INSTITUTO NACIONAL DE PESQUISAS DA AMAZÔNIA - INPA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO DO INPA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM BIOLOGIA DE ÁGUA DOCE E PESCA INTERIOR
COMPOSIÇÃO QUÍMICA DE OTÓLITOS DE TUCUNARÉ-AÇU (Cichla temensis HUMBOLT, 1821) E SEU POTENCIAL COMO MARCADOR AMBIENTAL EM POPULAÇÕES DE LAGOS DE
VÁRZEA E IGAPÓ NA AMAZÔNIA-BRASILEIRA
RANIERE GARCEZ COSTA SOUSA
Manaus, Amazonas Fevereiro/2014
ii RANIERE GARCEZ COSTA SOUSA
COMPOSIÇÃO QUÍMICA DE OTÓLITOS DE TUCUNARÉ-AÇU (Cichla temensis HUMBOLT, 1821) E SEU POTENCIAL COMO MARCADOR AMBIENTAL EM POPULAÇÕES DE LAGOS DE
VÁRZEA E IGAPÓ NA AMAZÔNIA-BRASILEIRA
Orientador: CARLOS EDWAR DE CARVALHO FREITAS, PhD.
Tese apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Biologia de Água Doce e Pesca Interior do INPA, como parte dos requisitos para obtenção do título de Doutor em Ciências Biológicas, área de concentração Biologia de Água Doce e Pesca Interior.
Manaus, Amazonas Fevereiro/2014
Fontes financiadoras: Projeto PRONEX, (Edital 023/2009) – FAPEAM; Programa Institucional de
Doutorado Sanduíche no Exterior – PDSE/CAPES; Instituto Nacional de Pesquisas na Amazônia –
INPA; Instituto de Inteligência Socioambiental Estratégica da Amazônia, I-PIATAM; Conselho
Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico – CNPq e Washington and Lee University –
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Ficha catalográfica
S725 Sousa, Raniere Garcez Costa
Composição química de otólitos de tucunaré-açu (cichla temensis humbolt, 1821) e seu potencial como marcador ambiental em populações de lagos de várzea e igapó na Amazônia-brasileira / Raniere Garcez Costa Sousa. --- Manaus: [s.n.], 2014.
xiii, 91 f. : il. color.
Tese (Doutorado) --- INPA, Manaus, 2014. Orientador : Carlos Edwar de Carvalho Freitas.
Área de concentração : Biologia de Água Doce e Pesca Interior.
1. Microquímica de otólitos. 2. Tucunaré-açu. 3.Ecologia de populações. I. Título.
CDD 597.58
Sinopse: Este estudo investiga o uso de isótopos de estrôncio e elementos traços como marcadores ambientais em otólitos de tucunarés-açu Cichla temensis, para a identificação dos locais de nascimento de indivíduos jovens e adultos. Também, baseado na microquímica dos otólitos e geologia, avalia a distribuição espacial, padrões metapopulacionais e de filopatria de indivíduos adultos em tributários da Bacia do Médio Rio Negro.
Palavras-chave: Microquímica de otólitos; isótopos e elementos traços; movimentos de dispersão; ecologia de populações.
iv Dedicatória À Joyce Lara Garcez e meus filhotes, pelo amor e carinho, fontes de motivação para continuar
v AGRADECIMENTOS
A Deus pela oportunidade da vida.
Ao Professor Carlos Edwar de Carvalho Freitas, meu amigo e orientador nesta tese, por sua integridade, paciência e companheirismo, os quais me incentivaram a persistir e não fraquejar nos momentos difíceis, e, principalmente, pela imensa dedicação na orientação dessa pesquisa, fato impossível de ser mensurado.
Ao Professor Robert Humston, meu supervisor durante o doutorado sanduiche na Washington and Lee University, o qual me ajudou a desenvolver os modelos estatísticos e de análises químicas de otólitos.
Ao Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia - INPA, através do Programa de Pós Graduação em Biologia de Água doce e Pesca Interior - BADPI - pela ímpar oportunidade de capacitação profissional que me foi concedida.
Aos órgãos de fomento: Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq e Programa Institucional de Doutorado Sanduíche no Exterior - PDSE/CAPES, os quais, através de suas bolsas de estudos e auxílios foram de fundamental importância para a provisão da minha subsistência durante este trabalho, quando do meu estágio tanto aqui no Brasil como no exterior. Também ao Instituto Brasileiro de Meio Ambiente – IBAMA - pelas licenças concedidas para a coleta e transporte de materiais em campo.
A todos os integrantes do Instituto de Inteligência Socioambiental Estratégica da Amazônia - I-PIATAM - especialmente aos amigos Caroline Campos, Antônio Oliveira, Michel Catarino, Flávia Souza e Hostília Campos, os quais estiveram sempre dispostos a ajudar-me em momentos pouco auspiciosos.
Ao amigo e compadre Júlio Alberto Dias Siqueira, por sua valiosa e rara amizade, bem como pelo apoio concedido nas coletas de dados que tive que empreender.
A todos os auxiliares de campo, mateiros e pescadores que foram parte imprescindível deste trabalho, cujos nomes não foram anotados. Mas que anonimamente deram suas parcelas de contribuição.
vi Aos meus filhotes, Adrielly, Ranielly e Raniere, bênçãos do Criador em minha vida, nos quais encontrei estímulo para lutar e motivação para perseverar na minha caminhada.
À minha querida esposa Joyce Lara Araújo da Fonseca Garcez, que sempre esteve ao meu lado como uma guerreira, principalmente quando, por meses, tive que ausentar-me do lar em excursões ao exterior do país. Que Deus me conceda a graça de tê-la por toda a vida.
vii Salmos 37:5 Entrega o teu caminho ao SENHOR
confia Nele, e o mais Ele fará.
Salmos de Davi Bíblia Sagrada
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RESUMO
Neste estudo foi avaliada a aplicação da geoquímica de otólitos como marcador ambiental da origem de nascimento de tucunarés-açu Cichla temensis (Humboldt, 1833), jovens menores que um ano (YOY) e de indivíduos adultos, na bacia do Rio Negro. Inicialmente, foram medidas as variações de isótopos de estrôncio e elementos traços em otólitos de exemplares jovens em diferentes locais de coletas e comparados os resultados coma geologia do local. Os resultados indicam que padrões na microquímica dos otólitos dos peixes jovens, particularmente na razão isotópica 87Sr/86Sr, correspondem aos padrões da base geológica do local de nascimento. Isto permitiu uma classificação correta de 99% dos peixes juvenis com seus rios de origem, usando uma tabela de correlação da análise de função discriminante linear (LDFA). Os resultados mostram também que é possível usar inferências de mapas geológicos e assinatura geoquímica dos otólitos para traçar movimentos de indivíduos adultos entre o Rio Negro e seus tributários. A análise LDFA mostrou que a microquímica da parte central dos otólitos dos tucunarés adultos classificou corretamente cada indivíduo com seu local de nascimento, com 41,9% de acurácia. Ainda, a variação da razão isotópica 87Sr/86Sr da
linha transversal (do centro para a borda) da superfície dos otólitos dos tucunarés-açus adultos, indicou a existência de populações isoladas e mistas de tucunarés-açu na área do estudo. Os resultados também sugerem que os tucunarés adultos realizam movimentos de dispersão entre os tributários estudados indicando um padrão metapopulacional e filopátrico, percebidos com o retorno desses indivíduos aos seus locais de nascimento, e pela permanência de outros nesses locais, mostrando fidelidade ao sítio de origem. O presente estudo proporciona novas informações a respeito da distribuição espacial do tucunaré-paca ou tucunaré-açu C. temensis em seu ambiente natural, que poderiam ser usadas como apoio efetivo nas estratégias de gestão pesqueira e fornecer informações básicas para trabalhos futuros em investigações sobre a história inicial de vida e ecologia espacial de peixes na bacia Amazônica.
Palavras-chave: Manejo pesqueiro; geoquímica; assinatura digital química em otólitos; isótopos de estrôncio; filopatria.
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ABSTRACT
This study examined the application of otolith geochemistry as a natural marker of natal origins in peacock bass Cichla temensis (Humboldt, 1833) young-of-the-year (YOY) and adults in the Negro River basin. Initially were assessed variations in strontium isotopes and trace elements in otoliths of young individuals from different sampling locations comparing the results with local geology. The results suggests that patterns in otolith microchemistry of YOY, particularly 87Sr/86Sr isotopes, correspond to patterns in origin bedrock geology. This approach allowed us to correctly classify 99% of juvenile fish to their natal streams using a cross-validation table from the linear discriminant function analysis (LDFA). The results also indicates that is possible to use inferences from geologic maps to track movements of adults fish between Negro River and its tributaries. The LDFA analyses shows that the microchemistry from the central part of the adults peacock bass otolith, classified correctly each individual for its birth location with 41.9% of accuracy. Also, variation in 87Sr/86Sr isotopic rate from the transect line
(from the core to the border) on the otolith surface of adults peacock bass, indicated the existence of isolated and mixed populations in the study area. The results also suggests that adult peacock bass ensure dispersal movements between studied tributaries showing a metapopulational and philopatric pattern, noticed through the individuals returned to their birth locations, and by the permanence of some individuals in those locations, showing loyalty to their origin place. Therefore, the present report offers new information about spatial distribution of C. temensis in their natural environment, which could support effective strategies of fishery management, and provides the basic information for future work to investigate the early life history and spatial ecology of fresh water fish in the Amazon basin.
Keywords: Fish management; geochemistry; otolith chemical fingerprints; strontium isotopes; philopatry.
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SUMÁRIO
Introdução geral ... 1
Biologia do tucunaré-açu Cichla temensis ... 3
Mobilidade de dispersão de C. temensis ... 4
Otólitos ... 5
Migração e microquímica de otólitos ... 7
Distribuição da razão isotópica de 87Sr/86Sr no ambiente... 7
Problema enfocado no estudo ... 9
Hipóteses ... 10 Objetivo geral ... 11 Objetivos específicos ... 12 Organização da Tese ... 12 Metodologia geral ... 13 Área de estudo ... 13
Coleta e análise dos dados ... 15
Capítulo I. Otolith geochemistry in young-of-the-year peacock bass Cichla temensis for investigating natal dispersal in the Rio Negro (Amazon - Brazil) river system ... 21
Abstract ... 23
Introduction ... 24
Materials and Methods ... 25
Study Area ... 25
Sample collection ... 29
Otolith preparation and analysis ... 29
Statistical analysis ... 30
xi
Results ... 32
Discussion ... 41
Acknowledgments ... 42
Capítulo II. Philopatry and metapopulation patterns for the peacock bass Cichla temensis of the middle Negro River Basin (Amazonas - Brazil): an otolith chemical analysis. ... 43
Abstract ... 45
Introduction ... 46
Material and Methods ... 48
Study area ... 48
Sample collections and preparations ... 50
Strontium isotope and elemental analysis ... 51
Water data collection and analysis ... 51
Otoliths statistical analyses ... 52
Results ... 53
Young-of-year (YOY) and adult peacock bass otolith core microchemical analyses .... 53
Adult peacock bass otolith core chemical analysis ... 56
87Sr/86Sr isotope ratio analysis from otolith transects of adults peacock bass ... 59
Water chemical analysis ... 62
Discussion ... 63
Cichla temensis movements, reproduction and phylopatric behaviour synchronism. ... 66
Hydrological barrier and C. temensis metapopulation structure ... 67
Peacock bass fisheries management proposition ... 72
Acknowledgments ... 73
Conclusões ... 74
xii
LISTA DE FIGURAS
Introdução geral
Figura 1. Exemplar de tucunaré-açu Cichla temensis, capturado na região do Rio
Padauari em 2012...17
Figura 1. Exemplar de tucunaré-açu Cichla temensis, capturado na região do Rio Padauari em 2012...19
Figura 3. Localização dos locais amostrais na região do Médio Rio Negro, município de Barcelos-Amazonas……….27
Figura 4. Biometria e extração dos otólitos dos peixes adultos...29
Figura 5. Material utilizado para a separação e montagem dos otólitos...30
Figura 6. Lixamento dos otólitos...30
Figura 7. Banheira ultrassônica para limpeza dos otólitos...31
Figura 8. Acondicionamento dos otólitos em sacolas e caixas esterilizadas para transporte……….31
Figura 9. Coletor Múltiplo de Espectrometria de Massas por Plasma Indutivamente Acoplado...32
Figura 10. Queima a laser da superfície do otólito...32
Capítulo I Figure 1. Location and geological conditions of the study área...40
Figure 2. Mean isotopic and trace element concentration ratios in the otoliths of YOY fish groups...49
Figure 3. Microchemical isotopic and trace element ratios from the otoliths of YOY C. temensis distributed within groups and between areas...52
Capítulo II Figure 1. Study area and geographic distribution of sampling sites in the middle Negro River, Barcelos Municipality...63
Figure 2. A scatter-plot displaying the distribution of Cichla temensis’ YOY and adult otolith core chemical fingerprints...68
Figure 3. Adult Cichla temensis peacock bass’ otolith core 87Sr/86Sr isotope ratio distributed by sampling sites...71
xiii Figure 4. Distribution of elemental compositions from adult Cichla temensis peacock bass’ otolith core………..72 Figure 5. Cichla temensis peacock bass’ movement history from their birth to the locations where they were caught as adult individuals, based on variation in 87Sr/86Sr isotope ratio values on the otolith transect………..73 Figure 6. Transect lines displaying Cichla temensis peacock bass’ movement histories from their birth to catch locations………76 Figure 7. Organizational chart with C. temensis movements………..79 Figure 8. The organogram illustrates C. temensis movement behaviour among different water types in relation to differences in otoliths’ geochemical composition (87Sr/86Sr
isotopes)………...83 Figure 9. Theoretical spatial movement distribution of Cichla temensis in the middle Negro River basin………84
1
Introdução geral
A complexidade da pesca na Amazônia dificulta o pleno entendimento de alguns pressupostos de modelos tradicionais para avaliação dos estoques pesqueiros, aumentando o grau de incerteza dos resultados obtidos. Como regra geral, a aplicação dos modelos analíticos é embasada em parâmetros de dinâmica populacional e ainda existem poucos estudos conclusivos sobre a identificação das populações de peixes que habitam os ambientes aquáticos amazônicos. Barthem e Petrere Jr. (1996) postularam, por meio de estudos de crescimento, a existência de uma única população de piramutaba Brachyplatystoma vailantii (Valenciennes, 1840) desde os trechos superiores dos tributários de águas brancas da calha do rio Solimões/Amazonas até o estuário. No entanto, a maioria das espécies importantes para a pesca comercial ainda são pouco estudadas, e não temos informações suficientes para afirmar que estes indivíduos pertencem a uma única ou a várias populações (Bailey e Petrere, 1989; Batista, 2001). Sendo assim, a falta de informações precisas sobre os comportamentos migratórios das espécies se torna uma das principais limitações para a sua conservação, o que precisa ser corrigido com mais pesquisas nessa área.
A descrição dos padrões de movimentos migratórios tem sido uma questão central na biologia e manejo de peixes de água doce. As migrações entre os ambientes marinhos e de água doce, realizadas por peixes anádromos e catádromos, são relativamente bem conhecidas (Groot e Margolis, 1991, Walter e Thorrold, 2006), mas o mesmo não ocorre com os movimentos migratórios de peixes de áreas continentais (Gowan et al., 1994; Northcote, 1997).
Os processos de migração e dispersão dos peixes são considerados fatores fundamentais na definição de populações e metapopulações (Hanski e Gilpin, 1997; Rieman e Dunham, 2000). No entanto, para rastrear esses indivíduos entre ambientes distintos é necessário o uso de alguns artifícios e metodologias. Dentre as metodologias mais utilizadas se destacam a marcação e recaptura (Hoeinghaus et al., 2003), a telemetria (Semmens et al., 2006) e, atualmente, o uso de marcadores ambientais (isótopos e elementos traços) encontrados em otólitos e outras estruturas rígidas em peixes (Thorrold et al., 2001; Walther et al., 2008).
2 Análises de isótopos e de elementos traços em otólitos têm apresentado resultados mais acurados e completos na descrição retrospectiva da história dos movimentos de dispersão de indivíduos e de grupos de peixes (Wells et al., 2003; Rich et al., 2004; Walther et al., 2008; Walther e Thorrold, 2010), fornecendo informações robustas e confiáveis sobre a dinâmica espacial de populações (Rieman et al. 1994; Humston & Harbor, 2006).
No entanto, a maioria dos estudos realizados com essa metodologia até o presente momento, tem contemplado espécies de peixes que habitam ambientes marinhos ou estuarinos (Gillanders 2002; Walther e Thorrold, 2010), onde é esperada uma grande variação na concentração de solutos nos diferentes ambientes. Recentemente, alguns estudos realizados em ambientes de águas interiores também têm mostrado bons resultados em monitorar movimentos de peixes entre ambientes quimicamente distintos (Rich et al., 2004; Humston et al., 2010; Johnson et al., 2012).
Na região amazônica, vários estudos sobre os processos migratórios de peixes foram realizados (Ribeiro e Petrere Jr. 1990; Barthen et al., 1991; Freitas e Garcez, 2004). Entretanto, devido às dificuldades em monitorar indivíduos pequenos (ou jovens) com os modelos de marcação tradicionais, somados às adversidades encontradas em recapturar ou acompanhar indivíduos em áreas remotas, a maioria desses estudos gerou resultados não conclusivos. Assim, os isótopos de elementos traços detectados na composição de otólitos de peixes, pode ser utilizados como marcadores ambientais naturais, para rastrear movimentos migratórios de indivíduos que transitam entre ambientes quimicamente diferentes (Johnson et al., 2012), e solucionar essa deficiência metodológica.
Nesse contexto, a análise química de otólitos de peixes pode contribuir para esclarecer dúvidas relacionadas à existência de migração de indivíduos entre populações, melhorando o entendimento dos parâmetros da dinâmica populacional de peixes. Isso poderá propiciar o aprimoramento das estratégias atuais de manejo pesqueiro utilizadas na Região Amazônica, principalmente nas áreas onde atuam várias modalidades de pesca sobre o mesmo recurso.
Na região do Rio Negro ocorrem quatro modalidades de pesca: a comercial, a esportiva, a ornamental e a de subsistência (Sobreiro et al., 2010). Dentre estas, a que mais vem crescendo nessa região é a pesca esportiva, com a modalidade pesque e solte (Holey et al., 2008), a qual atua principalmente sobre as espécies de ciclídeos, com destaque para o
3 tucunaré-açu C. temensis, por apresentar maior tamanho e voracidade em relação aos seus congêneres (Taphorn e Barbarino-Duque, 1993).
Alguns estudos sobre a distribuição espacial de espécies do gênero Cichla foram realizadas na bacia do Rio Amazonas (Macrander 2010; Willis et al., 2007; 2010). No entanto, os resultados apresentados por esses estudos não mostram claramente a existência de movimentos de dispersão ou processos migratórios entre os diferentes sistemas aquáticos, o que dificulta a compreensão adequada da dinâmica de movimentos dessas espécies na região. Desse modo, também pouco se sabe sobre a distribuição espacial do tucunaré-açu C. temensis na região do Médio Rio Negro, área onde a atividade da pesca esportiva ocorre com maior intensidade.
Pelo exposto, e visando compreender a dinâmica de dispersão dos tucunarés-açu, e, ao mesmo tempo, subsidiar informações que possam contribuir com o entendimento da distribuição espacial dessa espécie na região do Médio Rio Negro, a presente pesquisa analisou os isótopos de 87Sr/86Sr e a concentração dos elementos traços Sr/Ca e Ba/Ca em
otólitos de tucunaré-açu Cichla temensis, no intuito de identificar o local de nascimento de juvenis menores de um ano e adultos. Este estudo verificou ainda, através das diferenças químicas existentes nos otólitos dos tucunarés, variações indicando movimentos de dispersão entre ambientes quimicamente distintos, o que, posteriormente, foi utilizado para avaliar a existência ou não de uma estrutura de metapopulação de Cichla temensis na região.
Biologia do tucunaré-açu Cichla temensis
O tucunaré pertence à família Cichlidae, é peixe adaptado principalmente a ambientes lênticos e ocorre naturalmente na América do Sul, em rios de água preta, clara ou branca (Winemiller et al., 2008). Pertence ao gênero Cichla, que abriga 14 espécies válidas (Kullander e Ferreira, 2006). Na região amazônica as espécies de tucunarés utilizadas na pesca são: Cichla temensis Humbolt, 1821, C. ocellaris Bloch e Schneider, 1801, C. orinocencis Humbolt, 1821, C. intermedia Machado-Allison, 1971 e C. monoculus Spix e Agassiz, 1831.
4 O tucunaré-paca ou tucunaré-açu Cichla temensis (Figura 1) é um importante predador de topo de cadeia alimentar em diversos ambientes aquáticos (Barros, 1980). Segundo Graef (1995) o C. temensisatingem a idade adulta por volta dos dois anos, em ambiente natural. A espécie possui desova parcelada, a qual ocorre durante todo o ano e se intensifica na época da seca (Fontenele, 1950; Gomiero et al., 2009). É um peixe popular na pesca esportiva, mas também tem alto valor na pesca comercial e de subsistência (Corrêa, 1998; Jepsen et al., 1999). Por este motivo, conflitos são frequentes entre os diferentes usuários do recurso, quando estes atuam nas mesmas áreas de exploração pesqueira (Sobreiro et al., 2010).
Figura 1. Exemplar de tucunaré-açu Cichla temensis, capturado na região do Rio Padauari em 2012.
Mobilidade de dispersão de C. temensis
Estudos indicam que o tucunaré Cichla temensis é uma espécie sedentária e territorialista (Barros, 1980, Santos et al., 1984, Jepsen et al., 1999), por outro lado, alguns estudos afirmam a existência de movimentos de dispersão desses indivíduos (Hoeinghaus et al., 2003; Holley et al., 2008). Essa controvérsia nas informações causam incertezas quanto a distribuição desses indivíduos dentro dos sistemas aquáticos amazônicos, e tampouco se estes realizam movimentos territoriais entre populações distintas. Essa lacuna de informações também se estende à maioria das espécies importantes para a pesca comercial no Amazonas (Bailey e Petrere, 1989; Batista, 2001).
5 Pesquisas têm sido realizadas no intuito de compreender os mecanismos que regulam o recrutamento e a ecologia espacial do tucunaré, particularmente em sistemas de rios em áreas abertas de bacias hidrográficas brasileiras (Smith et al., 2005). A variabilidade de recrutamento em estoques é geralmente alta, tornando-se visível a correlação com fatores abióticos, particularmente descargas d'água e temperaturas (Smith et al., 2005).
Em recentes pesquisas realizadas na bacia amazônica sobre a dispersão gênica de tucunarés, foi observada a separação de populações ao longo dos diversos tributários nessa região (Macrander 2010; Willis et al., 2007; 2010). Estudos sobre marcação e recaptura realizados com Cichla temensis, C. orinocensis e C. intermedia em rios da Venezuela demonstraram que a maioria dos peixes recapturados estava dentro de um raio de 1 km, a partir do ponto de sua marcação (Hoeinghaus et al., 2003). Por outro lado, indivíduos de C. temensis marcados nesse mesmo estudo, foram recapturados com distâncias entre 17 a 21 km (o tempo entre o período de marcação e a recaptura dos exemplares de C. temensis, não foi divulgado no estudo). Holley et al. (2008) utilizaram a mesma metodologia de marcação e recaptura com indivíduos de C. temensis na região do Médio rio Negro, e relataram que um indivíduo dessa espécie foi recapturado a 40 km de distância de seu local de origem, após um ano de sua marcação.
No entanto, estes esforços não foram suficientes para elucidar completamente o processo de dispersão desses ciclídeos, o que torna necessária a realização de investigações acerca dos padrões migratórios e/ou de movimentos de dispersão desses indivíduos entre regiões distintas. Tais estudos poderão contribuir para um entendimento mais aprofundado sobre a distribuição espacial de (sub)populações de tucunarés na região do Médio Rio Negro.
Otólitos
Os peixes teleósteos têm três pares de estruturas inorgânicas em seu sistema auditivo, conhecidas como otólitos (lapillus, sagitta e asteriscus), que estão localizados atrás dos seus globos oculares (Campana, 1999). Estas estruturas são formadas basicamente por carbonato de cálcio (aragonita) que é sedimentado nos otólitos diretamente da química do ambiente aquático onde vivem (Campana 1999; Bath et al., 2000; Campana e Thorrold, 2001; Walther
6 e Thorrold 2006). Os otólitos são metabolicamente inertes e crescem continuamente através da sedimentação de finas camadas diárias (2 a 5 µm), que formam anéis concêntricos durante toda a vida do peixe (Pannella, 1971; Gauldie, 1993; Lord et al., 2011).
Em muitos peixes, incluindo os ciclídeos, os otólitos sagitta são os maiores (Gaemers, 1984) e por essa razão são os preferidos em estudos de análises de anéis de crescimento e microquímica (Pannella, 1980; Gomiero e Braga, 2007) (Figura 2).
Figura 2. Estrutura de um otólito Sagitta, retirado de um tucunaré-açu adulto Cichla temensis. A= vista superior, B= vista da parte inferior e C= vista lateral esquerda. (Modificado de Gomiero e Braga, 2007).
Os otólitos de peixes com idade de até duas semanas apresentam composição química bastante específica, relacionada ao local de seu nascimento (Lyons e Kanehl, 2002). A composição química destas estruturas sofre mudanças graduais durante a vida do indivíduo, recebendo influências de outras áreas exploradas pelo peixe (Campana, 1999). Em função disso, a composição química dos otólitos de indivíduos jovens pode ser utilizada como registro do local de seu nascimento. Já o perfil dos otólitos dos peixes adultos, iniciado próximo do centro do otólito até sua borda, pode ser utilizado para identificar os possíveis ambientes por onde o peixe percorreu, e, desse modo, reconstruir as possíveis rotas migratórias realizadas por indivíduos separadamente (Walter et al., 2008).
7 Migração e microquímica de otólitos
Estudos recentes sugerem que a heterogeneidade na geologia do canal principal de um rio pode apresentar diferenças detectáveis na química dos otólitos dos peixes, se estes percorrerem diferentes seções de um único rio ao longo de seu crescimento e vida adulta (Wells et al., 2003). Do mesmo modo, a variação química entre os sistemas aquáticos pode contribuir para a distinção entre os locais de nascimento de peixes entre rios com diferentes características químicas da água (Campana, 1999).
As análises microquímicas de otólitos mostram que é possível correlacionar tais características com diferenças limnológicas entre ambientes aquáticos, através dos registros dos isótopos e elementos traços sedimentados nessa estrutura ao longo da vida do peixe (Campana e Thorrold, 2001). Essas análises podem ser utilizadas para gerenciamento estratégico de uma determinada espécie que apresente padrões migratórios ou de dispersão, como troca de indivíduos entre duas ou mais áreas ou populações, os quais podem afetar o resultado do recrutamento de indivíduos de uma determinada região (Bilby et al., 2001) e sua distribuição espacial (Ridgeway et al., 2002).
O presente estudo teve como objetivo analisar populações de tucunaré-açu Cichla temensis da região do médio Rio Negro, por meio da aplicação da metodologia de análise de isótopos e elementos traços ambientais encontrados em otólitos de peixes, procurando contribuir com dados mais precisos sobre os movimentos inter-habitats para essa espécie. A detecção desses movimentos é possível caso existam diferenças químicas significativas entre os ambientes percorridos pelo peixe (Wells et al., 2003), uma vez que a química dos otólitos registra com precisão os movimentos de saída e/ou de retorno desses indivíduos, desde o seu local de nascimento/origem até o local de sua captura (Guido et al., 2006).
Distribuição da razão isotópica de 87Sr/86Sr no ambiente
Estrôncio (Sr) é um elemento traço encontrado na maioria das rochas ígneas, metamórficas e sedimentares. Está distribuído em vários tipos de matérias e ambientes, como
8 na água, no solo, nas plantas e em animais (Slovak e Paytan, 2011). Naturalmente o Estrôncio ocorre distribuído em quatro formas estáveis (84Sr, 86Sr, 87Sr, e 88Sr), das quais três não são radioativas: 84Sr (0,56 %), 86Sr (9,87%) e 88Sr (82,53%). O isótopo 87Sr (7,04%) é radiogênico (radioativo) e é formado pela queda da radioatividade do rubídio 87Rb (Faure e Mensing, 2005). Devido à seus valores proporcionais no ambiente terrestre o 87Sr e o 86Sr podem ser correlacionados, para normalizar a distribuição do 87Sr em substituição ao rubídio, representado na forma do isótopo de 87Sr/86Sr.
Faure (2001) relata que a proporção média do isótopo de 87Sr/86Sr na crosta continental é de 0,70916. Entretanto, estudos recentes encontraram valores isotópicos de
87Sr/86Sr originários de duas medidas de referência: a Eimer e Amend (E&A) com valor de 87Sr/86Sr de 0,70800, e a U.S. National Bureau of Standards-NBS987, apresentando valor de
0,71025. Os mais altos valores de 87Sr/86Sr foram encontrados em rochas muitos antigas, tais como granitos, que geralmente apresentam altos valores de Rb/Sr com valores de 87Sr/86Sr
acima de 0,710 (Faure 2001). Ao contrário, rochas jovens apresentam baixos valores de Rb/Sr e também valores de 87Sr/86Sr menores que 0,704 (Faure 1977; Capo et al. 1998; Slovak e
Paytan 2011).
Uma vez que os valores de 87Sr/86Sr variam muito pouco quando passam das rochas lixiviadas indo para o solo, de onde são absorvidos pela vegetação e posteriormente pela cadeia alimentar (Graustein e Armstrong, 1983; Miller et al., 1993), seus valores não se alteram significativamente nesse processo, e, consequentemente, preservam os valores originais de suas rochas matrizes (Hurst e Davis 1981; Faure, 1986; Åberg et al., 1995; Wakabayashi et al., 2007; Ruggeberg et al., 2008). Desse modo, o isótopo de 87Sr/86Sr pode ser utilizado como marcador ambiental em estudos de movimentos de dispersão de animais terrestres e/ou aquáticos que tenham incorporado esses elementos em suas estruturas rígidas (Capo et al., 1998; Elsdon et al., 2008; Turner e Limburg, 2012).
9 Problema enfocado no estudo
Estudos como os de Hoeinghaus et al. (2003) e Holley et al. (2008), mostraram que os ciclídeos, principalmente o C. temensis, realizam movimentos de dispersão consideráveis entre os tributários de grandes rios, como o Rio Cinaruco (Venezuela) e o Rio Negro (Brasil). Por outro lado, diversas pesquisas apontam o tununaré-açu como uma espécie sedentária (Winemiller, 2001; Granado-Lorencio et al., 2005). Essa polêmica sobre o tucunaré-açu ser ou não ser um peixe sedentário, é reforçada quando Macrander (2010) sugere a existência de barreiras hidroquímicas que impedem o fluxo de indivíduos de C. temensis entre as bacias dos rios Orinoco (Venezuela) e Rio Negro. Será que os indivíduos de tucunarés que não realizam seus movimentos de dispersão entre os ambientes ondem residem é devido as barreiras hidroquímicas ou porque são de fato sedentários? Ainda, se realizam movimentos de dispersão entre ambientes distintos, formam estruturas metapopulacionais?
Procurando entender a dinâmica de dispersão do tucunaré-açu Cichla temensis, a presente pesquisa, se propôs a estudar os movimentos de dispersão da espécie C. temensis na bacia do Médio Rio Negro. Por haver nessa região vários tributários do Rio Negro, com tipos distintos de água, onde habitam a espécie em questão. Alguns tributários desta região, foram selecionados para a presente pesquisa por formarem pares de rios conectados entre si, mas serem compostos por diferentes tipos de água. Por exemplo, o Rio Aracá (água preta) e o Demeni (água branca), o Rio Preto (água preta) e o Padauari (água branca). A exceção foi o Rio Cuiuni (água preta) que é diretamente conectado com o Rio Negro (água preta). No entanto o Rio Cuiuni, apresenta sua bacia de drenagem situada em região geologicamente diferenciada do leito do canal principal do Rio Negro. Outro fator importante dos tributários dessa região é que eles drenam bacias com geologias distintas, o que esperamos ser visível na microquímica dos otólitos dos exemplares de tucunaré-açu ali coletados.
Além disso, o presente estudo verifica se as diferenças microquímicas dos ambientes registradas nos otólitos, podem indicar a formação de barreiras hidroquímicas entre os tributários com diferentes tipos de água (água preta vs água branca), o que poderia indicar a existências de populações isoladas localmente ou de metapopulações, quando conectadas pelo fluxo de entrada e saída de indivíduos procedentes de outros tributários. Com esse panorama ambiental surgiu a pergunta chave para o presente trabalho. Existem movimentos de dispersão
10 de tucunarés-açu Cichla temensis que mostram padrões de metapopulações entre o Rio Negro e seus tributários (rios Cuiuni, Aracá, Demeni, Preto e Padauari)? É possível verificar esses movimentos de dispersão comparando as diferenças microquímicas dos otólitos de tucunaré-açu com os tipos de geologia das áreas por eles habitadas?
Sabe-se que os ciclídeos fazem pequenos deslocamentos entre ambientes, entretanto ainda pouco se conhece sobre os padrões de movimentos de dispersão entre essas populações. No entanto, estudos realizados sobre espécies de peixes que habitam ambientes de água doce (Bataille & Bowen 2012; Hegg et al. 2013), mostram que é possível a verificação da origem dessas populações de peixes através de registros químicos existentes em otólitos relacionados aos ambientes em que estas espécies vivem ou viveram. Informações sobre a dinâmica de dispersão de indivíduos de uma mesma população e implicações da existência de estrutura metapopulacional para espécies de peixes de interesse múltiplos, como o C. temensis pode contribuir para a criação de estratégias de manejo para essa espécie. Hoje em dia, existem algumas tentativas de manejo participativo entre os usuários do recurso na região de Barcelos no Amazonas, comunidades ribeirinhas, pescadores comerciais e pescadores esportivos. No entanto, essas tentativas de acordo de pesca não tiveram êxito (Sobreiro et al., 2010). Nesse sentido, se faz necessário produzir informações sobre a distribuição espacial do tucunaré-açu que possa auxiliar no manejo efetivo das pescarias dessa espécie na região do Médio Rio Negro.
Hipóteses
H0 = A composição química de otólitos não é um marcador natural do local de
nascimento de tucunaré-acú jovens e adultos;
H1 = A composição química de otólitos é um marcador natural do local de nascimento
11 H0 = As populações de tucunaré-açu Cichla temensis dos rios Cuiuni, Aracá, Demeni,
Preto, Padauari e Negro não são conectadas entre si através de movimentos de dispersão entre diferentes ambientes;
H1 = As populações de tucunarés Cichla temensis dos rios Cuiuni, Aracá, Demeni,
Preto, Padauari e Negro, são conectadas entre si através de movimentos de dispersão entre diferentes ambientes.
Objetivo geral
Verificar se a composição microquímica de otólitos atua como marcador ambiental do local de nascimento de tucunaré-acú jovens e adultos e se existem populações diferentes dessa espécie para os rios Cuiuni, Aracá, Demeni, Preto, Padauari e Negro.
Nesse contexto, esta pesquisa propõe:
1) Apresentar informações que indiquem a região de nascimento dos indivíduos de tucunaré-açu e a distribuição espacial de suas populações, dentro do sistema aquático estudado, utilizando isótopos e elementos traços acumulados temporalmente nos otólitos dos peixes; e
2) Analisar a aplicação dos resultados dessa pesquisa para o estudo da dispersão e o intercâmbio dos tucunaré-açu adultos entre os rios Cuiuni, Aracá, Demeni, Preto, Padauari e Negro.
12 Objetivos específicos
a) Investigar a geoquímica de otólitos como potencial marcador natural do local de nascimento de peixes jovens; ao longo dos rios Cuiuni, Aracá, Demeni, Preto, Padauari e Negro na região do Médio Rio Negro;
b) Identificar o local de nascimento dos tucunarés com menos de um ano e também de tucunarés adultos, coletados nesses diferentes locais, analisando a microquímica da parte central dos otólitos;
c) Avaliar os padrões de movimentos de dispersão de indivíduos de tucunaré-açu entre os ambientes de águas preta ou branca, através da variação microquímica do centro até a borda dos otólitos, que possam indicar a ocorrência de metapopulação dessa espécie na região; e
d) Sugerir estratégias de gestão do(s) estoque(s) de tucunaré-açu, incorporando informações sobre a estrutura espacial e padrões de movimentos de dispersão entre os rios acima citados.
Organização da Tese
O Capítulo I apresenta um estudo sobre a distribuição espacial dos berçários de tucunarés-açu jovens, com menos de um ano, em diferentes tributários de águas brancas e pretas na região do Médio Rio Negro. Esse estudo foi desenvolvido utilizando informações de mapas geológicos relacionados aos tipos de sedimentos encontrados na região do Médio Rio Negro. Os dados sobre a geologia da área do estudo foram posteriormente utilizados para identificar a distribuição espacial dos isótopos de 87Sr/86Sr e dos elementos traços Sr/Ca e
Ba/Ca, encontrados na composição dos otólitos dos tucunarés-açu jovens.
No Capítulo II foram analisadas as razões isotópicas de 87Sr/86Sr e dos elementos
13 determinar a origem de cada peixe. Foram comparadas as características microquímicas do centro dos otólitos desses peixes adultos com a composição química dos otólitos dos peixes jovens de origem conhecida. Ainda, foi examinado as diferenças microquímicas existentes na parte central até a borda dos otólitos dos peixes adultos para verificar se esses indivíduos realizavam movimentos de dispersão deixando os seus locais de nascimento e se retornavam posteriormente aos seus locais de origem.
Uma seção de conclusões finais apresenta um sumário sobre os resultados obtidos em ambos os capítulos. Os capítulos desta Tese encontram-se em formato de manuscritos, conforme recomendação do Programa de Pós Graduação em Biologia de Água Doce e Pesca Interior do INPA. Esses, por sua vez, estão formatados segundo as normas das revistas às quais serão submetidos para publicação.
Metodologia geral
Área de estudo
A bacia do Rio Negro tem cerca de 715.000 km2 (Latrubesse e Franzinelli, 2005),
formando uma área que ultrapassa as fronteiras do nosso país (Franzinelli e Igreja, 2002). O Rio Negro tem aproximadamente 1.700 km de extensão da nascente ao seu delta (Leon et al., 2006), se tornando o maior rio de água preta do globo terrestre (Latrubesse e Franzinelli, 2005).
A bacia de drenagem desse rio banha regiões com rochas antigas e jovens (Horbe e Santos, 2009), as quais, consequentemente, influenciam na coloração da água de seus tributários (Sioli, 1984). A água preta é a que predomina na bacia do Rio Negro (Junk et al.,1997; Latrubesse e Franzinelli, 2005), embora existam vários tributários de água branca ou clara. Essa diversidade da geologia e os diferentes tipos de água de seus tributários foram de crucial importância para o desenho amostral desta pesquisa (Figura 3).
14 Figura 3. Localização dos locais amostrais na região do Médio Rio Negro, município de Barcelos-Amazonas. Pt01 = Rio Cuiuni (água preta), Pt02 = Confluência do Rio Demeni com o Rio Negro (água preta), Pt03 = confluência do Rio Aracá com o Rio Demeni (água mista), Pt04 = Rio Aracá (água preta), Pt05 = Rio Demeni (água branca); Pt06 = confluência do Rio Padauari com o Rio Negro (água preta), Pt07 = confluência do Rio Preto com o Rio Padauari (água mista), Pt08 = Rio Preto (água preta) e Pt09 = Rio Padauari (água branca).
15 Coleta e análise dos dados
Foram coletados 142 exemplares de Cichla temensis, sendo 99 de indivíduos jovens com menos de um ano e 43 adultos. As coletas foram realizadas nos períodos de seca, em janeiro de 2011 e de março 2012 (Tabela 1).
Tabela 1. Locais amostrais e comprimento padrão (mm) dos tucunarés-açu C. temensis coletados na região do Médio Rio Negro – Amazonas.
Período das coletas
Locais amostrais 2011 2012 Juvenis N (*Min-Máx) Adultos N (*Min-Máx) Juvenis N (*Min-Máx) Adultos N (*Min-Máx) Pt 01 14 (10.5 – 180) 5 (245 -385) Pt 02 - 4 (280-460) 15 (11-15) - Pt 03 - - 15 (72-92) 6 (290-540) Pt 04 - 1 (765) 11 (14-18) 5 (225-260) Pt 05 - 2 (325-465) 15 (65-93) 4 (245-425) Pt 06 - - 14 (40-53) 1 (240) Pt 07 - 1 (570) - 4 (240-510) Pt 08 - - 15 (13-22) 6 (465-625) Pt 09 - 1 (500) - 5 (210-465) Total 14 8 85 35
N = número de indivíduos (* Comprimento padrão em milímetros)
Os indivíduos foram submetidos a choque térmico em gelo logo após sua captura, embalados, etiquetados e acondicionados em caixas térmicas. Os peixes adultos (maiores que 24 cm) foram submetidos a um processo de dissecação para a retirada dos otólitos ainda em campo. Os otólitos dos indivíduos jovens foram extraídos em laboratório, com o auxílio de equipamentos especializados (Figura 4).
16 Figura 4. A = Biometria dos peixes adultos, B = Extração dos otólitos dos peixes adultos, C = Biometria dos peixes jovens e D = Extração dos otólitos dos peixes jovens.
Os otólitos extraídos foram limpos com água destilada, secos, identificados e armazenados em tubos eppendorf, para posterior montagem. Em laboratório, cada otólito foi colado sobre uma lamínula de vidro para microscopia com a sua superfície côncava voltada para cima (Figura 5).
A B
17 Figura 5. A = Material utilizado para a separação e montagem dos otólitos, B = Otólito fixado em lamínulas.
Posteriormente cada otólito foi lixado com lixas diamantadas com textura entre 30 a 200 µm, até alcançar a visualização (sob microscópio óptico) dos anéis de crescimento com distância aproximada de 30 micrometros (µm) do núcleo do otólito (Figura 6).
Figura 6. A = Lixamento dos otólitos, B = Microscópio óptico utilizado na visualização da distância entre a superfície do otólito e sua parte central (µm).
Depois de lixados os otólitos foram submetidos a uma limpeza com água destilada em banheira ultrassônica (Branson, 200), por dois minutos. Em seguida foram acomodados para
A B
18 secagem. Todo o processo de limpeza e secagem foi realizado em uma câmara ultralimpa (AirClean 600 PCR workstation) (Figura 7).
Figura 7. A = Banheira ultrassônica para limpeza dos otólitos, B = Câmara ultralimpa para limpeza e secagem dos otólitos.
Após a limpeza e secagem dos otólitos, eles foram armazenados em caixas de lamínulas limpas, e essas acondicionadas em sacolas plásticas do tipo zip lock (Figura 8).
Figura 8. A = Acondicionamento dos otólitos em sacolas e caixas esterilizadas, B = Acondicionamento dos otólitos para transporte.
A B
19 No Laboratório de Espectrometria de Massa do Instituto Oceanográfico Woods Hole (WHOI) em Massachusetts nos Estados Unidos da América, os otólitos foram selecionados para as análises isotópicas e de elementos traços, realizadas com queima a laser de parte da superfície do otólito, com uso de equipamento óptico associado a um coletor múltiplo de espectrometria de massa por plasma indutivamente acoplados (LA-MC-ICP-MS) (Figura 9).
Figura 9. A = Coletor Múltiplo de Espectrometria de Massas por Plasma Indutivamente Acoplado, B = Imagem de um otólito com a região central mapeada (amarelo) e o transecto estabelecido para queima (verde), prontos para a análise química a laser.
Cada otólito submetido à análise microquímica teve seus valores químicos visualizados automaticamente através de uma tela de computador (Figura 10).
Figura 10. A = Queima a laser da superfície do otólito, B = Resultados das análises microquímicas em computador.
A B
20 Os dados coletados foram tabulados e posteriormente analisados estatisticamente empregando-se os programas SPSS (SPSS, Inc) e Statistica 7.0 (StatSoft, Inc). Os resultados obtidos com as análises foram utilizados na elaboração dos Capítulos I e II desta Tese.
21
Capítulo I
Garcez, R.C.S.; Humston, R.; Harbor, D. & Freitas, C.E.C. Otolith geochemistry in young-of-the-year peacock bass Cichla temensis for investigating natal dispersal in the Rio Negro (Amazon - Brazil) river system. Submetido e aceito na revista Ecology of Freshwater Fish, em 22 Março de 2014.
22
Otolith geochemistry in young-of-the-year peacock bass Cichla temensis for
investigating natal dispersal in the Rio Negro (Amazon - Brazil) river
system
R. C. S. Garcez1, R. Humston 2, D. Harbor3, and C. E. C. Freitas4
1 Programa de Pós-Graduação em Biologia de Água Doce e pesca Interior, Instituto Nacional
de pesquisas da Amazônia, Av. André Araújo, 2936. Aleixo, Manaus, AM 69.060-001, Brazil.
2Department of Biology, Washington and Lee University, Lexington, VA 24450,
U.S.A.
3Department of Geology, Washington and Lee University, Lexington, VA 24450,
U.S.A.
4Departamento de Ciências Pesqueiras. Universidade Federal do Amazonas, Avenida General
Rodrigo Otávio Jordão Ramos, 3000. Manaus, AM 69.070-000, Brazil.
23 Abstract
This study examined otolith geochemistry as a natural marker of natal origins in young-of-the-year (YOY) C. temensis in the Negro River basin of Brazil. We analysed trace element and isotopic composition of otoliths of YOY collected off spawning nests from the main stem and major tributaries. These were compared to regional bedrock geologic composition to explore underlying mechanisms of differences in otolith geochemistry. Our results suggest that spatial differences in otolith geochemistry can be used to distinguish natal origins based on 87Sr/86Sr, Sr/Ca, and Ba/Ca ratios. This approach allowed us to correctly classify 99% of juvenile fish to their natal streams using cross-validation in a linear discriminant function analysis (LDFA). Patterns of otolith isotopic composition correspond with patterns in regional geology as expected based on previously demonstrated correlations, though some fine-scale spatial differences cannot be accounted for by available geologic information. These results demonstrate that otolith chemistry is valuable as a natural marker of natal origins in this system and suggest that inferences from geologic maps may be useful for interpreting movements based on otolith geochemical signatures. This information provides the basis for future work to investigate the early life history and spatial ecology of this important cichlid.
Key words: Amazon Basin; Fish movement; Fresh water; Geochemistry; Strontium isotope; Trace elements.
24 Introduction
The fish species of the Amazon Basin exhibit an incredible diversity of life histories, and greater scientific understanding of fisheries ecology in the area is crucial to the development of feasible and realistic strategies of conservation. Species of the genus Cichla support economically important fisheries for small-scale commercial harvest as well as recreational angling and associated ecotourism. The biology of Cichla species has been fairly well documented, including population structure (Winemiller et al. 1997); age and growth (Jepsen et al. 1997); abundance (Taphorn & Barbarino Duque 1993); feeding habits (Novaes et al. 2004); spawning (Chellappa et al. 2003); and dispersal movement (Hoeinghaus et al. 2003). In general, reports about dispersal movements of Cichla spp. in the Amazon Basin come from research using capture–mark–recapture technique (Taphorn & Barbarino Duque 1993; Hoeinghaus et al. 2003; Holley et al. 2008). However, fish must be large enough to bear physical tags; therefore, these methods are less useful for tracking movement early in a fish’s life history (Holley et al. 2008). Dispersal in the early life stages is important for understanding spatial population dynamics and recruitment patterns across the river tributary network (Humston et al. 2010) and therefore represents a considerable knowledge gap for managing these fisheries.
Like many South American rivers, the Negro River near the equator in Brazil supports a popular recreational sport fishery that focuses primarily on Cichla species (Hoeinghaus et al. 2003; Holley et al. 2008). In this region, Cichla are abundant and colonise the main channel of the Negro River and the majority of its white and black water tributaries (Jepsen et al. 1997). Sport fishing occurs primarily during the receding water period between September and April and brings approximately 1800 anglers to the Negro River Basin during this period (Holley et al. 2008). Cichla reproduction takes place at the same time, following the receding water period (Zaret 1980). These cichlids tend to prefer lentic habitats (Winemiller 2001), make their nests on the river bottom (Jepsen et al. 1997) and demonstrate parental care behaviour (Winemiller & Jepsen 1998). In dispersal following this period of parental care, young-of-year could redistribute widely throughout the extensive network of rivers and tributaries, particularly during the high flood season flows that follow in May–August. Emigration and recruitment from spawning areas could therefore support distant fisheries, obscuring the effects of harvest on local populations and/or creating source-sink dynamics.
25 Finding a way to effectively study movement across the full range of ontogeny is therefore important for identifying such dynamics.
Isotopic and trace elemental composition of hard parts of animals has been demonstrated to be useful as a natural fingerprint of past residency in studies of movement ecology (Price et al. 2000; Walther et al. 2008; Walther & Limburg 2012; Wolff et al. 2012). The chemistry of fish otoliths in particular has been demonstrated to be an effective tool for tracking fish movement, as this structure readily incorporates the chemical signatures of specific water bodies as influenced by their lithospheric geochemistry (Thorrold et al. 2001; Humston & Harbor 2006; Walther et al. 2008; Nowling et al. 2011). The use of otolith microchemistry as an alternative method of estimating natal origin and fish movement rates could circumvent existing limitations to the use of physical tags in the study of movement by Cichla; however, no study of Cichla species in the Amazon Basin has investigated this possibility. In particular, isotopic chemistry (e.g., 87Sr/86Sr) holds potential as a distinct
marker in these rivers as it correlates with age and composition of underlying geology (Barnett-Johnson et al. 2008; Bataille & Bowen 2012; Hegg et al. 2013), both of which vary substantially across this system. In this study, we sought to determine whether otolith geochemistry could provide a useful indicator of provenance of Cichla temensis in the Rio Negro system. Correspondingly, we qualitatively explored whether regional differences in otolith chemistry correspond with variation in underlying lithology based on available data. Taken together, these sources of inference could provide a foundation for reconstructing movement patterns across the full range of ontogeny in Cichla species in the Amazon Basin based on retrospective analysis afforded by otolith chemical composition.
Materials and Methods
Study Area
The Negro River Basin (NRB) comprises over 715,000 km2 that extend from latitude 3°140S to 5°80N and from longitude 72°570W to 58°160W (Latrubesse & Franzinelli 2005)
26 and includes large, remote areas with minimal exploration or study. The NRB is a transboundary basin, with its area divided among Brazil, Colombia, Venezuela and Guiana (Franzinelli & Igreja 2002). The Negro River forms from the confluence of the Guiana River and the Casiquiare Channel and flows roughly 1700 km to its terminus at the Solimões (Amazon) River. It contributes a mean annual discharge of over 50,000 m3∙s-1 (Leon et al. 2006) to the system making it the second largest Amazon River tributary in this respect (Latrubesse & Franzinelli 2005).
The Negro River catchment incorporates three distinct upper, middle and lower regions: (i) the upper region beginning in the Guyana Shield, where the Negro River headwaters are located, and ends in Santa Isabel do Rio Negro (Franzinelli 2011); (ii) the middle region extends to the confluence with the Branco River and exhibits Cenozoic sediments derived from Precambrian crystalline basement or Palaeozoic and Mesozoic sedimentary rocks (Latrubesse & Franzinelli 2005); and (iii) the lower region begins at the confluence with the Branco River, occurs nearly entirely in the Cenozoic floodplain, passing across the Archipelago of Anavilhanas and ending at the confluence with the Solimões River (Franzinelli & Igreja 2002; Fig. 1). The chemical composition of the water in the Negro River and its tributaries is highly variable and strongly influenced by forest characteristics and geological location (Horbe & Santos 2009). Within the NRB, black water with high acidity is predominant (Stallard & Edmond 1987).
27 Fig.1. Location and geological conditions of the study area: (a) location of the sample sites with respect to the major tributaries of the Negro River, (b) ages of the geological units from Ferreira et al. (2005) and dashed outlines of the basins upstream of the sample sites, and (c) geologic units as potential sources of isotopic differentiation.
Geologic age corresponds roughly with 87Sr/86Sr ratios due to radiogenic Sr accumulation (Faure 2001), and geologic composition determines how geochemistry of bedrock and corresponding weathering can contribute to Sr abundance and isotopic composition in surface waters (Barnett-Johnson et al. 2008; Bataille & Bowen 2012; Hegg et
28 al. 2013). The NRB and the majority of its northern tributaries are primarily underlain by silicate rocks rich in Sr with high 87Sr/86Sr ratios (Edmond et al. 1995). Conversely, the southern area is formed by younger Quaternary sediments with low radiogenic 87Sr/86Sr ratios (Allégre et al. 1996). We would expect to see this regional variation reflected in otolith Sr ratios as well.
We focused our sampling effort in the geologically diverse ‘middle’ section of the Negro River. Fish were collected from seven sites separated by at least 20 river kilometer (rkm) in two general areas area we termed upper river and lower river areas, which are separated by at a distance of approximately 150 rkm (Table 1; Fig. 1a).
Table 1. Geographic information on sample locations Location names Code Types of
water Latitude Longitude Lower Rivers Cuiuni River Pt01 BW -00 47' 32,90280'' -63 15' 23,38560" NRMC Pt02 BW -00 46' 26,60520'' -62 56' 26,84760" ADC Pt03 MW -00 26' 25,63440'' -62 54' 27,25560" Aracá River Pt04 BW -00 16' 48,77760'' -63 00' 44,67600" Demini River Pt05 WW -00 18' 03,43800'' -62 46' 26,85360" Upper Rivers NRMC Pt06 BW -00 15' 04,26240'' -64 04' 33,52080" Preto River Pt07 BW -00 05' 31,06320'' -64 09' 24,28920"
Six of our seven sampling sites were in Negro River tributaries entering from the northern side of the main stem, situated in large regions of Paleoproterozoic accreted craton, added to by Mesoproterozoic tectonic belts and igneous intrusions (Gradstein et al. 2012). The exception is Pt01 located in the Cuiuni River, a tributary whose catchment basin lies to the south of the Negro River in a Cenozoic basin formed in unconsolidated Neogene sediment (Fig. 1b). We refer to these locations by their numeric codes to make spatial arrangement clearer for the reader; numbering is ordered roughly proceeding from downstream to upstream sites.
29
Sample collection
Fish were collected at two separate times, with the first collection occurring in March 2011; only one site was sampled (Pt01) in this period due to poor conditions. A second collection effort was organised in January 2012 to increase sample size and spatial coverage. Collections were conducted during these months to correspond with spawning and so that young-of-the-year (YOY) C. temensis could be collected near their natal nests in the shallow floodplain streams and lake margins while still under parental care. Zaret (1980) reported that YOY Cichla spp. Do not disperse from their nursery ground until they are at least 2 months in age and 60 mm standard; therefore, we only collected YOY well below this size. Captured fish were euthanized via thermal shock, covered with ice and stored in sealed plastic bags. They were labelled and transported to the fish biology laboratory facility at the Federal Amazon University. In the laboratory, the standard length (SL) of each YOY was measured to the nearest 1 mm (±1), and the fish were weighed to the nearest 0.01 g before otolith extraction.
Otolith preparation and analysis
Sagittal otoliths were removed under a dissecting microscope, triple-washed in ultrapure deionised water to remove attached fleshy tissue, dried and stored in a 2 ml Eppendorf tube for further analysis. Then, they were transported (IBAMA licence number 110752) to Washington and Lee University (WLU - Virginia, USA) for preparation. The right otolith from each individual fish was selected for chemical analysis, and the left otolith was saved as a potential replacement. Otoliths were mounted with the convex surface up (i.e., sulcus up) on microscope slides using gel-consistency cyanoacrylate. Otoliths were then hand-polished on the saggital plane using 30 µm and 3 µm diamond lapping film to a distance of approximately 50 µm above the core.
All mounted and polished otoliths were cleaned in ultrapure (Milli-Q, EMD Millipore, Billerica, MA, USA) water for two minutes using an ultrasonic bath (Bransonic 200) under
30 class 100 clean conditions. Afterwards, the otoliths were dried in a laminar flow hood (approximately 2 h) and stored for transport to the Woods Hole Oceanographic Institute (WHOI).
Otoliths with a diameter of length and width of more than 250 µm were selected for chemical analyses, to ensure enough area and mass for laser ablation. An exception was made for the otoliths from Pt04, which were approximately 200 µm in length and 100 µm in width. The analytical procedure was performed using a Neptune multicollector ICP-MS (Thermo Scientific, Waltham, MA, USA) attached to a 193 nm laser ablation system (New Wave Research, ESI Inc., Portland, OR, USA), which was used to ablate a raster centred on the core of the otolith. The laser ablated a 100-µm-diameter spot per cycle while running at 100% power, 10 Hz repetition rate and 6 µm∙s-1 scan speed. We were able to simultaneously measure 87Sr/86Sr, Sr/Ca and Ba/Ca ratios from a single raster following procedures outlined in Walther and Thorrold (2010). Blank samples and two different standard reference materials were analysed between every 12 otolith samples. Reference materials included a strontium carbonate isotopic standard (SRM 987) and a dissolved otolith certified reference (FEBS-01; Sturgeon et al. 2005). Blank, mass bias and interference corrections were applied as outlined in Walther et al. (2008) and Walther and Thorrold (2010). Mean 87Sr/86Sr in SRM 987 standard measurements (N = 17) was 0.7102502 with a standard deviation (SD) of 0.0000218, which is within 1 SD of the known value of 0.71024 for SRM 987.
Statistical analysis
We initially employed analyses of variance – ANOVA (Zar 1999) to examine spatial differences in otolith 87Sr/86Sr, Sr/Ca and Ba/Ca composition individually. Tukey’s HSD test (Zar 1999) was employed to identify pairwise differences when significant differences were identified among sampling locations. This allowed us to elucidate how each variable varied among locations and corresponded to geologic variation. We then used linear discriminant function analysis (LDFA) to determine the degree to which multivariate geochemical signatures in otoliths could be used to distinguish origins of individuals from our sample. Variables were entered into the model using a stepwise forward method, using Wilk’s
31 Lambda and F-statistic probabilities to determine sequence of variable addition and evaluate model improvement, respectively (Huberty 1994). A serial deletion cross validation procedure was used to quantify classification accuracy and error rates. All statistical analyses were conducted using SPSS software (SPSS, Inc., IBM Corporation, Armonk, NY, USA).
Geologic analyses
Due to the sheer number of tributaries and the vast size and remoteness of this area, it is not feasible to collect a ‘catalog’ of reference data on otolith chemical composition from all possible natal sources in this system. Therefore, we investigated correspondence between geologic composition of watersheds and chemical composition of otoliths collected from sampling locations. We focused on 87Sr/86Sr in particular in this analysis, as previous examples demonstrate that this can be correlated with geologic data (Barnett- Johnson et al. 2008; Bataille & Bowen 2012; Hegg et al. 2013) and that it is often less variable than trace element chemistry in surface waters (with notable exceptions, e.g., Clow et al. 1997; Aubert et al. 2002; Voss et al. 2014). Following Barnett-Johnson et al. (2008) and Bataille and Bowen (2012), we used available data to examine the age of geologic features in watersheds as well as their relative composition. Although limited data were available in this regard, we attempted to infer the degree to which particular types of rocks in the study area would contribute radiogenic strontium and followed data reported in Bataille and Bowen (2012) for guidance. We divided the map units of middle Negro River region following Ferreira et al. (2005) into the following broad units: (i) Paleoproterozoic basement of the Santa Izabel do Rio Negro unit, which comprises metasedimentary, metamorphosed felsic volcanic and plutonic rocks including granodiorite, quartz diorite, migmatites and monzogranites, and gneiss in the northwest corner; (ii) Paleoproterozoic granite intrusions (syeno- and monzogranite); (iii) Mesoproterozoic granite intrusions (syeno- and monzogranite, 93%) and minor mafic and ultramafic intrusions (< 7%); (iv) Mesoproterozoic quartzite; (v) Cenozoic sediments including river floodplains, Quaternary terraces and aeolian deposits. We then quantified the relative composition of watersheds in these different geologic categories and compared these with otolith 87Sr/86Sr composition from sampling locations in those watersheds. Finally, we examined scatter plots of per cent rock type against mean 87Sr/86Sr
32 observed in collections and performed simple linear regressions to explore the degree to which watershed geologic composition could be used to predict stream isotopic chemistry.
Results
We collected a total of 175 YOY C. temensis from seven experimental reaches in two general areas, designated as upper river and lower river areas in this study (Table 2). The sampled fish ranged in weight from 0.02 to 69.25 g (±25.30) and in standard length (SL) from 1.62 to 8.98 cm (±2.95). This size range suggests these fish were still in close proximity to their spawning site at the time of collection. Their mean age in months was 2.41 ± 1.39. Of these, a total of 99 otoliths were of sufficient size for laser ablation and chemical analyses.
Table 2. Strontium 87Sr/86Sr isotope and trace element ratio values (mean ± SD) from the otoliths of young-of-the-year C. temensis (sampling site names are listed in Table 1).
Area Location
Code
N 87Sr/86Sr Sr/Ca (mmol/mol-1) Ba/Ca (mmol/mol-1)
Lower rivers Pt01 14 0.71314 ± 0.00066 0.01458 ± 0.00303 0.00120 ± 0.00057 Pt02 15 0.74097 ± 0.00147 0.00624 ± 0.00098 0.00041 ± 0.00017 Pt03 15 0.78554 ± 0.00104 0.00945 ± 0.00155 0.00081 ± 0.00024 Pt04 11 0.78292 ± 0.00101 0.00621 ± 0.00130 0.00127 ± 0.00010 Pt05 15 0.73494 ± 0.00016 0.00480 ± 0.00034 0.00026 ± 0.00006 Upper rivers Pt06 14 0.74230 ± 0.00086 0.00847 ± 0.00051 0.00074 ± 0.00010 Pt07 15 0.74211 ± 0.00100 0.00552 ± 0.00236 0.00135 ± 0.00025
Results of univariate analyses (ANOVA) indicated significant differences among sample sites in otolith 87Sr/86Sr (F6, 92 = 9919.871, P < 0.0001), Sr/Ca (F6, 92 = 55.323, P < 0.0001) and Ba/Ca ratios (F6, 92 = 35.250, P < 0.0001). Otolith strontium isotopic ratios varied widely among locations, with location means ranging from 0.71314 (Pt01) to 0.78554 (Pt03) with low variance within sites. Tukey’s HSD tests revealed pairwise differences among all locations except the two most upstream sampling sites (Pt06 and Pt07). Differences between the two mainstem Negro River sites (Pt02 and Pt06) were subtle, with the downstream location (Pt02) slightly lower than upstream. In the lower sampled section, the southern tributary had the lowest 87Sr/86Sr by far. An interesting pattern emerged among the
