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!!!
