Aquatic community metabolism response to municipal effluent inputs in rivers quantified using diel 18O values of dissolved oxygen

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Abstract:

The spatial footprint over which municipal wastewater effluents cause changes to aquatic community structure and metabolism is key information required for the management of discharges into rivers. Longitudinal studies were undertaken on the Bow and South Saskatchewan rivers, Canada, to assess a new isotopic and modelling approach that combined O2 and 18O-O2 diel (24h) response curves to quantify changes in integrated community aquatic metabolism as a result of point-source wastewater inputs. Diel samplings were conducted over four seasons along 50km transects at Calgary (Bow River) and Saskatoon (South Saskatchewan River). Diel O2 and 18O-O2 cycles grew in magnitude downstream of effluent inputs in all seasons compared with upstream control sites. 18O-O2 depletions clearly revealed the stimulating effect of effluent on aquatic photosynthesis. Diel isotopic mass balance modelling showed community metabolic responses to effluent inputs were most pronounced in the spring and summer when photosynthesis and respiration rates were about two- to three-fold higher than at upstream control sites. Our findings revealed that sewage treatment plant nutrient additions resulted in an enhanced metabolic footprint that extended beyond 50km downstream.

Afin de gérer les rejets d’effluents municipaux d’eaux usées dans les rivières, il est essentiel de connaître l’étendue de l’empreinte spatiale laissée par les changements produits dans la structure et le métabolisme de la communauté aquatique. Nous avons entrepris des études longitudinales sur les rivières Bow et South Saskatchewan, Canada, pour évaluer une nouvelle méthodologie basée sur les isotopes et la modélisation qui combine les courbes journalières (24h) de réponses de O2 et de 18O-O2 afin de quantifier les changements dans le métabolisme intégré de la communauté aquatique à la suite d’apports d’eau usées provenant d’une source ponctuelle. Nous avons prélevé des échantillons sur 24 h au cours des quatre saisons le long de transects de 50km à Calgary (rivière Bow) et à Saskatoon (rivière South Saskatchewan). La magnitude des cycles journaliers de O2 et de 18O-O2 augmentent en aval des rejets d’effluents en toute saison par rapport aux sites témoins en amont. Les baisses de 18O-O2 montrent clairement l’effet stimulateur des effluents sur la photosynthèse aquatique. Une modélisation des bilans massiques isotopiques montre que les réponses métaboliques de la communauté aux rejets d’effluents sont plus prononcées au printemps et en été; à ce moment, les taux de photosynthèse et de respiration sont deux à trois fois plus élevés que dans les sites témoins en amont. Nos résultats indiquent que les additions de nutriments provenant des stations d’épuration des eaux usées produisent une empreinte métabolique accrue qui s’étend au-delà de 50km en aval.

Document Type: Research Article

Publication date: August 1, 2010

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  • Published continuously since 1901 (under various titles), this monthly journal is the primary publishing vehicle for the multidisciplinary field of aquatic sciences. It publishes perspectives (syntheses, critiques, and re-evaluations), discussions (comments and replies), articles, and rapid communications, relating to current research on cells, organisms, populations, ecosystems, or processes that affect aquatic systems. The journal seeks to amplify, modify, question, or redirect accumulated knowledge in the field of fisheries and aquatic science. Occasional supplements are dedicated to single topics or to proceedings of international symposia.
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