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Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES Nutrient cycling is a fundamental ecosystem service as it provides an adequate balance of elements that are necessary for life. In freshwaters, the balance of nitrogen (N) and phosphorus (P) are of special interest as they often limit or control primary production and biomass formation. While the availability of these nutrients is fundamental for the maintenance of biodiversity and productivity of freshwaters, their excess can lead to eutrophic conditions that are associated with impaired water quality and biodiversity loss. The nutrient balance in freshwaters can potentially be affected by a variety of biotic and abiotic, external and internal pathways. In this thesis, two frameworks were explored. First, a spatial framework focused on external processes, where we investigated the direct and indirect effects that land use (i.e. type, extent), precipitation and landscape properties (i.e. lake origin, lake and catchment absolute and relative size and geomorphology) have on biotic and abiotic properties of freshwater systems. More specifically, in chapter one we evaluated, across 98 tropical lakes and reservoirs, the individual and interactive effects of land use, precipitation and landscape properties on patterns of water quality parameters (N, P and chlorophyll-a). In chapter two, we characterized the 98 lakes as natural or artificial and compared them regarding the landscape properties of their surroundings, their morphometry, and their physico/chemical characteristics to verify whether those factors can be associated with average patterns of phytoplankton community structure at both local and regional scales. The second approach, presented in Chapter 3, was a long-term temporal framework focused on internal processes related to nutrient cycling where we assessed whether an omnivorous fish with high biomass and growth rate is a source or sink of N and P to the pelagic zone of a temperate eutrophic lake, at various time scales ranging from days to 20 years. A ciclagem de nutrientes é um serviço ecossistêmico fundamental, pois proporciona um equilíbrio adequado dos elementos necessários à vida. Nos ecossistemas de água doce, o balanço de nitrogênio (N) e fósforo (P) é de especial interesse, pois frequentemente estes elementos limitam ou controlam a produção primária e a formação de biomassa. Embora a disponibilidade desses nutrientes seja fundamental para a manutenção da biodiversidade e produtividade dos ecossistemas limnéticos, seu excesso pode levar a condições de eutrofização que estão associadas à deterioração da qualidade da água e à perda de biodiversidade. O balanço de nutrientes nos sistemas de água doce pode ser potencialmente afetado por uma variedade de vias bióticas e abióticas, externas e internas. Nesta tese, duas abordagens foram exploradas, uma abordagem espacial, focada em processos externos, onde foram investigados os efeitos diretos e indiretos do uso da terra (i.e. tipo, extensão), precipitação e propriedades da paisagem (tamanho absoluto e relativo e geomorfologia do lago e bacia) nas propriedades bióticas e abióticas de ecossistemas aquáticos. Mais especificamente, no capítulo um, avaliamos em 98 lagos e reservatórios tropicais os efeitos individuais e interativos do uso da terra, precipitação e propriedades da paisagem sobre parâmetros relacionados à qualidade da água (N, P e clorofila-a). No capítulo dois, caracterizamos os 98 lagos como naturais ou artificiais e os comparamos em relação às propriedades da paisagem em seu entorno, sua morfometria e suas características físico-químicas para verificar se esses fatores podem ser associados a padrões médios da estrutura da comunidade fitoplanctônica em escalas locais e regionais. A segunda, é uma abordagem temporal de longo prazo, focada em processos internos relacionados ao ciclo de nutrientes, onde avaliamos se um peixe onívoro com alta biomassa e alta taxa de crescimento é uma fonte ou sumidouro de N e P para a zona pelágica de um lago temperado eutrófico em várias escalas de tempo variando de dias a anos.

Estudos ao longo das duas últimas décadas têm apontado para um importante papel da diversidade e identidade de detritos, sobretudo a funcional, como um fator determinante na decomposição. Até o momento, sabe-se que os mecanismos pelos quais a diversidade de detritos afeta a decomposição decorrem de mecanismos bióticos mediados pelas interações entre a fauna decompositora e o detrito. Entretanto, fatores abióticos, tais como, a fotodegradação, também exercem efeitos direto sobre a decomposição, sobretudo em regiões ou habitats com alta incidência de radiação UV. Desta forma, conjectura-se que efeitos não-aditivos da diversidade de detritos na decomposição devam ser fracos ou inexistentes sob condições ambientais que não favoreçam a decomposição via mecanismos bióticos. Neste trabalho, testamos esta hipótese através de dois experimentos de campo realizados sob contextos ambientais distintos em uma restinga no Estado do Rio Grande do Norte. No primeiro experimento (Exp. 1) verificamos se e como efeitos não-aditivos da miatura e da diversidade funcional de detritos variam em magnitude e direção entre um habitat mais propício à decomposição mediada por decompositores (i.e. solo sob a vegetação) e outro em que a decomposição mediada pela foto-degradação assume maior relevância (i.e. solo nú exposto a radição solar direta). No segundo experimento (Exp. 2), verificamos apenas no habitat com elevada exposição solar se e como a sobreposição (i.e. detritos sobrepostos ou não entre si) e a posição com que o detrito se encontra verticalmente na serrapilheira (i.e. em contato com o solo, ou na superfície da serrapilheira) mediam efeitos da diversidade de detritos na decomposição. No Exp. 1, detritos de quatro espécies apresentando valores discrepantes de área foliar específica (AFE) foram colocados para decompor em monoculturas e todas as possíveis biculturas ao longo de 6 meses em litterbags. No Exp. 2 a decomposição também foi avaliada em litterbags ao longo de 6 meses, mas apenas para monoculturas e misturas formadas por duas espécies que apresentavam valores discrepantes de AFE, a Erythrina velutina e a Sterculia chicha. O Exp. 1 mostrou que a taxa de decomposição em locais expostos a ação direta da fotodegradação foi em média 34% maior do que a observada em locais sombreados sob a vegetação. Não houve efeito signifcativo da mistura de espécies na decomposição em nenhum dos contextos ambientais, indicando que em média, a decomposição das misturas de detrito podem ser previstas através da decomposição de suas monoculturas. Entretanto, este efeito não foi homogêneo entre as biculturas. Não houve efeito de dissimilaridade funcional em nenhum dos contextos ambientais e para nenhuma mistura, contudo houve efeitos em misturas pontuais, o que mostra a um efeito de identidade funcional entre determinadas misturas. De forma geral, combinações de detritos foliares com maior discrepancia nos valores de AFE, apresentaram decomposição mais lenta em biculturas do que suas correspondentes monoculturas. Tal resultado foi mediado por um trade-off entre efeito e resposta dos detritos das diferentes espécies ao sombreamento. Espécies com maior AFE foram mais sensíveis ao sombreamento, enquanto espécies com menor AFE tiveram maior efeito de sombreamento. Além disso, no Exp. 2 observamos que a sobreposição e o posicionamento vertical do detrito também modificaram os efeitos da diversidade sobre a decomposição. Efeitos da diversidade de detritos na decomposição ocorreram apenas nos tratamentos com detritos sobrepostos. Porém, os efeitos foram signifcativos apenas para a espécie S. chicha, cuja a decomposição na bicultura tanto próximo ao solo (menos exposto ao sol) quanto na superfície (mais exposto ao sol) diferiram da sua decomposição observada na monocultura (i.e. maior e menor respectivamente). Contrário as nossas expectativas, mecanismos abióticos oriundos da fotodegradação determinaram efeitos não-aditivos da diversidade funcional de detritos que retardam consistentemente a decomposição em ambientes expostos ao sol, mas tais efeitos se mostraram dependentes da posição vertical do detrito na serrapilheira. Conjuntamente, os resultados mostram que a diversidade funcional do detrito bem como fatores que determinem a posição vertical do detrito na serrapilheira (i.e. padrão fenológico) podem agir como importantes mecanismos de retenção de carbono no solo em regiões, ecossistemas ou habitats com elevada exposição solar. Studies over the last two decades have pointed to an important role of the litter diversity, especially the functional one, as a determinant of decomposition rates. So far, it has been known that the mechanisms by which the diversity of litter affects decomposition results from biotic mechanisms mediated by the interactions between the decomposing fauna and the detritus. However, abiotic factors such as photodegradation also have a direct effect on decomposition rates in many ecosystems, especially in regions or habitats with a high incidence of UV radiation. In this way, it is conjectured that non-additive effects of the debris diversity in the decomposition should be weak or nonexistent under environmental conditions that do not favor the decomposition through biotic mechanisms. In this work, we tested this conjecture through two field experiments carried out under distinct environmental contexts, in a restinga in the State of Rio Grande do Norte. In the first experiment (Exp. 1), we verified whether and as non-additive effects of the richness and functional diversity of litter vary in magnitude and direction between a habitat more conducive to decay-mediated decomposition (ie soil under vegetation) and another where Photo-degradation-mediated decomposition assumes greater relevance (ie soil exposed to direct solar radiation). In the second experiment (Exp. 2), we observed only in the habitat with high solar exposure if and as the overlap (ie overlapping or not between) and the position with which the litter is vertically in the litter (ie in contact with the soil , or on the litter surface) measured the effects of the diversity of debris on decomposition. In the Exp. 1 litter of four species, presenting discrepant values of specific leaf area (AFE) were placed to decompose in monocultures and all possible bicultures over 6 months in litterbags. In Exp. 2 the decomposition was also evaluated in litterbags over 6 months, but only for monocultures and mixtures formed by two species that presented more discrepant values of AFE, Erythrina velutina (Ev) and Sterculia chicha (Sc). The results of Exp. 1 showed that the rate of decomposition at sites exposed to the direct action of photodegradation was on average 34% higher than that observed in shaded sites under vegetation. There was no significant effect of species richness on decomposition in any of the environmental contexts, indicating that on average the decomposition of the detritus mixtures can be predicted through the decomposition of their monocultures. However, this effect was not homogeneous among the bicultures. The functional dissimilarity between the bicultures had a significant effect on the decomposition, but only in the environment exposed to the sun. In general, combinations of foliar litter with greater discrepancy in the AFE values presented slower decomposition in bicultures than in monocultures. This result was mediated by a trade-off between effect and response of the debris of different species to shade. Species with higher AFE were more sensitive to shading, while species with lower AFE had a greater shading effect. In addition, in Exp. 2 we observed that the overlap and vertical positioning of the detritus also modify the effects of diversity on decomposition. Effects of the debris diversity on decomposition occurred only in the treatments with overlapping litter. However, the effects were significant only for the S. chicha (Sc) species, whose decomposition in the near-soil (less exposed to the sun) and surface (more exposed to the sun) differed from their monoculture decomposition (ie major and minor respectively ). Contrary to our expectations, abiotic mechanisms from photodegradation determine non-additive effects of the functional diversity of debris that consistently retard decomposition in environments exposed to the sun, but such effects have been shown to be dependent on the vertical position of the debris in the litter. Together, the results show that the functional diversity of the detritus, as well as factors that determine the vertical position of the debris in the litter (ie phenological pattern) can act as important mechanisms of carbon retention in the soil in regions, ecosystems or habitats, with high exposure solar.

Lagos em regiões semiáridas são fortemente influenciados pelo regime hidrológico. Longos períodos de estiagem causam reduções drásticas no volume de água e, consequentemente, redução nas suas vazões afluentes e efluentes e mudanças no estado trófico dos lagos. Já a estação chuvosa é caracterizada por precipitações concentradas em poucos meses do ano. Devido à diminuição da conectividade entre ambientes durante a estação seca, nós acreditamos que as comunidades biológicas podem ser afetadas principalmente pelos fatores espaciais durante esse período (i. e. limitações da dispersão) e pelos fatores ambientais locais durante os períodos chuvosos. Além disso, devido às constantes e fortes mudanças sazonais, nós também acreditamos que as características físico-químicas da água e das comunidades biológicas podem responder a essas mudanças. Neste trabalho, nós testamos a hipótese de que os períodos chuvosos podem aumentar a homogeneidade da comunidade planctônica, enquanto que os períodos secos aumentam a diversidade beta e correlacionamos as mudanças ambientais entre estações com a composição e estrutura da comunidade zooplanctônica. Para tanto, amostras foram coletadas em 40 lagos do estado do Rio Grande do Norte, localizados na Caatinga, uma região semiárida no Brasil. As amostragens foram feitas nos períodos chuvoso e seco (Capítulos um e dois). Adicionalmente, foi realizado estudo de longo-termo de dois lagos (24 meses) para testar os efeitos do aumento da severidade da seca sobre a comunidade zooplanctônica (Capítulo três). Os resultados do capítulo 1 mostraram que os 40 lagos foram mais dissimilares durante o período seco, com uma maior diversidade beta do plâncton, do que durante o período chuvoso. Variáveis espaciais (i. e. distância geográfica) explicaram mais a variância na comunidade zooplanctônica do que os preditores ambientais locais durante a estação seca. Maior diversidade beta foi observada, principalmente, para organismos planctônicos maiores (i. e. mesozooplâncton) com menor habilidade de dispersão. Além disso, no capítulo 2 observamos que durante a estação seca, os lagos tornaram mais eutrofizados, apresentando mudanças nas suas características fisíco-químicas, como também mudanças na composição dos grupos de fitoplâncton, as quais foram correlacionadas com mudanças na estrutura e composição da comunidade de zooplâncton. O monitoramento de longo- termo no capítulo 3 mostrou que os lagos estudados se tornaram diferentes ao longo do tempo. Apesar do estado eutrófico de ambos os lagos, eles mostraram uma biomassa fitoplanctônica contrastante conforme o período seco se intensificou. Como os resultados dos 40 lagos, o aumento na heterogeneidade ambiental entre os dois lagos ocasionou um aumento na diversidade beta do zooplâncton durante o período seco mesmo com a redução na diversidade alfa em um dos lagos. Concluímos que a diminuição na conectividade entre os lagos durante a estação seca pode ocasionar o aumento da heterogeneidade ambiental e da diversidade beta das comunidades planctônicas. In semi-arid regions, lakes are strongly influenced by the hydrological regime. The long dry periods cause drastic reductions in water volume with a consequent decrease in inflow and outflow rates and changes in the trophic state of lakes. The rainy season is characterized by concentrated precipitation in a few months of the year. Because of decreased connectivity between environments during the dry season, we believe that biological community might be affected mainly by spatial factors during dry seasons (i.e. limitations to dispersion) and by local environmental factors during rainy periods. Furthermore, due to constant and strong seasonal changes, we also believe that the physical-chemical characteristics of water and biological communities may respond to these changes. In this work, we test the hypothesis that rainy periods might increase homogeneity in the planktonic community while dry periods increase beta diversity and correlate the environmental changes between seasons to the composition and structure of the zooplankton community. For this, samples were made in 40 lakes of Rio Grande do Norte state, located at Caatinga, a semi-arid region in Brazil. We performed one sample during the dry season and a sample during the rainy season (First and Second Chapters). Additionally, a long-term study of two lakes (24 months) was realized to test the effects of increases in drought severity over zooplankton community (Third Chapter). Results showed that the 40 lakes were more dissimilar during the dry period, with a higher beta diversity of plankton than during rainy period. Spatial variables (i.e. geographic distances) explained more the variance in zooplankton community than local environmental predictors during the dry season. Higher beta diversity was found especially for larger planktonic organisms (i. e. mesozooplankton) with low dispersion ability. Moreover, in Second Chapter we observed that during the dry season, lakes became more eutrophic, presenting changes in their physical-chemical characteristics, as well as changes in the composition of phytoplankton groups, which were correlated to changes in the structure and composition of the zooplankton community. The long-term monitoring in Third Chapter showed that the two lakes studied became different during time. Despite the eutrophic state of both lakes, they showed a contrasting phytoplankton biomass as drought period was intensified. Like the results of 40 lakes, the increase in environmental heterogeneity among the two lakes led to an increase in beta diversity of zooplankton during the dry period even with the reduction in alpha diversity in one of the lakes. We conclude that the decrease in connectivity between lakes during dry season might lead to an increase in environmental heterogeneity and beta diversity of planktonic communities.

A eutrofização artificial tem sido considerada um problema de grande preocupação nos ecossistemas aquáticos em todo o mundo. Desde 1960, os avanços científicos têm sido feitos a fim de desenvolver técnicas que atenuem os efeitos da eutrofização. Vários procedimentos físicos, químicos e biológicos podem ser usados e combinados para recuperar lagos de florações de cianobactérias, como a aplicação de um floculante combinado com argila natural ou modificada. No entanto, a eficácia dos solos de regiões áridas na mitigação de florações é desconhecida para lagos artificiais brasileiros. Neste artigo, apresentamos uma análise bibliométrica da evolução de publicações sobre florações de cianobactérias e identificamos registros que diretamente objetivam superar a ocorrência dessas florações. Além disso, avaliamos, por meio de experimentos laboratoriais, o efeito do uso combinado do floculante policloreto de alumínio (PAC) e um solo local do entorno do lago (LS), como lastro, no controle de florações de cianobactérias em um lago raso da região semiárida do Brasil. A pesquisa bibliométrica foi conduzida com o banco de dados "Web of Science" através da função de busca “TS = ((cyanobacteri* or blue green algae or cyanoprokariote or cyanophyceae) and (mass accumulation or bloom or domina*))”, de 1969 a junho de 2016. Realizamos uma análise de freqüência de palavras-chave e quantificamos o número de registros com uma abordagem de restauração. Além disso, foram realizadas três séries de experimentos em três momentos com florações diferentes em composição e biomassa no Reservatório Armando Ribeiro Gonçalves. Nossa pesquisa revelou que os estudos sobre as florações de cianobactérias aumentaram exponencialmente e seu impacto quantitativo nas ciências aquáticas aumentou significativamente ao longo dos anos (F = 97,52; p

Astyanax bimaculatus was artificially introduced in Violão lake, an upland Amazonian lake located on Serra dos Carajás/Brazil. This fish became abundant there, but is absent across nearby fishless lakes with similar characteristics, as is the case of Amendoim lake. This study aimed to test predictions of food-web theory regarding effects of a top predator fish introduction in these systems. Data series of biotic variables sampled on both Violão and Amendoin lakes from 2010 to 2013 were used. Lakes were very distinct regarding the structure and composition of macroinvertebrates, with communities being richer and more abundant in Amendoim lake. A difference on zooplankton composition was detected but no consistent effects were observed regarding zooplankton structure. Phytoplankton in Violão lake presented higher richness and chlorophyll-a biomass. Differences found at ecosystem-scale for macroinvertebrates community suggests descendent effects of A. bimaculatus translocation are more consistent in benthic-littoral communities than on planktonic communities. Results also indicates that A. bimaculatus has potential to couple pelagic and littoral habitat trough nutrient recycling. Our results showed differences between lakes are within the description of omnivorous fish effects on aquatic systems and thus, considering the effects of fish translocation in such aquatic ecosystems is pivotal for preserving local biodiversity.