Cap_9_Destruição de Matéria Orgânica
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Qual é o destino da MO? Matéria orgânica nos oceanos 3. Destruição CO produzido na zona fótica é consumido pelo zoo e bactérias heterotróficas nas águas superficiais e regenerado a CO2, NH4+, PO32- pela respiração 2H2O + CO2 + luz + nutrientes Cla (CH2O) + H2O + O2 Alça microbiana/PP regenerada Destino da maior parte da MO na escala de décadas Consumidor 2° O oceano é sumidoro ou fonte de C? Consumidor 1° Produtores • Ainda não temos certeza desta resposta • Fótica: – Oligotróficos: Remineralização C, N e P • Taxa metabólica: respiração • PPL restringe a produção de biomassa de heterotróficos Falkowski, 2004 (Biogeochemistry) respiração > produção respiração = produção • Correlação positiva: respiração e produção em grandes escalas • Pequena escala ainda é um problema... Giorgio e Duarte, 2002 •1 • Águas de fundo: >1000m • Intermediárias: 150 - 1000m – Respiração decresce abaixo da zona fótica • Termoclina: gradientes físico-químicos – Zona de mineralização de MO – Reabastecimento da zona fótica – Baixo consumo de O2 – Difícil medição – 45% represente a respiração bentônica • Zooplâncton – Estimativas 1-50% respiração oceanos • Região • Profundidade • Método estimação • Respiração integrada 150 - 1000m – 30-130% respiração da zona fótica • Vertebrados – Poucos dados – <1% (eficiência de 10% a cada nível trófico) Giorgio e Duarte, 2002 Variabilidade da respiração • Variações espaço-temporal pouco caracterizada – Incertezas no ciclo do C • Correlação positiva entre R e P na zona fótica em grandes escalas • Respiração: processo pouco variável comparado a PP – Utiliza vários substratos – Independe da PP recente: grandes reservatórios de DOC • PP vs respiração: processos ”uncoupling” • Razões P/R variam no tempo geológico – Último Período Glacial – Holoceno: oceano fonte de CO2 • Aumento de R ou diminuição de PP?????? – Respiração: extremamente dependente de T Giorgio e Duarte, 2002 Produção e Respiração Componente Baixa (Gt C/ano) Alta (Gt C/ano) Média (Gt C/ano) 32 21 1,3 1,5 42 28 1,6 4,5 55,8 76,1 37 (± 5) 24,5 (± 15) 1,5 3 0,01 66 28 52 40 41,4 6 3 0,5 50,9 77 6 3 0,5 86,5 59,2 6 3 0,5 68,7 Respiração Zona fótica Mesopelágica interior (1000m + sed) Zoo Vertebrados Respiração total Carga de MO Prod primária (14C) oc. aberto Prod. Total Import. zona costeira Carga atmosférica MO antiga Total de cargas Exportação e PP Suess, 1980 Emerson et al. 1997 Sambrotto et al., 1993 Falkoski et al., 1998 Giorgio e Duarte, 2002 <6 <11 15 23 31,8 16 27,5 Giorgio e Duarte, 2002 •2 grandes escalas temporais: PP é balanceada pela respiração planctônica. Um cenário com exportação de MO.... atm Pequenas escalas temporais: R planctônica na zona fótica pode influenciar a troca CO2-oceano Décadas: R em águas intermediárias pode contribuir com o CO2 atmosférico (circulação termohalina) superfície MO (detritos, pelets fecais, etc.) vai afundar e decompor na água de fundo “neve marinha” Exportação da produção • Bomba biológica: transfere CO2 e nutrientes da água superficial para água de fundo. Respiração altamente influenciada pela T • O CO2 é sequestrado permanentemente? • Não, mas é um ciclo de 1000 anos regulado pela circulação termohalina Fluxo de exportação de MO Carbono Inorgânico dissolvido µmol/kg Neve Marinha no Mar Adriático “Neve marinha” Fluxo de C da zona fótica: Exportação da PP 5-10% C fixado/ano Altas lat. e ressurgências pode representar até 50% C- real Oceano Pacífico Mineralização: enriquecer o fundo do oceano em CI (200 µM) • Organimos vivos, detritos, MP gerado de processos físicoquímicos A- Pré-industrial 280 µmol/mol Bomba biológica: B- 1995 360 µmol/mol steady-state de CO2 na atm Kaiser et al, 2005 Falkowski, 2004 (Biogeochemistry) •3 Bomba biológica: Steady-state de CO2 atm Gradiente vertical de CI oceano Mas o que acontece com o DOM? Fluxo vertical de COP: Silicato e carbonato Protegem a matéria orgânica da herbivoría Ajudam no transporte de MO para o fundo Amstrong et al., 2002 Fluxo de produção, exportação e mineralização do POM opera seguindo a estequiometria de Redfield e representa 80% do fluxo de TOC para o oceano profundo (Hopkinson e Vallino, 2005) • Muito pequeno para afundar! • Poucos dados • Exportação da POM está de acordo a Redfield – ATENÇÃO: DOM não segue a razão Redfield! – Média oceânica de DOM (C:N:P) 778:54:1 – ↓ [DOM] ↑ razões C:N:P – ↑ [DOM] ↓ razões C:N:P (Hopkinson e Vallino, 2005) Prod, Deg e Rres. MO Natureza do DOM Refratário Fonte: Terrestre? Lábil Lábil - novo - antigo - pobre em nutrientes relativo a Redfield - pobre em nutrientes -rico em C relativo a Redfield - extremamente rico em C Fonte: Autótrofos e heterotróficos Atenção! • Mudanças globais podem induzir a exportação do DOM lábil (Aumento da temperatura, estratificação dos oceanos) – Aumentar a habilidade do oceano sequestrar CO2 • Aumentar a decomposição do DOM refratário – Decrescer o sequestro de CO2 • Desequilíbrio entre estequiometria de produção do DOM lábil e decomposição do DOM refratário (199:20:1 vs 3511:202:1) (Hopkinson e Vallino, 2005) (Hopkinson e Vallino, 2005) •4 • Desvios da razão Redfield alteram a percepção dos ciclos interligados de C, N e P; • A diferença entre a estequiometria de DOM e Redfield mostra que o DOM exportado é rico em C; Destruição da MO Degradação da MO vai causar consumo de O2? - C e N em organismos vivos: formas reduzidas [106(CH2O) 16NH31PO2-4] + 138O2 106CO2 + 122H2O + 16NO3- + PO2-4 + 16H+Formas • Assim, cargas de N e P induzem uma exportação de DOC maior do que a previamente estimada por Redfield. Distribuição do O2 (µ µmol/kg) Zonas de ressurgência Alta produtividade Formas mineralizadas são oxidadas → depleção de oxigênio Zona de oxigênio mínima: Abaixo da zona fótica (300-1500m) Demanda de O2 > aporte Alta concentração de CO2 e nutrientes Intensidade: tempo de residência e produtividade Oxigênio nas ZOM World Ocean Atlas 1998 •5 Remineralização: impacto no O2 e nutrientes Remineralização: impacto no O2 e nutrientes • Remineralização inverso da fotossíntese • N:P estequiometria – Adição (fixadores) – Retirada de nitrato (denitrificação) - Denitrificação???? - Processo na superfície - O:P 150:1 - 02 pré-formado - comportamento conservativo (S) - Circulação termohalina Todas as prof. Sarmiento e Gruber, 2004 Mas o que ocorre no sedimento? Destino depende: Taxa de enterramento Quantidade de O2 nos sedimentos e na água intersticial Sarmiento e Gruber, 2004 Mas o que ocorre no sedimento? Aeróbio O2 suficiente: A decomposição é um processo rápido MO: bentos detritívoro (comedores de depósitos) Resíduos e os produtos metabólicos: decompositores aeróbios heterotróficos (bactéria e fungo) •6 Aeróbio Decomposição Anaeróbica Materiais + lábeis: consumo rápido Mineralização continua em taxas mais lentas Bactérias anaeróbicas Resíduos: refratários Aerotolerantes (Lactobacillos) Facultativas Obrigatoriamente anaeróbias Material solúvel difunde para a coluna d’água Tamanho de grão: Aporte de O2 e circulação de água Aporte de MO Bioturbação Macromoléculas → moléculas mais simples Hidrólise e fermentação Demanda de O2 > disponível: anoxia na interface água-sedimento Bactéria estritamente aeróbias param as atividades Ciclo de produção/decomposição Remineralização é finalizada por: Bactérias denitrificantes e sulfato redutoras Decomposição anaeróbia Ausência de O2: Agentes oxidantes: Mn (IV), Nitrato e Fe (III), sulfato e bicarbonato Liberam menos energia Denitrificação, sulfato redução, metanogênese Werne et al., 2002 •7 Decomposição anaeróbia Denitrificação: Inicia logo após a exaustão de O2: CO2, H2O e N Denitrificadores são anaeróbios facultativos Pequena zona vertical: baixo nitrato na água intersticial Decomposição anaeróbia Sulfato redução: Inicia logo após a depleção de nitrato Sulfato redutores são anaeróbios obrigatórios Toleram alteração pH, salinidade, temp e pressão Crescimento limitado pelo aporte de sulfato Difusão do sulfato ou redução do sulfeto Pequena profundidade em sedimentos ricos MO Vários metros em sedimentos pelágicos Representa 50% da oxidação do C em sedimentos marinhos - sulfato é abundante nos oceanos Decomposição anaeróbia Metanogênese: Anaeróbios obrigatórios Sintetizam metano dos menores produtos de fermentação Acetato, C1, CO2 e H2 são importantes substratos Decomposição anaeróbia • Os ciclos C, N, S estão interligados • Respiração converter C, N em formas assimiláveis • A taxas de remineralização anaeróbia e aeróbia procede a taxas similares em condições ótimas A dependência de um grupo de bactérias nos sub-produtos dos outros é uma feição da comunidade bacteriana. - fotossintetizante, quimiosintetizante e decompositoras •8 Mecanismo de decomposição O2 Utilizado Denitrificação Bactérias denitrificantes usando nitrato na oxidação da MO Mn4+ redução Fe3+ redução SO4 2- redução CO2 redução Referências Respiração heterotrófica Bactérias obrigatoriamente anaeróbias, usam energia da fermentação Bactéria usa sulfato na oxidação da MO Redução de CO2 quando H+ é disponível como sub-produto da fermentação) Livros textos S. Libes (1992) An Introduction to Marine Biogeochemistry R. Chester (2000) Marine Geochemistry F. Millero (1996) Chemical Oceanography W. Schesinger (2004) Biogeochemistry. Treatise on Geochemistry. Para ir mais longe Sarmiente & Gruber (2004) Ocean Biochemical Dynamics Baldock, et al. (2004) Marine Chemistrty V. 92, 39p. Giorgio & Duarte (2002) Nature V. 420, 379p. Hopkinson & Vallino (2005) Nature V. 433, 142p. •9
