proxies orgânicos : isótopos estáveis do carbono & nitrogênio

ProxiesProxies orgânicos orgânicos::

Isótopos estáveis do Isótopos estáveis do Carbono & NitrogênioCarbono & Nitrogênio

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Abertura e descrição dos testemunhos

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Carta de Munssel Medidas de densidade

1- peso cubo2 - peso cubo + sedimento úmido3 - secagem 40C / 72 horas4 - peso sedimento seco5 - d.a. = massa(g)/cm3

ORGÂNICOS

MINERAIS

Carbono Orgânico Total (COT)

Nitrogênio Orgânico Total (NT)

Palinofácies

Razão Isotópica (δ¹³C e δ¹5N)

Razão C:N

Mineralogia por FTIR

Difratometria de Raio X

Granulometria

Datação Radiocarbônica

GEOCRONOLÓGICO

Total de matéria orgânica no ambiente (aporte)

Principal fonte da m. o. (marinha ou terrestre)

δ¹³C: distinção entre fonte marinha e terrestre e entre tipos de vegetais terrestres;

δ¹5N: estado de degradação da m. o. e disponibilidade de nitrogênio no ambiente.

Principal fonte da m. o. (marinha ou terrestre)

Identificação dos minerais presentes na matriz sedimentar

Proporção entre os minerais : aporte continental (clástico) e marinho (biogênico)

Hidrodinamismo e padrões de sedimentação local

Contextualização dos dados em uma escala temporal

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Marcadores OrgânicosA fração orgânica dos sedimentos compreende:

1) M.O produzida e depositada no próprio ambiente deposicional (autóctone);

2) M.O produzida fora do ambiente deposicional e posteriormente transportada (alóctone);

A matéria orgânica sedimentar pode ser estudada no conjunto (“Bulk”) ou em

determinadas frações específicas (ex: traçadores moleculares)

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Marcadores Orgânicos

Dentre os marcadores “Bulk” temos:

• Teores e fluxos de COT, NT, etc..

• Razões C:N

1) Isótopos estáveis da M.O (13C, 15N)

2) Palinofácies (caracterização da MO refratária)

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Teores e Fluxos de COT, NTTeores e Fluxos de COT, NTO teor de COT tem sido reportado como um proxy direto da produção orgânica. No entanto, nem sempre o é.

O conteúdo de COT pode aumentar simplesmente devido ao aporte erosional.Para tanto, a razão C:N permite avaliar a origem da matéria orgânica depositada.

A descarbonatização prévia deve ocorre quando necessário

(HCl 0,1N até fim da reação)

Cálculo de fluxo – minimiza os efeitos decorrentes das diferenças de taxas de sedimentação

g/cm g/cm2.ano-1

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Razão C:NRazão C:N

A Razão C:N nos informa a respeito da origem e do grau de degradação da matéria orgânica depositada.

Valores das razões C:N:

(1 e 10) tipicamente algais (autóctone)

Matéria orgânica bem preservada (lábil)

(20 e 50) tipicamente de vegetação vascular (autóctone ou alóctone)

Matéria orgânica degradada (refratária)

(Meyers, 1994)

ORGÂNICOSCOT, NT e razão CN

1. Descarbonatação – retirada de CaCO³ por reação a frio com HCl a 1N;

2. Secagem, maceração e pesagem em capsulas de estanho para análise em CHN; quando o aparelho CHN é acoplado a um espectrômetro de massa é possível fazer também a medição da razão isotópica das amostras (δ¹³C e δ¹5N).

3. Tratamento dos dados: conversão para porcentagem (COT e NT) e cálculo da razão C:N

Name Micro g N DeltaAir Micro g C DeltaPDB

CHECK 105,1 1,33 398,5 -24,42

CHECK 104,1 1,30 400,3 -24,45

Albuquerque A1 19,1 2,96 152,2 -21,50

Cabo Frio-2006 A2 28,5 5,54 231,3 -21,31

A3 27,9 5,09 227,1 -21,37

A4 27,4 5,25 225,8 -21,38

A5 28,5 5,65 234,3 -21,43

A6 25,3 5,60 210,8 -21,34

A7 25,4 5,43 209,9 -21,32

A8 23,0 5,14 192,0 -21,26

A9 21,4 5,54 179,5 -21,37

A10 19,0 5,22 161,7 -21,27

A11 20,6 1,38 159,9 -21,19

A12 19,7 4,21 161,9 -21,19

ORGÂNICOS

COT (%) = (((Cµg x 0,000001)/1) x 100)

Massa (g)

COT, NT e razão C:N

Razão C:N

Algas : entre 4 e 10

Plantas vasculares (terrestres): acima de 20

Por quê?

(1) Presença de celulose em plantas vasculares e ausência em algas;

(2) Maior proporção de compostos nitrogenados na m. o. algal;

* A degradação parcial do material orgânico algal durante a sedimentação pode elevar a razão, porém, ainda é possível distinguir entre as diferentes fontes do material orgânico total analisado.

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Dentre os isótopos estáveis de interesse ambiental mais importantes, temos: C, H, O, N, e S, os quais têm dois ou mais isótopos estáveis, sendo um deles com grande abundância natural em relação aos demais.

Dentre os isótopos estáveis úteis como “proxy” da matéria orgânica em estudos paleoambientais, o carbono 13C/12C e o 15N/14N são os mais aplicados, pois são elementos presentes em diversos reservatórios da Terra, como: atmosfera, oceanos, e, especialmente, na biosfera. Estes elementos têm seus isótopos pesados (13C e 15N) com abundâncias naturais representando cerca de ~1% ou menos da abundância dos isótopos leves (12C e 14N), o que os torna bons marcadores de fonte (origem da m.o.).

Média das Abundâncias Terrestres dos isótopos estáveis de maior interesse ambiental (%): Hidrogênio - 1H 99.985 2H 0.015Carbono - 12C 98.89 13C 1.11 Nitrogênio - 14N 99.63 15N 0.37 Oxigênio - 16O 99.759 17O 0.037 18O 0.204 Enxofre - 32S 95.00 33S 0.76 34S 4.22 36S 0.014

Aspectos Gerais do Uso dos Isótopos Estáveis

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Estudos que utilizam os isótopos estáveis como “proxy” em geral utilizam os seus delta (δ), ou seja, um valor dado em partes por mil ("o/oo"). Valores delta (δ) não representam as abundâncias absolutas dos isótopos, mas sim as diferenças de abundâncias entre uma dada amostra e um certo padrão (arbitrário) – o qual tem como abundância arbitrária padrão, delta = zero (i.e., ar para N, δ15N = 0.3663033; carbonato Pee Dee Belemnite para δ13C = 1.1112328).

A razão de isótopos absoluta (R) são as medidas da razão isótopo pesado/leve (menos abundante/mais abundante) em amostras e/ou padrões, enquanto que os valores δ (delta) são os valores relativados (em relação do padrão).

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Isótopos e seus Padrões Internacionais

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Fracionamento Isotópico Isótopos do mesmo elemento fazem parte das mesmas reações químicas (etapas dos ciclos biogeoquímicos). No entanto, devido ao diferente tamanho dos átomos e da diferença das massas destes isótopos, possuem taxas de reação diferenciada – EFEITO CINÉTICO.

Processos físicos, como a evaporação, por exemplo, discriminam sempre contra os isótopos mais pesados (fracionamento físico-quimico); enquanto que enzimas (fracionamento enzimático) não apresentam tendência de discriminação fixa. Assim, a discriminação enzimática depende, essencialmente, da cinética das reações envolvidas, produzindo produtos que podem ser tanto isotopicamente mais leves ou mais pesados que seus precursores.

Exemplos:Isótopos do Carbono:

Os valores naturais de δ13C para compostos biológicos podem variar de 0 o/oo a ~ -110o/oo, em relação ao padrão Pee Dee Belemnite (PDB).

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O fracionamento biológico do carbono durante a fotossíntese depende das reações (tipo do ciclo fotossintético seguido), assim:

As plantas do metabolismo fotossintético de Calvin-Benson – chamadas plantas C3 -, fracionam o carbono de uma forma diferente das plantas que seguem o metabolismo conhecido como C4 (Hatch-Slack). Ambos os ciclos fotossintéticos diferem ainda das plantas CAM.

As diferenças na razão 13C/12C resultantes destes metabolismos podem ser muito úteis para distinguir entre as plantas C3, C4 e CAM.

Uma vez, que existe uma relação entre a abundância destes metabolismos e os ambientes em que vivem, pode-se utilizar a δ13C da matéria orgânica como um indicador do tipo de vegetação (inclusive no passado).

Aplicação em Cadeias Alimentares:

Os tecidos de qualquer organismo (consumidor) reflete a composição isotópica das plantas do início do elo trófico. Assim, os isótopos de carbono podem ser também muito úteis para traçar cadeias tróficas.

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Fracionamento Assimilatório Isotópico do Carbono

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Isótopos estáveis: 14N - 99.64%

15N - 0.36%

Razão 15N/ 14N na atmosfera constante ≅ 0.2 ‰

Padrão isotópico para δ15N

Isótopos do Nitrogênio:

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Fracionamento Isotópico

Definição: pequena variação nas propriedades físicas e químicas dos isótopos, e é proporcional à diferenças de suas massas;

Determinação da composição isotópica (δ15N), definida como:

Composição isotópica absoluta x Composição isotópica relativa;

Equipamento utilizado para análises de δ15N;

Contaminação por CO

δ15N = (15N/14N)amostra - (15N/14N)padrão x 103

(15N/14N)padrão

Valores expressos em ‰

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• A atmosfera como reservatório de nitrogênio;

• Origem e fontes naturais de nitrogênio;

• Estados de valência do nitrogênio e suas formas:

O que torna seu ciclo muito complexo !!!

NO3- Nitrato

NO2- Nitrito

NH3 Amônia

NH4+ Íon amônio

N2O NONO2

Óxido nitroso Óxido nítrico

Dióxido de nitrogênio

N2 Nitrogênio molecular

Nitrogênio orgânico dissolvido

Peptídeos, purinas, aminas, Aac, etc.

Nitrogênio orgânico

particulado

Bactérias, fitoplâncton, zooplâncton e detritos

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Importância do Nitrogênio em Ecossistemas Aquáticos

Disponibilidade N

Ambiente reduzido

Ambiente oxidante

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Fracionamento Isotópico nas Etapas do Ciclo do Nitrogênio

Amonificação

Δ ≅ - (5 a 7)‰ (Focht, 1973)

NH4+ = ↓ 15N e MOr = ↑ 15N

Fixação Biológica

Δ ≅ -1‰

(Amarger et al,1977)

Nitrificação

Δ ≅ - (5 a 21‰)

(Myiake e Wada, 1971)

NO3- = ↓ 15N e NH4

+ = ↑ 15N

Δ Assimilatório

↓15N (Meints et al, 1975)

ƒ [N] → o grau de discriminação

Efeito cinético complexo

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Variação de δ15N em materiais naturais

Brownlow, 1996

Nitrogênio atmosférico

Água do mar (NH4+, NO3

-, N2)

Organismos marinhos

Organismos terrestres

Gás natural

Rochas magmáticas

óleo

-30 -20 0-10 +10 +20 +30

-30 -20 0-10 +10 +20 +30

δ15N

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Estudos de Caso

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Aplicação de δ15N em regiões de ressurgência

- Holmes et al, 2002: Variabilidade sazonal de δ15N do material particulado na região de ressurgência de Benguela.

- Objetivo: sinal isotópico de material particulado é controlado pelas mudanças nos níveis de nitrato da superfície da água, e são correlacionados com as variações da produtividade.

- Área de estudo: ressurgência mais intensa ocorre durante inverno-primavera.

* condições de ressurgência - ↑ fluxo de partículas = Baixo sinal de δ15N (2.5‰)

* condições de não-ressurgência - ↓ fluxo de partículas = Alto sinal de δ15N (2.5‰)

* distribuição da clorofila mostra que variações na produtividade coincide com

mudanças de δ15N.

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Fatores que controlam a composição isotópica da

matéria orgânica em sistemas aquáticos

Disponibilidade

de nutrientesEscasso - ↑δ15N

Abundante - ↓δ15N

Fixação-N

↓δ15N

Fonte

terrígeno

marinho

Advecção = ↑δ15N

Ressurgência = ↓δ15N

Natural

↓δ15N

Antrópico

↑δ15N

Diagênese - pode modificar

a composição isotópica

Taxa de sedimentação

alta – ↓δ15N baixa - ↑δ15N

Condições ambientais

fixação / nitrificação / assimilação – ↓δ15N

amonificação / denitrificação –↑δ15N

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- Voss et al., 2000 : Estudo dos sinais de isótopos estáveis em sedimentos eutrofizados em Estuários do Mar Báltico

- amostragem espaço-temporal;

- gradientes estuarinos isotópicos crescem, naturalmente, em direção ao mar:

Fonte terrígena:

N2 (0‰) e CO2 (-7‰)

Fonte marinha:

nitrato (4-6‰) e bicarbonato (0‰)

- Influências antrópicas alteram o sinal isotópico do N

Objetivo: investigar a distribuição de δ15N e δ13C nos sedimentos dos estuários do Mar Báltico, e verificar se a recente elevação dos sinais é restrita ou abrangente.

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- Altos valores (Oder River) – alto tempo de residência da água, denitrificação e assimilação de nitrato com alto sinal de δ15N;

- Valores mais baixos (Gulf of Bothnia) – partículas suspensas de rios adjacentes aos suíços com baixo sinal isotópico (fracionamento isotópico).

Hoje 50 anos AP

100 anos AP Δ (100 anos) δ 15N

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Conclusão:

- O aumento de nutrientes e da produção primária são indicados pelo aumento simultâneo de δ13C e δ15N (prof./idade);

- Alterações antropogênicas podem causar mudanças na assinatura de δ15N em águas fluviais, as quais podem se refletir nos sedimentos;

- Isótopos de N são influenciados por muitos fatores, por isso não devem ser usados sozinhos para indicar fontes e processos.

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- Minoura et al., 1997 : Paleoprodutividade no Mar do Japão durante o Pleistoceno-Holoceno a partir de registros de δ13C e δ15N de sedimentos orgânicos.

Objetivo: Acompanhar as variações paleoceanográficas durante o LGM no Mar do Japão a partir de isótopos e conteúdos de C e N.

Área de estudo:

-Flutuações do nível do mar controladas pela entrada de água marinhas e pelo escoamento continental;

-Corrente de Tsushima entra pelo estreito de Tsushima e chega ao Oceano Pacífico pelo estreito de Tsugaru;

-Durante LGM foi isolado do Pacífico e invadido pelo Rio Huan Ho, causando a estratificação de suas águas.

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1- Estágios laminados (23-15.000 anos - LGM) → aporte de MO terrestre (C3) ou contribuição da corrente de Oyashio (águas ricas em nitrato). Além disso, deficiência de oxigênio - denitrificação da coluna d’água - acúmulo de água enriquecida em 15N somente na faixa redox, acima das camadas anaeróbicas.

2- Estágios bioturbados → águas oligotróficas durante o nível mais baixo do mar, → entrada de água pobre em nutrientes.

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- Fonte terrestre:

δ13C=-26,5‰ / δ15N=1,8‰

- Oscilações do nível do mar entre 30-18.000 são sugeridas pelas flutuações nos registros dos isótopos de C e N insinuando.

- Fonte marinha:

δ13C=-20,5‰ / δ15N=8,5‰

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- Hingginson, et al., 2003 : Registros de paleoprodutividade ao norte do Mar da China a partir de isótopos de nitrogênio e clorofila: forçantes remotas e locais de escalas milenares e orbitais.

Objetivo: reconstruir o inventário de nitrato, o balanço entre denitrificação e fixação de N, e a paleoprodutividade dos últimos 145.000 anos.Área de Estudo: influenciada pela corrente de Kuroshio (superficial) e pela Água Intermediária do Pacífico (profunda); pela intensidade das monções de verão-inverno; e relativo nível do mar.

Estágios glaciais → utilização completa de nitrato → ↓δ15N → redução remota da denitrificação nas águas do Leste do Pacífico Norte;

Períodos interglaciais → ↑δ15N e valores anômalos = contribuição de águas superficiais do W-Pacífico (fixação-N regional).

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Variação de δ15N em Cabo Frio

- Mahiques et al., 1999, 2004, 2005: Estudos sobre a sedimentação atual na plataforma de Cabo Frio.

- Valores de δ15N:

* padrões muito complexos entre Baia de Guanabara e São Francisco do Sul;

* maiores que 6‰ entre Cabo de Santa Marta e Cabo Frio;

* variação de 6.6 – 6.9 ‰ em Cabo Frio.

- Andrade, 2005: Paleoprodutividade de Cabo Frio.

Input de nutrientes pela ACAS

Fitoplâncton assimila preferencialmente nitrato mais leve

Baixos valores de δ15N

↓disponibilidade de nutrientes

fitoplâncton assimila N independente da

composição isotópica

Altos valores de δ15N

δ15N(‰)