TEMA IX

LOS CICLOS BIOGEOQUÍMICOS

RESERVORIOPRINCIPAL

PP

Consumidores

MO muertadescomponedores

Suelo

ENTRADA

FASE BIOTICA

FASEAMBIENTAL

SALIDA

Los ciclos biogeoquímicos describen el movimiento y la conversión de materiales por actividades bioquímicas mediante los cuales los elementos circulan por vías características entre la parte biótica y abiótica de la ecosfera.

Los ciclos biogeoquímicos incluyen transformaciones Físicas:DisoluciónPrecipitaciónVolatilizaciónFijación

Y transformaciones químicas:BiosíntesisBiodegradaciónBiotransformaciones oxido-reductivas

Reactivos

Productos

Productos

Reactivos

ReducciónOxidación

Energía perdidadel sistema

Transferencianeta de energía

Ingresode energíadesde elexterior

Compuestos dealta energía

Compuestos debaja energía

Pérdidade energía

Pérdidade energía

LOS MATERIALES QUE FORMAN LOS ECOSISTEMAS

Componentes mayoritarios

de los organismos:

•C•H•O•N•P•S

Componentes minoritarios de los organismos:

•Mg•K

•Na•Halógenos

•Fe•Mn•Ca

Elementos traza:

•B•Co•Cr•Cu•Mo•Ni•Se•Sn•V•Zn•Si

CON

CICLO GASEOSO

Atmósfera

P

CICLO SEDIMENTARIO

Litosfera(rocas, sedimentos, minerales)

Pozo depósito(componente grande,movimiento lento)

Pozo de intercambioo de ciclo

(componente pequeña,rápida circulación)

COMPARTIMENTO POZO

A B

C

CICLO GLOBAL

CICLO DEL CARBONO

Asimilación Desasimilación

Asimilación

Desasimilación

Quimiolitoautotrofos

Quimiolitoautotrofos

6 8 10 124 pH0

%100

CO2+

H2CO3

HCO3- CO3

=

CO2 + H2O � H2CO3 � H+ + HCO3– � 2H+ + CO3

=

DISOLUCIÓN Y PRECIPITACIÓN

(pH < 8.2) pH > 8.2Ca2+ + 2HCO3

– � H2O + CO2 + CaCO3↓Si hay calcio en disolución (Ca2+ )y pH alto

CICLO DEL C EN SISTEMAS TERRESTRES

ATMÓFERA

SUELOMateriaOrgánica Descomposición

Hojarasca

RespiraciónRespiración

Fotosíntesis

Respiración

CO2

CO2

Biomasa

Animales

CO2

CO2

CICLO DEL C EN SISTEMAS ACUÁTICOS

ATMÓSFERA

AGUA

SEDIMENTO

Difusión

CO2

Fotosíntesis Respiración

MateriaOrgánica

Descomposición

Difusión

CICLO DEL NITRÓGENO

8.9 kg N/ha100-200 kg N/ha

3% PPN

Amonificación

Nitrificación

Desnitrificación

Reducción

Asimilatoria

ANAMOX

Fijación

AMONIFICACIÓN

M.O. (R-NH2) → NH3 (amoniaco: pH alcalino y/o en condiciones anaerobicas) (El ión amonio -NH4

+- 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

NH4+ + 1/2 O2 → NO2

- + H2O + H2 (∆G= -66 Kcal)Nitrosomonas, Nitrosospira, Nitrosolobus, Nitrosovibrio,Nitrosococcus

NO2- + 1/2 O2 → NO3

- (∆G= -17 Kcal)Nitrobacter, Nitrospira, Nitrococcus

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

NITRIFICANTES

BACTERIAS NITRIFICANTES

- Crecimiento quimiolitoautotrófico a expensas de compuestos reducidos de nitrógeno inorgánico, respiradores aerobios

- La mayoría presenta sistemas membranosos internos complejos

- Crecimiento lento

- Ampliamente distribuidas en suelos y aguas

- Muy abundantes en hábitats con altos niveles de amonio, pH alcalino

- Pertenecen al grupo de las Proteobacterias (alfa , beta, gamma o delta), menos Nitrospira (grupo aparte)

Nitrosomonas

Nitrosococcus

Nitrosospira

Nitrosolobus

Nitrosovibrio

Nitrobacter

Nitrospina

Nitrococcus

-Asociación metabólica secuencial entre:

Bacterias oxidantes del amonio (nitrosificantes/nitrosantes)

NH3 NO2-

Bacterias oxidantes del nitrito (nitrificantes)

NO2- NO3

-

Nitrosomonas

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 práctica agrícola. Se añaden compuestos inhibitorios de la nitrificación como la NITRAPIRINA

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

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

NITRIFICACIÓN

ANAMOX

Brocardia anamoxidans(Planctomycetes)

NH4+ + NO2

- → N2 + H2O (∆G= -357 KJ)

Donador de e-

Aceptor de e-

ANAMOXOMA

ANAMOX

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

DESNITRIFICACIÓN

La DESNITRIFICACIÓN causa pérdida de N en los sistemas (negativo) pero esto es beneficioso en el tratamiento de aguas residuales (positivo)

LA DESNITRIFICACIÓN ES UN PROCESO IMPORTANTE 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 de depuración de aguas residuales

REDUCCIÓN ASIMILATORIA

REDUCCIÓN DESASIMILATORIA

NO3-

NO2-

NitratorreductasaReprimido NH3

NitratorreductasaReprimido NH3

NH2OH

NH3

R-NH2

(Hidroxilamina)

(Amoniaco)

(N orgánico)

NH3

NO

N2O

N2

Nitratorreductasa desreprimido por anoxia

Reducción desasimilatoriaa amonio

Nitratorreductasa desreprimido por anoxia

(Oxido Nítrico)

(Oxido Nitroso)

Atmósfera

Atmósfera

Atmósfera

Oxidonitricorreductasa desreprimidopor anoxia

Oxidonitrosorreductasadesreprimido por anoxia

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

NITRIFICACIÓN

NH4+ + 1/2 O2 → NO2

- + H2O + H2 (∆G= -66 Kcal)Nitrosomonas, Nitrosospira, Nitrosolobus, Nitrosovibrio,Nitrosococcus

NO2- + 1/2 O2 → NO3

- (∆G= -17 Kcal)Nitrobacter, Nitrospira, Nitrococcus

NO3- → NO2

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

NO3- → NO2

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

AMONIFICACIÓN

M.O. (R-NH2) → NH3 (amoniaco) pH neutro y ácido: ión amonio (NH4+)

ASIMILACIÓN NITRATO

Redu

cci ón

ferm

ent a

tiva

del

nitr

ito

( ana

erob

i o)

Des

nitr

ificac

ión

NO3- → NO2- → NH3 → (R-NH2) M.O. (reducción asimilatoria de nitrato) algunas bacterias, hongos y algas

DESNITRIFICACIÓN

1- BACTERIAS FIJADORAS EN ESTADO LIBRE:Aerobias: Cianobacterias, Azotobacter, metilotrofos oxidantes de CH4Microaerófilas: Rhizobium, AzospirillumAnaerobias facultativas: Enterobacter, KlebsiellaAnaerobias: Clostridium, fotótrofos, Desulfovibrio

2- BACTERIAS FIJADORAS EN ASOCIACIONES SIMBIOTICASNódulos: Rhizobium en legumninosas, Frankia en alisosRizosfera: Azospirillum, Agrobacter paspoli, Klebsiella

FIJACIÓN DE N ATMOSFÉRICO

Influido por:Disponibilidad de energíaHumedadTemperatura

• Equilibra las pérdidas por desnitrificación• Sólo lo pueden hacer organismos procarióticos

TASAS MEDIAS DE FIJACIÓN DE N2

Total N2 fijado al año : 276 x 106 TmOrigen biológico: 85%

Tierra: 140 x 106 TmOcéanos : 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-1 año-1

- Bacterias heterotróficas con Spartina alterniflora (marismas): 100-500 Kgha-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 la cantidad de nitrógeno combinado en un sistema puede producir:

- Una eliminación de la capacidad fijadora de N2 del sistema

- 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 gran solubilidad

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 de fertilidad del sistema y pérdida económica)

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

- Una contaminación de las aguas de consumo (superficiales o subterráneas), provocando cianosis (unión irreversible del Nitrito a la hemoglobina= methemoglobina) en rumiantes y niños de 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 de la 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 atmósfera incidiendo en el efecto invernadero y en la destrucción de la capa de ozono

CICLO DEL AZUFRE

Oxidación

Oxidación

REDUCCIÓN ASIMILATORIA

DESULFURACIÓN

TRANSFORMACIONES OXIDATIVAS DEL S

El SO42- es reducido a nivel de sulfuro (-SH) para poder ser asimilado por

plantas, algas y muchos microorganismos heterotróficos.

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

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

El SH2 en medios acuáticos se oxida químicamente a S0 y S2O3

2-

SH2 es muy reactivo y puede ser:• Oxidado por el O2 química o fotoquímicamente. • Oxidado biológicamente en aerobiosis.• Oxidado fototróficamente por microorganismos en anaerobiosis.

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) también oxidan SH2 y otros compuestos de S reducidos.

SH2 + 1/2 O2 → S0 + H2O

Beggiatoa Thiovulum Thiothrix

Otras especies de Thiobacillus acidófilas (Acidithiobacillus) obtienen energía de la oxidación del S2O3

2-, S0 y otros compuestos inorgánicos de S reducido. Sulfolobustambién oxida S para obtener energía en ambientes acidotermófilos

S0 + 3/2 O2 + H2O → SO4H2

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

3S0 + 4NO3 → 3SO42- + 2N2

Gusanosvestimentíferos

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

CO2 + SH2 → S0 + (CH2O) (fotosíntesis anaerobia)

CO2 + H2O + → O2 + (CH2O)(fotosíntesis aerobia)

OXIDACION FOTOTRÓFICA DEL SH2 EN AMBIENTE ANAEROBIOS

TRANSFORMACIONES REDUCTIVAS DEL S

Respiración anaerobia del SO42- como aceptor terminal de e-.

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

*H2 + SO42- → 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)

Sintrofía con bacterias fotosintéticas anoxigénicas del S

• Con H2 como donador (arqueobacterias termófilas)

CH3COOH + 2H2O + S0 → 4SH2 + 2CO2

H2 + S0 → SH2

Como resultado de la reducción desasimilativa del sulfato se han formado a lo largo de periodos geológicos depósitos minerales de sulfuros metálicos de origen biológico.

Como resultado de la sulfooxidación se han formado depósitos de azufre de origen biológico

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)

Dimetil sulfonio propionato DMSP:

Soluto compatible de algas marinas,

Dimetil sulfuro DMS H3C-S-CH3 (45x106 T/año)

COMPUESTOS ORGÁNICOS DE S

Simó y Pedrós-Alió, Nature: 25/11/99

CICLO DEL AZUFRE: IMPLICACIONES PRÁCTICAS

Oxidación del azufre SO4= 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 sulfooxidantesCorrosión anaerobia de acero y estructuras de hierro en sedimentos y suelos con SO4

=

Detoxificación de H2S en los ecosistemas por bacterias anoxifototrofas o sulfooxidantes aerobiasDepósitos de sulfuros metálicos

Depósitos de So

Control del clima: Núcleos de condensación derivados del DMS (dimetil sulfuro) que se genera a partir del dimetilsulfoniopropionato (betaina, soluto compatible de algas marinas)