EFEITOS DO AUMENTO DA CONCENTRAÇÃO DE CO 2 NA ATMOSFERA SOBRE O CRESCIMENTO E DESENVOLVIMENTO DAS PLANTAS Disciplina: Fundamentos de Ecologia e Modelagem Ambiental Professores: Dalton M. Valerian, Silvana Amaral, Eduardo Arraut Juliana Paiva Nunes Kury
27
Embed
EFEITOS DO AUMENTO DA CONCENTRAÇÃO DE CO NA ATMOSFERA … NA ATMOSFERA SOBRE O CRESCIMENTO E DESENVOLVIMENTO DAS PLANTAS Disciplina: Fundamentos de Ecologia e Modelagem Ambiental
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
EFEITOS DO AUMENTO DA CONCENTRAÇÃO DE CO2
NA ATMOSFERA SOBRE O CRESCIMENTO E
DESENVOLVIMENTO DAS PLANTAS
Disciplina: Fundamentos de Ecologia e Modelagem Ambiental
Professores: Dalton M. Valerian, Silvana Amaral, Eduardo Arraut
Juliana Paiva Nunes Kury
INTRODUÇÃO
• Previsões R4 IPCC (2007), a concentração atmosférica global de CO2
• aumentou de um valor pré-industrial de ~ 280 para 379 ppm em 2005
• até meados deste século pode chegar a 720 ppm
• Modelos (IPCC): projetam aumento da temperatura da superfícieterrestre da ordem de 1º a 3,5º C até 2100
• Velocidade das alterações pela intensificação do efeito estufa é maiorque qualquer outra mudança que tenha ocorrido nos últimos 10.000 a.
• somada ao estresse provocado nos últimos dois séc. pelo homem, podeultrapassar a capacidade de regeneração dos ecossistemas à perdasignificativa de espécies
Principais impactos como função do aumento da mudança da temperatura global média
1 Significativo: mais de 40%. IPCC, 2007
FOTOSSÍNTESE
• Processo pelo qual as plantas fixam o CO2 e o incorporam à sua biomassa
• Resulta: liberação de O2 e na captura de CO2 da atm., utilizado para sintetizar C
• Em geral, o processo é analisado:
• fotoquímica: a) na produção do agente redutor (NADPH); b) liberação do O2 comosubproduto da dissociação da molécula da água; e c) formação de ATP, por meio docomplexo ATP-sintase
• química: CO2 é fixado e reduzido até carboidratos
• Por meio do processo de respiração, os carboidratos e outros constituintescelulares são convertidos em CO2 e água com a liberação de energia
processos importantes na regulação dos teores de O2 e CO2 da atm. terrestre
• As plantas podem ser classificadas em três grupos de fixação de CO2
• C3: o 1º composto estável formado é um composto de 3 carbono
• C4: algumas sp. de gramíneas (cana de açúcar e milho) capazes de fixar
CO2 em compostos de 4 carbono, além de executarem o ciclo C3
• CAM (metabolismo ácido crassuláceo): algumas sp. de plantas em
regiões áridas (cactáceas)
• abrem seus estômatos somente à noite, quando fixam CO2 pelo mecanismo
C4, e fecham durante o dia para evitar a perda excessiva de água, pelo ciclo C3
SISTEMAS FOTOSSINTÉTICOS
Processo de fixação do C:
1) carboxilação, catalisada pela enzima Rubisco; 2) redução, utiliza o NADPH e ATP;
3) regeneração do aspertor de CO2; e 4) síntese de produtos
a) carboxilação o CO2 é adicionado a um açúcar de 5 carbonos, a ribulose 1,5-
bifosfato (RuBP) para formar duas moléculas de ácido fosfoglicérico (PGA) de 3
carbono (reação catalizada pela rubisco)
b) PGA é convertido (reduzido) a um açúcar de 3 carbono (Triose-P), o aspertor inicial
de CO2 (RuBP) é regenerado para posteriores reações de fixação
c) Produtos finais: açucares e outros carboidratos
• Rubisco: que atua como uma carboxilase, também apresenta uma atividade oxigenase* - O2 e
o CO2 competem pela mesma enzima – RuBP
* etapa inicial da fotorrespiração - processo que reduz a fixação de CO2 e o crescimento
SISTEMA FOTOSSINTÉTICO “C 3”
SISTEMA FOTOSSINTÉTICO “C 4”
1) CO2 reage com o fosfoenolpiruvato, via
enzima PEPcarboxilase para formar o
oxalacelato (ácido com 4 átomos de carbono)
2) oxalacelato são transportados até cél.
bainha, onde são carboxilados, liberando CO2
e produzindo piruvato
3) CO2 é liberado e refixado via C3
4) piruvato retorna as células mesofílicas, onde
é convertido em fosfoenolpiruvato,
regenerando o aceptor inicial do CO2 (p/
posteriores reações de fixação)
estrutura nas folhas caracterizada por um feixe vascular bemdesenvolvido
A alta atividade carboxilativa da PEPcarboxilase assegura uma alta [CO2] nascélulas da bainha predominando a atividade carboxilase e uma menor taxa defotorrespiração
C4 têm desempenho constante em
temperaturas (entre 10 e 40ºC) - C3
apresentam uma queda linear em
desempenho (aumenta a temperatura)
C3 levam vantagem até ~ 25ºC, mas devido
ao fato das C4 não apresentarem queda de
rendimento em temperaturas mais altas,
passam a ter maior eficiência relativa acima de
25ºC
Rendimento quântico equivale ao nº de moles de CO2 absorvido pelo nº do quanto écaptado
Quando se compara rendimento quântico de plantas C3 e C4 em diferentes temperaturas
SISTEMAS FOTOSSINTÉTICOS: “C3 x C 4”
Cél. bainha do feixe vascular taxas de absorção de CO2 são muito mais altas, pois o sistema pode armazenar mais C
Plantas C4
• lidam melhor com temperaturas mais altas
• permitem que seus sistemas de captação de luz possam suportarintensidades luminosas bem maiores
• são mais eficientes em lidar com a água
• maior eficiência em captar e armazenar C permite um gerenciamento
melhor da abertura estomática (processo fundamental no controle da transp.foliar)
• A [CO2] na qual a fotossíntese liquida se iguala a zero* é menor mecanismo de alta [CO2]
SISTEMAS FOTOSSINTÉTICOS: “C3 x C 4”
C3 C4
Temperatura ótima 20 - 25 30 -45
Saturação de luz 400 - 500 > 2000 (μmoles)
Taxa transpiração 500 - 1000 200 - 350
Efic. quântica x temperatura diminui estável
Fotorrespiração SIM NÃO
* Ponto Compensação CO2 20 - 100 0 – 5
C 3
C 4
Níveis atuais de
CO2
2x CO2
C4 são mais eficientes para os
níveis atuais de CO2, mas por outro
lado as C3 respondem mais
positivamente a um aumento de
CO2
A resposta da taxa fotossintética de
milho (C4) a concentrações crescentes
de CO2 é de saturação a uma
concentração ~ 450 ppm, enquanto a
taxa fotossintética de trigo (C3) satura
a uma concentração de 850 ppm
Curvas de respostas da fotossíntese à incrementos na concentração de CO2
SISTEMAS FOTOSSINTÉTICOS: “C3 x C 4”
estômatos: estruturas celulares que estabelece
comunicação do meio interno com a atmosfera,
constituindo-se um canal para troca de gases e a
transpiração do vegetal
SISTEMAS FOTOSSINTÉTICOS: “C3 x C 4”
• condutância estomática (quanto que o estômato de certa forma permite que entre CO2)
• C3 é maior que da C4
• C3 trabalha com uma atmosfera interna no estômato (210 – 280 ppm), a C4 com uma [CO2] (120 – 150 ppm)
• se aumenta a [CO2] favorece mais a planta C3, pois precisa de uma atmosfera mais concentrada de CO2 na câmara subestomática
AquecimentoGlobal e Cenários Futurosda Agricultura Brasileira
CANA-DE-AÇUCAR (C4)
• cultura que mais pode ser
favorecida com o aquecimento
globalAno Área total
2006 (base) 6 milhões ha
2020 + 16 milhões ha
2070 - 13 milhões ha
SOJA (C3)
• mais deve sofrer com a elevação da temp.
• simulações: regiões ao sul e no cerradonordestinos serão fortemente atingidas
Ano Produção
2006 (base) 52 milhões t
2020 - 21,6 a 23,6%
2050 - 29,6 a 34,1%
2070 - 41,4 %
redução da área apta ao plantio
RESPOSTAS DAS PLANTAS A ATMOSFERA ENRIQUECIDA DE CO2
• Efeitos diretos: incrementos na disponibilidade de substrato para a fotossíntesee na produtividade primária das plantas pela ação do CO2 como “fertilizanteatmosférico”
• Efeitos indiretos: relacionado às alterações climáticas, principalmente noincremento da temp. - pode afetar a fisiologia e a produtividade das plantas
• fotossíntese: 1) aumento da atividade RUBISCO via estímulo da carboxilação e inibiçãoda oxigenação da RuBP; 2) Redução da abertura estomática; 3) alteração darespiração
• fisiologia e crescimento: 1) fotossíntese líquida e respiração; 2) condutânciaestomática e a eficiência do uso da água; 3) alocação de carbono e crescimento; 4)estrutura da planta e fenologia; 5) concentração de nutrientes na planta
EFEITOS DAS MUDANÇAS CLIMÁTICAS SOBRE A SUCESSÃO ECOLÓGICA
• Perda e fragmentação de habitats devido às mudanças no uso e cobertura da
terra aliado a altas taxas de emissão dos GEE compõem um quadro de ameaça
à biodiversidade global
• conhecer o processo de sucessão ecológica auxilia na compreensão dos mecanismos
de resistência e resiliência das florestas
permitindo o monitoramento dos possíveis efeitos das mud. climáticas sobre a biodiv.
• As florestas podem desempenhar um papel fundamental na mitigação dos
impactos decorrentes do aumento das [CO2 ]
• captando carbono através da fotossíntese e transformando-o em biomassa
RESPOSTAS DAS PLANTAS BRASILEIRAS A UMA ELEVAÇÃO NA
CONCENTRAÇÃO ATMOSFÉRICA DE CO2
Marcos Aidar (2002)
• estudou o comportamento de plântulas de Hymenaea courbaril
• Jatobá: espécie secundária tardia/clímax
• sementes recém germinadas foram cultivadas em câmaras de topo abertocom [CO2]: 360 e 720 ppm
RESPOSTAS DAS PLANTAS BRASILEIRAS A UMA ELEVAÇÃO NA
CONCENTRAÇÃO ATMOSFÉRICA DE CO2
Marcos Aidar (2002)
• Comparação entre plântulas crescendo em atmosfera de CO2 mostraram:
• aumento significativo em área foliar
• fotossíntese foi significativamente aumentada em [CO2] elevada
• De acordo com os resultados, parece que as plantas crescidas sob
concentrações enriquecidas de CO2 não aclimataram
• sob as condições climáticas previstas com base nos níveis atmosféricos atuais, plântulasde jatobá deverão estabelecer mais rapidamente em seu ambiente natural
* redução na capacidade fotossintética da planta para responder ao incremento do CO2 atmosférico
• analisados os efeitos da alteração do CO2 na atmosfera (720 ppm)
• Jatobá: sp. de estágio avançado de sucessão ecológica
• Observado: além de aumentar a fotossíntese, há também um grande aumentonos teores de sacarose, amido e celulose nas folhas e caules
• redução significativa no índice estomático (em plantas cresceram CO2 elevado)
analisadas folhas de espécies de herbário (coleta no início do séc. XX)
- indicaram que folhas de 1919 e 1959 apresentaram o dobro do índice estomático emcomparação com as folhas de plantas atuais e incubadas em alto CO2.
RESPOSTAS DAS PLANTAS BRASILEIRAS A UMA ELEVAÇÃO NA
CONCENTRAÇÃO ATMOSFÉRICA DE CO2
Paula M. F. Costa (2005)
"Efeitos da Alta Concentração de CO2 sobre o Crescimento e o Estabelecimento de Plântulas do Jatobá demata - Hymenaea courbaril l. Var. Stilbocarpa (heyne) Lee & Langenheim (Leguminosae, caesalpinioideae)”
• Resultados: sinal de aclimatação da planta, que vem diminuindo sua capacidade
total de entrada de CO2 ao longo de um período que a [CO2] aumentou
• Como a redução do nº de estômatos ocorreu simultaneamente com um
aumento no fluxo de C, é provável que os dois fenômenos estejam relacionados
• Observado que o teor de amido das folhas está aumentando significativamente
• confirmar a hipótese de que o fluxo de carbono é maior quando a planta cresce em CO2
elevado
RESPOSTAS DAS PLANTAS BRASILEIRAS A UMA ELEVAÇÃO NA
CONCENTRAÇÃO ATMOSFÉRICA DE CO2
Paula M. F. Costa (2005)
• Plantas submetida [CO2]: 380 e 720 ppm
• ao longo de 67 dias foram realizadas medidas de crescimento
• Resultado - plantas crescidas em alta [CO2]
• menor altura, o que coincidiu com o menor investimento no caule.
• maior número de folhas (relacionado à maior retenção das folhas antigas (menortaxa de queda de folhas) e não devido a uma maior produção de folhas novas)
• maior taxa de assimilação de CO2 saturada de luz
• Final do experimento as plantas tiveram um aumento de biomassa ~ 60%
• sp. indicada para programas de sequestro de carbono em curto prazo (plantaspossuem um ciclo de vida curto)
RESPOSTAS DAS PLANTAS BRASILEIRAS A UMA ELEVAÇÃO NA
CONCENTRAÇÃO ATMOSFÉRICA DE CO2
Mauro A. Marabesi (2007)
(Efeito do alto CO2 no crescimento inicial e na fisiologia da fotossíntese em plântulas Senna alata (L.) Roxb.)
Sesbania virgata
Schyzolobium
parahyba
Dalbergia nigra
Hymenaea Courbaril
50-100 a.
>100 a..
5 a 10 anos
Piptadenia gonoacantha
RESPOSTAS DAS PLANTAS BRASILEIRAS A UMA ELEVAÇÃO NA
CONCENTRAÇÃO ATMOSFÉRICA DE CO2
João R. Leme de Godoy (2007)(Ecofisiologia do estabelecimento de leguminosas arbóreas da Mata
Atlântica, pertencentes a diferentes grupos funcionais, sob atmosfera
enriquecida com CO2: uma abordagem sucessional)
25-30 anos
compreender como o CO2 poderá influenciar no estabelecimento das plântulas de sp. Leguminosae (M. Atlântica)
- sob atmosfera natural (370) e enriquecida com CO2 (720 ppm)
- sp. estágios distintos na sucessão ecológica
• CO2 elevado: respostas dependeram da sp., parâmetro e fase doexperimento
• sp. (geral):
• maiores valores: altura, área foliar, taxa de crescimento relativo inicial,assimilação líq. de CO2, eficiência de uso da água e capacidade fotossintética
• Análise:
• sp. iniciais na sucessão (S. virgata, S. parahyba) apresentaram maiores valores
• as taxas iniciais de crescimento relativo• nº de folhas em torno dos 40 dias• assimilação líquida de CO2• incremento percentual na capacidade fotossintética e no acúmulo de biomassa
• menores valores: os incrementos percentuais na assimilação líq. de CO2 e naredução da taxa de carboxilação da Rubisco
RESPOSTAS DAS PLANTAS BRASILEIRAS A UMA ELEVAÇÃO NA
CONCENTRAÇÃO ATMOSFÉRICA DE CO2
João R. Leme de Godoy (2007)
• Resultados evidenciaram:
• ciclos de vida mais curtos, as maiores densidades populacionais, as
madeiras de menor densidade e o quadro oposto apresentado pelas
espécies secundárias tardias indicaram:
• os diferentes grupos funcionais podem, no longo prazo, garantir maior
estabilidade do seq. de C em relação às sp. isoladamente
RESPOSTAS DAS PLANTAS BRASILEIRAS A UMA ELEVAÇÃO NA
CONCENTRAÇÃO ATMOSFÉRICA DE CO2
João R. Leme de Godoy (2007)
• De maneira geral:
• sp. pioneiras crescem rápido e sequestram grandes quantidades de C rapidamente - assp. de crescimento mais lento seq. menos C no mesmo período, porém vivem mais
floresta tropical em regeneração seq. C continuamente por um longo período
• Dados obtidos: calcular o desempenho fisiológico em alto CO2 de formacomparada:
• sp. intermediárias, principalmente o Piptadenia gonoacanta (pau-jacaré), têm umdesempenho fisiológico melhor em relação às demais espécies
o aumento na [CO2] tem o potencial de afetar o processo de sucessão ecológica por meio da melhora no desempenho fisiológico de algumas sp. (estágio
intermediário) em relação às demais (iniciais e secundárias tardias)
EFEITOS DAS MUDANÇAS CLIMÁTICAS SOBRE A SUCESSÃO ECOLÓGICA
Figura. Padrão quantitativo hipotético de sequestro de C0 por sp. de leguminosas pioneiras, secundárias iniciais etardias. A linha tracejada é a soma das taxas de sequestro de cada grupo funcional.
“Modelo Especulativo”: potenciais de aumento de sequestro de C em alto CO2 por sp.
de Leguminosae (diferentes grupos funcionais) ao longo de toda a vida
• pretende sugerir que vale mais a pena usar um modelo de sucessão do que sp.
isoladas
• o conjunto de plantas crescendo seq. significativamente mais C do que em modelos onde
se usa somente uma sp.
esses dados ainda possuem incertezas, pois o único
efeito avaliado foi o da [CO2]
quais seriam os efeitos da temperatura e de variações na
disponibilidade hídrica???
EFEITOS DAS MUDANÇAS CLIMÁTICAS SOBRE A SUCESSÃO ECOLÓGICA