ciclos biogeoquiicos iii.pdf

8/17/2019 CICLOS BIOGEOQUIICOS III.pdf

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Dra. FLOR TERESA GARCÍA HUAMAN Página 1

CICLOS BIOGEOQUIMICOS III- INGENIERIA AMBIENTAL -UPAGU

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CICLO DEL NITROGENO

El ciclo del nitrógeno es cada uno de los procesos biológicos y abióticos en que se basa elsuministro de este elemento a los seres vivos. Es uno de los ciclos biogeoquímicos

importantes en que se basa el equilibrio dinámico de composición de la biosfera.

Efectos

Los seres vivos cuentan con una gran proporción de nitrógeno en su composición química.El nitrógeno oxidado que reciben como nitrato (NO – ) a grupos amino, reducidos(asimilación). Para volver a contar con nitrato hace falta que los descomponedores loextraigan de la biomasa dejándolo en la forma reducida de ion amonio (NH 4

+), proceso quese llama amonificación; y que luego el amonio sea oxidado a nitrato, proceso llamadonitrificación.

Así parece que se cierra el ciclo biológico esencial. Pero el amonio y el nitrato sonsustancias extremadamente solubles, que son arrastradas fácilmente por la escorrentía y lainfiltración, lo que tiende a llevarlas al mar. Al final todo el nitrógeno atmosférico habríaterminado, 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 estáimplicado el nitrógeno atmosférico (N2). Se trata de la fijación de nitrógeno, que originacompuestos solubles a partir del N2, y la desnitrificación, una forma de respiraciónanaerobia que devuelve N2 a la atmósfera. De esta manera se mantiene un importantedepósito de nitrógeno en el aire (donde representa un 78% en volumen).

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Fijación y asimilación de nitrógeno

El primer paso en el ciclo es la fijación (reducción) del nitrógeno atmosférico( N2) a formasdistintas susceptibles de incorporarse a la composición del suelo o de los seres vivos, comoel ion amonio ( NH4

+) o los iones nitrito (NO2 – ) o nitrato (NO3

– ) (aunque el amonio puede

ser usado por la mayoría de los organismos vivos, las bacterias del suelo derivan la energíade la oxidación de dicho compuesto a nitrito y últimamente a nitrato); y también suconversión a sustancias atmosféricas químicamente activas, como el dióxido de nitrógeno(NO2), que reaccionan fácilmente para originar alguna de las anteriores.

• Fijación abiótica. La fijación natural puede ocurrir por procesos químicosespontáneos, como la oxidación que se produce por la acción de los rayos, queforma óxidos de nitrógeno a partir del nitrógeno atmosférico.

• Fijación biológica de nitrógeno. Es un fenómeno fundamental que depende de lahabilidad metabólica de unos pocos organismos, llamados diazótrofos en relación aesta habilidad, para tomar N2 y reduc irlo a nitrógeno orgánico:

N2 + 8H+ + 8e− + 16 ATP → 2NH3 + H2 + 16ADP + 16 Pi

La fijación biológica la realizan tres grupos de microorganismos diazotrofos:

• Bacterias gramnegativas de vida libre en el suelo, de géneros como Azotobacter, Klebsiella o el fotosintetizador Rhodospirillum, una bacteria purpúrea.

• Bacterias simbióticas de algunas plantas, en las que viven de manera generalmenteendo simbiótica en nódulos, principalmente localizados en las raíces. Hay multitudde especies encuadradas en el género Rhizobium, que guardan una relación muyespecífica con el hospedador, de manera que cada especie alberga la suya, aunque

hay excepciones.• Cianobacterias de vida libre o simbiótica. Las cianobacterias de vida libre son muy

abundantes en el plancton marino y son los principales fijadores en el mar. Ademáshay casos de simbiosis, como el de la cianobacteria Anabaena en cavidadessubestomáticas de helechos acuáticos del género Azolla, o el de algunas especies de Nostoc que crecen dentro de antoceros y otras plantas.

La fijación biológica depende del complejo enzimático de la nitrogenasa.

Amonificación

La amonificación es la conversión a ion amonio del nitrógeno que en la materia vivaaparece principalmente como grupos amino (- NH2) o imino (- NH-). Los animales, que nooxidan el nitrógeno, se deshacen del que tienen en exceso en forma de distintoscompuestos. Los acuáticos producen directamente amoníaco (NH3), que en disolución seconvierte en ion amonio. Los terrestres producen urea, ( NH2)2CO, que es muy soluble y seconcentra fácilmente en la orina; o compuestos nitrogenados insolubles como la guanina yel ácido úrico, que son purinas, y ésta es la forma común en aves o en insectos y, engeneral, en animales que no disponen de un suministro garantizado de agua. El nitrógeno

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Ing. Ambiental: Aguilar Díaz Alejandro Página


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biológico que no llega ya como amonio al sustrato, la mayor parte en ecosistemascontinentales, es convertido a esa forma por la acción de microorganismosdescomponedores.

CICLO: Algunas bacterias convierten amoniaco en nitrito y otras transforman este en

nitrato. Una de estas bacterias (Rhizobium) se aloja en nódulos de las raíces de lasleguminosas (alfalfa, alubia, etc.) y por eso esta clase de plantas son tan interesantes parahacer un abonado natural de los suelos.

Donde existe un exceso de materia orgánica en el mantillo, en condiciones anaerobias, hayotras bacterias que producen desnitrificación, convirtiendo los compuestos de N en N2, loque hace que se pierda de nuevo nitrógeno del ecosistema a la atmósfera.

Nitrificación

La nitrificación es la oxidación biológica del amonio al nitrato por microorganismos

aerobios que usan el oxígeno molecular (O2) como receptor de electrones , es decir, comooxidante . A estos organismos el proceso les sirve para obtener energía, al modo en que losheterótrofos la consiguen oxidando alimentos orgánicos a través de la respiración celular.El C lo consiguen del CO2 atmosférico, así que son organismos autótrofos. El proceso fuedescubierto por Sergéi Vinogradski y en realidad consiste en dos procesos distintos,separados y consecutivos, realizados por organismos diferentes:

• Nitritación. Partiendo de amonio se obtiene nitrito (NO – ). Lo realizan bacterias de,entre otros, los géneros Nitrosomonas y Nitrosococcus.

• Nitratación. Partiendo de nitrito se produce nitrato (NO3 – ). Lo realizan bacterias

del género Nitrobacter .

La combinación de amonificación y nitrificación devuelve a una forma asimilable por las plantas, el nitrógeno que ellas tomaron del suelo y pusieron en circulación por la cadenatrófica.

Desnitrificación

La desnitrificación es la reducción del ion nitrato (NO3 – ), presente en el suelo o el agua, a

nitrógeno molecular o diatómico (N2) la sustancia más abundante en la composición delaire. Por su lugar en el ciclo del nitrógeno este proceso es el opuesto a la fijación delnitrógeno.

Lo realizan ciertas bacterias heterótrofas, como Pseudomonas fluorescens, para obtenerenergía. El proceso es parte de un metabolismo degradativo de la clase llamada respiraciónanaerobia, en la que distintas sustancias, en este caso el nitrato, toman el papel de oxidante(aceptor de electrones) que en la respiración celular normal o aerobia corresponde aloxígeno (O2). El proceso se produce en condiciones anaerobias por bacterias quenormalmente prefieren utilizar el oxígeno si está disponible.

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El proceso sigue unos pasos en los que el átomo de nitrógeno se encuentra sucesivamente bajo las siguientes formas:

nitrato → nitrito → óxido nítrico → óxido nitroso → nitrógeno molecular

Expresado como reacción redox:

2NO3- + 10e- + 12H+ → N2 + 6H2O

Como se ha dicho más arriba, la desnitrificación es fundamental para que el nitrógenovuelva a la atmósfera, la única manera de que no termine disuelto íntegramente en losmares, dejando sin nutrientes a la vida continental. Sin él la fijación de nitrógeno, abiótica y biótica, habría terminado por provocar la depleción (eliminación) del N2 atmosférico.

La desnitrificación es empleada, en los procesos técnicos de depuración controlada deaguas residuales, para eliminar el nitrato, cuya presencia favorece la eutrofización y reduce

la potabilidad del agua, porque se reduce a nitrito por la flora intestinal, y éste escancerígeno.

Reducción desasimilatoria

Es la respiración anaerobia del nitrato y nitrito a la forma gaseosa N2O y a la forma ion amonio. Se produce en estercoleros y turberas donde residen bacterias del géneroCitrobacter s p. Este género es típico de las coliformes enterofecales, por lo que tambiénforma parte de la flora intestinal de mamíferos, ya que procesan parte de la lactosa queingieren. En principio se estudió esta bacteria en las turberas debido a que son productorasde NO2, un gas de efecto invernadero, en la actualidad se realizan estudios de las baterías

enzimáticas relacionadas con el retorno de amonio al suelo y su inhibición en presencia desulfatos.

CICLO DEL AZUFRE:

El azufre f orma parte de proteínas. Las plantas y otros productores primarios lo obtienen principalmente en su forma de ion sulfato (SO4

-2). Los organismos que ingieren estas plantas lo incorporan a las moléculas de proteína, y de esta forma pasa a los organismos delnivel trófico supe rior. Al morir los organismos, el azufre derivado de sus proteínas entra enel ciclo del azufre y llega a transformarse para que las plantas puedan utilizarlos de nuevocomo ion sulfato.

Los intercambios de azufre, principalmente en su forma de dióxido de azufre (SO2),realizan entre las comunidades acuáticas y terrestres, de una manera y de otra en laatmósfera, en las rocas y en los sedimentos oceánicos, en donde el azufre se encuentraalmacenado. El SO2 atmosférico se disuelve en el agua de lluvia o se deposita en forma devapor seco. El reciclaje local del azufre, principalmente en forma de ion sulfato, se lleva acabo en ambos casos. Una parte del sulfuro de hidrógeno (H2S), producido durante elreciclaje local del sulfuro, se oxida y se forma SO2.

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CICLO DEL HIERROEl Hierro se encuentra en la Litosfera en dos estados, el férricoFe3+ y ferroso Fe2+. Este bioelemento es utilizado por distintos seres vivos para formar las cadenas de citocromos yasociado a proteínas de transporte, como la Hemoglobina.

En la biosfera aparece como hierro organico, hierro inorgánico bien soluble o en sedimento.La aparición de sedimentos de hierro lo desencadenan los cambios en el pH del medioal igual que algunos microorganismos, a este grupo de bacterias se le denominanferrobacterias - Gallionella, Siderocapsa y Sideromonas -.El hierro organico pasa a formasde mayor o menor estado de oxidación. El ion ferroso puede transformarse en ion ferrico yviceversa pasando finalmente de nuevo hierro organico.Algunas bacterias como elThiobacillus ferroxidans obtiene la energía a partir de la oxidación del hierro, desulfatoferroso a sulfato ferrico, con esta energía que obtienen reducen el anhidrido carbónico(reducción nofotosintetica)

ETAPAS DEL CICLO DEL HIERRO

REDUCCION DEL HIERRO

El hierro férrico se puede reducir en condicione anóxicas a la forma ferrosa, más

solubles. Si hay suficientes 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 está en estadoférrico.

OXIDACION DEL HIERRO

El hierro ferroso es una forma soluble de hierro estable a un pH extremadamente bajo o bajo condiciones anaerobias.

Bajo condiciones aerobias y pH moderado, el hierro ferroso se oxidaespontáneamente a la forma férrica (Fe3+) y abióticamente a hidróxido férrico(Fe(OH)3 ) insoluble.


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CICLO DEL FOSFORO:

El fósforo es un componente esencial de los organismos. Forma parte de los ácidosnucleicos (ADN y ARN); del ATP y de otras moléculas que tienen PO4

3- y que almacenanla energía química; de los fosfolípidos que forman las membranas celulares; y de loshuesos y dientes de los animales. Está en pequeñas cantidades en las plantas, en proporciones de un 0,2%, aproximadamente. En los animales hasta el 1% de su masa puedeser fósforo.

Su reserva fundamental en la naturaleza es la corteza terrestre. Por meteorización de lasrocas o sacado por las cenizas volcánicas, queda disponible para que lo puedan tomar las plantas. Con facilidad es arrastrado por las aguas y llega al mar. Parte del que es arrastradosedimenta al fondo del mar y forma rocas que tardarán millones de años en volver aemerger y liberar de nuevo las sales de fósforo.

Otra parte es absorbida por el plancton que, a su vez, es comido por organismos filtradoresde plancton, como algunas especies de peces. Cuando estos peces son comidos por aves quetienen sus nidos en tierra, devuelven parte del fósforo en las heces (guano) a tierra.

Es el principal factor limitante en los ecosistemas acuáticos y en los lugares en los que lascorrientes marinas suben del fondo, arrastrando fósforo del que se ha ido sedimentando, el plancton prolifera en la superficie. Al haber tanto alimento se multiplican los bancos de peces, formándose las grandes pesquerías del Gran Sol, costas occidentales de África yAmérica del Sur y otras.

Con los compuestos de fósforo que se recogen directamente de los grandes depósitosacumulados en algunos lugares de la tierra se abonan los terrenos de cultivo, a veces encantidades desmesuradas, originándose problemas de eutrofización.

http://www.tecnun.es/asignaturas/Ecologia/Hipertexto/00General/Glosario.html#Guanohttp://www.tecnun.es/asignaturas/Ecologia/Hipertexto/11CAgu/150Eutro.htmhttp://www.tecnun.es/asignaturas/Ecologia/Hipertexto/11CAgu/150Eutro.htmhttp://www.tecnun.es/asignaturas/Ecologia/Hipertexto/00General/Glosario.html#Guano


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CICLO DEL MERCURIO

EI mercurio no es solo el más toxico de los metales, sino también el más intrigante. No seconoce que sea esencial para algún proceso metabólico y, por tanto, se acumula en lamayoría de los seres vivos. EI rnercurio se presenta naturalmente en una gran variedad de

compuestos orgánicos e inorqarucos, no solo en estado sólido. Sino también disuelto enagua y, excepcionalmente, en la atmosfera debido a su alta presión de vapor.

La transición de mercurio entre esos compuestos y fases es controlada por una multitud de procesos ambientales, que incluyen reacciones fotoquímicas, oxidación y reducciónquimica, transformadones microbianas, etc. EI mercurio difiere de otros metales por suelevado caracter "organico": aparece naturalmente en compuestos orqanometalicos y tieneuna alta afinidad por la mayor parte de los tipos de materia orqanica, espedalmente las proteinas de los organisrnos ya que los enlaces que establece son de naturalezafundamental mente covalente. Evidentemente. el comportamiento biogeoquimico delmercurio es complejo, y su entendimiento requiere un estudio conjunto de los procesosindustriales, atmosféricos, geol6gicos. hidrol6gicos quimicos. microbianos, fisiologicos yecologicos. Ademas, el ciclo natural del mercurio ha sido considerablemente rnodificadoy acelerado por las actividades antropogenicas, principalmente aquellas relaclonadas con la mineria y la metalurgia.

Dada la toxicidad elevada que presenta este metal, el ciclo biogeoquimico del mercurioesta bastante estudiado y se conoce mejor que el de otros metales. aunque todos siguen unatonica muy similar, a excepcion, precisamente. del mercurio, ya que puede encontrarsetarnbien en la atmosfera en cantidades apreciables (relativamente hablando). EI mercurioatrnosferico. Precisamente, puede incorporarse facilmente a los Sistemas orgánicos y alagua, por deposicion. Asi, el HgO puede depositarse en la superficie de los vegetales 0 serdirectamente respirado por los animales. La forma Hg2+, soluble en agua, puede ser

depositada por la lIuvia sobre el suelo y los seres vivos, y rapidarnente ser absorbida porlos tejidos. EI principal problema es que las bacterias se detoxifican de forma natural bienreduciendo la especie Hg2+ a Hg6 (mucho menos asimilable) 0 bien metilandola para darmetilmercurio (CH3Hg+). Esto es realizado tanto por las bacterias del suelo como par lasdel tecno marino, pasando a una forma organometalica cationica que es mucho mejorasimilada par los seres vivos y. par tanto, mucho mas perjudicial.


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CICLO DEL PLOMO


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CICLO DEL CADMIO


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CICLO DEL ARSENICO


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LLUVIA ACIDA


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DINAMICA DE LA CAPA DE OZONO

El ozono se produce mediante la siguiente reacción:

O 2 + h ν − > O + O [2]

O + O 2 − > O 3

Es decir, el oxígeno molecular que se encuentra en las capas altas de la atmósfera

es bombardeado por la radiación solar. Del amplio espectro de radiación incidente

una determinada fracción de fotones cumple los requisitos energéticos necesarios

para catalizar la rotura del doble enlace de los átomos de oxígeno de la molécula de

oxígeno molecular.

Posteriormente, la radiación solar convierte una molécula de ozono en una de

oxígeno biatómico y un átomo de oxígeno sin enlazar:

O 3 +

h ν − > O

2 +O

Durante la fase oscura, (la noche de una determinada región del planeta) el oxígeno

monoatómico, que es altamente reactivo, se combina con el ozono de

la ozonosfera para formar una molécula de oxigeno biatómico:

O 3 + O − > 2O 2

Para mantener constante la capa de ozono en la estratosfera esta reacción

fotoquímica debe hacerse en perfecto equilibrio, pero estas reacciones sonfácilmente perturbables por moléculas, como los compuestos clorados (como

Clorofluorocarbonos) y los compuestos bromurados.
http://es.wikipedia.org/wiki/Capa_de_ozono#cite_note-1#cite_note-1http://es.wikipedia.org/wiki/Capa_de_ozono#cite_note-1#cite_note-1http://es.wikipedia.org/wiki/Enlace_qu%C3%ADmicohttp://es.wikipedia.org/wiki/Ozonosferahttp://es.wikipedia.org/wiki/Equilibrio_qu%C3%ADmicohttp://es.wikipedia.org/wiki/Equilibrio_qu%C3%ADmicohttp://es.wikipedia.org/wiki/Ozonosferahttp://es.wikipedia.org/wiki/Enlace_qu%C3%ADmicohttp://es.wikipedia.org/wiki/Capa_de_ozono#cite_note-1#cite_note-1

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