Matéria Orgânica nos Oceanos. 1. Origem e classificação

Matéria Orgânica nos Oceanos

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?

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

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Fonte de MO para os oceanos

Fonte 1015 _{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

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Bomba biológica e PP

• Processos fisicos vs produção primária • Ausência da bomba biológica:

– Nitrato 33 mmol/m3

– Fosfato 2.1 mmol/m3

• As concentrações são <<<< nos oceanos

• Existem regiões com altos teores de nutrientes e baixa PP

Variabilidade ± 10% como a salinidade!

ƒ 1960-70: Dissolvida x Particulada

ƒ Filtros de fibra de vidro ou prata de 0,45μm

Classificação da MO

Particulada Coloidal Dissolvida colóides zoo Fito bactéria Vírus mm µm nm

peneiras filtros ultra filtros

peneiras moleculares

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

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)

Classificação da MO

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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)

Matéria Orgânica Particulada (POM)

ƒ POM – fração retida na membrana de 0.45 µm

ƒ

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

Classificação da MO

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)

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 C_inor → ciclagem global do C

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

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)

Kaiser et al, 2005

15 Fase gel

Verdugo, 2004

• 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?

16 • Formada min-horas • Microambientes na escala de nm – Reatividade química – Propriedades físicas – Biodisponibilidade

Fase gel

Mudanças (pH, força iônica, temperatura, etc.) no meio podem causar: - Alteração de tamanho, reatividade química, permeabilidade, densidade

17 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

Fontes de Matéria Orgânica

19 Salinity 0 5 10 15 20 25 30 35 DO C ( μM) 50 100 150 200 250 300 350 400 450 River Seawater

ƒ Alóctonas: fonte externa

Rios e estuários ƒ 33 x 1012 _COT ƒ Plantas (50% carboidratos, lipídios e material lábil de LMW – ac.fúlvicos)

ƒ Solos (subs. húmicas (70%) e material

refratário)

Millero, 2002

estuário

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• As concentrações de MPS controlam a

razão COD:COP

<

>

<

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Aportes fluviais de MO

• Descarga de água total: 35 x 103 _km3_/ano

– Variando de poucos m3_{/s – 200.000 m}3_{/s (Amazonas)}

• Aportes são dependentes:

– Tamanho da bacia de drenagem – Geologia

– Regime fluvial

– Natureza e uso do solo

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Zona COD

mg/L

Descarga de água Exportção do DOC

Km3_{/ano % total 10}6 _{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 Total 37,400 100 243.2 100 Leenheer, 1991

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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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•

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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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

ƒ

Autóctonas:

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

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,...

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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)

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Composição do Fito

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Composição do Fito

• Simplificação da fotossíntese: C, N e P

106CO

+ 16NO

_{+ 1HPO}

42-

+ 12H

O +

18H

_{→ C}

106

H

O

N

P + 138O

C:N:P: 106:16:1

Razão de Redfield

ƒ

Razão de Redfield:

razão estequiométrica para o fito/zoo é constante! (gde escala temporal)

Fontes de Matéria Orgânica

Matéria orgânica Oxigênio

C H O N P O₂ Redfield et al. 1963 106 263 110 16 1 138 Anderson 1995 106 164-186 26-59 16 1 141-161 Hedges 2002 106 177 37 17 0,4 154 Muito altas Aumenta o consumo

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ƒ

Autóctonas:

FONTE INTERNA

POC: não vivo

ƒ Detritos

ƒ Organismos mortos ƒ Material fecal

ƒ Agregados orgânicos

Fontes de Matéria Orgânica

fito

• Aglomerados de bactérias/detrítos

• Agregação de MO por ação de bolhas • Floculação

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!

Fontes de 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

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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

37 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)

38 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

39 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.