Caracterización y transformación de la materia orgánica disuelta en un arroyo pampeano

Abstract

La materia orgánica disuelta (MOD) es una mezcla compleja de compuestos orgánicos solubles que varían en su reactividad y rol ecológico, y es una de las principales fuentes de carbono orgánico biológicamente disponible en los ecosistemas acuáticos. Dependiendo de la fuente que origine el material, la MOD puede ser clasificada como alóctona, autóctona o antropogénica. La dinámica temporal de la MOD del arroyo suele estar gobernada por el régimen de descarga. Conocer la composición química de la MOD es importante, porque los “pools” de MOD químicamente diferentes tienen una diferente susceptibilidad a los procesos de la transformación biogeoquímicos dentro del arroyo. Los principales objetivos de este trabajo fueron: (i) identificar y caracterizar las distintas fuentes potenciales de MOD (agua subterránea, escorrentía superficial y subsuperficial y precipitación), (ii) analizar los cambios en la concentración y composición de la MOD en diferentes condiciones hidrológicas (caudal basal y caudal alto) y (iii) determinar las eficiencias netas de retención / liberación de carbono orgánico disuelto (COD) en el arroyo en diferentes condiciones hidrológicas. El estudio se realizó en el arroyo Las Flores, un arroyo de tercer orden, perteneciente a la cuenca del río Luján, ubicado al noreste de la provincia de Buenos Aires, Argentina. Este arroyo es considerado representativo de la mayoría de los arroyos pampeanos, con una baja velocidad de corriente, flujo laminar y altas concentraciones de nutrientes, que favorecen el desarrollo de comunidades de macrófitas. Seleccionamos un tramo de 2,2 km del arroyo Las Flores, el cual se origina en la confluencia de dos tributarios ubicados aguas arriba (B1 y B2). El muestreo se llevó a cabo entre septiembre de 2013 y julio de 2015 bajo diferentes condiciones hidrológicas, en condiciones de caudal basal y alto caudal (después de los eventos de tormenta) con el objetivo de incluir la máxima variación natural del caudal del arroyo. En cada ocasión de muestreo, se recolectaron muestras de agua en el sitio A, (ubicado al final del tramo de estudio), en los dos tributarios ubicados aguas arriba y en las potenciales fuentes que contribuyen al caudal del arroyo (agua subterránea, escorrentía superficial y subsuperficial y precipitación). Además, se realizó el seguimiento de tres eventos de precipitación, recolectando muestras de agua, en la fase ascendente y descendente del hidrograma. En este trabajo la concentración de COD se determinó mediante un autoanalizador de carbono Shimadzu TOCV CSH. Las propiedades ópticas de la MOD del arroyo y de los principales “end members” se determinaron mediante el uso de técnicas combinadas de espectroscopía de absorbancia y fluorescencia. Nuestros resultados indican que las características químicas de la MOD del arroyo están moduladas principalmente por una contribución diferencial d los “end members” al caudal del arroyo dependiendo de las condiciones hidrológicas. Observamos que la MOD del agua subterránea presenta un origen microbiano, mientras que la MOD en la escorrentía deriva del material vegetal y del suelo. Además en esta tesis encontramos que en condiciones basales, cuando el caudal del arroyo es principalmente mantenido por el flujo de agua subterránea, la MOD está compuesta predominantemente por una mezcla de compuestos derivados de la actividad microbiana (componentes similares a proteínas) y por compuestos húmicos derivados del paisaje circundante, los cuales son transportados al arroyo durante eventos de precipitación. La concentración de COD y los ingresos de sustancias húmicas desde la zona ribereña aumentaron con el aumento de caudal en condiciones de crecida. Las estimaciones del balance de masa revelaron que el tramo de estudio es una fuente importante de COD. En conclusión, las características químicas de la MOD en el arroyo Las Flores son moduladas principalmente por una contribución diferencial de los “end members” al caudal del arroyo dependiendo de las condiciones hidrológicas. La MOD del arroyo consiste en una mezcla de compuestos proteináceos y húmicos. Los compuestos de tipo proteico derivan principalmente de la contribución de agua subterránea al caudal del arroyo en condiciones basales y de la producción biológica que ocurre dentro del arroyo, mientras que las fracciones húmicas derivan del lavado de materiales vegetales y del suelo durante eventos de precipitación. Sin embargo, parte de la fluorescencia de tipo húmico podría originarse a partir de la descomposición de las comunidades de macrófitas altamente productivas. En el caso del arroyo Las Flores, los compuestos de tipo proteico parecen tener una contribución más importante a la MOD total, en comparación con lo que ocurre en los sistemas forestados. Nuestros resultados ponen de manifiesto la importancia de las características regionales como el relieve, el tipo de vegetación ribereña, el contenido orgánico del suelo y la presencia de macrófitas en la modulación de las propiedades químicas de la MOD en los arroyos no forestados.

The Dissolved organic matter (DOM) is a complex mixture of soluble organic compounds that vary in their reactivity and ecological role, and it is the main source of biologically available organic carbon in aquatic ecosystems. Depending on its source, DOM can be classified as either allochthonous, autochthonous or anthropogenic. The temporal dynamics of stream DOM is usually governed by the discharge regime. Understanding the chemical composition of DOM is important, because chemically different DOM pools have different susceptibility to biogeochemical transformation processes within streams. The aim of our study was; (i) to characterize the composition of DOM in stream water and their potential sources (groundwater, overland flow, subsurface flow and rain water) (ii) to analyse changes in DOM concentration and composition under different hydrological conditions (baseflow and high flow) and (iii) to determine net in-stream retention/release efficiencies of dissolved organic carbon (DOC) under different hydrological conditions. This study was carried out in Las Flores stream, a third-order stream located in the Luján River basin in the northeast of the Buenos Aires province, Argentina. This stream is considered representative of most Pampean streams, with low water velocity, laminar flow due to the gentle slope of the region and high nutrient levels that favour the development of abundant macrophyte communities. We selected a 2.2 km reach of Las Flores stream, which originates at the confluence of two tributaries (B1 and B2). Sampling was conducted from 2013 to 2015 under different hydrological conditions, from baseflow to high flow (after storm events) to include natural variation of stream discharge. On each sampling occasion, we collected water samples at the end of a reach (site A), at two upstream tributaries (B1 and B2), and at the potential hydrological contributors to stream flow (groundwater, overland and subsurface flows, and rainfall). In addition, we monitored three storm events, collecting samples during the rising and the recession limb of the hydrograph. DOC concentration was measured through high temperature catalytic oxidation on a Shimadzu TOCV CSH analyser. DOM optical properties in the stream and end members were determined by combining absorbance-fluorescence spectroscopy techniques. Our results indicated that DOM chemical characteristics in the stream were mainly modulated by a differential contribution of end members to stream water depending on hydrological conditions. We observed that DOM in groundwater showed mostly a microbial origin while DOM in runoff waters was terrestrially-derived. We find that at baseflow conditions, when stream flow is mainly maintained by groundwater inflow, DOM is predominately composed by a mixture of compounds derived from microbial activity (protein-like components) and those derived from the terrestrial landscape, which is transported to the stream during storm events. DOC concentration and inputs of humic substances from the riparian zone increased with discharge at high flow conditions. Mass balance estimates revealed that the study reach is as a source of DOC. In conclusion, DOM chemical characteristics in Las Flores stream are mainly modulated by a differential contribution of end members to stream water depending on hydrological conditions. Stream DOM consists of a mixing of proteinaceous and humic compounds. Protein-like compounds mainly derived from groundwater contribution at baseflow and in-stream production, while humic-like fractions derived from materials washed out during storm events and transported to the stream. However, part of humic-like fluorescence could originate from the breakdown of highly productive macrophyte communities. In the case of Las Flores stream, protein-like components seems to have a more relevant contribution to the total DOM pool than in forested systems. Our results highlight the importance of regional characteristics like relief, type of riparian vegetation, soil organic content, and the presence of aquatic macrophytes in modulating DOM chemical properties in open-canopy streams.