MICROORGANISMOS EN CICLOS BIOGEOQUÍMICOS

Ciclo biogeoquímico: Circuito en el cual un elemento químico se mueve a través de componentes bióticos y abióticos del ecosistema.La producción de materia viva y su funcionamiento requiere de ciertos elementos (C, N, P, S, O e H) Su relativa escasez en el planeta se compensa gracias a los ciclos biogeoquímicos, que posibilitan la migración, la circulación y el reciclado de estos bioelementos desde el medio ambiente a los seres vivos y de estos nuevamente al medio.

1. C i c l o d e l C a r bon o

El mayor depósito (o reservorio) de carbono lo constituyen las rocas de la corteza terrestre.

A) Producción primaria: Síntesis de materia orgánica a partir de CO2

Fotosíntesis oxigénica: A partir de CO2 y H2O (donante de electrones) se produce material orgánico y oxigeno. Ejemplo: cianobacterias, algas y plantas. En las cianobacterias estos pigmentos captadores de luz son las ficobilinas, de ahí su nombre, bacterias azules (cianobacterias).

Fotosíntesis anoxigénica: Fijan el CO2 en materia orgánica, al contrario que las plantas, algas y cianobacterias, en este proceso no se produce oxigeno (O2) Pero estos organismos utilizan sustancias reducidas, como el hidrógeno gaseoso (H2) o el sulfuro de hidrógeno (H2S) (donante de electrones). Los fotótrofos anoxigénicos contienen un tipo de clorofila llamada bacterioclorofila pigmentos encargados de la absorción de la energía de la luz.

B) Descomposición de materia orgánica a productos gaseosos:

- Anhídrido carbónico- Metano

Descomposición anoxica y sintrofismoPara degradar un polisacárido como la celulosa, el procesocomienza con la hidrólisis de la celulosa en celobiosa y luego en glucosa gracias a las bacterias celuloliticas e hidroliticas.La glucosa lo fermentan los fermentadores primarios para formar acidos grasos de cadena corta (acetato, propionato y butirato) y alcoholes, H2, CO2

El H2 y el acetato lo retiran los metanógenos.

Fermentadores secundarios (sintroficos), fermentan los productos de la fermentación primaria a H2, CO2 y acetato.

Por ejemplo Syntrophomonas wolfei oxida ácidos grasos C4 a C8 y produce acetato, CO2 (si el acido graso contiene un numero impar de átomos de carbono) y H2. Otras especies de Syntrophomonas utilizan ácidos grasos de hasta C18, incluidos algunos ácidos grasos insaturados. Syntrophobacter wolinii esta especializado en la fermentación del propionato (C3) y genera acetato, CO2 y H2, Syntrophus gentianae degrada compuestos aromáticos, como el benzoato, a acetato, CO2 y H2.

Sintrofismo y metanogenesisLa metanogenesis la realizan un grupo de arqueas anaerobios estrictos llamados metanógenos.

La mayoría de ellos utiliza el CO2 como aceptor de electrones ultimo en la respiración anaerobia, reduciéndolo a CH4 con los electrones del H2. Solo unas pocas sustancias como el acetato, se convierten directamente en CH4. Para convertir la mayoría de los compuestos orgánicos en CH4 los metanógenos deben colaborar con los sintróficos para que les aporten los precursores convertibles en metano.

Metanótrofos: El metano producido en hábitats anoxicos es muy insoluble por lo que es fácilmente transportado a ambientes oxicos, donde es oxidado a CO2

por los metanotrofos.

2. C i c l o d e l N i t r ógen o

Los organismos emplean el nitrógeno en la síntesis de proteínas, ácidos nucleicos (ADN y ARN) y otras moléculas fundamentales del metabolismo. Su reserva fundamental es la atmósfera, en donde se encuentra en forma de N2, pero esta molécula no puede ser utilizada directamente por la mayoría de los seres vivos (exceptuando algunas bacterias). En condiciones anaerobias, hay otras bacterias que producen desnitrificación, convirtiendo los compuestos de N en N2, lo que hace que se pierda de nuevo nitrógeno del ecosistema a la atmósfera, De esta forma se logra un equilibrio en el ciclo del nitrógeno.

Fase s d e l c i c l o d e l n i t r ógen o : F ij a c i ó n d e l N 2 : Consiste en la reducción del nitrógeno atmosférico a compuestos nitrogenados. Bacterias (porejemplo, Rhizobium y Frankia) y cianobacterias (algas verdes-azules).A s i m i l ac i ó n : Ocurre cuando las plantas absorben a través de sus raíces, nitrato (NO3-) o amoniaco (NH3), elementos formados por la fijación de nitrógeno o por la nitrificación. M i n e r a li z ac i ón : Es el cambio de N orgánico a amoníaco (NH3) o amonio (NH4+). Este proceso, que consistente en la degradación, por hidrólisis, de las proteínas y ácidosnucleicos para producir amoniaco.N i t r i f i c a c i ó n : Consiste en la oxidación biológica del amonio(NH4+), primero a nitrito (NO2-) y luego a nitrato (NO3-), con la intervención de las bacterias nitrificantes del suelo. Bacterias del género Nitrosomonas oxidan el amonio a nitrito y las bacterias del género Nitrobacter convierten el nitrito en nitrato.V o l a t i l i z ac i ó n : Se refiere a la pérdida de amoniacogaseoso desde la superficie del suelo a la atmósfera. Esto ocurre porque el amonio (NH4+) del suelo, en condiciones de pH alcalino, se transforma en amoniaco (NH3+), que es un gas volátil.D esn i t r if i ca c i ón : Es la conversión (reducción), nitrato en nitrógeno gaseoso (N2) o en óxidos de nitrógeno (NO2-, N2O) también gaseosos, los cuales pasan directamente a la atmósfera. Bacterias desnitrificantes Pseudomonas y Thiobacillus.

3. C i c l o d e l A z u f r e

El azufre se encuentra en 3 estados de oxidación: sulfato (SO 4

2 - ), azufre elemental (S

0) y sulfhidrilo (R-SH) y

sulfuro (HS-). La mayor parte del azufre se nuestro

planeta se

encuentra en sedimentos y rocas en forma de minerales de sulfato como el yeso (CaSO4) y minerales de sulfuro como pirita (FeS2).

La reducción del sulfato El sulfato es uno de los aniones mayoritarios en el agua de mar, es fuente de azufre para las necesidades biosinteticas. Sin embargo. La capacidad para utilizar el sulfato como aceptor de electrones para los procesos que generan energía implica la reducción del sulfato, esto se lleva a cabo por las bacterias reductoras de sulfato.

Para mantener la reducción del sulfato se necesitan donadores de electrones orgánicos como el piruvato, lactato y el H2 (que es un producto de la fermentación de los compuestos orgánicos) entre otros.

El producto final de la reducción del sulfato es el sulfuro del hidrogeno (H2S).

Grupo I (agua dulce sin oxígeno): Desulfovibrio, Desulfomonas, Desulfotomaculatum, Desulfobulbus utilizan lactato, piruvato etanol o ciertos ácidos grasos como donadores de electrones, reduciendo sulfato a sulfuro de hidrogeno;son incapaces de catabolizar acetato.

Grupo II (ambientes marinos): oxidan ácidos grasos como el acetato reduciendo el sulfato hasta sulfuro de hidrogeno.

Dismutación del azufreAlgunas bacterias reductoras de sulfato pueden dismutar compuestos azufrados de un estado de oxidación intermedio. Por ejemplo, Desulfovibrio sulfodismutans puede dismutar el tiosulfato:

La dismutacion de los compuestos de azufre es una estrategia productora de energía extra.

Oxidación y reducción del azufreOxidación del azufreEl azufre elemental (S

0) se oxida por la acción de

las bacterias quimiolitotrofas como Thiobacillus yAcidithiobacillus. La oxidación del azufre elemental forma ácido sulfúrico (H2SO4) y realiza la disminución característica del pH del ambiente (acidificación)

Reducción del azufreEl primer organismo reductor del azufre que se descubrió fue Desulfuromonas acetoxidans reduce el S

0 a

H2S

Las bacterias reductoras del azufre a menudo se asocian con bacterias que oxidan H2S hasta S

0, como por

ejemplo las bacterias verdes del azufre. El azufre producido por laoxidación del sulfuro vuelve a reducirse hasta H2S por medio del metabolismo del reductor de sulfuro, completándose el ciclo anaerobio del azufre.

Compuestos orgánicos azufradosMuchos de estos compuestos de olor fuerte son muy volátiles por lo que pasan a la atmosfera. El compuesto orgánico azufrado más abundante en la naturaleza es el dimetilsufuro (CH3 - S - CH3), que se origina principalmente en los ambientes marinos como producto de degradación del propionato de dimetilsulfonio.El dimetilsufuro liberado a la atmosfera se oxida fotoquimicamente en metanosulfonato (CH3SO3

-), SO2 y

sulfato (SO 42 -

).

4. C i c l o d e l H i e r r o

El hierro es uno de los elementos más abundantes de la corteza terrestre. En la superficie de la tierra, el hierro se presenta en 2 estados de oxidación: Ferroso (Fe

2+) y férrico

(Fe3+

).

El ciclo del hierro se da entre ambas formas- La reducción del hierro ferrico- La oxidación del hierro ferroso

Reducción bacteriana del hierroAlgunos microoganismos utilizan el hierro férrico en la respiración anaeróbica. La bacterias reductoras del hierro: Shewanella putrefaciens, Geobacter, Goespirillum yGeovibrioLa reducción de hierro férrico es muy corriente en los suelos encarchados, ciénagas y sedimentos lacustres anóxicos.El movimiento de las aguas del fondo, ricas en hierro dan lugar al transporte de cantidades de hierro ferroso. Cuando estas aguas cargadas de hierro alcanzan las regiones oxicas, el hierro ferroso se oxida químicamente o por la acción de las bacterias del hierro. Entonces los compuestos ferricos precipitan y forman depósitos de hierro marrones.

El precipitado de hierro ferrico interacciona con otras sustancias no biológicas, como el humus para reducir del Fe

3+ a Fe

2+

Oxidación bacteriana de Hierro

En los hábitats de pH neutro, el Fe 2+

lo oxida las bacterias del hierro, como Gallionella y Leptotrix.En los hábitats extremadamente ácidos Acidithiobacillus ferrooxidans y los oxidadores de hierro acidofilos oxidan el Fe

2+ a Fe

3+.

A. ferrooxidans se encuentra con frecuencia en el drenaje acido de las minas y es responsable de la precipitación de la mayor parte del hierro ferrico en condiciones moderadamente acido (de 2 a 4).

Oxidación de pirita a pH ácidoUna de las formas más habituales de hierro natural es la pirita (FeS2), que se forma cuando el azufre reacciona con el sulfuro ferroso (FeS).La oxidación bacteriana de la pirita tiene gran importancia para la aparición de la condiciones de acidez en la actividades mineras.En la oxidación de la pirita intervienen 2 aceptores de electrones: el oxigeno molecular (O2) y el ion ferrico (Fe

3+),

como producto se obtiene el ion ferroso.A. ferrooxidans y Leptospirillum ferrooxidans catalizan la oxidación de hierro ferroso a ferrico. El Fe

3+ que se forma

al ser soluble reacciona espontáneamente con más pirita yla oxida a iones ferroso y sulfato.

Los iones ferroso formados se oxidan de nuevo a ion ferrico, estos iones a su vez reaccionan con más piritaLa tasa de oxidación de la pirita aumenta progresiva y rápidamente en un proceso que se conoce como ciclo de propagación.

I n t e g r a n t e s

EVANAN RIVERA, RocíoFELIPA YARMA, PaulHUAYANCA ESPILCO, Josselyn