions of the two-dimensional depth-integrated shallow water equations. Finite-difference methods on rectangular grids are widely used in numerical models of environmental flows. In these models, land--water boundaries are usually approximated by a series of perpendicular line segments, which enable the impermeability condition to be easily implemented. A disadvantage of this approach is that the actual boundary is often poorly approximated, particularly in regions which have complicated coastlines, and, as a result, currents in these regions cannot be accurately predicted. A technique for improving the land--water boundary representation in finite-difference models is introduced. This technique permits the model boundary to contain diagonal line segments, in addition to the vertical and horizontal line segments used in traditional models. The new technique is based on a simple concept and can easily be included in existing finite-difference models. In order to test the new method, the linearised shallow water equations are solved numerically for oscillatory wind-driven flow in lakes with simple geometry. Predictions obtained using the new approach are compared with predictions from the traditional stepped boundary and known analytic solutions. A significant improvement in the accuracy of results is noticed when the new approach is used, particularly in currents close to shore. The increased accuracy obtained using the improved boundary representation can lead to a significant computational saving, when compared with running the rectangular grid model with smaller grid spacings. A second-order analytic solution to the nonlinear shallow water equations is developed for oscillatory wind-driven flow in a rectangular lake. Comparisons between this solution and numerical results, obtained using the traditional stepped boundary and the improved boundary, verify the finite-difference formulae used in these models, including the approximations used for the cross-advective terms close to shore. Once more, currents are predicted with greater accuracy when the new technique for representing the land--water boundary is implemented. The lake circulation model is applied to the Lower Murray Lakes, South Australia, and predicted water levels at Tauwitchere Barrage are shown to agree very well with observations. The model is then used to examine the effectiveness of two schemes that have been proposed to increase wind-induced circulation, and therefore potentially decrease salinity, in Lake Albert, demonstrating the model's use as an efficient and effective tool for analysing flow behaviour in lakes. / Thesis (Ph.D.)--Mathematical Sciences (Applied Mathematics), 2005.

A planície costeira do Rio Grande do Sul apresenta vários lagos subtropicais rasos com origem semelhante e uma grande amplitude de tamanho, distância e conectividade entre lagos, e desta maneira é aqui considerada como apropriada ao endereçamento de questões tais como diversidade e metabolismo do bacterioplâncton, um tópico atual de pesquisa. Em uma primeira abordagem, nós acessamos a diversidade bacteriana usando a técnica de Hibridização in situ Fluorescente (FISH) em um sub-conjunto destes lagos e inesperados padrões biogeográficos foram encontrados, a despeito da baixa resolução taxonômica empregada por esta técnica. Uma vez que os resultados do FISH têm sido relacionados também ao estado fisiológico das células, além de diversidade, nós procuramos por uma explicação alternativa para situações metabólicas bacterianas associadas aos fatores testados. Os resultados mostraram que as macrófitas exercem um efeito negativo sobre o fitoplâncton através de mecanismos antagonistas e que este último, por sua vez, afeta as bactérias, além de um possível efeito direto sobre o fitoplâncton e o bacterioplâncton pela liberação de compostos alelopáticos e substâncias húmicas. A competição entre o fitoplâncton e as bactérias sob condições de alta densidade algal pode igualmente criar condições inadequadas para o metabolismo bacteriano. Estes resultados indicam que fatores locais podem ter um efeito importante sobre a distribuição de estados metabólicos do bacterioplâncton. Em uma segunda abordagem, nós examinamos em detalhe a transição a partir da zona litoral dominada por macrófitas até a zona pelágica dominada pelo fitoplâncton, acompanhando as respostas contínuas do bacterioplâncton à mudança de dominância de produtor primário, uma vez que os resultados da primeira abordagem demonstraram que importantes respostas das bactérias estão associadas a estes dois habitats putativos. Os resultados também indicaram um padrão de inibição na presença de macrófitas aquáticas, potencializado pelas altas cargas de substâncias húmicas dos massivos banhados circundantes. O bacterioplâncton aumentou em densidade, biovolume e biomassa em direção às zonas pelágicas, mas a Eficiência de Crescimento Bacteriana indicou que as bactérias possivelmente tenham melhor performance metabólica em locais de dominância bem definida. Mudanças na estrutura da comunidade incluindo zooplâncton, fitoplâncton e bacterioplâncton foram encontradas, confirmando constatações prévias sobre o papel estruturador das macrófitas em lagos rasos, com a comprovação adicional de que este papel aplica-se também às bactérias. / The coastal plain of Rio Grande do Sul state presents several subtropical shallow lakes with similar origin and a wide range of size, distance and connectivity between lakes, and therefore is considered as suitable to address questions such as bacterial diversity and metabolism, a current research subject. In a first approach we assessed bacterial diversity using the technique of Fluorescent in situ Hybridization (FISH) in a sub-set of these lakes and unexpected biogeographic patterns arised, despite the low resolution employed by this technique. Since FISH results might be linked also to physiological status of cells, rather than diversity itself, we looked for an alternative explanation for bacterial metabolic situations associated with the drivers tested. Our results showed that macrophytes exert a negative effect on phytoplankton through antagonistic mechanisms and the latter, at its turn, affects bacteria, besides a possible direct effect on phyto- and bacterioplankton by release of allelopathic compounds and humic substances. Competiton between phytoplankton and bacteria in high algal density areas can create also inadequate conditions for bacterial metabolism. These results indicate that local factors can have an important effect on bacterioplankton metabolic status distribution. In a second approach we examined in detail the transition between a macrophyte dominated littoral zone to a phytoplankton dominated pelagic zone, following the continuous responses of bacterioplankton to the shift of primary producer dominance, since our previous results from the first approach showed that important responses of bacteria are associated to this two putative habitats. Overall data showed also a pattern of inhibition in the presence of aquatic macrophytes, potentialized by high loads of humic substances from surrounding massive wetlands. Bacterioplankton increased in density, biovolume and biomass towards pelagic zones, but Bacterial Growth Efficiency indicated that bacteria might perform better in well defined dominance sites. Changes in community structure of zooplankton, phytoplankton and bacterioplanton was found, confirming previous statements about the structuring role of macrophytes in shallow lakes, with the additional comprovation that this role applies also for bacteria.

A planície costeira do Rio Grande do Sul apresenta vários lagos subtropicais rasos com origem semelhante e uma grande amplitude de tamanho, distância e conectividade entre lagos, e desta maneira é aqui considerada como apropriada ao endereçamento de questões tais como diversidade e metabolismo do bacterioplâncton, um tópico atual de pesquisa. Em uma primeira abordagem, nós acessamos a diversidade bacteriana usando a técnica de Hibridização in situ Fluorescente (FISH) em um sub-conjunto destes lagos e inesperados padrões biogeográficos foram encontrados, a despeito da baixa resolução taxonômica empregada por esta técnica. Uma vez que os resultados do FISH têm sido relacionados também ao estado fisiológico das células, além de diversidade, nós procuramos por uma explicação alternativa para situações metabólicas bacterianas associadas aos fatores testados. Os resultados mostraram que as macrófitas exercem um efeito negativo sobre o fitoplâncton através de mecanismos antagonistas e que este último, por sua vez, afeta as bactérias, além de um possível efeito direto sobre o fitoplâncton e o bacterioplâncton pela liberação de compostos alelopáticos e substâncias húmicas. A competição entre o fitoplâncton e as bactérias sob condições de alta densidade algal pode igualmente criar condições inadequadas para o metabolismo bacteriano. Estes resultados indicam que fatores locais podem ter um efeito importante sobre a distribuição de estados metabólicos do bacterioplâncton. Em uma segunda abordagem, nós examinamos em detalhe a transição a partir da zona litoral dominada por macrófitas até a zona pelágica dominada pelo fitoplâncton, acompanhando as respostas contínuas do bacterioplâncton à mudança de dominância de produtor primário, uma vez que os resultados da primeira abordagem demonstraram que importantes respostas das bactérias estão associadas a estes dois habitats putativos. Os resultados também indicaram um padrão de inibição na presença de macrófitas aquáticas, potencializado pelas altas cargas de substâncias húmicas dos massivos banhados circundantes. O bacterioplâncton aumentou em densidade, biovolume e biomassa em direção às zonas pelágicas, mas a Eficiência de Crescimento Bacteriana indicou que as bactérias possivelmente tenham melhor performance metabólica em locais de dominância bem definida. Mudanças na estrutura da comunidade incluindo zooplâncton, fitoplâncton e bacterioplâncton foram encontradas, confirmando constatações prévias sobre o papel estruturador das macrófitas em lagos rasos, com a comprovação adicional de que este papel aplica-se também às bactérias. / The coastal plain of Rio Grande do Sul state presents several subtropical shallow lakes with similar origin and a wide range of size, distance and connectivity between lakes, and therefore is considered as suitable to address questions such as bacterial diversity and metabolism, a current research subject. In a first approach we assessed bacterial diversity using the technique of Fluorescent in situ Hybridization (FISH) in a sub-set of these lakes and unexpected biogeographic patterns arised, despite the low resolution employed by this technique. Since FISH results might be linked also to physiological status of cells, rather than diversity itself, we looked for an alternative explanation for bacterial metabolic situations associated with the drivers tested. Our results showed that macrophytes exert a negative effect on phytoplankton through antagonistic mechanisms and the latter, at its turn, affects bacteria, besides a possible direct effect on phyto- and bacterioplankton by release of allelopathic compounds and humic substances. Competiton between phytoplankton and bacteria in high algal density areas can create also inadequate conditions for bacterial metabolism. These results indicate that local factors can have an important effect on bacterioplankton metabolic status distribution. In a second approach we examined in detail the transition between a macrophyte dominated littoral zone to a phytoplankton dominated pelagic zone, following the continuous responses of bacterioplankton to the shift of primary producer dominance, since our previous results from the first approach showed that important responses of bacteria are associated to this two putative habitats. Overall data showed also a pattern of inhibition in the presence of aquatic macrophytes, potentialized by high loads of humic substances from surrounding massive wetlands. Bacterioplankton increased in density, biovolume and biomass towards pelagic zones, but Bacterial Growth Efficiency indicated that bacteria might perform better in well defined dominance sites. Changes in community structure of zooplankton, phytoplankton and bacterioplanton was found, confirming previous statements about the structuring role of macrophytes in shallow lakes, with the additional comprovation that this role applies also for bacteria.

Les proliférations de cyanobactéries présentent en général d'importantes variations spatiales et temporelles de leur abondance cellulaire et de leur potentiel toxique, ce qui rend très difficile la surveillance de ces microorganismes et l'estimation des risques sanitaires associés à ces événements. Dans ce cadre général, le premier objectif de ma thèse a été de tester différentes stratégies d'échantillonnage pour suivre au mieux l'évolution des abondances cellulaires lors des proliférations de cyanobactéries. Par un échantillonnage à haute fréquence (six points tous les deux jours) réalisé sur un étang piscicole du Forez, nous avons montré que les deux espèces qui proliféraient dans cet écosystème (Microcystis aeruginosa et Aphanizomenon flos-aquae) présentaient des dynamiques spatiales et temporelles de leur abondance cellulaire très contrastées, ne permettant pas de définir une stratégie d'échantillonnage optimale commune aux deux espèces. Si pour ces deux espèces, trois points d'échantillonnage sont au minimum nécessaires pour bien prendre en compte l'hétérogénéité dans la distribution spatiale des cellules, les fréquences d'échantillonnage optimales sont en revanche très variables, allant d'un échantillonnage mensuel ou bimensuel pour Microcystis à un échantillonnage au minimum hebdomadaire pour Aphanizomenon. Le second objectif de ma thèse a été de m'appuyer sur cette stratégie d'échantillonnage à haute fréquence, pour mieux comprendre le développement de la prolifération de M. aeruginosa. Pour ce faire, nous avons estimé les changements spatiaux et temporels intervenant dans la composition génotypique de la population de cyanobactéries (par utilisation de la SSCP sur l'ITS 16S-23S) et dans sa toxicité potentielle (par le dosage des microcystines et l'évaluation de la proportion de cellules possédant le gène mcyB, un des gènes de synthèse de la microcystine). La répartition spatiale de la composition génotypique s'est révélée homogène à l'échelle de l'étang. Il est également apparu qu'au cours de la phase de croissance de la population, cette composition génotypique subissait de nombreux changements à courte échelle temporelle puis restait stable pendant plusieurs semaines lorsque le maximum d'abondance était atteint. Au niveau du potentiel toxique, la proportion de cellules possédant le gène mcyB est resté proche de 60 % durant toute la prolifération avec toutefois, des variations plus importantes pendant le développement du bloom. Aucune relation n'a pu être établie entre les variations observées dans la composition génotypique de la population et celles dans les proportions de cellules toxiques. De même, aucun lien n'a pu être établi entre les variations de diverses variables environnementales (nutriments, température, pluie) et celles de l'abondance cellulaire, de la toxicité potentielle et de la composition génotypique de la population de Microcystis. L'ensemble de ces résultats suggère que d'autres facteurs et processus interviennent probablement dans ces variations et qu'il existe sans doute des interactions très complexes entre toutes ces variables. Enfin, le troisième objectif de ma thèse a été de comparer la composition génotypique et le potentiel toxique de plusieurs populations de Microcystis plus ou moins connectées entre elles. Cette comparaison a permis de montrer l'importance fondamentale des facteurs et processus environnementaux locaux, dans la mise en place et le développement de ces évènements. / Generally, cyanobacteria proliferations show great spatial and temporal variations in their cell abundances and potential toxicity, which makes it difficult to control the development of these microorganisms and to predict the health risks associated with these events. Within this scope, the first goal of my PhD thesis was to test different sampling strategies to guarantee the best monitoring of the cell abundances during cyanobacteria proliferations. We made a high frequency sampling (six points every other day) in a shallow lake located in Forez and we evidenced that the two blooming-species (Microcystis aeruginosa and Aphanizomenon flos-aquae) showed strongly contrasted spatial and temporal patterns of their cell abundances precluding having a common optimal sampling strategy for both species. Even if three sampling points were enough to take into account the spatial heterogeneity of Microcystis and Aphanizomenon cells, a monthly or two-monthly sampling was sufficient for Microcystis whereas a weekly sampling was necessary for Aphanizomenon. The second goal was to gain a better understanding of Microcystis proliferation development. To achieve this aim, we estimated spatial and temporal changes in the genotypic composition (using the SSCP method in the 16S-23S ITS) and in the potential toxicity (by measuring the microcystin concentration and proportion of mcyB+ cells). We obtained a homogeneous spatial repartition of the genotypic composition. Moreover, during the growth phase, there were many rapid changes in the genotypic composition whereas this composition remained stable for several weeks where the maximum cell abundance was reached. As for potential toxicity, the proportion of mcyB+ cells remains at around 60 % during the proliferation but we observed higher variations during the growth phase. No relation was found between the variations of the genotypic composition and proportion of toxic cells on the one hand and the variations of several environmental factors (nutrients, temperature, rain) on the other hand, suggesting that other factors may be involved in these variations and that many complex interactions occur between these factors. Finally, the third goal of my PhD thesis was to compare the genotypic composition and the potential toxicity of different Microcystis populations, which were more or less interconnected. This comparison evidenced the great importance of local environmental factors and processes in the beginning and development of these events.

A planície costeira do Rio Grande do Sul apresenta vários lagos subtropicais rasos com origem semelhante e uma grande amplitude de tamanho, distância e conectividade entre lagos, e desta maneira é aqui considerada como apropriada ao endereçamento de questões tais como diversidade e metabolismo do bacterioplâncton, um tópico atual de pesquisa. Em uma primeira abordagem, nós acessamos a diversidade bacteriana usando a técnica de Hibridização in situ Fluorescente (FISH) em um sub-conjunto destes lagos e inesperados padrões biogeográficos foram encontrados, a despeito da baixa resolução taxonômica empregada por esta técnica. Uma vez que os resultados do FISH têm sido relacionados também ao estado fisiológico das células, além de diversidade, nós procuramos por uma explicação alternativa para situações metabólicas bacterianas associadas aos fatores testados. Os resultados mostraram que as macrófitas exercem um efeito negativo sobre o fitoplâncton através de mecanismos antagonistas e que este último, por sua vez, afeta as bactérias, além de um possível efeito direto sobre o fitoplâncton e o bacterioplâncton pela liberação de compostos alelopáticos e substâncias húmicas. A competição entre o fitoplâncton e as bactérias sob condições de alta densidade algal pode igualmente criar condições inadequadas para o metabolismo bacteriano. Estes resultados indicam que fatores locais podem ter um efeito importante sobre a distribuição de estados metabólicos do bacterioplâncton. Em uma segunda abordagem, nós examinamos em detalhe a transição a partir da zona litoral dominada por macrófitas até a zona pelágica dominada pelo fitoplâncton, acompanhando as respostas contínuas do bacterioplâncton à mudança de dominância de produtor primário, uma vez que os resultados da primeira abordagem demonstraram que importantes respostas das bactérias estão associadas a estes dois habitats putativos. Os resultados também indicaram um padrão de inibição na presença de macrófitas aquáticas, potencializado pelas altas cargas de substâncias húmicas dos massivos banhados circundantes. O bacterioplâncton aumentou em densidade, biovolume e biomassa em direção às zonas pelágicas, mas a Eficiência de Crescimento Bacteriana indicou que as bactérias possivelmente tenham melhor performance metabólica em locais de dominância bem definida. Mudanças na estrutura da comunidade incluindo zooplâncton, fitoplâncton e bacterioplâncton foram encontradas, confirmando constatações prévias sobre o papel estruturador das macrófitas em lagos rasos, com a comprovação adicional de que este papel aplica-se também às bactérias. / The coastal plain of Rio Grande do Sul state presents several subtropical shallow lakes with similar origin and a wide range of size, distance and connectivity between lakes, and therefore is considered as suitable to address questions such as bacterial diversity and metabolism, a current research subject. In a first approach we assessed bacterial diversity using the technique of Fluorescent in situ Hybridization (FISH) in a sub-set of these lakes and unexpected biogeographic patterns arised, despite the low resolution employed by this technique. Since FISH results might be linked also to physiological status of cells, rather than diversity itself, we looked for an alternative explanation for bacterial metabolic situations associated with the drivers tested. Our results showed that macrophytes exert a negative effect on phytoplankton through antagonistic mechanisms and the latter, at its turn, affects bacteria, besides a possible direct effect on phyto- and bacterioplankton by release of allelopathic compounds and humic substances. Competiton between phytoplankton and bacteria in high algal density areas can create also inadequate conditions for bacterial metabolism. These results indicate that local factors can have an important effect on bacterioplankton metabolic status distribution. In a second approach we examined in detail the transition between a macrophyte dominated littoral zone to a phytoplankton dominated pelagic zone, following the continuous responses of bacterioplankton to the shift of primary producer dominance, since our previous results from the first approach showed that important responses of bacteria are associated to this two putative habitats. Overall data showed also a pattern of inhibition in the presence of aquatic macrophytes, potentialized by high loads of humic substances from surrounding massive wetlands. Bacterioplankton increased in density, biovolume and biomass towards pelagic zones, but Bacterial Growth Efficiency indicated that bacteria might perform better in well defined dominance sites. Changes in community structure of zooplankton, phytoplankton and bacterioplanton was found, confirming previous statements about the structuring role of macrophytes in shallow lakes, with the additional comprovation that this role applies also for bacteria.

Dissertação (mestrado)-Universidade Federal do Rio Grande, Programa de Pós-Graduação em Biologia de Ambientes Aquáticos Continentais, Instituto de Ciências Biológicas, 2012. / Submitted by Cristiane Gomides (cristiane_gomides@hotmail.com) on 2014-01-13T17:21:35Z No. of bitstreams: 1 0000010065.pdf: 2640072 bytes, checksum: 684c38e9d51f045a0f7b69cc99781e58 (MD5) / Approved for entry into archive by cristiane soares (krikasoares@live.com) on 2014-02-23T02:02:19Z (GMT) No. of bitstreams: 1 0000010065.pdf: 2640072 bytes, checksum: 684c38e9d51f045a0f7b69cc99781e58 (MD5) / Made available in DSpace on 2014-02-23T02:02:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 0000010065.pdf: 2640072 bytes, checksum: 684c38e9d51f045a0f7b69cc99781e58 (MD5) Previous issue date: 2012 / Esta dissertação teve como objetivo descrever a composição e estrutura da assembleia de Chironomidae durante um período de 10 anos e sua resposta frente a mudança de estados alternativos em um lago raso. Buscou-se também verificar se a estrutura das plantas aquáticas tem influência sobre esta assembleia em quatro diferentes lagos. Para verificar a semelhança quanto à composição dos gêneros entre os anos foi realizada similaridade de Jaccard e Nonmetric Multidimensional Scaling (NMDS, distância de Bray Curtis) para verificar a similaridade entre os anos com base nas abundâncias dos gêneros. A contribuição das variáveis ambientais para a distribuição dos gêneros de Chironomidae ao longo dos anos foi avaliada através da Análise de Correspondência Canônica (CCA). No estudo que analisou a influência da complexidade das plantas e características ambientais entre quatro lagos foi realizado a similaridade de Jaccard para verificar a semelhança quanto à composição dos gêneros entre os lagos e a composição em relação as plantas, MANOVA para testar se existe diferença entre os lagos e entre as plantas em relação às abundâncias médias dos gêneros, MANOVA entre os lagos em função dos grupos tróficos funcionais (GTFs) e entre as plantas em função dos GTFs. Os resultados do estudo a longo prazo no lago eutrófico demonstraram mudanças na riqueza, densidade e estrutura trófica de Chironomidae, com as alterações na qualidade de água e estrutura do ecossistema, confirmando nossa hipótese de que esta assembleia pode ser utilizada como indicadora nos estados alternativos e estado trófico em lagos rasos subtropicais. Os resultados indicam que as mudanças de estados alternativos podem corresponder a distúrbios de moderada intensidade no ecossistema. A assembleia de Chironomidae respondeu com maior riqueza e diversidade nos períodos de transição, sugerindo que este grupo responde a hipótese do distúrbio intermediário. Os resultados referentes ao estudo sobre a complexidade de plantas indicam que a complexidade da estrutura das plantas aquáticas em ambientes lênticos subtropicais rasos, influencia na composição dos gêneros de Chironomidae. Embora não tenhamos encontrado diferença significativa entre os lagos em relação a abundância desses gêneros, com a categorização em grupos funcionais obtivemos uma resposta desses organismos em relação as características ambientais de cada lago. / This study aims to describe the composition and structure of the assembly of chironomids for a period of 10 years and its response to change of alternative states in a shallow eutrophic lake. It also sought to verify that the structure of aquatic plants has an influence on this assembly in four different lakes. To check the similarity in the composition of the genera was performed between the years Jaccard similarity and Nonmetric Multidimensional Scaling (NMDS, Bray Curtis distance) to verify the similarity between the years based on the abundances of the genera. The contribution of environmental variables for the distribution of Chironomidae genera over the years was evaluated by Canonical Correspondence Analysis (CCA). In the study examined the influence of the complexity of plants and environmental characteristics of four lakes was conducted Jaccard similarity to verify the similarity in the composition of the genera among the lakes and composition in relation to plants, MANOVA to see if there are differences between the lakes and among plants in relation to the average abundances of the genera, MANOVA between lakes depending on the functional trophic groups (GTFs) and among plants depending on the GTFs. The results of longterm study in eutrophic lake showed changes in density, richness and trophic structure of Chironomidae with changes in water quality and ecosystem structure confirming our hypothesis that this assembly can be used as an indicator in the alternative states and trophic state in subtropical shallow lakes. The results indicate that changes in alternative states may correspond to moderate disturbances in the ecosystem. The assembly of chironomids responded with greater richness and diversity in transition periods, suggesting that this group responds to the intermediate disturbance hypothesis. The results for the study of the complexity of plants indicate that the complexity of the structure of aquatic plants in lentic shallow subtropical influences the composition of the genera of Chironomidae. Although we found no significant difference between the lakes relative abundance of these genera, as categorized into functional groups obtained a response of these organisms in relation to environmental characteristics of each lake.

Submitted by dayse paz (daysepaz@hotmail.com) on 2016-04-06T11:50:24Z No. of bitstreams: 1 Disserta_o_Cristiane_Carvalho.pdf: 1091025 bytes, checksum: 71418d6d8927740542513191376e2254 (MD5) / Approved for entry into archive by cleuza maria medina dos santos (cleuzamai@yahoo.com.br) on 2016-05-09T14:26:19Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Disserta_o_Cristiane_Carvalho.pdf: 1091025 bytes, checksum: 71418d6d8927740542513191376e2254 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-05-09T14:26:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Disserta_o_Cristiane_Carvalho.pdf: 1091025 bytes, checksum: 71418d6d8927740542513191376e2254 (MD5) Previous issue date: 2013 / Em lagos as macrófitas aquáticas são importantes fontes de matéria orgânica detrital, aumentam a complexidade do hábitat proporcionando vários nichos ecológicos a uma diversidade de espécies animais. Durante do processo de decomposição, a colonização dos detritos passa por uma sucessão ecológica entre fungos, bactérias e invertebrados, sendo seu papel fundamental para promover a circulação dos nutrientes. Assim, essa dissertação objetivou: (1) analisar os coeficientes de decomposição e a composição química dos detritos de duas macrófitas, a fim de verificar os efeitos dessas características sobre a biomassa fúngica e invertebrados; (2) analisar se o local de incubação das bolsas dos detritos influencia o recurso de hábitat e sobreposição espacial, interferindo na estrutura funcional da comunidade colonizadora. Para tanto foram realizados dois experimentos. Para o experimento 1 (setembro à dezembro de 2011), incubamos 24 bolsas de Potamogeton pectinatus e 24 de Chara zeylanica e retiradas em 1, 7, 20, 40, 60 e 80 dias. O material foi lavado, seco e triturado para análises químicas e determinação dos coeficientes de decomposição. A biomassa fúngica foi avaliada através do conteúdo de ergosterol. Para o experimento 2 (janeiro de 2012), foram incubadas 60 bolsas aleatoriamente divididas em 4 tratamentos, onde 15 bolsas contendo detritos de P. pectinatus foram incubadas em meio ao próprio estande (PP); 15 bolsas no estande de C. zeylanica (PC); 15 bolsas com detritos de C. zeylanica (CC) incubadas em meio ao seu estande e 15 no estande de P. pectinatus (CP), sendo retiradas em 5, 10 e 20 dias. Em ambos os estudos, os invertebrados foram classificados em grupos tróficos funcionais e determinadas a riqueza e abundância. As características químicas explicaram 59% da variação na abundância de invertebrados. A biomassa fúngica nos detritos não diferiu. A maior abundância e riqueza de invertebrados ocorreram nos detritos de P. pectinatus para o experimento 1 e nos detritos incubados em meio ao seu próprio estande (experimento 2). Houve diferença na perda de massa entre os tratamentos e entre detritos. A maior abundância na composição funcional foi de coletores - catadores e predadores, em ambos os estudos. Houve menor sobreposição espacial entre os grupos tróficos nos tratamentos em relação a PP. Nosso estudo demonstrou que os as características químicas e os coeficientes de decomposição interferem na colonização de invertebrados, relacionado ao tempo de incubação dos detritos. Além disso, o local de incubação afetou os coeficientes de decomposição e a estruturação da comunidade de invertebrados, relacionado à disponibilidade de hábitat oferecido pelos tratamentos. / In lakes the macrophytes are important sources of detrital organic matter, increase the complexity of providing various habitat niches to a variety of animal species. During the colonization process of decomposition of the waste undergoes an ecological succession among fungi, bacteria and invertebrates, and its key role in promoting the circulation of nutrients. Thus, this thesis aimed to: (1) analyze the decomposition rates and chemical composition of the detritus of two macrophytes in order to verify the effects of these characteristics on the fungal biomass and invertebrates, (2) examine if the site of the bags of incubation detritus influences the use and habitat overlap of space, affecting the functional structure of the settler community. Therefore, we performed two experiments. For experiment 1 (September to December, 2011), incubated 24 bags of Potamogeton pectinatus and 24 Chara zeylanica and withdrawn at 1, 7, 20, 40, 60 and 80 days. The material was washed, dried and ground for chemical analyzes and determination of the coefficients of decomposition. The fungal biomass was evaluated through the content of ergosterol. For experiment 2 (January, 2012), 60 bags were incubated randomly assigned to 4 treatments, where 15 bags of debris containing P. pectinatus were incubated in medium to own booth (PP); 15 scholarships in booth C. zeylanica (PC), 15 bags of detritus C. zeylanica (CC) incubated in the midst of its stand and 15 at the P. pectinatus (CP) and taken in 5, 10 and 20 days. In both studies, the invertebrates were classified into functional trophic groups and certain richness and abundance. The chemical characteristics explained 59% of variation in abundance of invertebrates. The fungal biomass in waste did not differ. The greatest abundance and diversity of invertebrates occurred in the debris of P. pectinatus for experiment 1 and incubated debris amidst its own booth (experiment 2). Was no difference in weight loss between treatments and among detritus. The highest abundance was in the functional composition of collectors - scavengers and predators, in both studies. There was a lower spatial overlap between trophic groups in treatments against PP. Our study demonstrated that the chemical characteristics and the coefficients of decomposition interfere with colonization of invertebrates, related to incubation time of detritus. Furthermore, the location of incubation affected the decomposition rates and invertebrate community structure, related to the availability of habitat offered by the treatments.

Lagoas costeiras são ecossistemas cruciais para conservação da biodiversidade local e global. O sistema do rio Tramandaí (SRT) apresenta uma série de lagoas costeiras rasas conectadas por canais naturais, e uma saída, via estuário de Tramandaí, para o oceano. Esse sistema é dividido em dois subsistemas, ao norte e ao sul do estuário, resultado de padrões hidrodinâmicos e da influência do vento e que definem características ambientais distintas a esses subsistemas. Um gradiente decrescente, de norte a sul, no estado trófico dessas lagoas já foi verificado. No presente estudo é testada hipótese de variabilidade espacial (lagoas e subsistemas) e temporal (estações do ano) na magnitude de variáveis abióticas e de descritores ecológicos das assembleias de peixes (composição, riqueza, diversidade, dominância) do SRT. Também é avaliada a relação entre variáveis abióticas e descritores das assembleias nesses subsistemas. É comparada a seletividade de captura de um amostrador ativo (rede de arrasto de praia) e de um amostrador passivo (redes de emalhe). Amostragens foram conduzidas de novembro de 2008 a abril de 2010 com rede de arrasto de praia e redes de emalhe, na zona litoral das lagoas Itapeva, Quadros e Malvas no subsistema norte, e nas lagoas Fortaleza, Rondinha e Barros no subsistema sul. Entre abril de 2009 e março de 2010, amostras de água foram coletadas e dez variáveis foram mensuradas em laboratório. Análises de ordenação (NMDS) mostraram clara diferença de composição, abundância numérica (CPUEn) e em biomassa (CPUEb) de espécies entre amostradores. A análises de ANOSIM e SIMPER mostraram baixa similaridade desses parâmetros entre amostradores. Houve diferença no tamanho dos peixes coletados com redes de arrasto e emalhe. Turbidez e DBO5 tiveram médias superiores no subsistema norte, enquanto que condutividade, salinidade, dureza, sólidos totais dissolvidos e transparência de Secchi no subsistema sul. Temporalmente foram verificadas diferenças de temperatura, pH, salinidade, turbidez, dureza, sólidos totais dissolvidos, oxigênio dissolvido, sólidos suspensos e profundidade, mas somente os dados de pH, condutividade, turbidez e DBO5 mostraram interação entre os fatores espaço e tempo. As assembleias das margens rasas da zona litoral foram dominadas por dez espécies, resultando em alta similaridade de composição, CPUEn e CPUEb entre os subsistemas. A riqueza de espécies variou espacial e temporalmente. Diversidade e equitabilidade espacialmente, e CPUEn e CPUEb temporalmente. As assembleias das regiões pelágicas da zona litoral foram dominadas por sete espécies, com dominância numérica das espécies L. anus e A. aff. fasciatus no subsistema norte. A NMDS mostrou similaridades maiores de composição, CPUEn e CPUEb entre amostras de um mesmo subsistema, no entanto, a ANOSIM não apresentou resultados significativos para rejeição das hipóteses nulas. CPUE n e b, diversidade e equitabilidade variaram espacialmente, enquanto a riqueza, temporalmente. A análise de correlação canônica (CCA) mostrou que temperatura, DBO5, sólidos suspensos e dureza responderam por 46% da variabilidade dos dados de abundância numérica das espécies. Os resultados sugerem que amostradores ativos e passivos reproduzem diferentes imagens da assembleia por eles amostrada, indicando que o delineamento amostral para estudos com peixes nesses ecossistemas deve contemplar tais diferenças. As diferenças ambientais dos subsistemas refletem em diferenças na qualidade da água e os resultados obtidos confirmam os pressupostos do gradiente trófico. A estrutura das assembleias de peixes foi mais variável em resposta as condições ambientais em escala espacial, enquanto que temporalmente, houve maior coerência na variabilidade dos dados. As relações das espécies com as variáveis ambientais são discutidas com base no comportamento alimentar e/ou reprodutivo das mesmas e na qualidade do habitat. Tais resultados podem ser úteis como subsídio a elaboração de estudos de manejo costeiro do SRT, sobretudo com relação aos recursos pesqueiros, e na proposição de modelos de estrutura das assembleias de peixes de lagoas costeiras subtropicais. / Coastal lakes ecosystems are crucial for conserving biodiversity both locally and globally. The river Tramandaí system (SRT) comprises a series of shallow coastal lagoons, connected by natural channels, and has an output via Tramandaí estuary into the ocean. This system is divided into two subsystems, north and south of the Tramandaí estuary, as result of hydrodynamic patterns, influence of wind and environmental characteristics that define the subsystems. A trophic gradient decreasing from north to south in those lagoons was identified. In this study is tested the hypothesis of spatial (lagoons and subsystems) and temporal (seasons) variabilities in the amplitude of abiotic variables and descriptors of the fish assemblages (species composition, richness, diversity, dominance) in the SRT. It also assessed the relationship between abiotic variables and descriptors of the fish assemblages in these subsystems. Is compared the selectivity of the active fishing (beach seining) and passive (gill netting) fishing. Sampling was conducted from November 2008 to April 2010 with beach seine and gill nets in the littoral zone of lakes Itapeva, Quadros and Malvas in north subsystem, and Fortaleza, Rondinha and Barros lakes, in south subsystem. Between April 2009 and March 2010 water samples were collected and ten variables were measured in the laboratory. Analyses of ordination (NMDS) showed clear differences in composition, numerical abundance (CPUEn) and biomass (CPUEb) of species between samplers. The analysis of similarity (ANOSIM and SIMPER) showed low similarity of these parameters between nets. There was a difference in the size of the fish caught with beach seine and gill nets. Turbidity and BOD5 averages were higher in the northern subsystem, while the conductivity, salinity, hardness, total dissolved solids and Secchi transparency in the south subsystem. Temporally were observed differences in temperature, pH, salinity, turbidity, hardness, total dissolved solids, dissolved oxygen, suspended solids and depth, but only the data for pH, conductivity, turbidity, BOD5 showed interaction between the factors space and time. The assemblages of the shallow margins of the coastal zone were dominated by ten species resulting in high similarity of composition, CPUEn and CPUEb between subsystems. Species richness varied spatially and temporally, while diversity and evenness only spatially and CPUEn and CPUEb only temporally. The assemblages of the pelagic regions of the coastal zone were dominated by seven species with numerical dominance of L. anus and A. aff. fasciatus in north subsystem. The NMDS showed greatest similarity in composition, CPUEn and CPUEb between samples of the same subsystem, the ANOSIM however, showed no significant results for rejection of the null hypothesis. CPUE n and b, diversity and equitability varied between lakes and subsystems, while the richness between seasons. The canonical correlation analysis (CCA) showed that four variables (temperature, BOD, suspended solids and hardness) account for 46% of data variability of species abundance. Samples of the north subsystem were directly influenced by temperature, BOD and suspended solids while the south subsystem by the hardness. The results suggest that active and passive samplers reproduce different images of the assemblage sampled and indicate that the sampling design for studies of these ecosystems should include such differences. The environmental differences in subsystems reflect in water quality differences and the results confirm the assumptions of a trophic gradient decreasing from north to south in the SRT. The structure of the fish assemblages was more variable in response to environmental conditions in spatial scale between subsystems, while there was greater consistency in the temporal variability of the data. The relationships between the species and environmental variables are discussed based on the feeding behavior and / or reproduction of the same and by habitat quality. These results may be useful as an aid to preparing studies of coastal management of SRT, especially with respect to fisheries, and in proposing models of the structure of the fish assemblages of subtropical coastal lagoons.

O objetivo desta Tese foi avaliar o papel da macrófitas submersas em relação à qualidade da água, interações com o fitoplâncton e ciclagem biogeoquímica na Lagoa Mangueira, um grande lago raso subtropical, no sul do Brasil. Para alcançar estes objetivos, este trabalho conta com uma série de abordagens, como: levantamentos de campo, etapas experimentais e uso de modelos ecológicos para avaliar a influência de macrófitas sobre a dinâmica do ecossistema de estudo, cujas águas são intensamente exploradas para suprir a cultura de arroz em sua área de entorno. Ao longo de seus 200km de perímetro litorâneo, a Lagoa apresenta maciços estandes submersos de vegetação. A análise de qualidade da água e estrutura da comunidade fitoplanctônica ao longo de um gradiente de vegetação submersa, partindo da zona litorânea para a zona pelágica (sem vegetação), revelou menor disponilibidade de nutrientes como orto-fosfato (PO4) e menor concentração de clorofila-a (Clo-a), na área com vegetação submersa. Na zona pelágica, os maiores valores de Clo-a foram corroborados pela maior biomassa fitoplanctônica, sendo representada principalmente por espécies de cianobactérias. Tais evidências sugerem o efeito antagônico entre macrófitas e fitoplâncton, como a competição por nutrientes e alelopatia. Em laboratório, estes mecanismos puderam ser comprovados em experimentos de coexistência realizados em microcosmos com 4 espécies de macrófitas nativas e uma cepa da cianobactéria Microcystis aeruginosa. Os testes envolveram níveis distintos de intensidade luminosa e concentração de PO4 visando determinar limiares para a ocorrência de alelopatia. As espécies Cabomba caroliniana e Myriophyllum spicatum se demonstraram potencialmente alelopáticas enquanto que as espécies Ceratophyllum demersum e Egeria densa apresentaram elevada capacidade de absorção de PO4 (±0,35 mg.g-1d-1) reduzindo rapidamente a concentração deste nutriente a valores abaixo de 0,05 mg.L-1. Outra abordadem experimental foi conduzida para parametrizar a cinética da liberação de nutrientes e carbono de 5 espécies de macrófitas durante o processo de decomposição. Com o auxílio de modelos ecológicos, foi simulado o crescimento de macrófitas submersas em lagos subtropicais e temperados. Isto foi realizado visando avaliar a possibilidade de aumento da resilência do estado de dominância por macrófitas em lagos de baixa latidude devido ao crescimento contínuo da vegetação, ao contrário de lagos temperados, onde as plantas morrem sazonalmente em função do inverno rigoroso. Além disso, foram simulados cenários considerando a possibilidade de colapso da vegetação submersa na Lagoa Mangueira em função de intensa tomada da água da Lagoa para irrigação. Com base na modelagem, foi possível estimar limiares de eutrofização para a proliferação do fitoplâncton. Em suma, os resultados comprovaram os mecanismos de retroalimentação positiva de macrófitas submersas sobre a qualidade da água e importância de suas funções ecológicas para o estado trófico e gestão da Lagoa Mangueira. Além disso, este conjunto de informações constitui uma base teórico-prática para o manejo, restauração e conservação de lagos rasos subtropicais e tropicais. / The aim of this Thesis was to evaluate the role of the submerged macrophytes with respect to water quality and, interactions with phytoplankton and nutrient cycling in the large shallow subtropical Lake Mangueira, southern Brazil. To achieve these goals, this work counts with approaches in situ, in laboratory and aplication of ecological modelling to verifify the influence of the submerged vegetation over the dynamics of the ecosystem, whose water is intensively explored to irrigate rice crops around its surrounding area. Over the 200km of the lake littoral perimeter, several submerged macrophyte beds are established. The analysis of water quality and phytoplankton structure along a macrophyte-pelagic gradient revealed lower concentration of orto-phosphate (PO4) and chlorophyll-a (Chlo-a) in the vegetated area. At the pelagic zone, the higher Chlo-a values were corroborated by the higher biomass of phytoplankton, which was mostly composed by cyanobacteria species. Such evidences suggest the antagonistic relantionship between macrophytes and phytoplankton as nutrient competition and allelopathy. Experiments of coexistance, in microcosms, with 4 native submerged macrophytes and a toxic strain of the cyanobacteria Microcystis aeruginosa proved the occurrence of these mechanisms. The experiments included different levels of light intensity and orto-phosphate concentration (PO4) in the medium aiming to identify thresholds in which allelopathy is likely to occur. The macrophytes Cabomba caroliniana and Myriophyllum spicatum showed allelopathic potential while the species Ceratophyllum demersum and Egeria densa showed a high capacity for PO4 absorption (±0.35 mg.g-1d-1), being able to reduce this nutrient to lower levels than 0.05 mg.L-1. Another experimental approach was carried out to parameterize the leaching of nutrients and carbon from 5 macrophytes under decaying process. Moreover, ecological modelling was utilized to simulate the growth of submerged macrophytes in subtropical and temperate lakes. This was done aiming to evaluate the possibility of resilience enhancement of the clear water state in lakes of low latitude because the plants can grow continuously, in contrast with temperate lakes, where they die seasonally due to rigorous winter. In addition, simulation of scenarios considering the collapse of the vegetation in Lake Mangueira because of water uptake for rice crops were carried out in oder to provide elements for the ecosystem management. Through this approach, it was possible to forecast possible eutrophication thresholds for phytoplankton blomming. In conclusion, the results proved the the postive feed-back mechanisms exerted by the submerged macrophytes on the water quality and the importance of their ecological functions to the trophic state of Lake Mangueira. In addition, such information serve as theoretical and practical basis for the management, restoration and conservation of subtropical and tropical shallow lakes.