PROCESOS BIOLOGICOS
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POR: ING. JUAN MORENO OSCANOA
FUNDAMENTOS BIOLOGICOS
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CELULA
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CELULA PROCARIOTICA
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CELULA EUCARIOTICA
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ARBOL FILOGENETICO
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LOCALIZACION DE LAS MACROMOLECULAS EN LA CELULA
Pared Citoplasma Membrana Flagelo
Las protenas (marrn) se encuentran por toda la clula formando parte de las estructuras celulares y de las enzima Ribosomas
Nucleoide
cidos nucleicos. DNA (verde) se encuentra en el nucleiode de las clulas procariticas y en el ncleo de las eucariticas. El RNA (naranja) se encuentra en el citoplasma y en los ribosomas
PROTEINAS
ACIDOS NUCLEICOS
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LOCALIZACION DE LAS MACROMOLECULAS EN LA CELULA
Grnulos de reserva
Los polisacridos (verde) se localizan en la pared celular y, en ocasiones, en grnulos de reserva internos.
Los lpidos (azul) se localizan en la membrana citoplasmtica, la pared celular y en grnulos de reserva
POLISACARIDOS
LIPIDOS
Grnulos de reserva
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Composicin qumica de una clula procariotica
Composicin qumica para la E. Coli
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MACROMOLECULAS DE UNA CELULA BACTERIANA
Protenas
Polmetros cuyos monmeros son los aminocidos.
Tienen funciones estructurales y catalticas (enzimticos)
cidos nucleicos
Polmetros de nucletidos: DNA y RNA (ms abundantes despus de las protenas)
Ribosomas.- se componen de protenas y RNA y son las mquinas que producen nuevas protenas
DNA.- componente clave para las funciones celulares como deposito de informacin gentica necesaria para hacer una nueva clula.
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MACROMOLECULAS DE UNA CELULA BACTERIANA
Lpidos
Son compuestos hidrofobicos (repelen el agua) tienen funciones criticas en la estructura de las membranas y como deposito de almacenamiento de carbono
Constituidos principalmente por cidos grasos.
Polisacridos
Polmetros compuestos por azucares presentes fundamentalmente en la pared celular. Otros como el glicgeno que pueden ser formas de almacenamiento y energa (hexosas)
Otro azcar importante es la pentosa (glucosa) que forman parte de las estructura de los cidos nucleicos
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Macro nutrientes en la naturaleza y en los medios de
cultivo
Elemento Forma natural del
nutriente en el ambiente
Forma suministrada en el medio de cultivo
Carbono
(C)
CO2, compuestos
orgnicos
Glucosa, malato, acetato, piruvato, aminocidos,
cientos de otros compuestos o mezclas complejas
(extracto de levadura, peptosa, etc).
Hidrogeno
(H)
H2O, compuestos
orgnicos
H2O, compuestos orgnicos
Oxigeno
(O)
H2O, O2, compuestos
orgnicos
H2O, O2, compuestos orgnicos.
Nitrgeno
(N)
NH3, NO3-,N2,
compuestos Orgnicos
nitrogenados
Inorgnicos: NH4Cl, (NH4)2SO4, KNO3, N2.
Orgnicos: aminocidos, bases nitrogenadas de
nucletidos, otros compuestos.
Fosforo (P) PO4- KH2PO4, Na2HPO4
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Macro nutrientes en la naturaleza y en los medios de
cultivo
Elemento Forma natural del nutriente
en el ambiente
Forma suministrada en el medio de cultivo
Azufre (S) H2S, SO4-2, compuestos
orgnicos, sulfuros metlicos
(FeS, CuS, ZnS, NiS, etc)
Na2SO4, Na2S2O3, Na2S, cistena u otros compuestos
orgnicos azufrados
Potasio (K) K+ en solucin o como varias
sales con K
KCl, KH2PO4.
Magnesio
(Mg)
Mg+2 en solucin o como
varias sales Mg
MgCl2, MgSO4
Sodio (Na) Na+ en solucin, NaCl, otras
sales con Na.
NaCl
Calcio Ca+2 en solucin, CaSO4,
otras sales Ca
CaCl2
Hierro Fe+2 o Fe+3 en solucin, FeS,
Fe(OH)3, otras sales con Fe
FeCl3, FeSO4, soluciones de hierro quelado (Fe+3 +
EDTA, Fe+3+citrato, etc).
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Micronutrientes necesarios para organismos vivos
Elemento Funcin celular
Cromo (Cr) Requeridos por los mamferos para el metabolismo de la glucosa se desconoce si los
microorganismos lo requieren.
Cobalto (Co) Vitamina B12, transcarboxilasa (bacterias del acido propionico)
Cobre (Cu) En la respiracin, citocromo C oxidasa, en fotosintesis, plastocianina y en algunas superoxido
dismutasas.
Manganeso (Mn) Activador de muchas enzimas, presente en algunos superoxido dismutasas y en la enzima que
rompe el agua en fototrofos oxigenicos.
Molibdeno (Mb) Algunas enzimas que contienen flavinas; nitrogenasa, nitrato reductasa, sulfito oxidasa, etc.
Niquel (Ni) La mayora de las hidrogenasas; coenzima F430 de metanogenos, deshidrogenasa del monxido de
carbono y ureasa.
Selenio (Se) Formato deshidrogenasa; algunas deshidrogenasas y el aminocido selenocisteina.
Tungsteno Algunas formatos deshidrogenasas .
Vanadio (V) Vanadio nitrogenasa
Zinc (Zn) Anhidrasa carbonica, alcohol, deshidrogenasa, RNA y DNA polimerasas
Hierro (Fe+3) Citocromos, catalasas, peroxidasas, proteinas con hierro y azufre.
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Nutricin
Las clulas microbianas tienen capacidad para llevar reaccione
qumicas para su crecimiento.
La serie de reacciones que ocurren antes de que la clula se
divida se denomina metabolismo y pueden ser de dos tipos:
Reacciones catablicas: liberan energa.
Reacciones anablicas: consumen energa.
En esencia, la nutricin bacteriana consiste en suministrar a
las clulas los ingredientes qumicos necesarios para hacer
monmeros: NUTRIENTES.
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Energa reacciones Bioqumicas
A+BC+D Si tenemos la siguiente reaccin:
Si el Go es negativo, la reaccin ocurre espontneamente con
liberacin de energa, la cual la clula la almacena en forma de
ATP : reaccin exotrmica
Si el Go es positivo, la reaccin requiere energa : reaccin
endotrmica
Todo microorganismos debe ser capaz de obtener energa de
los compuestos qumicos o de la luz y, adems, conservar la
energa como ATP.
G : Se calcula restando la energa libre de formacin de los reactantes de la de
los productos.
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Energa libre de formacin de algunos
compuestos de inters biolgico
Compuesto Energa libre de formacin
(kj/mol)
Agua (H2O) -237.2
Dixido de carbono (CO2) -394.4
Hidrogeno gaseoso (H2) 0
Oxigeno gaseoso (O2) 0
Amoniaco (NH4+) -79.4
Oxido nitroso +104.2
Acetato (C2H3O2-) -369.4
Glucosa (C6H12O6) -917.3
Metano (CH4) -50.8
Metanol (CH3OH) -175.4
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Nutricin
Obtener material para su autoconstruccin.
Obtener compuestos qumicos de alto valor energtico
potencial para la realizacin de sus actividades motoras y
otras reacciones que consumen energa.
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ENZIMAS
Son protenas que catalizan las reacciones biolgicas.
Son especificas para un tipo de reaccin qumica.
En una reaccin catalizada enzimticamente la enzima se
combina temporalmente con el reaccionante (sustrato S de la
enzima), para formar un complejo enzima sustrato. Luego
cuando ocurre la reaccin, el producto se libera y la enzima
vuelve a su estado original.
Por lo general la enzima es mucho mas grande que el sustrato
y la combinacin enzima sustrato suele depender de enlaces
dbiles como puentes hidrgenos, fuerzas de Van der Waals.
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FUENTES DE
ENERGIA
Y CARBONO
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Nutricin
Obtencin de molculas de gran contenido energtico
Sntesis orgnica (construccin de molculas de alto contenido energtico
por el organismo mismo)
Fuente de carbono: CO2
Fuente de energa: luz ambiente
Fuente de carbono: CO2
Fuente de energa: reacciones qumicas
Toma de molculas orgnicas
preformadas
Depende de la preexistencia del anterior
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Tipos de organismos de acuerdo al tipo
de nutricin
Fuente de carbono: CO2
Fuente de energa: luz solar Fotoautrotofos
Fuente de carbono: CO2
Fuente de energa: Rx. qumicas Quimioautotrofos
Fuente de carbono: mat. orgnica
Fuente de energa: luz solar Fotoheterotrofos
Fuente de carbono: mat. Orgnica
Fuente de energia: rx. Quimicas Quimioheterotrofos
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Oxidacin-reduccin
Reacciones de intercambio de energa son de oxidacin-
reduccin (redox).
Oxidacin: prdida de electrones.
Reduccin: ganancia de electrones.
En una reaccin redox se producen intercambio de
electrones entre los elementos que se oxidan y los que se
reducen.
Agente oxidante: gana electrones por ello se reduce.
Agente reductor: dona electrones y se oxida en el proceso.
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Donadores y aceptores de electrones
En las reacciones oxidacin-reduccin, los electrones cedidos por un
donador son aceptados por un aceptor
(oxidacin del hidrogeno)
(reduccin del oxgeno)
(reaccin total)
Sustancia oxidada: H2, donador de electrones
Sustancia reducida: O2, aceptor de electrones
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Potenciales de reduccin
1. Las sustancias varan en cuanto a su tendencia a oxidarse o
reducirse, la cual se expresa como el potencial de reduccin
(Eo) 2. Este potencial se mide elctricamente en voltios con relacin al
potencial de hidrogeno.
3. Se expresa para reacciones parciales de reduccin: forma
oxidada+ e- = forma reducida.
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Aplicacin de la torre de electrones
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Respiracin y fermentacin
Es un fenmeno de oxidacin bioqumica de los compuestos
de estructura molecular compleja, y es realizado con la
finalidad de liberar su elevado contenido de energa potencial.
Existen dos tipos de respiracin: aerobia y anaerobia.
Existe un tercer fenmeno de oxidacin mediante el cual se
obtiene energa, se llama fermentacin y es el proceso en el
cual el donador de electrones es un compuesto interior de la
celula.
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Respiracin aerobia
Aceptor de hidrogeno: oxigeno libre
C6H12O6+6O2 6CO2+6H2O+673 kcal. Enzimas
Respiracin anaerobia
Aceptor de hidrogeno: no es el oxigeno libre, sino un
compuesto orgnico o una sal natural (nitratos, sulfatos)
C6H12O6 6CH4+ 3 CO2 + E
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Respiracin aerobia
Donador de electrones: compuesto orgnico.
El donador de electrones tambin puede ser inorgnico,
entre los principales tenemos a los compuestos que existen
en la naturaleza o existen en los desechos producidos por el
hombre: H2S, NH3, NO2-,Fe+2,H2.
As tenemos los siguientes procesos catablicos:
Oxidacin del hidrogeno.
Oxidacin de compuestos reducidos del azufre.
Oxidacin del hierro.
Nitrificacin
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Quimiolitotrofia
Oxidacin del Hidrogeno
KjGOHOH o 2372
1222
Tipo de bacteria: Ralstonia Eutropha
Reaccin altamente exergnica y catalizada por la enzima hidrogenasa
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Quimiolitotrofia Oxidacin del azufre
reaccionKjGHSOOOHOS
reaccionKjGHSOOOHS
reaccionKjGOHSHOHS
reaccionKjGHSOOSH
o
oo
oo
o
/3.818222
/1.58722
3
/4.2092
1
/2.79822
2
422
2
32
2
422
22
2
422
Compuestos ms comunes que se usan como fuente de energa son el
sulfuro de hidrogeno (H2S), el azufre elemental (So) y el tiosulfato (S2O3
-2).
La oxidacin del azufre trae como consecuencia la reduccin del pH del
medio y la formacin de cido sulfrico. Es el responsable por la
contaminacin acida de los drenajes de mina al oxidar la pirita (Fe2S2)
Tipo de bacterias: Beggiatoa, Thiothrix
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Quimiolitotrofia Oxidacin del hierro
reaccionKjGOHFeOHFe o /9.322
1
4
12
3
2
2
A pH neutro el hierro ferroso se oxida rpidamente a hierro frrico de manera
espontanea. Sin embargo a pH acido es estable y puede ser aprovechado por
las bacterias oxidantes del hierro. Se produce la precipitacin del hidroxido de
hierro Fe(OH)3
Las bacterias del hierro oxidadoras del hierro son acidfilas estrictas
Tipo de bacterias: Thiobacillus ferrooxidants, Heptospirillum ferrooxidants
En medios no cidos el Fe+2 es oxidado por bacterias como Gallionella y
Leptothrix. Esto ocurre en las interfases anoxicas de aguas subterraneas ricas
en hierro y el aire
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Quimiolitotrofia Nitrificacin
reaccionKjGNOONO
reaccionKjGOHHNOONH
o
o
/1.742
1
/7.27422
3
322
2224
Las bacterias nitrificantes que intervienen en este proceso son:
Nitrosomonas, quienes oxidan amoniaco a nitrito
Nitrobacter, que oxidan nitritos a nitratos
Las bacterias del hierro oxidadoras del hierro son acidfilas estrictas
Tipo de bacterias: Thiobacillus ferrooxidants, Heptospirillum ferrooxidants
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El sistema de vida anaerbico
Los principales aceptores de electrones, distintos al oxigeno,
que intervienen en la nutricin anaerbica son:
Fe+3, NO3-, NO2
-, S, SO4-2 y CO2.
Entre los principales procesos tenemos:
Reduccin del nitrato y nitrificacin.
Reduccin del sulfato.
Acetognesis.
Metanognesis.
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Reduccin del nitrato Compuesto Estado de
oxidacin
N. Orgnico -3
Amoniaco(NH3) -3
Gas nitrgeno 0
xido
nitroso(N2O)
+1
Oxido de nitrgeno
(NO)
+2
Nitrito (NO2-) +3
Dixido de
nitrgeno (NO2)
+4
Nitrato (NO3-) +5
Bacterias denitrificante: Escherichia coli, Paracoccus denitrificans,
Pseudomonas stuzzeri
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Reduccin del sulfato
Compuestos de azufre Donadores de electrones
Compuesto Estado de
oxidacin
S Orgnico (R-SH) -2
Sulfuro (H2S) -2
Azufre elemental 0
Tiosulfato (S2O3-2) +2
Dixido de azufre
(SO2)
-4
Sulfito (SO3-2) +4
Sulfato (SO4-2) +6
H2.
Lactato.
Piruvato.
Etanol y otros alcoholes.
Fumarato.
Malato.
Acetato.
Propionato.
Butirato.
cidos grasos.
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Bacterias reductoras del azufre.
Genero Desulfobrivio. Utilizan lactato, piruvato y etanol o
ciertos cidos grasos como donador de electrones, en la
respiracin del sulfato.
Genero Desulfobacter. Oxidan cidos orgnicos
principalmente acetato, en la respiracin del sulfato.
Genero Desulforomonas. Reducen el S elemental a sulfuros
utilizando como sustrato el acetato o etanol. Son incapaces de
reducir los sulfatos.
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Acetogenesis
Respiracin del CO2 y la produccin de acetato.
Hay dos grupos de procariotas anaerobios estrictos que usan
el CO2 como aceptor de electrones en el metabolismo
energtico: los homoacetogenos y los metanogenos.
El H2, es un donador importante de electrones para ambos
microorganismos.
Adems del H2, existen otros donadores de electrones:
azucares, cidos orgnicos y aminoacidos, alcoholes, etc.
OHCOOCHHHHCO
HCOOCHOHC
2323
36126
442
33
-
Acetogenesis
-
Metanogenesis Produccin biolgica de metano llevado a cabo por un grupo de
arqueas anaerbicas estrictas que reciben el nombre de
metanogenos.
La produccin de CH4 es llevado a cabo por microorganismos que
utilizan el CO2 como aceptor de electrones y H2 y compuestos
orgnicos como donadores de electrones.
El CH4 es producido tambin utilizando como aceptor de
electrones al acetato.
2/3 del CH4 generado proviene del acetato y solo 1/3 del CO2
.31
.13124
3423
2422
KJGHCOCHOHCOOCH
KJGOHCHHCO
O
O
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CICLOS BIOGEOQUIMICOS EN
LA NATURALEZA
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Ciclo del carbono
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Ciclo del carbono
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Ciclo del nitrogeno
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Ciclo del nitrogeno
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Oxidacin del azufre
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Oxidacin del azufre
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Caractersticas del crecimiento
Cuando hay alimento disponible, las bacterias usan el alimento principalmente para su crecimiento y algo para energa.
Una bacteria en crecimiento tiene flagelos (pelitos a los extremos y alrededor de la clula) para moverse y as buscar alimento.
Una bacteria se reproduce en dos bacterias. La clula se divide en dos pequeas clulas y luego el proceso sigue as sucesivamente.
Cuando hay muy poco alimento disponible, la bacteria usa este alimento limitado para producir energa y mantener la clula, muy poco para crecimiento y menos para reproduccin. Se reproduce menos
Con poco alimento y en un intento de conservar energa la bacteria pierde el flagelo por tanto su movilidad.
Los producto de desecho empieza a formar una capa mucosa gruesa alrededor de la pared celularc haciendo que las clulas se aglutinen o peguen.
Las caractersticas de crecimiento de las bacterias se entienden mejor estudiando la curva de crecimiento
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Crecimiento
celular y fisin
binaria
-
Crecimiento Bacteriano
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Caractersticas del crecimiento La fase de latencia: Durante esta fase la bacteria se acomoda a las nuevas condiciones. Empiezan a
digerir los alimentos, desarrollar enzimas y otros elementos que se requieren para el crecimiento.
Fase de crecimiento acelerado: La bacteria crece lo mas rpido que puede puesto que hay un exceso
de alimento. Las clulas estn dispersas y no pegadas.
Fase de declinacin: La reproduccin se hace mas lenta por que no hay exceso de alimento, se ha
digerido mucho alimento y ahora hay muchas mas bacterias compitiendo por alimento remanente por lo
tanto la bacteria no tiene suficiente alimento para mantener la tasa de crecimiento al mximo.
Fase estacionaria: El nmero de bacterias es la mas alta pero no se ha dejado mucho alimento por lo
que no puede incrementar el nmero de bacterias. Algunas se reproducen pero otras empiezan a morir de
manera que el nmero se mantiene relativamente constante. Las bacterias han perdido sus flagelos y tienen
una sustancia pegajosa que cubre la superficie externa de la clula haciendo que se peguen y tiendan a
aglomerarse en flculos. Este crece de manera que si no hay aire y mezcla, el flculo sedimenta al fondo.
Fase de mortalidad: La tasa de mortalidad aumenta con casi ningn crecimiento celular. El nmero
total de bacterias se reduce. Las bacterias a las justas trata de mantenerse viva
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Composicin qumica de una clula
procaritica
Molcula Porcentaje de peso seco
Macromolculas totales
Protenas
Polisacrido
Lpido
Lipopolisacrido
DNA
RNA
96
55
5.0
9.1
3.4
3.1
20.5
Monmeros totales Aminocidos y precursores
Azcares y precursores
Nucletidos y precursores
3.0
0.5
2.0
0.5
Iones inorgnicos 1.0
Total 100
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Reacciones bioqumicas
Oxidacin
Sntesis
Respiracin endgena o auto oxidacin
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Oxidacin y sntesis en el crecimiento biolgico
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Oxidacin
CHONS +O2+bacteriasCO2+H2O+ENERGIA+COMP. ESTABLES
Sntesis
CHONS +O2+energia+bacteriasC5H7NO2 (tejido celular)
Respiracin endgena o auto oxidacin
C5H7NO2 + 5O2+bacterias5CO2+2H2O+NH3+energia
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Ciclo aerobio
en la naturaleza
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Ciclo del Nitrgeno
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Reacciones bioqumicas del Nitrgeno
2NH3+3O2+NITROSOMONAS 2HNO2+2H2O
2HNO2+3O2+NITROBACTERIA 2HNO3
NH3+H2ONH4OH NH4++OH-
Protenas (N orgnico) + bacterias NH3
N2(g) + 8H+6e-2NH4+
-
CICLO DEL AZUFRE