Bacterial community as a complementary tool to the water directive framework in ecological quality assessment of Caima river

Abstract

Freshwater ecosystems have been suffering severe degradation and loss of biodiversity, caused by human disturbances such as agriculture, industry, mining, urban development and climate changes. Therefore, the European Union reached an agreement and implemented the Water Framework Directive (WFD), with the main goal of reach a good ecological status in all water bodies. However, WFD is very complex, methodologies are time-consuming and costly. Thus, the main objective of this study is to develop a rapid and cost-effective approach, by studying the bacterial community composition by flow cytometry, as a complementary methodology to WFD. To achieve this, we study 3 sampling sites at Caima River along the seasons (winter, spring and summer), with different levels of environmental impacts (Nascente- river source- with little impact, Bustelo- downstream WWTP and Palhal- exposed to mine drainage), applying first the WFD criteria and then multivariate analysis for macroinvertebrate, periphyton and bacteria communities. Physico-chemical, metals and bacteria samples were collected from the water column and sediment river bottom, showing that in all the parameters (with some exceptions) and metals the concentrations were higher in sediments. Results showed that not always the macroinvertebrate and periphyton communities were sensitive to an increased nutrient input, resulting in an ecological status higher than expected. On the other hand, community structure analysis for macroinvertebrates and periphyton was very discriminatory, associating high levels of nutrients and metals with more tolerant organisms in impacted sites, and sensitive organisms with high levels of dissolved oxygen corresponding to pristine environments. Bacteria community analysis revealed a clear separation of LNA and HNA bacteria in sediment according to the different environmental stress, being possible to dissociate the majority of the impacted sites from the clean sites, being HNA a good indicator of contamination. These results revealed that bacteria community in sediments has more reliable data about the impacts that a freshwater ecosystem can suffer. The discriminating power of bacteria community analyzed by FCM provided good responses, although, further investigations are needed to confirm the feasibility of this new method, as a complementary tool in the water quality assessment.

Os sistemas aquáticos de água doce têm vindo a sofrer uma severa degradação e perda de biodiversidade, derivado de atividades humanas como a agricultura, indústria, atividades mineiras desenvolvimento urbano e alterações climáticas. Assim, a União Europeia implementou a Diretiva Quadro da Água (DQA), com o principal objetivo de atingir o bom estado ecológico em todas as massas de água. No entanto, a DQA revelou ser bastante complexa, com metodologias muito morosas e dispendiosas. Com este estudo, pretende-se desenvolver uma metodologia rápida e económica, estudando a composição da comunidade bacteriana por citometria de fluxo, como ferramenta complementar à DQA. Para a concretização deste trabalho, foram estudados 3 locais do rio Caima com diferentes tipos de impactos: a nascente – local de referência; Bustelo - a jusante de uma estação de tratamento de águas residuais e o Palhal - com escorrências provenientes de uma mina desativada, no inverno, primavera e verão aplicando a metodologia estabelecidas pela DQA usando os macroinvertebrados e perifiton como comunidades biológicas estudadas. Adicionalmente foi aplicada a análise multivariada aos dados recolhidos por citometria de fluxo à comunidade de bactérias da coluna de água e dos elutriados dos sedimentos e aos resultados das comunidades de macroinvertebrados e perifiton obtidos da DQA. No geral, os parâmetros físico-químicos, e as quantificações de metais mostraram valores mais elevados nos elutriados dos sedimentos do rio, do que na coluna de água mostrando a importância da análise desta matriz que não está contemplada na DQA. Resultados sensu DQA mostraram que nem sempre as comunidades de macroinvertebrados e perifiton foram concordantes na resposta aos diferentes tipos de impactos e que a qualidade ecológica dos locais avaliados foi melhor do que era expectável. Por outro lado, a análise multivariada das comunidades de macroinvertebrados e perifiton foi bastante discriminatória, associando elevados níveis de nutrientes e metais com organismos mais tolerantes, que se encontram em locais mais impactados, e organismos sensíveis com altos níveis de oxigénio dissolvido em locais mais pristinos. A análise da comunidade bacteriana revelou uma distinta separação entre bactérias LNA e HNA nos sedimentos, de acordo com os diferentes stresses ambientais, sendo HNA, nos sedimentos, um ótimo indicador de contaminação. Estes resultados revelam que a comunidade bacteriana oferece uma boa resolução de locais contaminados usando a citometria de fluxo como metodologia rápida de avaliação complementar à avaliação do estado ecológico sensu DQA sendo, no entanto, necessárias mais estudos aplicados a outras tipologias de rios e outros tipos de impactos para confirmar a validade desta nova metodologia.