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

Ciclos biogeoquímicos, concepto, importancia ambiental, rol de los microorganismos. Ciclo del agua. Ciclo del oxígeno. Clase 18 Microbiología Ambiental 2015 Microbiología Ambiental CURE 2015 1

Qué son los ciclos biogeoquímicos? Movimiento de elementos químicos (ej. carbono, nitrógeno, oxígeno, hidrógeno, azufre, fósforo) 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 Microbiología Ambiental CURE 2015 2

Elementos requeridos para el crecimiento Macronutrientes (C, N, P, H, O, S, K, Mg, Ca, Na, Fe) Micronutrientes (Fe, Mn, Co, Cu, Cr, Mo, Ni, Se) Factores de crecimiento (vitaminas, aminoácidos, purinas, pirimidinas) Microbiología Ambiental CURE 2015 3

ROL de los elementos en procesos biológicos, especialmente microbiológicos Microbiología Ambiental CURE 2015 4

Micronutrientes y sus funciones a nivel celular Microbiología Ambiental CURE 2015 5

Importancia de los 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. Microbiología Ambiental CURE 2015 6

Ej fijación de nitrógeno/desnitrificación N 2 + 8H + + 8e- NH 3 + H 2 NO 3 - NO 2 - NO N 2 O N 2 Microbiología Ambiental CURE 2015 7

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 Microbiología Ambiental CURE 2015 8

Erosión de roca madre 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 2015 9

Los nutrientes fluyen desde componentes del ecosistema no vivos a Ciclos los biogeoquímicos vivos y viceversa S 2 N 2 CO 2 O 2 PO 4 SO 4 Sedimentario Gaseoso O 2 CO 2 Hidrológico Microbiología Ambiental CURE 2015 10

Microbiología Ambiental CURE 2015 11 Rodhe, 2000 Asuntos a tener en cuenta en los procesos biogeoquímicos Depósito : pool de materiales Flujo : transferencia entre depósitos por udad de tiempo Fuentes Sumideros Balance fuente-sumidero Tiempo de renovación Tiempo de residencia Tiempo de respuesta

Lista de compuestos que impulsan los procesos biogeoquímicos en la biósfera Carbono Microbiología Ambiental CURE 2015 12

Azufre Microbiología Ambiental CURE 2015 13

Nitrógeno Microbiología Ambiental CURE 2015 14

Ciclo del agua Microbiología Ambiental CURE 2015 15

Importancia Esencial para la vida Debido a su naturaleza puede cambiar de estado Desgastar montañas, nubes, calentar los polos Sin importar el lugar, la cantidad o la fase está en continúo movimiento. El ciclo incluye lugares de RESERVA (almacenada) y procesos por el cual FLUYE haciendo la vida posible en este planeta. Microbiología Ambiental CURE 2015 16

Distribución del agua 71% superficie del planeta está cubierta por agua 2% está en hielo 97 % es mar 1 % es agua dulce superficial y subterránea Microbiología Ambiental CURE 2015 17

Agua en la Tierra Microbiología Ambiental CURE 2015 18

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Energía solar y fuerza de gravedad determinan los movimientos del agua Microbiología Ambiental CURE 2015 20

Ciclo del agua DEPÓSITO De corto y largo plazo, desde minutos a milenios. Contiene ~ 1.4 billones de km 3 Microbiología Ambiental CURE 2015 21

Ciclo del agua Procesos por los cuales fluye el agua Es la única sustancia que puede existir en fase sólida, liquida y gaseosa bajo las condiciones diarias. Es el solvente universal Transporta otros Microbiología Ambiental CURE 2015 22 materiales

Intervención mínima de reacciones químicas el agua se Microbiología Ambiental CURE 2015 23 traslada de unos lugares a otros o cambia de estado físico

Importancia de los microorganismos para los ciclos biogeoquímicos Microbiología Ambiental CURE 2015 24

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 Microbiología Ambiental CURE 2015 25

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 Microbiología Ambiental CURE 2015 26

Ejemplos de reacciones de óxido-reducción llevadas adelante exclusivamente por microorganismos NO 3 - NO 2 - NO N 2 O N 2 (Desnitrificación) 2 NH 3 + 3 O 2 2 NO 2 - + 2 H 2 O + 2 H + (Nitrificación) 2 NO 2 - + 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 4 - + 2 H + (Oxidación de azufre/sulfuro) HS - + 2O 2 SO 4 - + H + 2CH 2 O + SO 4 - + 2 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 2015 27

Ciclo del oxígeno Microbiología Ambiental CURE 2015 28

Oxígeno Esencial desde el punto de vista metabólico y estrictamente químico Microbiología Ambiental CURE 2015 29

Factores físicos TEMPERATURA PRESIÓN SALINIDAD INVERSAMENTE PROPORCIONAL ALTITUD PROFUNDIDAD DIFUSIÓN Favorecida por régimen turbulento Forzada por agente externo REDUCCIÓN EXPONENCIAL Microbiología Ambiental CURE 2015 30 VIENTO

Oxidación de la Microbiología Ambiental CURE 2015 31 materia orgánica Factores biológicos AUMENTO Fotosíntesis CONSUMO Respiración

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Ciclo del oxígeno El ciclo del oxígeno es la cadena de reacciones y procesos que describe la circulación del oxígeno en la biosfera terrestre Microbiología Estrechamente Ambiental ligado CURE 2015 al ciclo del C 33

Presencia del O 2 en la atmósfera? FOTOSINTESIS RESPIRACIÓN La atmósfera primitiva tenía muy poco 0 2 Microbiología Ambiental CURE 2015 34

Diversidad de organismos fotosintéticos EUCARIOTAS PROCARIOTAS - plantas - cianobacterias (verde- - algas verdes, pardas y azuladas) rojas pluricelulares - bacterias sulfurosas - algas unicelulares verdes (diatomeas, euglenoides y púrpuras (rojas) dinodlagelados) - bacterias no sulfurosas verdes y púrpuras (rojas) - heliobacterias Microbiología Ambiental CURE 2015 35

Significancia de los autótrofos bacterianos Synechococcus 10 3-10 5 /ml Prochlorococcus 10 4-10 5 /ml Microorganismos marinos encargados de la mitad de la producción primaria total del planeta (Field et al 1998) Bacterias fotosintéticas del océano producen aproximadamente la mitad del O 2 liberado Microbiología Ambiental CURE 2015 36

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 Microbiología Ambiental CURE 2015 37

Importancia de los microorganismos - Generadores del O 2 en la atmósfera primitiva - Grandes controladores del flujo entre océano y atmósfera Microbiología Ambiental CURE 2015 38

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. Microbiología Ambiental CURE 2015 39

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 Microbiología Ambiental CURE 2015 3 40 CFCs (clorofluorocarbonados)

Distribución del ozono Microbiología Ambiental CURE 2015 41

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 Microbiología Ambiental CURE 2015 42

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 100.000 moléculas de ozono Microbiología Ambiental CURE 2015 43

CFC Los CFC son derivados de hidrocarburos saturados obtenidos con sustitución de átomos de hidrogeno por átomos de flúor/ cloro Se emplean en la industria: refrigeración, aerosoles, cosechas de tabaco (pesticidas), catalizadores empresas farmacéuticas y agricultura. Persistencia atm: 50 a 100 años Microbiología Ambiental CURE 2015 44

CFC En la estratósfera se disocian por acción de UV, liberan el Cl y dan inicio al proceso de destrucción del O 3 Microbiología Ambiental CURE 2015 45

Porque los agujeros están en los polos? Microbiología Ambiental CURE 2015 46

Protocolo de Montreal 1985. Convención de Viena 1987. Firma del Protocolo. Compromiso: reducción de emisiones de Clorofluorocarbonados a la mitad a fines del siglo XX 1989. Entrada en vigencia del Protocolo. 1990, 1992, 1997, 1999. 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. Microbiología Ambiental CURE 2015 47

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 2050. 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 2014 Microbiología Ambiental CURE 2015 48

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Ozono troposférico: componente básico del esmog Microbiología Ambiental CURE 2015 50

Próxima clase: Ciclo del carbono Microbiología Ambiental CURE 2015 51