Qual é o destino da MO?

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1 Qual é o destino da MO? Matéria orgânica nos oceanos CO produzido na zona fótica é consumido pelo zoo e bactérias heterotróficas nas águas superficiais e regenerado a CO 2, NH 4+, PO 3 2- pela respiração 3. Destruição 2H 2 O + CO 2 + luz + nutrientes Cla (CH 2 O) + H 2 O + O 2 Alça microbiana/pp regenerada Destino da maior parte da MO na escala de décadas Produtores Consumidor 1 Consumidor 2 O oceano é sumidoro ou fonte de C? Ainda não temos certeza desta resposta Fótica: Oligotróficos: respiração > produção respiração = produção Remineralização C, N e P Taxa metabólica: respiração PPL restringe a produção de biomassa de heterotróficos Falkowski, 2004 (Biogeochemistry) Correlação positiva: respiração e produção em grandes escalas Pequena escala ainda é um problema... Giorgio e Duarte,

2 Intermediárias: m Respiração decresce abaixo da zona fótica Termoclina: gradientes físico-químicos Zona de mineralização de MO Reabastecimento da zona fótica Respiração integrada m % respiração da zona fótica Águas de fundo: >1000m Baixo consumo de O 2 Difícil medição 45% represente a respiração bentônica Zooplâncton Estimativas 1-50% respiração oceanos Região Profundidade Método estimação Vertebrados Poucos dados <1% (eficiência de 10% a cada nível trófico) Giorgio e Duarte, 2002 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 CO 2 Aumento de R ou diminuição de PP?????? Respiração: extremamente dependente de T Produção e Respiração Componente Baixa (Gt C/ano) Alta (Gt C/ano) Média (Gt C/ano) Respiração Zona fótica (± 5) Mesopelágica ,5 (± 15) interior (1000m + sed) 1,3 1,6 1,5 Zoo 1,5 4,5 3 Vertebrados 0,01 Respiração total 55,8 76,1 66 Carga de MO Prod primária ( 14 C) oc. aberto Prod. Total 41, ,2 Import. zona costeira Carga atmosférica MO antiga 0,5 0,5 0,5 Total de cargas 50,9 86,5 68,7 Exportação e PP Suess, 1980 <6 Emerson et al <11 Sambrotto et al., Falkoski et al., Giorgio e Duarte, ,8 27,5 Giorgio e Duarte,

3 grandes escalas temporais: PP é balanceada pela respiração planctônica. Pequenas escalas temporais: R planctônica na zona fótica pode influenciar a troca CO 2 -oceano Décadas: R em águas intermediárias pode contribuir com o CO 2 atmosférico (circulação termohalina) Respiração altamente influenciada pela T Um cenário com exportação de MO... atm superfície MO (detritos, pelets fecais, etc.) vai afundar e decompor na água de fundo neve marinha Exportação da produção Bomba biológica: transfere CO 2 e nutrientes da água superficial para água de fundo. O CO 2 é sequestrado permanentemente? Não, mas é um ciclo de 1000 anos regulado pela circulação termohalina Neve Marinha no Mar Adriático Fluxo de exportação de MO Neve marinha Fluxo de C da zona fótica: Exportação da PP 5-10% C fixado/ano Altas lat. e ressurgências pode representar até 50% Carbono Inorgânico dissolvido µmol/kg C- real Oceano Pacífico Organimos vivos, detritos, MP gerado de processos físicoquímicos Mineralização: enriquecer o fundo do oceano em CI (200 µm) Bomba biológica: steady-state de CO 2 na atm A- Pré-industrial 280 µmol/mol B µmol/mol Kaiser et al, 2005 Falkowski, 2004 (Biogeochemistry) 3

4 Bomba biológica: Steady-state de CO 2 atm Gradiente vertical de CI oceano 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) Prod, Deg e Rres. MO Mas o que acontece com o DOM? 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) Natureza do DOM Fonte: Terrestre? Lábil Refratário Lábil - antigo - novo - pobre em nutrientes - pobre em nutrientes relativo a Redfield - extremamente rico em C -rico em C relativo a Redfield 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 CO 2 Aumentar a decomposição do DOM refratário Decrescer o sequestro de CO 2 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

5 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; Assim, cargas de N e P induzem uma exportação de DOC maior do que a previamente estimada por Redfield. Destruição da MO Degradação da MO vai causar consumo de O 2? - C e N em organismos vivos: formas reduzidas [106(CH 2 O) 16NH 3 1PO 2-4] + 138O 2 106CO H 2 O + 16NO 3- + PO H + Formas Formas mineralizadas são oxidadas depleção de oxigênio Zona de oxigênio mínima: Abaixo da zona fótica ( m) Demanda de O 2 > aporte Alta concentração de CO 2 e nutrientes Intensidade: tempo de residência e produtividade Distribuição do O 2 (µmol/kg) Oxigênio nas ZOM Zonas de ressurgência Alta produtividade World Ocean Atlas

6 Remineralização: impacto no O 2 e nutrientes Remineralização: impacto no O 2 e nutrientes Remineralização inverso da fotossíntese N:P estequiometria Adição (fixadores) Retirada de nitrato (denitrificação) - Denitrificação???? - Processo na superfície - O:P 150:1-0 2 pré-formado - comportamento conservativo (S) - Circulação termohalina Todas as prof. Sarmiento e Gruber, 2004 Sarmiento e Gruber, 2004 Mas o que ocorre no sedimento? Mas o que ocorre no sedimento? Destino depende: Taxa de enterramento Quantidade de O 2 nos sedimentos e na água intersticial Aeróbio O 2 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

7 Aeróbio Materiais + lábeis: consumo rápido Resíduos: refratários Material solúvel difunde para a coluna d água Tamanho de grão: Aporte de O 2 e circulação de água Aporte de MO Bioturbação Demanda de O 2 > disponível: anoxia na interface água-sedimento Bactéria estritamente aeróbias param as atividades Decomposição Anaeróbica Mineralização continua em taxas mais lentas Bactérias anaeróbicas Aerotolerantes (Lactobacillos) Facultativas Obrigatoriamente anaeróbias Macromoléculas moléculas mais simples Hidrólise e fermentação Remineralização é finalizada por: Bactérias denitrificantes e sulfato redutoras Ciclo de produção/decomposição Decomposição anaeróbia Ausência de O 2 : Agentes oxidantes: Mn (IV), Nitrato e Fe (III), sulfato e bicarbonato Liberam menos energia Denitrificação, sulfato redução, metanogênese Werne et al.,

8 Decomposição anaeróbia Denitrificação: Inicia logo após a exaustão de O 2 : CO 2, H 2 O 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, C 1, CO 2 e H 2 são importantes substratos A dependência de um grupo de bactérias nos sub-produtos dos outros é uma feição da comunidade bacteriana. - fotossintetizante, quimiosintetizante e decompositoras 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 8

9 O 2 Utilizado Denitrificação Mn 4+ redução Fe 3+ redução SO 2-4 redução CO 2 redução Mecanismo de decomposição Respiração heterotrófica Bactérias denitrificantes usando nitrato na oxidação da MO Bactérias obrigatoriamente anaeróbias, usam energia da fermentação Bactéria usa sulfato na oxidação da MO Redução de CO 2 quando H+ é disponível como sub-produto da fermentação) Referências 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