Metabolismo mediado pelo bacterioplâncton em um lago raso subtropical e sua relação com a presença de macrófitas, sedimento e regime hídrico

Abstract

O Sistema Hidrológico do Taim é um sistema subtropical raso formado por um gradiente de terras úmidas e lagoas associadas, localizado no sul do Brasil. Esse sistema apresenta uma grande variação sazonal no nivel d'água, que se relaciona com a presença de macrófitas aquáticas e a distribuição espacial das mesmas. As macrófitas aquáticas são elementos importantes na estruturação de lagos rasos subtropicais e, junto com o fitoplàncton e matéria orgánica alóctone, favorecem o desenvolvimento do bacterioplâncton. Esses microrganismos são considerados elementos extremamente importantes para esses ecossistemas, em função de seu papel na decomposição de material orgânico e na remineralização de nutrientes inorgânicos, participando da ciclagem biogeoquímica, bem como da transferência de matéria e energia para os niveis tróficos superiores através da chamada alça microbiana. Em função do exposto, o presente trabalho foi desenvolvido a partir de abordagens que se referem ao compartimento sedimento de um banhado temporário (rice fields) no que tange à produção de gases de efeito estufa, e ao metabolismo da coluna d'água e da interface água/sedimento, a partir da utilização de experimentos em mesocosmos. Portanto, esse estudo tem como objetivo analisar os processos metabólicos que ocorrem na coluna d'água e na interface água-sedimento e no sedimento de uma área úmida subtropical, associados à dinâmica do bacterioplâncton e relacionados à diferentes variáveis, como a oscilação do nível de água, a espessura da coluna de sedimento, a quantidade de biomassa vegetal, bem como o tipo de macrófita predominante. Nossos resultados evidenciaram que o metabolismo dos ecossistemas rasos subtropicais pode ser afetado de diferentes formas pelas variáveis que atuam nos diferentes compartimentos analisados. A presença de diferentes tipos de macrófitas (Zizianopsis bonairensis e Schoenoplectus californicus (emergentes), Myriophyllum aquaticum e Potamogeton illinoensis (submersas), e Salvinia herzogii e Pistia stratiotes (macrófitas flutuantes) e de diferentes regimes hídricos levaram a uma redução nos valores de densidade, de biomassa e de produção bacteriana, especialmente na presença de macrófitas emersas, ao contrário da presença de macrófitas submersas e flutuantes, no regime de baixo nível dágua, onde essa redução foi menos acentuada. Da mesma forma, a quantidade de biomassa de uma macrófita submersa (Potamogetum illinoensis), e as variáveis relacionadas à qualidade do carbono decorrente dessa biomassa, como absorbância específica do COD, COD, CT e a razão de substâncias húmicas, além de diferenças na altura da lâmina d'água, foram fatores determinantes na dinâmica do bacterioplâncton, elevando os valores de densidade e biomassa bacteriana, e reduzindo a produção secundária, nessas condições. Por outro lado, na ausência de macrófitas e na presença de diferentes espessuras de sedimento, os nutrientes, especialmente as formas fosfatadas, e a concentração de diferentes formas de carbono, foram relacionadas a alterações nos valores observados para densidade, biomassa e produção bacteriana, além de levar a mudança nos diferentes grupos que formam a comunidade do bacterioplâncton. Assim, ao longo do experimento, a comunidade Bacteria (grupos Bacteria, α-Proteobacteria, β-Proteobacteria e Firmicutes) diminuiu a densidade de seus grupos específicos, sendo substituída pelo aumento de densidade dos organismos do domínio Archaea (Archaea, Methanogênicas, Metanotróficas aeróbicas e anaeróbicas, Beta-AOB e Nitrito-oxidantes). A morfotipagem bacteriana também foi afetada frente às diferentes variáveis ambientais analisadas, levando à alteração do predomínio e da densidade das formas coccus - regular rod - curved rod normalmente observados, possivelmente como forma de adequação celular frente à disponibilidade de recursos e pressão de predação. Da mesma forma, em banhados temporários subtropicais, as condições de alagamento típicas de um ciclo de cultivo resultaram em variações espaciais e temporais na produção de gases de efeito estufa, como CH4 e CO2, mostrando que estes locais são emissores potenciais de gases de efeito estufa, mesmo que em determinadas épocas do ano. Assim, aspectos como a densidade, a biomassa, a morfologia, a atividade e os grupos da comunidade do bacterioplâncton, além da produção de gases de efeito estufa, apresentaram comportamento distinto, relacionado às diferentes variáveis que foram determinantes nas diferentes situações ambientais destacadas neste estudo. Os dados obtidos permitem um melhor entendimento a respeito do metabolismo mediado pelo bacterioplâncton em ecossistemas rasos subtropicais, e podem ser utilizados como ferramenta para a previsão de processos metabólicos geradores de alterações do estado do ecossistema, principalmente quando submetidos à estressores, sejam naturais ou antrópicos.

The Taim Hidrologic System is a subtropical shallow system formed by a gradient of associated lakes and wetlands, located in Southern Brazil. This system presents a high seasonal variation in water level, which is related with the presence of aquatic macrophytes and their spatial distribution The aquatic macrophytes are important in the structuring of subtropical shallow lakes and, together with phytoplankton and allochthonous organic matter, support the growth of bacterioplankton. These microorganisms are considered an important component for aquatic ecosystems, due to their role in the organic matter decomposition and the remineralization of inorganic nutrients, participating in the biogeochemical cycles and the transference of matter and energy for the high trophic levels, in aquatic ecosystems, through the microbial loop. Given the facts presented, this work was developed in accordance with approaches related to the pool sediment of a wetland temporary (rice fields) regarding the greenhouse gases production, the metabolism of the water column and the water/sediment interface, involving the use of experiments in mesocosms. Therefore, the aim of this study was to analyze the metabolic processes that occur in the water column, at water-sediment interface and in sediment of a subtropical shallow area, associated to the bacterioplankton dynamic and related to different variables, including the oscillation of the water levels, the thickness of the sediment layer, the quantity of macrophyte biomass and the predominant type of macrophyte. Analysis of the results showed that the metabolism of the subtropical shallow ecosystems can be affected in different ways by the variables that act at the different pools analyzed. The presence of different macrophyte types (Zizianopsis bonairensis and Schoenoplectus californicus (emergent), Myriophyllum aquaticum and Potamogeton illinoensis (submerged), and Salvinia herzogii and Pistia stratiotes (free-floating macrophyte) and of different water regimes caused a decrease in bacterial density, biomass and bacterial production, particulary in the presence of emerged macrophytes, in contrast to the presence of submerged and free-floating macrophytes at the low water level, where this decrease was less accentuated. Similarly, the biomass of a submerged macrophyte (Potamogetum illinoensis), and the variables related to carbon quality, such as dissolved organic carbon (DOC) specific absorbance, DOC, total carbon (TC) and humic substances (HS) ratio, and differences in the water levels, were determining factors in the bacterioplankton dynamic that increased bacterial density and biomass, and decreased secondary production under these conditions. On the other hand, in the absence of macrophytes and in the presence of the different thicknesses of sediment layers, the concentrations of nutrients, particulary the phosphorus forms, and carbon were related to alterations in the values observed to bacterial density, biomass and bacterial activity, as well as promoting changes in the different groups at the bacterial community level. Thus, throughout the experiment, a decrease in the density of specific groups in the Bacteria community (most Bacteria, α-Proteobacteria, β- Proteobacteria and Firmicutes groups) occurred, which were replaced by an increase in the density of organisms of the Archaea domain (most Archaea, Methanogenics, aerobic and anaerobic Metanotrophs, Beta-AOB and Nitrite-oxidants groups). Similary, the he bacterial morphotype was affected by the different environmental variables analyzed, promoting alterations to the predominance and density of the coccus - regular rod - curved rod forms normally observed, probably due to a cellular adaptation strategy caused by the resources availability and of predation pressure. Similarly, in subtropical temporary wetland, the conditions of typical flooding of a cultivation cycle (rice field) resulted in spatial and seasonal variations in the greenhouse gases production, such as CH4 and CO2, showing that these areas are potentials sites of greenhouse gas emissions, though in determined periods of the year. Therefore, aspects that include the bacterial density and biomass, bacterial morphology, bacterial activity and the groups of bacterioplankton communities and the production of greenhouse gases showed a diverse behavior associated with the variables that were determinants in the different environmental situations highlighted in this study. This study can provide information and contribute to current understanding regarding the metabolism mediated by bacterioplankton in subtropical shallow ecosystems, and how shallow lakes act in response when submitted to natural and anthropogenic stressors.