Ciclos biogeoquímicos. T.Boski & Carlos Rocha

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Francisco Franca Barros
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1 Ciclos biogeoquímicos T.Boski & Carlos Rocha

2 Introdução 1. 1º bloco: noções gerais, ciclo de carbono, campo. 2º bloco: ciclo de azoto e enxofre. Oxigénio. Trabalho de laboratório rio com os testemunhos recolhidos no campo. 2. Avaliação: seminário com apresentação de resultados. Submeter via a tboski@ual.pt antes do seminário em Volume máximo m 4páginas

3 Bibliografia Papers: muitos Livros: Pilson, M.E.Q., (1998) An introduction to the chemistry of the sea. Prentice Hall, Upper Saddle River, New Jersey, 431p. Schlesinger W.H., (1997) Biogeochemistry. An analysis of global Change. Academic Press, San Diego, London, 443p. Libes, S.M., (1992) An Inroduction to Marine Biogeochemistry. John Wiley & Sons, New York, 733p. Schulz, H. D., Zabel, M., (2000) Marine Geochemistry. Springer - Verlag, Belin, Heidelberg, New York, 455 p. Web...

4 Objectivos Dar a ideia o que são os reservatórios rios da superfície do nosso globo e o que são os fluxos entre estes reservatórios rios Aproximar a estimação de fluxos a base de medições

5 Biogeoquímica - Estudo de distribuição dos elementos químicos presentes em materia orgânica e dos fluxos destes elementos, entre reservatórios rios vivos e não vivos. Porque e como se faz? - - elucidação da historia de vida no nosso globo quantificação das alterações de meio ambiente global (oceano é o maior reservatório do C biologicamente reactivo que controla o CO2 atmosférico!) Avaliação do estado químico/trófico dum determinado ambiente/compartimento elucidação da formação de jazigos dos combustíveis fosseis

6 Níveis de estudo da matéria orgânica e seus componentes molecular-estrutural estrutural,, com objectivo de determinar as origens da matéria orgânica, sua diagénese e história térmica. t macromolecular,, com objectivo de obter informação genética basicamente através s dos componentes refractários rios como por exemplo RNA ribosomal. organismos inteiros e suas associações, com objectivo de construir sequência evolucionária e caracterizar paleoambientes. atómico mico-isotópico,, com objectivo de determinar transporte de massa, itinerário rio do transporte e cálculo c de reservatório rio

7 Ciclos biogeoquímicos - perspectiva histórica

8 Condições pre-bioticas na Terra Catiões dominantes (Na +, Mg 2+, and Ca 2+ ) e o anião (Cl - ) dominavam no oceano tal como hoje em dia. A atmosfera primitiva era constituída por uma mistura de gases de caracter redutor: N 2, CO 2, e H 2 O, com os vestigios de H 2, CH 4 and NH 4. O sol possuia a luminosidade 30% mais baixa do que a presente. O teor mais elevado de CO 2 em atmosfera primitiva mantinha a Terra quente (acima de 0 C pelo menos). (Os níveis presentes de CO 2 e H 2 O em atmosfera permitem manter a temperatura 30 C acima do que se esperava sem estes gases.)

9 A origem da vida Duas teorias alternativas: 1) Experiencia :Miller / Urey Água Marinha + atmosfera primitiva + faiscas simples compostos reduzidos. Fontes de energia podem ser diferentes, anoxia é obrigatória. Ponto fraco: metano 2) Fontes interplanetárias da MO (particulas de poeiras interplanetárias, condritos carbonáceos).

10 A origem da vida Pequenas quantidades dos compostos minerais - minerais argilosos podem ter jogado um papel fundamental, tornando mais provável a montagem dos compostos orgânicos mais complexos. Tomando em conta as abundâncias terrestres, a solubilidade em água aparece como a determinante final da composição da matéria viva. C,H,N,S,O e P constituem 95% dos biota P aparece como uma excepção, pois forma o anião (PO 4 3- ) que prontamente forma mineral insoluvel. Provavelmente sempre foi um elemento limitativo para desenvolvimento de biota

11 Evolução dos itinerários rios metabólicos Podmos classificar os organismos de acordo com o método de obtenção da energia(catabolismo) e carbono reduzido para síntese orgânica/formar células (anabolismo): 1. Métodos de obtenção/produção energética: Fotosíntese -- Fototrofia e.g.: fotosíntese óxica: 6 CO H 2 O C 6 H 12 O O 2 Oxidação/redução dos compostos inorgânicos -- litotrofia e.g.: oxidação de amonia: NH ½ O 2 NO H + + H 2 O Oxidação dos compostos orgânicos -- organotrofia e.g.: Glucose oxidation: C 6 H 12 O O 2 6 CO H 2 O 2. Método/fonte para obtenção do carbono (anabolismo): Gás carbónico -- autotrofia Compostos orgânicos -- heterotrofia

12 Estratégias metabólicas Autofototrofia Plantas verdes Cianobacterias Maior parte de algas Algumas bactérias verdes e púrpuras Autolitotrofia Bacterias metanooxidantes: 6 CH O 2 C 6 H 12 O H 2 O Bacterias oxidantes de hidrogénio Bacterias ferrooxidantes Heterofototrofia Bacterias nitrificadoras: NO ½ O 2 NO 3 - Maioria de bactérias verdes e púrpuras Algumas algas e cianobacterias Heterolitotropia Bacterias tioaxidantes Heteroorganotrofia Animais Maior parte de bacterias Fungos Protozoarios

13 Modos de respiração (Heteroorganotrofia) Geral: MO reduzida + oxidante CO 2 + oxidante reduzido + energia Modo de oxidação Oxidante Oxidante reduzido ΔG r (kj/mole) Oxidação aeróbica O 2 H 2 O Redução de manganês MnO 2 Mn Redução de nitrato HNO 3 N Redução de ferro Fe 2 O 3 Fe FeOOH Fe Redução de sulfato SO 2-4 S Metanogenese CO 2 CH 4-350

14 Evolução dos itinerários rios metabólicos Fermentação da MO por arquebactérias termo e halo- resistentes, desde há 3.8 Ga Fermentação de acetato: CH 3 COOH CO 2 + CH 4 (heteroorganotrofia) (uso de acetato ou outros compostos C-2 / C-3 de proveniência abiótica) Metanogenese, por redução de CO2 Redução de CO 2 : CO 2 + 4H 2 CH 4 + 2H 2 O autolitotrofia também conhecida dos ambientes profundos na actual crosta oceânica Sulfatoreducção desde há 2.4 Ga, isto é, a suficiente acumulação de sulfato em água 2H + + SO 4 2- H 2 S + 2CO 2 + 2H 2 O (heteroorganotrofia)

15 Evolution of Metabolic Pathways Fotosíntese anaeróbica conduzida por tiobaccili semelhantes a actuais b. Verdes e púrpuras. Gº com sulfureto mais negativo que com água! CO 2 + 2H 2 S + luz CH 2 O + 2S + H 2 O (autofototrofia) Photosíntese CO 2 + H 2 O + light CH 2 O + O 2 (autofototrofia) Água como substrato é inesgotávelse comparada com H2S A fotosíntes aeróbica começou ~ 3.5 Ga, mas a acumulação do livre O 2 na atmosfera não começou até a oxidação do Fe 2+ foi completada (~2 Ga). Glaciações. Os níveis de oxigénio actuais são alcançados ca 400 ma. Provavelmente o mais importante evento geoquímico

16 Evolução dos itinerários rios metabólicos Autolitotrofia Aerobia H + é produzido e utilizado para a redução fixação do CO 2 na MO. Esse proceso requere a presença de O 2. Oxidação de enxofre: 2S + 2H 2 O + 3O 2 2SO H + Nitrificação: 2NH O 2 2NO H 2 O + 4H + 2NO 2- + O 2 2NO - 3 Nitrito Nitrato Denitrificação 5CH 2 O + 4H + + 4NO - 3 2N 2 + 5CO 2 + 7H 2 O (organoheterotrofia) Esse itinerário desenvolveu-se na presença deo 2, em função da necessidade de nitrato produzido em reacçõ precedente. O enzima envolvido não é destruido por O 2, mas meramente desactivado: a maior parte de desnitrificadores passam a respiração anaerobia (organoheterotrofia) quando O 2 é presente.

17 Principais isótopos estáveis aplicados em cíclosclos biogeoquímicos Elemento Isóto topo M [amu] Abundância ânciac ia[%] Hidrogénio 1 1 H M rel [%] 2 1 H (D) Carbono 12 6 C C Azoto 14 7 N N Oxigénio 16 8 O ( 18 O 16 O) 17 8 O O Enxofre S ( 34 S 32 S) C C C

18 13 C Origem da MO em função de 13 T M Schulz e Zabel, 2000

19 HISTORIA DA ATMOSFERA TERRESTRE N 2 CO 2 H 2 O Formação do oceano CO 2 Dissolve-se O 2 O 2 alcança niveis actuais Desgasificação Vida forma-se nos oceanos Início da fotosíntese 4.5 Ga B.P 4 Ga B.P. 3.5 Ga B.P. 0.4 Ga B.P. presente

20 Matriz de reacções redox envolvidas e processos metabólicos

21 Fluxos e reservatórios rios - tempo geológico gico

22 Fluxos e reservatórios rios - tempo geológico gico

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