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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]


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


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


• 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

Câmara Subestomática espaço

interno do estomato

http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Tomato_leaf_stomate_1-color.jpg

- Avaliou o impacto do aumento da temperatura sobre a agricultura

• cana-de-açúcar, soja, café, algodão, arroz, feijão, milho, girassol e

mandioca (86% das áreas plantadas)

• zoneamento climático (2007): simulados cenários agrícolas (2010,

2020, 2050 e 2070), levando em consideração cenários de

temperatura (IPCC):

o B2 (aumento de temp. 1,4 a 3,8º C) e A2 (2º a 5,4ºC) até 2100

Embrapa / Cepagri / Unicamp (2008)

Aquecimento global poderá provocar uma mudança significativa

no mapa da agricultura brasileira

• redução de áreas produtoras;

• prejuízos econômicos ~ R$ 7,4 bilhões (2020) - R$ 14 bilhões em2070

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



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.



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



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)



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



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



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



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)


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???


OBRIGADA !!!!

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