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Matéria Orgânica nos Oceanos

1. Origem e classificação

Tópicos da aulaIntrodução Definição da MOClassificação FontesComposição

• 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?

Compostos de CPropriedade físicas e químicas diversas

grupos funcionais

Base energética e nutricional da cadeia tróficaImportante para especiação de metaisPrecursores de combustíveis fósseis

Controle do clima global

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Fonte de MO para os oceanos Fonte 1015 gC/ano % total

Produção PrimáriaFitoplancton 23,1 84,4Macrófitas 1,7 6,2

Carga líquidaRios + Subterrânea 1,08 3,95

Carga atmosféricaChuva 1,0 3,65Deposição 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!

1960-70: Dissolvida x ParticuladaFiltros de fibra de vidro ou prata de 0,45μm

Classificação da MO

Particulada Coloidal Dissolvida

colóideszooFito

bactériaVírus

mm µm nm

peneiras filtros ultra filtros

peneiras moleculares

Microalgas/detritos

Matéria Orgânica Dissolvida (DOM)

DOM – membrana de 0.45 µm 97% CO na água do mar ocorre na fração dissolvidafiltração não é recomendada

O conteúdo de carbono é descrito como COD, sendo que o COD na água do mar varia entre 75-100 µM

Bactérias heterotróficas são os principais consumidores

DOM: cadeia alimentar microbiana e fluxo de C e energia


A maior parte do DOM reside no fundo dos oceanosresistente a biodegradação

Matéria orgânica coloidal (CDOM): Alto peso molecular (HMW: >1000)

Colóide sólido amorfo, partículas com grande área superficial (0.001 a 1 µm)



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1. DOC: dois reservatóriosa. 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 fundob. Maiores para partícula menores:

4 for 500 μm and 10 for 0.003 μ mc. Maiores para MO terrestre (C/N > 15)

3. Composição pode ser usada como indicativo de fonte (Biomarcadores)

Matéria Orgânica Particulada (POM)

POM – fração retida na membrana de 0.45 µm

zona fótica: biomassa viva (microalgas)zona afótica: detritos de conchas, esqueletos de

diatomáceas, pelets fecais, “neve marinha”.....

mistura complexa de materia viva e detritos: variação de tamanho, forma e reatividade


Volkman e Tanoue, 2002

Matéria Orgânica Particulada (POM)

POM em suspensãomistura de detritos e biomassa viva (10:1)biomarcadores (clor a, carotenóides, ATP, DNA –

biomassa viva)

FitoEstrutura da comunidade: ciclagem e exportação de MOEstrutura básica: diversos grupos (e.g. algas verdes,

diatomáceas)Diatomáceas de blooms (sazonal e espacial)


POM em suspensão

BactériasBactérias heterotróficas: prod. secundária → ciclagem C

90% total do carbono biológicodominantes em aguas oligotróficas

Bactérias aeróbicas: luz solar → energia até 20% total das bactérias (oligotróficos)não foi provado se elas fixam Cinor → ciclagem global do C


POM em suspensãoVírus

Numericamente dominanteFração pouco significante na contribuição de MO Alça microbiana:

DOM (fito) → POM (bactérias) → DOM (protistas e vírus)

3-26% COP da PP é reciclado por lise viral para COD infecção viral: declínio de blooms

Pastagem por protistas: minimiza limitação por Fe Fe biodisponivel é gerado de Fe coloidal nos vacúolos dos protistas


POM em suspensãoNeve Marinha

Grandes agregados de matéria orgânica na superfícieMucilagem, cianobacterias, espécies autótrofas, detrítos

Frágeis, degradados até os 1000mC:N aumentam com o volume (maior agregados/mais velho)

Kaiser et al, 2005Mar Adriático

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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 éapropriado falar em tamanho, concentração e idade de partículas?

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• Formada min-horas• Microambientes na escala de nm

– Reatividade química– Propriedades físicas– Biodisponibilidade

Fase gel

Diferente de componentes dispersos na água

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

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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

Fase gel

Fontes de Matéria Orgânica

Alóctona e autôctona

19Salinity

0 5 10 15 20 25 30 35

DO

C ( μ

M)

50

100

150

200

250

300

350

400

450

River

Seawater

Alóctonas: fonte externaRios e estuários

33 x 1012 COTPlantas (50% carboidratos, lipídios e material lábil de LMW –ac.fúlvicos)Solos (subs. húmicas (70%) e material refratário)

Millero, 2002

estuário


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• As concentrações de MPS controlam a razão COD:COP

– SPM < 15 mg/L COD : COP ~ 10– SPM > 500 mg/L COD : COP < 1

65% refratário

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Aportes fluviais de MO• Descarga de água total: 35 x 103 km3/ano

– Variando de poucos m3/s – 200.000 m3/s (Amazonas)

• Aportes são dependentes:– Tamanho da bacia de drenagem– Geologia– Regime fluvial– Natureza e uso do solo

Qde/qualidade MO

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Zona CODmg/L

Descarga de água Exportção do DOC

Km3/ano % total 106 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)

Porque a MO nas bacias oceanicas não tem origem terrestre?

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AtmosferaImportante 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


Autóctonas: FONTE INTERNA

Organismos autotróficos: transformadoresReduzem 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


Autóctonas:COP: vivo (menos de 5% do TOC no oceano)

fitoplancton – fotossíntese – 2 x 1016g C/anoOrganismos microscópios de pequena mobilidadeDiatomáceas: grupo dominanteCianobactérias, cocolitoforideos,...


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Estágios da produção primária1. Absorção de luz por pigmentos fotosintéticos

Clorofila a: duplas ligações, elétrons facilmente excitados pela absorção de luz

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Estágios da produção primária2. 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)

CO2 + 4NADPH + ATP → CH2O+ H2O + 2NADP + ADP + P

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Composição do Fito• 40% proteínas• 40% carboidratos• 15% lipídeos• 5% ácidos nucléicos

Variações:- aporte de nutrientes- idade- T°C- radiação

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Composição do Fito

• Simplificação da fotossíntese: C, N e P

106CO2 + 16NO3- + 1HPO4

2- + 12H2O + 18H+ → C106H263O110N16P + 138O2

C:N:P: 106:16:1 Razão de Redfield

Razão de Redfield:razão estequiométrica para o fito/zoo éconstante! (gde escala temporal)


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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Autóctonas: FONTE INTERNAPOC: não vivo

DetritosOrganismos mortosMaterial fecalAgregados orgânicos


fito

• Aglomerados de bactérias/detrítos• Agregação de MO por ação de bolhas• Floculação• Adsorção de COD em partículas

Controvérsia: COD autóctono vs. alóctonoEstima-se que entre 10-50% do COD seja de

origem terrestreCOMPORTAMENTO CONSERVATIVOLIGUININA

Bauer et al., (2002)

Dafner & Wangersky (2002) revisão!


COD (principal estoque de CO nos oceanos)

Proteínas (amino ácidos) Auto e AloCarboidratos Auto e AloLipídios Auto e AloPigmentos Auto e AloLignina AloÁcidos Nucléicos Auto e Alo

Composição da Matéria Orgânica

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POM:Hidrocarbonetos, ácidos graxos, carboidratos, lignina, detrítos

Terrestre ou Marinha:

N-alcanos (biomarcadores)C23-C35: terrestreC15-C21: marinho

Acidos graxos (biomarcadores)C14-C36: terrestreC12-C24: marinho


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POM:Pequena parcela: biomassa vivaGrande parcela: biomassa morta

Partículas pequenas: maior parte do POM Partículas grandes: neve marinha/pelets fecais (cadeia alimentar)


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DOM (coluna d’água):COD: 95% do TOC no oceano10-20% caracterizadaFração lábil DOM: lipídios, carboidratos, aminoácidos, pigmentos

Organismos vivos POC→ DOC:Exudação do fito

Excreção do zoo

Mineralização da MO


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DOM (coluna d’água):Fração não caracterizada: material inerte, altamente refratário

GELBSTOOF: macromoléculas do tipo material húmico e lignina

Micro-camada superficial: sopa orgânica

SCUMS

Variedade de substâncias: POC, DOC, P, N, bactérias, DDT, PCB e metais


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ReferênciasLivros textos

S. Libes (1992) An Introduction to Marine BiogeochemistryR. Chester (2000) Marine GeochemistryD.A. Hansel & C.A. Carlson (2002) Biogeochemistry of marine dissolved organic matter

Para ir mais longeVolkman, J. & Tanoue, E. (2002) Journal of Oceanography V. 58,

265-279p. Sarmiente & Gruber (2004) Ocean Biochemical DynamicsBaldock, 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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