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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
Classificação da MO
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)
Classificação da MO
Matéria Orgânica Dissolvida (DOM)
9
Matéria Orgânica Dissolvida (DOM)
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
Classificação da MO
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)
Volkman e Tanoue, 2002
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
Volkman e Tanoue, 2002
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
Volkman e Tanoue, 2002
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
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
Fontes de Matéria Orgânica
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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
Fontes de Matéria Orgânica
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
Fontes de Matéria Orgânica
Autóctonas:COP: vivo (menos de 5% do TOC no oceano)
fitoplancton – fotossíntese – 2 x 1016g C/anoOrganismos microscópios de pequena mobilidadeDiatomáceas: grupo dominanteCianobactérias, cocolitoforideos,...
Fontes de Matéria Orgânica
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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)
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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Autóctonas: FONTE INTERNAPOC: não vivo
DetritosOrganismos mortosMaterial fecalAgregados orgânicos
Fontes de Matéria Orgânica
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!
Fontes de Matéria Orgânica
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
Composição da Matéria Orgânica
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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)
Composição da Matéria Orgânica
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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
Composição da Matéria Orgânica
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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
Composição da Matéria Orgânica
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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.