INTRODUCCIÓN A LA LIMNOLOGÍA Generalidades: Ciclos biogeoquímicos Constitución de la materia orgánica Nutriente limitante Ciclo del Carbono: Carbono Inorgánico Disuelto. Sistema carbónico-carbonatos, ph y alcalinidad. Carbono Orgánico Disuelto. Dinámica del carbono (sistemas oligotróficos y eutróficos; aguas duras) Sistemas lótico CLASIFICACIÓN DE COMPUESTOS PRESENTES EN EL AGUA DISUELTO GASES O 2, CO 2, N 2 NO GASEOSO inorgánico: iones orgánico: MOD (sales) (prod. descomp. sust. húmicas) PARTICULADO VIVO organismos PLANCTON DETRITICO orgánico: MOP TRIPTON SESTON inorgánico: sales pr. 3
CICLO BIOGEOQUÍMICO (ecología) Vías especificas por las cuales los elementos esenciales para el crecimiento de las comunidades biológicas circulan entre el ambiente físico y los organismos CICLO BIOGEOQUÍMICO (ecología) ATMOSFERA BIOTA LAGO CUENCA DE DRENAJE RECICLAJE INTERNO DESCARGA SEDIMENTOS SUPERFICIALES 4
CUENCA Nutrientes Disuelta Inorgánica CICLO BIOGEOQUÍMICO LAGO ATMÓSFERA Organismos Particulada FORMAS INORGANICAS DISUELTAS BIOTA (MOP) FORMAS ORGÁNICAS DISUELTAS (MOD) DETRITUS (MOP detr. ) Orgánica Productos de descomposición, excreción, exudados, etc. Restos particulados SEDIMENTO CICLO BIOGEOQUÍMICO Forma 1 Equilibrios químicos Forma 2 Actividad biológica microbiana Forma 3 FORMAS INORGANICAS DISUELTAS Liber./Asim. BIOTA (MOP) FORMAS ORGÁNICAS DISUELTAS (MOD) DETRITUS Descomposición 5
CONSTITUCIÓN DE LA MATERIA ORGÁNICA 60 elementos de la M.O. 40 esenciales (20 siempre presentes) solo 5 > a 1% de M.O. 1. C/O/H/N/P 2. S/Cl/K/Na/Mg/Fe/Cu 3. B/Mn/Zn/Si/Co/I/F 4. Sr/Mo/Br/Tn/Al/Ga NUTRIENTE LIMITANTE LEY DEL MINIMO DE LEIBIG (1840) El crecimiento de un organismo estará determinado por la abundancia de la sustancia que esté presente (suministro) en la mínima proporción en relación a las necesidades del organismo (demanda). Organismo Ambiente P 6
Relaciones Estequiométricas (cálculo de las relaciones cuantitativas entre reactivos y productos en el transcurso de una reacción química) Relación de Redfield (1958): Biomasa del plancton marino: 106C:16N:1P (átomos) EN AGUA DULCE NUTRIENTE LIMITANTE C N P 106:16:1 sobrevivientes : N:P (>30) Crecen c/recursos bajos maquinaria de adquisición NUTRIENTE LIMITANTE La relación atómica es siempre 16N:1P? Organismos planctónicos: florecedores : N:P (<10) Crecim. exponencial maquinaria de crecimiento generalistas : N:P ~ Redfieliano crecim = adquisición ARN ribosómico N:P Pigmentos/proteínas N:P Enzimas N:P Arrigo Nature (2005) 7
NUTRIENTE LIMITANTE Fitoplancton: variabilidad de composición Requerimientos celulares aproximadamente Redfielianos 106C:16N:1P Muerte Descomposición MO Arrigo Nature (2005) NUTRIENTE LIMITANTE LIMITANCIA POTENCIAL RELACIÓN NITRÓGENO:FÓSFORO (TN:TP ó NID:PID) 60 50 40 30 20 10 0 Redfield NITROGENO COLIMITANCIA FÓSFORO LIMITANCIA 8
CICLO DEL CARBONO Gran importancia: 1. Capacidad buffer a rápidos cambios de ph 2. Cantidad de C disponible para fotosíntesis 3. Gas de efecto invernadero 4. Capacidad de combinación con cationes 5. Constituye la mayor reserva de aniones en agua 6. Capacidad de coprecipitar metales CICLO DEL CARBONO Predicciones International Panel of Climate Change IPCC 2007 9
CICLO DEL CARBONO Cuánto CO 2 se intercambia desde y hacia los ecosistemas límnicos?? CICLO DEL CARBONO Ecosistemas emisores o captadores? 10
CICLO DEL CARBONO International Panel of Climate Change IPCC 2007 PERSPECTIVAS Visión previa: bomba pasiva Visión actual: bomba activa -Los cambios en los patrones de trasporte de C por agua dulce si son relevantes: aumentaron un 20% Cole et al. Ecosystems 2007 11
CICLO DEL CARBONO Ciclo más complejo Pequeña reserva atmosférica, muy activa Vulnerable por actividades humanas EFECTO INVERNADERO: liberación de CO 2 - Quema de combustibles fósiles - Modificación de la vegetación - Aportes de origen urbano Ciclo Biogeoquímico del CARBONO Ciclo Geológico Ciclo Biológico Inorgánico + Orgánico CICLO GEOQUÍMICO Cómo llega el carbono al agua? 12
CICLO GEOQUÍMICO Aporte de C al medio acuático Atmosférico CO 2 HCO 3. cómo? Meteorización de rocas /suelos - Física poco importante - Química muy importante (disolución ácida de rocas; H 2 CO 3 ) - Biológica productos orgánicos Composición promedio (µg g -1 ) de rocas ígneas y sedimentarias CICLO GEOQUÍMICO CICLO GEOQUIMICO DEL CARBONO Meteorizacion de rocas sedimentarias CICLO Meteorizacion GEOQUIMICO química DEL CARBONO 1. CARBONATOS Meteorizacion de rocas sedimentarias CO 2 + H 2 O + CaCO 3 Ca ++ + 2HCO 3 1. CARBONATOS Aporte al CO 2 + H 2 O + MgCO 3 Mg ++ + 2HCO 3 medio CO 2 + H 2 O + CaCO 3 Ca ++ + 2HCO 3 1 HCO 3 escapa a la atmósfera acuático 1 CO HCO 2 + H 2 O + MgCO 3 Mg ++ 3 produce formaciones calcáreas: + 2HCO 3 - enterramiento inorgánico (80 %) 1 Calcita: HCO 3 escapa CaCOa 3 la atmósfera orgánico (20 %) 1 Dolomita: HCO 3 produce MgCO formaciones calcáreas: 3 (se regenera en escala geológica) - enterramiento inorgánico (80 %) orgánico (20 %) 1 CO 2 disuelve 1 CaCO 3 produce (se regenera 2 HCOen 3 escala y regenera geológica) 1 CO 2 2. ROCAS SILICEAS (feldespatos) 1 CO 2 disuelve 1 CaCO 3 produce 2 HCO 3 y regenera 1 CO 2 2 CO 2 + H 2 O + CaSiO 3 Ca ++ + 2HCO 3 + SiO 2 2. ROCAS SILICEAS (feldespatos) (idem. 1) 2 CO 2 + H 2 O + CaSiO 3 Ca ++ + 2HCO 3 + SiO 2 2 CO 2 disuelven 1 CaSiO 3 produce 2 HCO 3 y regenera (idem. solamente 1) 1 CO 2 pérdida de CO 2 atmosférico 2 CO 2 disuelven 1 CaSiO 3 produce 2 HCO 3 y regenera solamente 1 CO 2 pérdida de CO 2 atmosférico 13
CUENCA Meteorización de rocas sedimentarias (escorrentía/efluentes) CICLO BIOGEOQUÍMICO LAGO GEOQUÍMICO ATMÓSFERA Inorgánica CO 2 BIOTA (MOP) CARBONO ORGÁNICO DISUELTO (COD) DETRITUS (COP detr. ) Orgánica Disuelta Particulada SEDIMENTO CICLO BIOGEOQUÍMICO CO 3 ph HCO 3 CO 2 Fotosíntesis Respiración Oxidación CO 2 Resp./Asim. BIOTA (COP) CARBONO ORGANICO DISUELTO (COD) DETRITUS Descomposición 14
CARBONO INORGÁNICO CARBONO INORGÁNICO CO 2 15
ph CARBONO INORGÁNICO y ph DEFINICIÓN (Sorensen) Logaritmo decimal inverso de la concentración de iones hidrógeno ph = - log 10 [H + ] (indicador del carácter ácido o alcalino de una solución) Rango: 1-14 H 2 0 H + + OH - [H + ][OH - ] = 1x10-14 M en equilibrio: [H + ] = [OH - ] = 1x10-7 M Alcalino [H + ] = 1x10-14 M Ácido [H + ] = 1x10-1 M CARBONO INORGÁNICO y ph Ambientes de Agua dulce en Uruguay ph 6.8 8.3 Excepto en aguas contaminadas, Humedales, etc. 16
CARBONO INORGÁNICO y ph ph < 6.4 predomina CO 2 ph > 6.4 y < 10.2 predomina HCO 3 ph > 10.2 predomina C0 3 CARBONO INORGÁNICO y ph 17
CARBONO INORGÁNICO y ph CARBONO INORGÁNICO y ph A igual concentración de H 2 CO 3 y HCO 3 : ph = pk1 = 6.3 A igual concentración de HCO 3 y CO 3 : ph = pk2 = 10.2 AGUAS ÁCIDAS MAYORÍA DE AGUA DULCE AGUAS SERVIDAS, MACRÓFITAS, LAGOS SALINOS 18
CARBONO INORGÁNICO y ph Efecto del ph en la asimilación de Carbono HCO 3 CO 2 CARBONO INORGÁNICO y ALCALINIDAD Alcalinidad -expresa la cantidad de cationes (Ca, Mg, Na y K) en equilibrio (sales) con los aniones principales (HCO 3, CO 3, Cl y SO 4 ). -Agua dulce: presencia de carbonatos y bicarbonatos de metales alcalinotérreos (calcio y magnesio). -Capacidad de neutralizar ácidos (buffer) BICARBONATO DE CALCIO Ca(HCO 3 ) 2 Importancia Biológica: indica la capacidad del agua para amortiguar cambios bruscos del ph (sistema carbónico-carbonatos) mantiene al ph entre límites normales para el desarrollo de las poblaciones biológicas (6 9). Se utiliza para conocer el grado de mineralización del agua (1 meq l - 1 : valor límite entre agua poco y bien mineralizadas; 50 mg CaCO 3 l -1 AGUAS DURAS BIEN MINERALIZADAS (capacidad buffer) AGUAS BLANDAS POCO MINERALIZADAS 19
CARBONO INORGÁNICO y ALCALINIDAD (mg CaCO 3 l -1 ) 120 100 80 60 40 20 0 Dureza Río Negro Río Yi Alcalinidad YI PAL. BAY. BON. S. GR. CARBONO INORGÁNICO SISTEMA CARBÓNICO - CARBONATOS 20
CARBONO INORGÁNICO SISTEMA CARBÓNICO - CARBONATOS Efecto de Respiración CO 2 ingreso (baja ph) Ca ++ CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 H + + HCO 3-2H + + CO 3 -- CO 2 remoción (aumenta ph) CaCO 3 Efecto de Fotosíntesis CARBONO INORGÁNICO Eutrófico (aguas duras)? Oligotrófico? Eutrófico (aguas blandas)? 21
CARBONO ORGÁNICO FORMAS CARBONO ORGÁNICO 22
CARBONO ORGÁNICO FUENTES Fuentes Lagos % Distrófico (húmico) Salino Eutrófico CARBONO ORGÁNICO QUÉ es DISUELTO? COD 23
CARBONO ORGÁNICO DISUELTO (COD) CARBONO ORGÁNICO DEGRADACION FOTOLÍTICA del COD RESISTENTE Radiación Ultravioleta PAR + UVA + UVB PAR + UVA PAR (Juncus sp.) TIEMPO DE EXPOSICIÓN (min.) 24
CARBONO ORGÁNICO RELEVANCIA ECOLOGICA de COD Agente quelante secuestrador CARBONO ORGÁNICO RELEVANCIA ECOLOGICA de COD COMPUESTOS ORGÁNICOS DE ORIGEN ALÓCTONO FOTOSÍNTESIS DE ALGAS, MACRÓFITAS ZOOPLANKTON HERBÍVORO Y EXCRECIÓN QUELACIÓN DE ELEMENTOS TRAZA COMPUESTOS ORGÁNICOS DISUELTOS COMPUESTOS INORGÁNICOS COPRECIPITACIÓN CON CaCO 3, Fe/Mn(OH) 3 DETRITO, ARCILLA DESCOMPOSICIÓN MICROBIANA SEDIMENTO PERMANENTE 25
CARBONO ORGÁNICO DISTRIBUCIÓN DE LAS FORMAS DE CARBONO CICLO DEL CARBONO SISTEMAS LÓTICOS 26
Nieve y agua subterránea: bajo COD Río: bajo COD CICLO DEL CARBONO SISTEMAS LÓTICOS Zona de Cuenca de drenaje Bosques: alto COD Río: moderado COD Zona del Canal principal Bosques, lagos y praderas inundables: alto COD Río: moderado a alto COD Cuerpos de agua Zona de Inundación MO producida Cuenca de drenaje MO producida Canal principal MO producida zona de Inundación permanentes temporales Zona de inundación Carbono Orgánico Total (mg/l) Pantanos y turberas Humedales Lagos eutróficos Ríos Lagos oligotróficos Precipitación Agua subterránea Océanos Particulado Disuelto 27
CICLO DEL CARBONO Aporte alóctono Aporte autóctono Generalidades de un ciclo biogeoquímico. Nutriente limitante; Relación de Redfield. Carbono inorgánico: Formas asimilables y relación con el ph. ph: relevancia y procesos que lo influyen; perfiles. Alcalinidad: definición y relevancia ecológica. Sistema carbónico carbonatos. Carbono orgánico: Formas y relevancia ecológica. Ciclo global RESUMEN 28