Multiscale land use impacts on water quality: Assessment, planning, and future perspectives in Brazil.

Brazil contains the largest volume of freshwater of any nation in the world; however, this essential natural resource is threatened by rapid increases in water consumption and water quality degradation, mainly as a result of anthropogenic pressures. Declining water quality has become an increasingly more significant global concern as economic activities and human populations expand and climate change markedly alters hydrological cycles. Changes in land-use/land-cover (LULC) pattern have been recognized as a major driver of water quality degradation, however different LULC types and intensities affect water quality in different ways. In addition, the relationships between LULC and water quality may differ for different spatial and temporal scales. The increase in deforestation, agricultural expansion, and urban sprawl in Brazil highlights the need for water quality protection to ensure immediate human needs and to maintain the quality of water supplies in the long-term. Thus, this manuscript provides an overview of the relationships between LULC and water quality in Brazil, aiming at understanding the effects of different LULC types on water quality, how spatial and temporal scales contribute to these effects, and how such knowledge can improve watershed management and future projections. In general, agriculture and urban areas are the main LULCs responsible for water quality degradation in Brazil. However, although representing a small percentage of the territory, mining has a high impact on water quality. Water quality variables respond differently at different spatial scales, so spatial extent is an important aspect to be considered in studies and management. LULC impacts on water quality also vary seasonally and lag effects mean they take time to occur. Forest restoration can improve water quality and multicriteria evaluation has been applied to identify priority areas for forest restoration and conservation aiming at protecting water quality, but both need further exploration. Watershed modelling has been applied to simulate future impacts of LULC change on water quality, but data availability must be improved to increase the number, locations and duration of studies. Because of the international nature of watersheds and the consistent relationships between land use and water quality in Brazil, we believe our results will also aid water management in other countries.

Physical habitat simulation for small-sized characid fish species from tropical rivers in Brazil

Physical habitat simulation (PHABSIM) is an important step of the instream flow incremental methodology (IFIM), which is applied to establish environmental flow regimes. This study applied the PHABSIM in two reaches of the Velhas river basin, whose long-term discharges are similar but are under different degrees of impact. Suitability curves were obtained for fish species using traditional methods (Astyanax sp., Piabarchus stramineus, Piabina argentea and Serrapinnus heterodon) and generalized additive models for fish density (Astyanax sp., P. argentea and S. heterodon). The results of habitat use depended on the method for curves generation. Applying the suitability curves by traditional methods, different discharge scenarios were simulated. The flow increasing from a dry scenario to a discharge of 1 year of return promotes a possible habitat increase for all species. However, the same hydrological flow percentiles produce different habitat proportions in different rivers. This work demonstrates that regardless of how suitability curves for the Neotropical species are generated, caution should be taken when applying them. However, the PHABSIM method allows more complex analyses than the traditional approaches based on minimal flow estimations, which is usually applied in South America.(AU)

A simulação de habitat para espécies de peixes (PHABSIM) é uma etapa importante do método Instream Flow Incremental Methodology (IFIM), cuja aplicação está relacionada a determinação da vazão ecológica. O presente estudo aplicou PHABSIM em dois trechos da bacia do rio das Velhas, cujas vazões de médio prazo são semelhantes, mas sob condições de conservação ambiental diferente. Curvas de aptidão foram obtidas para Astyanax sp., Piabarchus stramineus, Piabina argentea e Serrapinnus heterodon através do método tradicional e ajustando modelo aditivos generalizados (Astyanax sp., P. argentea e S. heterodon). Os resultados sugerem uso de habitats diferentes dependendo do modelo utilizado para gerar as curvas. Aplicando as curvas obtidas pelo método tradicional no PHABSIM, diferentes cenários de vazão foram simulados. O aumento da vazão para cheia de um ano de retorno aumenta o habitat provável para todas as espécies. Entretanto, mesmo cenário de vazão, fornecido por análise de hidrológica de percentis de ocorrência, fornece diferente proporção de habitat em diferentes rios. O trabalho demonstra que curvas de aptidão para espécies neotropicais, independentemente da forma de geração, devem ser usadas com cautela. Entretanto, o método PHABSIM permite análises mais elaboradas do que as tradicionais estimativas de vazão mínima empregadas na América do Sul.(AU)

Physical habitat simulation for small-sized characid fish species from tropical rivers in Brazil

Physical habitat simulation (PHABSIM) is an important step of the instream flow incremental methodology (IFIM), which is applied to establish environmental flow regimes. This study applied the PHABSIM in two reaches of the Velhas river basin, whose long-term discharges are similar but are under different degrees of impact. Suitability curves were obtained for fish species using traditional methods (Astyanax sp., Piabarchus stramineus, Piabina argentea and Serrapinnus heterodon) and generalized additive models for fish density (Astyanax sp., P. argentea and S. heterodon). The results of habitat use depended on the method for curves generation. Applying the suitability curves by traditional methods, different discharge scenarios were simulated. The flow increasing from a dry scenario to a discharge of 1 year of return promotes a possible habitat increase for all species. However, the same hydrological flow percentiles produce different habitat proportions in different rivers. This work demonstrates that regardless of how suitability curves for the Neotropical species are generated, caution should be taken when applying them. However, the PHABSIM method allows more complex analyses than the traditional approaches based on minimal flow estimations, which is usually applied in South America.(AU)

A simulação de habitat para espécies de peixes (PHABSIM) é uma etapa importante do método Instream Flow Incremental Methodology (IFIM), cuja aplicação está relacionada a determinação da vazão ecológica. O presente estudo aplicou PHABSIM em dois trechos da bacia do rio das Velhas, cujas vazões de médio prazo são semelhantes, mas sob condições de conservação ambiental diferente. Curvas de aptidão foram obtidas para Astyanax sp., Piabarchus stramineus, Piabina argentea e Serrapinnus heterodon através do método tradicional e ajustando modelo aditivos generalizados (Astyanax sp., P. argentea e S. heterodon). Os resultados sugerem uso de habitats diferentes dependendo do modelo utilizado para gerar as curvas. Aplicando as curvas obtidas pelo método tradicional no PHABSIM, diferentes cenários de vazão foram simulados. O aumento da vazão para cheia de um ano de retorno aumenta o habitat provável para todas as espécies. Entretanto, mesmo cenário de vazão, fornecido por análise de hidrológica de percentis de ocorrência, fornece diferente proporção de habitat em diferentes rios. O trabalho demonstra que curvas de aptidão para espécies neotropicais, independentemente da forma de geração, devem ser usadas com cautela. Entretanto, o método PHABSIM permite análises mais elaboradas do que as tradicionais estimativas de vazão mínima empregadas na América do Sul.(AU)

Deep barcode divergence in Brazilian freshwater fishes: the case of the São Francisco River basin.

BACKGROUND AND AIMS: The application of DNA barcoding as a global standard for fish identification is probing diverse worldwide realms (Nearctic, Australian and the Neotropics) and environments (e.g. marine and freshwater). Comparing the patterns of sequence divergence among conspecific and congeneric taxa between realms can provide valuable information on recent evolutionary histories of lineages as barcode data accumulates. MATERIALS AND METHODS: Herein, we have analyzed over 100 species (around 50%) of the Neotropical fish fauna from the São Francisco River, in southeast Brazil. Our aims were to test the performance of DNA barcoding in this biodiversity-rich region, and to compare patterns of genetic divergence with previous studies. RESULTS: The mean Kimura two-parameter distances within species, genera, families, orders, and classes were 0.5, 10.6, 21.0, 22.7, and 24.4%, respectively, with 100% of the species examined successfully differentiated by barcoding. With the exception of Astyanax bimaculatus lacustris, Piabina argentea, and Bryconamericus stramineus, all other species yield a single, cohesive cluster of barcode sequences. The average 'nearest-neighbor distance' was 11.12%, 21-fold higher than the mean within species distance of around 0.54%. In a few instances, deep lineage divergences among conspecifics (up to 10%) and congenerics (up to 22.9%) taxa were revealed. CONCLUSIONS: Reflecting possible cases of cryptic speciation and the deeper phylogeographic history of São Francisco fish fauna, with some higher clades extending back into the late Cretaceous and Cenozoic (90 mya), when much of the diversification of the Neotropical region apparently took place. In addition, barcodes also highlighted misidentifications and helped to document range extensions for known species.

The stream fish fauna from three regions of the Upper Paraná River basin / A ictiofauna de riachos de três regiões do alto rio Paraná

This study aimed to conduct an inventory of fish assemblages in small streams that are tributaries of large reservoirs in three previously unstudied regions of the Upper Paraná River basin. We sampled 117 streams from 1st to 3rd order in Araguari (Nova Ponte hydropower plant reservoir), Paranaíba (São Simão reservoir) and Grande (Volta Grande reservoir) drainages. In total, 20,696 specimens belonging to 100 species, 53 genera, 20 families and six orders were collected. Of these, 11,530 specimens and 41 species were recorded in Araguari, whereas 17 were exclusive to this drainage. In Grande drainage, 3,537 individuals belonging to 41 species (11 exclusive) and in Paranaíba, 5,629 specimens and 67 species (38 exclusive) were sampled. The mean richness per stream was 6.7 for Grande, 9.0 for Araguari and 10.9 for Paranaíba drainage. The predominant orders were Characiformes, 48% of the total richness, and Siluriformes, 36%. Three species were diagnosed as new: Astyanax sp. 1 (Grande and Paranaíba), Astyanax sp. 2 and Astyanax sp. 3 (both from Araguari), all from scabripinnis group. Another three were considered potentially new: Characidium sp. 1, Characidium sp. 2 and Rhamdiopsis sp. Among all records, eight species are not native from the Paraná basin: the exotics Oreochromis niloticus and Tilapia rendalli and the allochtonous Cyphocharax gillii, Hoplerythrinus unitaeniatus, Knodus moenkhausii, Poecilia reticulata, Roeboides descalvadensis and Trichomycterus brasiliensis. This study fills part of the existing knowledge gap about fish from small streams of the Paraná basin. Inventories of the fish fauna from these low-order water courses are important because they highlight their biodiversity relevance, including a significant number of unknown species. Thus, this study contributes to a better knowledge of the stream fish fauna of the upper Paraná River basin, as well as contribute to the establishment of strategies for conservation of this important component of aquatic biodiversity.

Este trabalho teve como objetivo realizar um inventário das assembleias de peixes em pequenos riachos afluentes de grandes reservatórios do alto rio Paraná, em três regiões até então desconhecidas pela literatura. Foram amostrados 117 riachos de 1a a 3a ordens nas bacias dos rios Araguari (na bacia de drenagem do reservatório de Nova Ponte), Paranaíba (reservatório de São Simão) e Grande (reservatório de Volta Grande). No total foram capturados 20.696 exemplares pertencentes a 100 espécies, seis ordens, 20 famílias e 53 gêneros. Destes, 11.530 exemplares e 41 espécies foram registradas na bacia do Araguari, sendo que 17 dessas espécies são exclusivas. Na bacia do rio Grande, foram registrados 3.537 exemplares pertencentes a 41 espécies (11 exclusivas) e na bacia do Paranaíba, foram registrados 5.629 exemplares e 67 espécies (38 exclusivas). A riqueza média por riacho foi de 6.7 para os riachos da bacia do rio Grande, 9.0 para os riachos da bacia do Araguari e 10.9 para os riachos da bacia do rio Paranaíba. As ordens predominantes foram Characiformes, com 48% da riqueza total e Siluriformes, com 36%. Três espécies pertencentes ao grupo scabripinnis foram diagnosticadas como novas: Astyanax sp. 1 (Grande e Paranaíba), Astyanax sp. 2 (Araguari) e Astyanax sp. 3 (Araguari). Outras três foram consideradas como potencialmente novas: Characidium sp. 1, Characidium sp. 2 e Rhamdiopsis sp. Entre todos os registros, oito espécies não são nativas da bacia do Paraná: as exóticas Oreochromis niloticus e Tilapia rendalli e as alóctones Cyphocharax gillii, Hoplerythrinus unitaeniatus, Knodus moenkhausii, Poecilia reticulata, Roeboides descalvadensise Trichomycterus brasiliensis. Este estudo preenche parte da lacuna de conhecimento existente sobre peixes de pequenos riachos da bacia do Paraná. Os inventários sobre a fauna de peixes em riachos de pequena ordem são importantes, pois evidenciam a ocorrência de grande diversidade, incluindo um número significativo de espécies ainda não descritas. Dessa forma, esse estudo contribui para um melhor conhecimento da fauna de peixes de riachos pertencentes è bacia do alto rio Paraná, além de colaborar para o estabelecimento de estratégias para conservação deste importante componente da biodiversidade aquática.

Morphological diversity of fish along the rio das Velhas, Minas Gerais, Brazil

The rio das Velhas, located in central Minas Gerais State (Brazil), is a major tributary of the rio São Francisco. Despite several anthropogenic pressures, this basin supports more than 115 fish species. The aim of this study was to compare the morphological space occupied by fish assemblages in four regions (headwaters, upper, middle, and lower course) along the channel of the rio das Velhas. We try to answer the following question: Is there a change in the morphological organization of the fish along the longitudinal gradient of the river? Individuals from 67 species, collected at several sites in the basin from 1999 to 2008, were measured for 11 morphological attributes related to swimming behavior and habitat use. Through the graphs, the first two dimensions of the PCA suggest that the morphological volume occupied by the headwaters region is smaller than the other sections, because of the low richness of the site. However, morphological hypervolumes of the four reaches analyzed by Euclidean distances were not statistically different. The results indicated that only the density of morphological types increases along the rio das Velhas, and there is no difference between the headwaters and upper courses. Therefore, in order to use functional groups related to the morphology of the species as tools to take measures for the conservation and revitalization of the rio das Velhas, it is necessary analyze the density of species within these groups, as well as their composition.

O rio das Velhas, localizado na região central do estado de Minas Gerais (Brasil), é o mais extenso tributário do rio São Francisco. Apesar dos inúmeros impactos antrópicos que sofre, sua bacia abriga uma rica ictiofauna, com mais de 115 espécies conhecidas. O objetivo deste estudo foi comparar o espaço morfológico ocupado pelas assembleias de peixes em quatro regiões (cabeceira, alto curso, médio curso e baixo curso) ao longo da calha do rio das Velhas. Procuramos responder a seguinte pergunta: há uma mudança na organização morfológica da comunidade de peixes ao longo do gradiente longitudinal do rio? Indivíduos de 67 espécies, coletados em diversos trechos da bacia entre 1999 e 2008, foram medidos considerando 11 atributos morfológicos relacionados ao comportamento natatório e uso do habitat. Graficamente, as duas primeiras dimensões da PCA sugerem que o volume morfológico ocupado pela região de cabeceira é menor do que o dos demais trechos, devido à baixa riqueza do local. Entretanto, os hipervolumes morfológicos dos quatro trechos analisados por meio das distancias euclidianas não diferiram estatisticamente. Os resultados indicaram que apenas a densidade de tipos morfológicos aumenta ao longo do rio das Velhas, sendo que não há diferença entre a cabeceira e o alto curso. Portanto, para o uso de grupos funcionais relacionados à morfologia das espécies como ferramentas para tomada de medidas que visem à conservação e revitalização do rio das Velhas, é necessária a abordagem da densidade de espécies dentro destes grupos, assim como sua composição.

Morphological diversity of fish along the rio das Velhas, Minas Gerais, Brazil

The rio das Velhas, located in central Minas Gerais State (Brazil), is a major tributary of the rio São Francisco. Despite several anthropogenic pressures, this basin supports more than 115 fish species. The aim of this study was to compare the morphological space occupied by fish assemblages in four regions (headwaters, upper, middle, and lower course) along the channel of the rio das Velhas. We try to answer the following question: Is there a change in the morphological organization of the fish along the longitudinal gradient of the river? Individuals from 67 species, collected at several sites in the basin from 1999 to 2008, were measured for 11 morphological attributes related to swimming behavior and habitat use. Through the graphs, the first two dimensions of the PCA suggest that the morphological volume occupied by the headwaters region is smaller than the other sections, because of the low richness of the site. However, morphological hypervolumes of the four reaches analyzed by Euclidean distances were not statistically different. The results indicated that only the density of morphological types increases along the rio das Velhas, and there is no difference between the headwaters and upper courses. Therefore, in order to use functional groups related to the morphology of the species as tools to take measures for the conservation and revitalization of the rio das Velhas, it is necessary analyze the density of species within these groups, as well as their composition.(AU)

O rio das Velhas, localizado na região central do estado de Minas Gerais (Brasil), é o mais extenso tributário do rio São Francisco. Apesar dos inúmeros impactos antrópicos que sofre, sua bacia abriga uma rica ictiofauna, com mais de 115 espécies conhecidas. O objetivo deste estudo foi comparar o espaço morfológico ocupado pelas assembleias de peixes em quatro regiões (cabeceira, alto curso, médio curso e baixo curso) ao longo da calha do rio das Velhas. Procuramos responder a seguinte pergunta: há uma mudança na organização morfológica da comunidade de peixes ao longo do gradiente longitudinal do rio? Indivíduos de 67 espécies, coletados em diversos trechos da bacia entre 1999 e 2008, foram medidos considerando 11 atributos morfológicos relacionados ao comportamento natatório e uso do habitat. Graficamente, as duas primeiras dimensões da PCA sugerem que o volume morfológico ocupado pela região de cabeceira é menor do que o dos demais trechos, devido à baixa riqueza do local. Entretanto, os hipervolumes morfológicos dos quatro trechos analisados por meio das distancias euclidianas não diferiram estatisticamente. Os resultados indicaram que apenas a densidade de tipos morfológicos aumenta ao longo do rio das Velhas, sendo que não há diferença entre a cabeceira e o alto curso. Portanto, para o uso de grupos funcionais relacionados à morfologia das espécies como ferramentas para tomada de medidas que visem à conservação e revitalização do rio das Velhas, é necessária a abordagem da densidade de espécies dentro destes grupos, assim como sua composição.(AU)