The functional role of emergent macrophytes in nature-based solutions (NBS) aiming to mitigate nutrient loading in freshwater ecosystems

Abstract

Freshwater degradation has been largely attributed to excess nutrient concentrations of anthropogenic origin. Freshwater degradation in combination with water scarcity are the reason of severe stress on water resources globally. As one third of the world’s population does not have access to clean drinking water, nutrient pollution is imperative to be addressed. Nature-based solutions (NBS) is a recent concept to address several societal challenges, using techniques inspired by nature, or by nature itself, while preserving ecosystem sustainability. Water security is among the essential societal challenges that NBS can address, with nutrient pollution of freshwater systems being one of its primary aspects. While NBS projects aiming to address nutrient loading in freshwater systems, conspicuously include emergent macrophytes in their design, there is a lack in mechanistic understanding of how these aquatic plants enhance water treatment performance.

In the present doctoral thesis, we focused on bridging this knowledge gap by investigating the plants’ physical, chemical and biological influence on the subsurface aquatic environment and the implications for nutrient mitigation. Specifically, we examined subsurface solute transport and nutrient retention under the presence of three emergent macrophyte species; Iris pseudacorus L., Phragmites australis L., and Scirpus lacustris L., while we also explored the influence of dissolved organic carbon (DOC) quality on nitrogen cycling. To this aim, we performed a series of three studies in a setup of 12 artificial flumes, where we used traditional methods of stream ecology (i.e. pulse additions of conservative and reactive tracers) to characterize subsurface solute transport and to estimate nutrient spiraling metrics. Likewise, we experimentally modified DOC lability in the flumes, and we characterized root system architecture of the used emergent macrophytes.

Regarding the physical effect of macrophytes, our results showed that macrophytes root architecture can substantially influence subsurface solute

transport. Specifically, a dense root system of fine roots results in increased hydraulic retention, while an architecture of thicker roots leads to inverse results, facilitating infiltration. Further, we found that the chemical and biological influence of emergent macrophytes on the subsurface aquatic environment is species specific, and depends on physiological differences between the species, and on the plants’ capacity to create long residence times in the subsurface. Additionally, the presence of emergent macrophytes was found to facilitate N removal, while the availability of a labile C source mostly increased microbial respiration, rather than denitrification.

Finally, in the general discussion of the thesis, we discuss the above results and further synthesized them with information from the literature, within the context of NBS.

Overall, the present doctoral thesis elucidates some unclear aspects of the functional role of emergent macrophytes in NBS aiming nutrient mitigation, highlight the importance of suitable macrophyte species selection in NBS systems to optimize treatment performance, and provides valuable guidelines to NBS practitioners for successful macrophyte species identification.

La degradació dels ecosistemes aquàtics s’ha atribuït, en gran mesura, a l’excés de concentracions de nutrients d’origen antropogènic. Aquesta degradació, combinada amb l’escassetat d’aigua, és la principal causa de l’alarmant problemàtica dels recursos hídrics a nivell global. Donat que un terç de la població mundial no té accés a aigua potable, es fa imprescindible abordar la problemàtica de la contaminació per nutrients. El concepte de solució basada en la natura (SBN) ha aparegut recentment per designar aquelles tècniques inspirades en la natura que aborden diversos reptes socials tot preservant la sostenibilitat dels ecosistemes. La seguretat de poder disposar d'aigua es troba entre els desafiaments socials més importants que avui dia afronten les SBNs, essent la contaminació per nutrients en ecosistemes aquàtics un dels seus principals objectius. Si bé els SBN destinats a abordar la problemàtica de la càrrega de nutrients en sistemes aquàtics incorporen macròfits emergents en el seu disseny de forma rutinària, hi ha una manca de coneixement dels mecanismes que expliquen com aquestes plantes aquàtiques milloren el tractament de les aigües.

En aquesta tesi doctoral, ens hem proposat reduir aquesta mancança del coneixement investigant com els trets físics, químics i biològics de les plantes influeixen en el medi aquàtic subsuperficial i com afecten la mitigació de nutrients. Concretament, hem examinat el transport de soluts a la subsuperficie i la retenció de nutrients sota la presència de tres espècies de macròfits emergents; Iris pseudacorus L., Phragmites australis L. i Scirpus lacustris L.. Addicionalment, hem explorat la influència de la qualitat del carboni orgànic dissolt en el cicle del nitrogen. Per portar a terme aquest objectiu, es van realitzar una sèrie de tres treballs dissenyats amb una mateixa configuració de 12 canals artificials experimentals, i on es van aplicar mètodes tradicionals de l’ecologia fluvial (és a dir, addicions sobtades de traçadors conservatius i d’elements reactius) per poder caracteritzar el transport subsuperficial de soluts i estimar les mètriques de l’espiral de nutrients. Igualment, es va modificar

experimentalment el grau de labilitat del carboni en el sistema de canals, i es va caracteritzar l'arquitectura del sistema radicular d’aquests tres macròfits emergents.

Quant a l’efecte físic dels macròfits, els resultats demostren que l’arquitectura radicular dels macròfits influeix substancialment en el transport subsuperficial dels soluts. Concretament, un sistema dens d’arrels fines dóna lloc a una major retenció hidràulica, mentre que una arquitectura d’arrels més gruixudes condueix a resultats inversos, donat que faciliten la infiltració a nivell intersticial. A més, hem constatat que la influència química i biològica dels macròfits emergents en el medi subsuperficial aquàtic és específica de cada espècie, i depèn de les diferències fisiològiques entre elles, i de la capacitat de les plantes per crear major temps de residència en el medi intersticial. Addicionalment, hem provat que la presència de macròfits emergents facilita l’eliminació de nitrogen, mentre que la disponibilitat d’una font de carboni làbil fa augmentar la respiració aeròbica microbiana en lloc de la desnitrificació.

Finalment, a la discussió general de la tesi, es discuteixen els resultats obtinguts i es sintetitzen dins del context de les SBN amb informació extreta de la bibliografia.

En general, la present tesi doctoral posa de manifest aspectes poc coneguts sobre el paper funcional dels macròfits emergents quant a la reducció de nutrients en les SBNs. També posa en relleu la importància de fer una selecció adequada d’espècies de macròfits per a sistemes on s’apliquen SBN a fi d’optimitzar el tractament d’aigües; i proporciona valuoses pautes per a professionals que apliquen SBNs per tal d’identificar les espècies de macròfits més apropiades per la reducció de nutrients.