Interacciones de los microorganismos con los ciclos

de los nutrientesCICLOS BIOGEOQUÍMICOS

•Los microorganismos tienen un papel clave en el reciclado de los elementos (nutrientes), especialmente carbono, azufre, nitrógeno y hierro.•Un ciclo biogeoquímico es el resultado del conjunto de los procesos biológicos y químicos durante el reciclado de estos elementos esenciales para los sistemas vivos.•Los nutrientes son transformados y reciclados normalmente mediante reacciones de óxido – reducción que pueden cambiar las características físicas y químicas de los mismos.

FASES DE LOS NUTRIENTES

CICLOS BIOGEOQUÍMICOS

REACCIONES DE OXIDACIÓN-REDUCCIÓN (REDOX):Aquellas en las que se produce un transferencia de electrones desde un dador, el agente reductor (el que se oxida), a un aceptor de electrones, el agente oxidante (el que se reduce).

Transformaciones de los nutrientesFísicas: disolución, precipitación, volatilización y fijación.Químicas: biosíntesis , biodegradación y biotransformaciones óxido - reductivas.•Pero, además de las combinaciones de cambios físicos y químicos,•Hay traslocación espacial de materiales.Los Microorganismos presentan: Ubicuidad, diversidad de capacidades metabólicas y altas velocidades metabólicas.

Pools o reservorios: son aquellas partes del ciclo donde el compuesto químico se encuentra en grandes

cantidades por largos períodos de tiempo. Fuentes (generan el compuesto) o sumideros (consumen el

compuesto).

Ciclos locales / edáficos o sedimentarios: en los que intervienen elementos que no pueden

moverse a través de la atmósfera, sino que se acumulan principalmente en el suelo, depósito

principal en la roca o en los sedimentos . Éste es el caso del calcio, fósforo y el potasio, entre otros.

DEFINICIONES

Ciclos globales: también conocidos como ciclos gaseosos o atmosféricos, en los que participan

elementos y compuestos que, en estado gaseoso, se mueven por todo el planeta gracias a las corrientes

de aire de la atmósfera, depósito atmosférico. El agua, el carbono, el nitrógeno se mueven en estos ciclos. Relacionados con problemas ambientales a

gran escala.

CICLO DEL CARBONOCARBONO:•Esqueleto de todas las moléculas orgánicas.•Elemento más prevalente en el material orgánico celular.•Forma inorgánica: CO2 (forma más oxidada).•Forma orgánica: CH2O (formas reducidas).•Autótrofos o productores primarios (plantas, algas, cianobacterias, litótrofos y metanógenos).•Heterótrofos: animales, microorganismos descomponedores.

El Carbono en la Naturaleza•En la atmósfera: en forma de dióxido de carbono CO2 (reservorio atmosférico ,0.032% de la atmósfera, 700 billones de ton. de C).•En la corteza terrestre: formando carbonatos, como la caliza CaCO3.•En el interior de la corteza terrestre: en el petróleo, carbón y gas natural.•Formas inorgánicas de C disueltas (CO2 , H2CO3 , HCO3- y CO3-) en agua superficial en equilibrio con el CO2 atmosférico.En la materia viva animal y vegetal: es el componente

esencial y forma parte de compuestos muy diversos: glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos.En el cuerpo humano, por ejemplo, llega a representar el 18% de su masa.Biomasa viviente en ambientes terrestres y acuáticos (450 – 500 billones de ton´s de C).

Es un ciclo biogeoquímico por el cual el carbono (C) se intercambia entre la biosfera, litosfera, hidrósferas y la atmósfera de la tierra.Depende tanto de la actividad de los microorganismos como de los macroorganismos y está estrechamente ligado con el ciclo del oxígeno. Ya que la fijación de CO2 por fotótrofos oxigénicos libera O2 y mucha de la materia orgánica es oxidada a CO2 a través de la respiración aerobia.El C puede presentarse en formas reducidas, como metano (CH4) y materia orgánica, y en formas más oxidadas como monóxido de carbono (CO) y dióxido de carbono (CO2 ).

CICLO DEL CARBONOCICLO BIOLÓGICO (RÁPIDO): Comprende los intercambios de carbono (CO2) entre los seres vivos y la atmósfera, es decir, la fotosíntesis, proceso mediante el cual el carbono queda retenido en las plantas y la respiración que lo devuelve a la atmósfera.

CICLO BIOGEOQUÍMICO (LARGO): Regula la transferencia de carbono entre la hidrósfera, la atmósfera y la litósfera (océanos y suelo).

DESCOMPOSICIÓNEl C fijado fotosintéticamente es degradado finalmente por varios organismos.En la degradación se observan dos estados principales de oxidación del C: METANO (CH4) Y DIOXIDO DE CARBONO (CO2).•METANO: por acción de metanógenos.•CO2: acción de diversos quimiorganótrofos mediante fermentación, por respiración aeróbica o respiración anaeróbica.

El ser humano ha alterado enormemente el ciclo del carbono, ya que al quemar los combustibles fósiles se han liberado a la atmósfera excesivas cantidades de dióxido de carbono. Esta condición es la principal responsable del calentamiento global ya que el CO2 presente en grandes cantidades en la atmósfera impide que el calor del sol escape de la tierra al espacio.

Formas de nitrógeno presentes en el suelo (1m de profundidad).

N2: dinitrógeno, nitrógeno gaseoso: poros del suelo.

N orgánico: tejidos animales y vegetales, células

microbianas, organismos del suelo, materia orgánica

(aminoácidos, proteínas, polímeros de la pared

celular, aminoazúcares, ácidos nucleicos,

vitaminas, antibióticos, intermediarios

metabólicos).

NH4+: amonio. solución acuosa

NO3-: nitrato: solución acuosa

Transformaciones de nitrógeno: procesos

microbianos.

CICLO DEL NITRÓGENO

El ciclo del nitrógeno puede ser dividido en tres subciclos:

Elemental: enfatiza las reacciones biológicas de oxidación-reducción. Interconversión del nitrógeno y N2 en varias formas químicas.

Fototrófico: toma del nitrógeno por la planta (autótrofos), el nitrógeno inorgánico (NH4+, NO3-) es convertido a formas orgánicas (constituyentes celulares).

Heterotrófico: vinculado a los procesos de descomposición.

Los seres vivos cuentan con una gran proporción de nitrógeno en su composición química. El nitrógeno oxidado que reciben como nitrato (NO3

–) es transformado a grupos  aminoácidos (asimilación). Para volver a contar con nitrato hacen falta que los descomponedores lo extraigan de la biomasa dejándolo en la forma reducida de ion amonio (NH4

+), proceso que se llama amonificación; y que luego el amonio sea oxidado a nitrato, proceso llamado nitrificación.Así parece que se cierra el ciclo biológico esencial. Pero el amonio y el nitrato son sustancias extremadamente solubles, que son arrastradas fácilmente por la escorrentía y la infiltración, lo que tiende a llevarlas al mar. Al final todo el nitrógeno atmosférico habría terminado, tras su conversión, disuelto en el mar. Los océanos serían ricos en nitrógeno, pero los continentes estarían prácticamente desprovistos de él, convertidos en desiertos biológicos, si no existieran otros dos procesos, mutuamente simétricos, en los que está implicado el nitrógeno atmosférico (N2). Se trata de la fijación de nitrógeno, que origina compuestos solubles a partir del N2, y la desnitrificación, una forma de respiración anaerobia que devuelve N2 a la atmósfera. De esta manera se mantiene un importante depósito de nitrógeno en el aire (donde representa un 78 % en volumen).

CICLO DEL AZUFRE

por

MEDIO MARINOMEDIO TERRESTRE

MINERÍA

FERTILIZACIÓN

ALIMENTACIÓN

EXCRECIÓN

YACIMIENTOS

MINERALES DE FÓSFORO

DEPOSICIONES DE LAS AVES

ANIMALES

EROSIÓN

PLANTAS Y CULTIVOS

DESCOMPONEDORES

FONDO MARINO

AFLORAMIENTOS DE AGUAS PROFUNDAS

•De las rocas se libera fósforo en el suelo, donde es utilizado por las plantas para realizar sus funciones vitales. •Los animales obtienen fósforo al alimentarse de las plantas o de otros animales que hayan ingerido.•En la descomposición bacteriana de los cadáveres, el fósforo se libera en forma de ortofosfatos (H3PO4) que pueden ser utilizados directamente por los vegetales verdes, formando fosfato orgánico (biomasa vegetal), •la lluvia puede transportar este fosfato a los mantos acuíferos o a los océanos. •El ciclo del fósforo difiere con respecto al del carbono, nitrógeno y azufre en un aspecto principal. •El fósforo no forma compuestos volátiles que le permitan pasar de los océanos a la atmósfera y desde allí retornar a tierra firme. •Una vez en el mar, solo existen dos mecanismos para el reciclaje del fósforo desde el océano hacia los ecosistemas terrestres. •Uno es mediante las aves marinas que recogen el fósforo que pasa a través de las cadenas alimentarias marinas y que pueden devolverlo a la tierra firme en sus excrementos. Además de la actividad de estos animales, hay la posibilidad del levantamiento geológico de los sedimentos del océano hacia tierra firme, un proceso medido en miles de años.

Ciclo de Hierro• El ciclo del hierro consiste principalmente en reacciones de

oxido-reducción, que reducen el hierro férrico (Fe3+) a ferroso (Fe2+) y oxidan este hierro ferroso a férrico.

• Estas reacciones son importantes tanto para los compuestos orgánicos que contienen hierro como para los compuestos inorgánicos de dicho elemento.

• Prácticamente todos los microorganismos con la excepción de determinados lactobacilos necesitan hierro, que es utilizado como cofactor por muchas enzimas metabólicas y proteínas reguladoras debido a su capacidad de existir en dos estados .

El Hierro se encuentra en la Litosfera en dos estados, el férrico Fe3+ y ferroso Fe2+.

Este bioelemento es utilizado por distintos seres vivos para formar las cadenas de citocromos y asociado a proteínas de transporte, como la Hemoglobina.

Determinadas bacterias anaerobias (Arqueobacterias) que viven en ambientes pantanosos, pobres en oxígeno, reducen el hierro férrico Fe3+ a ferroso Fe2+ que es asimilado por otros seres vivos ya que es más soluble.

En ambientes con oxígeno el catión ferroso pasa de forma espontánea a férrico.

Thiobacillus ferrooxidans

Minerales

(oxida)

(oxida)

(oxida)

El hierro férrico se puede reducir en condiciones anóxicas a la forma ferrosa, más soluble.

Si hay suficientes H2S se forman precipitados de sulfuro de hierro. La inundación del suelo crea las condiciones anóxicas que favorecen la acumulación de hierro ferroso.

En ambientes aeróbicos, la mayor parte del hierro esta en estado férrico. Diversas bacterias forman sideróforos, que unen al

hierro facilitando así la absorción celular. Algunos quimiolitotrofos oxidan hierro para formar

energía celular. Estas bacterias oxidadoras del hierro pueden generar

grandes cantidades de este elemento.