A segregação e o bloqueio das formas do leito aumentam o armazenamento de partículas naturais e sintéticas nos rios

Nature Communications volume 12, número do artigo: 7315 (2021) Citar este artigo

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Embora o significado ecológico da troca hiporreica e do transporte de partículas finas nos rios esteja bem estabelecido, estes processos são geralmente considerados irrelevantes para a morfodinâmica do leito dos rios. Mostramos que o acoplamento entre a troca hiporreica, a deposição de sedimentos em suspensão e o movimento do leito de areia modula fortemente a morfodinâmica e classifica os sedimentos do leito. A troca hiporreica concentra a deposição de partículas finas dentro e abaixo dos leitos móveis, o que suprime a mobilidade do leito. Contudo, os finos depositados também são remobilizados pelo movimento do leito, proporcionando um mecanismo para segregar partículas grossas e finas no leito. Surpreendentemente, dois estados finais distintos emergem da interação concorrente de estabilização e remobilização do leito: um estado bloqueado no qual a deposição de partículas finas estabiliza completamente o leito, e um equilíbrio dinâmico no qual a remobilização frequente classifica o leito e restaura a mobilidade. Estas descobertas demonstram a importância da troca hiporreica para a morfodinâmica do leito dos rios e esclarecem como as interações dinâmicas entre partículas grossas e finas produzem padrões sedimentares comumente encontrados em rios.

Os rios transportam material dissolvido e particulado dos continentes para os oceanos. As partículas terrestres desempenham um papel fundamental na estruturação dos canais dos rios aluviais1, na manutenção das costas deltaicas2 e no apoio aos ecossistemas aquáticos3,4. A matéria orgânica particulada é retida nos leitos dos rios e nas planícies aluviais5, enterrada nas clinoformas deltaicas6 e armazenada nos sedimentos marinhos7,8. Consequentemente, a dinâmica do sistema fluvial interno regula o metabolismo do carbono, produzindo um efluxo anual de 5,1 Pg de carbono dos rios para a atmosfera e entregando 0,9 Pg9 de carbono derivado da terra aos oceanos5,8,10,11,12. O desenvolvimento da terra e a agricultura aumentaram substancialmente a erosão do solo e a distribuição de partículas nos rios13. O acúmulo excessivo dessas partículas finas nos sedimentos (assoreamento, incrustação) é uma das principais causas de comprometimento dos ecossistemas aquáticos atualmente14,15. Estes impactos são grandemente exacerbados quando as próprias partículas são tóxicas (por exemplo, rejeitos metálicos de minas)16. Simultaneamente, grandes quantidades de plásticos foram introduzidas nos sistemas aquáticos, produzindo números extraordinários de pequenas partículas, fragmentos e fibras – denominados coletivamente microplásticos – que são transportados e se acumulam nos sistemas fluviais17,18. Os tempos de armazenamento de tais partículas sintéticas e as suas consequências a longo prazo para os ecossistemas aquáticos são atualmente desconhecidos.

Partículas terrestres, aquáticas e antropogênicas estão sujeitas a uma ampla gama de condições durante o transporte das cabeceiras dos rios para os ecossistemas costeiros, incluindo variações de luz solar e oxigênio na coluna de água, abrasão física, fortes gradientes redox e metabolismo microbiano diversificado no leito do rio19,20 ,21. A matéria orgânica dissolvida e particulada é transformada tanto no riacho como na zona hiporreica – a região altamente bioativa do leito do rio onde a água do rio se mistura com as águas subterrâneas19. A troca hiporreica facilita o metabolismo microbiano, fornecendo oxigênio, carbono e nutrientes às comunidades microbianas bentônicas e hiporreicas . A taxa e a extensão das trocas hiporreicas são controladas pelo fluxo do rio, pela morfologia do canal e pela permeabilidade do leito do rio. No entanto, o fluxo hiporreico e as escalas de tempo de armazenamento não foram incorporados aos modelos numéricos e conceituais para a dinâmica da matéria orgânica particulada ou microplásticos nos rios22,23,24,25.

Até o momento, a deposição de partículas inorgânicas, orgânicas e sintéticas finas (diâmetro <50 \(\mu {{{{{\rm{m}}}}}}\)) e leves (gravidade específica ~ 1) em leitos de rios tem não foram considerados porque geralmente se presume que permanecem suspensos na coluna de água devido às baixas velocidades de sedimentação26. Embora estudos iniciais indiquem que partículas finas e/ou leves podem impactar a morfodinâmica do leito27 e sabe-se que os finos modulam as propriedades dos fluidos28, é comumente assumido que eles interagem apenas minimamente com os leitos dos rios29. Cada vez mais, há consciência de que as partículas finas podem impactar a morfodinâmica do leito, já que estudos recentes mostraram que os finos podem alterar a inclinação do leito30 e interagir com os sedimentos do leito como parte da carga do leito31,32. Além disso, partículas finas em suspensão são transportadas para os leitos dos rios por troca hiporreica e acumulam-se no subsolo33,34,35,36.

relative to sand alone ) decreased linearly with the stabilization ratio (Fig. 2b). Stabilization of mobile sediment beds solely by deposition of fine particles from the water column has not previously been quantified. These findings indicate that fine-particle deposition and remobilization episodically regulate the morphodynamics of sand-bed rivers./p> 0), deposited clay is frequently remobilized from within bedforms, and long-term deposition only occurs in a horizontal layer below the active region of bed sediment transport. For this case, we observed a peak in clay accumulation at the location of the most frequent (modal) scour depth (Fig. 3a). This can be considered the result of a stochastic process in which passage of a random series of bedforms induces both downward motion of suspended particles along hyporheic flow paths and remobilization of deposited particles though scour. This remobilization can be considered a type of winnowing process removing fine particles from the sediment bed. However, repeated passage of bedforms moves clay particles deeper into the bed, and ultimately into regions from which they are not remobilized44. The resulting clay accumulation layer is horizontal because it is formed by the passage of many bedforms, which longitudinally homogenizes the effects of hyporheic exchange processes45. Conversely, when stabilization dominates, there is extensive deposition of clay within each bedform and the resulting strong local stabilization slows and ultimately stops bed sediment motion. For the locked case, we observed that clay accumulation decreased monotonically with depth in the bed (Fig. 3b), as expected for a process driven by flux of sediment particle from the water column46,47./p>