TEMA IX

LOS CICLOS BIOGEOQUÍMICOS

ENTRADA

RESERVORIO

PRINCIPAL

PP

SALIDA

FASE

AMBIENTAL

MO muerta

descomponedores

FASE

BIOTICA

Suelo

Consumidores

Los ciclos biogeoquímicos describen el movimiento y la conversión de materiales por actividadesbioquímicas mediante los cuales los elementos circulan por vías características entre la partebiótica y abiótica de la ecosfera.

Los ciclos biogeoquímicos incluyen transformaciones Físicas: Disolución

Precipitación

Volatilización

Fijación

Y transformaciones químicas:

Biosíntesis

Biodegradación

Biotransformaciones oxido-reductivas

Reactivos

Transferencia

Productos

neta de energía

Oxidación

Reducción

Productos

Reactivos

Energía perdida

del sistema

Compuestos de

alta energía

Ingreso

de energía

desde el

exterior

Compuestos de Pérdida

Pérdida

baja energía

de energía

de energía

LOS MATERIALES QUE FORMAN LOS

ECOSISTEMAS

Componentes

Componentes

Elementos

mayoritarios

minoritarios de

traza:

de los

los organismos:

•B

organismos:

•Mg

•Co

•C

•K

•Cr

•H

•Na

•Cu

•O

•Halógenos

•Mo

•N

•Fe

•Ni

•P

•Mn

•Se

•S

•Ca

•Sn

•V

•Zn

•Si

COMPARTIMENTO POZO

Pozo depósito

Pozo de intercambio

(componente grande,

o de ciclo

movimiento lento)

(componente pequeña,

rápida circulación)

Atmósfera

Litosfera

(rocas, sedimentos, minerales)

CICLO GASEOSO

CICLO SEDIMENTARIO

C

P

O

N

CICLO DEL CARBONO

CICLO GLOBAL

B

A

C

Asimilación

Desasimilación

Quimiolitoautotrofos

Asimilación

Desasimilación

Quimiolitoautotrofos

DISOLUCIÓN Y PRECIPITACIÓN

CO + H O H CO

H+ + HCO –

2H+ + CO =

2

2

2

3

3

3

%

100

CO2

+

HCO -

CO =

3

3

H CO

2

3

0 4

6

8

10

12

pH

Si hay calcio en disolución (Ca2+ )

(pH < 8.2)

pH > 8.2

y pH alto

Ca2+ + 2HCO –

H O + CO + CaCO ↓

3

2

2

3

CICLO DEL C EN SISTEMAS TERRESTRES

ATMÓFERA

CO2

CO2

CO2

CO2

Fotosíntesis

Respiración

Biomasa Respiración

Animales

Hojarasca

Respiración

Materia

Orgánica

Descomposición

SUELO

CICLO DEL C EN SISTEMAS ACUÁTICOS

ATMÓSFERA

CO2

Difusión

Difusión AGUA

Fotosíntesis Respiración

Descomposición

SEDIMENTO

Materia

Orgánica

CICLO DEL NITRÓGENO

8.9 kg N/ha

100-200 kg N/ha

3% PPN

Nitrificación

Reducción

Asimilatoria

Amonificación

Fijación

ANAMOX

Desnitrificación

AMONIFICACIÓN

M.O. (R-NH2) → NH3 (amoniaco: pH alcalino y/o en condiciones anaerobicas) (El ión amonio -NH +

4 - se da a pH neutro o ácido)

El NH3 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. 103-105 células/g de suelo que puede alcanzar las 108

células/g en suelos con altas concentraciones de amoniaco NITROSANTES

NH +

-

4 + 1/2 O2 → NO2 + H2O + H2 (∆G= -66 Kcal) Nitrosomonas, Nitrosospira, Nitrosolobus,

Nitrosovibrio,Nitrosococcus

NITRIFICANTES

NO -

-

2 + 1/2 O2 → NO3 (∆G= -17 Kcal)

Nitrobacter, Nitrospira, Nitrococcus

BACTERIAS NITRIFICANTES

- Crecimiento quimiolitoautotrófico a

expensas de compuestos reducidos de

-Asociación metabólica secuencial entre:

nitrógeno inorgánico, respiradores

aerobios

Bacterias oxidantes del amonio (nitrosificantes/nitrosantes)

- La mayoría presenta sistemas

membranosos internos complejos

Nitrosomonas

- Crecimiento lento

Nitrosococcus

- Ampliamente distribuidas en suelos y

NH

-

3 NO2

Nitrosospira

aguas

Nitrosolobus

- Muy abundantes en hábitats con altos

niveles de amonio, pH alcalino

Nitrosovibrio

- Pertenecen al grupo de las

Proteobacterias (alfa , beta, gamma o

Bacterias oxidantes del nitrito (nitrificantes)

delta), menos Nitrospira (grupo aparte)

Nitrobacter

NO -

NO -

Nitrospina

2

3

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 prácticaagrícola. Se añaden compuestos inhibitorios de la nitrificación como la NITRAPIRINA

• El nitrato lixiviado desde los suelos agrícolas va a los sistemas acuáticos donde puede causaseutrofización. 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 deNitrosaminas carcinogénicas (la legislación estable un nivel máximo de 10 mg/l)

• La acumulación de nitrato en lugares anaerobios produce desnitrificación y pérdida de N delsistema. Formación de NO y N2O que destruyen la capa de ozono.

ANAMOX

NH +

-

4 + NO2 → N2 + H2O (∆G= -357 KJ)

Aceptor de e-

Donador de e-

ANAMOXOMA

ANA

Brocardia anamoxidans

MOX

(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 bacteriasanaerobias facultativas que obtienen poca energía (solo 2 ATP) en el proceso

La DESNITRIFICACIÓN causa pérdida de N en los sistemas (negativo) pero esto es beneficiosoen el tratamiento de aguas residuales (positivo) LA DESNITRIFICACIÓN ES UN PROCESOIMPORTANTE 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 dedepuración de aguas residuales

REDUCCIÓN

REDUCCIÓN

ASIMILATORIA

DESASIMILATORIA

NO -

3

Nitratorreductasa desreprimido por anoxia

Nitratorreductasa

Reprimido NH3

NO -

Reducción

2

NH3 desasimilatoria

Nitratorreductasa

a amonio

Reprimido NH3

Nitratorreductasa desreprimido por anoxia

(Hidroxilamina) NH

Atmósfera

2OH

(Oxido Nítrico) NO Oxidonitricorreductasa desreprimido por anoxia

Atmósfera

(Amoniaco) NH3

(Oxido Nitroso) N2O

Oxidonitrosorreductasa

desreprimido por anoxia

(N orgánico) R-NH2

N

Atmósfera

2

Valores algo mas altos de Eh, bajo pH y altas concentraciones de NO3- favorecen N2O (aunquees menos del 10% del N perdido) El N2 se ve favorecido por altas concentraciones de MO

AMONIFICACIÓN

M.O. (R-NH

+

2) → NH3 (amoniaco) pH neutro y ácido: ión amonio (NH4 ) NITRIFICACIÓN

NH +

-

4 + 1/2 O2 → NO2 + H2O + H2 (∆G= -66 Kcal) Nitrosomonas, Nitrosospira, Nitrosolobus,Nitrosovibrio,Nitrosococcus NO -

-

2 + 1/2 O2 → NO3 (∆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

NO -

-

3 → NO2 → NH3 (reducción desasimilatoria de nitrato) Enterobacter, Escherichia, Bacillus,Micrococcus, Vibrio, Clostridium...

Reducción entativa del

ferm

NO -

-

nitrito (anaerobio)

3 → NO2 → NO → N2O → N2 (reducción desasimilatoria de nitrato) Bacillus, Pseudomonas,Hyphomicrobium, Spirillum, Moraxella, Thiobacillus Desnitrificación

FIJACIÓN DE N ATMOSFÉRICO

• Equilibra las pérdidas por desnitrificación

• Sólo lo pueden hacer organismos procarióticos

1- BACTERIAS FIJADORAS EN ESTADO LIBRE:

Influido por:

Aerobias: Cianobacterias, Azotobacter,

Disponibilidad de energía

metilotrofos oxidantes de CH

Humedad

4

Temperatura

Microaerófilas: Rhizobium, Azospirillum

Anaerobias facultativas: Enterobacter, Klebsiella

Anaerobias: Clostridium, fotótrofos, Desulfovibrio

2- BACTERIAS FIJADORAS EN ASOCIACIONES

SIMBIOTICAS

Nódulos: Rhizobium en legumninosas, Frankia en

alisos

Rizosfera: Azospirillum, Agrobacter paspoli,

Klebsiella

TASAS MEDIAS DE FIJACIÓN DE N2

Total N2 fijado al año : 276 x 106 Tm

Origen biológico: 85%

Tierra: 140 x 106 Tm

Océanos : 100 x 106 Tm

Origen industrial : 15%

36 x 106 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-1año-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 lacantidad de nitrógeno combinado en un sistema puede producir:

- Una eliminación de la capacidad fijadora de N del sistema 2

- 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 gransolubilidad

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 defertilidad del sistema y pérdida económica)

- Desencadenar procesos de eutrofización en aguas superficiales ( por escorrentía o previacontaminación de aguas subterráneas)

- Una contaminación de las aguas de consumo (superficiales o subterráneas), provocandocianosis (unión irreversible del Nitrito a la hemoglobina= methemoglobina) en rumiantes y niñosde 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 dela 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 atmósferaincidiendo en el efecto invernadero y en la destrucción de la capa de ozono

CICLO DEL AZUFRE

Oxidación

Oxidación

REDUCCIÓN ASIMILATORIA

El SO 2-

4

es reducido a nivel de sulfuro (-SH) para poder ser asimilado por plantas, algas y muchosmicroorganismos heterotróficos.

DESULFURACIÓN

Durante la descomposición de la MO el S se libera como mercaptanos y SH2.

TRANSFORMACIONES OXIDATIVAS DEL S

SH2 es muy reactivo y puede ser:

• Oxidado por el O2 química o fotoquímicamente.

• Oxidado biológicamente en aerobiosis.

• Oxidado fototróficamente por microorganismos en anaerobiosis.

El SH2 presente en la atmósfera es oxidado a SO2 y SO3 y finalmente transformados a SO4H2 yorigina las lluvias ácidas.

El SH2 en medios acuáticos se oxida

químicamente a S

2-

0 y S2O3

Oxidación

Oxidación

El SH2 en presencia de O2 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) tambiénoxidan SH2 y otros compuestos de S reducidos.

Beggiatoa

Thiovulum

Thiothrix

SH

→

2 + 1/2 O2

S0 + H2O

Otras especies de Thiobacillus acidófilas (Acidithiobacillus) obtienen energía de la oxidación delS

2-,

2O3

S0 y otros compuestos inorgánicos de S reducido. Sulfolobus también oxida S para obtenerenergía en ambientes acidotermófilos S0 + 3/2 O2 + H2O → SO4H2

Thiobacillus denitrificans utiliza iones nitrato como aceptor de e- en la oxidación de compuestosinorgánicos de S.

3S0 + 4NO →

2-

3

3SO4 + 2N2

Gusanos

vestimentíferos

OXIDACION FOTOTRÓFICA DEL SH2 EN AMBIENTE ANAEROBIOS

Chromatiaceae y Chlorobiaceae fotorreducen el CO2 mientras oxidan el SH2 a S0

CO

→

2 + SH2

S0 + (CH2O) (fotosíntesis anaerobia)

CO2 + H2O + → O2 + (CH2O)

(fotosíntesis aerobia)

TRANSFORMACIONES REDUCTIVAS DEL S

Respiración anaerobia del SO 2-

4

como aceptor terminal de e-.

Es una reducción desasimilativa realizada por las bacterias sulfatorreductoras: Desulfovibrio,Desulfotomaculum, Desulfobacter, Desulfobulbus, Desulfonema y Desulfosarcina.

*H

2- →

2 + SO4

SH2 + 2H2O + OH-

*Como donadores de e- pueden usar también ac. orgánicos, ac. grasos, o etanol.

Desulfovibrio

Respiración anaerobia del S0 como aceptor terminal de e- :

• Con acetato como donador (Desulfuromonas acetoxidans) CH3COOH + 2H2O + S0 → 4SH2 +2CO2

Sintrofía con bacterias fotosintéticas anoxigénicas del S

• Con H2 como donador (arqueobacterias termófilas)

H2 + S0 → SH2

Como resultado de la reducción desasimilativa del sulfato se han formado a lo largo de periodosgeológicos 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,

COMPUESTOS

Dimetil sulfuro DMS H

ORGÁNICOS DE S

3C-S-CH3 (45x106 T/año)

ANAEROBIOSIS

Bacterias metanogénicas: DMS CH4 + H2S

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

Condiciones ácidas

Movilización del P y otros nutrientes

Movilización de metales pesados

Biominería

Drenaje ácido de minas

Quema de combustibles fósiles SO2

Lluvia ácida

Desulfuración de carbón por bacterias sulfooxidantes Corrosión anaerobia de acero yestructuras de hierro en sedimentos y suelos con SO =

4

Detoxificación de H2S 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 apartir del dimetilsulfoniopropionato (betaina, soluto compatible de algas marinas)