Disentangling the environmental impact on the biogeochemistry of water reservoir subtropical in southern, Brazil

Abstract

Resumo: Sabe-se que a biogeoquímica dos lagos pode ser influenciada por mudanças climáticas, assim como atividades antrópicas. Tais mudanças podem ser refletidas nas variações da composição da matéria orgânica (MO). Para estudar as mudanças ambientais ocorridas na bacia do reservatório Passauna, sul do Brasil, foram coletados dois testemunhos sedimentares, os quais contém matéria orgânica depositada no período compreendido de aproximadamente 136 anos para o testemunho I e 97 anos para o testemunho II. Com base em diversos marcadores geoquímicos (metais, ä13C, ä15N, n-alcanos e hopanos), foi possível identificar que durante o período de 1930-1970 as atividades antropogênicas controlaram os impactos e a qualidade da água. Também foram utilizadas razões entre metais Mn/Fe, Cu/Ni e V(V+Ni) como indicadores paleoredox e paleoproductividade (Capitulo 2). Já o Capítulo 3, mostra a evolução da produção da matéria orgânica alóctone e autóctone no reservatório, assim como reconstrução histórica da deposição atmosférica da cidade Curitiba, portanto, a implicância de atividades antropogênicas nesse período (Capitulo 4). Os valores de EF (Fator de Enriquecimento) dos seguintes metais diminuíram: no testemunho I, EF(Fe) > EF(Mn) > EF(Cd) > EF(Sb) > EF(Zn) > EF(Cu) > EF(Cr) > EF(Pb); e no testemunho II, EF(Sb) > EF(Pb) > EF(Cd) > EF(Cr) > EF(Fe) > EF(V) > EF(Zn) > EF(Cu) > EF(Ni) > EF(Mn), assim mostrando o enriquecimento dos metais durante o período de 1930- 1970. No testemunho II, durante o período 1973-2013 há um aumento na concentração de alcanos de cadeia curta, indicando contribuição do fitoplâncton. Em contrapartida, no testemunho I prevalece a fonte terrestre para composição da matéria orgânica. Atividade microbiana e presença de bactérias metanotróficas foram confirmadas com a presença dos seguintes hopanos: 17?,21?(H)-30-norhopane; 18? (H)-30-nor-neo-hopane; 17?, 21?(H)-hopane; and 17(alfa),21(beta)(H)-hopane (moretane), depois de 1940. As concentrações totais de HPAs variaram de 5,13 ng.g-1 a 444,60 ng.g-1 (testemunho I) e de 124,55 ng.g-1 a 3.018,14 ng.g-1 (testemunho II). As concentrações atingiram o pico em 1944 e 1958, refletindo o crescimento da economia local. Em geral, este estudo fornece informações mais precisas que podem auxiliar na construção de cenários pretéritos vinculados a mudanças climáticas e antrópicas. Tais resultados podem ser utilizados posteriormente no planejamento futuro para restauração e gerenciamento de corpos hídricos em situação semelhante.

Abstract: It is known that the biogeochemistry of lakes can be influenced by climate change and human activities. Such changes can be reflected in variations in the composition of organic matter (OM). To study the environmental changes that occurred in the Passauna reservoir basin, south of Brazil sedimentary cores were collected, which contain organic matter deposited in the period comprised approximately 136 years for core I and 97 years for core II. Based on several geochemical markers (metals, ?13C, ?15N, n-alkanes, and hopanes), it was possible to identify that during the period 1930-1970, anthropogenic activities-controlled impacted water quality. In addition, we applied the Mn/Fe, Cu/Ni, and V(V+Ni) ratios as paleoredox and paleoproductivity indicators (Chapter 2). To better understand the evolution of the production of allochthonous and autochthonous organic matter in the reservoir (Chapter 3), as well as the historical reconstruction of the atmospheric deposition of the Curitiba city, therefore, the implications of anthropogenic activities in this period (Chapter 4). The Enrichment Factor (EF) values of the following metals decreased: in core I, EF(Fe) > EF(Mn) > EF(Cd) > EF(Sb) > EF(Zn) > EF(Cu) > EF(Cr) > EF(Pb); and in core II, EF(Sb) > EF(Pb) > EF(Cd) > EF(Cr) > EF(Fe) > EF(V) > EF(Zn) > EF(Cu) > EF(Ni) > EF(Mn), showing the largest enrichment of the metals during the period 1930-1970. In the core II, during the period 1973-2013 shows an increase in short-chain n-alkanes concentration, indicating contribution by phytoplankton. In contrast, in core I, terrestrial source prevails for organic matter composition. Microbial activity and presence of methanotrophic bacteria was confirmed with the presence of the following hopanes: 17(alfa),21(beta)(H)-30-norhopane; 18?(H)-30-nor-neohopane; 17(alfa),21(beta)(H)-hopane; and 17beta),21(alfa)(H)-hopane (moretane), after 1940. Total concentrations of PAHs varied from 5.13 ng g-1 to 444.60 ng g-1 (core I) and from 124.55 ng.g- 1 to 3,018.14 ng.g-1 (core II). The concentrations peaked at 1944 and 1958, reflecting the boom in local economics. Overall, this study provides more accurate information that can help in the construction of past scenarios linked to anthropic changes. These results can be used later to develop plans for the restoration and management of water bodies in similar conditions.

Resumen: Se sabe que la biogeoquímica de los lagos puede verse influenciada por el cambio climático, así como por las actividades humanas. Dichos cambios pueden reflejarse en variaciones en la composición de la materia orgánica (MO). Para estudiar los cambios ambientales ocurridos en la cuenca del embalse de Passauna, sur de Brasil, fueron recolectados dos núcleos sedimentarios que contienen materia orgánica depositada aproximadamente en un periodo 136 años para el núcleo I y 97 años para el núcleo II. Con base en varios marcadores geoquímicos (metales, ?13C, ?15N, n-alcanos y hopanos), fue posible identificar que durante el período 1930-1970, las actividades antrópicas controlaron los impactos y la calidad del agua. Las relaciones entre los metales Mn/Fe, Cu/Ni y V(V+Ni) se utilizaron como indicadores de paleoredox y paleoproductividad (Capítulo 2). El Capítulo 3, por otro lado, muestra la evolución de la producción de materia orgánica alóctona y autóctona en el embalse, así como la reconstrucción histórica de la deposición atmosférica de la ciudad de Curitiba, por lo tanto, las implicaciones de las actividades antrópicas en este período. (Capítulo 4). Los valores de EF (Factor de Enriquecimiento) de los siguientes metales disminuyeron: en el núcleo I, EF(Fe) > EF(Mn) > EF(Cd) > EF(Sb) > EF(Zn) > EF(Cu) > EF (Cr) > EF(Pb); y en el núcleo II, EF(Sb) > EF(Pb) > EF(Cd) > EF(Cr) > EF(Fe) > EF(V) > EF(Zn) > EF(Cu) > EF(Ni) > EF(Mn), mostrando así el enriquecimiento de metales durante el período 1930-1970. En el núcleo II, durante el período 1973-2013 se presenta un incremento en la concentración de alcanos de cadena corta, indicando el aporte de fitoplancton. En cambio, en el núcleo I predomina la fuente terrestre para la composición de la materia orgánica. Despues de 1940, la actividad microbiana y la presencia de bacterias metanotróficas se confirmaron con la presencia de los siguientes hopanos: 17?,21?(H)-30-norhopano; 18? (H)-30-nor-neohopano; 17?, 21?(H)-hopano; y 17?,21?(H)-hopano (moretano). Las concentraciones totales de PAH oscilaron entre 5,13 ng.g-1 y 444,60 ng.g-1 (nucleo I) y entre 124,55 ng.g-1 y 3018,14 ng.g-1 (nucleo II). Las concentraciones alcanzaron su punto máximo en 1944 y 1958, lo que refleja el auge de la economía local. En general, este estudio proporciona información más precisa que puede ayudar en la construcción de escenarios pasados vinculados a los cambios climáticos y antrópicos. Dichos resultados pueden utilizarse posteriormente en la planificación futura para la restauración y gestión de cuerpos de agua en una situación similar.