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STABLE ISOTOPES IN ECOLOGICAL STUDIES: METHODS, APPLICATIONS AND PERSPECTIVES

Istopos estveis em estudosecolgicos: mtodos, aplicaes eperspectivas

Rev. biocin., Taubat, v.13, n.1-2, p.16-27, jan/jun. 200716

Alexandre Leandro PereiraCentro de Energia Nuclear na Agricultura (CENA)Evanilde BeneditoUniversidade Estadual de Maring

RESUMOIstopos estveis de carbono, nitrognio, enxofre,hidrognio e oxignio so considerados, atualmente,ferramentas teis aos fisiologistas, eclogos e a outrospesquisadores que estudam os ciclos de matria eenergia no ambiente. Nos ltimos vinte anos, essatcnica vem sendo aplicada em ambientes aquticos etem se mostrado muito eficiente e promissora. Osistopos estveis de H e O so utilizados nadeterminao da composio da gua utilizada pelosvegetais, j os istopos de C, N e S so utilizados paraelucidar vias fotossintticas, processos fisiolgicos nosvegetais ou na determinao das fontes de alimentopara consumidores em teias alimentares aquticas outerrestres. Os istopos estveis esto presentes nosecossistemas e sua distribuio natural reflete, de formaintegrada, a histria dos processos fsicos e metablicosdo ambiente. Desse modo, este trabalho objetivaapresentar, numa viso crtica, a base terica para oentendimento dos mecanismos que envolvem autilizao dos istopos estveis em estudos ecolgicos,com nfase nos ambientes de guas interiores.

PALAVRAS-CHAVEIstopos estveis. Teia alimentar. Ambientes Aquticos.

INTRODUONas ltimas trs dcadas, constata-se um crescente

uso de istopos estveis nos mais diferentes camposda cincia. Os primeiros estudos envolvendo a aplicaodos istopos estveis foram realizados no incio dadcada de 50 por geoqumicos e paleo-ocengrafosque desenvolveram uma rigorosa base terica eemprica para a integrao dos istopos aos estudosdos ciclos globais dos elementos, analisando,inicialmente, as condies climticas do passado, os

sistemas de expanso hidrotrmicos e a origem dasformaes rochosas (LAJTHA; MICHENER, 1994).

Porm, apenas recentemente, nos anos 80, oseclogos tm aplicado essa tcnica. As razes para issopodem ser atribudas no apenas a falta deconhecimento em qumica e geoqumica, o quepermitiria compreender as variaes naturais nacomposio dos istopos estveis em organismosanimais e vegetais, como tambm, ao fato de que asdeterminaes das razes isotpicas requeremequipamentos, normalmente, no disponveis aoseclogos (PETERSON; FRY, 1987).

Os elementos C, N, S, H e O possuem mais queum istopo, e a composio isotpica natural dosmateriais pode ser medida, com elevada preciso,utilizando espectrmetro de massa (PETERSON; FRY,1987; DAWSON; BROOKS, 2001). Assim, avanos nessatecnologia tm aberto novas possibilidades paraanlises de materiais biolgicos em estudos ambientais.A nova instrumentao tem, tambm, facilitado asinterpretaes ecolgicas resultando, muitas vezes,numa considervel economia de esforos e recursosfinanceiros exigidos anteriormente nas atividades decampo (UNKOVICH et al., 2001).

As anlises isotpicas so consideradas, atualmente,como uma importante ferramenta para fisiologistas,eclogos e outros pesquisadores que estudam os ciclosdos elementos e matria no ambiente. Alm disso, aabundncia natural isotpica pode ser usada: para traarpadres e verificar mecanismos fisiolgicos emorganismos; traar fluxos energticos em cadeiasalimentares; no entendimento de paleo-dietas; e aindano estabelecimento das vias de ciclagem de nutrientesem ecossistemas terrestres e aquticos (LAJTHA;MICHENER, 1994).

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Sendo assim, este trabalho objetiva apresentar abase terica para o entendimento dos mecanismos queenvolvem a utilizao dos istopos estveis em estudosecolgicos, com nfase nos ecossistemas de guasinteriores.

Definies, terminologias e medidasA palavra istopo vem do grego, isos (igual) e

topos (lugar), a qual se refere a um local comum deum elemento especfico na tabela peridica.Considerando que um tomo composto de umncleo cercado por eltrons, sendo o ncleo compostode prtons (Z) e nutrons (N) que constituem a massado tomo. A massa atmica de um elemento atmico,por sua vez, a soma de Z + N no ncleo. Um ncleo,ou tomo especfico-istopo, uma espcie de umelemento que pode ser estvel ou radioativo, definidopelo seu nico nmero de prtons (Z) e nutrons (N)(DAWSON; BROOKS, 2001).

Enquanto os prtons so positivamente carregados(Z+), os eltrons so negativamente carregados (e-) eos nutrons no possuem carga (N). Assim, istoposso tomos de um mesmo elemento que possuem omesmo Z e mesmo e, mas diferente N. Por exemplo,todos os istopos de carbono tm seis prtons, mas oistopo radioativo 14C tem dois nutrons a mais (N = 8)que o seu istopo estvel e mais comum 12C (N = 6).Um istopo considerado estvel quando a razoZ/N @1 1,5. Os istopos estveis de muitos elementosso formados por istopos abundantes e um ou doisistopos relativamente menos abundantes (Tabela I).Estes istopos de baixa abundncia promovemoportunidades de usar fontes enriquecidas de istoposcomo traadores em estudos bioqumicos, biolgicose ambientais (DAWSON; BROOKS, 2001).

Muitos estudos ecolgicos expressam a composioisotpica em termos de d, que representam partes pormil () de diferena do istopo da amostra em relaoao padro:

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dX = [(Ramostra/Rpadro) 1] x 103 ,

onde X 13C, 15N ou 34S, e R a razo correspondente13C/12C, 15N/14N ou 34S/32S. Assim, os valores dcorrespondem razo entre istopos pesados e levesna amostra, por exemplo, 13C e 12C, respectivamente.Aumentos nesses valores denotam incremento domontante de istopos pesados (PETERSON; FRY, 1987).

Um valor positivo de d indica que a amostra temrazo isotpica maior que o padro e que possui maisespcies isotpicas pesadas comparadas a este. Poroutro lado, os valores negativos indicam que a amostratem uma razo isotpica menor que aquela do padro.Considerando, por exemplo, uma amostra desconhecidacom um valor de d2H de -50, significa que ela temrazo isotpica 2H/1H, 50 partes por mil () ou 5%menor que a razo 2H/1H padro da gua. comumutilizar-se dos termos muito/pouco, mais/menos,enriquecido/empobrecido ou positivo/negativoquando se refere aos valores de d (DAWSON; BROOKS,2001).

Padres utilizadosO valor de d de todas as referncias do padro

por definio 0 (Figura 1). Esses padres podem serobtidos na International Atomic Energy Agency (IAEA)em Viena, ustria e no National Institute of Standardsand Technology (NIST) nos Estados Unidos.

Os valores das amostras biolgicas so expressoscontra esses padres quando as razes isotpicas sodeterminadas usando-se um espectrmetro de massa.Porm, esses padres so muitas vezes de alto custopara o uso nas anlises dirias, assim muitos laboratriosutilizam seu padro interno de trabalho (UNKOVICHet al., 2001).

Exemplos de padres utilizados internacionalmentena comparao com amostras biolgicas de istoposencontrados na Biosfera so mostrados na Tabela I.

Padro paracarbono(1) (2) (3) (4)

d13CO2 -10 -5 0 +10+5

Figura 1- Exemplo de valores de d13CO2 para quatro amostras comparadas a um padro. As amostras (1) e (2) apresentam menorconcentrao de 13CO2, enquanto que as amostras (3) e (4) possuem maior concentrao de

13CO2 (Fonte: DUCATTI, 2005).


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Tabela I- Abundncia, razo isotpica e padro aceito internacionalmente para os principais istopos usados em estudos ecolgicos(modificado de DAWSON; BROOKS, 2001).

a O padro para o hidrognio com massa dois (2H), conhecido como deuterium, (D) a Standard Mean Ocean Water (SMOW); b parao carbono o padro a rocha do fssil Belemnitella americana da formao PeeDee (PDB) da Carolina do Sul, EUA; c o nitrognio temcomo padro gs N2 atmosfrico;

d para o enxofre mineral Troilito da cratera do meteorito do Canyon Diablo(CDT), Arizona, EUA.

Espectrmetro de massaPara a determinao da razo isotpica necessria

a utilizao de um espectrmetro de massa ou IsotopeRatio Mass Spectrometers (IRMS). No IRMS, as amostrasso submetidas alta temperatura em tubo decombusto, e em presena de oxignio (O2) e xido decobre (CuO) so transformadas em compostos decarbono e nitrognio, como o CO2 e NOx, e este ltimoreduzido a N2 na presena de cobre. Os materiaiscontendo enxofre so convertidos em sulfatos e,transformados quantitativamente em SO2. Esses gasespuros so ento separados em uma colunacromatogrfica gasosa e analisados no espectrmetrode massa e a composio isotpica da amostra comparada com um padro conhecido (PETERSON; FRY,1987).

Fracionamento isotpicoA utilizao das razes isotpicas em estudos

ambientais baseia-se na existncia de diferenas nacomposio isotpica dos compostos que participamdo processo em estudo, sensveis o suficiente paraserem detectados pelo espectrmetro de massa. Taisdiferenas ocorrem na natureza e so frutos de reaesfsico-qumicas e/ou biolgicas, possibilitando, destemodo, a discriminao de um dos istopos (MARTINELLIet al., 1988).

Esse processo de discriminao isotpica chamadode fracionamento isotpico, o qual pode ser resumidocomo um enriquecimento ou empobrecimento doistopo pesado da amostra em estudo (produto) emrelao a sua fonte (substrato) (LOPES, 2001).

Um exemplo bem conhecido o fracionamento

isotpico do carbono na fotossntese (MARTINELLI etal., 1992). Estudos sobre as rotas fotossintticas mostramque as plantas terrestres C3 tm uma mdia de 27,8,isto , cerca de 20 mais negativas que sua fonte de

carbono, o CO2 atmosfrico (d13CCO2= -7,4). Acomposio isotpica da planta reflete a fonte (-7,4)e o fracionamento (-20,4), assim a informao obtida 27,8planta = 7,4fonte 20,4fracionamento.

Em estudos ecolgicos, o entendimento dosprocessos de fracionamento imprescindvel para acompreenso de como a matria passa de um nveltrfico a outro no ecossistema, pois medida que osistopos passam pelos compartimentos em uma cadeiaalimentar, por exemplo, eles podem ter seu valoraumentado ou diminudo. Assim, o fracionamentoisotpico uma das bases tericas na interpretao depesquisas que utilizam istopos estveis.

Istopos estveis em ecologiaOs istopos estveis mais usados so: carbono,

nitrognio, enxfre, oxignio e hidrognio, podem seranalisados juntos ou separadamente, dependendo doobjetivo do estudo.

Eles podem ser utilizados em diversos tipos deestudos ecolgicos e em vrias reas da ecologia vegetale animal, como para elucidar vias fotossintticas eprocessos fisiolgicos em plantas (LAJTHA; MARSHALL,1994), em estudos que envolvem migraes de animais,na determinao das fontes de alimento paraconsumidores em teias alimentares aquticas outerrestres; na determinao de fontes de poluio e,

1H2H (D)

12C13C14N15N16O17O32S34S

Hidrognio

Carbono

Nitrognio

Oxignio

Enxofre

Elemento Istopo Abundncia (%) Razo Padro99,9850,01598,981,11

99,630,37

99,7590,03795,004,22

2H/1H

13C/12C

15N/14N

18O/16O

34S/32S

SMOWa

PDBb

N2-atmc.

SMOW, PDB

CDTd


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tambm, na reconstruo de dieta em estudos depaleoecologia (HOBSON; WASSENAAR, 1999).

Nesses casos, devem-se considerar os processosnaturais ou antropognicos que podem influenciar naabundncia natural dos istopos (Tabela 2) (RUBENSTEIN;HOBSON, 2004). Assim, a escolha do istopo a serutilizado deve condizer com o objetivo do trabalho e,principalmente, a que perguntas se pretendemresponder.

Hidrognio e oxignioOs principais estudos sobre vegetao que

Tabela 2- Processos que influenciam a abundncia isotpica em ambientes naturais e impactados (modificado de RUBENSTEIN;HOBSON, 2004).

- Fontes pontuais de poluio;

- Poluio do ar por combustveis fsseis.

Processos que influenciam na abundncia isotpicaIstopo

Biolgicos e/ou biogeoqumicos Antropognicos

Carbono(d13C)

Varia nos tecidos vegetais com:

- Fracionamento isotpico durante a fotossntese

em espcies de via C3, C4 e CAM;

- Condies ambientais que limitam as reaes

enzimticas durante a fotossntese ou alteram a

abertura estomatal.

- Agricultura (com plantas C4) em ecossistemas

naturais (com plantas C3);

- Fontes de poluio aqutica ou atmosfrica.

Varia em corpos dgua com:

- Padres de precipitao;

- Temperatura;

- Altitude;

- Umidade relativa.

- Irrigao com guas subterrneas;

- Criao de lagos artificiais que influenciam os

padres climticos locais;

- Mudana de clima induzida pelo homem.

Varia nos tecidos vegetais pelo modo da

fixao do N2:

- Fixao simbitica;

- Converso direta do N2 atmosfrico.- Uso de fertilizantes na agricultura;

- Prticas do uso do solo que resultam na

amonificao ou perda de 14N.

Enxofre(d34 S)

Varia na natureza com:

- Distribuio dos sulfetos leves e pesados na

rocha-me;

- Qualidade das condies para o desenvolvimento

das plantas (aerbico x anaerbico);

- Deposio atmosfrica de fontes naturais.

incorporam o uso de istopos estveis so aqueles quevisam determinar a composio da gua utilizada pelasplantas. Existem muitos mtodos para a quantificaodo uso da gua. Todavia, tem sido difcil identificar afonte de obteno de gua pelas plantas, especialmentequando existem mais de uma origem provvel (WALKERet al., 2001).

Desse modo, relevante o conhecimento de ondeas plantas retiram a gua, pois o uso dela vegetaopode conflitar com a demanda de extrao do lenolfretico pelas indstrias ou mesmo pelas alteraesantrpicas impostas sobre os cursos de gua naturais(WALKER et al., 2001).

Hidrognio(d2H)

eOxignio

(d18 O)

Nitrognio(d15 N)


Para a aplicao desse mtodo, compara-se acomposio isotpica do material vegetal com as vriasfontes, e ento pode-se inferir de onde o vegetal obtmsua gua. Assume-se que a composio da fonte no sealtera ao ser extrada pela planta. Conseqentemente,se a planta obtm toda sua gua de uma nica fonte,sua composio isotpica ser idntica mesma (WALKERet al., 2001).

As possveis fontes de gua para os vegetais podemser: a gua do solo, de vrias profundidades; a gua dolenol fretico; de rios; ou de pulsos de inundao.Estudos realizados por Thorburn e Walker apud Walkeret al. (2001) reportam que alteraes no regime dofluxo de gua, resultante da regulao do rio, influenciamna sobrevivncia de espcies de eucaliptos em umaplancie de inundao. Para isso, esses pesquisadores

analisaram os istopos estveis de d2H e d18O deamostras da gua subterrnea, a vrias distncias do rio(entre 0,5 e 40m), de gua do rio e do xilema dasplantas, alm de amostras do perfil do solo em diferentesprofundidades. As amostras do xilema das plantaslocalizadas entre 15 a 40 m de distncia do rio,

combinaram com os valores de d2H e d18O da gua dosolo de 0,2 m de profundidade e tambm abaixo de1,4 m, incluindo o lenol fretico (Figura 2). O xilemados ramos, amostrados margem do rio (local C),evidenciou mistura da gua do rio e gua do solo de0,05 a 0,25m de profundidade, durante o vero. Nesseestudo, os autores concluram que a tomada de guapelos eucaliptos extremamente dependente dadisponibilidade de gua da superfcie do solo. Em todosos casos, uma mistura da gua do solo e do lenolfretico foi importante, sendo uma fonte segura de guae podendo constituir-se em um suprimento denutrientes.

A ocorrncia natural dos istopos estveis dehidrognio tambm foi usada para determinar potenciaisfontes de gua em diferentes estaes do ano, paraplantas que se desenvolvem sobre um aqfero nosudoeste da Austrlia (ZENCICH et al., 2002). A razoisotpica da gua do xilema das espcies de rvoresdominantes (Banksia sp) foi comparada s suas potenciaisfontes (gua da precipitao, gua misturada ao solo egua do lenol fretico). Os autores verificaram que ouso da gua pelas plantas pode variar com a estao doano.

Assim, no vero, a variao das possveis fontes degua foi baixa e bem definida: a gua do lenol freticofoi usada, predominantemente (85-99%), devido seca

na superfcie e sub-superfcie do solo. Durante o invernomido, quando ocorreu maior precipitao, a superfciedo solo contribuiu com 52-70% da gua do xilema dosramos. Entretanto, houve uma ampla variao de possveiscombinaes da gua do lenol fretico e da sub-

superfcie do solo, a qual explicou o d2H observado nagua do xilema dos ramos (Figura 3).

Figura 2- Diagrama esquemtico do uso da gua do rio porEucaliptos na plancie de inundao do rio Murray Chowilla,Austrlia (adaptado de WALKER; et al., 2001).

Figura 3- Valores isotpicos para gua de trs profundidades desolo (superfcie (S), sub-superfcie (D) e lenol fretico (G)) epara o xilema (M) das rvores de Banksia sp, na Austrlia duranteo vero e o inverno. Os histogramas mostram a distribuio dascontribuies de cada fonte na gua do xilema da planta (M)(ZENCICH; et al., 2002).




Carbono, Nitrognio e EnxofreO ciclo do carbono envolve atividades de troca de

CO2 entre a atmosfera, ecossistemas terrestres e a

superfcie do oceano (Figura 4). Os valores de d13C doCO2 atmosfrico diminuem em resposta s entradas de13C empobrecido, originrio da queima de combustveisfsseis, aliada biomassa vegetal, queimada ou em

decomposio. Em ambientes aquticos, o valor ded13Cvaria amplamente dependendo da fonte de CO2dissolvido, podendo ter sua origem em rochas calcreas,minerais, atmosfera ou da matria orgnica (PETERSON;FRY, 1987).

Figura 4- Distribuio do d13C no ecossistema. Flechas indicam ofluxo de CO2. Nmeros nos compartimentos indicam o valor ded13C () e nmero nas flechas indica o fracionamento que ocorredurante a transferncia. COP: carbono orgnico particulado, COD:carbono orgnico dissolvido (PETERSON; FRY, 1987).

O nitrognio est presente, em maior parte, nabiosfera na forma de gs N2 atmosfrico. Esse reservatrio bem homogeneizado, com uma composio isotpicaque , essencialmente, constante a 0 (Figura 5). Poroutro lado, pode ser encontrado um grande contrastenos valores isotpicos em lagos em que a produoprimria limitada por N (sem fracionamento dofitoplncton) versus P (N abundante, na qual ocorregrande fracionamento durante a tomada de N pelofitoplncton). Em ambientes aquticos, em que o

fitoplncton tem valores de d15N diferentes davegetao terrestre, os istopos de nitrognio podemfuncionar como marcadores para matria orgnica deorigem autctone ou alctone (PETERSON; FRY, 1987).

Figura 5- Distribuio do d15N nos ecossistemas. MOP: matriaorgnica particulada. Legendas na figura 6 (PETERSON; FRY, 1987).

J o enxofre est na forma de sulfato no oceano,que um grande reservatrio, com composio isotpicade 21 mais pesado que o padro do troilito do CanyonDiablo. Em reas industrializadas, o valor isotpico de

d34S mais positivo (PETERSON; FRY, 1987) (Figura 6).

Figura 6- Distribuio do d34S nos ecossistemas. Legenda nafigura 4 (PETERSON; FRY, 1987).

Esses istopos tm sido freqentemente empregadosem trabalhos com produtores primrios, e, talvez, umdos mais intensivos estudos realizados, tanto poreclogos quanto por fisiologistas vegetais, seja aqueleobjetivando analisar o processo de fracionamento docarbono em vias fotossintticas distintas (PARK; EPSTEIN,1960; SMITH; EPSTEIN, 1971). Como resultado, amplamente conhecido que os valores isotpicos decarbono podem ser diferenciados entre os trs gruposde plantas C3, C4 e MAC (Metabolismo cidoCrassulceo).

Nas plantas C3, o fracionamento do carbono ocorrenos dois passos do processo fotossinttico: difuso/dissoluo e carboxilao. No segundo passo desseprocesso, a carboxilao pela enzima ribulose-1,5bifosfato carboxilase (RUBISCO) causa um elevado



fracionamento, pois essa enzima tem grande afinidadepor 12CO2, conseqentemente a planta C3 muito

empobrecida em carbono pesado (d13C = 34 a 22)(GANNES; DEL RIO; KOCK, 1998).

J as plantas C4 usam a via fotossinttica Hatch-Slack,em que a enzima de carboxilao fosfenolpiruvato (PEP)carboxilase reduz o CO2 a cido asprtico ou mlico,discriminando menos contra o 13C. Os valores isotpicos

das plantas C4 demonstram que o seu d13C permaneceaproximadamente em 14 (de 7 a 16) (LOPES;BENEDITO-CECILIO, 2002).

As plantas que utilizam a via metablica dos cidoscrassulsseos (MAC) possuem as mesmas enzimasutilizadas na via C4, porm com atividade enzimticadiferenciada. Essas plantas fixam o CO2 durante a noite,usando a PEP-carboxilase com fracionamento,comumente, encontrado em plantas C4, associado aode C3, sendo sua variabilidade isotpica registrada entre10 e 28 (LOPES; BENEDITO-CECILIO, 2002).

Considerando que os vegetais so os principaisprodutores primrios no ecossistema, as informaesacima so fundamentais, pois formam o alicerce para a

aplicao das variaes naturais de d13C em estudosambientais, valendo-se das diferenas entre as plantasdo tipo C3, C4 e MAC (MARTINELLI et al., 1988).

Por outro lado, o d15N das plantas assemelha-se aode sua fonte de nitrognio por duas razes: primeiro,as plantas no fracionam o nitrognio quando absorvemnitrato, e segundo, as plantas reutilizam seu nitrogniocom produtos em um grau maior que os animais.Portanto, as vias biossintticas em plantas, que nofracionam o nitrognio, dependem de uma variao nacomposio da fonte de nitrognio, o que pode revelarplantas com distintas assinaturas isotpicas. Por exemplo,o solo contm mais 15N que a atmosfera, assim, plantasque fixam o nitrognio atmosfrico so empobrecidasquanto a esse elemento, em relao s no-fixadoraspara um mesmo local (GANNES; DEL RIO; KOCK, 1998).

Nos consumidores, os istopos estveis tm sidoempregados em estudos que procuram verificar as taxasde turnover (reposio do tecido celular) para carbonoe nitrognio, por meio de experimentos que usam asubstituio da dieta, revelando que ela determinantepara a composio isotpica do animal (FRY, 1991;DUCATTI; CARRIJO; PEZZATO, 2002; SAKANO et al.,2005).

Assim, a composio isotpica dos animais similar de sua dieta quanto aos istopos de carbono e enxofre,

mas em mdia 3 a 5 mais enriquecida em nitrognio(PETERSON; FRY, 1987) (Figura 7).

Esse incremento se d, principalmente, devido excreo do nitrognio isotopicamente mais leve naurina. Dessa forma, se a urina de um consumidor 1 a4 empobrecida em relao a sua dieta, suas fezestero valor de aproximadamente +2 e seu leite esangue sero +4 enriquecidos em 15N.

Quando as cadeias alimentares so examinadas, osdiferentes processos de C, N e S destacam-se maisclaramente. Os valores isotpicos de nitrognioaumentam de 10 a 15 em muitas cadeias alimentares.Esse aumento devido presena de 3 a 5 sucessivastransferncias trficas, cada uma aumentando aconcentrao de 15N de 3 a 5 (MINAGAWA; WADA,1984). J para o enxofre verificado que permanecesem alterao isotpica com o aumento do nvel trfico,fazendo de suas medidas um bom indicador, se plantasou bactrias so importantes fontes aos consumidores(PETERSON; FRY, 1987). O carbono tambm um bomindicador de possveis fontes autotrficas na alimentaodos consumidores, com o incremento de apenas 0 a1 por nvel trfico (ARAJO-LIMA et al., 1986)

Figura 7- Relaes entre a composio isotpica do animal e suadieta, para istopos estveis de carbono, enxofre e nitrognio.Flechas representam o enriquecimento mdio de cada istopono tecido dos consumidores (PETERSON; FRY, 1987).

Por isso, um dos istopos mais utilizados em estudosem teias alimentares aquticas ou terrestres o carbono

(d3C) (CIFUENTES; SHARP; FOGEL, 1988), principalmente,devido s facilidades metodolgicas e a sua interpretao.Os resultados desses traadores podem ser utilizadospara testar hipteses clssicas sobre a estrutura trficade ambientes conhecidos e/ou testar as vrias estruturas

30

20

10

0-3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

---

-------------- Carbono

10

0

-3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

-- --------------

Enxofre

10

0

-3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

-- --------------

Nitrognio

(danimal - ddieta)

N

i

i

i



das cadeias alimentares em sistemas, em que anlisesconvencionais so difceis ou, ainda, no foram realizadas(FRY, 1991)

Em um estudo, sobre a composio isotpica decadeias alimentares aquticas, Arajo-Lima et al. (1986)determinaram que a fonte primria de energia parapeixes detritvoros (Characiformes) da bacia Amaznica constituda principalmente por fitoplncton e no porgramneas e frutos, como se pensava anteriormente, eque os bagres receberiam carbono proveniente deperifton ou de uma mistura de plantas no-conhecidas(Figura 8). Contudo, trabalhos dessa natureza sosimplesmente qualitativos, j que no determinam aproporo em que as potenciais fontes alimentarescontribuem para os organismos; diante desse problema,recentemente, diversos trabalhos propuseram novosmtodos na quantificao das potenciais fontes nacomposio isotpica dos consumidores (mais detalhesver BEN-DAVID; SCHELL, 2001; PHILLIPS, 2001; PHILLIPS;GREGG, 2001; PHILLIPS; KOCK, 2002; HALL-ASPLAND;HALL; ROGERS, 2005; PHILLIPS; NEWSOME; GREGG,2005).

Figura 8- Valores ded13C de 8 fontes autotrficas, carbono orgnicoparticulado (COP), peixes Characiformes e Siluriformes. Linhasverticais indicam mdias e as linhas horizontais indicam adisperso dos dados, os nmeros representam o total deamostras para cada organismo (ARAJO-LIMA; et al., 1986).

Alguns trabalhos tm utilizado istopos estveis de

carbono (d13C) combinados com os de nitrognio (d15N)em estudos de cadeias alimentares em sistemas rio-plancies de inundao (FRY, 1991; BUNN; DAVIES;WINNING, 2003, MANETTA; BENEDITO-CECILIO;MARTINELI, 2003) e, tambm, de reservatrios(BENEDITO-CECILIO; PEREIRA; SAKURAGUI, 2004).Manetta, Benedito-Cecilio e Martinelli (2003)investigaram as fontes de carbono e a posio trficadas principais espcies de peixes na plancie de inundaodo alto rio Paran e constataram que os produtoresprimrios de maior contribuio foram as plantas C3(Figura 9).

Nesse mesmo ecossistema, Benedito-Cecilio et al.(2000) verificaram que a contribuio das plantas C4para cinco espcies de peixes comercialmenteimportantes foi significantemente menor durante aestao de guas altas e, que as plantas C3 (excluindo ofitoplncton), tambm contribuiram menos que oesperado. Esses autores reforaram a importncia dasespcies detritvoras para a pesca e a dependncia, dessasespcies, pelo carbono proveniente das algas (Tabela3).

Figura 9- Valor mdio e desvio padro para d15N e d13C dosprodutores primrios (Fi=fitoplncton, VR=vegetao riparia,P=perifton, M3=macrfitas aquticas, C3, M4=macrfitas aquticas,C4 e COP=carbono orgnico particulado) e das principais espciesde peixes da plancie de inundao do alto rio Paran (MANETTA;BENEDITO-CECILIO; MARTINELLI, 2003).

COP

Fitoplncton

Folhas

Sementes

Ramos

Macrfitas C3

Macrfitas C4

Perifiton

Siluriformes

Semaprochilodus taeniurus

Potamorhinaaltamazonica

Prochilodus nigricans

Psectrogaster rutiloides

Potamothina latior

-

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-

-

- - - - -

- - - - --40 -30 -20 -10

Plantas

Peixes

Characiformes

36

7

26

14

16

6

30

13

12

6

11

9

6

12

13dC

20 -

15 -

10 -

5 -

0 --40 -30 -20 -10

--Fi

Nitr

ogn

io15

Carbono 13


Tabela 3. Porcentagem sazonal de contribuio de plantas C4, C3 e algas fitoplanctnicas para espcies de peixes em trechos do rioAmazonas (a variao representa a contribuio mxima e mnima dos produtores primrios) (BENEDITO-CECILIO et al., 2000).

Em ecossistemas em que o detrito a principal fontede matria orgnica, como mangues e esturios, o uso

dos istopos estveis de enxofre (d34S) consideradoeficaz, como ferramenta para o estudo de fluxo deenergia, quando combinado com istopos de carbono

(d13C). Peterson; Howarth e Garritt (1985), objetivandodeterminar quais as principais fontes de carbono paraconsumidores detritvoros em um esturio na NovaInglaterra, coletaram a gramnea Spartina, plncton eplantas C3 terrestres, alm de consumidores,gastrpodos filtradores, em um transecto no oceanoem direo terra firme, passando pelo esturio. Elesverificaram que os consumidores coletados prximosao oceano eram isotopicamente similares ao plncton,enquanto que aqueles coletados prximos ao ambienteterrestre eram similares Spartina (Figura 12). Com essesdados foi possvel avaliar qual a importncia dessasgramneas para a produo secundria em esturios, osquais se encontram ameaados devido intensa pressoque esses ecossistemas costeiros vm sendosubmetidos.

Figura 10- Valores de d13C e d34S para plantas terrestres, plnctone Spartina alterniflora em um esturio na Nova Inglaterra. Osnmeros de 1-9 indicam a composio isotpica dosconsumidores (gastrpodos filtradores, Geukensia demissa)coletados ao longo de um transecto prximos ao ambienteterrestre (1-4) em direo ao oceano (5-9) (PETERSON;HOWARTH; GARRITT, 1985).

Semaprochilodustaenirus

Semaprochilodusinsignis

Prochilodusnigricans

Mylossomaduriventre

Colossamamacropomum

C4 C3 AlgasTrecho

AM2AM1SOL1SOL2SOL3

0-120-120-120-120-12

0-460-460-450-450-46

55-8854-8855-8855-8854-88

0-460-460-460-460-46

0-120-120-120-120-12

54-8854-8854-8854-8854-88

7-320-210-15

00

0-930-8020-56

00

0-680-79

44-85100100

2727272626

2222222222

5151525252

38382299

44444

5858748787

C4 C3 Algas C4 C3 Algas C4 C3 Algas C4 C3 Algas

guas baixas

AM2AM1SOL1SOL2SOL3

0-130-130-120-120-12

0-460-460-460-460-46

55-8754-8755-8855-8854-88

0-460-460-460-460-46

0-130-130-120-120-12

54-8754-8754-8854-8854-88

7-330-220-15

00

0-930-800-56

00

0-6720-7844-85100100

1313131312

4646464646

4141414142

1010101010

3838383838

5252525252

guas altas

20 -

10 -

0 -

- --30 -20

Plantas

Terrestres

Plncton

Spartina

89

7

6

34

1

d13C


Sd34


ABSTRACTStable isotopes of hydrogen, oxygen, carbon, nitrogenand sulfur, are currently considered an important toolfor physiologists, ecologists and other researchers whostudy cycles of matter and energy in the environment.In the last twenty years this technique has been appliedin aquatic environments and has shown in itself veryefficient and promising. Stable isotopes of O and H areuseful in determining the composition of the water takenby plants. However, C, N and S isotopes are used to

CONSIDERAES FINAISOs istopos estveis esto presentes nos

ecossistemas e sua distribuio natural reflete umahistria integrada aos processos fsicos e metablicosdeste. Uma das maiores vantagens no uso dessa tcnicaest nos estudos de campo, em que as medidas dadistribuio isotpica existentes revelam como oscomponentes do ecossistema esto conectados.Adicionalmente, os processos fsicos e biolgicos quelevam s variaes na abundncia natural dos istoposso uma valiosa ferramenta para pesquisadoresinteressados em medir o fluxo de matria e energiaentre os organismos.

Por outro lado, o uso dessa metodologia no podeser aplicado como uma carta branca para todos osorganismos em todos os ecossistemas. Ao contrrio,seu uso requer um conhecimento dos efeitos dofracionamento isotpico e das variaes naturais quandoeles existirem. Ainda assim, mesmo para responderquestes mais simples, o uso dos istopos estveis ainda reduzido, especialmente no Brasil.

O desconhecimento dessa tcnica por parte dacomunidade cientfica, aliado falta de instituies elaboratrios que realizem essas anlises, dificultaestudos mais aprofundados comparando ofuncionamento dos diferentes ecossistemas brasileirose, tambm, impede o avano mais acelerado dessarea. O alto custo que envolve a utilizao dessa tcnica uma das principais barreiras para os pesquisadores,principalmente brasileiros. Uma anlise isotpica,dependendo do elemento a ser analisado, pode variarde 11 a 130 dlares por uma simples amostra(GEOCHRON LABORATORIES, 2004; RESTON STABLEISOTOPE LABORATORY, 2004). Entretanto, em um futuroprximo, almeja-se que vrias dessas barreiras tenhamsido superadas e que o uso dos istopos estveis sejamais uma alternativa comum na caixa de ferramentasdos eclogos.

elucidate photosynthetic pathways, physiologicprocesses in plants or to determine the food sourcesfor consumers in aquatic or terrestrial food webs. Stableisotopes are present in the ecosystems and their naturaldistributions reflect and integrate the history of to thephysical and metabolic processes of the environment.Therefore, this work aims to present in a critical viewingthe theoretical basis for the understanding of themechanisms which involve the use of stable isotopes inecological studies, with emphasis on freshwaterenvironments.

KEY-WORDSStable isotopes. Food web. Aquatic environments.

AGRADECIMENTOSAgradecemos ao Nuplia (Ncleo de Pesquisas em

Limnologia, Ictiologia e Aqicultura) e ao PEA (Programade Ps-Graduao em Ecologia de Ambientes AquticosContinentais) pelo apoio logstico e financiamento; asbibliotecrias Maria Salete Ribellato Arita e Mrcia Paivapela ajuda com o material bibliogrfico; ao Jaime LuizLopes por editar as figuras; ao Dr. Luiz Carlos Gomes eJos Arenas Ibarra pela elaborao do resumo; a BilogaCintia Karen Bulla, Dr. Sidinei Magela Thomaz e Dra.Liliana Rodrigues pela reviso e sugestes aomanuscrito.

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TRAMITAO

Artigo recebido em: 20/03/2006Aceito para publicao em: 15/02/2007

Alexandre Leandro PereiraLaboratrio de Ecologia Isotpica Sala da Ps-Graduao USP /CENA / ESALQAvenida Centenrio, 313Piracicaba - SPCEP - 13400-970e-mail: [email protected]

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