Effect of volcanic deposits on stream biofilms in the Nahuel Huapi lake catchment (Río Negro, Argentina)

Las erupciones volcánicas de gran escala son perturbaciones que modifican el ambiente por decenas de años. La Patagonia argentina ha sido afectada por numerosos eventos de erupciones volcánicas, por hallarse en la zona volcánica del sur. El 4 de junio de 2011 se produjo una erupción explosiva del Complejo Volcánico Puyehue Cordón Caulle (CVPCC - 2236 m snm; 40°30’S, 72°12’O - Chile), la tercera en los últimos 100 años, que liberó más de 1,25 km3 de magma, el cual modificó el paisaje a cientos de kilómetros hacia el este del mismo. Estudios previos realizados sobre efectos de los depósitos volcánicos en el ambiente acuático indican que tienen consecuencias tanto sobre la química del agua, liberando diferentes cantidades de elementos (entre ellos P y Fe) que fertilizan el sistema, así como también sobre la biota, observando consecuencias por efectos directos como son la mortalidad, daños en los aparatos bucales, sistema digestivo, branquias, o indirectos, por modificación o pérdida del hábitat. En la presente tesis se estudió cómo afectan los depósitos volcánicos la química y la biota de los cuerpos de agua 4 y 7 años después de su caída en el ambiente. También observamos el sistema luego de una erupción reciente pero más leve (erupción del Volcán Calbuco en abril de 2015). En primer lugar se realizó una revisión de la bibliografía existente sobre los efectos de las erupciones volcánicas en los biofilms de los arroyos, la cual revela que sólo existe un trabajo al respecto, luego de la explosión del Monte Santa Helena. A continuación se realizó un experimento de lixiviación de cenizas volcánicas en laboratorio con el fin de cuantificar la cantidad de P y Fe que liberan. Asimismo, se analizó el efecto sobre la comunidad del biofilm en arroyos, mediante muestreos de 10 arroyos (Puyehue, Pantojo, Pereyra I y II, Pireco, Totoral, La Estacada, Ragintuco, Goye y Casa de Piedra) ubicados al este del CVPCC en territorio argentino, a lo largo de un gradiente de depositación del material piroclástico sobre la cuenca del lago Nahuel Huapi (LNH). Los muestreos se realizaron en diferentes momentos del año y en años consecutivos para analizar la variabilidad estacional y la posible recuperación del sistema en 4 años. En principio se analizaron las variables fisicoquímicas del agua y la concentración de clorofila en el biofilm como variable respuesta. Luego se compararon otras variables, tanto estructurales (concentración de clorofila, densidad de productores primarios y bacteriana, composición de la comunidad de productores primarios, biomasa del biofilm, contenido de C, N y P) y funcionales (actividad de fosfatasa alcalina-APA, perfiles fisiológicos de la comunidad bacteriana), en dos arroyos afectados y dos arroyos no afectados por el material volcánico. Y por último, se realizó un experimento en mesocosmos, donde se aislaron dos factores muy modificados en los arroyos tras la erupción del volcán: los sólidos totales en suspensión (STS), simulados con el agregado de vidrio molido (factor V) y el fósforo reactivo soluble (PRS), adicionado mediante el uso de difusores de nutrientes (factor P). Por medio del experimento de lixiviación se demostró que la tefra presente en las cuencas afectadas por el volcán aún liberan P y Fe, particularmente si las rocas están sujetas a la molienda mecánica. Por medio del análisis a lo largo del gradiente de depositación se demostró que siete años después de la erupción volcánica, los arroyos de cabecera que fueron originalmente más afectados (aquellos más cercanos al CVPCC) aún contienen más sólidos en suspensión y mayores concentraciones de P y Fe en el agua que arroyos más alejados. Los análisis intra e interanuales pusieron en evidencia la relevancia de las variaciones estacionales y de las precipitaciones en la dinámica de ingreso de material volcánico en los arroyos. A pesar de no hallar un patrón relacionado con el volcán en la concentración de clorofila, se observó un predominio de cianobacterias en los ambientes afectados. La comparación de arroyos afectados y no afectados, mostró que los depósitos volcánicos que persisten en las cuencas, al modificar la carga de sedimentos en suspensión y las concentraciones de P en los arroyos, generaron cambios sobre el biofilm. Estas perturbaciones sobre las comunidades del biofilm fueron: disminución de las relaciones C:P, disminución de la APA, disminución del índice autotrófico. También se observó un cambio en la dominancia de los grupos de autótrofos, siendo las cianobacterias dominantes en los arroyos afectados. El experimento en mesocosmos permitió identificar que tanto los sólidos en suspensión como el P (ambos factores que se modifican luego de una erupción volcánica) interactúan sobre las variables del biofilm. Tanto la concentración de clorofila, la biomasa final (PSLC), el contenido de C, N y P, como las relaciones elementales C:P y N:P y la APA fueron mayores en el tratamiento P, sin vidrio, mientras que tanto la relación C:clorofila como la concentración de sustancias poliméricas extracelulares (EPS) por unidad de biomasa fue mayor en los tratamientos con V sin P. Dado que las comunidades del biofilm en los arroyos de bajo orden son importantes para el ciclo de nutrientes y carbono, se espera que un cambio en el metabolismo del biofilm afecte los ciclos de nutrientes de los arroyos que se transportarían aguas abajo. La conclusión final de esta tesis señala que estos tipos de eventos deben ser vistos como oportunidades para reunir información ecológica valiosa sobre cómo las perturbaciones severas, como las erupciones volcánicas, moldean el paisaje y los ecosistemas lóticos durante varios años después de ocurrido el evento.Volcanic eruptions represent perturbations that modify the environment for decades. Argentinian Patagonia has been affected by numerous volcanic eruptions, as it is placed in the South Volcanic Zone. On 4th June 2011, the Puyehue-Cordón Caulle Volcanic Complex (PCCVC - 2236 m asl; 40°30’S, 72°12’W - Chile) explosively erupted, for the third time in the last 100 years. More than 1.25 km3 of magma was released, which modified the landscape over hundreds kilometers. Previous studies on the volcanic deposits effects in aquatic environments showed their consequences both on the aquatic chemistry, by releasing elements such as P and Fe with fertilizer effects, and on the biota. The effects on the biota may be direct, such as mortality, mouthparts damage, digestive problems, gills clogging, or indirect effects as consequences of habitat modification or loss. In the present thesis, the effects of volcanic deposits on stream chemistry and biota were studied 4 and 7 years after their fall into the environments. We also observed the effects of a recent, less sever eruption on the streams (eruption of Calbuco Volcano in April 2015). A bibliographic review on the effects of volcanic eruptions on stream biofilms revealed that there is only one paper on this topic, after the eruption of Mt Saint Helens. In this thesis, we carried out a laboratory leaching experiments of tephra to quantify P and Fe realising. Besides, we analyzed the effects of the tephra on stream biofilm communities, by sampling 10 streams (Puyehue, Pantojo, Pereyra I and II, Pireco, Totoral, La Estacada, Ragintuco, Goye and Casa de Piedra) eastwards the PCCVC, in Argentine, along a depositional gradient of piroclastic material on the Nahuel Huapi lake catchment. Samplings were carried out in different dates in 2014 and in consecutive years (2014, 2015, and 2018) to allow the analysis of seasonal variability and the possible ecosystem recuperation after 4 years. Firstly, we analyzed water physical and chemical variables as well as chlorophyll concentrations response variable. Then, we compared other variables, both structural (chlorophyll concentration, primary producers and bacterial density, primary producers community composition, biofilm biomass, and C, N and P content) and functional variables (alkaline phosphatase activity-APA, community level physiological profiles), in two affected and two unaffected streams. Finally, we carried out indoor experiments in mesocosms, where the two factors that were more modified after the volcanic eruptions were manipulated: total suspended solids (TSS), simulated by adding milled glass (factor V) and soluble reactive phosphorous (SRP), simulated by adding nutrient diffusing substrates (Factor P). Throughout the tephra leaching experiment we demonstrated that the tephra in catchments affected by the volcano still release P and Fe, particularly if the rocks are mechanically milled. The analysis along the depositional gradient demonstrated that after seven years of the volcanic eruption, headwater streams that were more affected (closer to the PCCCV) still bear more TSS and SRP and Fe than the unaffected streams. The intra and interannual analyses revealed that seasonal variations and precipitation dynamics are relevant in the dynamics of volcanic material into the streams. Although we did not find a pattern of chlorophyll concentration related to the volcano material, differences in the primary producers community composition were found, with a dominance of cyanobacteria in affected environments. The comparison of affected and unaffected streams showed that volcanic deposits still present in catchments lead to changes in the stream biofilm by modifying TSS load and P concentration. These perturbations on biofilm communities consisted in the decrease of C:P ratios, APA, and the autotrophic index. Also, a change in the dominance of the primary producers community was observed, being cyanobacteria the most dominant group in affected streams. The indoor experiment in the mesocosms allowed to identify that there is an interactive effect of TSS and P (the two most affected factors after a volcanic eruption) on biofilm variables. Chlorophyll concentration, final biofilm biomass, C, N and P content, C:P and N:P ratios and APA were positively affected by P but only in the absence of glass; while C:chlorophyll ratio and extracellular polymeric substances (EPS) were higher in the presence of glass but without P. Given the recognized importance of the biofilm community of headwater streams in nutrient and carbon cycles, a change in biofilm metabolism will affect nutrient cycles downstream. These types of events should be seen as opportunities to gather valuable ecological information about how severe disturbances, like volcanic eruptions, shape landscapes and lotic systems for several years after the event.Fil: Carrillo, Uara Ayelen. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Patagonia Norte. Instituto de Investigaciones en Biodiversidad y Medioambiente. Universidad Nacional del Comahue. Centro Regional Universidad Bariloche. Instituto de Investigaciones en Biodiversidad y Medioambiente; Argentin