Presentacion ciclo del agua, azufre, carbono y estados del agua
Ciclo Del Azufre
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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
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
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
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.
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
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
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)