Characterization of epilithic biofilms occurring in the Guaporé river catchment

Epilithic biofilms dominate microbial life in streams and rivers, lead to crucial ecosystem processes and contribute to global biogeochemical fluxes. However, the intensification of human activities continually exposes water resources to different sources of contamination and may cause alterations in the organic and mineral composition of these communities. In this context, the chemical characterization of biofilms is of great importance to better understand their dynamics in the aquatic environment. The present study aimed to characterize epilithic biofilms occurring in a agricultural catchment of Rio Grande do Sul State in terms of organic and mineral composition. Nine sampling points were selected in the sub-catchment of Capingui River, in the sub-catchment of Marau Stream, both tributaries of the Guaporé River, and in the main course of the Guaporé River catchment. Epilithic biofilms were sampled in the fall and spring, from the collection and manual brushing of the material adhered to fragments of submerged rocks. The organic composition was evaluated by the analyzes of total organic carbon and total nitrogen, percentage of minerals and organic material, pyrolysis coupled to gas chromatography and mass spectroscopy, attenuated total reflectance infrared and 2D nuclear magnetic resonance. The mineral composition of the biofilms was obtained from the analysis of granulometry, pseudo-total and total elements contents and X-ray diffractometry. The results demonstrate that epilithic biofilms are constituted mainly by minerals (62.14 to 84.45%). The collection points with less influence of the anthropic action presented greater amount of biofilm on the rocks. On the other hand, the concentrations of organic carbon (36.0 to 44.6%) and organic nitrogen (5.2 to 7.2%) showed little variation within the biofilm biomass. Spectrometric techniques have demonstrated that epilithic biofilms are mainly composed of polysaccharides, nitrogen-containing compounds, lipids and aromatic and phenolic structures, which have functional groups characteristic of alcohol, ester, ether and amide. The quantitative composition of these biomolecules varied due to the variation of the contamination with minerals and consequent variation of the organic material contents. The oxidation of the organic matter caused the increase of the percentage of particles in the clay fraction, evidencing that the clay fraction present in the biofilms has a strong physical-chemical interaction with the organic material. However, the highest proportion of particles accumulated in biofilms is found in silt size (67.18 to 83.44%). Epilithic biofilms bioaccumulate expressive amounts of elements, especially Al, Fe, Mn, Ca and Mg, originating from the source material, and mainly from the anthropic activities. The X-ray diffractometry analysis highlights the presence of quartz and illite and the possibility of mineral neoformation in epilithic biofilms. Thus, the connectivity of the erosive processes with the fluvial network of the Guaporé River is responsible for the adsorption of organic compounds and the contamination of the biofilms with elements and nutrients of the cultivated areas. The spectrometric techniques used allowed to deepen the investigation on the chemical constitution of the epilithic biofilms.Os biofilmes epilíticos dominam a vida microbiana em córregos e rios, conduzem processos ecossistêmicos cruciais e contribuem para fluxos biogeoquímicos globais. Porém, a intensificação das atividades humanas expõe continuamente os recursos hídricos a diferentes fontes de contaminação e pode ocasionar alterações na composição orgânica e mineral dessas comunidades. Dessa forma, a caracterização química dos biofilmes é de fundamental importância para melhor compreender a sua dinâmica no ambiente aquático. Objetivou-se com o presente trabalho caracterizar biofilmes epilíticos ocorrentes em uma bacia hidrográfica rural do estado do Rio Grande do Sul quanto à composição orgânica e mineral. Foram selecionados nove pontos de amostragem distribuídos na sub-bacia hidrográfica do Rio Capingui e na sub-bacia hidrográfica do Arroio Marau, ambos afluentes do Rio Guaporé, e no curso principal da bacia hidrográfica do Rio Guaporé. Os biofilmes epilíticos foram amostrados no outono e na primavera, a partir da coleta e escovação manual do material aderido à fragmentos de rochas submersas. A composição orgânica foi avaliada pelas análises de carbono orgânico total e nitrogênio total, porcentagem de minerais e material orgânico, pirólise acoplada a cromatografia gasosa e espectroscopia de massas, infravermelho com refletância total atenuada e ressonância magnética nuclear 2D. A composição mineral dos biofilmes foi obtida a partir das análises de granulometria, teores pseudo-total e total de elementos e difratometria de raios-X. Os resultados demonstram que os biofilmes epilíticos são constituídos principalmente por minerais (62,14 a 84,45%). Os pontos de coleta com menor influência da ação antrópica apresentaram maior quantidade de biofilme sobre as rochas. Por outro lado, as concentrações de carbono orgânico (36,0 a 44,6%) e nitrogênio orgânico (5,2 a 7,2%) mostraram-se pouco variáveis dentro da biomassa dos biofilmes. As técnicas espectrométricas demonstraram que os biofilmes epilíticos são constituídos principalmente por polissacarídeos, compostos contendo nitrogênio, lipídios e estruturas aromáticas e fenólicas, os quais apresentam grupos funcionais característicos de álcool, éster, éter e amida. A composição quantitativa dessas biomoléculas variou em virtude da variação da “contaminação” com minerais e, consequente variação dos teores de material orgânico. A oxidação da matéria orgânica propiciou o aumento da porcentagem de partículas na fração argila, evidenciando que a fração argila presente nos biofilmes possui forte interação físico-química com o material orgânico. No entanto, a maior proporção de partículas acumuladas nos biofilmes encontra-se no tamanho de silte (67,18 a 83,44%). Os biofilmes epilíticos bioacumulam quantidades expressivas de elementos, com destaque para Al, Fe, Mn, Ca e Mg, oriundos do material de origem e, principalmente das atividades antrópicas. A análise de difratometria de raios-X destacou a presença de quartzo e ilita e, a possibilidade de neoformação de minerais nos biofilmes. Assim, a conectividade dos processos erosivos com a rede fluvial do Rio Guaporé é responsável pela adsorção de compostos orgânicos e contaminação dos biofilmes com elementos e nutrientes das áreas de lavoura. As técnicas espectrométricas utilizadas possibilitaram aprofundar a investigação sobre a constituição química dos biofilmes epilíticos