ciclos biogeoquimicos

Ciclos Biogeoquímicos(CBGQs)

Ciclos Biogeoquímicos(CBGQs)

Ciclos Biogeoquímicos (CBGQs)1.1.-- IntroducciónIntroducción2.2.-- Reservorios y tasas de transferenciaReservorios y tasas de transferencia3.3.-- El Ciclo del CarbonoEl Ciclo del Carbono

3.1.- Resumen3.2.- Ciclo Redox

3.2.1.- Fotosíntesis3.2.2.- Descomposición óxica3.2.3.- Descomposición anóxica y sus límites

a) Metanogénesis

b) Transferencia interespecífica de H2 y Sintrofíac) Hábitats metanogénicosd) Metanogénesis en los Océanose) Metanotrofía

Atmósfera

Litosfera

Hidrosfera

Ciclos Biogeoquímicos (CBGQs)Ciclos Biogeoquímicos (CBGQs)

Biosfera

Transformaciones Físicas- Precipitación- Disolución- Volatilización- Fijación

Transformaciones químicas:- Biosíntesis- Biodegradación- Biotransformaciones Redox

Combinaciones de ambas

Transformaciones FísicasTransformaciones Físicas-- PrecipitaciónPrecipitación-- DisoluciónDisolución-- VolatilizaciónVolatilización-- FijaciónFijación

Transformaciones químicas:Transformaciones químicas:-- BiosíntesisBiosíntesis-- BiodegradaciónBiodegradación-- Biotransformaciones Biotransformaciones RedoxRedox

Combinaciones de ambasCombinaciones de ambas

Ciclos Biogeoquímicos (CBGQs)Ciclos Biogeoquímicos (CBGQs)

Ciclos BiogeoquímicosCiclos BiogeoquímicosProtagonistas: los microorganismosProtagonistas: los microorganismos

Ubicuidad

Capacidades metabólicas diversas

Altas tasas de actividad enzimática




a) Metanogénesis


Ciclos BiogeoquímicosCiclos BiogeoquímicosReservorios y Tasas de transferenciaReservorios y Tasas de transferencia

Tipo de reservorio a escala globalTipo de reservorio a escala global

Tamaño del reservorioTamaño del reservorio

Actividad de reciclaje del mismoActividad de reciclaje del mismo

Ciclos BiogeoquímicosCiclos BiogeoquímicosReciclaje de elementos biogénicosReciclaje de elementos biogénicos

Reciclaje intenso:Reciclaje intenso:

Elementos principales (C,H,O,N,P y S)Elementos principales (C,H,O,N,P y S)

Reciclaje limitado:Reciclaje limitado:

ElemElem. secundarios (. secundarios (Mg,Na,KMg,Na,K y halógenos)y halógenos)

ElemElem. traza (. traza (B,Co,Cr,Cu,Mo,Ni,Se,Sn,VB,Co,Cr,Cu,Mo,Ni,Se,Sn,V y y ZnZn))

Excepciones (Fe y Excepciones (Fe y MnMn; ; CaCa y Si)y Si)




a) Metanogénesis


Ciclo del CarbonoCiclo del Carbono

Corteza terrestre Formaciónde la roca

Plantas terrestres

Muerte y mineralizaciónen los sedimentos

CO2atmosférico

CO2disuelto

Plantas acuáticasy algasCombustibles

fósiles

Animales y m.o.

acuáticos

Animales y microorganismos

Formacióndel suelo

Humus

Materia orgánicamuerta




a) Metanogénesis


Ciclo Ciclo RedoxRedox del C: Importancia de la fotosíntesisdel C: Importancia de la fotosíntesis

Óxico

Crecimiento Muerte y sedimentación

FotosíntesisPlantasAlgasCianobacterias

Bacteriasquimiolitotrofas

CO2(CH2O)nCompuestos

orgánicos

+ H20

RespiraciónPlantasAnimalesMicroorganismos

+ O2

Ciclo Ciclo RedoxRedox del C: Importancia de la descomposicióndel C: Importancia de la descomposición

Óxico

CO2

Crecimiento Muerte y sedimentación

(CH2O)nCompuestos

orgánicos




+ H20

+ O2

(CH2O)nCompuestos

orgánicos




a) Metanogénesis


Ciclo Ciclo RedoxRedox del C: la descomposición del C: la descomposición óxicaóxica

Polímeros complejos: Polisacáridos, proteínas...Polímeros complejos: Polisacáridos, proteínas...

GlcSistemasHidrolíticos

Xil

Aminoácidos

Metabolismo

Ciclo Ciclo RedoxRedox del C: hidrólisis de polisacáridosdel C: hidrólisis de polisacáridos

CelulosaAlmidónLaminarinaParamilonAgarQuitinaPectinasDextranosXilanosGlucógeno

CelulosaCelulosaAlmidónAlmidónLaminarinaLaminarinaParamilonParamilonAgarAgarQuitinaQuitinaPectinasPectinasDextranosDextranosXilanosXilanosGlucógenoGlucógeno

Estructuras Chime

Ciclo Ciclo RedoxRedox del C: hidrólisis de celulosasdel C: hidrólisis de celulosas

Celobiasa

Exo Endo

Glu

Ciclo Ciclo RedoxRedox del C: descomposición del C: descomposición óxicaóxica de celulosade celulosa

Hongos:Multitud

Bacterias:ClostridiosDeslizantes

SporocytophagaCytophaga

Actinomicetos(Streptomyces)

Descomposición de polisacáridos: enzimas Descomposición de polisacáridos: enzimas hidrolíticashidrolíticas

- Celulasas- Amilasas- Xilanasas- Pectinasas- Agarasas- Quitinasas- Dextranasas

Descomposición de polisacáridos: enzimas Descomposición de polisacáridos: enzimas hidrolíticashidrolíticas

Apl. Industriales- Detergentes- Textiles- Papeleras- Alimentarias- Piensos- T. residuos

- Celulasas- Amilasas- Xilanasas- Pectinasas- Agarasas- Quitinasas- Dextranasas

Ciclo Ciclo RedoxRedox del C: la descomposición del C: la descomposición óxicaóxica

Óxico

CO2 (CH2O)nCompuestos

orgánicosCrecimiento Muerte y sedimentación

(CH2O)nCompuestos

orgánicos




+ H20

+ O2

Respiración aeróbicaMicroorganismos aeróbicos




a) Metanogénesis


Ciclo Ciclo RedoxRedox del C: la descomposición del C: la descomposición anóxicaanóxica

AnóxicoÓxico



(CH2O)nCompuestos

orgánicos




+ H20

+ O2

Respiración anaeróbica; fermentaciónMicroorganismos anaeróbicos incluyendoBacterias fototróficas

Ciclo Ciclo RedoxRedox del C: descomposición del C: descomposición anóxicaanóxica de celulosade celulosa

Bacterias:

- Clostridium- Sedimentos lacustres- Tracto intestinal de animales- S. Tratamiento aguas residuales

- Rumen de los rumiantes(Fibrobacter y Ruminococcus)

Ciclo Ciclo RedoxRedox del C: descomposición del C: descomposición anóxicaanóxicaPolímeros complejos

Monómeros

Celulosa, otros polisacáridos,proteínas

Bacterias celulolíticasBacterias hidrolíticas

Azúcares, aminoácidos

Acetato-H2 + CO2

Fermentación primariaBacterias fermentativas

Propionato-, Butirato-, Succinato-, alcoholes

Ciclo del C: Límites de la descomposición Ciclo del C: Límites de la descomposición anóxicaanóxicaLigninas

En medios óxicos → fenoles, ácidos y alcoholes aromáticos:Hongos.- Phanerochaete chrysosporium

Polyporus, Poria, Fomes, Agaricus, Pleurotus, Collybia, SchizophyllumFusarium

Bacterias.- ArtrobacterrFlavibacteriumMicrococcusPseudomonas

Ciclo del C: Límites de la descomposición Ciclo del C: Límites de la descomposición anóxicaanóxica

Plantas y animales

Hidrocarburos alifáticos de cadena larga

(hexadecano y octadecano)Petroleo

Degradación anaeróbica lenta:Bacterias sulfatoreductorasÁcidos grasos de

cadena larga




a) Metanogénesis


Ciclo Ciclo RedoxRedox del C: del C: MetanogénesisMetanogénesisPolímeros complejos

Monómeros

Celulosa, otros polisacáridos,proteínas

Bacterias celulolíticasBacterias hidrolíticas

Azúcares, aminoácidos

Acetato-H2 + CO2

Fermentación primariaBacterias fermentativas

Propionato-, Butirato-, Succinato-, alcoholes

Acetato-H2 + CO2

Fermentaciónsecundaria

Bacterias oxidadorasde ac. grasos y productorasde H2 (sintrofos)

CH4Metanogénesis

Metanógenos Metanógenos

MetanógenosAcetato-

AcetogénesisHomoacetógenos

Ciclo Ciclo RedoxRedox del C: del C: MetanogénesisMetanogénesis

4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O (∆Gº´= -130,7 kJ/reacción)

4H2 + H+ + HCO3- → CH4 + 3H2O (∆Gº´= -135,6 kJ/reacción)

Grupo I: Methanobacterium, Methanobrevibacter, Methanosphaera

Grupo II: Methanothermus

Grupo III: Methanococcus

Grupo IV: Methanomicrobium, Methanogenium, Methanospirillum, Methanoplanus

Grupo V: Methanosarcina, Methanolobus, Methanoculleus, Methanohalobium,Methanococcoides, Methanohalophilus, Methanotrix

Grupo VI: Methanopyrus

Grupo VII: Methanocorpusculum

Ciclo Ciclo RedoxRedox del C: del C: HomoacetogénesisHomoacetogénesis

4H2 + H+ + 2HCO3-→ CH3-COO- + 4H2O (∆Gº´= -104,6 kJ/reacción)

Son Bacterias Gram +:AcetoanaerobiumAcetobacteriumAcetogeniumClostridium thermoaceticum, C. formicoacéticum

Ciclo Ciclo RedoxRedox del C: del C: MetanogénesisMetanogénesis

H2O + CH3-COO- → CH4 + HCO3- (∆Gº´= -31kJ/reacción)


4H2 + H+ + HCO3- → CH4 + 3H2O (∆Gº´= -135,6 kJ/reacción)

Ciclo Ciclo RedoxRedox del C: del C: SintrofíaSintrofía

Fermentación del etanol:

2CH3-CH2OH + 2H2 O → 4H2 + 2CH3COO- + 2H+ (∆Gº´= + 19,36 kJ/reacción)

(etanol ) (acetato)

Metanogénesis:


Reacción acoplada:

2CH3-CH2OH + CO2 → CH4 + 2CH3COO- + 2H+ (∆Gº´= -111,33 kJ/reacción)

B. oxidadoras de ác. grasos y productoras de H2:SyntrophomonasSyntrophobacter

Ciclo Ciclo RedoxRedox del C: la descomposición del C: la descomposición anóxicaanóxica

AnóxicoÓxico



(CH2O)nCompuestos

orgánicos




+ H20

+ O2


Bacterias fototróficas

B. homoacetógenas

CH4 B. Metanógenas AcetatoC. metilados




a) Metanogénesis


HábitatsHábitats metanogénicosmetanogénicos ⇒⇒ Ambientes anAmbientes anóóxicosxicos

Pantános y zonas encharcadas Rumen de los rumiantes RumenRumen de los rumiantes de los rumiantes

T. Intestinal insectos xilófagos y mamíferos EndosimbiontesEndosimbiontes de protistasde protistas

Estimaciones de la liberación de CH4 a la AtmósferaFuente Emisión de CH4 (106 Ton./año)

Biogénica

RumiantesTermesZonas encharcadasHumedales naturalesVertederosOcéanos y LagosTundra

80-10025-15070-120120-200

5-701-201-5

Abiogénica

Minería del CarbónEmisiones de Gas naturalEscapes industriales y de gaseoductosCombustión de BiomasaHidratos de metanoVolcanesAutomóviles

10-3510-3015-4510-40

2-40,50,5

Total Biogénico 302-665 81-86% del Total

Total Abiogénico 48-155 14-19% del Total

Total 349-820




a) Metanogénesis


Ciclo Ciclo RedoxRedox del C: del C: MetanogénesisMetanogénesis en los Océanosen los Océanos

4H2 + SO42- → H2S + 2H2O + 2 OH- (∆Gº´= -155,13 kJ/reacción)

CH3-COO- + SO42- → 2HCO3

- + HS- (∆Gº´= -47,6 kJ/reacción)


CH3-COO- + H2O → CH4 + HCO3- (∆Gº´= -31kJ/reacción)

Ciclo Ciclo RedoxRedox del C: del C: MetanogénesisMetanogénesis en los Océanosen los Océanos

MethanosarcinaSustratos metilados CH4(metilaminas, metanol) Methanococcus




a) Metanogénesis


Ciclo Ciclo RedoxRedox del C: del C: MetanotrofíaMetanotrofía

AnóxicoÓxico



(CH2O)nCompuestos

orgánicos




+ H20

+ O2


B. Metanotrofas Bacterias fototróficas

B. homoacetógenas



CH4 CH3OH HCHO HCOO- HCO3-

-126 kJ -193 kJ -214 kJ -239 kJmetano metanol formaldehído formiato bicarbonato

Metanotrofos Tipo I:(Gamma-Proteobacterias)

MethylomonasMethylomicrobiumMethylobacterMethylococcus

Ribulosa monoP

Metanotrofos Tipo II:(Alfa-Proteobacterias)

MethylosinusMethylocistis

Serina


AnóxicoÓxico



(CH2O)nCompuestos

orgánicos




+ H20

+ O2


B. Metanotrofas Bacterias fototróficas

B. homoacetógenas


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