Ciclo Biogeoquímico do N

Apresentação em tema: "Ciclo Biogeoquímico do N"— Transcrição da apresentação:

1 Ciclo Biogeoquímico do N

2 Era uma vez.... Universo 15G anos
anos depois do Big Bang......criar átomos H, He,... N: formado nas estrelas por nucleosíntese Fusão estrela de He  temperatura e pressão: N N sólido (temperatura no espaço -270°C) Nsol convertido N2: gás vulcânico mais abundante (2Tg N/ano) G = 109

3 Destino dos gases Atmosfera vs. deposição... ciclagem geoquímica
Transferência: reatividade Pouco reativos: nobres (Ne, Ar) ainda estão na atm, não sofreram transferência Muito reativos: 99% C, S  hidrosfera ou crosta Intermediário: N (2/3 está na atm e 1/3 na crosta) Ligação tripla: radiação solar e descarga elétrica Terra com N2 e sem vida Schelesinger, 2005

4 N2  Nr: N reativo Quem é o Nr?
Compostos de N: biologicamente ativos, fotoquimicamente reativos ou N radioativo Quem é o Nr? Formas inorgânicas reduzidas: NH3 e NH4+ Formas inorgânicas oxidadas: NOx, HNO3, N2O, NO3-, Compostos orgânicos (uréia, aminas e proteínas) Schelesinger, 2005

5 Como esse processo ocorreu........
1. Atmosfera redutora com pouco NH3 2. NH3 é necessário para formação de MO 3. Gerar NH3: ciclagem da água do mar através do vulcanismo. 4. NH3 + CH4, H2, H2O + descarga elétrica/UV = moléculas orgânicas 5. 3,5G anos: organismos procariontes sobrevivem sem O2 e produzir NH3 6. Cianobactérias começam a fazer fotossíntese 7. 1,5-2 Ga O2 se acumula na atmosfera 8. 0,5 Ga concentração de O2 atingiu níveis atuais Schelesinger, 2005

6 Hoje N2 = 80% atm Não reativo: ligação tripla entre os átomos N
Radiação solar e descargas elétricas (NO) 2% N2 atm disponível para biota: N2 fixado  NH4+

7 N várias funções importantes:
Elemento biolimitante  PP Controle do clima Sedimentos biogênicos Água do mar Alteração antrópica Eutroficação Efeito estufa Destruição da camada de ozônio na estratosfera 2050: 90% DIN fluvial tenha origem antrópica Bianchi, 2007

8 Estados de oxidação Ciclo controlado por reações redox: plâncton e bactéria -3* +1 +2 +3 +4 +5 NH3 Amônia NH4+ Íon amônio RNH2 Aminas orgânicas N2 N2O Óxido nitroso NO nítrico NO2- Nitrito NO2 Dióxido de nitrogênio HNO3 Ácido Nítrico NO3- Nitrato Importantes na osmoregulação; * todos os compostos orgânicos

9 Principais Processos do ciclo do N
combustão lightning ATMOSFERA N2 NO oxidação HNO3 denitri- ficação biofixação deposição orgN decaimento NH3/NH4+ NO3- BIOSFERA Assimilação nitrificação intemperismo enterramento LITOSFERA

10 Reações biogeoquímicas: atmosfera
Processos físicos + químicos Biota: pouca interferência 4 grupos de espécies de N 1.1 Nitrogênio inorgânico reduzido: - NH3, NH4+ - estado de valência -3 NH3: é a principal espécie emitida para atm produzida no processo de decomposição da MO - Emissão: pressão parcial no solo, água ou planta > pressão na atm

11 NH3  aerossol: reação ácido-base NH3(g) + HNO3(g)  NH4NO3(s)
NH3(g) + H2SO4(s)  NH4HSO4(s) NH3(g) + NH4HSO4(s)  (NH4)2SO4(s) Removido da atm por deposição NH3: removido por deposição seca NH4+: removido por deposição úmida (núcleo de condensação)

12 1.2 Nitrogênio inorgânico oxidado
- várias espécies e estados de valência - NOy: NO(g) + NO2 (g) + HNO3 (g) NOx Espécies reativas: baixa meia vida na atm NO: espécie mais comum - N2  NO: combustíveis fósseis e descargas elétricas - Nr  NO: incêndio e atividade microbiana

13 HNO3+ NH3  NH4NO3 (aerossol)
Uma vez na atm o NO..... NO + O3  NO2 + O2 NO2 + OH  HNO3 HNO3+ NH3  NH4NO3 (aerossol) Um ciclo importante envolvendo hidrocarbonetos e ozônio tem sérias implicações na capacidade oxidativa da atm

14 N2O: não está incluído no NOy
Produzido: nitrificação e denitrificação 100 anos de residência na atm, ampla dispersão Pouco reativo na troposfera Estratosfera: radiação UV N2O + O(1D)  2NO destruição do ozônio

15 Assim.... o NO produzido vai destruir o ozônio estratosférico
NO + O3  NO2 + O2 O3  O2 + O NO2 + O  NO + O2 A reação líquida é: 2O3  3O2 N2O: Efeito estufa e destruição da camada de ozônio

16 1.3 Nitrogênio orgânico reduzido (R-NH2)
Bactéria, material particulado e espécies solúveis Processos de baixa (turbulência) e alta temperatura (queima de biomassa) Espécies solúveis (aminoácidos, uréia) são as mais reativas 1.4 Nitrogênio orgânico oxidado Formados na atm Produto final de reação de hidrocarbonetos com NOx

17 Reações biogeoquímicas: biosfera
Schesinger, 2005

18 Etapas Fixação do N2 Redução do N2 para NH4+ ou NH3 ou compostos orgânicos Processo caro: poucos organismos foto ou heterotrófico Cianobactéria: Oscilllatoria ssp Ampla distribuição, gde abundância em águas tropicais Libes, 1992

19 Fixação de N2 em águas rasas
Zona eufótica: microzonas anóxicas

20 Etapas Assimilação da amônia ou amônio
Incorporação do NH4+ ou NH3 na biomassa de organismos na forma de um composto orgânico nitrogenado. A assimilação de N é mais barata para as espécies reduzidas, mas uréia, nitrito e nitrato tbém podem ser assimilados

21 Nitrificação Processo aeróbico de oxidação de NH4+ por bactérias nitrossomas e oxidação do nitrito em nitrato (nitrobacter): 2NH4+ + 3O2 2NO2- + 2H2O + 4H 2NO2- +O2  2NO3- Decomposição do fito (N orgânico particulado) N refratário Libes, 1992

22 Etapas Denitrificação:
- Redução do nitrato para qualquer espécie de N gasoso. - Águas sub-saturadas em O2, o nitrato (oxidante) é usado para obter energia. Gde qde de MO necessária 5CH2O + 4H+ + 4NO3-  2N2 + 5CO2 + 7H2O NO3-  NO2- NO  N2O  N2 Regiões de ressurgência, baixa circulação, sedimentos costeiros

23 Perfis verticais do Pacífico Norte: zona tropical leste
NH4+ N2O T O2 PO43- Denitrificação na presença de O2 NO2- NO3- Libes, 1992

24 Etapas Amonificação Processo que converte nitrogênio orgânico reduzido (R-NH2) para nitrogênio inorgânico reduzido (NH4+) Processo de decomposição da MO

25 Processos envolvidos na ciclagem do N
Variação espacial: zona costeira vs oceano Condições redox Cargas de C orgânico Cargas antrópicas SEDIMENTOS Bianchi, 2007

26 Distribuição geográfica do N fixado
Sedimentos das zonas costeiras: aporte fluvial, fixação bêntica de N Libes, 1992

27 Altas taxas de N: pequenas cadeias alimentares
N reciclado rapidamente na água e sedimento Remineralização do N no sedimento é importante para PP

28 Heterogeneidade redox: nitrificação e denitrificação
Nitrificação no sedimento: sumidouro de O2, regula a posição vertical da camada redox; Heterogeneidade redox: nitrificação e denitrificação Taxas de nitrificação e denitrificação: Atividade de micróbios Aporte de POM Aporte de O2 (circulação água e PP bentônica) Denitrificação e sulfato redução Algas suprimem taxas de nitrificação, pois competem por amônio, excretando toxinas e elevando o pH água intersticial.

29 Nitrato & mineralização
Remineralização N:P 16:1 Denitrificação N:P 104:1 Fixação N2 N:P :1 Nitrato (mol/kg) Fosfato (mol/kg) Sarmiento & Gruber, 2006

30 N* como traçador de denitrificação
N* = efeito de denitrificação e remineralização da MO rica em N de organismos fixadores de N2 N* = N –16 . P + 2,9 mmol/m3 Maior sumidouro de nitrato Maior fonte de nitrato via fixação de N2 2,9 mmol/m3 é usado para fazer a média de N* = 0

31 Decréscimo do N* Máxima Mín
Denitrificação na coluna d’água e sedimento

32 Zonas de oxigênio mínimo: gde perda de nitrato por denitrificação
Zonas de sombra da termoclina:  ventilação, apenas difusão, alto tempo de residência

33 Impactos das regiões anóxicas
Zonas na termoclina que ocorre perda de nitrato por denitrificação N* < 0 Escuros<0, claros>0 Densidade da água sub-tropical modal ( m) Sarmiento & Gruber, 2006

34 N* como traçador de fixação de N2
Atlântico Norte: importante fixação de N2 (balanço pela perda de N fixado por denitrificação na coluna d’água e sedimento) Porque? Alto aporte de Fe por poeira Fixadores de N2: demandas de Fe > outros organismos MO com alta razão N:P (pico de N* sub-superfície)

35 Balanços de N T = 1012

36 Hipótese de Gruber é mais provável
Fontes  sumidouros não pode persistir por muito tempo: N fixado teria acabado em 5000 anos Eventos esporádicos, alteração antrópica Hipótese de Gruber é mais provável Denitrificação e nitrificação: distribuição espacial P e N N fixado: 3000 anos tempo de residência P: 30,000-50,000 anos tempo de residência Razão N:P controla a homeostase a longo prazo Esta razão liga os processos de fixação de N2 e denitrificação Denitrificação: nicho para fixadores de N Aproveitam o excesso de P

37 Óxido Nitroso (N2O) Fluxo oceânico: 4 Tg N2O/ano Importante gás estufa
40% pré-antropogênico Importante gás estufa Grande variação natural nos últimos 100,000 anos Aumento de origem antrópica: 200 anos

38 p N2O (valores positivos indicam saturação)
Fluxo atm: áreas de ressurgência e altas latitudes

39 Altos fluxos para atm das zonas ressurgência/ altas latitudes
N2O: nitrificação (NH4+  N2O) e denitrificação (- importante) Nitrificação inibida pela luz: N2O formado zona afótica Águas da zona afótica chegam na superfície: ressurgência ou mistura vertical (convecção profunda)

40 Atlântico N2O mol/m3 Pacífico Mas só isso explica? N2O mol/m3
Relação AOU e N2O na termoclina: - AOU  N2O - AOU = nitrificação N2O mol/m3 1400m 40°S Eq 40°N 0m Pacífico Mas só isso explica? 50mol/m3 N2O mol/m3 1400m 60°S Eq 10°N

41 (1) Se a produção de N2O fosse resultado apenas da nitrificação:
(2) (3) (1) N2O (mmol/m3) AOU (mmol/m3) AOU (mmol/m3) AOU (mmol/m3) (1) Se a produção de N2O fosse resultado apenas da nitrificação: relação linear entre N2O e AOU N2O deve aumentar com o aumento do AOU (decréscimo de O2); N2O é consumido quando baixa-se muito os teores de O2 (2) Todo N2O é produzido por “mecanismo de baixo O2” (nitrificação + denitrificação, dependente do nível de O2 in situ) (3) ½ nitrificação e ½ “mecanismo de baixo O2” ***best fit

42 Impactos antrópicos no ciclo do N
1. Produção de ozônio troposférico e aerossóis: doenças respiratórias, câncer 2. Nr e deposição excessiva:  produtividade e  biodiversidade 3. Nr (+S): acidificação e perda de diversidade 4. Nr: eutroficação, hipoxia, perda de habitat Considerado o maior problema de poluição costeira! 5. Mudança climática e depleção do ozônio na estratosfera

43 Cascata do N: problemas interligados; fonte torna-se irrelevante

44 Características de diferentes sistemas em função da cascata de N
Acumulação Produção N2 Potencial transferência Efeito Atm Baixa Muito alto Humano, clima, ecossistema Floresta Alta Moderado Biodiversidade, PP, mortalidade, água Amb. Marinho Baixa-moderada Biodiversidade, ecologia, peixes, PP

45 Referências ******Sarmiento & Gruber (2006) Ocean Biogeochemistry Dinamics. S. Libes (1992) An Introduction to Marine Biogeochemistry. Wiley, UK, 752p. F. Millero (1996) Chemical Oceanography. 2nd Edition. CRC Press, USA, 469p. W. Schesinger (2004) Biogeochemistry (Treatise on Geochemistry V. 8).Elsevier, UK, 702p.