Ciclos biogeoquímicos

Apresentação em tema: "Ciclos biogeoquímicos"— Transcrição da apresentação:

1 Ciclos biogeoquímicos
Transferência de elementos químicos do universo abiótico ao biótico e deste de volta ao ambiente Principais ciclos: Carbono (C) Água (H2O) Nitrogênio (N) Fósforo (P) Enxofre (S)

2 Valores em Pg (1015g) ou bilhões de t de C
Ciclo do carbono global ATMOSFERA 750 PPB e R= 60 61,4 90 5,5 1,6 VEGETAÇÃO Mudanças uso da terra 0,5 92 Combustível fóssil e produção de cimento SOLOS e detritos OCEANOS 40.000 ROCHAS Valores em Pg (1015g) ou bilhões de t de C

3 Imagine agora o seguinte:
Atualmente, a ciclagem de C (CO2, CO, CH4 e COV´s) entre os ecossistemas terrestres e a atmosfera tem sido objeto de constantes investigações, sobretudo devido às atividades humanas e mudanças climáticas Imagine agora o seguinte: 12C 13C atmosfera oceanos biosfera/litosfera Entre a atmosfera e os oceanos os fluxos de C são +/- homogêneos (relação emissões x acúmulo de C) – assim como na litosfera (com ressalva às áreas extrativistas). *Escala de tempo de residência. A biosfera apresenta a maior variabilidade: espacial e temporal.

4 Emissão anual de C para a atmosfera por ações antrópicas.
Concentração e razões isotópicas do oxigênio e carbono do CO2 atmosférico na região de Barrow, Alaska, entre os anos de 1990 e 2000. (anos) (anos) Queima de combustível fóssil Mudanças no uso da terra Emissão anual p/ atmosfera (Pg C) Emissão anual de C para a atmosfera por ações antrópicas.

5 Porque usar isótopos estáveis em estudos ambientais?
Os isótopos identificam o elemento de interesse além de possuírem características físicas e químicas apenas levemente diferenciadas. 2. A concentração do isótopo mais raro é muito pequena, sendo que mudanças nestas concentrações não mudam as propriedades do sistema. 3. A composição isotópica varia de forma previsível conforme o elemento cicla pela biosfera Os isótopos entram em cena p/ tentar responder a algumas destas questões Lembrando:

6 Biota influencia a composição isotópica e
concentração de CO2 na atmosfera Quanto mais perto do ecossistema, maior será a variabilidade destes parâmetros ex: quanto + perto do solo, aumenta a [CO2] (R solo e vegetação) CO2

7 Fotossíntese (FS) ativa
Respiração (R) ativa Por que a variação dos valores de d13C do CO2 respirado pela floresta é o inverso da concentração? CO2 mmol.mol-1 d13C (0/00) 9:00h 12:00h 16:00h 20:00h Fotossíntese (FS) ativa Flona Tapajós (Ometto et al. 2002)

8 Durante a R, os organismos (planta ou animal) utilizam um composto orgânico (ex: carboidrato) produzido anteriormente pela FS. O sinal isotópico do CO2 respirado dependerá da composição isotópica desse composto (rica em 13C ou 12C). CO2 12C 13C

9 Vegetação Biosfera LUZ glicose CHO poro estomático CO2 atmosferico
FOTOSSINTESE CO2 atmosferico Biosfera CHO Supre grande parte da energia do planeta LUZ poro estomático glicose Oxidação H2O Redução CO2 Energia solar

10 Vegetação Plantas C3 PlantasC4 Plantas CAM
cloroplastos Célula mesofilo Estômatos Células da bainha O fracionamento durante o processo de fotossíntese das C3 e C4, determinam o sinal isotópico do produto final Plantas CAM Não vamos estudar

11 Ci Ca Fracionamento isotópico nas C3 D= 27,5‰ (b) CO2 D= 4,4 ‰ (a)
Ci Ca CO2 D= 4,4 ‰ (a) D= 27,5‰ (b) ci/ca: -relação entre a concentração do carbono interno e atmosférico Fracionamento isotópico nas C3

12 D = d13CCO2 – d13C planta d13CCO2 – d13C planta = a + (b-a).ci/ca c ).
As equações que regem estas relações são as seguintes: D = d13CCO2 – d13C planta Utilizando-se a notação delta (δ) teremos: d13CCO2 – d13C planta = a + (b-a).ci/ca a i Atm Planta c ). b ( C - d = 13 Farquhar et al. (1989)

13 Hidratação do CO2 D= -8‰ (25º C)
Fracionamento isotópico nas C4 Modificações bioquímicas e morfológicas da fotossíntese C3 aumenta as taxas de fotossíntese diminui fotorespiração reduz a atividade da Rubisco oxigenase *(diferente do b das C3, pois é uma parcela do C fixado) D= 4.4‰ (a) D= 27,5‰ (b.)  = total de perda de CO2=0,37 C4 tem b4* + b. = -6‰ (b4*) Hidratação do CO2 D= -8‰ (25º C) (eb) Carboxilação D= 2‰ (b4)

14 b4*+b -a . ci/ca a + D = ( ) b4*+b -a . ci/ca ( a- C - d = )
As equações que regem estas relações são as seguintes: b4*+b -a . ci/ca a + D = ( ) Utilizando-se a notação delta (δ) teremos: Atm Planta ( a- C - d = 13 b4*+b -a . ci/ca ) Segundo Farquhar et al. (1989) o termo (b4*+b -a) é desprezível ~ zero assim sendo as plantas C4, tem pouca ou nenhuma influência do termo ci/ca **o valor de  varia de acordo com o ci/ca presente nas folhas e depende de espécie, condição ambiental, etc. d13C= d13Catm-a

15 d13C (‰) Frequência de espécies -30 a -25‰ -15 a -12‰

16 Ex: variação isotópica do CO2 coletado ao longo do perfil da vegetação (FLONA do Tapajós) - gás coletado durante o período noturno Altura (m) d13C (0/00)

17 Ex: variação na concentração do CO2 coletado ao longo do perfil da vegetação (FLONA do Tapajós) - gás coletado durante o período noturno CO2 (ppm) Altura (m) (*dados Yoko Ishida)

18 A partir desta simples mistura, nasceu a técnica de
CO2 Mas, o que significam esses valores de d13C e de concentração encontrado na floresta? Os tecidos vegetais tem um d13C médio de -28‰, logo o CO2 respirado no interior da floresta terá um d13C médio aproximado de -28‰, diluindo o valor atmosférico de -8‰, emitindo um C mais leve p/ atmosfera. Isto é: Cfloresta= Catmosfera + Cbiogênico A partir desta simples mistura, nasceu a técnica de Keeling Plot

19 Multiplicando-se a equação pelos respectivos valores de d13C teremos:
Cfloresta= Catmosfera + Cbiogênico δ13Cf.[Cf ] = δ13Catm.[Catm] + δ13Cbio.[Cbio] Obs: Cbio= (Cf-Catm), logo; δ13Cf.[Cf ] = δ13Catm.[Catm] + δ13Cbio.[Cf-Catm] δ13Cf = δ13Catm.[Catm]/[Cf ] + δ13Cbio.[Cf ]/[Cf ] + δ13Cbio.[Catm]/[Cf ] δ13Cf = δ13Catm.[Catm]/[Cf ] + δ13Cbio.[Cf ]/[Cf ] - δ13Cbio.[Catm]/[Cf ] δ13Cf = δ13Catm.[Catm]/[Cf ] + δ13Cbio-δ13Cbio.[Catm]/[Cf ] δ13Cf = δ13Cbio+(δ13Catm/δ13Cbio).[Catm]/[Cf ] Comparando-se com uma equação linear: y = bx +a onde: y = δ13Cfloresta a = δ13Cbiogênico b = [Catmosfera] * (Catmosfera - δ13Cbiogênico) x = 1/ [Cfloresta] Y = a b x **O Cbiogênico é comumente chamado de CR, pois é um C originado da Respiração

20 Técnica de Keeling Plot
Na prática: Técnica de Keeling Plot CO2 CO2 CO2 CO2 Neste exemplo, a respiração do ecossistema está liberando um C com d13C= -30,47‰ Ishida-2006

21 Valores de vários keeling plots realizados em diversos ecossistemas ao longo dos Estados Unidos e do Canadá. (Fonte: J. Ehleringer).

22 Fatores ambientais afetando a composição isotópica das plantas

23 Intensidade luminosa:
baixa: plantas tendem a compensar mantendo os estômatos mais abertos. Daí a relação ci/ca tende a 1 (um). alta: plantas tendem a manter os estômatos mais fechados, Daí a relação ci/ca fica menor q 1 (um). (a) (b) (dados Yoko Ishida)

24 2. Variação na fonte de CO2:
- Há casos em que a variação isotópica das Plantas é regida pelas fontes de CO2 atm. - Rio acima, o C produzido biogenicamente (-27‰) durante a noite, fica em contato com a vegetação por mais tempo durante a manhã, atrasando o rompimento da camada limite (devido estar mais longe dos oceanos), dando mais tempo útil p/ plantas utilizarem um C mais empobrecido. Em conseqüência, os valores de 13C são mais leves do que os localizados rio abaixo. C3 C4 Distância da Vargem Grande (km)

25 3. Disponibilidade hídrica
# mesmo raciocínio utilizado no item 1, é aplicável aqui. Ou seja, quanto maior for a disponibilidade de água no sistema para as plantas, os estômatos tendem a ficar mais abertos (a) e vice e versa (b). (a) (b) (dados Yoko Ishida) tropical deserto -20 -24 -28 -32 -34 -36 d13C (‰) (somente C3)

26 Composição isotópica do solo

27 gramíneas transição floresta
* O solo tende a ter uma composição isotópica similar a cobertura vegetal presente -12 -14 -16 -18 -20 -22 -24 -26 -28 -30 -32 Vegetação C4 d13C (‰) Vegetação C3 Distância dos transectos (m) gramíneas transição floresta

28 * Variabilidade na composição isotópica , provavelmente reflexo da variação existente no 13C da vegetação presente é devido ao fracionamento durante a fixação da matéria orgânica da vegetação no solo. folha serapilheira tronco solo d13C (‰) (adaptado de Martinelli et al., 1994)

29 Variação isotópica de acordo com a profundidade do solo:

30 δ13C nas frações granulométricas do solo
Geralmente observa-se que nas frações mais grossas do solo se acumulam restos vegetais da cobertura vegetal atual, e na fração mais fina acumula-se a matéria orgânica trabalhada, geralmente de origem microbiana. Através de datação feita por 14C, demonstrou-se que as frações silte/argila são geralmente as mais antigas em um solo. Esse padrão de comportamento causa diferenças interessantes entre solos sob diferentes coberturas vegetais

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32 Modelo de mistura – Solo
A + B = 1 (A.A) + (B.B) = P Ct – carbono total z – prof. Do perfil P – densidade do solo C% - porcentagem de carbono

33 Massa de carbono (Ct) nas respectivas profundidades, contribuição da planta C4 (%C4) e planta C3 (%C3) e massa de carbono oriunda de plantas C4 (Ct-C4) e planta C3 (Ct-C3) em um sistema floresta-pastagem na Amazônia

34 Rastreamento e origem de drogas
Aplicações práticas dos Isótopos Estáveis Adulteração de Vinhos Adulteração do Mel Dieta Alimentar Rastreamento e origem de drogas

35 ? Vinho = -27 o/oo Cachaça = -11 o/oo Cana de açúcar = -12 o/oo
Fermentação Cana de açúcar = -12 o/oo UVas = -28 o/oo

36 9% uva + 3% açúcar 9% pura uva Conteúdo de álcool (%) d13C (o/oo)
Horas após o início da fermentação d13C-álcool (o/oo) 9% pura uva 9% uva + 3% açúcar

37 Tabela 2. Valores de d13C (‰) em amostras de mel comercializados
Tabela 2. Valores de d13C (‰) em amostras de mel comercializados. Valores em negrito indicam amostras suspeitas de adulteração. Valores de d13C de amostras de uva, mosto, vinho padrão eleaborado pela Embrapa e vinhos nacionais agrupados conforme o tipo do vinho. d13C (‰) Média Desv.-pad. N Uva -26.7 0.6 11 Mosto -27.8 0.4 10 Vinho padrão Embrapa -27.5 12 Tinto seco -23.4 2.0 109 Tinto demi-sec -23.7 1.1 Tinto suave -23.5 1.5 21 Branco seco -22.3 2.1 39 Branco demi-sec -21.3 2.9 Branco suave -21.5 2.3 40 Rose suave -21.2 Espumante Brut -20.5 1.2 18 Espumante Asti -19.4 4 Espumante Demi-sec -18.3 1.3 8 Espumante Doce -15.1 3

38 Distribuição de valores de δ13C de amostras de cervejas produzidas em países da Europa, no Canadá, Estados Unidos e Brasil. Adaptado por Brooks et al. (2003).

39 Média e desvio padrão dos valores de δ13C de amostras de brandies elaborados em outros países (internacional) e no país (nacional) e de amostras de conhaque de gengibre.

40 X O mel vem das plantas C3 O que vem da cana de açúcar (C4) não é mel
(mas muita gente vende como se fosse...) amostras d13C (‰) -14 -15 -16 -17 -18 -19 -20 -21 -22 -23 -24 -25 Maioria das amostras eram de origem C4 Poucas amostras eram mel puro....

41 ++ proteína animal -- proteína animal C4 PLANTS C3 PLANTS Santarém-PA
várzea Santarém-PA Flona Brasileiros do sudeste Americanos C4 PLANTS C3 PLANTS

42 “Os devoradores” “A natureba”

43 Moral da história: Nunca confie:
a. numa vovó vendendo mel “puro” na feira... b. ou pessoas que juram de pé junto que não comem carne vermelha ou que só comem verdura!! c. muito menos tomar uma branquinha pensando que é vinho ou champagne!! Você pode estar levando por