Uploaded by Christian Silva

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CICLOS BIOGEOQUÍMICOS
CICLOS BIOGEOQUÍMICOS
• Movimiento cíclico de los elementos
que forman los organismos biológicos
(bio) y el ambiente geológico (geo) e
interviene un cambio químico.
• En el ecosistema el flujo de materia
es cerrado ya que los nutrientes se
reciclan.
• Los
ciclos
biogeoquímicos
son
activados directa o indirectamente por
la energía que proviene del sol.
CICLOS BIOGEOQUÍMICOS…
1. Sedimentarios: los nutrientes circulan principalmente en la
corteza terrestre (suelo, rocas, sedimentos, etc) la hidrosfera y los
organismos vivos.
Los elementos son generalmente reciclados de manera más lenta
que en el ciclo gaseoso, y se transforman de modo químico y con
aporte biológico en un mismo lugar geográfico.
Los elementos son retenidos en las rocas sedimentarias durante
largo periodo de tiempo con frecuencias de miles a millones de
años.
Ejemplos de este tipo de ciclos son el FÓSFORO y el AZUFRE.
CICLOS BIOGEOQUÍMICOS…
2. Gaseoso: los nutrientes circulan principalmente entre la
atmósfera y los organismos vivos.
En la mayoría de estos ciclos los elementos son reciclados
rápidamente, con frecuencia de horas o días.
En este tipo de ciclo la transformación de la sustancia involucrada
cambia de ubicación geográfica y se fija a partir de una materia
prima gaseosa.
Ejemplos de ciclos gaseosos son el CARBONO, el NITRÓGENO y
OXÍGENO.
CICLOS BIOGEOQUÍMICOS…
3. El Ciclo HIDROLÓGICO: el agua circula entre el
océano, la atmósfera, la tierra y los organismos vivos,
este ciclo además distribuye el calor solar sobre la
superficie del planeta
CICLOS SEDIMENTARIOS
CICLO DEL AZUFRE
• Muy abundante en la corteza terrestre. Se encuentra como:
azufre elemental, sulfuros minerales, sulfatos, H2S en el gas
natural y como azufre orgánico en aceites combustibles y carbón
•El ciclo biogeoquímico del azufre es bastante complejo por los
diferentes estados de oxidación que presenta dicho elemento y
porque algunas transformaciones del azufre se dan por vías
bióticas y abióticas
• Aunque, el azufre existe en varios estados de oxidación, sólo
compuestos sulfurados con número de oxidación: -2 [H2S, FeS,
R-SH, H3C-S-CH3], 0 [S°] y +6 [SO4=] se encuentran en
cantidades significativas en la naturaleza.
CICLO DEL AZUFRE…
Depósitos de azufre en la
naturaleza:
• Depósitos más abundantes: en
sedimentos y rocas en forma de
minerales sulfatados (principalmente el
yeso, CaSO4 y la pirita de hierro, FeS2)
• Fuente primaria: para la biosfera se
encuentra en los océanos en forma de
sulfato inorgánico.
Sulfato:
• El sulfato (SO4=): mucho más abundante en agua de mar que
en agua dulce
• Los lagos ácidos y
los lagos con una alta tasa de
mineralización, en cuencas cerradas, pueden contener altas
concentraciones de sulfato.
• Parte del sulfato presente en agua dulce se origina de la
mineralización de rocas en la cuenca de los lagos.
Sulfato…
• La mayoría del sulfato se deriva del agua de lluvia. El sulfato es el
segundo anión de mayor abundancia en agua de lluvia, despues del
bicarbonato.
• El sulfato presente en el agua de lluvia se deriva probablemente del
azufre presente en el aire en forma de dióxido de azufre (SO2).
• Fuentes: (1) emanaciones gaseosas de origen industrial y (2) origen
biogénico y geológico (ej. Emanciones volcánicas y depósitos de gas
natural).
• El sulfuro de hidrogeno (H2S) liberado a la atmósfera es oxidado
espontáneamente a SO2 por oxígeno atómico, oxígeno molecular o por
ozono.
Sulfato…
• El SO2 puede a su vez disolverse en agua para formar ácido sulfuroso
(H2SO3) o bien puede continuar su oxidación hasta trióxido de azufre
(SO3).
• Una vez se disuelve en agua, el trióxido de azufre se convierte en
ácido sulfúrico.
• Una porción del ácido sulfúrico y del ácido sulfuroso producidos por
transformaciones abióticas es neutralizado por pequeñas cantidades de
amoniaco que existen en la atmósfera.
• Una porción substancial de ambos ácidos regresa a la superficie
terrestre en forma de lluvia ácida.
Sulfato…
• En zonas anaerobias de cuerpos de agua dulce donde hay buena
penetración de luz pueden crecer bacterias fotosintéticas.
• Estas utilizan H2S como donante de electrones produciendo
gránulos de azufre intracelurares o extracelulares.
• El H2S también es generado a través de procesos de putrefacción y
desulfurilación de compuestos organosulfurados.
• Las emanaciones volcánicas y los depósitos de gas natural
representan fuentes menores del H2S.
• El sulfuro de hidrógeno (H2S) es un gas incoloro con un fuerte
olor fétido a huevos podridos. Este gas es extremadamente
tóxico, particularmente para animales aerobios.
• El H2S afecta el proceso de respiración celular a dos niveles:
 (1) el H2S resulta ser un inhibidor competitivo para la
hemoglobina, ya que se puede acoplar al sitio de ligamiento del
oxígeno, impidiendo así el transporte normal de oxígeno.
 (2) el H2S inhibe la enzima respiratoria citocromo-c oxidasa,
afectando la producción de energía derivada de la fosforilación
oxidativa acoplada a una cadena de transporte de electrones.
• Animales aeróbicos asociados a las fumarolas o respiraderos
termales (“thermal vents”), como el gusano plumulado Riftia
pachyptila, el cangrejo Bythograea thermydron, y la almeja
Calyptogena magnifica exhiben diferentes mecanismos para poder
crecer en un ambiente rico en sulfuro de hidrógeno.
• En plantas que se desarrollan en suelos anegados (pantanos,
ciénagas, humedales) (ej. arroz), el H2S que se produce por
descomposición de organosulfurados o por la actividad de
bacterias reductora de sulfato puede ser letal para el desarrollo
de estas plantas.
• Muchas de estas plantas logran sobrevivir en dicho ambiente
gracias a su asociación simbiótica con bacterias que oxidan H2S
CICLO DEL HIERRO
• Elemento abundante en la corteza terrestre, esencial
para los organismos vivos.
• La importancia de este metal catiónico radica en las
funciones que ejecuta como:
 cofactor de varias enzimas importantes (ej. peroxidasas,
catalasa, oxidasa de citocromos y nitrogenasa)
 componente activo de intermediarios de cadenas de
transporte de electrones (ej. citocromos y las proteínas de
hierro-azufre)
componente esencial de proteínas con función de transporte
(ej. hemoglobina)
Efecto del pH y el potencial redox sobre la
solubilidad y disponibilidad del hierro:
• El hierro se encuentra en dos estados de oxidación en la
naturaleza: el ión férrico (Fe3+, la forma oxidada) y el ión
ferroso (Fe2+, la forma reducida).
• La solubilidad del hierro en agua es favorecida por la
prevalencia de condiciones acídicas y reductivas.
•La mayoría de los compuestos ferrosos son solubles, con la
excepción del sulfuro ferroso (FeS).
Efecto del pH y el potencial redox sobre la solubilidad y disponibilidad del hierro…
• Bajo condiciones oxidantes y alcalinas se favorece la
oxidación del ión ferroso al ión férrico. Esto ocasiona la
precipitación del hierro (compuestos férricos son insolubles
en agua).
• Sólo se encuentra hierro soluble (el ión ferroso) en aguas
neutrales o ácidas, con una concentración baja de oxígeno
disuelto
• En corrientes contaminadas con desechos ácidos,
provenientes de los efluentes de minas de carbón, se
observa el efecto que tienen el cambio en pH y en la
concentración de oxígeno disuelto sobre la solubilidad del
hierro.
Efecto de agentes quelantes sobre la disponibilidad
del hierro:
• La solubilidad del hierro afecta su disponibilidad,
particularmente para organismos unicelulares que
dependen de procesos de absorción para su nutrición.
• En términos de la nutrición de microorganismos que
residen en la columna de agua y en los sedimentos, es más
relevante medir las concentraciones de hierro soluble, que
las concentraciones de hierro total.
•El consumo de hierro por algunos microorganismos no
requiere necesariamente la reducción previa del ión férrico
(forma insoluble) al ión ferroso (forma soluble).
Efecto de agentes quelantes sobre la disponibilidad del hierro…
• La presencia de agentes quelantes (moléculas
orgánicas o inorgánicas que pueden combinarse con
iones metálicos o átomos metálicos neutrales), permite
el transporte de compuestos férricos a través de la
membrana celular en varios grupos de microorganismos.
•Los polipéptidos son agentes quelantes naturales
presentes en los productos de secreción en
cianobacterias y otros productores primarios.
Efecto de agentes quelantes sobre la disponibilidad del hierro…
• La reabsorción de dichos exudados proteicos,
combinados en el ambiente extracelular con hierro
(Fe3+) y otros metales, permite la absorción de
compuestos metálicos insolubles.
• Otros agentes quelantes naturales son moléculas
orgánicas: aminoácidos simples (glicina y alanina), el
ácido cítrico y porfirinas.
Efecto de agentes quelantes sobre la disponibilidad del hierro…
• Bacterias entéricas como Escherichia coli y Salmonella
spp. producen hierronóforos llamados enterobactinas.
Estos últimos son derivados fenólicos.
Oxidación microbiana del ión ferroso:
•Muchas de las reacciones de oxidoreducción ligadas al hierro
son mediadas por microorganismos.
•Bacterias quimiolitotrofas pertenecientes al grupo Thiobacillus
- Ferrobacillus poseen sistemas enzimáticos que le permiten
transferir electrones del ión ferroso al oxígeno.
•Esta oxidación aeróbica del ión ferroso genera energía en
forma de ATP, que es utilizada en la reducción de CO2 a
materia orgánica.
Oxidación microbiana del ión ferroso…
•Las bacterias de este grupo demuestran la capacidad de
oxidar hierro a niveles bajos de pH (pH < 5).
•A niveles bajos de pH, la oxidación aeróbica del ión ferroso
procedería muy lentamente si no fuera por las enzimas que
poseen estos microorganismos quimiolitotróficos.
Oxidación microbiana del ión ferroso…
Oxidación microbiana del ión ferroso…
•Thiobacillus ferrooxidans es la especie bacteriana mejor
conocida con la capacidad de oxidar hierro.
• Bacteria, que prolifera en ambientes acuáticos
contaminados con ácidos, capaz de crecer autotróficamente
usando el ión ferroso o compuestos de azufre reducidos
como donante de e-.
• La oxidación de hierro por este género produce poca
energía. Por lo que, se deben oxidar grandes cantidades de
hierro para que la bacteria pueda crecer.
Oxidación microbiana del ión ferroso…
• La mayoría de las bacterias que utilizan hierro como
fuente de electrones son acidófilas obligadas. Pues el
hierro (Fe2+) se oxida espontáneamente a un pH neutro
en ambientes aerobios.
• T. ferrooxidans y las otras especies de bacterias
acidófilas mantienen por necesidad un pH intracelular
cercano a la neutralidad (pH ± 6).
Oxidación microbiana del ión ferroso…
• Sin embargo, el pH del ambiente donde viven es mucho más
bajo (pH 2). La diferencia entre el pH intracelular y extracelular
representa un gradiente de protones que puede ser utilizado
para generar ATP.
• La entrada de protones (H+) a través del complejo proteico
de la ATPasa generaría energía, pero al mismo tiempo estaría
promoviendo la acidificación del citoplasma. La bacteria evitaría
la acidificación de su ambiente intracelular a través del
consumo de protones para la oxidación del hierro.
Oxidación microbiana del ión ferroso…
CICLOS GASEOSOS
CICLO DEL CARBONO
• El carbono es un componente básico fundamental para la
vida.
• Está presente en la atmósfera, en la vida vegetal y animal, en
la materia orgánica no viva, en los combustibles fósiles, en las
rocas, y también está disuelto en los océanos.
• El movimiento de las moléculas de carbono de una forma a
otra se conoce como el ciclo del carbono. Las plantas obtienen
carbono de la atmósfera a través de la fotosíntesis.
CICLO DEL CARBONO…
•Al utilizar el dióxido de carbono (CO2) de la atmósfera y
energía del sol, las plantas convierten el CO2 en carbono
orgánico mientras producen tallos, hojas, y raíces.
• El ciclo de vida y muerte de las plantas tiene como resultado
la acumulación de tejido vegetal en descomposición, tanto
superficial como subterránea (raíces vegetales), y produce una
importante cantidad de carbono orgánico del suelo.
Carbono orgánico del suelo:
• Los suelos varían en la cantidad de carbono orgánico del
suelo que contienen, oscilando de menos de 1 por ciento en
muchos suelos arenosos a más de 20 por ciento en los suelos
de pantanos o ciénagas.
• En Kansas, las pasturas de praderas nativas, como el
andropogón (Angdropogon gerardii Vitman) y el indio
(Sorghastrum nutans (L.)Nash), ayudaron a formar suelos
profundos.
• Las raíces de estas y otras especies de pastos
son fibrosas, y pueden crecer a grandes
profundidades produciendo la mayoría de su
biomasa anual debajo de la superficie.
Carbono orgánico del suelo…
• Como resultado, el importante nivel de carbono
orgánico en los suelos que se desarrollaron bajo pastos
nativos sucede a una profundidad de varios pies.
• El color oscuro asociado con un suelo rico y fértil es,
en gran parte, una medida del contenido de carbono
orgánico.
• Cuando el contenido de carbono orgánico del suelo
disminuye, el color del suelo se aclara y refleja su
contenido mineral.
Carbono orgánico del suelo…
• Los suelos que se forman bajos bosques tienden a acumular
altos niveles de carbono orgánico del suelo próximos a la
superficie y tienen niveles de carbono más bajos en el
subsuelo.
• Esta estratificación del suelo, se debe principalmente a la
acumulación de residuo de hojas y madera en descomposición
proveniente de las ramas y de los árboles que se acumulan en
la superficie del suelo.
• Sin embargo, la estratificación del suelo también es una
función de la lluvia anual y del proceso de erosión acelerado
que enriquece al subsuelo con arcilla.
Carbono atmosférico:
• El monitoreo a largo plazo del CO2 en la atmósfera han permitido
comprobar que ha habido grandes fluctuaciones en el CO2
atmosférico durante los últimos 200.000 años.
• Al observar en los últimos 1.000 años, los niveles de CO2
atmosférico han aumentado de manera significativa.
• El nivel actual (2000 AC) de CO2, aproximadamente 369 ppm, es el
más elevado de los últimos 1000 años.
• La tasa de aumento se ha acelerado tan rápido que el ecosistema
puede ser incapaz de adaptarse.
Carbono atmosférico…
•Este aumento del CO2 coincide con el uso de combustible
fósil, el desmonte de tierras, y el cambio en el uso de tierras
como se ha observado en las Grandes Llanuras y en todo el
mundo.
•El factor más importante que explica el aumento de los
niveles de CO2 atmosférico es el uso de combustibles
fósiles.
•Con la tasa de uso actual de 5 Gt de carbono por año (2.2
trillones de libras), las reservas totales de combustible fósil
se agotarán en los próximos 300 o 400 años.
Carbono atmosférico…
• Mientras se agota el combustible fósil, el carbono
que ha estado fuera del ciclo durante millones de
años se traslada directamente a la atmósfera.
• El carbono atmosférico eventualmente se convertirá
nuevamente en carbono orgánico y logra un nuevo
equilibrio, pero el proceso puede llevar miles de años.
Carbono atmosférico…
• En el corto plazo, este “nuevo” carbono permanecerá en
la atmósfera como CO2.
• Los modelos atmosféricos actuales predicen que el
agotamiento de las reservas de combustible fósil tendrá
como resultado concentraciones pico de CO2 a niveles
cercanos a 1.200 ppm.
• Algunos científicos creen que habrá concentraciones
todavía más altas. Este mayor nivel de CO2 ha hecho que
algunos científicos crean que la temperatura global
promedio comience a aumentar.
Carbono atmosférico…
• Esto producirá el ya conocido calentamiento global. Los
llamado gases de efecto invernadero, CO2, metano (CH4), y el
óxido nitroso (N2O) presentes en la atmósfera, ayudan a retener
el calor que normalmente se irradia fuera de la superficie de la
tierra.
• Con mayores concentraciones de estos gases, el calor no
puede escapar y en consecuencia, las temperaturas globales
aumentan.
• Los cambios en las temperaturas globales hasta ahora son
leves y no muestran una tendencia definitiva, pero los cambios
en los niveles de CO2 atmosférico están bien documentados y
son aceptados por los científicos.
CICLO DEL NITROGENO
• Elemento biogénico que se encuentra incorporado
en moléculas orgánicas que desempeñan funciones
vitales para toda célula.
• Constituyente básico de aminoácidos, ácidos
nucleicos y los polímeros que estas moléculas forman.
• El nitrógeno existe en la naturaleza en varias formas
químicas que presentan diferentes estados de
oxidación
CICLO DEL NITROGENO…
CICLO DEL NITROGENO…
•En términos termodinámicos, el nitrógeno gaseoso (N2)
es la forma más estable del nitrógeno.
•Las otras formas químicas del nitrógeno revierten a N2
bajo condiciones de equilibrio. Esto explica el hecho de
que el nitrógeno molecular es el principal depósito de
nitrógeno para los organismos vivos.
CICLO DEL NITROGENO…
•No obstante, muy pocos organismos tienen la capacidad
para fijar el nitrógeno gaseoso. De hecho, solo un
reducido grupo de Bacteria (fototróficas y heterotróficas)
y Archaea exhibe dicha capacidad.
•El reciclaje del nitrógeno depende entonces de las
transformaciones químicas de compuestos nitrogenados
más disponibles, a través de reacciones de
oxidoreducción. El conjunto de esas transformaciones
integran el ciclo biogeoquímico de nitrógeno
CICLO DEL NITROGENO…
Los procesos de transformación química que intervienen
en el ciclo de nitrógeno son varios:
(1) fijación (reducción)
amoniaco
de
nitrógeno
(2) asimilación de amoniaco
(3) nitrificación
(4) reducción de nitrato (denitrificación),
(5) reducción asimilativa de nitrato
(6) amonificación.
molecular
a
CICLO DEL NITROGENO…
CICLO DEL NITROGENO…
CICLO DEL NITROGENO…
RECICLAJE DE NITROGENO: CONSIDERACIONES AMBIENTALES
Deposición de nitrógeno y liberación de gases del efecto
invernadero:
• ANTES: existía balance nitrógeno fijado biológicamente / retorno
del nitrógeno molecular mediante el proceso de denitrificación.
• Dicho escenario cambió dramáticamente una vez los seres
humanos desarrollamos la capacidad de reducir el N2
industrialmente, utilizando presiones altas y temperaturas elevadas
(> 500°C).
• HOY: producción industrial anual de nitrógeno inorgánico
reducido (NH3 y NO3-) excede los 50 millones de toneladas,
cantidad extra difícil de metabolizar por bacterias denitrificantes en
el mismo lapso.
RECICLAJE DE NITROGENO: CONSIDERACIONES AMBIENTALES
Deposición de nitrógeno y liberación de gases del efecto invernadero…
•Estudios recientes revelan que muchas áreas de bosque
en Europa aparentemente están saturándose de
nitrógeno y al mismo tiempo experimentan cambios
climáticos notables, como es el aumento en
calentamiento.
•El reciclaje del nitrógeno en dichas áreas se puede
alterar como resultado de un aumento en la actividad de
mineralización y nitrificación en suelos que se tornan
más cálidos.
RECICLAJE DE NITROGENO: CONSIDERACIONES AMBIENTALES
Deposición de nitrógeno y liberación de gases del efecto invernadero…
• El aumento en la deposición de nitrógeno tiene como
consecuencias:
(1) un aumento en las emisiones de N2O provenientes
de suelos en áreas boscosas
(2) una posible reducción en asimilación de metano
(CH4). Esto genera, a su vez, un aumento en la
concentración de gases en la atmósfera que causan el
efecto invernadero.
CICLO HIDRICO
EL CICLO DEL AGUA
• Se puede afirmar que la cantidad total de agua que
existe en la Tierra, en sus tres fases: sólida, líquida y
gaseosa, se ha mantenido constante desde la aparición
de la Humanidad.
•El agua de la Tierra - que constituye la hidrósfera se distribuye en tres reservorios principales: los
océanos, los continentes y la atmósfera, entre los cuales
existe una circulación contínua - el ciclo del agua o
ciclo hidrológico.
EL CICLO DEL AGUA…
•El movimiento del agua en el ciclo hidrológico es mantenido
por la energía radiante del sol y por la fuerza de la gravedad.
•El ciclo hidrológico se define como la secuencia de
fenómenos por medio de los cuales el agua pasa de la
superficie terrestre, en la fase de vapor, a la atmósfera y
regresa en sus fases líquida y sólida.
•La transferencia de agua desde la superficie de la Tierra
hacia la atmósfera, en forma de vapor de agua, se debe a la
evaporación directa, a la transpiración por las plantas y
animales y por sublimación (paso directo del agua sólida a
vapor de agua).
EL CICLO DEL AGUA…
EL CICLO DEL AGUA…
•
La mayor cantidad de agua se mueve en el ciclo por el
proceso de evapotranspiración fenomeno conjunto
de evaporación y transpiración.
•
El vapor de agua es transportado por la circulación
atmosférica y se condensa y da lugar a la formación de
nieblas y nubes y, posteriormente, a la precipitación.
•
La precipitación puede ocurrir en la fase líquida (lluvia)
o en la fase sólida (nieve o granizo).
EL CICLO DEL AGUA…
• El agua que precipita en tierra puede tener varios
destinos.
Una parte es devuelta directamente a la atmósfera por
evaporación; otra parte escurre por la superficie del terreno,
escorrentía superficial, que se concentra en surcos y va
a originar las líneas de agua.
El agua restante se infiltra, esto es penetra en el interior
del suelo; esta agua infiltrada puede volver a la atmósfera
por evapotranspiración o profundizarse hasta alcanzar las
capas freáticas.
• Tanto el escurrimiento superficial como el subterráneo
van a alimentar los cursos de agua que desaguan en lagos
y en océanos.
EL CICLO DEL AGUA…
• La energía solar es la fuente de energía térmica
necesaria para el paso del agua desde las fases líquida y
sólida a la fase de vapor, y también es el origen de las
circulaciones atmosféricas que transportan el vapor de
agua y mueven las nubes.
• La fuerza de gravedad da lugar a la precipitación y al
escurrimiento.
•El ciclo hidrológico es un agente modelador de la corteza
terrestre debido a la erosión y al transporte y deposición
de sedimentos por vía hidráulica. Condiciona la cobertura
vegetal y, de una forma más general, la vida en la Tierra.
GRACIAS POR SU ATENCIÓN
…Y A LA TIERRA UN DIOS SE LO
PAGUE POR SOPORTARNOS SIN
QUEJARSE…AÚN!!!
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