Cap_9_Destruição de Matéria Orgânica

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