Shallow Lakes as sentinels of climate variability: Response of phytoplankton communities

Los lagos y lagunas son utilizados como indicadores del cambio climático en todo el mundo. La celeridad con la que responden a los eventos atmosféricos convierte a estos ambientes en ideales para estudiar los efectos de la variabilidad climática de una región. Las lagunas pampeanas son cuerpos de agua someros, que carecen de estratificación y presentan una tendencia a la eutrofización. El fitoplancton constituye el nivel más importante de los productores primarios en la trama trófica de la mayoría de los ecosistemas acuáticos y es un elemento clave como indicador de la calidad del agua. El objetivo general de esta investigación fue conocer y comparar la respuesta de la comunidad fitoplanctónica a la variabilidad climática, las variables fisicoquímicas y a las actividades antrópicas en dos lagunas someras de la Región Pampeana con distintas características de salinidad (Laguna de Puan y La Salada). Las lagunas se estudiaron mediante muestreos mensuales de los parámetros fisicoquímicos y biológicos desde octubre 2012 a marzo 2015 en La Salada y desde abril 2014 a julio 2016 en Puan (mediciones de baja frecuencia). Se realizó una caracterización climática de cada sitio y se analizaron los eventos secos y húmedos de la región durante el período 1960-2016. Por otro lado, con sensores de medición continua (alta frecuencia), se obtuvieron parámetros ambientales (temperatura del aire, humedad relativa, velocidad del viento, dirección del viento y humedad relativa) y limnológicos (clorofila a, oxígeno disuelto, temperatura del agua). Las lagunas de Puan y La Salada están ubicadas al sudoeste de la provincia de Buenos Aires. Durante el desarrollo de esta investigación se determinó que la región estaba siendo influenciada por los efectos del fenómeno ENSO. Mediante la utilización del Índice Estandarizado de Precipitación (IEP) y el método de quintiles, se encontró que los años 2014, 2015 y 2016 fueron años húmedos. La precipitación registrada en cada sitio mostró diferencias significativas, determinando subregiones diferentes para cada laguna. En Puan, el análisis de alta frecuencia de las variables ambientales, realizado con el método de la Transformada Rápida de Fourier y el estudio de las condiciones sinópticas atmosféricas, permitió detectar un patrón de circulación de vientos local, generado por el Sistema Serrano de Ventania. Este patrón se caracterizó por un cambio en la dirección e intensidad del viento durante el día (mayor intensidad de dirección: S, SE) y la noche (menor intensidad con dirección N y NE). En la Laguna de Puan, las abundantes precipitaciones durante el período 2014-2015 afectaron el volumen, área y nivel del agua, y modificaron las características fisicoquímicas. En la laguna La Salada, las características morfométricas y fisicoquímicas no mostraron fluctuaciones importantes durante los eventos lluviosos. Las condiciones fisicoquímicas entre estos dos cuerpos de agua someros, fueron significativamente distintas en la conductividad, la transparencia del agua, la concentración de nutrientes y la clorofila a. Sólo la laguna de Puan presentó variaciones anuales importantes de estos parámetros. Se estudió la dinámica temporal del fitoplancton mediante un análisis cualitativo y cuantitativo, se calculó biovolumen, biomasa, índices ecológicos y se analizaron los grupos funcionales de la comunidad fitoplanctónica. Los resultados de la serie temporal (octubre 2012 – marzo 2015) del fitoplancton en La Salada, no mostraron diferencias anuales importantes. La comunidad estuvo dominada por especies del género Ochromonas. La dominancia de estas especies se observó durante todo el período los máximos valores de abundancia se registraron durante el otoño de 2013 y 2014. El mantenimiento artificial del nivel del agua influye en la escasa fluctuación de las variables fisicoquímicas de la laguna La Salada. Esto genera que sea un ambiente con elevada estabilidad temporal en sus características (valores altos de transparencia y conductividad) que colabora con el desarrollo y permanencia de un grupo funcional (X3) dominante. Por el contrario, en Puan durante el período abril 2014 – julio 2016 se observó una gran variabilidad temporal de las abundancias fitoplanctónicas, reflejada en las diferencias observadas entre los años estudiados y en las diferencias estacionales. Durante 2014 la laguna de Puan sufría las consecuencias de la sequía de años previos, con escasa transparencia del agua y elevada conductividad. Estas condiciones y la ausencia de peces favorecieron el desarrollo de la comunidad zooplanctónica, que habría generado una importante presión de pastoreo, con un control “top-down” sobre el fitoplancton. En 2015 el nivel del agua se restableció dando lugar en primera instancia a especies de grupos funcionales de mayor tamaño (MP) y oportunistas (W1), mientras que al final del período de estudio (2016) se identificó una proliferación de Microcystis aeruginosa (M) cuya capacidad de latencia y potencial de toxicidad incrementan la importancia del monitoreo del fitoplancton en esta laguna. Las mediciones mensuales, permitieron establecer que la Laguna de Puan responde a la variabilidad climática de la región, generando importantes cambios en las comunidades fitoplanctónicas. Por su parte en La Salada, el fuerte efecto antrópico, debido al manejo lagunar, no permite detectar cambios en el fitoplancton durante los períodos secos y húmedos. Sin embargo, la medición en alta frecuencia de la clorofila a en La Salada reveló importantes fluctuaciones de este parámetro durante el pasaje de centros de baja presión. El paso de frentes, caracterizado por vientos fuertes, nubosidad y/o lluvias, provoca que la clorofila disminuya significativamente. La clorofila a tarda un tiempo aproximado de 1,5 a 2 días en volver al valor promedio mensual.Los sensores de alta frecuencia resultaron una herramienta fundamental para evaluar el comportamiento de estos ambientes en diferentes escalas temporales y determinar el efecto de las condiciones atmosféricas sobre las características biológicas. Los resultados de esta tesis, además de constituir un aporte al conocimiento de la comunidad fitoplanctónica de dos lagunas someras del sudoeste bonaerense, han demostrado la influencia atmosférica en sus diferentes escalas temporales (sinópticas e interanuales) sobre la comunidad de fitoplancton. Sin lugar a duda a futuro se deberían utilizar estos resultados para la planificación de estudios fitoplanctónicos lagunares.Lakes and shallow lakes are used as indicators of climate change around the world. The quick response to atmospheric events, converts these environments as ideal to study the effects of climate variability of a region. The Pampean lagoons are shallow water bodies they have lack stratification and a tendency to eutrophication. Phytoplankton is the first link in the trophic chain and a key element of aquatic ecosystems as an indicator of water quality. The general objective aim of this research was to know and compare the response of phytoplankton community to climatic variability, physicochemical variables and anthropic activities in two shallow lagoons of the Pampean Region with different salinity (Puan and La Salada). The lagoons were studied by monthly sampling of the physicochemical and biological parameters during October, 2012 to March, 2015 in La Salada and April, 2014 to July, 2016 in Puan (low frequency measurements). They were studied monthly sampling of the physicochemical and biological parameters during October, 2012 to March, 2015 in La Salada and April, 2014 to July, 2016 in Puan (low frequency measurements). A climatic characterization of each site was carried out and the dry and humid events of the region were analyzed during the period 1960-2016. On the other hand, with continuous measurement sensors (high frequency), environmental parameters were obtained (air temperature, relative humidity, wind speed, wind direction and relative humidity) and limnological parameters (chlorophyll a, dissolved oxygen, water temperature). The Puan and La Salada lagoons are located southeast of the province of Buenos Aires. During this investigation it was determined that the region was being influenced by the effects of the ENSO. The Standardized Precipitation Index (IEP) and the quintile method, it was found that the years 2014, 2015 and 2016 were wet years. The rainfall recorded in each site had significant differences, determining different subregions for each lagoon. In Puan, the high frequency analysis of the environmental variables, carried out with the Fast Fourier Transform method and the study of atmospheric synoptic conditions, allowed us to detect a local wind circulation pattern, generated by the Sistema Serrano de Ventania. This pattern was characterized by a change in the direction and intensity of the wind during the day (greater intensity of direction: S, SE) and night (less intensity with direction N and NE). The abundant rainfall during the 2014-2015 in Puan Lagoon affected the volume, area and water level, and modified the physicochemical characteristics. In La Salada lagoon, the morphometric and physicochemical characteristics did not show significant fluctuations during rainy events. The physicochemical conditions between these two shallow water bodies were significantly different in conductivity, water transparency, nutrient concentration and chlorophyll a. Only in Puan shallow lakes shown important annual variations of these parameters. The temporal dynamics of phytoplankton was studied through a qualitative and quantitative analysis, biovolume calculation, biomass, ecological indexes and the implementation of a functional classification based on the one proposed by Reynolds (2002). The results of the time series (October 2012 – March 2015) of phytoplankton in La Salada, did not show significant annual differences. The community is dominated by species of the genus Ochromonas. The dominance of these species was observed throughout the period, the maximum abundance was recorded in autumn of 2013 and 2014. In La Salada lagoon, the artificial maintenance of the water level influences the low fluctuation of the physicochemical variables. This generates an environment with high temporal stability in its characteristics (high values of transparency and conductivity) that collaborates with the development and permanence of a dominant functional group (X3). In contrast, in Puan during April, 2014 – July, 2016 was observed a great temporal variability of the phytoplankton abundances, reflected in the differences between the years and seasonal differences. During 2014, the Puan lagoon suffered the consequences of the drought of previous years, with poor water transparency and high conductivity. These conditions and the lack of fish proved the development of the zooplankton community, which would have generated an important grazing pressure, with a "top-down" control over the phytoplankton. In 2015, the water level was restored, giving rise in the first instance to species of larger functional groups (MP) and opportunists (W1). While at the end of the study period (2016) a "bloom" of Microcystis aeruginosa (M) was identified, whose latent capacity and toxicity potential increase the importance of phytoplankton monitoring in this lagoon. The monthly measurements allowed determine the Puan Lagoon responds to the climatic variability of the region, generating important changes in the phytoplankton communities. Whilst in La Salada, the strong anthropic effect due to management, does not allow detect changes in phytoplankton during dry and wet periods. However, the high frequency measurement of chlorophyll a in La Salada revealed significant fluctuations of this parameter during low pressure centers. The fronts, characterized strong winds, cloudiness and / or rainfall, causes chlorophyll decrease significantly. Chlorophyll a takes approximately 1.5 to 2 days to return to normal value. The high frequency sensors were a fundamental to evaluate the behavior of these ecosystems at different time scales and determine the effect of atmospheric conditions on biological characteristics. The results of this thesis, in addition to making a contribution to the knowledge of the phytoplankton community of two shallow lagoons of the southwest of Buenos Aires, have demonstrated the atmospheric influence in their different temporal scales (synoptic and interannual) on phytoplankton community. Without doubt in the future these results should be used for the planning of lagoon phytoplankton studies.Fil: Zunino, Josefina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Instituto Argentino de Oceanografía. Universidad Nacional del Sur. Instituto Argentino de Oceanografía; Argentin