Las diatomeas del biofilm fluvial como indicadores ambientales a corto plazo en el seguimiento de la recuperación de la calidad del agua de sistemas acuáticos pampeanos

Abstract

Los ríos y arroyos que forman parte del paisaje urbano en la Ecoregión Pampeana, han sufrido modificaciones profundas que condujeron a un proceso de simplificación ecológico, a un aumento en la concentración de nutrientes y contaminantes, resultando en arroyos altamente impactados con una gran pérdida de estructura y función. Las diatomeas son usadas comúnmente como indicadores biológicos para evaluar la calidad del agua en ríos y arroyos, debido a que son sensibles a un amplio rango de presiones ambientales. En tal sentido, su uso en las evaluaciones de la calidad del agua se sustenta en las respuestas rápidas tanto a los cambios en las condiciones ambientales debido a un aumento de la contaminación, como al éxito de la restauración del hábitat. El objetivo general de la presente tesis fue analizar la eficacia de las respuestas estructurales y funcionales del ensamble de diatomeas en diagnosticar la recuperación de la calidad del agua de ambientes fluviales pampeanos. Para esto se realizaron experiencias in situ y ex situ con la finalidad de contrastar hipótesis vinculadas a la respuesta del ensamble de diatomeas frente a diferentes calidades del agua. En primer lugar se caracterizó el proceso de colonización del biofilm, en particular del ensamble de diatomeas en arroyos expuestos a diferentes niveles de impacto antropogénico, tanto urbano como agrícola. Para tal fin se realizaron dos experiencias (ambas desarrolladas en el capítulo 3) utilizando sustratos artificiales duros en arroyos de la ciudad de La Plata con diferentes niveles y tipos de impacto antropogénico. A través de la realización de estas experiencias de colonización temprana se pudieron identificar las variables que resultaron buenas descriptoras de este proceso en arroyos Entre los principales resultados se destacan que el desarrollo de la biomasa autotrófica del biofilm fue menor y más lento en los arroyos más impactados, independientemente si el impacto era agrícola o urbano. Las diatomeas fueron el grupo algal dominante en arroyos con impacto urbano, mientras que en los arroyos con impacto agrícola estuvieron igual representadas que los otros grupos algales. El análisis de los gremios ecológicos reveló que en las primeras etapas de la colonización el gremio móvil fue el dominante, siendo además el de mayor representación en el ensamble. A su vez se observó que las diatomeas de tallas intermedias a grandes son las que dominan el proceso de colonización de los sustratos artificiales. En segundo lugar, se analizaron los cambios estructurales y funcionales del ensamble de diatomeas de sitios estresados por factores agrícolas y urbanos cuando fueron expuestos a mejorías en la calidad del agua. Para esta finalidad se seleccionaron los siguientes descriptores: diversidad, riqueza específica, gremios ecológicos, Índice de Diatomeas Pampeanas (IDP), movilidad celular, tamaño celular, alteraciones nucleares y de las valvas y se realizaron 2 experiencias de translocación La primera experiencia de translocación (capítulo 4) se llevó a cabo con biofilms desarrollados en sustratos naturales (epipelon) en arroyos expuestos a alto impacto urbano a arroyos expuesto a bajo impacto urbano. En tanto, la segunda experiencia de translocación (capítulo 5) se realizó en arroyos con diferentes niveles de impacto agrícola, empleando en este caso el biofilm desarrollado en sustrato artificial (vidrios esmerilados). Los resultaron de estas experiencias permitieron reconocer que ni la riqueza específica ni el índice de diversidad de Shannon resultaron ser variables indicativas de la mejoría en la calidad del agua, pero sí resultó sensible a los cambios el índice de diatomeas pampeanas (IDP). Las proporciones de los gremios ecológicos (bajo perfil, alto perfil y móvil) fueron variables frente a los cambios en la calidad del agua generados por los distintos tipos de de impacto analizados. El gremio móvil fue el de mayor representación en el ensamble. El gremio de alto perfil respondió en ambos tipos de impacto aumentando su proporción en los ensambles translocados, mientras que el gremio de bajo perfil respondió a las diferencias en la calidad del agua disminuyendo su proporción en los arroyos con impacto agrícola, pero no lo hizo en los arroyos con impacto urbano. El análisis de la proporción de anomalías nucleares, particularmente la proporción de núcleos con ruptura de membrana nuclear fue una variable sensible a la mejoría de la calidad del agua en ambo tipos de impacto. Por lo contrario, la proporción de valvas con deformaciones no resultó ser una variable significativa en manifestar los cambios en la calidad del agua en los arroyos estudiados. En cuanto al análisis de la movilidad de las diatomeas, no respondieron significativamente a los cambios en la calidad del agua. Por último se analizó la respuesta de la movilidad, de la proporción de anomalías nucleares, la densidad poblacional y el tamaño celular en Nitzschia palea expuesta a elutriados procedentes de sedimentos contaminados por la actividad agrícola, con la finalidad de evaluar su potencialidad en la evaluación de la toxicidad de sedimentos. Para tal fin se realizó un ensayo en laboratorio (desarrollado en el capítulo 6) con elutriados obtenidos a partir de sedimento de un sector del arroyo Carnaval expuesto al impacto agrícola. Se expuso un cultivo de Nitzschia palea al elutriado del sedimento, rico en compuestos organoclorados (endosulfán) y metales pesados (Cu y Zn) y se midieron las variables en cinco muestreos durante una semana. Los resultados demostraron que todas las variables analizadas resultaron afectadas en los tratamientos expuestos a los elutriados de los sedimentos. La movilidad y las alteraciones nucleares evidenciaron los efectos más rápidamente (en 24-48 hs) que la densidad y el tamaño celular (en una semana). Se pudo concluir que las respuestas estudiadas en N. palea resultaron eficaces para evaluar la toxicidad del sedimento de los cursos de agua pampeanos. Los resultados obtenidos en esta tesis, a través de distintos abordajes metodológicos, han permitido reconocer como algunas respuestas del ensamble de diatomeas son capaces de detectar rápidamente los cambios en la calidad del agua, resaltando así su valor como biomonitores en el seguimiento temprano de los procesos de recuperación de los sistemas fluviales de la llanura pampeana.

The rivers and streams that are part of the urban landscape in the Pampean Ecoregion have undergone profound modifications that led to an ecological simplification process, and an increase in the concentration of nutrients and pollutants resulting in highly impacted streams with a great loss of ecological structure and function. Diatoms are commonly used as biological indicators to assess water quality in rivers and streams, because they are sensitive to a wide range of environmental pressures. Its use in water quality assessments is based on their rapid responses both to changes in environmental conditions due to increased pollution, and to the success of habitat restoration. The main objective of this thesis was to analyze the efficiency of the structural and functional responses of the diatom assemblage in diagnosing the recovery of water quality in Pampean fluvial environments. For this purpose, in situ and ex situ experiences were carried out in order to contrast hypotheses related to the response of the diatom assemblage to different water qualities. First of all, the colonization process of the biofilm was characterized; particularly of the diatom assemblage in streams exposed to different levels of anthropogenic impact, both urban and agricultural. For this purpose, two experiments were carried out (both explained in chapter 3) using hard artificial substrates in streams in the city of La Plata with different levels and types of anthropogenic impact. Through these early colonization experiences it was possible to identify the variables that were good descriptors of the colonization process in streams. Among the main results it was measured that the development of the autotrophic biomass of the biofilm was lower and slower in more impacted streams, regardless of whether the impact had an agricultural or urban origin. Diatoms were the dominant algal group in streams with urban impact, while in streams with agricultural impact they were equally represented as the other algal groups. The analysis of the ecological guilds revealed that in the early stages of colonization the mobile guild was the dominant one, being also the one with the greatest representation in the assemblage. In turn, it was observed that diatoms of intermediate to large sizes are those that dominate the colonization process of artificial substrates. Secondly, the structural and functional changes of the diatom assemblage from sites stressed by agricultural and urban factors when exposed to improvements in water quality were analyzed. For this purpose, the following descriptors were measured in two translocation experiments: diversity, specific richness, ecological guilds, the Pampean Diatom Index (IDP), cell mobility, cell size, nuclear and valve alterations. The first translocation experiment (Chapter 4) was conducted with biofilms developed in natural substrates (epipelon) in streams exposed to high urban impact to streams exposed to low urban impact. The second translocation experiment (Chapter 5) was conducted in streams with different levels of agricultural impact, using in this case the biofilm developed in artificial substrate (glass). The results of these experiments allowed us to recognize that neither the specific richness nor the diversity (Shannon index) were variables indicative of the improvement in water quality, but the Pampean diatom index (IDP) was sensitive to changes. The proportions of the different ecological guilds (low profile, high profile and mobile) were variable in relation to the changes in water quality generated by the different types of impacts analyzed. The mobile guild was most represented one in the assemblage. The high-profile guild responded in both types of impacts by increasing its proportion in the translocated assemblages, while the low-profile guild responded to the differences in water quality by decreasing its proportion in streams with agricultural impact, but did not follow this pattern in streams with urban impact. The analysis of the proportion of nuclear anomalies, particularly the proportion of nuclei with nuclear membrane ruptures, was a variable sensitive to the improvement of water quality in both types of impact. On the other hand, the proportion of deformed valves did not turn out to be a significant variable that expresses the changes in water quality in the studied streams. Regarding the analyses of the motility of diatoms, these variables did not respond significantly to changes in water quality. Lastly, the responses in motility, in the proportion of nuclear anomalies, in population density and cell size in Nitzschia palea exposed to elutriates from sediments from streams polluted by agricultural activity were analyzed, in order to evaluate their potential as indicators of sediment toxicity. For this purpose, a laboratory test (detailed in chapter 6) was carried out with elutriates obtained from stream sediment from a sector of the Carnaval stream, exposed to intense agricultural activity. A culture of Nitzschia palea was exposed to the elutriates of the sediment, rich in organochlorine compounds (endosulfan) and metals (Cu and Zn), and the variations in the diatom population were measured in five sampling times during one week. The results showed that all the variables analyzed were affected by the elutriates treatments. Motility and nuclear alterations showed these effects more quickly (in 24-48 hours) than cell density and cell size (in one week). It was concluded that the responses studied in N. palea were effective in responding to the toxicity of the sediment of the Pampean streams. The results shown in this thesis, through different methodological approaches, have allowed to recognize that some responses of the diatom assemblage are capable of rapidly detecting changes in water quality, thus highlighting their value as biomonitors in the early water quality recovery processes in the fluvial systems of the Pampean plain.