TEMA IX LOS CICLOS BIOGEOQUÍMICOS
ENTRADA RESERVORIO PRINCIPAL SALIDA PP FASE AMBIENTAL MO muerta descomponedores Suelo FASE BIOTICA Consumidores
Los ciclos biogeoquímicos describen el movimiento y la conversión de materiales por actividades bioquímicas mediante los cuales los elementos circulan por vías características entre la parte biótica y abiótica de la ecosfera. Los ciclos biogeoquímicos incluyen transformaciones Físicas: Disolución Precipitación Volatilización Fijación Y transformaciones químicas: Biosíntesis Biodegradación Biotransformaciones oxido-reductivas
Reactivos Oxidación Transferencia neta de energía Reducción Productos Productos Reactivos Energía perdida del sistema Ingreso de energía desde el exterior Compuestos de alta energía Compuestos de baja energía Pérdida de energía Pérdida de energía
LOS MATERIALES QUE FORMAN LOS ECOSISTEMAS Componentes mayoritarios de los organismos: C H O N P S Componentes minoritarios de los organismos: Mg K Na Halógenos Fe Mn Ca Elementos traza: B Co Cr Cu Mo Ni Se Sn V Zn Si
COMPARTIMENTO POZO Pozo depósito (componente grande, movimiento lento) Pozo de intercambio o de ciclo (componente pequeña, rápida circulación) Atmósfera Litosfera (rocas, sedimentos, minerales) CICLO GASEOSO CICLO SEDIMENTARIO C O N P
CICLO DEL CARBONO CICLO GLOBAL A B C
Asimilación Desasimilación Quimiolitoautotrofos Asimilación Desasimilación Quimiolitoautotrofos
% 100 DISOLUCIÓN Y PRECIPITACIÓN CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 H + + HCO 3 2H + + CO 3 = CO 2 + HCO - 3 CO = 3 H 2 CO 3 0 4 6 8 10 12 ph Si hay calcio en disolución (Ca 2+ ) y ph alto (ph < 8.2) ph > 8.2 Ca 2+ + 2HCO 3 H 2 O + CO 2 + CaCO 3
CICLO DEL C EN SISTEMAS TERRESTRES ATMÓFERA CO2 CO2 CO2 Respiración Animales CO2 Fotosíntesis Biomasa Respiración Hojarasca Respiración Materia Orgánica Descomposición SUELO
CICLO DEL C EN SISTEMAS ACUÁTICOS CO 2 ATMÓSFERA Difusión Fotosíntesis Difusión Respiración AGUA SEDIMENTO Materia Orgánica Descomposición
CICLO DEL NITRÓGENO 100-200 kg N/ha 8.9 kg N/ha 3% PPN
Nitrificación Reducción Asimilatoria Amonificación Fijación ANAMOX Desnitrificación
AMONIFICACIÓN M.O. (R-NH 2 ) NH 3 (amoniaco: ph alcalino y/o en condiciones anaerobicas) (El ión amonio -NH 4+ -se da a ph neutro o ácido) El NH 3 es volátil y se pierde en parte por vaporización (15% del N que va a la atmósfera) NITRIFICACIÓN Proceso aeróbio llevado a cabo por bacterias nitrificantes quimiolitotrofas. Crecimiento lento. 10 3-10 5 células/g de suelo que puede alcanzar las 10 8 células/g en suelos con altas concentraciones de amoniaco NITROSANTES NITRIFICANTES NH 4+ + 1/2 O 2 NO 2- + H 2 O + H 2 ( G= -66 Kcal) Nitrosomonas, Nitrosospira, Nitrosolobus, Nitrosovibrio,Nitrosococcus NO 2- + 1/2 O 2 NO 3- ( G= -17 Kcal) Nitrobacter, Nitrospira, Nitrococcus
BACTERIAS NITRIFICANTES - Crecimiento quimiolitoautotrófico a expensas de compuestos reducidos de nitrógeno inorgánico, respiradores aerobios - La mayoría presenta sistemas membranosos internos complejos - Crecimiento lento - Ampliamente distribuidas en suelos y aguas - Muy abundantes en hábitats con altos niveles de amonio, ph alcalino - Pertenecen al grupo de las Proteobacterias (alfa, beta, gamma o delta), menos Nitrospira (grupo aparte) -Asociación metabólica secuencial entre: Bacterias oxidantes del amonio (nitrosificantes/nitrosantes) Nitrosomonas Nitrosococcus NH NO 3 2 - Nitrosospira Nitrosolobus Nitrosovibrio Bacterias oxidantes del nitrito (nitrificantes) NO 2 - NO 3 - Nitrobacter Nitrospina Nitrococcus Nitrosomonas
NITRIFICACIÓN CONDICIONES: No se da a Eh inferiores a +200 mv Proceso óptimo a ph neutro o ligeramente alcalino La tasa de nitrificación aumenta si en el ambiente existen altas cantidades de proteínas PROBLEMAS ASOCIADOS AL PROCESO DE NITRIFICACIÓN: El nitrato es muy soluble y fácilmente lixividiado de los suelos. Perjudicial para la práctica agrícola. Se añaden compuestos inhibitorios de la nitrificación como la NITRAPIRINA El nitrato lixiviado desde los suelos agrícolas va a los sistemas acuáticos donde puede causas eutrofización. Un exceso en el agua de consumo para animales o humanos es dañino: Transformación a nitritos que se unen a la hemoglobina (methemogobina) o formación de Nitrosaminas carcinogénicas (la legislación estable un nivel máximo de 10 mg/l) La acumulación de nitrato en lugares anaerobios produce desnitrificación y pérdida de N del sistema. Formación de NO y N 2 O que destruyen la capa de ozono.
ANAMOX NH 4+ + NO 2- N 2 + H 2 O ( G= -357 KJ) Aceptor de e - Donador de e - ANAMOXOMA ANA MOX Brocardia anamoxidans (Planctomycetes)
DESNITRIFICACIÓN Proceso de reducción del nitrato en condiciones anaeróbicas (No se da a Eh superiores +200 mv). El nitrato es el aceptor de e -. Es un proceso desasimilativo llevado a cabo por bacterias anaerobias facultativas que obtienen poca energía (solo 2 ATP) en el proceso La DESNITRIFICACIÓN causa pérdida de N en los sistemas (negativo) pero esto es beneficioso en el tratamiento de aguas residuales (positivo) LA DESNITRIFICACIÓN ES UN PROCESO IMPORTANTE POR: Pérdida de fertilizante nitrogenado y disminución en el rendimiento de las cosechas Se libera NO y N2O a la atmósfera que destruyen la capa de ozono la Desnitrificación equilibra la fijación de N en le ciclo global Puede ser utilizado para la eliminación de compuestos inorgánicos de N en los procesos de depuración de aguas residuales
(Hidroxilamina) (Amoniaco) (N orgánico) REDUCCIÓN ASIMILATORIA Nitratorreductasa Reprimido NH 3 Nitratorreductasa Reprimido NH 3 NH 2 OH NH 3 R-NH 2 NO 3 - NO 2 - (Oxido Nítrico) (Oxido Nitroso) REDUCCIÓN DESASIMILATORIA Nitratorreductasa desreprimido por anoxia NO N 2 O N 2 NH 3 Reducción desasimilatoria a amonio Nitratorreductasa desreprimido por anoxia Atmósfera Oxidonitricorreductasa desreprimido por anoxia Atmósfera Oxidonitrosorreductasa desreprimido por anoxia Atmósfera Valores algo mas altos de Eh, bajo ph y altas concentraciones de NO 3 - favorecen N 2 O (aunque es menos del 10% del N perdido) El N2 se ve favorecido por altas concentraciones de MO
AMONIFICACIÓN M.O. (R-NH 2 ) NH 3 (amoniaco) ph neutro y ácido: ión amonio (NH 4+ ) NITRIFICACIÓN NH 4+ + 1/2 O 2 NO 2- + H 2 O + H 2 ( G= -66 Kcal) Nitrosomonas, Nitrosospira, Nitrosolobus, Nitrosovibrio,Nitrosococcus NO 2- + 1/2 O 2 NO 3- ( G= -17 Kcal) Nitrobacter, Nitrospira, Nitrococcus ASIMILACIÓN NITRATO NO3- NO2- NH3 (R-NH2) M.O. (reducción asimilatoria de nitrato) algunas bacterias, hongos y algas Desnitrificación DESNITRIFICACIÓN NO 3- NO 2- NH 3 (reducción desasimilatoria de nitrato) Enterobacter, Escherichia, Bacillus, Micrococcus, Vibrio, Clostridium... NO 3- NO 2- NO N 2 O N 2 (reducción desasimilatoria de nitrato) Bacillus, Pseudomonas, Hyphomicrobium, Spirillum, Moraxella, Thiobacillus Reducción fermentativa del nitrito (anaerobio)
FIJACIÓN DE N ATMOSFÉRICO Equilibra las pérdidas por desnitrificación Sólo lo pueden hacer organismos procarióticos 1- BACTERIAS FIJADORAS EN ESTADO LIBRE: Aerobias: Cianobacterias, Azotobacter, metilotrofos oxidantes de CH 4 Microaerófilas: Rhizobium, Azospirillum Anaerobias facultativas: Enterobacter, Klebsiella Anaerobias: Clostridium, fotótrofos, Desulfovibrio Influido por: Disponibilidad de energía Humedad Temperatura 2- BACTERIAS FIJADORAS EN ASOCIACIONES SIMBIOTICAS Nódulos: Rhizobium en legumninosas, Frankia en alisos Rizosfera: Azospirillum, Agrobacter paspoli, Klebsiella
TASAS MEDIAS DE FIJACIÓN DE N 2 Total N 2 fijado al año : 276 x 10 6 Tm Origen biológico: 85% Tierra: 140 x 10 6 Tm Océanos : 100 x 10 6 Tm Origen industrial : 15% 36 x 10 6 Tm Tasas de fijación en nódulos - Rhizobium y similares con leguminosas : 100-500 Kg ha -1 año -1 - Frankia con alisos : 100-500 Kg ha -1 año -1 - Anabaena con helecho Azolla : 50-150 Kg ha -1 año -1 Tasas de fijación en rizosfera - Desulfovibrio, Clostridium,.. con Zoostera marina, Thalassia testudinum,. : 100-500 Kg ha -1 año -1 - Bacterias heterotróficas con Spartina alterniflora (marismas): 100-500 Kg ha -1 año -1 -Azospirillum, Azotobacter, con plantas tropicales : 40 Kg ha -1 año -1 Tasas de fijación por microorganismos de vida libre - Cianobacterias en arrozales : 30-50 Kg ha -1 año -1 - Azotobacter, Clostridium,. : 1-3 Kg ha -1 año -1
Problemas asociados a un desequilibrio en el ciclo del Nitrógeno Un incremento artificial de la cantidad de nitrógeno combinado en un sistema puede producir: - Una eliminación de la capacidad fijadora de N 2 del sistema - Un incremento de la pérdida de N amoniacal por volatilización - Un aumento de las tasas de nitrificación, con pérdida de N combinado del sistema por su gran solubilidad Un incremento de la cantidad de Nitrato en el sistema puede producir - Una percolación de N a capas profundas, fuera de la zona de influencia de la raíz (pérdida de fertilidad del sistema y pérdida económica) - Desencadenar procesos de eutrofización en aguas superficiales ( por escorrentía o previa contaminación de aguas subterráneas) - Una contaminación de las aguas de consumo (superficiales o subterráneas), provocando cianosis (unión irreversible del Nitrito a la hemoglobina= methemoglobina) en rumiantes y niños de pocos meses) y/o unión a aminas secundarias produciendo nitrosaminas carcinogénicas ( legislación, max 10 mg/l) - Su desplazamiento a zonas anaerobias, donde es sometido a desnitrificación Un incremento de la tasa de desnitrificación puede afectar al ecosistema y al medio ambiente por - Una pérdida de nitrógeno combinado en forma de N atmosférico - Un incremento en la producción y liberación de óxidos de nitrógeno que escapan a la atmósfera incidiendo en el efecto invernadero y en la destrucción de la capa de ozono
CICLO DEL AZUFRE Oxidación Oxidación
REDUCCIÓN ASIMILATORIA El SO 4 2- es reducido a nivel de sulfuro (-SH) para poder ser asimilado por plantas, algas y muchos microorganismos heterotróficos. DESULFURACIÓN Durante la descomposición de la MO el S se libera como mercaptanos y SH 2. TRANSFORMACIONES OXIDATIVAS DEL S SH 2 es muy reactivo y puede ser: Oxidado por el O 2 química o fotoquímicamente. Oxidado biológicamente en aerobiosis. Oxidado fototróficamente por microorganismos en anaerobiosis. El SH 2 presente en la atmósfera es oxidado a SO 2 yso 3 y finalmente transformados a SO 4 H 2 y origina las lluvias ácidas. El SH 2 en medios acuáticos se oxida químicamente a S 0 y S 2 O 3 2-
Oxidación Oxidación
El SH 2 en presencia de O 2 es usado como fuente de energía por microorganismos quimiolitotrofos (normalmente facultativos y/o mixotrrófos) como Beggiatoa, Thiovolum, Thiothrix y el termófilo Thermothrix. Algunos Thiobacillus (T. thioparys T. novellus) también oxidan SH 2 y otros compuestos de S reducidos. Beggiatoa Thiovulum Thiothrix SH 2 + 1/2 O 2 S 0 + H 2 O Otras especies de Thiobacillus acidófilas (Acidithiobacillus) obtienen energía de la oxidación del S 2 O 3 2-, S 0 y otros compuestos inorgánicos de S reducido. Sulfolobus también oxida S para obtener energía en ambientes acidotermófilos S 0 + 3/2 O 2 + H 2 O SO 4 H 2 Thiobacillus denitrificans utiliza iones nitrato como aceptor de e - en la oxidación de compuestos inorgánicos de S. 3S 0 + 4NO 3 3SO 4 2- + 2N 2
Gusanos vestimentíferos
OXIDACION FOTOTRÓFICA DEL SH 2 EN AMBIENTE ANAEROBIOS Chromatiaceae y Chlorobiaceae fotorreducen el CO 2 mientras oxidan el SH 2 a S 0 CO 2 +SH 2 S 0 + (CH 2 O) (fotosíntesis anaerobia) CO 2 +H 2 O+ O 2 + (CH 2 O) (fotosíntesis aerobia) TRANSFORMACIONES REDUCTIVAS DEL S Respiración anaerobia del SO 4 2- como aceptor terminal de e -. Es una reducción desasimilativa realizada por las bacterias sulfatorreductoras: Desulfovibrio, Desulfotomaculum, Desulfobacter, Desulfobulbus, Desulfonema y Desulfosarcina. *H 2 +SO 4 2- SH 2 +2H 2 O + OH - *Como donadores de e- pueden usar también ac. orgánicos, ac. grasos, o etanol. Desulfovibrio
Respiración anaerobia del S 0 como aceptor terminal de e -: Con acetato como donador (Desulfuromonas acetoxidans) CH 3 COOH + 2H 2 O + S 0 4SH 2 + 2CO 2 Sintrofía con bacterias fotosintéticas anoxigénicas del S Con H 2 como donador (arqueobacterias termófilas) H 2 + S 0 SH 2 Como resultado de la reducción desasimilativa del sulfato se han formado a lo largo de periodos geológicos depósitos minerales de sulfuros metálicos de origen biológico. Como resultado de la sulfooxidación se han formado depósitos de azufre de origen biológico
Dimetil sulfonio propionato DMSP: Soluto compatible de algas marinas, Dimetil sulfuro DMS H 3 C-S-CH 3 (45x106 T/año) COMPUESTOS ORGÁNICOS DE S ANAEROBIOSIS Bacterias metanogénicas: DMS CH 4 + H 2 S Bacterias fotosintéticas rojas del azufre: DMS DMSO (dimetilsulfóxido) Donador de electrones Respiradores anaerobios: DMSO DMS Aceptor terminal de electrones AEROBIOSIS DMSP DMS + acrilato (fuente de C y energía para microorganismos)
Simó y Pedrós-Alió, Nature: 25/11/99
CICLO DEL AZUFRE: IMPLICACIONES PRÁCTICAS Oxidación del azufre SO 4 = Movilización del P y otros nutrientes Movilización de metales pesados Biominería Drenaje ácido de minas Quema de combustibles fósiles SO 2 Lluvia ácida Condiciones ácidas Desulfuración de carbón por bacterias sulfooxidantes Corrosión anaerobia de acero y estructuras de hierro en sedimentos y suelos con SO 4 = Detoxificación de H 2 S en los ecosistemas por bacterias anoxifototrofas o sulfooxidantes aerobias Depósitos de sulfuros metálicos Depósitos de So Control del clima: Núcleos de condensación derivados del DMS (dimetil sulfuro) que se genera a partir del dimetilsulfoniopropionato (betaina, soluto compatible de algas marinas)