PARTICIPACIÓN DE LOS MICROORGANISMOS EN LOS CICLOS VITALES DE LA BIOSFERA

Transcripción

1 PARTICIPACIÓN DE LOS MICROORGANISMOS EN LOS CICLOS VITALES DE LA BIOSFERA océanos BIOSFERA hasta uno o dos m. de espesor continental hasta m. de atmósfera la materia viva es la causante de los mayores cambios geoquímicos la fuente de energía de estos cambios es el SOL la energía solar es captada por la fotosíntesis los organismos fotosintéticos sintetizan sus componentes orgánicos a partir de compuestos inorgánicos, CO 2 y agua (AUTÓTROFOS) que participan en el: CICLO DE MINERALIZACIÓN-DESMINERALIZACIÓN Minerales muerte ACTIVIDAD plantas muerte animales muerte microorganismos Aunque la mineralización puede realizarse de tres formas: combustión actividad respiratoria de los organismos superiores acción de los microorganismos los microorganismos son los de acción más importante en la biosfera. 80% de su OXÏGENO y 90% de su CO 2 provienen de esta actividad! Razones 1. DISTRIBUCIÓN: 1 Ha de tierra fértil de 15 cm. de espesor contiene3.000 kg. de microorganismos personas. 2. CAPACIDAD METABÓLICA POR UNIDAD DE PESO: BACTERIA δ = 1 g/cm 3 R SP ] B = 5000 m 2 /kg R SP ] HOMBRE = 2.4 m 2 / 80 kg = 0.03 m 2 /kg 2 µm veces inferior 1µm

2 3. TIEMPO DE GENERACIÓN θ (o duplicación de masa) bacterias y levaduras bacterias anaeróbicas hongos y algas pasturas pollos ganado hombre 10 a 120 min 1 a 5 días 2 a 6 horas 1 a 2 semanas 2 a 4 semanas 1 a 2 meses 0.2 a 0.5 años Una bacteria con θ = 20 minutos tardaría 24 horas en alcanzar una masa equivalente a la de la Tierra! CICLO DEL CARBONO Y DEL OXÍGENO Utilizando la energía solar del espectro visible (400 ~700 nm) los organismos fotosintéticos transforman compuestos inorgánicos oxidados del C de baja energía (CO 2, CO 3 =, CO 3 H - ), en compuestos orgánicos reducidos de alto contenido energético: Energía solar 2 H 2 O 4 H e - + O 2 (fotones) CO H e - CH 2 O + H 2 O CO 2 + H 2 O CH 2 O + O 2 energía hidrato solar de carbono La oxidación (respiración de vegetales, animales superiores y microorganismos y la combustión), son los procesos inversos: CH 2 O + O 2 RESPIRACIÓN combustión CO 2 + H 2 O + ENERGÍA

3 CICLO DEL CARBONO Y DEL OXÍGENO SOL COMPUESTOS O 2 = - CO 3,CO3 H ORGÁNICOS sales ANIMALES PLANTAS CO 2 MICROORGA- NISMOS H 2 O RESPIRACIÓN (combustión) FOTOSÍNTESIS

4 CO 2 disponible: - 3% del aire atmosférico M en los océanos CO H 2 O CO 3 H- + H 3 O + con las limitaciones: luz solar (no penetra más de 15 m) disponibilidades de N y P (lixiviados como PO 4 y NO 3 - ) Se fijan: 1.2 x ton/año de C en los océanos 1.6 x ton/año de C en tierra Retención de C: inorgánico: CO 3 Ca de rocas calcáreas orgánico: depósitos de protozoos, corales y moluscos, muertos o fósiles carbón, petróleo, gas lignina de las plantas resistente a acción microbiana por abundancia de grupos metoxilo: -CH 2 OH etc El C es uno de los principales componentes de la materia viva. Una de las hipótesis para explicar el origen de la vida sobre el planeta está basada en la presencia primitiva de CH 4, NH 3, H 2 O e H 2. La presencia de CO 2 en las aguas superficiales está afectada por la existencia simbiótica de ALGAS y BACTERIAS mg/l CONCENTRACIÓN DE O CONCENTRACIÓN DE CO 2 0 N 6AM M 6PM N Durante el período de luz solar brillante (6 AM 6 PM), las reacciones fotosintéticas ocurren a mayor velocidad: el agua se satura de O 2 más allá de la capacidad bacteriana para utilizarlo. A su vez, las algas requieren más CO 2 que el producido por la respiración bacteriana y emplean el CO 3 = con lo cual se disuelve más CO 2, aumenta la alcalinidad bicarbonato. Durante la noche, tanto bacterias como algas respiran aumentando [CO 2 ] y la acidez, CO 3 H 2. Esto se esquematiza en el siguiente ciclo.

5 CICLO DEL OXÍGENO Intercambio en el agua CO 2 O 2 fotosíntesis respiración algácea ATMÓSFERA bacteriana O 2 O 2, CO 2 CO 2 CO 2 O 2 disolución en el agua El tejido algáceo construido por fotosíntesis es metabolizado por organismos mayores que a su vez producen desechos también carbonados. La muerte y descomposición tanto de plantas como animales superiores lo transforma en alimento de bacterias que reciclan el C como CH 4 (las anaeróbicas) o como CO 2 (las anaeróbicas). Como estudiaremos luego, la solubilidad del oxígeno es una función no sólo de la temperatura sino de la presión atmosférica del lugar.

6 CICLO DEL CARBONO productos de compuestos digestión desecho orgánicos anaerobia y muerte de C 4 + metabolismo animal metano CH 4 digestión descomposición digestión oxidación y muerte aerobia metabolismo monóxido de vegetal CARBONO Carbono, Cº CO, C 2 + combustión completa hidratos dióxido de de C respiración Carbono, (CH 2 O) n CO 2, C 4 + fotosíntesis vegetal directa ALCALINA fotosíntesis DOMINIO neutralización indirecta IÓNICO CO 3 H - = CO 3 ÁCIDA oxidación Prácticamente todas las aguas naturales tienen un ph entre 6 y 8.2, caracterizado por el equilibrio: CO 3 H - CO 3 = Si el ph excede de 8.2 y la alcalinidad carbonato aparece, se restablece el equilibrio mediante la adición de CO 2, procedente de la atmósfera o de la respiración de los organismos acuáticos este efecto tampón puede alterarse por la descarga de desechos industriales.

7 CICLO DEL NITRÓGENO plantas excrementos microorganismos animales NO 3 - fijación simbiótica de N 2 desnitrificación fijación no simbiótica de N 2 amonificación microbiana N 2 NH 3 nitrificación desnitrificación nitrificación NO 2 - NITRIFICACIÓN NH 3 a NO 2 - NO 2 - a NO 3 - Nitrosomas sp. Nitrobacter sp. DESNITRIFICACIÓN 2 NO H e - N 2 + H 2 O Micococcus denitrificans Thiobacillus denitrificans FIJACIÓN SIMBIÓTICA FIJACIÓN NO SIMBIÓTICA Rhizobium (leguminosas) Azotobacter Clostridium Desulfovibrio

8 las plantas asimilan NO 3 - y NH 3 en la medida en que lo necesitan. los compuestos nitrogenados sintetizados por las plantas son alimento de los animales (cadena trófica); una parte se asimila y otra es excretada como: NH 3 (invertebrados) OH N NH C O ácido úrico (reptiles, aves) HO NH N Úrico, Ácido, compuesto nitrogenado, blanco, inoloro e insípido, de fórmula C 3 H 4 N 4 O 3, que se forma en el cuerpo como resultado del metabolismo de las proteínas. Está presente en pequeñas cantidades en la orina humana, y en cantidades mayores en la orina de los pájaros y reptiles. El ácido úrico es muy poco soluble en agua e insoluble en alcohol y éter. Al calentarse forma urea, amoníaco y dióxido de carbono. La gota es el resultado de una alteración en el metabolismo del ácido úrico. Las piedras en los riñones formadas por sales de ácido úrico aparecen en personas con altos niveles de este ácido en la orina. NH 2 O C úrea (mamíferos) NH 2 Urea, compuesto cristalino incoloro, de fórmula CO(NH 2 ) 2, con un punto de fusión de 132,7 C, conocido tamb ién como carbamida. Se encuentra abundantemente en la orina de los humanos y otros mamíferos (véase Aparato urinario). En cantidades menores, está presente en la sangre, en el hígado, en la linfa y en los fluidos serosos, y también en los excrementos de los peces y muchos otros animales inferiores. La urea se forma principalmente en el hígado como un producto final del metabolismo. El nitrógeno de la urea, que constituye la mayor parte del nitrógeno de la orina, procede de la descomposición de las células del cuerpo, pero, sobre todo, de las proteínas de los alimentos. La urea está presente también en mohos de los hongos así como en las hojas y semillas de numerosas legumbres y cereales. Es soluble en agua y en alcohol, y ligeramente soluble en éter. La urea se obtiene mediante la síntesis de Wöhler, que fue diseñada en 1828 por el químico alemán Friedrich Wöhler. Debido a su alto contenido en nitrógeno, la urea preparada comercialmente se utiliza en la fabricación de fertilizantes agrícolas. La urea se utiliza también como estabilizador en explosivos de nitrocelulosa y es un componente básico de resinas preparadas sintéticamente..

9 el ácido úrico y la úrea son rápidamente mineralizados por grupos especializados de microorganismos. la fijación no simbiótica de N por Azotobacter requiere trazas de Mo (10-9 M, P.M. = 96). Importante descubrimiento relativo a la tecnología de fertilización de suelos. ORGANISMOS FIJADORES DE NITRÓGENO A. DE VIDA LIBRE FIJADORES DE NITRÓGENO Clostridium pasterianum Kulebsiella sp. Azotobacter vinelandii Rhodospi rillum sp. ALGAS AZULES (fotosíntesis) HÁBITAT suelos anaeróbicos suelos casi anaeróbicos suelos aerobios aguas estancadas de escaso O.D. lagunas de estabiliz. B. EN SIMBIOSIS FIJADORES DE NITRÓGENO Anabaena azollae Actinomycetes Rhizobium trifolii japonicum phaseoli ORGANISMO ASOCIADO Azolla Causarina Trébol Soja Haba HÁBITAT huecos de las hojas raíces Nódulos radiculares 100 kg SO 4 (NH 4 ) 2 21 kg de N Azotobacter: Rhizobium: 170 kg N / ha. año 500 kg N / ha. año (alfalfa)

10 CICLO DEL AZUFRE azufre reducido a la materia viva: SH -, S S plantas animales microorganismos volcanes SO 4 = Desulfivibio Thiobacillus SH 2 Oxidación oxidación de Sº de SH 2 Sº sulfobacterias fotosintéticas Thiocystis Sulfobacterias fotosintéticas Thiodycton Thiopedia CO SH 2 CH 2 O + H 2 O + 2 Sº Lamprocystis luz Chromatium Beggiatoa Thiothrir, etc Thiobacillus 3 CO Sº + 5 H 2 O 3 CH 2 O + 4 H SO 4 Desulfovibrio y B.S.R. SO 4 S = SH 2

11 LIXIVIACIÓN BACTERIANA Cu, Au, U, Ag Ejemplo Calcopirita S 2 CuFe Oxidación directa: 2 S 2 CuFe O 2 + SO 4 H 2 2 SO 4 Cu + (SO 4 ) 3 Fe 2 + H 2 O BACTERIAS Oxidación indirecta: S O 2 + H 2 O SO 4 H 2 BACTERIAS S 2 CuFe + (SO 4 ) 3 Fe 2 BACTERIAS SO 4 Cu + 3 SO 4 Fe + 2 S S 2 CuFe SO 4 Cu + (SO 4 ) 3 Fe 2 SO 4 H 2 S 2 CuFe S O 2 + H 2 O SO 4 Fe S = SO 4 H 2 Thiobacillus SH 2 SH 2 Desulfovibrio SO 4 H 2 S =

12 CICLO DEL FÓSFORO El P se encuentra como PO 4 en algunos minerales como la APATITA. Su presencia en el agua se debe a la descarga de los detergentes y fertilizantes y materia fecal. El aporte de P favorece el crecimiento de las algas y termina produciendo el fenómeno de EUTROFICACIÓN que estudiaremos en detalle P [g/m³ año] 10 - E U T R Ó F I C A M E S O T R Ó F I C A O L I G O T R Ó F I C A profundidad media [m] tiempo de retención hidráulica en [años] La disponibilidad de P, como formas solubles, es función del ph del agua: PO 4 H = fracción molar PO 4 H - 0 PO ph