Cap_7_ Matéria Orgânica_1
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Matéria Orgânica nos Oceanos 1. Origem e classificação Tópicos da aula Introdução Definição da MO Classificação Fontes 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? Compostos de C Propriedade físicas e químicas diversas grupos funcionais Base energética e nutricional da cadeia trófica Importante para especiação de metais Precursores de combustíveis fósseis Controle 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 1960-70: Dissolvida x Particulada 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) DOM – membrana de 0.45 µm 97% CO na água do mar ocorre na fração dissolvida filtração não é recomendada O conteúdo de carbono é descrito como COD, sendo que o COD na água do mar varia entre 75-100 µM Bactérias heterotróficas são os principais consumidores DOM: cadeia alimentar microbiana e fluxo de C e energia Classificação da MO Matéria Orgânica Dissolvida (DOM) A maior parte do DOM reside no fundo dos oceanos resistente a biodegradação Matéria orgânica coloidal (CDOM): Alto peso molecular (HMW: >1000) 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) 9 Classificação da MO Matéria Orgânica Particulada (POM) POM – fração retida na membrana de 0.45 µm zona fótica: biomassa viva (microalgas) zona afótica: detritos de conchas, esqueletos de diatomáceas, pelets fecais, “neve marinha”..... mistura complexa de materia viva e detritos: variação de tamanho, forma e reatividade Volkman e Tanoue, 2002 Matéria Orgânica Particulada (POM) POM em suspensão mistura de detritos e biomassa viva (10:1) biomarcadores (clor a, carotenóides, ATP, DNA – biomassa viva) Fito Estrutura da comunidade: ciclagem e exportação de MO Estrutura básica: diversos grupos (e.g. algas verdes, diatomáceas) Diatomáceas de blooms (sazonal e espacial) Volkman e Tanoue, 2002 POM em suspensão Bactérias Bactérias heterotróficas: prod. secundária → ciclagem C 90% total do carbono biológico dominantes em aguas oligotróficas Bactérias aeróbicas: luz solar → energia até 20% total das bactérias (oligotróficos) não foi provado se elas fixam Cinor → ciclagem global do C Volkman e Tanoue, 2002 POM em suspensão Vírus Numericamente dominante Fração pouco significante na contribuição de MO Alça microbiana: DOM (fito) → POM (bactérias) → DOM (protistas e vírus) 3-26% COP da PP é reciclado por lise viral para COD infecção viral: declínio de blooms Pastagem por protistas: minimiza limitação por Fe Fe biodisponivel é gerado de Fe coloidal nos vacúolos dos protistas Volkman e Tanoue, 2002 POM em suspensão Neve Marinha Grandes agregados de matéria orgânica na superfície Mucilagem, cianobacterias, espécies autótrofas, detrítos Frágeis, degradados até os 1000m 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? 15 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 16 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 17 Fontes de Matéria Orgânica Alóctona e autôctona Fontes de Matéria Orgânica estuário Alóctonas: fonte externa 450 Rios e estuários 400 33 x 1012 COT Solos (subs. húmicas (70%) e material refratário) River 300 DOC (μM) 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 20 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 21 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 23 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) 24 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 25 Fontes de Matéria Orgânica 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 Autóctonas: COP: vivo (menos de 5% do TOC no oceano) fitoplancton – fotossíntese – 2 x 1016g C/ano Organismos microscópios de pequena mobilidade Diatomáceas: grupo dominante Cianobactérias, cocolitoforideos,... Estágios da produção primária 1. Absorção de luz por pigmentos fotosintéticos Clorofila a: duplas ligações, elétrons facilmente excitados pela absorção de luz 28 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 29 Composição do Fito • • • • 40% proteínas 40% carboidratos 15% lipídeos 5% ácidos nucléicos Variações: - aporte de nutrientes - idade - T°C - radiação 30 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 31 Fontes de Matéria Orgânica 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 Autóctonas: FONTE INTERNA POC: não vivo Detritos Organismos mortos Material fecal fito 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) Controvérsia: COD autóctono vs. alóctono Estima-se que entre 10-50% do COD seja de origem terrestre COMPORTAMENTO CONSERVATIVO LIGUININA Bauer et al., (2002) Dafner & Wangersky (2002) revisão! Composição da Matéria Orgânica Proteínas (amino ácidos) Auto e Alo Carboidratos Auto e Alo Lipídios Auto e Alo Pigmentos Auto e Alo Lignina Alo Ácidos Nucléicos Auto e Alo Composição da Matéria Orgânica POM: Hidrocarbonetos, ácidos graxos, carboidratos, lignina, detrítos Terrestre ou Marinha: N-alcanos (biomarcadores) C23-C35: terrestre C15-C21: marinho Acidos graxos (biomarcadores) C14-C36: terrestre C12-C24: marinho 36 Composição da Matéria Orgânica POM: Pequena parcela: biomassa viva Grande parcela: biomassa morta Partículas pequenas: maior parte do POM Partículas grandes: neve marinha/pelets fecais (cadeia alimentar) 37 Composição da Matéria Orgânica DOM (coluna d’água): COD: 95% do TOC no oceano 10-20% caracterizada Fração lábil DOM: lipídios, carboidratos, aminoácidos, pigmentos Organismos vivos POC→ DOC: Exudação do fito Excreção do zoo Mineralização da MO 38 Composição da Matéria Orgânica DOM (coluna d’água): Fração não caracterizada: material inerte, altamente refratário GELBSTOOF: macromoléculas do tipo material húmico e lignina Micro-camada superficial: sopa orgânica SCUMS Variedade de substâncias: POC, DOC, P, N, bactérias, DDT, PCB e metais 39 Referências Livros textos S. Libes (1992) An Introduction to Marine Biogeochemistry R. Chester (2000) Marine Geochemistry D.A. Hansel & C.A. Carlson (2002) Biogeochemistry of marine dissolved organic matter Para ir mais longe Volkman, J. & Tanoue, E. (2002) Journal of Oceanography V. 58, 265-279p. 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. 40
