Ciclos BiogeoquĂmicos
Conceptos fundamentales • Ciclos de C, N, S y Fe • Procesos microbianos involucrados en cada etapa • Ambientes en que se produce cada etapa • Tipos de microorganismos que los llevan a cabo
La principales consecuencias de la actividad humana sobre el ambiente: alteraciones en los ciclos biogeoquímicos: - aumento de 30% en CO2 en los últimos 300 años - duplicación en la concentración de CH4 -duplicación de la velocidad de fijación de nitrógeno gaseoso en la tierra
Ciclos • Cambios de estado de oxidación • Cambios de estado de agregación
Procesos microbianos? Procesos anabólicos?
Procesos productores de energía? Fuente de energía?
Aceptor de electrones?
Ciclo del carbono • Reservorios de C: tamaño (Gigaton)tiempo de residencia (años) atmosfera 800 4 biosfera 610 16 hidrosfera 39,400 384 litosfera 50 x 107 15 x 107
• Principales procesos: • Producción primaria: síntesis de materia orgánica a partir de CO2 • Descomposición de materia orgánica a productos gaseosos: - Metano (metanogénesis) - Anhidrido carbónico (fermentación, respiración anaerobia o respiración aerobia)
CICLO DEL CARBONO EN ECOSISTEMA TERRESTRE
CICLO CARBONO AMBIENTE MARINO
ORGANISMOS EN EL CICLO BIOGEOQUIMICO DEL CARBONO
(CH2O)n Fotosintéticos oxigénicos
Respiradores aerobios
Quimiolitótrofos Metanotrofos
CH4
Metanogénicos
CO2
óxico anóxico Respiradores anaerobios: reductores de sulftato, desnitrificantes
Fotosintéticos anoxigénicos
(CH2O)n
Fermentadores
Produccion primaria por microorganismos: Fijaci贸n de CO2 Bacterias fotoautotrofas oxigenicas CO2 + H2O + luz
biomasa + O2
Bacterias fotoautotrofas anoxigenicas CO2 + S= + luz
biomasa + S0
Bacterias quimioautotrofas S= + O2 + CO2
biomasa + S0 + H2O
NH4+ + O2 + CO2
biomasa + NO2- + H2O
Distribución de la productividad primaria en distintos ecosistemas Principales productores primarios: •Fototrofos en ambientes acuaticos: microorganismos •Fototrofos en ambientes terrestres: plantas % de contribución a la productividad
Metano Metanogenicos: acetato
CH4 + CO2 + H2O + biomasa
CO2 + H2
CH4 + CO2 + H2O + biomasa
Metanotrofos: CH4 + O2
CO2 + H2O + biomasa
Estimación del CH4 liberado a la atmósfera Fuente
Cantidad de CH4 (106 ton anuales)
ganado
80 - 100
termitas
25 - 150
arroz irrigado
70 - 120
humedales naturales
120 - 200
rellenos sanitarios
5 - 70
océanos
1 - 20
tundra
1-
total biológico no biológico
5
302 - 715 53 - 155
Tyler, 1991
Importancia de bacterias metanogenicas y metanotrofas
Degradacion de materia organica: procariotas, hongos y levaduras
Respiradores aerobios: (CH2O)n + O2
CO2 + H2O + biomasa
Respiradores anaerobios: (CH2O)n + SO4=
S= + CO2 + H2O + biomasa (estricto)
(CH2O)n + NO3Fermentadores: (CH2O)n
NO2- + CO2 + H2O + biomasa (facultativo) lactato + acetato + CO2 + H2O + biomasa
Cambios en la energía libre de Gibbs bajo condiciones estándar Reacción
ΔGº´ (kJ)
CH3CH2COO- + 3H2O → CH3COO- + HCO3- + H+ + 3H2 +76,1 CH3CH2CH2COO- + 2H2O → 2CH3COO- + H+ + 2H2
+48,1
CH3CH2OH + H2O → CH3COO- + H+ + H2
+ 9.6
4H2 + HCO3- + H+ → CH4 + 3H2O
-135,6 (Thauer et al., 1977).
Es posible la degradacion (fermentacion) de butirato o propionato en ciertas condiciones ambientales? Log pH 2
-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
-50
ΔG´ (kJ/mol H2)
Degradación de butirato 2 degr.butirato
-40
-30
Formación de 3 formación de metano metano
Degradación de propionato 1 degr. propionato
-20
-10
Butirato a metano
Butirato a metano 0
10
Propionato a metano Propionato a metano
Variacion de la energia libre en funcion de la concentracion de hidrogeno
Transferencia de hidrógeno interespecies • Oxidación de butirato, propionato, acidos grasos de cadena larga, alcoholes a H2, CO2 y acetato acoplado a utilización de H 2. • Reductores de protones actuando simbióticamente con utilizadores de H2 (metánogénicos o sulfato reductores) • Relación simbiótica: Asociación sintrófica • Formación de gránulos con estrecha asociación entre generador y consumidor de H2 • Velocidad de crecimiento de sintróficos: lenta
Molécula y uso PCB (polychlorinated biphenyl): solvente, en transformadores y capacitores para transferencia de calor Dieldrin, lindano: pesticidas alquilbencenos e isómeros de nonil fenol: en detergentes
Persistencia en años 20 o mas en sedimentos 21 en suelo mas de 30 en acuíferos
CICLO DEL NITRÓGENO
Compuestos de nitrógeno en la biosfera Agua y suelo:
Atmósfera: • 80% N2
N
• 310 ppb N2O
N
• NO3-
O
N=N=O • NH3
• trazas de: NO2
O-N-O
NO
N=O
NH3
H-N-H H
O-N-O H-N-H H
• urea
H2N - C - NH2 O
• aminoácidos en organismos
Estados de oxidación del nitrógeno y procesos biológicas
Reducción • desasimilativa NO3- a NO2NO3- a compuestos gaseosos (N2 y N2O) (Desnitrificación) NO3- a NH4+ • asimilativa NO3- a NH4+ incorporado a la célula N2 a NH4+ Fijación de nitrógeno Oxidación
Procesos importantes en suelo y ecosistemas acuosos: • Fijación: - 85% es biológica, (60% en suelo y 40% en océanos) • Nitrificación: - en suelos: nitrato preferencialmente absorbido por plantas pero se pierde por lixiviación • Desnitrificación: - pérdida de N del ecosistema; es importante en suelos (20-30% del N agregado como fertilizante) - aplicación en el tratamiento biológico de efluentes
CICLO DEL AZUFRE • Estados de oxidación importantes en la naturaleza: -Sulfuro (S= )y sulfhidrilo (R-SH) -Azufre elemental -Sulfato Reservorios: -Minerales: sulfatos (yeso), sulfuros (pirita) -Océanos: sulfatos solubles e insolubles
Ciclo del S: procesos desasimilativos claves PROCARIOTAS • Oxidación de sulfuro y azufre S= → S0 → SO4=
aerobio
Quimiolitotrofos
anaerobio
fototrofas rojas y verdes y ciertos quimiolitotrofos
• Reducción de sulfato SO4= → S=
anaerobio
Sulfato reductoras
• Reducción de azufre S0 → S =
anaerobio
• Dismutacion de azufre S2O3= → S= + SO4=
muchas Archaea hipertermofilas
anaerobio
Desulfovibrio
• Desulfuricacion
=
CICLO DEL FÓSFORO = P
Rocas fosfatada s
Fosfato minero
Fertilizantes con fosfatos
Fosfatos del suelo
Erosión
Desechos animales y descomposición
Rocas fosfatadas
Plantas
Excreción y descomposición
Fosfatos disueltos
Animales Algas
Sedimentos marinos
El Ciclo del Fósforo en ambientes terrestres y acuáticos: El reciclado de fósforo como fosfato es lento, pues no hay una forma biológicamente importante que sea gaseoso. El fosfato que llega a ser parte de los sedimentos marinos puede tomar millones de años para solidificarse en rocas. Por medio de la erosión en áreas montañosas está nuevamente disponible para los organismos vivos. L.G.H.M
Bibliografía • Brock, Madigan, Martinko & Parker. 2000 Biología de los microorganismos, Prentice Hall • Grant, W. D. & Long P. E. 1989. Microbiología ambiental. Editorial ACRIBIA S. A.