Produção Primária

A produtividade primária é um conceito chave na ecologia que se refere à taxa na qual a energia é capturada e armazenada pelos produtores primários em um ecossistema. Os produtores primários são organismos autotróficos, que têm a capacidade de produzir seu próprio alimento a partir de fontes inorgânicas de energia. Eles podem ser fotossintetizantes (plantas, algas e bactérias) e/ou quimiossintetizantes (bactérias e arqueias).

A produtividade primária é medida em termos de biomassa ou energia produzida por unidade de área e tempo, geralmente expressa em gramas de carbono ou energia (como calorias ou joules) por metro quadrado por ano (e.g., g m-2 dia-1, g m-3 dia-1, kg m-2 ano-1, cal m-2 ano-1, J m-2 ano-1). A taxa de produtividade primária pode variar dependendo das condições ambientais, como a disponibilidade de luz solar, nutrientes e temperatura.

Diferença entre produção e produtividade primária

A produção primária é a quantidade total de biomassa produzida pelos produtores primários, enquanto a produtividade primária é a quantidade líquida de biomassa produzida após subtrair a energia usada pelos produtores primários para suas próprias necessidades metabólicas. A produtividade primária é uma medida mais útil para avaliar a quantidade de energia disponível para a transferência para níveis tróficos superiores e para sustentar o funcionamento do ecossistema como um todo.

Importância da produtividade primária

A produtividade primária é fundamental para a sustentabilidade dos ecossistemas. Ela fornece a energia necessária para a sobrevivência e crescimento dos organismos, além de ser a base para a transferência de energia ao longo das cadeias alimentares. A produtividade primária também desempenha um papel importante na regulação do equilíbrio dos gases atmosféricos, como a absorção de dióxido de carbono durante a fotossíntese.

Portanto, a produtividade primária desempenha um papel fundamental na estrutura e funcionamento dos ecossistemas, e seu estudo contribui para a compreensão da dinâmica ecológica e da interação entre os organismos em um ambiente natural.

Produtores primários

Os produtores primários fotossintéticos, como plantas, algas e algumas bactérias fotossintéticas (e.g., cianobactérias, bactérias verdes sulfurosas, bactérias púrpuras, heliobactérias), convertem energia solar em energia química por meio do processo de fotossíntese. Eles utilizam dióxido de carbono, a água, a energia solar e pigmentos fotossintéticos (e.g, clorofila, secundariamente por carotenóides e ficobiliproteínas) para produzir glicose e oxigênio.

A equação geral simplificada da fotossíntese pode ser representada da seguinte forma: 6CO₂+ 6H₂O  → C₆H₁₂O₆+ 6O₂. Onde:

CO₂= Dióxido de carbono

H₂O = Água

C₆H₁₂O₆ = Glicose (carboidrato)

O₂ = Oxigênio (liberado como subproduto)

Embora os pigmentos fotossintetizantes não sejam explicitamente mencionados na equação simplificada da fotossíntese, eles são essenciais para a captura da energia solar e seu uso na síntese de compostos orgânicos durante o processo fotossintético. Os pigmentos fotossintéticos permitem que os organismos fotossintéticos absorvam a energia solar necessária para impulsionar as reações químicas e produzir glicose e oxigênio.

Nos mares e no oceano existem diversos tipos de organismos que realizam a atividade fotossintética e desempenham um papel ecológico semelhante ao das plantas terrestres. Entre os principais produtores primários no ambiente marinho, destacam-se o fitoplâncton, as macroalgas e as plantas vasculares de regiões costeiras, como as gramíneas marinhas.

Além dos produtores primários fotossintetizantes, existem também os quimiossintetizantes (e.g., bactérias quimiossintetizantes, bactérias nitrificantes e arqueias metanogênicas). Esses organismos obtêm energia a partir da oxidação de compostos inorgânicos, como sulfetos e compostos de amônia, em vez de utilizar a energia solar na fotossíntese. Eles são encontrados em ambientes onde a luz solar é limitada ou ausente, como fontes hidrotermais submarinas e ecossistemas profundos do oceano. Desempenham um papel importante na produtividade primária nessas áreas, convertendo a energia química disponível em moléculas orgânicas:

CO₂ + O₂ + compostos químicos oxidáveis → Carboidratos + H₂O + subprodutos

Onde:

Compostos químicos oxidáveis referem-se a substâncias inorgânicas ricas em energia, como sulfetos (por exemplo, H₂S), compostos de amônia (por exemplo, NH₃) ou compostos de ferro (por exemplo, Fe²⁺).

Tipos de produtividade primária:

Existem dois principais tipos de produtividade primária: a produtividade primária bruta (PPB) e a produtividade primária líquida (PPL). A PPB refere-se à taxa total de produção de biomassa pelos produtores primários, enquanto a PPL é a PPB menos a energia gasta pelos produtores primários na respiração celular.

Abaixo são descritas algumas fórmulas relacionadas à produtividade primária. Elas ajudam a quantificar e avaliar a produção e o fluxo de energia nos ecossistemas, contribuindo para o entendimento do funcionamento e equilíbrio ecológico.

- Produtividade Primária Bruta (PPB):

A Produtividade Primária Bruta é a taxa total de produção de biomassa pelos produtores primários em um ecossistema.

PPB = P + R

Onde:

P = Produção de Biomassa pelos Produtores Primários

R = Respiração dos Produtores Primários

- Produtividade Primária Líquida (PPL):

A Produtividade Primária Líquida é a quantidade de biomassa produzida pelos produtores primários após a dedução da energia gasta pelos produtores primários em suas próprias atividades metabólicas.

PPL = PPB - R

Onde:

PPB = Produtividade Primária Bruta

R = Respiração dos Produtores Primários

Eficiência de Conversão de Energia (E):

A Eficiência de Conversão de Energia representa a proporção da energia capturada pelos produtores primários que é convertida em biomassa.

E = (P / I) x 100

Onde:

P = Produção de Biomassa pelos Produtores Primários

I = Energia Incidente (energia solar disponível)

Produtividade Primária por Unidade de Área (PPA):

A Produtividade Primária por Unidade de Área é a quantidade de biomassa produzida pelos produtores primários em um determinado período de tempo por unidade de área.

PPA = P / A

Onde:

P = Produção de Biomassa pelos Produtores Primários

A = Área

Fatores que afetam a produtividade primária

Vários fatores ambientais podem influenciar a produtividade primária de um ecossistema. A disponibilidade de luz solar é um fator crítico para os autótrofos, pois a fotossíntese depende da energia solar. A temperatura também é importante, pois afeta a taxa de reações químicas na fotossíntese. O aumento da temperatura pode aumentar a taxa de fotossíntese em certos limites, mas temperaturas extremas podem inibir o processo. A disponibilidade de nutrientes, como nitrogênio, fósforo, potássio e micronutrientes (e.g., ferro, zinco, manganês, cobre, molibdênio e boro), é essencial para o crescimento dos produtores primários. O nitrogênio é um dos nutrientes mais importantes para as plantas e as algas. É um componente essencial dos aminoácidos, proteínas e clorofila. O fósforo é necessário para a síntese de ATP (adenosina trifosfato), que é a principal molécula de energia usada nas reações químicas da fotossíntese. O fósforo também está envolvido na transferência de energia e na síntese de ácidos nucleicos e fosfolipídios. O potássio desempenha um papel vital na regulação do balanço hídrico nas plantas, na ativação de enzimas e na síntese de proteínas. A disponibilidade de potássio influencia a taxa de fotossíntese, o crescimento das plantas e a resistência a estresses ambientais. Outro micronutriente importante é o ferro dissolvido na água. Em áreas com grande concentração de nutrientes e de luz solar podem apresentar baixa produtividade primária, devido a baixas concentrações de ferro. Exemplo disto são as regiões conhecidas como Altos Nutrientes, Baixa Clorofila (do HNLC - do inglês High Nutrient, Low Chlorophyll), como ocorre em determinadas áreas do oceano Austral 1,2, 3. Mas, de modo geral, durante o verão, as águas austrais apresentam produtividade primária alta. O ferro é considerado um micronutriente limitante em muitas regiões oceânicas porque desempenha funções vitais em várias etapas da fotossíntese, como durante a) o Fotossistema II (PSII), b) a fixação de CO₂ (ferro está envolvido na envolvido na enzima ribulose-1,5-bisfosfato carboxilase/oxigenase -Rubisco, responsável pela fixação do CO₂ atmosférico durante a fase de fixação de carbono da fotossíntese), c) a síntese de clorofila e de  enzimas e processos metabólicos. Outros fatores, como a disponibilidade de água, o pH do ambiente, concentração de dióxido de carbono, interações bióticas, condições climáticas (e.g., eventos extremos – secas, inundações, tempestades e mudanças sazonais) também podem desempenhar um papel na produtividade primária.

Variações na produtividade primária

A produtividade primária pode variar amplamente em diferentes ecossistemas. Ecossistemas aquáticos, como lagos e oceanos, geralmente têm uma produtividade primária maior do que ecossistemas terrestres. Dentro de um ecossistema, a produtividade primária também pode variar sazonalmente, dependendo de fatores como mudanças na disponibilidade de luz e nutrientes. Além disso, observa-se variações latitudinais da produtividade primária. A produtividade primária é elevada em áreas tropicais, próximas à linha do Equador, devido à disponibilidade de luz solar ao longo do ano, temperaturas elevadas e uma maior quantidade de nutrientes trazidos pelas correntes oceânicas. Nas regiões temperadas, localizadas entre as latitudes médias e altas, a produtividade primária marinha é moderada. Essas áreas têm variações sazonais mais pronunciadas devido às mudanças nas condições climáticas, como temperatura e disponibilidade de luz solar. As regiões polares, próximas aos polos Norte, apresentam baixa produtividade primária marinha, principalmente durante o inverno. Isso ocorre devido a condições climáticas extremas, como temperaturas frias, longos períodos de escuridão no inverno e a presença de gelo marinho, que limita a entrada de luz solar e a disponibilidade de nutrientes. Mas, ressalta-se que durante o verão, as regiões polares podem apresentar florescimento fitoplanctônico elevado. Isso se deve a uma combinação de fatores, como disponibilidade de nutrientes, derretimento sazonal do gelo marinho, polínias (áreas de água aberta) e fotossíntese sob o gelo. Esses fatores permitem a entrada de luz solar e a disponibilidade de nutrientes para sustentar a fotossíntese e, consequentemente, a produtividade primária.