A modelagem de isótopos de oxigênio dissolvido refina as estimativas do estado metabólico de ecossistemas de riachos com diferentes antecedentes de uso da terra

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 10204 (2022) Citar este artigo

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O oxigênio dissolvido (OD) é crucial para a vida aeróbica em córregos e rios e depende principalmente da fotossíntese (P), da respiração do ecossistema (R) e das trocas gasosas atmosféricas (G). No entanto, as mudanças no clima e no uso da terra perturbam progressivamente os equilíbrios metabólicos em riachos naturais como refletores sensíveis de suas bacias hidrográficas. Métodos abrangentes para mapear os serviços ecossistêmicos fundamentais tornam-se cada vez mais importantes em um ambiente em rápida mudança. Neste trabalho, testamos o OD e suas proporções de isótopos estáveis ​​(18O/16O) como novas ferramentas para o status dos ecossistemas de riachos. Para este propósito, seis campanhas de amostragem diária foram realizadas em três riachos europeus de baixa ordem e latitude média com diferentes padrões de uso da terra. A modelagem de OD die e seus isótopos estáveis ​​combinada com análises de uso da terra mostraram as menores taxas de P em áreas florestais, com um mínimo de 17,9 mg m–2 h–1. Devido às altas taxas de R entre 230 e 341 mg m−2 h−1, cinco dos seis locais de estudo mostraram um estado heterotrófico geral com razões P:R:G entre 0,1:1,1:1 e 1:1,9:1. Apenas um local com influência agrícola e urbana apresentou uma alta taxa de P de 417 mg m–2 h–1 com uma relação P:R:G de 1,9:1,5:1. Entre todos os locais, as taxas brutas de G variaram entre 148 e 298 mg m–2 h–1. Em geral, as taxas metabólicas dependem da distância dos locais de amostragem às fontes dos rios, disponibilidade de luz, concentrações de nutrientes e possíveis trocas com águas subterrâneas. A abordagem de modelagem apresentada apresenta uma ferramenta nova e poderosa para estudar os efeitos do uso da terra na saúde do córrego. Tais abordagens devem ser integradas no futuro monitoramento ecológico.

Córregos e rios estão entre os indicadores mais importantes dos estados ambientais de nossos continentes1–4. Eles também são os transportadores mais importantes de material dos continentes para os oceanos e, como os lineamentos mais baixos das paisagens, integram a água e seus constituintes dissolvidos das bacias hidrográficas5–7. Além disso, rios, riachos e seus ecossistemas ribeirinhos, incluindo a zona hiporreica (HZ), são importantes refletores dos ciclos continentais de carbono e oxigênio que estão passando por mudanças drásticas devido às rápidas mudanças ambientais do clima e uso da terra8–12,13.

O oxigênio dissolvido (OD) é fundamental para a sobrevivência da vida aeróbica aquática. Também é necessário para a ciclagem de nutrientes e desempenha um papel central na oxidação do carbono orgânico14,15. A maioria dos estudos em rios e córregos mede o OD rotineiramente e frequentemente com alta resolução16–18. No entanto, as fontes e sumidouros de OD geralmente permanecem desconhecidos. Os processos físicos que controlam as concentrações de OD incluem as trocas gasosas (G) com a atmosfera. Os processos biológicos incluem o metabolismo do ecossistema aquático com a respiração (R) como sumidouro de OD e a fotossíntese (P) como fonte. Esses três processos são os principais impulsionadores do pool de DO em escalas de tempo horárias a sazonais19. G é independente da hora do dia e sempre atua para direcionar as concentrações de OD para o equilíbrio atmosférico. Durante o dia, o P por autótrofos normalmente aumenta o DO e pode levar à supersaturação na coluna de água. Por outro lado, R por heterótrofos pode causar subsaturação, especialmente quando o P é baixo ou ausente à noite. Tais perdas de OD aumentam quando as taxas G são baixas.

A compreensão desses processos é essencial para os ecossistemas aquáticos e análises recentes do banco de dados GLobal RIver CHemistry (GLORICH) sugerem estados cada vez mais heterotróficos dos rios, que podem se deteriorar ainda mais devido ao futuro aquecimento global2,20. Tais tendências sublinham a importância de estabelecer ferramentas novas e integrais de quantificações de fontes e sumidouros de OD que possam ajudar a quantificar o estado metabólico e o funcionamento ecológico dos ambientes aquáticos. Essas ferramentas podem ajudar a caracterizar o funcionamento do sistema e podem contribuir para o reconhecimento precoce de mudanças nos termos de fonte e sumidouro de OD. Tais avaliações também podem permitir a mitigação de consequências deletérias para os ecossistemas de riachos e sua biota19,21–24.