De la escala de paisaje a la molecular: influencia del gradiente bioclimático andino-patagónico sobre la química del agua y la diversidad química de la materia orgánica disuelta de lagos someros

Abstract

Los lagos concentran materiales de sus cuencas, movilizados por la escorrentía de la precipitación y el deshielo a través de la red fluvial. El carbono (C) y los nutrientes de la producción terrestre llegan mayoritariamente a los ecosistemas acuáticos a través de los flujos de materia orgánica disuelta (MOD). La concentración y la calidad de estos aportes están estrechamente vinculadas con las características de la vegetación, los suelos, los parámetros hidrogeomorfológicos de las cuencas y el clima. La MOD terrestre (alóctona) y la MOD proveniente de la producción interna (autóctona) contribuyen al “pool” de C orgánico disuelto (COD) de los ecosistemas acuáticos, y es una variable rectora de sus propiedades físico-químicas, biológicas y tróficas. Esta tesis presenta un análisis de la dinámica espacio-temporal de los parámetros físico-químicos, focalizando en la dinámica de la MOD, en cuatro lagos someros (Pire, Ceferino, Verde y El Trébol) localizados en la cabecera de la cuenca del Río Limay, a lo largo de un gradiente bioclimático Oeste-Este, dentro del Parque Nacional Nahuel Huapi (PNNH). El gradiente se caracteriza por tener en una distancia longitudinal de 30 km, una disminución pronunciada de las precipitaciones (3000 a 800 mm anuales), el incremento de la temperatura media del aire (2 ºC), y una transición de la vegetación desde bosques hiperhúmedos a subhúmedos, acompañados de cambios granulométricos y composicionales en los suelos. En este contexto, se analizó la concentración, la calidad y la composición molecular de la MOD lacustre, en relación con las características de la cuenca y el clima. El estudio abarcó la caracterización del gradiente bioclimático, mediante el análisis de datos de precipitación y temperatura provenientes de estaciones meteorológicas dentro del PNNH, el cálculo de las anomalías de la precipitación a nivel regional, la descripción cuali-cuantitativa de la cobertura y el estado de la vegetación de las cuencas, y la caracterización morfométrica de los lagos. Además, se realizaron muestreos mensuales simultáneos en los cuatro lagos, durante 27 meses entre los años 2019 y 2022, y se recolectaron muestras de suelos y hojarasca en sitios circundantes a cada lago para caracterizar la MOD de sus lixiviados. En las muestras de agua se midió la temperatura, el pH, la conductividad, la alcalinidad, y la concentración de los sólidos totales en suspensión, los nutrientes totales (fósforo y nitrógeno), la clorofila a, el COD y el carbono inorgánico disuelto (CID). La calidad de la MOD se caracterizó en todos los tipos de muestras mediante espectroscopía de absorción y fluorescencia. Mediante espectrometría de masas FT-ICR MS, se determinó la composición molecular de la MOD en una selección de lixiviados de suelo y hojarasca y de muestras estacionales de agua de los cuatro lagos. Los resultados evidenciaron condiciones de sequía severa y sostenida en la cuenca del río Limay y en las subcuencas lacustres, con precipitaciones fuertemente estacionales hasta 60% más bajas que su promedio histórico, y variaciones interanuales en las precipitaciones. El estrés hídrico se evidenció en las cuencas de los cuatro lagos, reflejándose en la cobertura y el estado de la vegetación durante 2021 y 2022. Además, a lo largo del gradiente se observó que la disminución de las precipitaciones y el aumento de la temperatura se reflejan en cambios en las propiedades físico-químicas lacustres, incluyendo el aumento de la conductividad, el pH, la alcalinidad y el COD, y una reducción notable de los aportes de MOD terrestre, producto de la reducción de la conectividad lago-cuenca. En condiciones de sequía prolongada y fuerte desconexión hidrológica, la MOD lacustre presentó menor contenido húmico y aromaticidad, una reducción del tamaño/peso molecular, lo cual podría atribuirse al efecto combinado de la reducción de los aportes terrestres y la intensificación de los procesos de degradación fotoquímica y biológica intralacustres. A escala espacial se registró una mayor contribución de la MOD autóctona hacia el E del gradiente, con un incremento de compuestos proteicos, de producción reciente. Este patrón se observó también estacionalmente, en la transición desde la temporada húmeda a la seca. Por otra parte, se observó que la escorrentía del deshielo produce un efecto de dilución pronunciada en el lago del extremo O que conduce a la disminución temporaria de la conductividad, el pH y el COD, y a un incremento de la proporción de MOD alóctona con componentes derivados de la descomposición de la hojarasca retenida bajo el manto de nieve. En los suelos, se observó el aumento de O a E del pH, la conductividad y el contenido de nitrógeno y de carbono total en el horizonte superficial, tanto en la fase sólida como en los lixiviados. La MOD fluorescente de los lixiviados de suelo se caracterizó por la predominancia de los picos de fluorescencia A y C (señal húmica terrestre), y hacia el E, aumentó el pico M (señal de procesamiento microbiano). En los lixiviados de hojarasca, la fluorescencia total se redujo hacia el E. En los lagos, estos patrones se reflejaron en valores decrecientes de O a E de la aromaticidad y el contenido húmico de la MOD. A partir del análisis molecular de la MOD, se obtuvieron un total de 34046 fórmulas moleculares (FM), comprobándose FM comunes a los lixiviados de suelos y hojarasca en los lagos, indicando los aportes terrestres. También se hallaron FM propias de la MOD autóctona. Hacia condiciones secas y cálidas, se observó en la MOD lacustre un aumento de la proporción de compuestos con N y S, así como de polifenoles y compuestos condensados aromáticos de la clase CHOS, relacionado con incremento de la producción autóctona y la reducción de los aportes terrestres. Los resultados de esta tesis muestran que en el sector andino del norte patagónico las sequías pronunciadas y prolongadas, reducen el transporte de materiales desde las cuencas a los lagos, particularmente el flujo de C de la producción terrestre, con efectos sobre las propiedades físico-químicas del agua. A su vez, la reducción de la conexión hídrica cuenca-lago y los procesos de evapoconcentración intensifican los procesos intralacustres afectando la dinámica del C y los nutrientes, reflejados en cambios en la concentración y la calidad de la MOD lacustre. Colectivamente, las evidencias obtenidas sugieren que, en un clima más seco y cálido como se proyecta según las tendencias regionales, los aportes de MOD terrestre al pool de MOD lacustre se reducirán, afectando su diversidad química, incrementando la proporción de MOD autóctona en los lagos e impactando en las condiciones físico-químicas del agua.

Lakes concentrate materials from their catchments that are transported by the terrestrial runoff through the fluvial network. The carbon (C) and nutrients from the terrestrial production enter aquatic ecosystems mainly through fluxes of dissolved organic matter (DOM). The concentration and quality of these inputs are closely linked to the characteristics of the terrestrial vegetation, the soil properties, the hydrogeomorphological features of the catchment and the climate. Both terrestrial (allochthonous) and internally produced (autochthonous) DOM contribute to the dissolved organic carbon (DOC) pool of aquatic ecosystems, which is a a key driver of lake physicochemical, biological and trophic properties. This study presents an analysis of the spatio-temporal dynamics of physicochemical parameters, focusing on DOM in four shallow lakes (Pire, Ceferino, Verde and El Trébol) located in the headwaters of the Limay River basin, along a west to east bioclimatic gradient within Nahuel Huapi National Park (PNNH). This gradient is characterized by a sharp decrease in precipitation (from 3,000 to 800 mm/y), an increase in mean temperature (~ 2 ºC) and a transition in the vegetation cover from hyperhumid to subhumid forests, accompanied by changes in soil texture and composition. In this context, lake DOM pools were studied in terms of their concentration and quality, and their molecular composition in relation to the climate and catchments´ features. The study included a characterization of the bioclimatic gradient through the analysis of precipitation and temperature data from meteorological stations within the PNNH, the calculation of regional precipitation anomalies, a qualitative and quantitative description of the vegetation cover and condition of the watershed, and lakes´ morphometry. In addition, simultaneous monthly samplings were conducted in the four lakes over a 27-month period between 2019 and 2022, and soil and leaf-litter samples were collected from surrounding sites to characterize their DOM leachates. Water samples were measured for temperature, pH, conductivity, alkalinity, and the concentration of total suspended solids, total nutrients (phosphorus and nitrogen), chlorophyll-a, DOC and dissolved inorganic carbon (DIC). DOM quality was assessed in all sample types using absorption and fluorescence spectroscopy. The molecular composition of DOM was determined using FT-ICR MS mass spectrometry in a selection of soil and leaf-litter leachates and in seasonal water samples from the four lakes. The results showed up severe and persistent drought conditions in the Limay River basin and in lake sub-basins, with seasonal precipitation levels up to 60% below the historical average; and marked interannual and seasonal variations in precipitation. Water stress was evident in all lake basins, and was reflected in the condition of the vegetation cover. Along the bioclimatic gradient, decreasing precipitation and increasing temperatures were associated with changes in lake physicochemical properties, including increased conductivity, pH, alkalinity and DOC, as well as a notable reduction in terrestrial DOM inputs due to the reduced lake-catchment connectivity. Under prolonged drought and strong hydrological disconnection, lake DOM exhibited lower humic content and aromaticity, as well as a reduction in molecular size/weight, likely due to the combined effect of reduced terrestrial inputs and enhanced in-lake photochemical and biological degradation processes. Spatially, a greater contribution of autochthonous DOM was observed towards the east of the gradient, with an increase in protein-like compounds indicating inputs of recently produced DOM. This pattern was also evident seasonally, in the transition from the wet to the dry season. In addition, the snowmelt runoff produced a pronounced dilution effect in the westernmost lake, causing a temporal decrease of the conductivity, the pH and the DOC concentration, while increasing the proportion of allochthonous DOM containing compounds derived from the decomposition of leaf-litter retained beneath the snowpack. In soils, the pH and the conductivity, and the total nitrogen and carbon concentrations in the surface horizon increased from west to east, both in the solid phase and in their leachates. Fluorescent DOM in soil leachates was characterized by the predominance of the fluorescence peaks A and C (indicative of terrestrial humic material), while peak M (indicative of microbial processing) increased towards the east. In the leaf-litter leachates, the total fluorescence decreased towards the east. Molecular analysis of the DOM pools identified a total of 34,046 molecular formulae (MFs), with common MFs found in soil and litter leachates as well as in the lakes, confirming the contribution of the terrestrial inputs. In addition, unique MFs of autochthonous DOM were identified. Under drier and warmer conditions, lake DOM showed an increase in nitrogen- and sulphur-containing compounds, as well as polyphenols, and condensed CHOS-class aromatic compounds, indicating increased contributions of the autochthonous production and reduced terrestrial inputs. The results of this thesis show that in the northern Patagonian Andes, pronounced and prolonged droughts reduce the transport of terrestrial materials to the lakes, especially the flux of C from terrestrial production, with effects on the physicochemical properties of lake water. In addition, the reduced hydrological lake-catchment connectivity and the increased evapoconcentration enhance in-lake processes, influencing C and nutrient dynamics and shifting DOM concentration and quality. Collectively, the evidence suggests that under drier and warmer conditions, as forecasted by regional climate trends, terrestrial DOM inputs to lake DOM pools will decrease, affecting its chemical diversity, increasing the proportion of autochthonous DOM, and affecting the physicochemical conditions of lake waters.