Biogeochemical cycling of urea in the aquatic systems of Pindaré and Turiaçu River basins, a pre-Amazonian floodplain, Baixada Maranhense, Brazil

Abstract

AIM: This work is aimed at extending the understanding of urea cycle in freshwater ecosystems. Its degradation rate concerning microorganisms activities was measured in the turbid waters of Pindaré and Turiaçu rivers located on the pre-Amazonian floodplain, Brazil; METHODS: The Pindaré and Turiaçu aquatic systems have distinct dry and rainy periods. The investigation was developed in the middle of the rainy period, and field activities were carried out in the extensive water bodies from the middle to lower reaches. The rate of degradation in the surface waters of the two aquatic systems was determined with in situ simulation technique using 14C-labelled urea. Photosynthetic rates were determined by the radiocarbon technique simultaneously with experimental measurements of urea degradation rate; RESULTS: Urea degradation rates (sum of carbon incorporation into particulate matter and CO2 liberation into water) were 2.0 mg urea C m-3 day-1 in the Pindaré and 17.1 mg urea C m-3 day-1 in the Turiaçu waters. Daylight values were obviously higher than those in the dark, and the urea degradation rates in Turiaçu showed much higher values than those in Pindaré. Most of the urea degradation occurred during the CO2 liberation phase. The average of chlorophyll a specific urea degradation rate was 0.13 and 0.83 mg urea C mg chl.a-1 day-1 in both river waters. The ratio of urea carbon degradation to photosynthetic carbon assimilation in both waters averaged 1.2 and 4.2%, respectively. The residence time of urea in the surface water was calculated as 2.3 to 4.5 days in the Pindaré and 0.21 to 0.50 days in the Turiaçu. Much shorter residence times were obtained in the Turiaçu due to the high degradation rate of urea; CONCLUSION: The correlation coefficient between the urea degradation rate and chlorophyll a or photosynthetic rate showed a statistically significant value in the Turiaçu. This indicates that in the Turiaçu system the urea degradation rate was proportional to the standing crop of phytoplankton and their photosynthetic rate. A strong relationship between the urea carbon incorporation rate and photosynthetic rate in the light bottles was observed, indicating that the carbon incorporation into the phytoplankton cells was also related to the photosynthetic rate. The present brief residence time indicates that the urea was being rapidly recycled in the euphotic zone of the investigated systems in the rainy period.OBJETIVO: O objetivo deste trabalho é ampliar o conhecimento do ciclo da ureia em ecossistemas de água doce. A taxa de sua degradação em relação às atividades dos microorganismos foi medida nas águas turvas dos rios Pindaré e Turiaçu localizados na várzea pré-Amazônica, Baixada Maranhense, Brasil; MÉTODOS: Os sistemas aquáticos dos rios Pindaré e Turiaçu têm períodos diferentes de chuva e seca. A investigação foi realizada no meio do período chuvoso, e as atividades de campo foram feitas ao longo dos extensos corpos d'água compreendendo águas de médio a baixo cursos. A taxa de degradação nas águas superficiais nas respectivas estações de ambos os sistemas foi determinada com a técnica de simulação in situ usando 14C- ureia. As taxas fotossintéticas foram determinadas pela técnica de radio carbono simultaneamente com medidas experimentais de degradação; RESULTADOS: As taxas de degradação (somatório da incorporação de carbono na matéria particulada e liberação de CO2 na água) foram 2,0 mg de ureia C m-3 dia-1 nas águas do Pindaré e 17,1 mg ureia C m-3 dia-1 nas do Turiaçu. Os valores no claro foram naturalmente maiores que os obtidos no escuro, e as taxas de degradação no Turiaçu foram muito mais elevadas que as do Pindaré. A maior parte da degradação ocorreu durante a fase de liberação de CO2. As taxas de degradação específica de ureia da clorofila a foram calculadas com valor médio de 0,13 e 0,83 mg ureia C mg chl.a-1 dia-1 nas águas de ambos os rios. As taxas de degradação de ureia carbono para a assimilação fotossintética de carbono em ambas as águas foram em média 1,2 e 4,2%, respectivamente. O tempo de residência desse composto orgânico na superfície da água foi entre 2,3 a 4,5 dias no Pindaré e 0,21 a 0,50 dias no Turiaçu. Tempos de residência muito mais curtos foram achados nas águas do Turiaçu devido à elevada taxa de degradação; CONCLUSÃO: O coeficiente de correlação entre a taxa de degradação da ureia e a clorofila a ou a taxa fotossintética foi calculada como um valor estatisticamente significativo nas águas do Turiaçu. Isto indica que no sistema Turiaçu a taxa de degradação desse nutriente foi proporcional à quantidade de fitoplâncton e sua taxa fotossintética. Foi observada uma sólida relação entre a taxa de incorporação de ureia carbono e a taxa de fotossíntese nas garrafas no claro, indicando que a incorporação de carbono no fitoplâncton está relacionada com a taxa fotossintética. O breve tempo de residência indica que a ureia estava sendo rapidamente reciclada na zona eufótica dos sistemas investigados no período chuvoso.