•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.