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•1
Matéria orgânica nos oceanos
3. Destruição
CO produzido na zona fótica é consumido pelo zoo e bactérias heterotróficas nas águas superficiais e regenerado a CO2, NH4
+, PO32- pela respiração
2H2O + CO2 + luz + nutrientes Cla (CH2O) + H2O + O2
Alça microbiana/PP regenerada
Qual é o destino da MO?
Destino da maior parte da MO na escala de décadas
• Taxa metabólica: respiração• PPL restringe a produção de biomassa de heterotróficos
Produtores
Consumidor 1°
Consumidor 2°
RemineralizaçãoC, N e P
Falkowski, 2004 (Biogeochemistry)
O oceano é sumidoro ou fonte de C?
• Ainda não temos certeza desta resposta
• Fótica:– Oligotróficos: respiração > produção
respiração = produção
• Correlação positiva: respiração e produção em grandes escalas
• Pequena escala ainda é um problema...
Giorgio e Duarte, 2002
•2
• Intermediárias: 150 - 1000m– Respiração decresce abaixo da zona fótica
• Termoclina: gradientes físico-químicos– Zona de mineralização de MO– Reabastecimento da zona fótica
• Respiração integrada 150 - 1000m– 30-130% respiração da zona fótica
Giorgio e Duarte, 2002
• Águas de fundo: >1000m– Baixo consumo de O2– 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
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 CO2
• Aumento de R ou diminuição de PP??????– Respiração: extremamente dependente de T
Produção e RespiraçãoComponente Baixa (Gt C/ano) Alta (Gt C/ano) Média (Gt C/ano)
Respiração
Zona fótica 32 42 37 (± 5)
Mesopelágica 21 28 24,5 (± 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 MOProd primária (14C) oc. aberto 28 52 40
Prod. Total 41,4 77 59,2
Import. zona costeira 6 6 6
Carga atmosférica 3 3 3
MO antiga 0,5 0,5 0,5
Total de cargas 50,9 86,5 68,7
Exportação e PPSuess, 1980 <6
Emerson et al. 1997 <11
Sambrotto et al., 1993 15
Falkoski et al., 1998 16
Giorgio e Duarte, 2002 23 31,8 27,5
Giorgio e Duarte, 2002
•3
� grandes escalas temporais: PP é balanceada pela respiração planctônica.
� Pequenas escalas temporais: R planctônica na zona fótica pode influenciar a troca CO2-oceano
� Décadas: R em águas intermediárias pode contribuir com o CO2 atmosférico (circulação termohalina)
� Respiração altamente influenciada pela T
Um cenário com exportação de MO....
superfície
atm
MO (detritos, pelets fecais, etc.) vai afundar e decompor na água de fundo “neve marinha”
• Bomba biológica: transfere CO2 e nutrientes da água superficial para água de fundo.
• O CO2 é sequestrado permanentemente?
• Não, mas é um ciclo de 1000 anos regulado pela circulação termohalina
Exportação da produção
Neve Marinha no
Mar Adriático
• Organimos vivos, detritos, MP gerado de processos físico-químicos
Kaiser et al, 2005
Fluxo de exportação de MO
Falkowski, 2004 (Biogeochemistry)
� “Neve marinha”� Fluxo de C da zona fótica:
Exportação da PP� 5-10% C fixado/ano� Altas lat. e ressurgências
pode representar até 50%
� Mineralização: enriquecer o fundo do oceano em CI (200 µM)
B- 1995
360 µmol/mol
A- Pré-industrial
280 µmol/mol
C- real
Oceano Pacífico
Carbono Inorgânico dissolvido
µmol/kg
Bomba biológica:
steady-state de CO2 na atm
•4
� Bomba biológica:� Steady-state de CO2 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)
(Hopkinson e Vallino, 2005)
Refratário- antigo
- pobre em nutrientes
- extremamente rico em C
Lábil- novo
- pobre em nutrientes relativo a Redfield
-rico em C relativo a Redfield
Fonte:
Autótrofos e heterotróficos
Fonte:
Terrestre? Lábil
Natureza do DOM
Atenção!
• Mudanças globais podem induzir a exportação do DOM lábil (Aumento da temperatura, estratificação dos oceanos)– Aumentar a habilidade do oceano sequestrar CO2
• Aumentar a decomposição do DOM refratário– Decrescer o sequestro de CO2
• Desequilíbrio entre estequiometria de produção do DOM lábil e decomposição do DOM refratário (199:20:1 vs3511:202:1)
(Hopkinson e Vallino, 2005)
•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.
� Degradação da MO vai causar consumo de O2?- C e N em organismos vivos: formas reduzidas
[106(CH2O) 16NH31PO2-4] + 138O2
106CO2 + 122H2O + 16NO3- + PO2-
4 + 16H+Formas
Formas mineralizadas são oxidadas → depleção de oxigênio
� Zona de oxigênio mínima:� Abaixo da zona fótica (300-1500m)� Demanda de O2 > aporte� Alta concentração de CO2 e nutrientes� Intensidade: tempo de residência e produtividade
Destruição da MO
Distribuição do O2 (µµµµmol/kg)
Zonas de ressurgência Alta produtividade
Oxigênio nas ZOM
World Ocean Atlas 1998
•6
Remineralização: impacto no O2 e nutrientes
• Remineralização inverso da fotossíntese
• N:P estequiometria
– Adição (fixadores)
– Retirada de nitrato (denitrificação)
Sarmiento e Gruber, 2004
Todas as prof.
Remineralização: impacto no O2 e nutrientes
- Denitrificação????- Processo na superfície
- O:P 150:1- 02 pré-formado
- comportamento conservativo (S)- Circulação termohalina
Sarmiento e Gruber, 2004
Mas o que ocorre no sedimento?
� Destino depende:� Taxa de enterramento� Quantidade de O2 nos sedimentos e na água
intersticial
Mas o que ocorre no sedimento?
Aeróbio� O2 suficiente:
� A decomposição é um processo rápido
� MO: bentos detritívoro (comedores de depósitos)
� Resíduos e os produtos metabólicos: decompositoresaeróbios heterotróficos (bactéria e fungo)
•7
Aeróbio
� Materiais + lábeis: consumo rápido
� Resíduos: refratários
� Material solúvel difunde para a coluna d’água
� Tamanho de grão:� Aporte de O2 e circulação de água� Aporte de MO� Bioturbação
� Demanda de O2 > 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
Werne et al., 2002
Decomposição anaeróbia
� Ausência de O2:� Agentes oxidantes: Mn (IV), Nitrato e Fe (III),
sulfato e bicarbonato
Liberam menos energia
Denitrificação, sulfato redução, metanogênese
•8
Decomposição anaeróbia
� Denitrificação:
� Inicia logo após a exaustão de O2: CO2, H2O 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, C1, CO2 e H2 são importantes substratos
A dependência de um grupo de bactérias nos sub-produtosdos outros é uma feição da comunidade bacteriana.- fotossintetizante, quimiosintetizante e decompositoras
• 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
Decomposição anaeróbia
•9
O2 Utilizado
Mecanismo de decomposição
Respiração heterotrófica
Denitrificação Bactérias denitrificantesusando nitrato na oxidação
da MO
Mn4+ redução
Fe3+ redução
Bactérias
obrigatoriamenteanaeróbias, usamenergia da fermentação
SO42- redução Bactéria usa sulfato na
oxidação da MO
CO2 redução
Redução de CO2 quando H+ é disponível como sub-produto da
fermentação)
ReferênciasLivros 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 BiochemicalDynamics�Baldock, et al. (2004) Marine Chemistrty V. 92, 39p.� Giorgio & Duarte (2002) Nature V. 420, 379p.�Hopkinson & Vallino (2005) Nature V. 433, 142p.
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