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Acta Botanica Brasilica

Print version ISSN 0102-3306On-line version ISSN 1677-941X

Acta Bot. Bras. vol.18 no.3 São Paulo July/Sept. 2004

http://dx.doi.org/10.1590/S0102-33062004000300020 

ARTIGO DE REVISÃO REVIEW PAPER

 

Adaptações de plantas submersas à absorção do carbono inorgânico

 

Adaptations of submerged plants to inorganic carbon uptake

 

 

Sandra Andréa PieriniI,1; Sidinei Magela ThomazII

IPrograma de Pós-graduação em Ecologia de Ambientes Aquáticos Continentais, Departamento de Biologia, Universidade Estadual de Maringá, Av. Colombo, 5790, CEP87020-900, Maringá, Paraná, Brasil
IINupélia, Universidade Estadual de Maringá, Av. Colombo, 5790, CEP 87020-900, Maringá, Paraná, Brasil (smthomaz@nupelia.uem.br)

 

 


RESUMO

No presente trabalho são discutidos alguns aspectos teóricos dos mecanismos e adaptações empregados pela vegetação submersa para maximizar o aproveitamento do carbono inorgânico na água. O tipo de estratégia utilizada pelas macrófitas aquáticas submersas deve-se a diferenças genéticas entre as espécies e também às condições ambientais predominantes. Vários mecanismos fisiológicos e morfológicos, como a utilização do metabolismo C4, do ácido das crassuláceas (CAM), a utilização do bicarbonato (HCO3-), a utilização do CO2 da água intersticial do sedimento e o desenvolvimento de folhas aéreas foram considerados as principais adaptações para evitar a limitação do carbono no ambiente aquático. De relevância ecológica, a utilização destas diferentes estratégias pode compensar baixas ofertas de CO2 às taxas fotossintéticas de várias espécies submersas e suprimir a fotorrespiração por garantir altas concentrações intracelulares de CO2. Assim, estes mecanismos são responsáveis, em parte, pelo sucesso das macrófitas aquáticas submersas em ambientes oligotróficos, com baixas concentrações de CO2.

Palavras-chave:planta submersa, carbono inorgânico


ABSTRACT

In this paper, the main theoretical aspects of the mechanisms and adaptations used by submerged vegetation to maximize the utilization of inorganic carbon are discussed. The type of strategy used by submerged plants is related to both genetic differences among species and environmental conditions. The use of C4 metabolism and crassulacean acid metabolism (CAM), uptake of bicarbonate (HCO3-), uptake of CO2 from interstitial (sediment) water and the development of aerial leaves are considered the main physiological and morphological adaptations to avoid CO2 limitation. These mechanisms are ecologically important given that their utilization overcome the low CO2 availability to several submerged species. In addition, they suppress the photorespiration by increasing the intracellular CO2 concentrations. Thus, these mechanisms are considered among the main reasons to explain the success of submerged plants even in CO2-poor, oligotrophic aquatic ecosystems.

Key words:submerged plant, inorganic carbon


 

 

Introdução

As macrófitas aquáticas apresentam grande plasticidade fisiológica que as tornam capazes de colonizar os ambientes com as mais diversas características físicas e químicas. Representadas por diferentes tipos biológicos, as plantas aquáticas retornaram do ambiente terrestre para o ambiente aquático, durante sua evolução, mostrando marcada gradação nas adaptações associadas com a vida neste último ambiente (Sculthorpe 1967).

Considerando um gradiente de distribuição perpendicular à margem, as macrófitas submersas habitam locais mais profundos do ambiente aquático, sucedidas pelas macrófitas enraizadas com folhas flutuantes e, por fim, as emergentes que geralmente ocupam a zona marginal dos lagos (Sculthorpe 1967). Desta forma, as maiores adaptações para a sobrevivência no ambiente aquático foram desenvolvidas pelas plantas submersas que, diferentemente das flutuantes e emergentes, encontram seus requerimentos quase que totalmente na água e sedimento.

Vários trabalhos, realizados em diferentes ecossistemas aquáticos, demonstraram que a luminosidade subaquática e os nutrientes inorgânicos, especialmente o nitrogênio e o fósforo, são as principais variáveis correlacionadas com os atributos populacionais (e.g. profundidade máxima de colonização, biomassa, percentagem de cobertura) de macrófitas aquáticas submersas (Sand-Jensen 1989; Duarte 1991; Bini et al. 1999). Contrariamente, poucos trabalhos têm considerado o carbono inorgânico como potencialmente limitante às taxas de fotossíntese de macrófitas aquáticas submersas. De fato, o carbono é geralmente um elemento inesgotável devido à sua contínua oferta da atmosfera e produção considerável durante os processos de decomposição e respiração de organismos aquáticos (Vadstrup & Madsen 1995). Entretanto, a disponibilidade restrita de CO2 pela zona de interface ("boundary layer"), e baixas taxas de difusão deste gás, devido à viscosidade elevada da água, podem ser considerados os principais fatores que limitam as taxas de fotossíntese e de crescimento de muitas macrófitas aquáticas submersas (Black et al. 1981; Sand-Jensen 1983; Maberly & Spence 1983).

Por esta razão, as macrófitas submersas desenvolveram várias adaptações morfológicas e fisiológicas para evitar a limitação do carbono no ambiente aquático. Dentre estas, destacam-se o metabolismo C4, metabolismo ácido das crassuláceas (CAM), a utilização do HCO3-, a utilização do CO2 da água intersticial do sedimento e o desenvolvimento de folhas aéreas. O objetivo do presente trabalho foi apresentar alguns aspectos teóricos de adaptações de macrófitas aquáticas submersas para maximizar o aproveitamento do carbono e algumas implicações ecológicas dessas adaptações para a competição entre estas plantas.

 

Dinâmica da fixação do CO2 dissolvido no ambiente aquático

A difusão do CO2 a partir da atmosfera e a cinética das formas de carbono dissolvido no ambiente aquático são certamente de grande importância para os organismos fotossintetizantes que dependem da disponibilidade de CO2 neste ambiente (Wetzel 1983). A magnitude de trocas de CO2 entre a água e a atmosfera é de natureza difusiva, sendo que a pressão parcial e a temperatura são fatores considerados primordiais no fluxo deste gás.

A solubilidade do CO2 na água segue a regra de Henry. O coeficiente da solubilidade é dependente da temperatura e é alto para o CO2 (1.019ml CO2 l-1 na água a 15 ºC). Este coeficiente é definido como o volume de gás seco, em mililitros, a 0 ºC e 760mmHg, dissolvido em 1L de água quando a pressão parcial do CO2 é 760 mmHg. Em outras palavras, a quantidade de CO2 na água em equilíbrio com a atmosfera é aproximadamente a mesma quantidade em um volume de ar idêntico (Madsen & Sand-Jensen 1991; Prins & Elzenga 1989).

Em ambientes aquáticos em equilíbrio com o ar, o CO2 encontra-se em concentrações entre 13 e 27µmol a aproximadamente 20 ºC (Maberly & Spence 1983; Sand-Jensen 1983). Nestas concentrações, o CO2 pode ser suficiente para a manutenção de taxas de fotossíntese de algumas espécies de macrófitas submersas, como por exemplo de Elodea canadensis (Vadstrup & Madsen 1995). Entretanto, condições de equilíbrio na natureza são raras e taxas de consumo e produção de gases nos lagos excedem as taxas de trocas com a atmosfera levando a condições de supersaturação ou déficit (Lampert & Sommer 1997).

O CO2, cujos suprimentos no ambiente aquático provêm principalmente da atmosfera, da respiração e da decomposição, pode apresentar-se sob diferentes formas químicas neste ambiente. Quando o CO2 reage com a água, uma pequena proporção (menos que 1%) é hidratada para formar ácido carbônico (Wetzel, 1983): CO2 + H2O « H2CO3

Uma parte do ácido carbônico formado se dissocia e forma bicarbonato e íons hidrogênio (essa reação diminui o pH): H2CO3 « HCO3- + H+.

A terceira reação resulta na liberação de outro próton: HCO3- « CO32- + H+.

As proporções das diferentes formas de carbono inorgânico são dependentes do pH (Wetzel, 1983) e podem ser definidas se os seguintes parâmetros são conhecidos: (1) pH; (2) A concentração de carbono inorgânico dissolvido total: [åCO2] = [CO2] + [HCO3] + [CO32-]; (3) A alcalinidade do sistema: [Alk] = [HCO3-] + 2[CO32-] + [OH-] - [H+] (Prins & Elzenga 1989).

Se o pH aumenta (como resultado da absorção do CO2 pelos organismos fotossintéticos, por exemplo), o equilíbrio move-se para produção de carbonatos. Por outro lado, em valores mais baixos de pH (resultantes de processos de respiração e decomposição, por exemplo) as formas CO2 e H2CO3 predominam. Dentre as diferentes formas de carbono, o HCO3- apresenta-se em concentrações mais elevadas que o CO2 a partir do pH 6,35 (Smith & Walker 1980). Embora a maioria dos ecossistemas aquáticos tropicais possua valores de pH levemente ácido, o HCO3- pode tornar-se a principal forma de carbono disponível à fotossíntese de macrófitas aquáticas. Desta forma, em ambientes produtivos, com valores de pH entre 7 e 8, a capacidade de utilizar o bicarbonato como fonte adicional de carbono deve ser importante para o sucesso competitivo de algumas espécies de macrófitas aquáticas submersas, embora, preferencialmente e quando disponível, estas utilizam o CO2 (Keeley & Sandquist 1992).

Em ambientes aquáticos produtivos, as concentrações de carbono inorgânico dissolvido podem apresentar grandes flutuações diárias e sazonais devido às altas taxas metabólicas de microrganismos (algas e bactérias) e de macrófitas submersas, e às lentas trocas físicas com a atmosfera (Sand-Jensen, 1989). Por exemplo, em bancos de Egeria najas no reservatório de Itaipu, as concentrações de CO2 chegam a não ser detectadas especialmente nos meses de verão, quando a temperatura é maior. Nessas ocasiões, os valores de pH podem ser superiores a 9,0 (Fig. 1).

 

 

A disponibilidade de carbono inorgânico no ambiente aquático depende, entre outros fatores, da produtividade e da alcalinidade do sistema (Maberly & Spence 1983; Spence & Maberly 1985; Adams 1985). Em lagos produtivos, as altas concentrações de nutrientes geralmente propiciam elevadas taxas de fotossíntese e conseqüente redução nas concentrações de carbono. No entanto, ambientes altamente alcalinos (> 2.000 Eq/l) requerem taxas de fotossíntese muito elevadas para causar depleção do carbono e alterar suas concentrações, devido à alta capacidade de tamponamento do sistema (Maberly & Spence 1983).

 

Resistência da fixação do carbono à fotossíntese

A baixa troca de solutos e gases entre a planta e a água é a principal limitação associada com a vida no ambiente aquático.A resistência de difusão do carbono inorgânico na água é cerca de 104 vezes maior do que no ar (Sand-Jensen 1983), devido à maior viscosidade (Maberly & Spence 1983). Além disso, as forças de atração entre as moléculas de água e a superfície foliar fazem com que o movimento da água tenda a zero na superfície de contato entre esses dois meios. Como resultado, as epidermes de macrófitas aquáticas submersas são cercadas por camadas de água com fluxos lentos e laminares (zona de interface ou "boundary layer") que representam uma barreira à difusão e/ou transporte de carbono inorgânico dissolvido (CID) do meio externo para o cloroplasto (Sand-Jensen, 1989) (Fig. 2). Em decorrência da atividade fotossintética elevada, especialmente encontrada no interior dos bancos de macrófitas aquáticas submersas, esta camada torna-se rapidamente exaurida em CO2 e com concentrações elevadas de O2, condições limitante para a fotossíntese de várias espécies de macrófitas submersas. Nestas condições, a depleção do CO2 na zona de interface aumenta os valores do pH, causando a conversão de CO2 em HCO3-. Assim, os organismos que utilizam este último podem ter essa limitação aliviada (Helder 1985; Jones et al. 2000).

 

 

Duas equações, Michaelis-Menten e Hill-Withingham, são freqüentemente utilizadas em estudos que relacionam as taxas fotossintéticas de macrófitas submersas e a concentração de carbono inorgânico. A primeira equação é descrita como: V= Vmax * S/(S+Km), onde: V= taxa de fotossíntese; S= concentração de CO2; Vmax = taxa fotossintética máxima; Km= concentração de CO2 na qual a fotossíntese atinge metade da taxa fotossintética máxima. Esta equação apresenta a forma de hipérbole como representação gráfica e considera a fixação do CO2 pela enzima de carboxilação como a principal resistência de absorção deste gás. De acordo com essa afirmação, os movimentos de água mais rápidos aumentam o fluxo de CO2 para a planta, propiciando maior disponibilidade de CO2, comparado ao O2, para o sítio de carboxilação da enzima ribulose 1,5-bifosfato (RuBP carboxilase/oxigenase), freqüentemente chamada de Rubisco (Prins & Elzenga 1989).

A segunda equação é descrita como: P= ½ {(CR1 + KmR-1 + Pmax) - [( R-1 C + KmR-1 + Pmax)2 _ 4R-1 CPmax]½}, onde: P= fotossíntese, Pmax = é a taxa fotossintética máxima, Km= constante de Michaelis-Menten para a enzima de carboxilação do carbono, R= resistência de transporte (unidade em s cm-1) e C= a concentração de CO2 no meio externo. Essa equação combina a resistência de transporte do CO2 pela zona de interface e a reação catalisada pela enzima Rubisco (equação de Michaelis-Menten) através da lei de Fick, tornando a resposta fotossintética aos incrementos do carbono mais linear.

Vários trabalhos realizados em laboratório demonstraram que em macrófitas aquáticas submersas, a relação entre as taxas fotossintéticas e a concentração de carbono inorgânico segue um parâmetro menos gradual do que o apresentado pela equação de Michaelis-Menten, pois as taxas fotossintéticas de macrófitas submersas são somente proporcionais à concentração do carbono quando esta concentração encontra-se reduzida (Smith & Walker 1980). Em outras palavras, quando a resistência de transporte do CO2 pela zona de interface aumenta, a relação entre as taxas fotossintéticas em condições de baixa concentrações de CO2 no meio altera-se da forma de hipérbole (Michaelis-Menten) para uma resposta mais linear (Hill-Withingham) (Fig. 3). Por exemplo, Jones et al. (2000) demostraram que a relação entre as taxas fotossintéticas de Elodea nuttalli e as concentrações de CO2 foi melhor descrita pela equação de Whittingham-Hill (R2= 0.93) comparativamente à equação de Michaelis Menten (R2= 0.75), evidenciando a maior resistência difusiva do CO2 pela zona de interface do que a resistência de sua cinética enzimática.

 

 

O desvio da cinética de Michaelis-Menten, causado pela alta resistência de transporte do CO2 pela zona de interface deve refletir no aumento dos valores da constante da saturação média (Km (CO2)) (Madsen & San-Jensen 1991). Desta forma, quanto mais espessa for a camada da zona de interface, utilizando a equação de Michaelis-Menten, maiores serão os valores de Km. Esta constatação apresenta grande implicação ecológica, pois os valores de Km (CO2), freqüentemente utilizados para comparar a eficiência de utilização do carbono entre as plantas de uma mesma espécie e entre espécies diferentes, podem ser superestimados. Por esta razão, a equação de Michaelis-Menten, para modelar a resposta da fotossíntese aos incrementos de CO2 deve ser aplicada somente quando esta camada for extremamente reduzida (Smith &Walker 1980). Adicionalmente, comparações das taxas fotossintéticas intra e interespecíficas devem considerar esta variável.

A importância da zona de interface como a principal limitação às taxas de fotossíntese de macrófitas submersas pode ser claramente demonstrada pela manipulação da espessura desta camada. Por exemplo, através de um experimento utilizando Elodea nuttalli, Jones et al. (2000) demostraram haver maiores taxas fotossintéticas em fluxos de água mais rápidos (854µmol O2 g-1 clorofila min-1) quando comparadas com fluxos mais lentos (583µmol O2 g-1 clorofila min-1). De maneira similar, Wetslake (1967) mediu taxas fotossintéticas mais elevadas de Ranunculus pseudofluitan e Potamogeton pectinatus em fluxos de água também mais rápidos. Assim, pode-se concluir que os valores de Km (CO2) e das taxas de fotossíntese de macrófitas submersas dependem da espessura da zona de interface.

Correlações intra e interespecíficas das taxas fotossintéticas de macrófitas submersas com concentrações de clorofila e com a atividade da enzima Rubisco também têm sido freqüentemente aplicadas como medida da capacidade de extração do carbono da água. Estas relações são importantes para entender a regulação das taxas de fotossíntese da vegetação submersa. De acordo com Madsen et al. (1993), as espécies com elevada capacidade de extrair o carbono da água, como por exemplo aquelas que utilizam o HCO3-, apresentam menores concentrações de clorofila e menor atividade da enzima Rubisco. Isto corrobora a hipótese mais geral de que plantas submersas que apresentam fontes alternativas de assimilação do carbono, tais como o metabolismo do tipo C4, a utilização do HCO3-, entre outras, otimizam o processo de carboxilação e por essa razão, reduzem a atividade da enzima e a concentração de clorofila.

O transporte ativo do HCO3- pela plasmalema pode ser considerado outro importante regulador das taxas fotossintéticas de várias espécies submersas. Somente algumas espécies de macrófitas aquáticas submersas são capazes de utilizar este íon como fonte alternativa de carbono inorgânico. Alguns detalhes de como ocorre o processo de utilização deste íon pelas plantas submersas serão considerados posteriormente.

 

Adaptações utilizadas pelas macrófitas submersas para evitar a limitação do carbono no ambiente aquático

 

Metabolismo C3 (Ciclo de Calvin)

A redução do carbono na maioria das plantas aquáticas ocorre no cloroplasto por intermédio do ciclo de Calvin. A enzima catalisadora desta reação é a Rubisco, que apresenta atividade oxigenase e carbolixase. Em outras palavras, o oxigênio compete com o CO2 pelo sítio ativo desta enzima. Na presença de baixas concentrações de CO2 e de concentrações de O2 relativamente altas, a enzima Rubisco catalisa a atividade oxigenase para produzir um PGA (3fosfoglicerato) e uma molécula de fosfoglicolato. Esta atividade, da oxigenase com a Rubisco, consome O2 e libera CO2, propiciando um processo denominado de fotorrespiração (Raven et al. 1992).

Ambientes aquáticos produtivos apresentam valores de pH entre 7 e 9, nos quais as concentrações de CO2 são baixas podendo ser limitantes à fotossíntese (Jones et al. 1993; 2000; Prins & Elzenga 1989). As plantas submersas que crescem em tais ambientes freqüentemente experimentam condições adversas como aumento na concentração de O2 e redução na concentração do CO2, restringindo a assimilação fotossintética e induzindo a atividades fotorrespiratórias (Jones et al. 1993). Dessa forma, a fotossíntese de plantas submersas que apresentam o metabolismo C3 como via de redução do carbono é sempre acompanhada pela fotorrespiração. Este processo reduz a eficiência da fotossíntese porque desvia parte do poder redutor das reações dependentes da luz e não gera nenhum ATP (Raven et al. 1992). Além disso, a elevada atividade oxigenase da enzima Rubisco aumenta os valores do ponto de compensação do CO2.

Os valores do ponto de compensação variam amplamente entre as espécies de macrófitas aquáticas em respostas a rápidas mudanças ambientais, tais como luz, oxigênio e temperatura (Bowes 1985). Maberly & Spence (1983) elevaram as concentrações de oxigênio em experimento utilizando Hippuris vulgaris e observaram aumento no ponto de compensação do CO2 de 0,7µmol L-1 em 47% de saturação (133µmol O2/L) para 2,3µmol L-1 em 169% de saturação (479µmol O2/L).

Em ambientes aquáticos com elevados valores de pH, o ponto de compensação do íon HCO3- pode apresentar maior importância que o ponto de compensação do CO2. Este primeiro pode alterar de 20 a 1.800µmol enquanto o ponto de compensação do CO2 pode variar entre 0 e 10µmol (Maberly & Spence 1983). Entretanto, devido à dependência do estado fisiológico das espécies, ambos os pontos de compensação não podem ser considerados como atributos constantes, mas como indicadores da habilidade das espécies de utilizar diferentes formas de carbono inorgânico (Bowes 1985). De relevância ecológica é o fato de que diferentes valores do ponto de compensação estão associados com a razão fotossíntese/fotorrespiração (Bowes 1987). Assim, menores valores do ponto de compensação representam maior afinidade ao carbono que, por sua vez, devem garantir às espécies submersas taxas fotossintéticas mais elevadas. De maneira similar, os valores da constante de saturação média (Km), que expressa a concentração do CO2 na qual a fotossíntese atinge metade da taxa fotossintética máxima, também podem alterar-se de acordo com a forma de carbono disponível. Os maiores valores da constante de saturação média do íon HCO3- comparado com o CO2 devem ser explicados pelo alto custo energético envolvido com sua absorção.

Algumas macrófitas submersas apresentam, além de adaptações morfológicas, diferentes mecanismos para aumentar a concentração interna do carbono inorgânico e reduzir a atividade oxigenase da enzima Rubisco. Dentre estes pode-se destacar o metabolismo C4, CAM, e a utilização do HCO3- (Madsen & Sand-Jensen 1991). De maneira geral, essas estratégias devem garantir às espécies submersas baixa atividade fotorrespiratória, indicada pelos baixos pontos de compensação de CO2 (0-0,1µmol L-1), e conseqüentemente, taxas fotossintéticas mais elevadas. Adicionalmente, diferentes tipos de estratégias de assimilação do carbono devem permitir a presença de várias espécies de macrófitas submersas através da utilização mais eficiente dos recursos disponíveis no ambiente aquático (Fig. 4 ).

 

 

Metabolismo C4

Embora o ciclo de Calvin seja o ciclo predominante da redução do CO2 nas espécies submersas, algumas plantas apresentam a redução do carbono pelo mecanismo C4. Este mecanismo apresenta a PEPCarboxilase, a qual não reage com o oxigênio, como a enzima inicial catalisadora do CO2. Posteriormente, o dióxido de carbono é refixado pela Rubisco no Ciclo de Calvin. Dessa forma, este caminho deve aumentar a concentração interna de CO2 (alta razão CO2:O2) e otimizar o processo de carboxilação, reduzindo a atividade oxigenase da enzima Rubisco (Bowes, 1985).

O metabolismo C4 age como um mecanismo concentrador de CO2 de maneira análoga ao das plantas terrestres, mas sem a anatomia Kranz (Bowes & Salvucci 1984; Bowes 1987). Experimentos enzimáticos com Hydrilla verticillata demonstraram que em condições de baixas taxas de fotorrespiração, a atividade das enzimas ligadas ao metabolismo C4, como NAD-enzima málica, NADP-enzima málica, PEP-carboquinase, entre outras, encontra-se aumentada (Bowes & Salvucci 1984). Além disso, estudos de localização enzimática utilizando a mesma espécie indicaram que a Rubisco, ligada à atividade C3, opera no cloroplasto e a PEPCarboxilase, relacionada com o metabolismo C4, no citossol de uma mesma célula (Bowes & Salvucci 1984). Dessa forma, o CO2 fixado pela PEPCarbolixase no citossol é direcionado para o cloroplasto onde ocorre a refixação pelo ciclo de Calvin. Assim, diferentemente de plantas terrestres, as plantas aquáticas apresentam uma separação intracelular no processo de fixação do CO2 (Bowes 1987).

Dados obtidos em experimentos com Hydrilla verticillata, que utilizaram marcação com 14C, corroboraram os dados obtidos nos experimentos que analisaram a ação enzimática. Em condições de baixas taxas de fotorrespiração, acima de 60% do 14C foi incorporado em malato e aspartato indicando a presença do metabolismo C4 (Bowes & Salvucci 1984). Através desses estudos, esses autores também demonstraram que existiu um fluxo de carbono reduzido pelo ciclo de Calvin, embora a atividade das enzimas ligadas ao ciclo não tenha sido reduzida. De acordo com Bowes (1987), estas condições são compatíveis com o mecanismo que concentra o CO2 e reduz a atividade oxigenase da enzima Rubisco.

As plantas aquáticas que realizam o metabolismo C4 não o fazem continuamente, devido às correntes alterações entre altos e baixos valores de fotorrespiração. De acordo com Keeley & Sandquist (1992), algumas plantas aquáticas submersas podem substituir o metabolismo C3 pelo C4 para diminuir os efeitos da fotorrespiração. Por exemplo, as taxas de fotorrespiração de folhas emersas de Myriophyllum brasiliense e Proserpinaca palustris são reduzidas quando submersas devido à substituição do metabolismo C3 pelo metabolismo do tipo C4 (Salvucci & Bowes 1982). Entretanto, devido à grande variação no ponto de compensação causado pelas flutuações nas taxas de fotorrespiração, as macrófitas aquáticas submersas não devem ser simplesmente classificadas em plantas C3 ou C4. Várias outras espécies apresentam assimilação do CO2 por ambos caminhos, dentre essas destacam-se Chara contraria,Eleocharis aciculares,Gloeotrichia sp. e Marsilea vestita (Keeley 1999).

Deve-se ressaltar que o metabolismo C4 apresenta vantagem energética potencial em relação ao metabolismo C3, devido à maior afinidade da enzima PEPCarboxilase ao CO2 permitindo que a planta o utilize mais eficientemente. Entretanto, a utilização do CO2 via PEPCarboxilase implica em custos adicionais. Por exemplo, para cada molécula de CO2 fixada nesta via, uma molécula de PEP precisa ser regenerada a um custo de dois grupos fosfato por ATP. Desta maneira, as plantas C4 necessitam, ao todo, de cinco ATPs para fixar uma molécula de dióxido de carbono, enquanto que as plantas C3 necessitam de apenas três (Raven et al. 1992).

 

Metabolismo CAM

Outro mecanismo que aumenta a concentração interna de CO2 é desenvolvido por algumas plantas aquáticas submersas que o fazem de forma semelhante às terrestres CAM. Keeley (1981) foi o primeiro a registrar este mecanismo em macrófitas aquáticas utilizando uma espécie do grupo das isoetáceas, Isoetes howellii. De maneira geral, o sistema envolve a absorção do carbono, por meio da elevada atividade da enzima PEPCarboxilase, durante o período noturno (Moore 1999). O malato, formado neste período, é armazenado no vacúolo tornando-o ácido. No período de luz, o malato é descarboxilado e o CO2 fixado pela enzima Rubisco no ciclo de Calvin.

A separação temporal das reações ligadas ao metabolismo C3 e C4 mostra algumas características semelhantes com as plantas terrestres CAM. Entretanto, durante o período de luz, a fixação do CO2 do meio aquoso via C3 não é suprimida. A contribuição da fixação do CO2 no período noturno, evidenciada pela atividade mais elevada da PEPCarboxilase, é sempre relativamente mais alta (> 30%). Neste período a disponibilidade de carbono torna-se mais elevada devido à atividade respiratória dos organismos autótrofos da comunidade aquática. Segundo Madsen et al. (2002), a importância quantitativa da fixação de CO2 pode ocorrer dependentemente das concentrações externas de CO2 durante o período de luz. Além disso, a baixa razão Rubisco/PEPCarboxilase tem sido a principal característica na identificação de plantas aquáticas que utilizam este metabolismo.

Uma vantagem ecológica freqüentemente destacada pelos estudos é a atividade fotorrespiratória reduzida, pois a Rubisco opera com maior especificidade (taxa de carboxilação por unidade de enzima) durante este mecanismo. Dessa forma, para obter taxas fotossintéticas similares, as plantas aquáticas CAM necessitam, quantitativamente, menos Rubisco comparativamente às plantas que não dispõem desta atividade. De acordo com Madsen et al. (2002), acima de 25% do nitrogênio orgânico é destinado para a síntese desta enzima.

A despeito da aclimatação fisiológica, a atividade CAM em plantas aquáticas é potencialmente controlada pela disponibilidade de CO2 e pela intensidade luminosa. De acordo com vários estudos realizados em laboratório e em diferentes condições ambientais, a exposição de plantas em altas concentrações de CO2 ou em reduzida intensidade luminosa pode inibir a de-acidificação e reduzir a concentração do malato. Algumas respostas de aclimatação indicam que a modificação fisiológica, principalmente relacionada aos ajustes da atividade da enzima PEPCarboxilase, pode ocorrer em folhas produzidas durante o período de aclimatação e também nas folhas mais velhas, sugerindo um controle em nível celular individual. A regulação da atividade CAM em folhas aéreas de plantas anfíbias também é bastante discutida. Entretanto, parece não haver um padrão com relação à supressão ou não desta atividade quando suas folhas são expostas às condições atmosféricas. Para mais detalhes de fatores controladores do mecanismo CAM, ver Aulio (1986).

A afinidade ao CO2 de plantas CAM é baixa se comparada a outras espécies de macrófitas aquáticas submersas. Algumas razões morfológicas e fisiológicas podem ser apontadas, como por exemplo no caso das isoetáceas, cujas folhas são mais espessas e a Rubisco encontra-se em quantidades relativamente mais baixas. Litorella, Crassula e Isoetes são macrófitas que apresentam o caminho fotossintético relacionado com o metabolismo CAM. Dessa forma, as menores taxas de absorção do CO2 das isoetáceas devem refletir em taxas de crescimento mais lentas (Baattrup-Pedersen & Madsen 1999).

 

Utilização do bicarbonato

A capacidade de utilizar o bicarbonato como fonte adicional de carbono é bastante difundida entre as macrófitas submersas, embora não exista evidência sobre sua presença em Briófitas e Pteridófitas (Madsen & Maberly 1991). A utilização do HCO3- envolve gastos metabólicos e investimentos em sistemas de transporte como síntese de enzimas (ATPase, anidrase carbônica) que dependem de custos (gastos metabólicos) e benefícios (ganho de carbono) e do potencial genético de cada espécie. Entretanto, esse mecanismo fornece vantagem adaptativa quando a disponibilidade do CO2 é baixa (principalmente em valores mais elevados de pH) e quando a razão HCO3/CO2 é alta (Sand-Jensen & Gordon 1986).

Considerando que o transporte de CO2 pela zona de interface ocorre somente por difusão, os processos de transporte deste gás através dessa zona são acompanhados pela mudança do pH (Prins et al. 1982). Como já considerado, a assimilação do CO2 leva ao aumento do pH que altera o equilíbrio do sistema de dióxido de carbono na direção do íon HCO3-. Levandose em consideração a importância deste íon como fonte alternativa de carbono para algumas espécies de macrófitas submersas, dois mecanismos são propostos para a sua utilização. A conversão extracelular de bicarbonato em CO2, mediado pelos baixos valores de pH, que por difusão passiva passa para o interior das células (Prins et al. 1982) e o cotransporte de H+/HCO3- (Lucas 1985).

Em ambos os mecanismos, um gradiente local de pH faz-se necessário à utilização do íon HCO3-. No primeiro mecanismo, também chamado de polar, a zona de interface e o espaço periplasmático são acidificados pelo bombeamento de íon H+ pela atuação da enzima ATPase, localizada na plasmalema da face abaxial das folhas. Esses íons são liberados na face abaxial da folha enquanto na superfície adaxial forma-se uma zona alcalina como resultado da liberação de OH-. Esse mecanismo foi demonstrado em experimentos detalhados realizados entre as décadas de 30 e 50 (Arens 1933; 1946). No segundo mecanismo, o bicarbonato atravessa a plasmalema por meio do auxílio da atividade da enzima ATPase, que fornece um gradiente de prótons (íons hidrogênio) e força motriz para a entrada do bicarbonato associado ao íon H+. Por este processo, o CO2 pode acumular-se no interior das células e alcançar concentrações muito maiores que as de fora da célula (Fig. 5).

Fato importante que deve ser ressaltado é a importância da atividade reversível da enzima anidrase carbônica em ambos mecanismos. No primeiro mecanismo, a presença desta enzima no espaço periplasmático das folhas, principalmente de "elodeides" (uma referência ao gênero Elodea), deve facilitar a conversão do HCO3- em CO2. No cotransporte, a atividade externa desta enzima pode reduzir o retorno do CO2 por difusão à zona de interface devido à alta concentração alcançada no interior das células. Assim, através da atuação dessa enzima, o CO2 liberado nas células é novamente convertido a bicarbonato e reassimilado na plasmalema via contransporte HCO3-/H+. Pode-se ainda verificar, como nas macrófitas submersas, importância relevante da atividade da anidrase carbônica na fotossíntese de microalgas, como por exemplo em Chlamydomonas reinhardtii (Miyachi et al. 1985).

As macrófitas aquáticas submersas, restritas ao CO2, apresentam maior afinidade a este gás do que plantas submersas que apresentam habilidade adicional de usar o íon HCO3- (Sand-Jensen 1983; 1987; Maberly & Madsen 1998). A diferenciada afinidade é demonstrada pelas taxas de fotossíntese mais elevadas de plantas submersas restritas ao CO2 em valores de pH abaixo de 7, onde as concentrações perfazem mais de 80% do carbono total (Allen & Spence 1981). De acordo com diversos estudos (Sand-Jensen 1983; Pierini & Thomaz 2004), as taxas mais elevadas estão relacionadas com os reduzidos gastos energéticos envolvidos com sua absorção.

Do ponto de vista ecológico, a utilização do bicarbonato pode conferir à planta vantagem competitiva, principalmente em ambientes lênticos produtivos, alcalinos e de intensa atividade fotossintética, nos quais os valores de CO2 aproximamse de zero e os de pH são mais altos (entre 9 e 10) levando à conversão do CO2 livre em HCO3- no interior da zona de interface (Sand-Jensen & Gordon 1986). De acordo com James et al. (1998), Lagorisiphon major mostrou-se competitivamente superior a Elodea nuttali por apresentar-se mais tolerante ao estresse causado pelos altos valores de pH. Entretanto, essa vantagem pode ser suprimida em períodos de concentrações de CO2 mais elevadas (Adamec 1993).

Diversos trabalhos têm relacionado a distribuição de macrófitas aquáticas submersas com a alcalinidade do sistema (Sand-Jensen 1983; Spence & Maberly 1985; Adams 1985; Maberly & Madsen 1998). Os altos custos metabólicos envolvidos com a absorção do bicarbonato devem explicar a ausência de espécies submersas capazes de utilizar este íon em ambientes com baixa alcalinidade (Maberly & Madsen 1998). Desta forma, a avaliação da distribuição de macrófitas aquáticas submersas deve levar em consideração a alcalinidade dos sistemas.

A razão carbono inorgânico total/alcalinidade (CT/Alc), obtida em experimentos do tipo "pH drift", tem sido freqüentemente utilizada como índice de afinidade ao bicarbonato e da distribuição das espécies de acordo com a química da água (Tab. 1). Nesses experimentos, porções fotossintéticas da planta permanecem em frascos com intensidade não limitante de radiação subaquática. A razão CT/Alc, medida no final do experimento (horas ou dias), indica sua utilização ou não. Assim, as plantas que utilizam eficientemente este íon apresentam os valores da razão abaixo de 1 e plantas submersas que o utilizam com menor eficiência apresentam razão próxima de 1. Os valores de pH medidos no final dos experimentos "pH drift" também indicam a utilização ou não do íon HCO3. Em caso positivo, os valores finais do pH superam 9,0 pois as concentrações de CO2 são muito reduzidas acima deste pH (Fig. 6). Entretanto, é importante lembrar que a eficiência de utilização deste íon em valores de pH elevados é bastante reduzida, devido ao elevado custo energético envolvido com a utilização do íon HCO3-.

 

 

 

 

Na literatura, comparações da razão CT/Alc entre espécies e entre indivíduos da mesma espécie, demonstraram que uma classificação entre plantas restritas ao CO2 e capazes de utilizar o bicarbonato não é adequada, visto que, para uma dada alcalinidade, um mesmo indivíduo pode ou não utilizar este íon (Maberly & Spence 1983). Em função disto, tem-se discutido a existência de um gradiente entre as plantas em termos da capacidade de utilizar diferentes formas de carbono inorgânico (Allen & Spence 1981; Spence & Maberly 1985). Desta forma, pode-se concluir que a importância do bicarbonato como fonte alternativa de carbono à fotossíntese e ao crescimento de plantas submersas depende da razão da concentração de HCO3-/CO2 na água e do requerimento do carbono pelas plantas (Sand-Jensen & Gordon 1986).

 

Utilização do CO2 da água intersticial do sedimento

A habilidade de explorar diferentes fontes de carbono, como o CO2 da água intersticial do sedimento e da atmosfera, é principalmente relacionada com várias adaptações morfológicas de plantas submersas. A absorção do carbono da água intersticial do sedimento é vantajosa, pois neste compartimento as concentrações de CO2 podem ser aproximadamente 50 a 100 vezes superiores às da coluna de água.

A despeito das diferentes características morfológicas, a utilização do carbono da água intersticial do sedimento requer algumas especializações caracteristicamente encontradas no grupo das isoetáceas ("isoetes"). Essas plantas possuem folhas e caules curtos, alta relação biomassa de raízes: biomassa de folhas, grande sistema lacunar com canais longitudinais que ligam as raízes às folhas e cutícula fina para facilitar a fotossíntese e diminuir a perda de CO2 antes mesmo de ser fixado (Bowes 1987). Nestas plantas, o CO2 derivado da água intersticial do sedimento pode ser responsável por mais de 90% da absorção total do carbono. Entretanto, a proporção do carbono utilizada da água ou sedimento depende principalmente da permeabilidade e da variação espacial e temporal da concentração do CO2 próximas à superfície das folhas ou de suas raízes (Madsen & Sand-Jensen 1991).

De relevância ecológica, a utilização do CO2 da água intersticial do sedimento é especialmente vantajosa em ambientes com baixas concentrações de CO2 na coluna de água e com baixa alcalinidade (Kelley 1987). Outra vantagem freqüentemente apontada pelos estudos é a redução da competição com as espécies "elodeides", formadoras de dosséis, que se beneficiam de ambientes com elevada oferta de bicarbonato (Vestergaard & San-Jensen 2000). Além disso, considerando a longa distância da raiz até as folhas dessas últimas plantas, a elevada resistência de difusão do CO2 pode ser considerada outro fator que contribui para a menor eficiência da utilização deste gás do sedimento.

As plantas que dispõem deste mecanismo para evitar a limitação de carbono na coluna de água podem apresentar diferentes vias de redução do carbono. Por exemplo, Lobelia dortmanna apresenta a redução do carbono via C3. Entretanto, evidências da presença do metabolismo C4, pela formação de ácidos de 4 carbonos, em Litorella uniflora, indicam que uma mesma espécie pode apresentar ambas estratégias (absorção CO2 da água intersticial do sedimento e o metabolismo C4) para aumentar a absorção do CO2 e minimizar os efeitos inibitórios do O2 (Bowes 1987). De maneira complementar, deve-se ressaltar que as espécies "isoetáceas" são incapazes de utilizar o bicarbonato como fonte adicional de carbono. Isto faz com que suas taxas fotossintéticas ocorram independentemente das concentrações de bicarbonato na água. Além disso, sua distribuição está restrita, na maioria das vezes, a ambientes oligotróficos e com baixa alcalinidade.

 

Desenvolvimento de folhas aéreas

Algumas espécies de macrófitas aquáticas submersas apresentam a habilidade de desenvolver folhas aéreas durante parte de seu ciclo de vida. A despeito de suas modificações fisiológicas, a atividade da PEPCarbolixase e Rubisco de folhas aéreas é mais elevada se comparada com as folhas submersas da mesma planta, tornando-as fotossinteticamente mais eficientes.

Outro fator considerado importante para o desenvolvimento de folhas aéreas em plantas submersas é a maior disponibilidade de CO2 no ambiente aéreo. De acordo com Madsen & Sand-Jensen (1991), a maior taxa de difusão de CO2 neste ambiente faz com que sua resistência através da zona de interface seja reduzida. Isto aumenta as taxas fotossintéticas tornando as plantas capazes de desenvolver folhas aéreas competitivamente superiores. Por exemplo, as taxas fotossintéticas de plantas com folhas flutuantes do gênero Potamogeton foram superiores (8,30 ± 1,45µmol CO2 m-2s-1) às taxas fotossintéticas de plantas que apresentaram suas folhas submersas (0,80 ± 0,58µmol CO2 m-2s-1) (Frost-Christensen & Sand-Jensen 1995).

De modo complementar, os valores de Km do CO2 de macrófitas aquáticas submersas são superiores àqueles encontrados em plantas terrestres e folhas emersas de plantas anfíbias (Bowes 1985). Van et al. (1976), utilizando Hydrilla verticillata, encontraram valores de Km em condições não fotorrespiratórias (1% de oxigênio) de 175µM e 70µM quando as folhas foram submersas e emersas, respectivamente. Isto corrobora a hipótese de que a maior viscosidade do ambiente aquático aumenta a resistência do CO2 pela zona de interface.

 

A utilização do carbono e sua implicação ecológica na competição entre macrófitas submersas

Quando a fotossíntese é limitada pela baixa disponibilidade de carbono, o desenvolvimento de estratégias adaptativas pode compensar a baixa oferta de CO2 por difusão, reduzir ou suprimir a fotorrespiração e estabelecer altas concentrações intracelulares de CO2 (Prins & Elzenga 1989). Nesse sentido, fontes adicionais de carbono inorgânico à fotossíntese podem conferir à planta vantagem competitiva por meio da manutenção da fotossíntese enquanto outras plantas encontram-se em estresse (Jones et al. 1993).

Comparativamente, a vantagem competitiva de macrófitas submersas é derivada das taxas fotossintéticas ou de crescimento mais elevados de uma espécie em relação à outra. Por exemplo, em ambientes com alta disponibilidade de CO2, Callitriche copocharpa,incapaz de utilizar o bicarbonato, apresentou taxas de crescimento 60% mais rápidas que as taxas de crescimento de Elodea canadensis, capaz de utilizar o HCO3- como fonte adicional de carbono (Vadstrup & Madsen 1995). Isto capacita a primeira espécie a dominar ambientes em condições com altas concentrações deste gás. Entretanto, ambas plantas podem substituir-se sazonalmente em função da disponibilidade de carbono inorgânico no ambiente aquático.

Considerando a competição pelo carbono entre os organismos autótrofos presentes nas comunidades aquáticas, pode-se considerar que os organismos fitoplanctônicos são os mais eficientes (Spence & Maberly 1985; Allen & Spence 1981). A despeito do menor tamanho, estes organismos apresentam a espessura da zona de interface reduzida e uma distância menor para a difusão e/ou transporte ativo de carbono inorgânico do meio externo para o cloroplasto, tornando-os menos susceptíveis à limitação do carbono em relação às macrófitas submersas (Sand-Jensen 1989). De fato, em condições idênticas de laboratório, Anabaena cylindrica, Microcystis aeruginosa e Scenedesmus quadricauda foram capazes de extrair mais de 90% do carbono total presente na água comparativamente aos 70 % de Myriophyllum spicatum e Potamogeton perfoliatus,consideradas bastante eficientes na utilização do carbono (Maberly & Spence 1983).

Outra explicação para o melhor desempenho fotossintético da comunidade fitoplanctônica foi sugerida por Spence & Maberly (1985). De acordo com esses autores, a utilização mais eficiente do carbono deve-se ao curto tempo de geração destes organismos e, portanto, à rápida capacidade de se adaptarem a flutuações das diferentes formas e concentrações de carbono no ambiente aquático. Podese destacar que a utilização do bicarbonato é considerada a estratégia mais difundida entre as espécies de macrófitas aquáticas submersas. De fato, a utilização desta estratégia foi encontrada em mais de 50% das espécies testadas em laboratório (Sand-Jensen & Gordon 1986). Além das características genéticas, a elevada razão HCO3-/CO2 encontrada na maioria dos sistemas aquáticos deve explicar a preferência pela estratégia.

Considerando a grande variação temporal e espacial da disponibilidade do carbono em ambientes aquáticos tropicais, este pode, entre outras variáveis químicas da água, apresentar grande poder de predição da ocorrência de espécies submersas. Particularmente, a utilização mais eficiente do carbono inorgânico por algumas espécies de macrófitas submersas pode oferecer à planta uma capacidade potencial de dominar o ambiente em condições de baixas concentrações ou deficiência de CO2, pelo menos em alguma parte do período iluminado. Além disso, as espécies de macrófitas aquáticas que dispõem de mecanismos para superar a limitação do carbono são capazes, em condições de altas concentrações de CO2, alocar energia para a obtenção de outros recursos, tais como luz, nutrientes inorgânicos que podem estar limitando seu crescimento.

A despeito de sua importância para a fotossíntese de macrófitas aquáticas submersas, o carbono inorgânico pode ser considerado uma das variáveis chave no controle da composição e distribuição das macrófitas aquáticas submersas. Por fim, pode-se concluir que o ambiente aquático é o hábitat de grande diversidade de caminhos fotossintéticos que controlam a distribuição e a composição da comunidade de macrófitas aquáticas (Moore 1999).

 

Agradecimentos

Somos especialmente gratos ao Prof. Dr. Carlos Moacir Bonato, Universidade Estadual de Maringá, pelas sugestões e também à CAPES, pela bolsa de Mestrado para a pós-graduanda Sandra Andréa Pierini.

 

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Recebido em 03/06/2003. Aceito em 18/02/2004

 

 

1 Autor para correspondência: sapierini@nupelia.uem.br

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