Ciclos Biogeoquímicos

M.C. Ma. Zulema Ponzio A

Universidad Autónoma de Cd. Juárez

Instituto de Ciencias Biomédicas

Licenciatura en Química

Ciclos Biogeoquimicos Nutriente o nutrimento-----30-40 elementos necesitamos los

seres humanos

Nutrientes

Macronutrientes Micronutrientes C, O, H, N, P, S, Ca, Mg y K Fe, Cu, Zn, Cl y I

Son ciclados continuamente en vías complejas a través de las partes vivas y no vivas de la ecósfera, y convertidas en formas útiles por una combinación de procesos biológicos, geológicos y químicos.

Este ciclamiento de los nutrientes desde el ambiente no vivos, hasta los organismos vivos, y de regreso al ambiente no vivo, tiene lugar en los ciclos biogeoquímicos, de la vida (bio) en la tierra (geo), estos ciclos, activados directa o indirectamente por la energía que proviene del Sol, incluyen los del carbono, oxígeno, nitrógeno, fósforo, azufre y del agua (hidrológicos).”

Ciclos Biogeoquímicos

1.-Sedimentarios Azufre Fósforo

2.-Gaseoso Carbono Oxigeno Nitrógeno Hidrògeno

3.- Hidrológico

Sedimentarios

Los nutrientes circulan principalmente en la corteza terrestre Suelo

Rocas

Sedimentos

La hidrosfera

Los organismos vivos

Elementos en estos ciclos

Son generalmente reciclados mucho más lentamente que en el ciclo gaseoso

El elemento se transforma de modo químico y con aportación biológica en un mismo lugar geográfico

Los elementos son retenidos en las rocas sedimentarias durante largo periodo de tiempo (miles a millones de años)

Gaseosos

Los nutrientes circulan principalmente entre la atmósfera (agua) y los organismos vivos. En la mayoría de estos ciclos los elementos son reciclados rápidamente, con frecuencia en horas o días.

El principal ciclo gaseoso es el del CARBONO

Ciclo del Agua Principales Trayectorias :

Precipitación: lluvia, nieve

Evaporación: agua → vapor de agua

Transpiración: suelos → raíces → planta

Condensación: vapor de agua → gotas de agua

Infiltración: (suelos)

Percolación (aguas subterráneas)

Escurrimientos (runoff)

Gran parte de los problemas ambientales que encaramos proceden de los efectos

directos e indirectos del ciclo hidrológico.

3)Extracción

2) Contaminación

1) Modificación de la superficie

Terrestre

Calentamiento Global

Deforestación

Asentamientos urbanos y suburbanos ofrecen un ejemplo extremo de modificación de la superficie terrestre, pues el suelo poroso es reemplazado con asfalto.

1) Modificación de la superficie

terrestre

2) Contaminación

2) Contaminación

- Lluvia Acida: Mezcla entre el agua atmosférica y los contaminantes que se encuentran en el aire, desarrollan el proceso.

Residuos Lixiviados: Sustancias contaminantes producidas por las actividades humanas, que son disueltas por el agua y que son transportadas a los depósitos subterráneos de las fuentes de agua.

3) Extracción

La sobre explotación de aguas subterráneas, afecta de manera indirecta la flora y fauna silvestre, es decir, provoca la alteración de las cadenas tróficas, Como por ejemplo, al Fitoplancton y las Algas bénticas (productores primarios).

Generalidades:

• Presente en corteza terrestre como sulfuros metálicos

•Aspecto amarillo

•Blando y ligero. Se combina con H2

•Presenta formas alotrópicas (S8)

•Producto de oxidación el SO2

Ciclo del Azufre Elemento reactivo

Valores estables de valencia entre -2 y +6

Uno de los 10 elementos mas abundantes en la corteza terrestre

En organismos vivos forma grupos sulfhidrilo (-SH) Aminoácidos

Concentración media es de 520 ppm

Raramente es un nutriente limitante

Introducción de S a la ecosfera

Actividad eruptiva y posvolcánica

Tasas relativamente rápidas (lluvias)

Disponibilidad

Almacenado en rocas y minerales subterráneos, sedimentos profundos de océano.

H2S natural: volcanes activos, pantanos, ciénagas (generación anaeróbica).

SO2: volcanes

Sales de sulfato: océano → atmósfera.

Procesos químicos inorgánicos del ciclo

• Causada por la separación

de los suelos

• Los fluidos hidrotermales

contienen: H2S, S0, H2, NO2,

Fe, Mn

• El agua caliente entra en

contacto con el agua fria

superficial

• Las temperaturas varian de

5-23°C a 350-400°C

• El enfriamiento produce

chimeneas o plumas

Combustión

Minería

DESCOMPOSICION

OXIDACION

SULFOBACTERIAS

OXIDACION

QUIMIO-FOTO

Reservas

Materia orgánica viva o muerta Reservorio menor de S

Reciclado mas rápido

Reservorio de S inerte mayormente son Sulfuros metálicos de las rocas

Depósitos de S elemental

Combustibles fósiles

Suelo y Sedimentos

Descomposición de compuestos orgánicos con S produce Mercaptanos y H2S

Causa del mal olor de los huevos podridos

Proceso denominado desulfuración

Ambientes Marinos

Principales productos de la descomposición de los compuestos orgánicos de S: Dimetilsulfuro (DMS)

Este producto se origina a partir del dimetilsulfoniopropionato (DMSP)

La mayoría de sulfatos son fácilmente solubles en agua (excepto sulfatos de Ca y Fe)

Ion sulfato: segundo anión mas abundante en el agua de mar

Dimetilsulfuro DMS

Metabolito de las algas marinas

• Participa en la osmoregulación

Se escapa hacia la atmósfera

Representa el 90 % de flujo total de S de los ambientes marinos hacia la atmósfera.

El DMS, H2S y mercaptano volátil

Atmósfera

Experimentan reacciones de fotooxidación

Producto final es algún sulfato

El H2S también reacciona con el O2 atmosférico

Transformaciones Oxidativas del Azufre

En presencia de O2

Los compuestos reducidos

de S forman parte del metabolismo quimiolitótrofo microbiano.

Organismos situados

En la interfase de un

ambiente anaeróbico

Sedimento

Agua parcialmente oxigenada en contacto con el sedimento Beggiatoa

Thiobacillus

Oxidan

H2S

Otros compuestos reducidos de S

Tienen baja tolerancia a los ácidos

Depositan S elemental

En lugar de generar acido sulfúrico

Son quimiolitótrofas facultativas

Otras especies de Thiobacillus

Producen sulfatos mediante la oxidación de S elemental

Son quimiolitotrofas obligadas Obtienen energía estrictamente de la oxidación

del S inorgánico

Mayoría de la especies de Thiobacillus son Aerobios estrictos (Para la oxidación de los

compuestos inorgánicos de S)

Arqueabacterias Oxidan el S elemental En ambientes calientes

Extremadamente ácidos

Para obtener la energía

Otros Microorganismos

Diversos organismos heterótrofos

Oxidan el S inorgánico a sulfato o tiosulfato

Pero no parece que obtienen su energía es esta transformación

Sulfolobus

Oxidación del azufre

Produce grandes cantidades de un acido fuerte

En los suelos

Permiten al fósforo y otros nutrientes minerales

Se solubilicen

Se movilicen

Tiene un efecto generalmente beneficioso para los microorganismos y para las plantas.

Thiobacillus thioxidans Puede utilizarse para ajustar el pH del suelo

Thiobacillus ferroxidans Se utiliza en minería microbiana

Transformaciones reductoras del

Azufre Presente en el fondo de los océanos: en las

rupturas de la corteza terrestre

Donde existe el contacto del agua con la roca basáltica caliente

Contienen compuestos reducidos geotermicamente: como H2S, Sº, entre otros

Son desplazados hacia arriba a través de bocas volcánicas.

Así entran en contacto con el agua marina fría y oxigenada

Procesos de Respiración

El S elemental puede ser reducido anaerobicamente a Sº y H2S

Se lleva a cabo por Desulfuromonas acetoxidans

Crecen en presencia de acetato

Viven en simbiosis con las bacterias verdes del azufre las cuales fotooxidan el H2S a Sº y excretan el azufre elemental al exterior de la célula

Impacto de actividades humanas sobre el ciclo

1. Actividad minera: Minería a cielo abierto. Fundición de

minerales de azufre para liberación de metales (cobre,

plomo, zinc).

En minas de Carbón hay contaminación con pirtita (Fe2S).

La pirita es oxidada on el ambiente y por m.o.

produciendo grandes cantidades de H2SO4.

Repercusiones:

Acidificación de suelo

Crecimiento nulo de plantas o bacterias no acidófilas

extremas

Contaminación de ríos

2. Quema de combustibles fósiles

Efectos de la contaminación (lluvia ácida)

La presencia de ácido sulfuroso y ácido sulfúrico hace descender el pH hasta 3.5 -4

Efectos de la contaminación (lluvia ácida)

Ciclo del Fósforo Elemento esencial para todos los

sistemas vivos

Forma mas abundante Sistemas biológicos Ácidos nucleicos

ATP (transferencia de energía)

Fosfolípidos (se encuentran en la membrana celular)

Esta presente en todos los seres vivos.

o Forma parte del los ácidos nucleídos

o Forma enlaces de alta energía

o Se encuentra en huesos y dientes

No es un componente abundante en la ecósfera por tal motivo llega a ser limitante para el crecimiento microbiano

Su disponibilidad esta restringida a que se tiene que precipitar con

Metales divalentes Ca y Mg

El ion ferrico Fe3

A pH neutro o alcalino

Sedimentos marinos

Se encuentran grandes reservorios de fosfato de reciclado lento

El fosfato disuelto en Suelos

Agua

Materia orgánica viva o muerta

Constituyen una pequeña reserva de fosfato de reciclado activo

Se encuentra en rocas fosfatadas

(apatita 3Ca3[PO4]2 * Ca[FeCl]2)

Es explotada en la industria del abono fosfatado

Ciclo del Fósforo

Disponibilidad:

Presente en formaciones terrestres de rocas y sedimentos profundos del océano en forma de sales de fosfato con iones PO4

-3.

Poca circulación en la atmósfera: no es gas en condiciones normales de presión y temperatura.

Poco contenido de fosfatos en suelos → factor limitante en crecimiento de plantas.

Poco soluble en agua → factor limitante en formación de productores en corrientes acuáticas y lagos.

ROCAS FOSFATADAS

FITOPLACTON ZOOPLANCTON

PECES

Pseudomonas

Bacillus

Rhizobium

Agrobacterium

Burkholderia

Achromobacter

Microccocus

Aerobacter

Flavobacterium

Erwinia

Ciclo del Fósforo

Efecto de la Actividad Humana

Extracción minera → fertilizantes inorgánicos comerciales, detergentes.

Remoción de árboles → deslavado y reducción de fosfato disponible → tierra inproductiva.

Adición de exceso de fosfatos en sistemas acuáticos: escurrimiento de heces de ganado, escurrimiento de cultivos fertilizados con fosfatos, descarga de residuos municipales → crecimiento explosivo de cianobacterias, algas, plantas acuáticas → descomposición de materia → reducción de oxígeno disuelto → desbalance de sistema acuático.

CICLO DEL CARBONO

RESERVORIO:

Atmósfera

Hidrosfera

Litosfera: mayor reservorio de rocas y sedimentos de

corteza terrestre

Carbono orgánico: plantas terrestres

Representa bosques y praderas

Fijación fotosintética de CO2

Humus

Mayor cantidad de C que seres vivos

Medio rápido de transferencia global del carbono mediante CO2 de la atmósfera.

CO2 retirado por fotosíntesis

Regresa por respiración

Aporte de CO2 mas importante Descomposición de materia orgánica muerta

Organismos fototrópicos Base del ciclo del carbono

Mayor parte de la fotosíntesis Organismos fotótrofos oxigénicos

Ecuación de la fotosíntesis oxigénica

CO2 + H2O (CH2O) + O2

Luz

Ecuación de la respiración

(CH2O) + O2 CO2 + H2O

Luz u oscuridad

La tasa fotosintética debe ser mayor que la tasa de respiración

Ciclo del Carbono

Océano: principal reserva de almacenamiento de carbón

Disuelto en agua

Remoción a través de productores de fotosíntesis

Reacción con agua de mar → iones

carbonatos y bicarbonatos

Los microorganismos son los únicos que son capaces de degradar la materia orgánica por vía anaerobia (fermentación), además de llevar a cabo el reciclado de biopolímeros difíciles de degradar como celulosa y lignina.

La capacidad de degradar materiales

húmicos, hidrocarburos y muchos materiales sintéticos es casi exclusivo de los microorganismos.

RECICLADO DEL CARBONO A TRAVES DE

LAS CADENAS TROFICAS

METANOGENESIS:

Proceso anaerobio que llevan a cabo el grupo de arqueas, que reducen el CO2 utilizando hidrógeno.

HCO3 -1 + H +1 + 4H2 CH4 + 3H2O + energía

Metanógenos: Methanosarcina barkeri

METILOTROFIA: Proceso aerobio que llevan a cabo los

microorganismos que solo pueden utilizar CH4 , CH3OH, Formiato, CO y otros compuestos de un solo carbono.

Metilotrofos: Methylomonas. ACETOGENESIS: Proceso anaerobio facultativo mediante el cual se

reduce el CO2 con H2 produciendo acetatos. 2CO2 + 4H2 CH3COOH + 2H2 + energía

MONOXIDO DE CARBONO:

Es producto de la oxidación fotoquímica del

metano e hidrocarburos; respiración animal y de los microorganismos; reacción fotoquímica en plantas y microorganismos fotosintéticos.

Es metabolizado aeróbica y anaerobicamente por las carboxido bacterias Pseudomona carboxidoflava y P. carboxydohydrogena.

CO + H2O CO2 + H2

Aspergillus, Fusarium, Trichoderma (hongos); Cytophaga, Vibrio, Cellulomonas, Streptomices, degradan celulosa (cadenas de glucosa) aeróbica o anaerobicamente por la acción de las celulasas.

Bacillus y Actinomicetes degradan hemicelulosas (cadenas de hexosas glucosa y galactosa y pentosas xilosa y arabinosa)

Hongos y Actinomicetes degradan la quitina, que es un polisacárido acetilado sintetizado por algunos hongos y artrópodos.

El basidiomiceto Phanerochaete chrysosporium,

Polyporus, Poria, Agaricus, Fusarium (Hongos); Micrococcus, Pseudomonas, Arthrobacter (Bacterias), llevan a cabo la degradación de la lignina a través de enzimas, que es un polímero abundante en plantas superiores.

DEGRADACION MICROBIANA DE POLISACARIDOS.

Ciclo del Carbono Efecto de la Actividad Humana:

Eliminación de árboles y otras plantas absorbedoras de CO2 por fotosíntesis

Adición de CO2 a través de quema de combustibles fósiles y madera → incremento de efecto invernadero natural → calentamiento global → Interrupción de producción global de alimentos y vida silvestre; elevar el nivel del mar.

El aumento en la concentración del dióxido de carbono en la atmósfera provoca el efecto invernadero, lo cual trae como consecuencia un cambio en el clima que puede llegar a afectar a los microorganismos.

CICLO DE NITROGENO

4° elemento màs abundante en la

biòsfera.

Importante componente de los

aminoàcidos y proteinas.

Elemento nutritivo màs importante de las

plantas y animales

ATMÒSFERA

FIJACIÒN QUÌMICA DE N2

FIJACIÒN BIOLÒGICA

DE N2

FIJACIÒN DEL N2 POR RAYOS SOLARES

Pseudomonas, Bacillus otras aerobias facult.

Clostridium pasteurianum

Bact. Fototrof.anoxigénica

Cyanobacteria, Rhizobium, Azotobacter,

Bacterias oxidadoras de amoniaco y nitritos

Compuestos nitrogenados inorganicos: amoniaco (NH3) y el nitrito (NO2).

Se oxidan aerobicamente por bacterias nitrificantes.

El NH3 se oxida por la enzima Amoniaco monooxigenasa produciendo NH2OH y H2O.

NH3 + O2 + 2 H+ + 2e- NH2OH + H2O

Oxidaciòn anòxica del amoniaco

Reacción exotèrmica dependiente de nitrato.

5 NH4+ + 3 NO3

- 4 N2 + 9 H2 O + 2H+

Desnitrificación

Aceptor alternativo de e- NO3-, el

cúal se convierte a formas de

Nitrógeno mas reducidas N2O, NO y

N2. Estos productos son gaseosos

por lo que se pierden rapidamente y

se lleva a cabo la desnitrificación.

Ciclo del Nitrógeno

Procesos de asimilación:

Fijación: N2 + O2 → NH3

(Cianobacterias)

Nitrificación: NH3 → NO2- (tóxico), NO3

- (nutriente asimilable) (Bacterias aeróbicas)

Asimilación: raíces → moléculas organicas nitrogenadas (DNA, amino-acidos, proteinas) → plantas → animales

Ciclo del Nitrógeno

Procesos de asimilación:

Amonificación: Conversión de nitrógeno asimilable, residuos y organismos muertos → NH3, NH4

+.

Denitrificación: NH3, NH4+ → NO2

-, NO3-

→ N2, N2O (Bacterias anaérobicas,

fertilizantes inorgánicos)

AEROBIOS

Quimioorganotrofos Fototrofos

Quimiolitotrofos

Azotobacter spp

Cianobacterias

Alcaligenes

Klebsiella

Thiobacillus

Beijerinckia

Bacillus

polymyxa

Mycobacterium

flavum

ANAEROBIOS

Quimioorganotrofos

Fototrofos

Quimiolitotrofos

Clostridium spp.

Chromatium

Methanosarcina

Desulfovibrio

Thicapsa

Methanococcus

Desulfotomaculum

Chlorobium

Rhodopila

Heliobacillus

Ciclo del Nitrógeno

Efecto de la Actividad Humana

Quema de combustibles fósiles: → NO → NO2 → HNO3 → lluvia o deposición ácida → daños a vegetación, daño a ecosistemas acuáticos, corrosión de metales, daño a materiales de construcción.

Adición de N2O a la atmósfera: → efecto invernadero → calentamiento global, reucción de capa de ozono.

Ciclo del Nitrógeno

Efecto de la Actividad Humana

Adición de compuestos nitrogenados a ecosistemas acuáticos: escurrimientos agrícolas, descarga de residuos municipales → excesivo crecimiento de algas fotosintetizadoras → generación de algas muertas → reducción de oxígeno disuelto en agua → muerte de

organismos aeróbicos.

Ciclo del Nitrógeno

Efecto de la Actividad Humana

Remoción de nitrógeno de la superficie del suelo: cosecha de cultivos ricos en nitrógeno, irrigación de cultivos, quema de suelos no cultivados.

Aceleramiento de deposición de compuestos nitrogenados ácidos (NO2, HNO3) de atmósfera en ecosistemas terrestres → crecimiento de maleza → selectividad de plantas con poca eficiencia en asimilación de nitrogeno.

Ciclo del oxígeno Cadena de reacciones y procesos

Describen la circulación del oxígeno

Biosfera terrestre

Corteza terrestre: Silicatos

Océanos: H2O

Atmósfera O2, CO2

CO, O3, NO2, NO, SO2

Atmósfera

Confiere un carácter oxidante

Formación por fotolisis El oxigeno presente en la atmósfera se formo por la acción de la luz UV a las moléculas de agua.

H2O + hν → 1/2O2

Formación O3 3O2 + hν → 2O3

O3 + hν' → O2 + O

Oxígeno molecular

Representa el 20% de la atmósfera

Abastece necesidades

Organismos terrestres (Respiración)

Disuelto en agua (Organismos acuáticos)

Fitoplancton, producen cerca del 50% del O2 necesario para la vida terrestre

Seres vivos

Respiración celular se reduce oxígeno

Producción de energía

Generándose CO2

Fotosíntesis se origina oxígeno y energía

A partir de agua y radiación solar

Hidrosfera

Oxígeno Ligeramente soluble en agua (Dependiente de la

temperatura)

Condiciona las propiedades redox de los sistemas acuáticos

Oxida materia bioorgánica (Dióxido de carbono y agua)

Dióxido de carbono

Ligeramente soluble en agua (Carbonatos)

Condiciona las propiedades ácido-base de los sistemas acuáticos

Captado por los océanos (Carbonato de calcio)

Plantas:

Animales y plantas: oxidaciòn biològica

Radiaciòn ultravioleta de alta

energía

Bibliografía

Biogeochemical cycles. www.atmos.albany.edu/deas/atmclasses/mohnen100.1997/biogeo.html.

Ecología microbiana y microbiología ambiental. 2002. Cuarta edición. Editorial Addison Wesley. Ronald M. Atlas y Richard Bartha. Barcelona, España.

El suelo y su fertilidad. 1982. Teuscher Henry, Adler Rudolph. Cia. Editorial Continental. Mexico, D.F.

Introduccion a la ingenieria ambiental. 2002. Instituto Politecnico Nacional. Alfaomega grupo editor. Pag. 19-23.

Quìmica Enfoque ecològico. Editorial Limusa. 2006. Dickson, Thomas. Elementos quìmicos en el medio ambiente, pag. 81-90. Mexico, D.F.

OurHomePlanetEarth.wmv