Cap_7_ Matéria Orgânica_1

Matéria Orgânica nos Oceanos
1. Origem e classificação
Tópicos da aula
ƒ Introdução
ƒ Definição da MO
ƒ Classificação
ƒ Fontes
ƒ Composição
• O que é MO e como ela é formada?
• Qual o destino da MO nos oceanos?
• Como a MO se relaciona com outros
constituintes da água do mar?
O que é Matéria Orgânica?
ƒ Compostos de C
ƒ Propriedade físicas e químicas diversas
ƒ grupos funcionais
ƒ Base energética e nutricional da cadeia trófica
ƒ Importante para especiação de metais
ƒ Precursores de combustíveis fósseis
ƒControle do clima global
Fonte de MO para os oceanos
Fonte
Produção Primária
Fitoplancton
Macrófitas
Carga líquida
Rios + Subterrânea
Carga atmosférica
Chuva
Deposição seca
1015 gC/ano % total
23,1
1,7
84,4
6,2
1,08
3,95
1,0
0,5
3,65
1,8
4
Bomba biológica e PP
• Processos fisicos vs produção primária
• Ausência da bomba biológica:
– Nitrato 33 mmol/m3 Variabilidade ± 10%
– Fosfato 2.1 mmol/m3
como a salinidade!
• As concentrações são <<<< nos oceanos
• Existem regiões com altos teores de nutrientes e
5
baixa PP
Classificação da MO
ƒ 1960-70: Dissolvida x Particulada
ƒ Filtros de fibra de vidro ou prata de 0,45μm
Particulada
mm
Coloidal
µm
zoo
Fito
peneiras
colóides
Dissolvida
nm
bactéria Microalgas/detritos
Vírus
filtros
ultra filtros
peneiras moleculares
Classificação da MO
Matéria Orgânica Dissolvida (DOM)
ƒ DOM – membrana de 0.45 µm
ƒ 97% CO na água do mar ocorre na fração dissolvida
ƒ filtração não é recomendada
ƒ O conteúdo de carbono é descrito como COD, sendo que o COD na água
do mar varia entre 75-100 µM
ƒ Bactérias heterotróficas são os principais consumidores
ƒ DOM: cadeia alimentar microbiana e fluxo de C e energia
Classificação da MO
Matéria Orgânica Dissolvida (DOM)
ƒ A maior parte do DOM
ƒ reside no fundo dos oceanos
ƒ resistente a biodegradação
ƒMatéria orgânica coloidal (CDOM):
ƒ Alto peso molecular (HMW: >1000)
ƒ Colóide sólido amorfo, partículas com grande área
superficial (0.001 a 1 µm)
Matéria Orgânica Dissolvida (DOM)
1. DOC: dois reservatórios
a. Novo, rápida ciclagem do plancton (< 1000 anos)
b. Velho, ciclagem lenta a partir do material fluvial
fotodegradado (5000 anos)
2. C/N (8 a 18)
a. Maiores em águas de fundo
b. Maiores para partícula menores:
4 for 500 μm and 10 for 0.003 μ m
c. Maiores para MO terrestre (C/N > 15)
3. Composição pode ser usada como indicativo de
fonte (Biomarcadores)
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Classificação da MO
Matéria Orgânica Particulada (POM)
ƒ POM – fração retida na membrana de 0.45 µm
ƒ zona fótica: biomassa viva (microalgas)
ƒ zona afótica: detritos de conchas, esqueletos de
diatomáceas, pelets fecais, “neve marinha”.....
ƒ mistura complexa de materia viva e detritos:
variação de tamanho, forma e reatividade
Volkman e Tanoue, 2002
Matéria Orgânica Particulada (POM)
POM em suspensão
ƒ mistura de detritos e biomassa viva (10:1)
ƒ biomarcadores (clor a, carotenóides, ATP, DNA –
biomassa viva)
Fito
ƒ Estrutura da comunidade: ciclagem e exportação de MO
ƒ Estrutura básica: diversos grupos (e.g. algas verdes,
diatomáceas)
ƒ Diatomáceas de blooms (sazonal e espacial)
Volkman e Tanoue, 2002
POM em suspensão
Bactérias
ƒ Bactérias heterotróficas: prod. secundária → ciclagem C
ƒ 90% total do carbono biológico
ƒ dominantes em aguas oligotróficas
ƒBactérias aeróbicas: luz solar → energia
ƒ até 20% total das bactérias (oligotróficos)
ƒ não foi provado se elas fixam Cinor → ciclagem global do C
Volkman e Tanoue, 2002
POM em suspensão
Vírus
ƒ Numericamente dominante
ƒ Fração pouco significante na contribuição de MO
ƒ Alça microbiana:
ƒ DOM (fito) → POM (bactérias) → DOM (protistas e vírus)
ƒ 3-26% COP da PP é reciclado por lise viral para COD
ƒ infecção viral: declínio de blooms
ƒ Pastagem por protistas:
minimiza limitação por Fe
ƒFe biodisponivel é gerado de Fe coloidal nos vacúolos dos protistas
Volkman e Tanoue, 2002
POM em suspensão
Neve Marinha
ƒ Grandes agregados de matéria orgânica na superfície
ƒMucilagem, cianobacterias, espécies autótrofas, detrítos
ƒ Frágeis, degradados até os 1000m
ƒ C:N aumentam com o volume (maior agregados/mais velho)
Mar Adriático
Kaiser et al, 2005
Fase gel
• Polimeros tridimensionais
• Partículas coloidais – partículas grandes (100’s μm)
• Nem todo colóide forma gel
• A maior porte é livre
Será que é
apropriado falar em
tamanho,
concentração e idade
de partículas?
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Verdugo, 2004
Fase gel
• Formada min-horas
• Microambientes na escala de nm
– Reatividade química
– Propriedades físicas
– Biodisponibilidade
Diferente de componentes
dispersos na água
Mudanças (pH, força iônica, temperatura, etc.) no meio podem causar:
- Alteração de tamanho, reatividade química, permeabilidade, densidade
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Fase gel
Macrogels (TEP-exopolímero transparente de partículas)
• Vάrias espécies de plâncton – gigagels (m)
• Formado a partir do COD
– Processo de sedimentação
– Ciclagem do C
Matrix da neve marinha e da agregação dos blooms de
diatomάceas
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Fontes de Matéria Orgânica
Alóctona e autôctona
Fontes de Matéria Orgânica
estuário
ƒ Alóctonas: fonte externa
450
Rios e estuários
400
ƒ 33 x 1012 COT
ƒ Solos (subs. húmicas
(70%) e material
refratário)
River
300
DOC (μM)
ƒ Plantas (50%
carboidratos, lipídios e
material lábil de LMW –
ac.fúlvicos)
350
250
200
Seawater
150
100
50
0
5
10
15
20
25
30
35
Salinity
19
Millero, 2002
• As concentrações de MPS controlam a
razão COD:COP
– SPM < 15 mg/L
COD : COP ~ 10
– SPM > 500 mg/L COD : COP < 1
65% refratário
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Aportes fluviais de MO
• Descarga de água total: 35 x 103 km3/ano
– Variando de poucos m3/s – 200.000 m3/s (Amazonas)
• Aportes são dependentes:
–
–
–
–
Tamanho da bacia de drenagem
Geologia
Regime fluvial
Natureza e uso do solo
Qde/qualidade MO
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Zona
COD Descarga de água
mg/L
Exportção do
DOC
Km3/ano
% total
106 t/ano
% total
Tundra
2
1,222
3
2.2
1
Taiga
7
4,376
11.7
30.6
13
Temperado
4
10,285
27.5
41.1
17.6
Tropical
úmido
8
19,186
51.3
153.5
65.6
Tropical seco
3
2,169
5.8
6.5
2.8
Semi-árido
1
262
0.7
0.3
0.1
37,400
100
243.2
100
Total
22
Leenheer, 1991
A taxa de aporte fluvial é baixa
comparada a produção anual dos
oceanos (50Gt C/ano)
• Razões isotópicas
• C:N >15 ambiente terrestre
• C:N ~ 7 ambiente marinho
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Porque a MO nas bacias oceanicas não tem origem terrestre?
• Floculação e precipitação da MO
– Resultados variam:
• Sazonalidade;
• Floculação/agregação (tamanho importa!);
• Físico-química vs. turbulência e tempo de residência
• Fotoxidação
• MO origem antrópica
– zona costeira (salting out)
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Fontes de Matéria Orgânica
Atmosfera
Importante na microcamada superficial (0-100 μm)!
- 10x mais DOC que a camada inferior
- Composição pouco conhecida (subst. húmicas, mono e
polissacarídeos, DDT, PCBs, etc.)
- deposição seca e úmida: 2,2 1014 gC/ano
(semelhante a carga fluvial 4,0 1014 gC/ano)
- bolhas: gde parte da deposição atm é reciclada
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Fontes de Matéria Orgânica
ƒ Autóctonas: FONTE INTERNA
Organismos autotróficos: transformadores
Reduzem o CO2 para C orgânico e estocam a energia química
nos seus tecidos.
Ex: plantas (plancton e macroalgas) e algumas bactérias.
Fotossíntese ou produção primária é o processo
global mais importante:
6 CO2 + 6 H2O + nutrientes => C6H12O6 + 6 O2
Fontes de Matéria Orgânica
ƒ Autóctonas:
ƒCOP: vivo (menos de 5% do TOC no oceano)
ƒ fitoplancton – fotossíntese – 2 x 1016g C/ano
ƒ Organismos microscópios de pequena mobilidade
ƒ Diatomáceas: grupo dominante
ƒ Cianobactérias, cocolitoforideos,...
Estágios da produção primária
1. Absorção de luz por pigmentos fotosintéticos
Clorofila a: duplas
ligações, elétrons
facilmente excitados
pela absorção de luz
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Estágios da produção primária
2. Conversão para energia química (ADP, ATP e
NADP), através de reações envolvendo o
citocromo:
4NADP + 2H2O +2ADP + 2P → O2 + 2ATP + 4NaDPH
3. Assimilação do CO2 usando o NADPH e ATP
produzindo carboidratos (escuro)
CO2 + 4NADPH + ATP → CH2O+ H2O + 2NADP + ADP
+P
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Composição do Fito
•
•
•
•
40% proteínas
40% carboidratos
15% lipídeos
5% ácidos nucléicos
Variações:
- aporte de nutrientes
- idade
- T°C
- radiação
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Composição do Fito
• Simplificação da fotossíntese: C, N e P
106CO2 + 16NO3- + 1HPO42- + 12H2O +
18H+ → C106H263O110N16P + 138O2
C:N:P: 106:16:1
Razão de Redfield
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Fontes de Matéria Orgânica
ƒ Razão de Redfield:
razão estequiométrica para o fito/zoo é
constante! (gde escala temporal)
Matéria orgânica
C
Oxigênio
H
O
N
P
O2
263
110
16
1
138
Muito altas
Redfield et al. 1963
106
Anderson 1995
106
164-186
26-59
16
1
141-161
Hedges 2002
106
177
37
17
0,4
154
Aumenta o consumo
Fontes de Matéria Orgânica
ƒ Autóctonas: FONTE INTERNA
POC: não vivo
ƒ Detritos
ƒ Organismos mortos
ƒ Material fecal
fito
ƒ Agregados orgânicos
•
•
•
•
Aglomerados de bactérias/detrítos
Agregação de MO por ação de bolhas
Floculação
Adsorção de COD em partículas 33
Fontes de Matéria Orgânica
COD (principal estoque de CO nos oceanos)
ƒ Controvérsia: COD autóctono vs. alóctono
ƒ Estima-se que entre 10-50% do COD seja de
origem terrestre
ƒ COMPORTAMENTO CONSERVATIVO
ƒ LIGUININA
ƒBauer et al., (2002)
ƒDafner & Wangersky (2002) revisão!
Composição da Matéria Orgânica
ƒ Proteínas (amino ácidos) Auto e Alo
ƒ Carboidratos Auto e Alo
ƒ Lipídios Auto e Alo
ƒ Pigmentos Auto e Alo
ƒ Lignina Alo
ƒ Ácidos Nucléicos Auto e Alo
Composição da Matéria Orgânica
ƒ POM:
ƒ Hidrocarbonetos, ácidos graxos, carboidratos, lignina, detrítos
ƒ Terrestre ou Marinha:
ƒ N-alcanos (biomarcadores)
ƒ C23-C35: terrestre
ƒ C15-C21: marinho
ƒ Acidos graxos (biomarcadores)
ƒ C14-C36: terrestre
ƒ C12-C24: marinho
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Composição da Matéria Orgânica
ƒ POM:
ƒ Pequena parcela: biomassa viva
ƒ Grande parcela: biomassa morta
ƒ Partículas pequenas: maior parte do POM
ƒ Partículas grandes: neve marinha/pelets fecais (cadeia
alimentar)
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Composição da Matéria Orgânica
ƒ DOM (coluna d’água):
ƒ COD: 95% do TOC no oceano
ƒ 10-20% caracterizada
ƒ Fração lábil DOM: lipídios, carboidratos,
aminoácidos, pigmentos
ƒ Organismos vivos POC→ DOC:
ƒ Exudação do fito
ƒ Excreção do zoo
ƒ Mineralização da MO
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Composição da Matéria Orgânica
ƒ DOM (coluna d’água):
ƒ Fração não caracterizada: material inerte,
altamente refratário
ƒ GELBSTOOF: macromoléculas do tipo
material húmico e lignina
ƒ Micro-camada superficial: sopa orgânica
ƒ SCUMS
ƒ Variedade de substâncias: POC, DOC, P,
N, bactérias, DDT, PCB e metais
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Referências
Livros textos
ƒ S. Libes (1992) An Introduction to Marine Biogeochemistry
ƒ R. Chester (2000) Marine Geochemistry
ƒ D.A. Hansel & C.A. Carlson (2002) Biogeochemistry of marine
dissolved organic matter
Para ir mais longe
ƒ Volkman, J. & Tanoue, E. (2002) Journal of Oceanography V. 58,
265-279p.
ƒSarmiente & Gruber (2004) Ocean Biochemical Dynamics
ƒBaldock, et al. (2004) Marine Chemistrty V. 92, 39p.
ƒ Giorgio & Duarte (2002) Nature V. 420, 379p.
ƒHopkinson & Vallino (2005) Nature V. 433, 142p.
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