O papel dos filtros ambientais na estruturação das comunidades fitoplanctônicas e na facilitação da ocorrência de algas potencialmente tóxicas e invasoras em um reservatório subtropical

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Ciências Biológicas, Programa de Pós-Graduação em Ecologia, Florianópolis, 2021.

Nos ecossistemas de água doce, a dinâmica e a estrutura das comunidades fitoplanctônicas são tradicionalmente correlacionadas com a variabilidade dos filtros ambientais em diferentes escalas espaciais e temporais. De maneira geral, essa variabilidade ambiental pode determinar substituições periódicas nas assembleias fitoplanctônicas, modificando seus aspectos taxonômicos e funcionais e, em alguns casos, favorecendo o crescimento e a dominância de grupos específicos de algas. Via de regra, a luminosidade e a concentração de nutrientes desempenham um papel fundamental na estruturação das comunidades fitoplanctônicas. No entanto, diversos outros fatores ambientais podem afetar a disponibilidade de luz e de nutrientes para o fitoplâncton, afetando, portanto, a estrutura do fitoplâncton de forma igualmente importante. Entre estes filtros ambientais, podemos destacar os fatores climáticos (temperatura, insolação e a pluviosidade) e os processos hidrodinâmicos (regime de mistura, fluxo e estratificação) e hidrológicos (características físico-químicas como pH, concentração de sólidos, oxigênio dissolvido, etc.) específicos de cada ecossistema. Em ambientes perturbados, como é o caso dos reservatórios e lagos artificiais, o papel destes filtros ambientais é geralmente potencializado, uma vez que a modificação do curso e da dinâmica naturais do rio e as alterações da paisagem e do clima em escala local podem exercer influência direta sobre o hábitat, o nicho e a disponibilidade de recursos para os organismos que compõem o fitoplâncton destes ecossistemas. Assim, descrever o papel dos filtros ambientais na estruturação destas comunidades torna-se uma importante ferramenta para o entendimento da dinâmica espacial e temporal dos ecossistemas de água doce, especialmente em ambientes impactados. Neste sentido, a presente tese objetivou avaliar o papel e a potencial influência da variabilidade espaço/temporal dos filtros ambientais na estruturação das comunidades fitoplanctônicas no reservatório de Itá, sul do Brasil. Mais especificamente, os três capítulos e o estudo incluído no apêndice desta tese objetivaram, respectivamente: i) Verificar a ocorrência de dissimilaridades espaço/temporais e padrões de dominância e avaliar a influência da variabilidade ambiental na comunidade fitoplanctônica do reservatório, identificando os principais fatores ambientais correlacionadas com a densidade fitoplanctônica neste ambiente; ii) Determinar a importância relativa dos processos espaciais e ambientais na estruturação funcional da comunidade microfitoplanctônica do reservatório, utilizando a abordagem dos grupos funcionais baseados em aspectos morfológicos proposta por KRUK et al., (2010); iii) 3) Investigar os principais fatores abióticos relacionados à ocorrência de variabilidades temporais na biomassa do dinoflagelado exótico invasor Ceratium furcoides no reservatório de Itá e avaliar o efeito de sua ocorrência nos indicadores de diversidade do microfitoplâncton; e iv) Caracterizar o estado trófico do reservatório de Itá, sul do Brasil, avaliando sua influência na estruturação das comunidades fitoplanctônicas neste ambiente. Os dados de campo foram registrados trimestralmente, entre fevereiro/2017 e dezembro/2018, em seis pontos de amostragem estabelecidos na área de abrangência do reservatório. Os resultados do Capítulo I evidenciaram a ocorrência de dissimilaridades sazonais significativas na composição da comunidade fitoplanctônica, com predominância de cianobactérias potencialmente nocivas (Aphanizomenon spp. e Dolichospermum spp.) no Verão, dinoflagelados exóticos (Ceratium furcoides) no Outono/Inverno e algas verdes na Primavera. A temperatura da água explicou 53% da dissimilaridade do fitoplâncton, e o pH, sólidos solúveis e disponibilidade de nutrientes também foram incluídos entre as variáveis ambientais que melhor explicaram a variabilidade nas densidades do fitoplâncton. No Capítulo II, significativas dissimilaridades sazonais foram observadas na biomassa dos grupos funcionais baseados na morfologia (MBFG). Maiores biomassas de cianobactérias potencialmente nocivas (MBFG III) e do dinoflagelado exótico/invasor Ceratium furcoides (MBFG V) foram observadas no Verão e no Outono/Inverno, respectivamente. O componente climático (precipitação, temperatura da água e a intensidade do vento) explicou sozinho 23% da variação na biomassa dos MBFGs, enquanto que o componente espacial explicou apenas 2% desta variação. No Capítulo III, a disponibilidade de nutrientes e a transparência da água foram identificados como os principais fatores abióticos correlacionados com o aumento da biomassa de C. furcoides durante as estações frias, resultando em uma diminuição da diversidade e aumento da dominância na assembleia microfitoplanctônica nestas estações. No estudo apresentado no apêndice, o elevado estado trófico, a disponibilidade de nutrientes e as características do uso e ocupação do solo no entorno do reservatório foram apontados como fatores-chave para explicar a variabilidade sazonal do fitoplâncton. Esses resultados demonstraram que a variabilidade temporal dos filtros ambientais relacionados ao clima e ao estado trófico do reservatório desempenham um papel fundamental no estabelecimento e crescimento deste dinoflagelado invasor neste ambiente. Em síntese, os resultados aqui apresentados evidenciaram uma influência significativa dos filtros ambientais relacionados às condições climáticas e à disponibilidade de nutrientes sobre a estruturação taxonômica e funcional da comunidade fitoplanctônica do reservatório de Itá, bem como no estabelecimento e crescimento de espécies potencialmente tóxicas e exóticas neste ambiente. Esses resultados alertam, entre outras questões, para a necessidade de investigações mais cuidadosas sobre a influência dos filtros ambientais relacionados ao clima e ao enriquecimento nutricional na estruturação de comunidades fitoplanctônicas e no favorecimento de florações periódicas de algas nocivas e exóticas em ecossistemas subtropicais de água doce, especialmente em ambientes perturbados, como reservatórios artificiais com níveis tróficos elevados. Essas investigações se tornam ainda mais urgentes e importantes se considerarmos cenários futuros com intensificação de eventos climáticos extremos (por exemplo, aumento na temperatura, mudanças nos padrões de chuva e seca) e eutrofização dos ambientes aquáticos, especialmente em escala local e regional.

Abstract: In freshwater ecosystems, the dynamics and structuring of phytoplankton communities are traditionally correlated with the variability of environmental filters at different spatial and temporal scales. In general, this environmental variability can determine periodic changes in phytoplankton assemblages, modifying their taxonomic and functional aspects and, in some cases, favoring the growth and dominance of specific algal groups. Light and nutrient availability play a fundamental role in structuring phytoplankton communities. However, several other environmental factors can affect the availability of light and nutrients for phytoplankton, affecting the structure of phytoplankton in an equally important way. Among these environmental filters, we can highlight the climatic factors (temperature, insolation and rainfall) and the hydrodynamic (mixing, flow and stratification regime) and hydrological (physical-chemical characteristics such as pH, solids concentration, dissolved oxygen, etc.) processes specific to each ecosystem. The modification of the natural course and dynamics of the river and the changes in the landscape and climate on a local scale can exert influence on habitat, niche and availability of resources for the phytoplankton organisms in these ecosystems. Thus, describing the role of environmental filters in the structuring of these communities becomes an important tool for understanding the spatial and temporal dynamics of freshwater ecosystems, especially in impacted environments. In this sense, the present thesis aimed to evaluate the role and the potential influence of the spatial/temporal variability of environmental filters in structuring phytoplankton communities in the Itá reservoir, southern Brazil. More specifically, the three chapters and the study included in the appendix of this thesis aimed, respectively: i) To verify the occurrence of spatial/temporal dissimilarities and dominance patterns and to evaluate the influence of environmental variability in the phytoplankton community of the reservoir, identifying the main environmental factors correlated with phytoplankton density in this environment. ii) To determine the relative importance of spatial and environmental processes in the functional structuring of the microphytoplankton community, by using the functional groups approach based on morphological traits proposed by KRUK et al., (2010). iii) To investigate the main abiotic factors related to occurrence of temporal variabilities in the biomass of the exotic dinoflagellate Ceratium furcoides in Itá reservoir, evaluating the effect of its occurrence in the microphytoplankton diversity. iv) To characterize the trophic state of the Itá reservoir, southern Brazil, assessing its influence on the structuring of phytoplankton communities in this environment. Field samplings were recorded quarterly, between February/2017 and December/2018, at six sampling points established in the reservoir's coverage area. The results presented in the Chapter I showed the occurrence of significant seasonal dissimilarities in the composition of the phytoplankton community, with a predominance of potentially harmful cyanobacteria (Aphanizomenon spp. and Dolichospermum spp.) in summer, exotic dinoflagellates (Ceratium furcoides) in autumn/winter and green algae in the spring. Water temperature explained 53% of phytoplankton dissimilarity, and pH, soluble solids and nutrient availability were also included among the environmental variables that best explained the variability in phytoplankton densities. In Chapter II, significant seasonal dissimilarities were observed in the biomass of the morphological based functional groups (MBFG). Increased biomasses of potentially harmful cyanobacteria (MBFG III) and the exotic/invasive dinoflagellate Ceratium furcoides (MBFG V) were observed in summer and autumn/winter, respectively. The purely climatic component (precipitation, water temperature and wind intensity) explained 23% of the variation in the MBFG's biomass, while the spatial component explained only 2% of this variation. In Chapter III, nutrient availability and water transparency were identified as the main abiotic factors correlated with the increase in C. furcoides biomass during the cold seasons, resulting in a decrease in diversity and an increase in dominance in the microphytoplankton assembly in these seasons. In the study presented in the appendix, the high trophic state, nutrient availability and land use/occupation around the reservoir were pointed as key factors to explain the seasonal variability of phytoplankton community. These results demonstrate that the temporal variability of the environmental filters related to climate and trophic state of the reservoir play a key role on establishment and growth of this alien organism in this environment. In summary, the results presented here evidenced a significant influence of environmental filters related to climatic and nutritional conditions on the taxonomic and functional structuring of the phytoplankton community in Itá reservoir, as well as on the establishment and growth of potentially toxic and exotic species in this environment. These results alert, among other issues, to the need for more careful investigations on the influence of climate-related and nutrient-enrichment environmental filters on the structuring of phytoplankton communities and favoring of periodic blooms of harmful and exotic algae in subtropical freshwater ecosystems, especially in disturbed environments, such as artificial reservoirs with elevated trophic levels. These investigations become more urgent and important if we consider future scenarios with intensification of extreme weather (e.g. increase in temperature, changes in rain and drought patterns), and eutrophication events, especially at local and regional scales.