Matéria Orgânica nos Oceanos. 1. Origem e classificação

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1 Matéria Orgânica nos Oceanos 1. Origem e classificação

2 Introdução Definição da MO Classificação Fontes Composição Tópicos da aula 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?

3 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

4 Fonte de MO para os oceanos Fonte gc/ano % total Produção Primária Fitoplancton 23,1 84,4 Macrófitas 1,7 6,2 Carga líquida Rios + Subterrânea 1,08 3,95 Carga atmosférica Chuva 1,0 3,65 Deposição seca 0,5 1,8 4

5 Bomba biológica e PP Processos fisicos vs produção primária Ausência da bomba biológica: Nitrato 33 mmol/m 3 Variabilidade ± 10% Fosfato 2.1 mmol/m 3 como a salinidade! As concentrações são <<<< nos oceanos Existem regiões com altos teores de nutrientes e 5 baixa PP

6 Classificação da MO : Dissolvida x Particulada Filtros de fibra de vidro ou prata de 0,45μm Particulada Coloidal Dissolvida mm µm nm zoo Fito bactéria filtros peneiras colóides Microalgas/detritos Vírus ultra filtros peneiras moleculares

7 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 µm Bactérias heterotróficas são os principais consumidores DOM: cadeia alimentar microbiana e fluxo de C e energia

8 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)

9 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 μ m c. Maiores para MO terrestre (C/N > 15) 3. Composição pode ser usada como indicativo de fonte (Biomarcadores) 9

10 Volkman e Tanoue, 2002 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

11 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

12 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 C inor ciclagem global do C

13 Volkman e Tanoue, 2002 Vírus POM em suspensão 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

14 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

15 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

16 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

17 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

18 Fontes de Matéria Orgânica Alóctona e autôctona

19 Fontes de Matéria Orgânica Alóctonas: fonte externa 450 estuário Rios e estuários x COT Plantas (50% carboidratos, lipídios e material lábil de LMW ac.fúlvicos) DOC (μm) River Seawater Solos (subs. húmicas (70%) e material refratário) Salinity 19 Millero, 2002

20 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

21 Aportes fluviais de MO Descarga de água total: 35 x 10 3 km 3 /ano Variando de poucos m 3 /s m 3 /s (Amazonas) Aportes são dependentes: Tamanho da bacia de drenagem Geologia Regime fluvial Natureza e uso do solo Qde/qualidade MO 21

22 Zona COD mg/l Descarga de água Exportção do DOC Km 3 /ano % total 10 6 t/ano % total Tundra 2 1, Taiga 7 4, Temperado 4 10, Tropical úmido 8 19, Tropical seco 3 2, Semi-árido Total 37, Leenheer, 1991

23 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

24 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

25 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, gc/ano (semelhante a carga fluvial 4, gc/ano) - bolhas: gde parte da deposição atm é reciclada 25

26 Fontes de Matéria Orgânica Autóctonas: FONTE INTERNA Organismos autotróficos: transformadores Reduzem o CO 2 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 CO H 2 O + nutrientes => C 6 H 12 O O 2

27 Fontes de Matéria Orgânica Autóctonas: COP: vivo (menos de 5% do TOC no oceano) fitoplancton fotossíntese 2 x g C/ano Organismos microscópios de pequena mobilidade Diatomáceas: grupo dominante Cianobactérias, cocolitoforideos,...

28 Estágios da produção primária 1. Absorção de luz por pigmentos fotosintéticos Clorofila a: duplas ligações, elétrons facilmente excitados pela absorção de luz 28

29 Estágios da produção primária 2. Conversão para energia química (ADP, ATP e NADP), através de reações envolvendo o citocromo: 4NADP + 2H 2 O +2ADP + 2P O 2 + 2ATP + 4NaDPH 3. Assimilação do CO 2 usando o NADPH e ATP produzindo carboidratos (escuro) CO 2 + 4NADPH + ATP CH 2 O+ H 2 O + 2NADP + ADP + P 29

30 Composição do Fito 40% proteínas 40% carboidratos 15% lipídeos 5% ácidos nucléicos Variações: -aporte de nutrientes - idade -T C -radiação 30

31 Composição do Fito Simplificação da fotossíntese: C, N e P 106CO NO HPO H 2 O + 18H + C 106 H 263 O 110 N 16 P + 138O 2 C:N:P: 106:16:1 Razão de Redfield 31

32 Fontes de Matéria Orgânica Razão de Redfield: razão estequiométrica para o fito/zoo é constante! (gde escala temporal) Matéria orgânica Oxigênio C H O N P O 2 Muito altas Redfield et al Anderson Hedges ,4 154 Aumenta o consumo

33 Fontes de Matéria Orgânica Autóctonas: FONTE INTERNA POC: não vivo Detritos Organismos mortos Material fecal Agregados orgânicos fito Aglomerados de bactérias/detrítos Agregação de MO por ação de bolhas Floculação Adsorção de COD em partículas 33

34 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!

35 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

36 Composição da Matéria Orgânica POM: Hidrocarbonetos, ácidos graxos, carboidratos, lignina, detrítos Terrestre ou Marinha: N-alcanos (biomarcadores) C 23 -C 35 : terrestre C 15 -C 21 : marinho Acidos graxos (biomarcadores) C 14 -C 36 : terrestre C 12 -C 24 : marinho 36

37 POM: Composição da Matéria Orgânica Pequena parcela: biomassa viva Grande parcela: biomassa morta Partículas pequenas: maior parte do POM Partículas grandes: neve marinha/pelets fecais (cadeia alimentar) 37

38 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

39 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

40 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, p. 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