ABSTRACT Biological invasions have negative impacts on different ecosystem-level functions, such as nutrient cycling. In aquatic environments, exotic litter can change the activity of the decomposer microbiota. We tested whether litter quality, litter decay, and enzyme activity differed between nativeEgeria densaand exoticHydrilla verticillata. The invasive plant presented higher lignin and lower cellulose content than the native plant. Both species showed rapid fibre decay in the first five days.E. densahad higher cellulose and hemicellulose decay thanH. verticillatta. Although the species did not exhibit differences in enzyme activity over time,E. densahad a higher enzymatic efficiency thanH. verticillata. This differential enzymatic performance can cause changes in the mineralisation processes of the invaded environments. The lower decomposition rates for invasive litter, associated with differences in litter quality, could increase the amount of particulate organic material in invaded environments.

Abstract Considering the importance of lignocellulose macrophyte-derived for the energy flux in aquatic ecosystems and the nutrient concentrations as a function of force which influences the decomposition process, this study aims to relate the enzymatic activity and lignocellulose hydrolysis in different trophic statuses. Water samples and two macrophyte species were collected from the littoral zone of a subtropical Brazilian Reservoir. A lignocellulosic matrix was obtained using aqueous extraction of dried plant material (≈40 °C). Incubations for decomposition of the lignocellulosic matrix were prepared using lignocelluloses, inoculums and filtered water simulating different trophic statuses with the same N:P ratio. The particulate organic carbon and dissolved organic carbon (POC and DOC, respectively) were quantified, the cellulase enzymatic activity was measured by releasing reducing sugars and immobilized carbon was analyzed by filtration. During the cellulose degradation indicated by the cellulase activity, the dissolved organic carbon daily rate and enzyme activity increased. It was related to a fast hydrolysable fraction of cellulose that contributed to short-term carbon immobilization (ca. 10 days). After approximately 20 days, the dissolved organic carbon and enzyme activity were inversely correlated suggesting that the respiration of microorganisms was responsible for carbon mineralization. Cellulose was an important resource in low nutrient conditions (oligotrophic). However, the detritus quality played a major role in the lignocelluloses degradation (i.e., enzyme activity) and carbon release.

OBJETIVOS: Este estudo teve como objetivo avaliar, através de um experimento com intervalos amostrais curtos, (1) os efeitos da qualidade dos detritos no consumo de oxigênio dissolvido (OD), sobre a formação de carbono inorgânico dissolvido (CID) e na relação estequiométrica entre o OD consumido e o carbono mineralizado (O/C ratio) durante a lixiviação de detritos de plantas no início da decomposição; (2) a variação temporal das variáveis mencionadas acima de acordo com as alterações na qualidade de cada detrito ao longo do tempo. MÉTODOS: Os detritos de folhas, galhos e serapilheira (3 g) previamente secos foram incubados em câmaras de mineralização contendo 1 L de inóculo. As câmaras foram mantidas a 24 ± 2 °C, em condição aeróbia. As concentrações de OD, carbono orgânico dissolvido (COD) e CID foram avaliadas. O consumo de OD foi ajustado a um modelo cinético de primeira ordem. As taxas horárias de consumo de OD e produção de CID e as razões O/C foram determinadas. RESULTADOS: O consumo de OD (2,62 mg.g-1) e a produção de CID (1,20 mg.g-1) foram maiores na decomposição das folhas, e menores na serapilheira (1,50 mg.g-1 e 0,42 mg.g-1, respectivamente). Inversamente, a razão O/C foi maior na decomposição da serapilheira (3,56). As taxas de consumo de OD (0,50 mg.g-1.h-1) e de produção de CID (0,41 mg.g-1.h-1) foram maiores no início da decomposição do detrito de folhas. CONCLUSÕES: Intervalos amostrais curtos são fundamentais para a compreensão da dinâmica de decomposição na fase de lixiviação. O maior consumo de OD na decomposição das folhas indicou maior teor de compostos lábeis nesse detrito. As maiores razões O/C na decomposição da serapilheira podem ser atribuídas ao seu maior teor de substâncias refratárias. As variações nas taxas de consumo de OD e nas razões O/C sugerem que o lixiviado é heterogêneo, compreendendo substâncias lábeis e refratárias, assim como o detrito como um todo. Em termos de alterações da qualidade da água, as folhas constituíram o recurso mais crítico e a serapilheira apresentou os menores efeitos.

AIMS: This study aimed to evaluate, through an experiment with short sampling intervals, (1) the effects of detritus quality on dissolved oxygen (DO) consumption, on dissolved inorganic carbon (DIC) formation and on the stoichiometric ratio between the DO consumed and mineralized carbon (O/C ratio) during leaching of plant detritus in the early decomposition; (2) the temporal variation of the variables mentioned above according to changes in the quality of each detritus over time. METHODS: The detritus of leaves, branches and litter (3 g) previously dried were incubated in decomposition chambers containing 1 L of inoculum. The chambers were maintained at 24 ± 2 °C in aerobic condition. The DO concentrations dissolved organic carbon (DOC) and DIC were evaluated. The consumption of DO was adjusted to a first-order kinetic model. The hourly rates of DO consumption, DIC production and O/C ratios were determined. RESULTS: The DO consumption (2.62 mg.g-1) and DIC production (1.20 mg.g-1) were higher in leaves decomposition, and smaller in litter (1.50 and 0.42 mg.g-1, respectively). Inversely, the O/C ratio was higher in the decomposition of litter (3.56). The rates of DO consumption (0.50 mg.g-1.h-1) and DIC production (0.41 mg.g-1.h-1) were greatest in the early decomposition of leaves. CONCLUSIONS: Short sampling intervals are key to understanding the dynamics of decomposition in the leaching phase. Higher consumption of DO in leaves decomposition indicated a higher content of labile compounds in this detritus. The highest O/C ratios in the litter decomposition can be attributed to its higher content of refractory substances. Variations in DO consumption rates and in O/C ratios over time suggest that the leachate is heterogeneous, comprising labile and refractory fractions, analogous to the detritus as a whole. In terms of water quality alterations, leaves constituted the most critical resource and the litter presented less pronounced effects.

Enzymatic activity during decomposition is extremely important to hydrolyze molecules that are assimilated by microorganisms. During aquatic macrophytes decomposition, enzymes act mainly in the breakdown of lignocellulolytic matrix fibers (i.e. cellulose, hemicellulose and lignin) that encompass the refractory fraction from organic matter. Considering the importance of enzymatic activities role in decomposition processes, this study aimed to describe the temporal changes of xylanase and cellulose activities during anaerobic decomposition of Ricciocarpus natans (freely-floating), Oxycaryum cubense (emergent) and Cabomba furcata (submersed). The aquatic macrophytes were collected in Óleo Lagoon, Luiz Antonio, São Paulo, Brazil and bioassays were accomplished. Decomposition chambers from each species (n = 10) were set up with dried macrophyte fragments and filtered Óleo Lagoon water. The chambers were incubated at 22.5ºC, in the dark and under anaerobic conditions. Enzymatic activities and remaining organic matter were measured periodically during 90 days. The temporal variation of enzymes showed that C. furcata presented the highest decay and the highest maximum enzyme production. Xylanase production was higher than cellulase production for the decomposition of the three aquatic macrophytes species.

OBJETIVOS: Este artigo descreve e compara a cinética de decomposição aeróbia e anaeróbia de Eleocharis interstincta, Nymphaea sp. e Montrichardia arborescens; MÉTODOS: Amostras de água e de macrófitas aquáticas foram coletadas no Igarapé do Cantá (02° 49' 11" N e 60° 40' 24" W), Cantá, Roraima, Brasil. O material foi seco e triturado e para cada condição experimental (aeróbia e anaeróbia), foram preparadas câmaras de mineralização contendo fragmentos de planta e água do igarapé. O volume de gases na mineralização anaeróbia foi monitorado durante 78 dias e consumo de oxigênio durante 121 dias; RESULTADOS: Os resultados da decomposição aeróbia e anaeróbia foram ajustados a um modelo cinético de 1ª ordem. O consumo de oxigênio variou de 195,36 mg.g-1 (PS) para E. interstincta a 629,46 mg g-1 (PS) para Nymphaea sp. A mineralização de M. arborescens apresentou o coeficiente de desoxigenação mais elevado (0,049 dia-1), seguida por E. interstincta (0,038 dia-1) e Nymphaea sp. (0,027 dia-1). Na condição anaeróbia, a evolução de gases apresentou duas fases: consumo e formação. De acordo com a variação temporal do carbono mineralizado, a decomposição anaeróbia de M. arborescens apresentou o coeficiente de mineralização mais elevado (0,0047 dia-1); seguido por Nymphaea sp. (0,0035 dia-1) e de E. interstincta (0,0017 dia-1); CONCLUSÃO: Baseado nestes resultados foi possível concluir que durante a decomposição aeróbia dessas macrófitas aquáticas, Nymphaea sp. foi responsável pela maior demanda de oxigênio e M. arborescens gerou as maiores produções de gases durante a mineralização anaeróbia. Em média, o processo aeróbio foi 11 vezes maior que o anaeróbio. Em relação aos fluxos de materiais em ecossistemas de água doce, as baixas taxas de decomposição observadas no processo anaeróbio, quando comparado com as taxas do decaimento aeróbio permite refletir que os sedimentos atuam como um compartimento eficiente de sumidouro de carbono na ciclagem de matéria orgânica.

AIM: This study aimed at describing and comparing the kinetics of aerobic and anaerobic decomposition of Eleocharis interstincta, Nymphaea sp. and Montrichardia arborescens; METHODS: The samples of aquatic macrophytes and water were collected in the Cantá Stream (02° 49' 11" N and 60° 40' 24" W), Cantá, Roraima, Brazil. The plant material was dried and triturated and for each experimental condition (aerobic and anaerobic) mineralization chambers were prepared with plant fragments and stream water. The volume of evolved gases in anaerobic mineralization was monitored during 78 days, while the oxygen consumption was measured for 121 days; RESULTS: The results of aerobic and anaerobic decomposition were fitted to first-order kinetics model. The oxygen consumption varied from 195.36 mg g-1 (DM) for E. interstincta to 629.46 mg g-1 (DM) for Nymphaea sp. The deoxygenation rate derived from mineralization of M. arborescens was higher (kD: 0.049 day-1), followed by E. interstincta (kD: 0.038 day-1) and Nymphaea sp. (kD: 0.027 day-1). For the anaerobic condition the evolution of gases presented two phases: the consumption and formation. According to temporal variations of mineralized carbon, the anaerobic decomposition of M. arborescens presents the higher mineralization coefficient (0.0047 day-1); followed by Nymphaea sp. (0.0035 d-1) and E. interstincta (0.0017 day-1); CONCLUSION: Based on these results we conclude that during the aerobic decomposition of these macrophytes, the Nymphaea sp. was responsible for the higher oxygen demand and M. arborescens generated the highest amounts of gases during the anaerobic mineralization. On average, the aerobic decay processes were 11-fold faster than anaerobic. Regarding to the materials fluxes in freshwater ecosystems, low rate of decomposition observed in anaerobic process when comparing to aerobic rates reflect that the sediment represent a very efficient sink of carbon in the organic matter cycling.

OBJETIVO: Nesse estudo foram comparadas as cinéticas de decomposição de Eichhornia azurea e discutidos os destinos de seus detritos; MÉTODOS: As amostras de plantas e de água foram coletadas no reservatório de Piraju (Estado de São Paulo, Brasil). As plantas foram secas e trituradas; para cada condição experimental (meio aeróbio e anaeróbio) foram preparadas 72 câmaras de mineralização com fragmentos de planta e água do reservatório. Nos dias de coleta as frações particuladas e dissolvidas de matéria orgânica foram quantificadas (em base de carbono: carbono orgânico particulado (COP) e dissolvido (COD), respectivamente); RESULTADOS: Com base no carbono mineralizado, os resultados indicaram que a decomposição de E. azurea foi mais eficiente em meio aeróbio (2,2 vezes mais rápido) que em anaerobiose. Para a decomposição das folhas, talos e raízes os processos aeróbios foram 1,22 vezes mais rápidos. Verificou-se que as frações responsáveis pelos consumos elevados de oxigênio possuem tempos de meia vida reduzidos e, desse modo, não se acumulam no reservatório. Devido à biomassa de E. azurea no reservatório de Piraju os processos aeróbios de decomposição dessa espécie podem promover depleções moderadas no balanço de oxigênio dissolvido. Devido à magnitude dos coeficientes de degradação (meia-vida: de 385 a 462 dias), associados com as condições predominantes de pH e potencial de oxi-redução, as frações refratárias dos detritos (fibras) de E. azurea podem contribuir para a produção de gases e no estoque de matéria orgânica particulada dos sedimentos do reservatório.

AIM: This study is aimed at comparing the kinetics of decomposition of Eichhornia azurea and discussing the fate of its detritus; METHODS: The samples of aquatic macrophytes and water were collected in the Piraju Reservoir (São Paulo State, Brazil). The plant material was oven-dried and triturated and for each experimental condition (aerobic and anaerobic), 72 mineralization chambers were prepared with plant fragments and reservoir water. On sampling days the particulate and dissolved organic matter were quantified (on carbon basis POC and DOC, respectively); RESULTS: The decomposition of E. azurea is more efficient under aerobic conditions, being 2.2 times faster than for the anaerobic process, according to the amount of mineralized carbon. For the decay of leaves, stems and roots of E. azurea the aerobic processes were 1.22-fold faster. It is assumed that the fractions responsible for the high oxygen consumption have reduced periods of half-time, and therefore do not accumulate in the ecosystems. Owing to the biomass of E. azurea in the Piraju Reservoir, the aerobic decay of E. azurea can promote moderate depletion in the dissolved oxygen budget. With the rate of the mineralization of refractory materials (Ξ half-time varying from 385 to 462 days), the fibrous debris of this plant, i.e. refractory fractions, associated with the appropriate conditions of pH and oxi-reduction potential, can contribute to the gas production and storage of particulate organic matter in sediments.

OBJETIVO: Acúmulos intensos de plantas nos sedimentos são importantes fontes de emissões de CH4 e CO2 em lagoas de várzea de inundação. Nesse estudo foram determinadas as formações de CH4 e CO2 da decomposição anaeróbia de macrófitas aquáticas de uma lagoa marginal; MÉTODOS: A formação do metano foi determinada com base nas características intrínsecas dos detritos e das condições experimentais. As produções de CH4 e CO2 foram determinadas durante a degradação de sete espécies de macrófitas aquáticas: Cabomba furcata, Cyperus giganteus, Egeria najas, Eichhornia azurea, Ludwigia inclinata, Oxycaryum cubense, and Utricularia breviscapa, todas provenientes da zona litorânea da lagoa marginal selecionada; RESULTADOS: De modo geral, a mentanogênese foi mais sensível à variação da temperatura que os demais processos de mineralização. Embora as rotas metabólicas que geraram o CO2 sempre predominaram, a formação do metano foi favorecida com o incremento da temperatura em detrimento da geração de CO2. Enquanto vários fatores (e.g. pH, potencial redox, salinidade, disponibilidade de nutrientes) influenciaram os rendimentos dos produtos finais da degradação, a temperatura e a composição química dos detritos foram, de modo geral, os fatores mais importantes para a formação do CH4. Nas lagoas marginais da várzea de inundação do rio Mogi-Guaçu e em especial na lagoa do Óleo, em média, 10% do carbono dos detritos de macrófitas devem ser convertidos em CH4 enquanto os demais (90%) em CO2.

AIM: Massive accumulations of aquatic sedimentary plant are the main source of CH4 and CO2 emissions in floodplain lakes. To examine this connection, this study measured CO2 and CH4 formation during anaerobic decomposition of aquatic macrophytes from a floodplain lake; METHODS: Methane formation was determined to the intrinsic characteristics of the debris, and the experimental (physical and chemical) conditions. Production of CH4 and CO2 were measured during anaerobic degradation of seven aquatic macrophytes: Cabomba furcata, Cyperus giganteus, Egeria najas, Eichhornia azurea, Ludwigia inclinata, Oxycaryum cubense, and Utricularia breviscapa, all of which inhabit the littoral zone of the lagoon studied; RESULTS: Overall, methanogenesis was more sensitive to temperature variation than gross anaerobic mineralization. Although the metabolic routes that generate CO2 were always predominant, as a competing process methanogenesis was favored by increasing temperature to the detriment of CO2 formation. Although several factors (such as pH, redox potential, salinity and nutrients availability) influenced yields of the final degradation products, temperature and detritus chemical composition were, in a first approach, the key factors in CH4 formation. In the oxbow lakes of the Mogi-Guaçu River Floodplain, especially Óleo Lagoon, on average, 10% of the total carbon can be regarded as the yield of CH4 formation derived from aquatic macrophyte decay, while the remaining carbon (90%) became CO2.

A decomposição dos detritos lignocelulósicos em nível enzimático é uma etapa limitante da decomposição de macrófitas aquáticas. Experimentos foram realizados para avaliar a atividade da celulase durante a decomposição de diferentes fontes de carbono provenientes de Utricularia breviscapa: lixiviado, matriz lignocelulósica e detritos íntegros. As incubações compreenderam as fontes de carbono de U. breviscapa adicionadas à água da lagoa do Óleo (21º 36'S e 47º 49'W) mantida no escuro à 15ºC, 20ºC, 25ºC e 30ºC. As atividades da celulase foram monitoradas durante 180 dias, apresentando uma evolução temporal dependente da temperatura e do tipo de detrito: (i) a atividade da celulase tendeu a ocorrer mais cedo nas temperaturas mais elevadas, porém foram menos intensas, que nas temperaturas mais baixas, (ii) nenhuma atividade foi observada nas incubações com lixiviado, (iii) as atividades da celulase foram observadas nas incubações com detritos integrais e com matriz lignocelulósica e (iv) as atividades da celulase foram mais elevadas nas incubações com detritos integrais à 15ºC (P < 0,05).

Decomposition of lignocellulosic detritus at enzymatic level is the rate-limiting step during aquatic macrophyte decomposition. Assays were carried out to evaluate cellulase activity during decomposition of Utricularia breviscapa; the assays included the following C-sources: leachate, lignocellulosic matrix and integral detritus. The incubations comprised U. breviscapa C-sources added to Óleo lagoon (21º 36'S and 47º 49'W) water maintained in the dark under anaerobic condition at 15ºC, 20ºC, 25ºC and 30ºC. Cellulase activity were monitored during 180 days, with the activity showing a time evolution that depended on the temperature and type of detritus: (i) cellulase activity tended to occur earlier with increasing temperatures, but it was less intense than at lower temperatures, (ii) no activity was observed in incubations with leachate, (iii) cellulase activity was observed in the incubation with integral detritus and lignocellulosic matrix and (iv) higher cellulase activity was observed in the incubations with integral detritus at 15ºC (P < 0.05).

Este estudo descreveu o decaimento aeróbio e anaeróbio de carboidratos (CH) e polifenóis (PH) durante a decomposição de Montrichardia arborescens. As amostras de planta e de água foram coletadas no igarapé do Cantá (2º 49 ' 11 " N e 60º 40 ' 24 " W), Roraima, Brasil. Câmaras de decomposição contendo fragmentos de plantas e água do iguarapé foram incubadas. A matéria orgânica particulada foi separada da dissolvida e as concentrações CH e PH foram determinadas. Os resultados foram ajustados a um modelo cinético de 1ª ordem. O CH e o PH apresentaram duas frações: uma lábil (LCH e LPH) e uma refratária (RCH e RPH). Verificou-se que o coeficiente global relacionado com a perda de massa do LCH para condição aeróbia (3,4 dia-1) foi 1,4 vezes mais elevado que para a anaeróbia. Por outro lado, o coeficiente de decaimento do RCH para o processo anaeróbio (0,0074 dia-1) foi 1,39 vezes mais elevado. O LCH foi estimado em 92% e o refratário em 8%. A degradação anaeróbia de LPH foi 5,2 vezes mais elevada que a aeróbia (0,67 dia-1). Os coeficientes de decaimento do RPH foram similares (» 0,011 dia-1) para ambas condições. Para o experimento aeróbio, o LPH e o RPH corresponderam a 92,5% e 7,5%. Para os processos anaeróbios estas frações foram de 85,5% e 14,5%, respectivamente. A partir destes resultados, supõe-se que no igarapé do Cantá, a degradação anaeróbia dos polifenóis seja mais eficiente que a aeróbia. A condição aeróbia promove um decaimento mais rápido dos carboidratos desta planta.

This study describes the aerobic and anaerobic decay of soluble carbohydrates (CH) and polyphenols (PH) during decomposition of Montrichardia arborescens. Plant and water samples were collected in the Cantá stream (2º 49' 11" N and 60º 40' 24" W), Roraima, Brazil. Decomposition chambers with plant fragments and stream water were incubated. Particulate organic matter was separated from dissolved organic matter and concentrations of CH and PH were determined. The results were fitted to 1st order kinetics models. CH and PH comprised a labile fraction (LCH and LPH) and a refractory fraction (RCH and RPH). The global coefficient associated with LCH weight loss was 1.4 times higher under aerobic conditions (3.4 day-1) higher than for anaerobic conditions. On the other hand, the RCH decay rate in the anaerobic process (0.0074 day-1) was 1.39 times higher. LCH was estimated to be 92% while RCH amounted to 8%. The LPH anaerobic decay was 5.2 times the value for the aerobic decay (0.67 day-1). For both conditions, RPH decay coefficients were similar (» 0.011 day-1). In the aerobic experiments LPH and RPH corresponded to 92.5% and 7.5%, respectively. For the anaerobic process these contents were 85.5% and 14.5%, respectively. From these results, we concluded that in the Cantá stream, the anaerobic degradation of phenols is more efficient than the aerobic counterpart. The aerobic condition provides a faster decay of carbohydrates of this plant.

Nesta pesquisa, descrevemos aspectos qualitativos e quantitativos da ciclagem de detritos de macrófitas aquáticas e carboidratos em duas lagoas costeiras do nordeste do Estado do Rio de Janeiro. Amostras de água das lagoas Imboassica e Cabiúnas foram enriquecidas com sacarose. Amostras de água da lagoa Cabiúnas foram também utilizadas para a montagem de câmaras de mineralização com fragmentos de três espécies de macrófitas aquáticas encontradas nestas lagoas (Typha domingensis, Potamogeton stenostachys e Nymphaea ampla). Em seguida, as garrafas foram aeradas e incubadas (no laboratório) por um período de 8 dias. As concentrações de oxigênio dissolvido, o pH, a condutividade elétrica e a temperatura foram medidos diariamente. Os processos anaeróbicos foram inibidos pela aeração periódica das garrafas. Os resultados sugerem que o processo de mineralização na lagoa Imboassica foi mais eficiente; na lagoa Cabiúnas o processo de imobilização da matéria orgânica foi dominante. No curto prazo, o maior consumo de oxigênio ocorreu na mineralização de N. ampla, seguida pela mineralização de P. stenostachys e de T. domingensis. Entretanto, foi estimado que no longo prazo a mineralização de P. stenostachys consumiria uma quantidade maior de oxigênio.

In this work, we describe qualitative and quantitative aspects of the cycling of detritus of aquatic macrophytes and carbohydrates in two coastal lagoons of the northeastern part of the State of Rio de Janeiro. Samples of water of the Imboassica and Cabiúnas lagoons were enriched with sucrose. Samples of water of the Cabiúnas lagoon were also utilized to arrange mineralization chambers with fragments of three species of aquatic macrophytes found in these lagoons (Typha domingensis, Potamogeton stenostachys and Nymphaea ampla). Following that, the bottles were aerated and incubated (in the laboratory) for a period of 8 days. The concentrations of dissolved oxygen, the pH, the electrical conductivity and the temperature were daily measured. The anaerobic processes were inhibited by periodical aeration of the bottles. The results suggested that the mineralization process in Imboassica lagoon was more efficient; in Cabiúnas lagoon the process of immobilization of the organic matter was dominant. In the short term, maximum oxygen uptake occurred in the mineralization of N. ampla, followed by the mineralization of P. stenostachys and of T. domingensis. However, it was estimated that in long term the mineralization of P. stenostachys showed a greater oxygen uptake.