Anthropogenic and climate changes observed by biomarkers in paleogeochemical studies

Abstract

Resumo: Este estudo apresenta uma avaliação do potencial de biomarcadores na construção de cenários passados. Registros de mudanças ambientais ocorridas em duas áreas de estudo distintas foram obtidos a partir do uso de biomarcadores de mudanças antropogênicas e climáticas em sedimentos datados.Mudanças ambientais ocorridas a mil anos atrás foram estudadas na bacia do Lago Ohrid (Sudoeste da Macedônia), enquanto alterações mais recentes, nos últimos 400 anos, foram avaliadas na região norte de Curitiba e Almirante Tamandaré (Sul do Brasil). O ultimo milênio corresponde ao final do Holoceno, no qual ocorreram importantes eventos climáticos da história do planeta, tais como a Era Negra, Período Medieval Quente (PMQ), Pequena Idade do Gelo (PIG) e a Idade Moderna. No Lago Ohrid, alterações na quantidade e composição da matéria orgânica no sedimento foram observadas. A distribuição de lipídios mostrou uma substituição de fontes de matéria orgânica de plantas por solo e consequente aumento da produtividade no lago. Esta alteração se deve ao aumento do desmatamento na área devido a eventos históricos tais como a fundação do Monastério Saint Naum e a elevação da cidade de Ohrid a capital do Império Búlgaro. Associado a influência humana na região está o aumento das chuvas, característico da transição da Era Negra (frio e seco) para o PMQ (quente e úmido). Outro cenário foi observado no sul do Brasil, com mudanças mais recentes, referentes a transição da PIG para a Idade Moderna. Evidências de alterações na vegetação, clima e composição atmosférica foram discutidas e de maneira geral, três estágios foram observados: 1600-1730, mais quente e seco, predomínio de plantas herbáceas sobre lenhosas, 1730-1800, mais frio e seco, predomínio de plantas lenhosas e 1800- presente, final da PIG, mais quente e úmido. Do ponto de vista atmosférico, alterações nos níveis de CO2 parecem ter ocorrido nos últimos 400 anos. Com base na razão isotópica de plantas, dois aumentos significativos foram observados entre 1600-1880 e 1930-2012. Fontes de CO2 com influência global seriam as principais responsáveis pelo primeiro aumento, enquanto fontes regionais parecem ser predominantes no segundo. Dentre as fontes em nível global, o vulcanismo pode ter contribuído para a mudança na composição atmosférica, principalmente entre 1600 e 1880, uma vez que alterações no pH do solo são evidentes. No período mais recente, o aumento do CO2 atmosférico foi atribuído a fontes antropogênicas, tais como queima de biomassa e combustíveis fosseis. O impacto antrópico na região foi avaliado através da distribuição de hidrocarbonetos poliaromáticos, cujas fontes indicaram a evolução das atividades humanas na região nos últimos 150 anos, de forma a complementar o entendimento da mudança na composição atmosférica. De maneira geral, o presente estudo contribui para a elucidação das alterações ambientais ocorridas em períodos significativos da história, em regiões onde informações desta natureza são escassas. Em tempos de discussão sobre mudanças climáticas, o entendimento de eventos do passado, que podem vir a se repetir em um ciclo, e dos reais efeitos da ação do homem no planeta, contribuem para a construção de cenários e previsões futuras.

Abstract: This study presents an assessment of the potential of biomarkers in the construction of past scenarios. Records of environmental changes in two distinct areas of study were obtained from the use of biomarkers from anthropogenic and climate changes in dated sediment cores. Changes that occurred between 840 to 1330 were studied in Lake Ohrid watershed (Southwest Macedonia), while more recent changes, in the last 400 years, were evaluated in the northern region of Curitiba and Almirante Tamandaré (Southern Brazil). The last millennium corresponds to the late Holocene climate in which important events in the history of the planet, such as the Dark Age, Medieval Warm Period-MWP, Little Ice Age-LIA, and the Modern Age occurred. In Lake Ohrid, changes in the amount and composition of organic matter inputted in the sediment were observed. The distribution of lipids showed a replacing of organic matter sources from plants by soil and a consequent increase in productivity in the lake. This change is related to increased deforestation in the area due to historical events, such as the foundation of the Saint Naum monastery and the elevation of Ohrid City to the capital of the Bulgarian Empire. Associated with human influence in the region is increased rainfall, characteristic of the transition from the Dark Age (colder and dry) for the MWP (warmer and humid). Another scenario was observed in southern Brazil, with more recent changes regarding the transition from LIA to the Modern Time. Evidence of changes in vegetation, climate and atmospheric composition were discussed, and in general, three periods were observed: 1600-1730, warmer and dry, predominance of herbaceous over woody plants; 1730-1800, colder and dry, predominance of woody plants and 1800-nowadays, the end of LIA, warmer and more humid. From the atmospheric compartment, changes in CO2 levels appear to have occurred in the last 400 years. Based on the isotopic ratios from plant sources, two significant increases were observed between 1600-1880 and 1930-2012. Sources of CO2 with global influence would be primarily responsible for the initial increase, while regional sources seem to be predominant in the second. Among the global sources, volcanism may have contributed to the change in atmospheric composition, especially between 1600 and 1880, since changes in soil pH were evident. More recently, the rise of atmospheric CO2 has been attributed to anthropogenic sources such as biomass and fossil fuels burning. The anthropogenic impact on the region was assessed through the distribution of polyaromatic hydrocarbons, whose sources have indicated the evolution of human activities in the region over the past 150 years, complementing the understanding of changes in atmospheric composition. Overall, this study contributes to the elucidation of environmental changes in significant periods of history, in regions where information of this approach are scarce. In times of strong discussion about climate change, the understanding of past events that may be repeated in a cycle and the real effects of human actions on the planet contribute to the construction of future scenarios and forecasts.