MODULO I: ENERGÍA Y CICLOS BIOGEOQUÍMICOS

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María Jesús Murillo Ortiz
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1 MODULO I: ENERGÍA Y CICLOS BIOGEOQUÍMICOS Características moleculares del agua. Material particulado y disuelto. Gases disueltos. Oxígeno; procesos físicos y biológicos; perfiles. Otros gases. Potencial redox. Composición iónica. Conductividad y salinidad. Balance iónico. Hidrodinámica Óptica Energía térmica Gases Composición iónica Carbono Nitrógeno Fósforo

Oxígeno; procesos físicos y biológicos; perfiles. Otros gases. Potencial redox.

2 El ESTUDIO de las CARACTERÍSTICAS FÍSICO-QUÍMICAS (ABIÓTICAS) de un CUERPO de AGUA PERMITE: CARACTERIZAR el TIPO de AMBIENTE EVALUAR la CALIDAD del AGUA CONOCER las CONDICIONES ECOLÓGICAS (naturales y modificadas) EXPLICAR PRESENCIA COMUNIDADES BIOLÓGICAS USOS versus CONSERVACIÓN PREDECIR su EVOLUCIÓN

AGUA CONOCER las CONDICIONES ECOLÓGICAS (naturales y modificadas) EXPLICAR

3 Flujo de Energía y reciclaje de materia Energía Solar AMBIENTE FÍSICO-QUÍMICO NUTRIENTES INORGÁNICOS Productores FUNCIONAMIENTO BÁSICO DE UN ECOSISTEMA Consumidores DESCOMPOSICIÓN DETRITUS Calor

INORGÁNICOS Productores FUNCIONAMIENTO BÁSICO DE

4 Organismos y medio físico-químico H 2 O

5 MOLÉCULA DE AGUA

6 MOLÉCULA DE AGUA PROPIEDADES del AGUA como SUSTANCIA y sus IMPLICANCIAS ECOLÓGICAS compuesto de mayor distribución en la Biosfera. domina la composición química de la materia orgánica. esencial en todos los procesos metabólicos. compuesto único en cuanto a su estructura molecular. confiere a los sistemas acuáticos propiedades particulares: - Tiempo de calentamiento/enfriamiento - Densidad anómala. Estratificación; hielo en superficie - Solubilidad de sustancias - Viscosidad: velocidad de precipitación de partículas energía de depredador para obtener presa

compuesto único en cuanto a su estructura molecular.

7 H 2 0= = hidruro de H FUSION EBULLIC. ALTO CALOR ESPECIFICO Kcal para aumentar 1 C a 1 g de agua Almacena grandes cantidades de calor sin variar mucho su T. Se calienta lentamente y se enfría lentamente.

Excelente solvente de sales Puentes de H (débiles y dinámicos)

8 + CLUSTERS: - + DIPOLO FUERTE Neutra pero parcialmente cargada (electrones más cerca del oxígeno). Excelente solvente de sales Puentes de H (débiles y dinámicos) entre el oxígeno y un H vecino. Sustancia altamente dinámica pero mantiene su integridad (H 2 O) n

9 ALTA TENSIÓN SUPERFICIAL Solo excedido por el Hg. Disminuye con la temperatura, sales y contaminantes. CONSECUENCIA REDUCE PÉRDIDA DE CALOR. PERMITE LA EXISTENCIA DE COMUNIDADES DE ORGANISMOS QUE VIVEN ASOCIADOS A ESA CAPA: NEUSTON Y PLEUSTON.

10 DENSIDAD (δ) ANÓMALA Hielo (0 C) (agitación térmica nula) Cambio de densidad

11 EXCELENTE SOLVENTE RADIO IONICO (r) Molécula no-iónica pero c/cargas separadas atrae y disuelve sustancias: Cristales iónicos (sales) La disolución de una sustancia en el agua es función de su atracción hacia el agua. La atracción aumenta con la carga iónica (Z) o valencia y disminuye con el radio iónico (r, tamaño) de la sustancia. AFINIDAD POR AGUA Z/r POTENCIAL IÓNICO POTENCIAL IONICO (Z/r) Z/r < 3 se disuelven (Ca, Mg, Na, K) SALES SOLUBLES Z/r > 3 < 12 forman hidróxidos y precipitan (I, Mn) Z/r > 12 se mantienen en solución (CO 3, NO 3, SO 4 / PO 4 ) HIDROXIDOS OXIANION CARGA IONICA (Z)

La atracción aumenta con la carga iónica (Z) o valencia y disminuye con el radio iónico (r, tamaño) de la sustancia.

12 EXCELENTE SOLVENTE

13 COMPUESTOS PRESENTES EN EL AGUA DISUELTO GASES O 2, CO 2, N µm NO GASEOSO inorgánico: iones orgánico: MOD (sales) (prod. descomp. sust. húmicas) PARTICULADO VIVO organismos PLANCTON DETRITICO orgánico: MOP TRIPTON SESTON inorgánico: sales pr.

14 POR TAMAÑO

15 GASES DISUELTOS O 2 OXÍGENO DISUELTO N 2 NITRÓGENO GASEOSO (Ciclo N) CO 2 DIÓXIDO DE CARBONO (Ciclo C) CH 4 METANO (Ciclo C) H 2 S GAS SULFHÍDRICO

16 OXÍGENO DISUELTO

17 OXÍGENO DISUELTO? BALANCE MOMENTÁNEO ATMÓSFERA FOTOSÍNTESIS CONSUMO METABÓLICO

18 OXÍGENO DISUELTO?

19 OXÍGENO DISUELTO

20 OXÍGENO DISUELTO TRANSPORTE EN PROFUNDIDAD DIFUSIÓN PASIVA (mínima) VIENTO

21 SOLUBILIDAD DEL OD OXÍGENO DISUELTO TEMPERATURA Ley de Solubilidad de los Gases La solubilidad de un gas es inversamente proporcional a la temperatura del medio TEMPERATURA

22 OXÍGENO DISUELTO TEMPERATURA

23 OXÍGENO DISUELTO TEMPERATURA % DE SATURACIÓN = OD medido x 100 OD teórico OD teórico = Cantidad de oxígeno en agua pura saturada con aire (equilibrio con la atmósfera) OD del lago < OD teórico = subsaturado OD del lago < OD teórico = sobresaturado Hipoxia = < 2-3 mg O 2 l -1

24 OXÍGENO DISUELTO PRESIÓN (Ley de Henry: La concentración varía con la presión, a temperatura constante ). ALTITUD PROFUNDIDAD CONCENTRACIÓN DE SALES Reduce la solubilidad del oxígeno exponencialmente. El agua dulce a 0 C contiene 2.8 mg l -1 más que el agua de mar.

25 AUMENTO FOTOSÍNTESIS OXÍGENO DISUELTO FACTORES BIOLÓGICOS REDUCCIÓN RESPIRACIÓN O 2 OXIDACIÓN BACTERIANA de la MATERIA ORGANICA CO 2 + H 2 O luz/n/p <CH 2 O>N/P + O 2

26 OXÍGENO DISUELTO AUMENTO FOTOSÍNTESIS REDUCCIÓN RESPIRACIÓN REDUCCIÓN de la TEMPERATURA O 2 AUMENTO de la TEMPERATURA DIFUSIÓN PASIVA OXIDACIÓN BACTERIANA de la MATERIA ORGÁNICA

27 Oxígeno disuelto OXÍGENO DISUELTO CONTAMINACIÓN ORGÁNICA (materiales oxidables) Fuente Distancia a la fuente DBO: Demanda Bioquímica/Biológica de Oxígeno: - OD consumido en oscuridad a 20ºC en tiempo t (5 días) - Permite evaluar contaminación orgánica

28 Z Z mezcla Z PROFUNDIDAD: perfiles OD mg l -1 OD mg l -1 OD mg l -1 temp temp temp Lagos someros? PERFIL ORTÓGRADO PERFIL CLINÓGRADO POSITIVOS NEGATIVOS PERFILES HETERÓGRADOS Otros perfiles según actividad biológica de Autótrofos Heterótrofos

29 OXÍGENO DISUELTO CICLO DIARIO

30 OXÍGENO DISUELTO OXÍGENO DISUELTO CICLO DIARIO OLIGO TRÓFICO

31 CICLO ANUAL PRIMAVERA VERANO OTOÑO INVIERNO Oligotrófico: Eutrófico:

32 POTENCIAL REDOX Z (cm) Medida de la intensidad total de las condiciones oxidantes o reductoras en un sistema Refleja el balance entre procesos oxidativos y reductores Efecto en concentración de: C, O 2, N, P, S, Fe, Mg reductor 1 + oxidante 2 oxidante 1 + reductor 2 agua condiciones oxidantes sedimento pe (mv) condiciones reductoras

33 POTENCIAL REDOX Reducción de CO 2 (CH 2 O) n Protoplasma Oxidación de CO 2 e - e - Oxidación de H 2 O O 2 Reducción de H 2 O Fotosíntesis Respiración aeróbica Reducción de CO 2 (CH 2 O) n Protoplasma CO 2 Oxidación de H 2 O e - e - Fotosíntesis O 2 X (ej. SO 4 2- ) H 2 X (ej. H 2 S gas sulfhídrico) Respiración anaeróbica ej. bacterias facultativas anaeróbicas

34 COMPOSICIÓN IÓNICA

35 COMPOSICIÓN IÓNICA DE LAS AGUAS CONTINENTALES DISUELTO GASES O 2, CO 2, N µm NO GASEOSO inorgánico: iones orgánico: MOD (sales) (prod. descomp. sust. húmicas) PARTICULADO VIVO organismos PLANCTON DETRITICO orgánico: MOP TRIPTON SESTON inorgánico: sales pr.

36 COMPOSICIÓN IÓNICA Características del sistemas acuático Aspectos fisiológicos (ósmosis) Comunidades biológicas presentes Diversidad

37 IONES PRESENTES EN EL AGUA (Concentración de sales disueltas) Salinidad: concentración de sales (g l -1 ) Conductividad: capacidad para conducir corriente eléctrica (µs cm -1 ) Sólidos totales disueltos: peso del residuo seco a 105 C (mg l -1 )

38 MACROCONSTITUYENTES CATIONES Metales alcalinotérreos divalentes Ca ++ Mg ++ Metales alcalinos monovalentes Na + K + ANIONES Ácidos fuertes Cl - SO 4 = Ácidos débiles HCO 3-, CO 3 = Ca > Mg > Na > K > HCO 3 > SO 4 > Cl

39 CATIONES Ca(HCO 3 ) 2 CaCO 3 MgSO 4 KCl NaCl

40 ANIONES HCO 3 CaSO 2 FeS 2 NaCl MgCl SiO 4

41 ORIGEN COMPOSICIÓN Y SALINIDAD DETERMINADA POR: 1. Geología local ATMÓSFERA 2. Clima 3. Biota CUENCA 4. Tiempo de formación del suelo 5. Distancia al mar ACTIVIDAD BIOLÓGICA 6. Producción de aportes atmosféricos antrópicos 7. Metales traza y contaminantes orgánicos 8. Fertilizantes, aplicación de sales SEDIMENTOS

42 INFLUENCIA DE LA CUENCA Composición promedio (ug g -1 ) de rocas ígneas y sedimentarias Insolubles Solubles

43 APORTE DE IONES SEGÚN EL TIPO DE CUENCA

44 CO 3 Ca Mg > [] rocas solubles Si Al Fe < [] rocas insolubles

45 Lixiviación (ton km -2 año -1 ) Sedimentarias Igneas Promedio mundial Escorrentía (cm año -1 )

46 APORTE ATMOSFÉRICO Precipitación seca Lluvia Concentración de iones en agua de lluvia (mg l -1 )

47 ORIGEN COMPARATIVO DE IONES Precipitación Gas o aerosol Escorrentía desde cuenca Atmósfera Suelos/Rocas N, S, Cl, CO 2, SO 4 Ca, Mg, Na, K

48 Composición iónica típica del agua dulce BALANCE IONICO EN AGUA DULCE BALANCE IÓNICO Aniones % Cationes % HCO Ca SO Mg Cl - 10 Na + 15 K + 4 otros < 1 otros < 1

49 CLASIFICACIÓN SALINA DE LOS SISTEMAS

50 CONDUCTIVIDAD AL AUMENTAR LA CONCENTRACIÓN IÓNICA EN UNA SOLUCIÓN ACUOSA, DISMINUYE SU RESISTENCIA A CONDUCIR UNA CORRIENTE ELÉCTRICA. LA CONDUCTIVIDAD ES UNA MEDIDA DE ESA RESISTENCIA. Def.: "RECÍPROCA DE LA RESISTENCIA ELÉCTRICA ESPECÍFICA ENTRE DOS ELECTRODOS DE 1 cm 2 A 1 cm DE DISTANCIA" µmhos cm -1 o µsiemens cm -1 µs cm -1 (ms cm -1 ) AMBIENTE K (µs cm -1) AGUA PURA < 0.2 AGUA DULCE < 500 ESTUARIO 5,000 30,000 MAR 55,000 µs cm -1 = mg l -1 x

51 Conductividad (µs cm -1 ) Estación Represa EMBALSE RINCÓN DEL BONETE K (µs cm -1 ) DURAZNO Rio Negro Palmar Rio Yi

52 LAGUNA DE ROCHA

53 RESUMEN Principales materiales presentes en el agua. Factores físicos y biológicos que explican la concentración de oxígeno (temperatura, fotosíntesis y materia orgánica). Perfiles y ciclo anual/diario de oxígeno. Potencial redox Iones; Macroconstituyentes. Origen/Procesos/Relevancia. Composición iónica de las aguas dulces. Tipos de ambientes. Conductividad.

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