Sesión 7: Ciclos Biogeoquímicos (PDF)

SESIÓN 7 C i c l o s b i o ge o q u í m i c o s. C i c l o s d e l C a r b o n o, C i c l o d e Ciclo de Aprendizaje h i d ró ge n o, C i c l o d e l fó sfo ro, C i c l o d e l a z u f re...

SESIÓN 7 C i c l o s b i o ge o q u í m i c o s. C i c l o s d e l C a r b o n o, C i c l o d e Ciclo de Aprendizaje h i d ró ge n o, C i c l o d e l fó sfo ro, C i c l o d e l a z u f re Guía Teórica - GT CURSO: NOMBRE DEL CURSO Docente: Quispe Arpasi, Diana Material del curso de Microbiología Ambiental Ciclo de Aprendizaje Restaurador: Explica y Explora Ciclos de nutrientes Los nutrientes clave para la vida son reciclados por microorganismos y macroorganismos, pero para cualquier nutriente dado, son las actividades microbianas las que predominan. Comprender cómo funcionan los ciclos de nutrientes microbianos es importante porque los ciclos son esenciales para la agricultura vegetal y la vida sostenible del planeta. Sé Íntegro, Sé Misionero, Sé Innovador El ciclo del carbono A nivel mundial, el carbono (C) circula como CO2 a través de todos los principales reservorios de carbono: la atmósfera, la tierra, los océanos, aguas dulces, sedimentos y rocas, y biomasa. Además de su asociación con el ciclo del oxígeno (porque la fotosíntesis remueve CO2/ produce O2 y la respiración produce CO2 y remueve O2), principalmente está ligado con el ciclo del nitrógeno, porque C y N juntos componen a los organismos vivos. Sé Íntegro, Sé Misionero, Sé Innovador El ciclo del carbono Mayores reservas de carbono en la tierra: Rocas y sedimentos 99.5% (80% inorgánico) Océanos 0.05% Hidratos de metano 0.014% Combustibles 0.006% Biósfera terrestre 0.003% Biósfera acuática 0.0000002% Sé Íntegro, Sé Misionero, Sé Innovador El ciclo del carbono El ciclo redox de C: Fijación fotosintética del CO2 por microorganismos fotosintéticos: Además de los microorganismos no fotosintéticos, los fotosintéticos también realizan la respiración: Sé Íntegro, Sé Misionero, Sé Innovador El ciclo del carbono Ciclo redox del carbono Los organismos autotróficos construyen biomasa a partir de CO2, proveyendo de carbono a los organismos heterotróficos. Los compuestos orgánicos son degradados biológicamente en CO2 o CH4. El metano es principalmente producido por microorganismos metanogénicos. Además, organismos metanotróficos pueden oxidizar metano a CO2, cerrando el ciclo del carbono. Sé Íntegro, Sé Misionero, Sé Innovador El ciclo del carbono Tradicionalmente la materia orgánica es Degradación degradada aeróbicamente en CO2 y H2O. Sin anaeróbica de embargo en condiciones anaerobias, la materia orgánica materia orgánica se degrada en CH4 y CO2 en un proceso complejo que puede ser dividido en 4 etapas: Hidrólisis (bacterias hidrolíticas) Fermentación/Acidogénesis (bacterias acidogénicas) Acetogénesis (bacterias acetogénicas) Metanogénesis (arqueas metanogénicas) Sé Íntegro, Sé Misionero, Sé Innovador El ciclo del carbono Tipo de reacción Reacción Ejemplo de microorganismo Fermentación de 𝐺𝑙𝑢𝑐𝑜𝑠𝑎 + 4𝐻2 𝑂 → 2 𝑎𝑐𝑒𝑡𝑎𝑡𝑜 − + 2𝐻𝐶𝑂3− + 4𝐻 + + 4𝐻2 Anaerobaculum sp. glucosa a acetato Carnobacterium sp. Fermentación de 𝐺𝑙𝑢𝑐𝑜𝑠𝑎 + 2𝐻2 𝑂 → 2 𝑏𝑢𝑡𝑖𝑟𝑎𝑡𝑜 − + 2𝐻𝐶𝑂3− + 3𝐻+ + 2𝐻2 Flaviflexus sp. glucosa a butirato Fermentación de 𝑏𝑢𝑡𝑖𝑟𝑎𝑡𝑜 − + 2𝐻2 𝑂 → 2 𝑎𝑐𝑒𝑡𝑎𝑡𝑜 − + 𝐻 + + 2𝐻2 Syntrophomonas sp. butirato a acetato Metanogénesis a partir 𝑎𝑐𝑒𝑡𝑎𝑡𝑜 − + 𝐻2 𝑂 → 𝐶𝐻4 + 𝐻𝐶𝑂3− Methanosaeta sp. de acetato Metanogénesis a partir 4𝐻2 + 𝐻𝐶𝑂3− + 𝐻+ →→ 𝐶𝐻4 + 3𝐻2 𝑂 Methanobacterium de H2 y CO2 sp. Sé Íntegro, Sé Misionero, Sé Innovador El ciclo del nitrógeno Ciclo redox del nitrógeno El nitrógeno es un elemento esencial para la vida. Existe en varios estados de oxidación: Nitrito (NO2-) Nitrato (NO3-) Óxido nitroso y nítrico (N2O y NO) Nitrógeno gaseoso (N2) Grupo amino (NH2) Amonio (NH4+) Sé Íntegro, Sé Misionero, Sé Innovador El ciclo del nitrógeno Fijación del nitrógeno gaseoso El nitrógeno gaseoso (N2) es la forma más estable de N y es uno de los principales reservorio de N en la Tierra. Sin embargo, Fijación de nitrógeno gaseoso sólo un número relativamente pequeño de los procariotas son capaces de utilizar el N2 𝑁2 + 8𝐻 → 𝑁𝐻3 + 𝐻2 como fuente de N celular mediante la fijación de nitrógeno. La mayoría del N en la tierra ya está fijado en forma de 𝑁𝐻3 o 𝑁𝑂3−. Eucariotas fijadoras de nitrógeno incluyen algunas plantas y algas. Sé Íntegro, Sé Misionero, Sé Innovador El ciclo del nitrógeno Amonificación De la descomposición de nitrógeno orgánico (aminoácidos) se produce amonio. Este proceso Amonificación se conoce como amonificación. Otra ruta de conversión proviene de la 𝑁 𝑜𝑟𝑔á𝑛𝑖𝑐𝑜 → 𝑁𝐻4+ reducción de NO− 3 a NH + 4 que sucede en ambientes anóxicos como sedimentos marinos y tracto intestinal. En pH neutro, NH3 existe como NH4+ , el cual es producido por degradación aeróbica en suelos y rápidamente reciclado y convertido en aminoácidos en plantas y microorganismos. Sé Íntegro, Sé Misionero, Sé Innovador El ciclo del nitrógeno Nitrificación La oxidación de NH4+ en NO− 3 a pH neutros en suelos óxicos es la nitrificación y es llevada cabo por bacterias nitrificantes. Si material rico en Nitrificación NH4+ es liberado en suelos, la velocidad de nitrificación se incrementa. 𝑁𝐻4+ → 𝑁𝑂3− Este proceso sucede en dos etapas: Nitritación (𝑁𝐻4+ → 𝑁𝑂2− ) Nitratación (𝑁𝑂2− → 𝑁𝑂3− ) Muchas bacterias son nitrificantes (existen algunas especies de arqueas que también son nitrificantes). Sé Íntegro, Sé Misionero, Sé Innovador El ciclo del nitrógeno Desnitrificación En condiciones anóxicas, la reducción−de NO− 3 resulta en N2, NO y NO2. La reducción de NO3 a estos productos gaseosos (principalmente N2) se llama desnitrificación. Desnitrificación La desnitrificación puede ser usada también en el 𝑁𝑂3− → 𝑁2 tratamiento − de aguas residuales, donde removiendo NO3 de las aguas (en N2), se minimiza el nitrógeno fijado, lo que limita el crecimiento de algas en lagos y fuentes de aguas. Por otro lado, si esto sucede en campos de cultivo, puede remover el nitrógeno fijado del suelo. Además, la producción de NO y NO2 por desnitrificación puede resultar en la acumulación de NO en al atmósfera que al reaccionar con O3, puede producir HNO2. Destruyendo O3 y produciendo lluvia ácida, que puede resultar en suelos más ácidos. Sé Íntegro, Sé Misionero, Sé Innovador El ciclo del nitrógeno Tipo de reacción Reacción Ejemplo de microorganismo Nitrificación 𝑁𝐻4+ → 𝑁𝑂3− Nitrosomas sp. Nitritación 𝑁𝐻4+ → 𝑁𝑂2− Nitrobacter sp. Nitratación 𝑁𝑂2− → 𝑁𝑂3− Desnitrificación 𝑁𝑂3− → 𝑁2 Bacillus sp. Pseudomonas sp. Fijación de N2 gaseoso 𝑁2 + 8𝐻 → 𝑁𝐻3 + 𝐻2 Aeróbicamente: Cianobacterias Anaeróbicamente: Clostridium sp. Amonificación 𝑁 𝑜𝑟𝑔á𝑛𝑖𝑐𝑜 → 𝑁𝐻4+ Varios organismos Anammox 𝑁𝑂2− + 𝑁𝐻3 → 2𝑁2 Brocardia sp. Sé Íntegro, Sé Misionero, Sé Innovador El ciclo del nitrógeno Annamox NH4+ puede oxidarse con NO− 2 en condiciones anóxicas por bacterias Brocardia, produciendo N2, que es liberado a la atmósfera. Annamox Esta reacción es más común en el tratamiento de 𝑁𝑂3− + 𝑁𝐻3 → 2𝑁2 aguas residuárias y en sedimentos. No es significativa en suelos óxicos. Sé Íntegro, Sé Misionero, Sé Innovador El ciclo del azufre Ciclo redox del sulfuro La mayor parte de S en la tierra se encuentra en sedimentos y rocas como minerales de sulfato (yeso), aunque la mayor parte se encuentra en el océano en forma de SO4-. Una pequeña parte de S, en forma de SO2 (gas) entra en el ciclo de S debido a actividades humanas, principalmente por la quema de combustibles fósiles. Sé Íntegro, Sé Misionero, Sé Innovador El ciclo del azufre Reducción del sulfato Las bacterias reductoras del sulfato son un grupo grande y diverso. En sedimentos marinos la reducción del sulfato es limitada por la cantidad de C disponible. Reducción del sulfato H2 S es volátil y producido por la reducción bacteriana del sulfato. Sus varias formas incluyen H2 S, H𝑆 − y 𝑆𝑂42− → 𝐻2 𝑆 𝑆 2−. H2 S es tóxico a muchos plantas y animales (combinado con el hierro de los citocromos puede bloquear la respiración). Comúnmente, H2 S es removido de la naturaleza por su combinación con el hierro, formando un mineral insoluble FeS o FeS2. El color oscuro en sendimentos con S, o de las bacterias reductoras de sulfatos se debe a este mecanismos (presencia de minerales sulfurados) Sé Íntegro, Sé Misionero, Sé Innovador El ciclo del azufre Reducción-Oxidación del azufre elemental El azufre elemental es estable pero puede ser oxidado por bacterias oxidantes de azufre. Esta Oxidación oxidación forma H2 SO4 por lo que el pH del medio se acidifica. Por eso algunas veces, S 0 es 𝐻2 𝑆 → 𝑆 0 → 𝑆𝑂42− agregado a suelos alcalinos para bajar su pH. Reducción El hábitat de las reductoras de azufre elemental es compartido por las reductoras de sulfato por lo 𝑆 0 → 𝐻2 𝑆 que ambas están relacionadas por su formación de H2 S. Sé Íntegro, Sé Misionero, Sé Innovador El ciclo del azufre Reducción-Oxidación del azufre orgánico Muchos compuestos orgánicos S también son reciclados de la naturaleza. El compuesto más Reducción u oxidación abundante es el dimetil sulfuro (CH3-S-CH3). El cual es producido principalmente en ambientes 𝐶𝐻3 𝑆𝐻 → 𝐶𝑂2 + 𝐻2 𝑆 marinos como producto del metabolismo de algas marinas. El cual puede ser degradado anaerobiamente produciendo CH4 y H2S. Sé Íntegro, Sé Misionero, Sé Innovador El ciclo del azufre Tipo de reacción Reacción Ejemplo de microorganismo Oxidación del ácido Thiobacillus sp. sulfhídrico 𝐻2 𝑆 → 𝑆 0 → 𝑆𝑂42− Bacterias fototróficas Aeróbica moradas y verdes Anaeróbica Reducción del sulfato 𝑆𝑂42− → 𝐻2 𝑆 Desulfovibrio sp. (anaeróbico) Desulfobactera sp. Archaeoglobus sp. (Arquea) Reducción del azufre 𝑆 0 → 𝐻2 𝑆 Desulfuromonas sp. y elemental (anaeróbico) varias arqueas Oxidación o reducción 𝐶𝐻3 𝑆𝐻 → 𝐶𝑂2 + 𝐻2 𝑆 Varios organismos del azufre orgánico Desulfurilzación 𝑆 𝑜𝑟𝑔á𝑛𝑖𝑐𝑜 → 𝐻2 𝑆 Varios organismos Sé Íntegro, Sé Misionero, Sé Innovador El ciclo del fósforo El fósforo se encuentra en la naturaleza en forma orgánica e inorgánica. Puede ser en rocas en forma de minerales, en aguas frescas o marinas, e forma de fosfatos disueltos, o como ácido nucleicos y fosfolípidos en organismos. Aunque el fósforo tiene muchos estados de oxidación, muchos fosfatos se encuentran en el ambiente como HPO4- El fósforo es un nutriente limitante para la fotosíntesis en aguas frescas, que lo recibe de las rocas. En sistemas marinos, una fracción de P es orgánico, en forma de esteres de fosfato y fosfonatos (contienen un enlace P-C). Aunque no todos lo organismos contienen enzimas para degradar fosfonatos, por lo que tal vez pueda ser un limitante para su crecimiento. Sé Íntegro, Sé Misionero, Sé Innovador Sé Íntegro, Sé Misionero, Sé Innovador