Ciclos biogeoquímicos, concepto, importancia ambiental, rol de los microorganismos. Ciclo del agua. Ciclo del oxígeno.

Transcripción

1 Ciclos biogeoquímicos, concepto, importancia ambiental, rol de los microorganismos. Ciclo del agua. Ciclo del oxígeno. Clase 18 Microbiología Ambiental

2 Módulo 3 ü ü ü ü ü ü ü Ciclos biogeoquímicos, concepto, importancia ambiental, rol de los microorganismos. Ciclo del agua y ciclo del oxigeno. Ciclo del carbono. Relevancia del C. Reservorios. Ciclo redox. Principales flujos en el ciclo natural del carbono y sus alteraciones antropogénicas. El ciclo del C y la regulación climática. Rol de los microorganismos. Ej. Bomba microbiana de Carbono. Ciclo del Nitrógeno. Relevancia del N. Reservorios. Ciclo redox. Procesos naturales y antropogénicos. Rol de los mo. La cascada de Nitrógeno Ciclo del Azufre y del Fósforo. Relevancia del S. Reservorios. Ciclo redox del S. Procesos claves y rol de los mo. Relevancia del P. Reservorios. Procesos de transformación del P y rol de los mo. P en sistemas terrestres y acuáticos. Eutrofización. Impactos antropogénicos Microorganismos como indicadores de calidad ambiental. Calidad de agua, tipos de contaminantes, indicadores. Ejemplos de indicadores microbianos: coliformes, cianobacterias. Floraciones tóxicas. Indicadores ecológicos. Ej indicadores de calidad de suelo contaminado por hidrocarburos. Bioremediación. Ejemplos de uso de microorganismos como agentes de remoción de contaminantes. Bioremediación, tratamiento de efuentes. Aplicaciones de relevancia ambiental: Bio-tecnologías. ü Aplicaciones de relevancia ambiental: Bio-tecnologías. Control biológico. Líneas de investigación en el CURE 2

3 Qué son los ciclos biogeoquímicos? 3

4 Qué son los ciclos biogeoquímicos? Movimiento de elementos químicos (ej. C, N, O, H, S, P) entre los seres vivos y el ambiente (atmósfera, agua, suelo, sedimentos) mediante una serie de procesos de producción y destrucción que involucran cambios en los estados de oxidación de los elementos. 4

5 Qué son los ciclos biogeoquímicos? Origen común de todos los elementos, subset esencial (C, H, O, P, S). Los organismos están formados por los mismos elementos que toman del ambiente. Interacción hace que los organismos sean el principal motor de los ciclos biogeoquimicos. Los nutrientes circulan en los ecosistemas en ciclos. 5

6 Elementos requeridos para el crecimiento o Macronutrientes (C, N, P, H, O, S, K, Mg, Ca, Na, Fe) o Micronutrientes (Fe, Mn, Co, Cu, Cr, Mo, Ni, Se) o Factores de crecimiento (vitaminas, aminoácidos, purinas, pirimidinas). Los metales son requeridos en 2/3 de las enzimas responsables de los procesos metabolicos. 6

7 ROL de los elementos en procesos biológicos, especialmente microbiológicos 7

8 Microbiología Ambiental CURE

9 Micronutrientes y sus funciones a nivel celular 9

10 Importancia ciclos biogeoquímicos La mayor parte de las sustancias químicas de la tierra NO están en formas biodisponibles. Gracias a los ciclos biogeoquímicos, los elementos se encuentran disponibles para ser usados una y otra vez por otros organismos; sin estos ciclos los seres vivos se extinguirían. El término ciclo biogeoquímico se deriva del movimiento cíclico de los elementos que forman los organismos biológicos (bio) y el ambiente geológico (geo) e intervienen en un cambio químico. 10

11 Potencial de reducción (E 0 ) Donador H 2 + ½ O 2 H 2 O Aceptor Aceptar Donar 11

12 Ej.: Fijación de nitrógeno/ Desnitrificación N 2 + 8H + + 8e- NH 3 + H 2 NO 3 - NO 2 - NO N 2 O N 2 Antes del hombre era enteramente controlado por los microorganismos 12

13 Los nutrientes fluyen desde componentes del ecosistema no Ciclos vivos biogeoquímicos a los vivos y viceversa S 2 CO 2 N 2 O 2 PO 4 SO 4 Sedimentario Gaseoso O 2 CO 2 Hidrológico 13

14 Compartimientos del ecosistema Compuestos orgánicos Seres vivos Biósfera Compuestos orgánicos fósiles Depósitos en tierra y océanos Asimilación Desasimilación Combustión, erosión Agua. Aire, suelo Sedimentación Rocas, sedimentos marinos Compuestos inorgánicos accesibles Erosión meteorización Compuestos inorgánicos inaccesibles 14

15 Erosión de roca madre Ej. Balance de nutrientes en un sistema terrestre Ca, Fe, Mg, P, K A la atmósfera Por arroyos y ríos Ingresos Desde la atmósfera Caída con la lluvia Depósito de partículas sólidas Aportes hidrológicos CO 2, N, 2, O 2 Reciclado SO 4, NOx, Na, Mg, Cl, S Ca, K, S Egresos Escurrimiento y lavado Combustión Deforestación Actividades humanas: fijación de N, fertilización Cosechas Microbiología Ambiental CURE

16 Algunos asuntos a tener en cuenta en los procesos biogeoquímicos o Depósito : pool de materiales o Flujo : transferencia entre depósitos por udad de tiempo o Fuentes o Sumideros o Balance fuente-sumidero o Tiempo de renovación o Tiempo de residencia o Tiempo de respuesta Rodhe,

17 Lista de compuestos que impulsan los procesos biogeoquímicos en la biósfera Carbono 17

18 Azufre 18

19 Nitrógeno 19

20 Importancia de los microorganismos para los ciclos biogeoquímicos 20

21 Los procariotas constituyen una proporción muy importante de la biomasa = La biomasa de los procariotas se estima en 5x10 15 gramos de C equivalente a la biomasa vegetal total Además contienen 10 veces más N y P que toda la biomasa vegetal 21

22 Clasificación nutricional de los seres vivos Energía química Energía lumínica Oxidación de comp. orgánicos Oxidación de comp. inorgánicos Carbono orgánico Quimioorgano heterótrofo Quimiolito-heterótrofo Heterótrofo fotosintético CO 2 Quimiolito-autótrofo Autótrofo fotosintético 22

23 Ejemplos de reacciones de óxido-reducción llevadas adelante exclusivamente por microorganismos NO 3 - NO 2 - NO N 2 O N 2 (Desnitrificación) 2 NH O 2 2 NO H 2 O + 2 H + (Nitrificación) 2 NO O 2 2 NO 3 - NH 4+ + NO 2 - N 2 + 2H 2 O (Anammox) CH 2 O + CO 2 CO 2 + CH 4 (Metanogénesis) S + 1 1/2 O 2 + H 2 O SO H + (Oxidación de azufre/sulfuro) HS - + 2O 2 SO H + 2CH 2 O + SO H Fe 2+ + H + + ¼ O 2 CO 2 + H 2 S+ 2 H 2 O (Sulfatoreducción) Fe 3+ + ½ H 2 O (Oxidación del hierro) Microbiología Ambiental CURE

24 Ciclo del agua 24

25 Importancia o Esencial para la vida o Debido a su naturaleza puede cambiar de estado o Desgastar montañas, nubes, calentar los polos o Sin importar el lugar, la cantidad o la fase está en continúo movimiento o. Circulación de nutrientes o El ciclo incluye lugares de RESERVA (almacenada) y procesos por el cual FLUYE haciendo la vida posible en este planeta. 25

26 Distribución ü 71% superficie del planeta está cubierta por agua ü 2% está en hielo ü 97 % es mar ü 1 % es agua dulce superficial y subterránea 26

27 Agua en la Tierra 27

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29 29

30 Tomado de wood hole oceanographic institute 30

31 Ciclo del agua DEPÓSITO De corto y largo plazo, desde minutos a milenios. Contiene ~ 1.4 billones de km 3 Tomado de wood hole oceanographic institute 31

32 Ciclo del agua Procesos por los cuales fluye el agua única sustancia que puede existir en fase sólida, liquida y gaseosa bajo las condiciones diarias. Tomado de wood hole oceanographic institute Es el solvente 32 universal

33 Erupción volcanes: gdes cargas de vapor de H2O y la ceniza sirve como núcleos de condensación para la formación de nubes Agua subterránea: uno de los recursos renovables mas importantes. Algunos aquafireros contienen agua hace miles de años Uso humano: Agricultura usa el 70% del agua mundial, 22% la industria y 8% para beber Ríos y escorrentía: transportan sedimentos, material son el link entre la tierra y el océano. Mas de la mitad del agua de rios es derivado a uso humano Evapotranspiración: evaporación (cambio de liquido a gaseoso) y transpiración (h2o liberada por plantas). 15 % del agua que entra a la atm Evaporación océano: 85% Precipitación: menos de 1/3 de las lluvias ocurre en la tierra el resto ocurre en el océano Transporte viento: Mueve el vapor de agua y calor largas distancias en periodos relativamente cortos Sublimación: cambio de estado solido a gaseoso directo Corrientes: el viento crea corrientes, como por ejemplo la corriente del Golfo. Circulación termohalina: diferencias de Temperatura y Salinidad crean esta circulación q se conoce como la cinta transportadora. Fuentes hidrotermales: agua q se filtra y es calentada por el magma q además reacciona con las rocas y forma minerales q entran al océano y se mezclan (elementos trazas) 33

34 Intervención mínima de reacciones químicas; el agua se traslada de unos lugares a otros o cambia de estado físico. 34

35 Alteraciones ciclo del agua ü Construcción de presas, desviación ríos, arroyos Canalizaciones Alteración equilibrio entre agua dulce- agua salada Renovación agua subterranea debajo de ríos "alterados ü Desalinización (elevada demanda de E) ü Uso de suelo, deforestación. Pérdida de agua, no se filtra, no recarga acuíferos. Alteraciones Evapotranspiración, cambios en la humedad atm y posibilidad de aumento de lluvias en ese lugar. ü Contaminación de las aguas. Ej. Eutrofización 35

36 Consecuencias Por ej. Eventos climáticos extremos: ü Inundaciones ü Maremotos ü Huracanes 36

37 Ciclo del oxígeno 37

38 Oxígeno o Esencial desde el punto de vista metabólico y estrictamente químico 38

39 Factores físicos TEMPERATURA PRESIÓN SALINIDAD INVERSAMENTE PROPORCIONAL ALTITUD PROFUNDIDAD DIFUSIÓN Favorecida por régimen turbulento Forzada por agente externo REDUCCIÓN EXPONENCIAL VIENTO 39

40 Factores biológicos AUMENTO Fotosíntesis CONSUMO Respiración Oxidación de la materia 40

41 Ciclo del oxígeno El ciclo del oxígeno es la cadena de reacciones y procesos que describe la circulación del oxígeno en la biosfera terrestre Estrechamente ligado al ciclo del C 41

42 Presencia del O 2 en la atmósfera? FOTOSINTESIS RESPIRACIÓN La atmósfera primitiva tenía muy poco 0 2 Microbiología Ambiental CURE

43 Diversidad de organismos EUCARIOTAS fotosintéticos PROCARIOTAS -plantas -algas verdes, pardas y rojas pluricelulares -algas unicelulares (diatomeas, euglenoides dinoflagelados) -cianobacterias (verde-azuladas) -bacterias sulfurosas verdes y púrpuras (rojas) -bacterias no sulfurosas verdes y púrpuras (rojas) -heliobacterias 43

44 Significancia de los autótrofos bacterianos ü Synechococcus /ml ü Prochlorococcus /ml o Microorganismos marinos encargados de la mitad de la producción primaria total del planeta (Field et al 1998) o Bacterias fotosintéticas del océano producen aproximadamente la mitad del O 2 liberado 44

45 Las bacterias son responsables de >95% de la respiración en los océanos! del Giorgio & Duarte 2002 Las bacterias marinas son los grandes responsables del intercambio de oxígeno entre la atmósfera y los océanos 45

46 Importancia de los microorganismos o Generadores del O 2 en la atmósfera primitiva o Grandes controladores del flujo entre océano y atmósfera 46

47 Otra parte del ciclo natural del oxígeno que tiene un notable interés indirecto para los seres vivos de la superficie de la Tierra es su conversión en ozono. 47

48 El ozono-o 3 TROPÓSFERA: atmósfera baja, consiste en una manta, capa de gases que mantienen la T del planeta. Sin el efecto de estos gases (efecto invernadero) la T caería 33 grados C y el agua se congelaría. Greenhouse gases Vapor de agua CO 2 CH 4 N 2 O O 3 CFCs (clorofluorocarbonados) 48

49 Tomado de Environmental Microbiology: From Genomes to Biogeochemestry Debido a que los procesos microbianos están sujetos a los cambios en la T, probablemente contribuyan a las oscilaciones anuales. 49

50 Distribución del ozono 50

51 El ozono-o 3 Agujero de ozono situado sobre la ANTÁRTIDA Fenómeno anual observado durante la primavera polar, seguido de una recuperación en verano. La formación y destrucción del ozono por procesos naturales es un equilibrio dinámico que mantiene constante su concentración en la estratosfera. Sin embargo, se ha observado una reducción debido al uso de sustancias como aerosoles, esterilizantes, tetracloruros que son materia prima para la producción de CFC 51

52 Efectos de otros compuestos sobre el equilibrio en la concentración de ozono Combustibles fósiles NO + O 3 NO 2 + O 2 NO 2 + O NO + O 2 O 3 + O O 2 + O 2 Balance neto Cl 2 + UV Cl + Cl Cl + O 3 ClO + O 2 CFC + UV ClO + O Cl + O 2 O 3 + O O 2 + O 2 Balance neto 1 átomo de cloro puede destruir moléculas de ozono 52

53 CFC En la estratósfera se disocian por acción UV, liberan el Cl y dan inicio al proceso de destrucción del O 3. 53

54 CFC o Los CFC son derivados de hidrocarburos saturados obtenidos con sustitución de átomos de hidrogeno por átomos de flúor/cloro o Se emplean en la industria: refrigeración, aerosoles, cosechas de tabaco (pesticidas), catalizadores empresas farmacéuticas y agricultura. o Persistencia atm: 50 a 100 años Microbiología Ambiental CURE

55 Porque los agujeros están en los polos? 55

56 Protocolo de Montreal Convención de Viena Firma del Protocolo. Compromiso: reducción de emisiones de Clorofluorocarbonados a la mitad a fines del siglo XX Entrada en vigencia del Protocolo. 1990, 1992, 1997, Enmiendas Concentración de cloro en la atmósfera inferior llegó a un máximo En la estratósfera se espera que baje a partir del 2010 Recuperación del ozono dentro de 50 años. 56

57 En el 2015 «Los resultados de estudios científicos recientes ponen de manifiesto la importancia del Protocolo de Montreal. Sin el Protocolo y los acuerdos conexos, los niveles atmosféricos de sustancias que agotan la capa de ozono podrían haber aumentado diez veces para La acción concertada ha evitado millones de casos de cáncer de la piel.» Mensaje del Secretario General, Ban Ki-moon, con motivo del Día Internacional de la Preservación de la Capa de Ozono 16 de septiembre

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59 Próxima clase: Taller 2. Siguiente: Ciclo del carbono 59

60 Ozono troposférico: componente básico del esmog Microbiología Ambiental CURE