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

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 10204 (2022) Citar este artigo

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O oxigênio dissolvido (OD) é crucial para a vida aeróbica em riachos e rios e depende principalmente da fotossíntese (P), da respiração do ecossistema (R) e das trocas gasosas atmosféricas (G). No entanto, as alterações climáticas e no uso dos solos perturbam progressivamente os equilíbrios metabólicos dos cursos de água naturais, enquanto refletores sensíveis das suas bacias hidrográficas. Métodos abrangentes para mapear serviços ecossistémicos fundamentais tornam-se cada vez mais importantes num ambiente em rápida mudança. Neste trabalho testamos o OD e suas proporções de isótopos estáveis ​​(18O/16O) como novas ferramentas para o estado dos ecossistemas fluviais. Para este efeito, foram realizadas seis campanhas de amostragem diária em três riachos europeus de baixa ordem e média latitude com diferentes padrões de uso do solo. A modelagem do diel DO e seus isótopos estáveis, combinada com análises de uso da terra, mostrou menores taxas de P em locais 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 relações P:R:G entre 0,1:1,1:1 e 1:1,9:1. Apenas um local com influências agrícolas e urbanas apresentou alta taxa de P de 417 mg m-2 h-1 com 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 nascentes dos rios, da disponibilidade de luz, das concentrações de nutrientes e de possíveis trocas com as águas subterrâneas. A abordagem de modelagem apresentada introduz uma ferramenta nova e poderosa para estudar os efeitos do uso da terra na saúde dos rios. Tais abordagens devem ser integradas na futura monitorização ecológica.

Os riachos e rios estão entre os indicadores mais importantes do estado ambiental dos nossos continentes1–4. São também os transportadores mais importantes de materiais dos continentes para os oceanos e, como os lineamentos mais baixos nas paisagens, integram a água e os 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 atualmente passando por mudanças drásticas devido às rápidas mudanças ambientais de 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 sobre rios e córregos mede o OD rotineiramente e muitas vezes com alta resolução16–18. No entanto, as fontes e sumidouros de OD muitas vezes permanecem desconhecidos. Os processos físicos que controlam as concentrações de OD incluem 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. Estes três processos são os principais impulsionadores do pool de OD em escalas horárias e sazonais19. G é independente da hora do dia e sempre atua para conduzir as concentrações de OD ao equilíbrio atmosférico. Durante o dia, o P dos autotróficos normalmente aumenta o OD e pode levar à supersaturação na coluna de água. Por outro lado, R por heterótrofos pode causar subsaturação, especialmente quando P é baixo ou ausente à noite. Essas perdas de OD aumentam quando as taxas de G são baixas.

A compreensão destes processos é essencial para os ecossistemas aquáticos e análises recentes da base de dados GLobal RIver CHemistry (GLORICH) sugeriram estados cada vez mais heterotróficos dos rios, que podem deteriorar-se ainda mais devido ao futuro aquecimento global2,20. Tais tendências sublinham a importância de estabelecer ferramentas novas e integrais de quantificação 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 origem e sumidouro de OD. Essas avaliações também podem permitir a mitigação de consequências deletérias para os ecossistemas ribeirinhos e sua biota19,21–24.