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Doctoral Thesis
DOI
https://doi.org/10.11606/T.18.2023.tde-05072023-172720
Document
Author
Full name
Murilo de Souza Ferreira
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2023
Supervisor
Committee
Cunha, Davi Gasparini Fernandes (President)
Goncalves, Julio Cesar de Souza Inacio
Navarrete, Acacio Aparecido
Silva, Marcelo Gomes da
Taniwaki, Ricardo Hideo
Title in Portuguese
Emissões de dióxido de carbono e metano por ecossistemas aquáticos tropicais: revisão da literatura, aspectos metodológicos e fatores bióticos e abióticos intervenientes
Keywords in Portuguese
ambientes aquáticos
câmara flutuante
gases de efeito estufa
riachos
Abstract in Portuguese
O dióxido de carbono (CO2) e o metano (CH4) são os principais gases responsáveis pelo efeito estufa no planeta. Entender a dinâmica, a magnitude e a ocorrência de processos que envolvem esses gases é fundamental para a compreensão de tal efeito e também do ciclo do carbono. Esses gases podem ser originados nos compartimentos aquático, terrestre ou atmosférico e poucos são os estudos conduzidos em ambientes aquáticos, sobretudo os localizados em menores latitudes. Assim, esse estudo objetivou analisar dados primários e secundários sobre as emissões de CO2 e CH2 por ecossistemas aquáticos tropicais e subtropicais no Brasil. Primeiramente, foi realizada uma revisão bibliográfica (dos últimos 30 anos), em âmbito nacional, das emissões de ambos os gases por ambientes aquáticos localizados em diferentes biomas brasileiros, bem como os métodos de estimativa mais utilizados e as vias de emissão frequentemente analisadas. Posteriormente, especificamente para ambientes lóticos, avaliaram-se os principais fatores bióticos e abióticos que influenciaram as emissões de ambos os gases por rios e riachos caracterizados por diferentes condições ambientais na região de São Carlos (SP). Por meio da análise de componentes principais, foi investigada a influência das variáveis da água e outros fatores sobre ambas as emissões. Além disso, aprimoramentos metodológicos também foram propostos. Tais aprimoramentos consistiram na confecção de uma cúpula suspensa com câmara de autoarmazenamento (CSCA) e também um dispositivo piramidal (DP) capaz de capturar bolhas oriundas do sedimento de ambientes lóticos rasos. A revisão bibliográfica indicou que a maioria dos estudos estão concentrados na Amazônia, sendo a câmara flutuante (CF) o principal método utilizado e a via difusiva a mais frequente analisada nas emissões de CO2 e CH4. Rios receptores de esgoto tratado apresentaram maiores emissões de CO2 e CH4 em relação a riachos preservados. Além disso, os principais fatores associados a essas emissões foram a heterotrofia do metabolismo aquático, possível metanogênese e transferência gasosa na interface ar-água. Por fim, as emissões estimadas pela CF foram superiores às estimadas pela CSCA, devido à escala temporal. A interferência da CSCA na interface ar-água contribuiu para uma possível superestimação de ambas as emissões. O DP mostrou ser um dispositivo eficaz na identificação de emissões pela via ebulitiva. Concluiu-se que as emissões de ambos os gases por ambientes aquáticos brasileiros representam importante contribuição, tanto em escala global quanto regional, para o efeito estufa. Diferentes variáveis da água (profundidade, pH, oxigênio dissolvido entre outras) e fatores bióticos (heterotrofia do metabolismo aquático e a possível metanogênese) e abióticos (velocidade de troca gasosa) estiveram associados às emissões. Além disso, a proposição de aprimoramentos metodológicos ainda é necessária, visto que ainda não há um método validado e unânime para superar as incertezas de estimativa trazidas pelo contato da câmara/cúpula na interface ar-água.
Title in English
Carbon dioxide and methane emissions by tropical aquatic ecosystems: literature review, methodological aspects and biotic and abiotic influencing factors
Keywords in English
aquatic environments
floating chamber
greenhouse gases
streams
Abstract in English
Carbon dioxide (CO2) and methane (CH4) are the main gases responsible for the greenhouse effect on the planet. Studying the dynamics, magnitude and occurrence of processes involving these gases is essential for understanding this effect and also the carbon cycle. These gases can originate in the aquatic, terrestrial or atmospheric compartments and few studies have been conducted in aquatic environments, especially those located in lower latitudes. Thus, this study aimed to analyze primary and secondary data related to CO2 and CH4 emissions by tropical and subtropical aquatic ecosystems in Brazil. First, a literature review (from the last 30 years) of the both emissions by aquatic environments located in different Brazilian biomes was carried out, as well as the most used estimation methods and the frequently analyzed emission pathways. Subsequently, specifically for lotic environments, the main biotic and abiotic factors that influenced the emissions of both gases by rivers and streams characterized by different environmental conditions in the region of São Carlos (SP) were evaluated. Through principal component analysis, the influence of water variables and other factors on both emissions was investigated. In addition, methodological improvements were also proposed. These improvements consisted of constructing a suspended dome with a selfstorage chamber (CSCA) and also a pyramidal device (DP) able to capture bubbles from the sediment of shallow lotic environments. The search bibliographic review indicated that most studies are concentrated in the Amazon, with the floating chamber (FC) being the main method used and the diffusive pathway being the most frequently analyzed in CO2 and CH4 emissions. Rivers receiving treated sewage had higher CO2 and CH4 emissions compared to pristine streams. In addition, the main factors associated with these emissions were heterotrophy of aquatic metabolism, possible methanogenesis and gas transfer velocity at the air-water interface. Finally, the emissions estimated by the CF were higher than those estimated by the CSCA, due to temporal scale. CSCA interference at the air-water interface contributed to a possible overestimation of both emissions. The DP appeared to be an effective device in identifying emissions via the ebullitive pathway. It was concluded that both emissions by Brazilian aquatic environments represent an important contribution, on a global and regional scale, to the greenhouse effect. Different water variables (depth, pH, dissolved oxygen, among other) and biotic (aquatic metabolism heterotrophy and possible methanogenesis) and abiotic (gas exchange velocity) factors were associated with emissions. In addition, the proposal for methodological improvements is still necessary, since there is still no validated and unanimous method to minimize the estimation errors related to the chamber/dome contact at the air-water interface.
 
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Publishing Date
2023-07-17
 
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