Suivi et modélisation de la dynamique des cyanobactéries dans les lacs urbains au sein de leur bassin versant

Os lagos naturais ou artificiais, situados em centros urbanos, desempenham funções variadas e muito importantes para o funcionamento sustentável das cidades. Nas últimas décadas, os ecossistemas lênticos urbanos têm sido seriamente afetados pelas atividades antrópicas desenvolvidas em suas bacias de drenagem. Em regiões urbanizadas, as mudanças no modo de ocupação do solo e a impermeabilização de superfícies são responsáveis pelo aumento do volume e da carga poluidora do escoamento superficial. Em razão dessa pressão antrópica, vários lagos em todo o mundo encontram-se eutrofizados e sofrem com constantes proliferações de cianobactérias, incluindo espécies potencialmente tóxicas ao homem. O objetivo principal dessa tese é contribuir para uma melhor compreensão dos mecanismos envolvidos na dinâmica das cianobactérias em lagos urbanos. O trabalho de pesquisa dividiuse entre dois locais de estudo: o lago Enghien na França e a lagoa da Pampulha no Brasil. No lago francês, buscou-se tirar proveito de novas tecnologias empregadas no monitoramento do fitoplâncton para modelar a dinâmica das cianobactérias em curto intervalo de tempo. No Brasil, local de estudo principal, a modelagem da dinâmica das cianobactérias foi realizada considerando-se a inserção do lago em sua bacia hidrográfica graças a uma modelagem integrada: o modelo do lago utilizado para a simulação das cianobactérias foi acoplado ao modelo hidrológico capaz de simular as vazões escoadas pelos afluentes do lago, assim como a qualidade de suas águas. A modelagem baseou-se em dados obtidos in situ durante 21 meses de monitoramento. O desempenho de uma sonda espectrofluorimétrica para estimação da biomassa fitoplanctônica nesse lago hipereutrófico também foi avaliado. Na lagoa da Pampulha os resultados obtidos mostraram que: · A sonda espectrofluorimétrica subestima a biomassa das cianobactérias quando (i) espécies da ordem Oscillatoriales estão presentes, uma vez que elas apresentam menor fluorescência por unidade de clorofila a, (ii) espécies coloniais representam mais de 20% da biomassa de cianobactérias e (iii) a clorofila a total medida pela sonda espectrofluorimétrica ultrapassa o valor de 100 g.L-1. · O modelo hidrológico apresentou bom desempenho na simulação das vazões (coeficiente de Nash entre 0.70 e 0.88 na calibração e 0.72 e 0.78 na validação) e resultados pouco satisfatórios na simulação dos nutrientes. O modelo do lago, acoplado em etapas com o modelo hidrológico, mostrou uma boa capacidade explicativa da dinâmica das cianobactérias em sua versão mais completa (NMAE = 0.26 na calibração e NMAE = 0.55 na validação). · Durante o período chuvoso, o escoamento superficial é uma fonte importante de sólidos em suspensão, fósforo e nitratos para a lagoa da Pampulha. A amônia é proveniente principalmente do esgoto lançado clandestinamente nos córregos afluentes. Episódios chuvosos podem promover a mistura da coluna dágua e perturbar o crescimento das cianobactérias na lagoa. · De acordo com o modelo do lago, o crescimento das cianobactérias na lagoa da Pampulha foi limitado pelo fósforo durante a maior parte do período de monitoramento. Os episódios de desestratificação da lagoa possuem um efeito importante sobre a disponibilidade de nutrientes nas camadas superficiais. O trabalho realizado na lagoa da Pampulha possibilitou um avanço no estudo integrado de aspectos quantitativos e qualitativos do ciclo hidrológico em meio urbano e forneceu uma ferramenta que pode ser utilizada na simulação de cenários que representem mudanças na bacia hidrográfica e seus respectivos impactos sobre a lagoa. A metodologia desenvolvida nessa tese pode ser aplicada em outros ambientes lacustres, aproveitando-se dos conhecimentos já adquiridos sobre a lagoa da Pampulha.Urban lakes, often artificial, are fully integrated into the urban environment and perform several roles that are important for the sustainable functioning of cities. These ecosystems are strongly affected by human activities such as urbanization, land use changes and surface imperviousness which raise runoff in volume and speed, causing greater carrying capacity and greater pollutant load to aquatic receptors. Because of these anthropogenic activities, many lakes in the world are eutrophic and frequently affected by cyanobacterial blooms, some species of which are potentially toxic. The objective of this thesis is to contribute to a better understanding of the factors involved in the dynamics of cyanobacteria in urban lakes. Our research was conducted on two study sites: Lake Enghien in France and Lake Pampulha in Brazil. In the French study site, we benefited from new technologies for monitoring phytoplankton to model the dynamics of cyanobacteria in short-term scale. In the Brazilian lake, our main study site, the modelling of the cyanobacteria dynamics was carried out taking into account the inclusion of the lake in its catchment through and integrated modelling: the model used to simule lake cyanobacteria is coupled to a hydrological model for simulating the runoff quantity and the quality, which is inputted into the lake. Both models were calibrated and validated using measurements collected during a 21-month monitoring program. The performance of a spectrofluorometric probe in estimating phytoplankton biomass in this hypertrophic lake was evaluated. On this study site, our results showed that: · The spectrofluorometric probe underestimates the cyanobacterial biomass when (i) Oscillatoria cyanobacteria are present because they have a lower fluorescence per unit of chl-a, (ii) colonial cyanobacteria represent more than 20% of the cyanobacterial biomass and (iii) spectrofluorometric total chlorophyll is above 100 g chl-a.L-1. · The hydrological model showed a good performance for runoff simulation (Nash coefficient is between 0.70 and 0.88 in calibration and 0.72 and 0.78 in validation) and moderately satisfactory results for pollutants simulation. The lake model, developed in steps, showed good predictive ability of the cyanobacteria dynamics in its most complete version, NMAE = 0.26 (calibration) and 0.55(validation). · Runoff is a major source for suspended solids, phosphate and nitrate influxes into Lake Pampulha. Ammonium comes mainly from wastewater discharged into tributaries. Rainfall events are responsible for the mixing of the water column and disrupting algal growth during the wet season. · Cyanobacteria in Lake Pampulha were limited by phosphorus during most of our monitoring. Mixing episodes of the lake water column have different effects on the availability of nutrients in the surface layers. The research carried out in Lake Pampulha allows us to progress on the coupling between the quantitative and qualitative aspects of the water cycle in urban areas and provides a tool that can be used in the simulation of scenarios of the catchment changements and their impact on the lake. The methodology developed in this thesis can be applied elsewhere, taking advantage of existing knowledge on Lake Pampulha