Metabolismo ecosistemico II: Ciclos de Nutrientes

Julieta Aranibar

ICB, UNCuyo; IANIGLA, CONICET

jaranibar@mendoza-conciet.gov.ar

Tel: 524-4258

Contenidos

• Importancia de los nutrientes • Ciclo de nutrientes en lagos• Ciclo de nutrientes en ecosistemas terrestres• Ciclo de N.

• Proceso de Haber y efecto en el ambiente.• Resumen• Como se estudian los ciclos biogeoquímicos?

Importancia de los Nutrientes• Nitrógeno (N): Componente de

RUBISCO (enzima encargada de fijar CO2). Es el nutriente que más comúnmente limita la fotosíntesis.

• Carbono (C): componente estructural de plantas, animales y suelo.

• Fósforo (P): fosfolípidos, ATP (transporte de energía durante fotosíntesis), ácidos nucleicos.

• Ca, Mg, K, Mn, S, Cu, Co Zn, Fe, Cl, Na, B, Vanadio.

• Si no están disponibles, limitan la productividad.

Leavit et al.

Figure 24-1. Esquema de ciclo de nutrientes

Figure 24-2. Ciclo de P en un lago

Ciclo de P (local)

Ciclo local, cerrado, sin componente atmosférico. P necesario para ATP, energía, fosfolípidos.

Atmósfera, biosfera, suelos, océanos, fósiles.

-Océanos: mayor reservorio. -Suelos: mayor reservorio terrestre.Missing sink o carbono perdido: 7.6 pg/a (emisiones antropogénicas)-1.7 (absorción por Océanos)-1.4 (absorción terrestre).

Missing C sink: terrestre vs. oceánico. Fertilización de N?

Ciclo de Carbono Global

Contenidos

• Importancia de los nutrientes

• Ciclo de nutrientes en lagos

Lagos: nutrientes se acumulan en sedimentos. Pez omnívoro los hace disponibles para el plankton. Adición de P: altera la

abundancia de distintas especies.

Figure 24-5

Contenidos

• Importancia de los nutrientes

• Ciclo de nutrientes en lagos

• Ciclo de nutrientes en ecosistemas terrestres

Figure 24-9

P o N limitan la productividad?

Limitación en ecosistemas terrestres: 2 teorías.

• Liebig: ley de los mínimos. Los organismos estarán limitados por aquel elemento que se encuentre en menor disponibilidad relativa a sus necesidades.

• Distintos en una sucesión, estación de crecimiento, edad geológica

• Sinergismo? Disponibilidad y demanda de N y P se mantienen balanceados (fijación de N?, micorrizas?).

Davidson and Howarth, Nature, 2007.Nutrients in synergy

Como analizamos la limitación de diversos factores?

• Experimentos de fertilización o Experimentos naturales: deposición de N en bosques templados, descarga de P y N en lagos y costas.

• Analizar relaciones entre elementos: C/N, N/P, Lignina/N.

• N/P > 20 indica limitación por P, < 10 limitación por N y 10 <N/P<20 co-limitación.

• El concepto de factor limitante fue desarrollado para sistemas agrícolas. Qué tan útil es para ecosistemas naturales?

Factores limitantes de la productividad. Revisión

• En océanos: limita N (Long Island), Fe (Sargaso, mediante limitación de fijación de N), Si. “Upwelling”.

• Lagos: Luz, temp, P, N. P en la mayoría.N/P>16, Cianobacterias dominan, blooms, eutroficación, ecosistema controlado por

competencia.

• Terrestres: humedad, temperatura (fenología). Evapotranspiración=precipitación, temperatura, radiación. Después, tipo de suelo y nutrientes. N, P. En general: Bosques templados por N, Selva tropical por P.

Ciclo de nutrientes: monitoreo de

Ingresos-egresos=cambio de reservorio.

Despues de un incendio

Contenidos• Importancia de los nutrientes

• Ciclo de nutrientes en lagos

• Ciclo de nutrientes en ecosistemas terrestres

• Ciclo de N.

Ciclo de N

80 % de la atmósfera es N2. Las plantas absorben amonio y nitrato, también N orgánico con la ayuda de micorrizas.Procariotas fijan N2 de la atmósfera: costras criptogámicas, cianobacterias, nódulos en leguminosas, otras. Bajo anaerobiosis, el N se denitrifica y se pierde del sistema a la atmósfera.Bajo aerobiosis, el nitrato se lixivia a la napa, ríos, o reservorios subterráneos de suelo

Leavitt et al.

De dónde proviene el N?• La mayor cantidad de N2 está en la

atmósfera (78%), pero el enlace triple es muy fuerte y energéticamente caro para romperlo (76 kcal/mol N).

• Fijación de N2 atmosférico por: bacterias asociadas a leguminosas (nódulos simbióticos), a raíces de pastos, cianobacterias que viven en el suelo y en aguas, y otras bacterias que viven libremente en el suelo. solo 2,5 % de NPP global se invierte en fijación de N. Alto costo energético. Controlado por N:P en suelos. P favorece fijación de N (activación de gen de nitrogenasa). Mo, Fe.

• En un ecosistema, quiénes fijan N? Cuánto se fija? Prosopis en América, Acacias en Africa, soja y otros cultivos de leguminosas, arroz.

Otras fuentes de N• Deposición de N con la lluvia o partículas

atmosféricas.

• Transporte de N por napa freática o ríos.

• Fertilizantes orgánicos e industriales

Otros procesos del ciclo de N• Mineralización• Nitrificación • Denitrificación (anaerobio)• Volatilización de amonia (alcalino,

aerobio).• Lixiviación de nitratos, contamina

agua subterránea.• Inmobilización (amonio en arcillas,

bacterias).• Absorción por medio de raíces y

micorrizas (amonio, nitrato o N orgánico, según tipos de plantas).

• Reabsorción de nutrientes

•Alaska (poca descomposicion, nutrientes en suelo) vs Tropicales (nutrientes en vegetación,corteza, raíces).

Eficiencia de uso de nutrientes

Tropical forests

Contenidos

• Importancia de los nutrientes

• Ciclo de nutrientes en lagos

• Ciclo de nutrientes en ecosistemas terrestres

• Ciclo de N.

• Proceso de Haber y efecto en el ambiente.

Proceso Haber• Patentado en 1908 por Haber, utilizado en Alemania durante la

guerra cuando no podían recibir guano de Chile (también necesitaban ácido nítrico para explosivos...)

• Produce amonio usando un catalizador de hierro a alta presión y temperatura (400 C, 250 atm).

• Puede convertirse en ácido nítrico, urea, fertilizantes, explosivos.

Galloway et al., 2003

Efectos de los fertilizantes• Excesos se volatilizan como amonia a la atmósfera.• Excesos de nitratos se lixivian a la napa freática: tóxico para la

salud. • Excesos terminan en ríos, costas, lagos, océanos: eutroficación,

pérdida de biodiversidad.

• Fertilización: mayor absorción de CO2 en ecosistemas limitados por N (bosques templados, boreales)… Hasta cuándo? Critical load. Saturación de N en ecosistemas. Pérdida de biodiversidad.

• Se produce óxido nitroso (N2O) por denitrificación: efecto invernadero.

• Uso muy ineficiente

Lluvia ácida

Pérdida de biodiversidad

Eutroficación por descarga de fertilizantes.Zonas hipóxicas por descomposición de MO.Reducir fertilizantes, proteger humedales

Más problemas ambientales ocasionados por el N• La combustión produce óxidos de N (NOx), que a concentraciones de más

de 30 ppm, producen ozono en la tropósfera: tóxico, invernadero. Se redepositan con la lluvia o aerosoles (wet, dry deposition)

• Si llegan a la estratósfera, cataliza la destrucción de ozono.• Se convierten en ácido nítrico: lluvia ácida.

Efectos positivos de la fertilización de N: alimento!!!

• África no podrá desarrollarse sin el uso de fertilizantes. Proponen utilizar 50 kg/ha, en vez de los 7 kg/ha que utilizan actualmente.

El desafío está en disminuír los impactos negativos en el ambiente, asegurando el desarrollo de las poblaciones.

Resumen• P y N son necesarios para la productividad, y para el desarrollo de

poblaciones humanas.

• N es muy abundante en la atmósfera, pero no en una forma disponible para los eucariotas. Solo procariotas (bacterias) pueden fijar N atmosférico para poder ser utilizado por la vegetación.

• Ciclo de N es abierto, con muchos intercambios entre la atmósfera, biosfera, hidrosfera y suelos. Mediado por la biota.

• N gaseoso puede ser tóxico y de efecto invernadero.

• Producción de N industrial (Haber) y utilización en la cadena de producción es muy ineficiente. Las pérdidas van a distintos componentes del ecosistema y causan una “cascada” de problemas ambientales.

• Como disminuir los efectos negativos del uso de N y aumentar los positivos?

¿Cómo estudiamos los ciclos biogeoquímicos de nutrientes?

• Modelos de compartimentos

• Reservorios o compartimentos: ej., plantas, suelos (hojarasca, amonio, nitrato), cultivos, agua.

• Tasas de transferencia: ingresos, egresos Ej., consumo de vegetación, lixiviación, mineralización, etc.

Agua freática

Lixiviación?

Venta de guanopara fertilizar oasisCuánto?

Fijación de N2?

Absorción de N de los puestos?

Transporte de N por ganado

Ciclo de N en Telteca

Nitrato en el suelo

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 5500,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

2,4

2,6

2,8

3,0

3,2

3,4

3,6

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 5500,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

2,4

2,6

2,8

3,0

3,2

3,4

3,6

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 5500,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

2,4

2,6

2,8

3,0

3,2

3,4

3,6

Y A

xis

Titl

e

X Axis Title

PL1208

Y A

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Titl

e

X Axis Title

PP1208

Y A

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Titl

e

X Axis Title

PB1208

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 5500,0

0,20,4

0,6

0,81,0

1,2

1,41,6

1,8

2,02,2

2,4

2,62,8

3,0

3,2

3,43,6

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 5500,0

0,20,4

0,6

0,81,0

1,2

1,41,6

1,8

2,02,2

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2,62,8

3,0

3,2

3,43,6

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 5500,0

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2,02,2

2,4

2,62,8

3,0

3,2

3,43,6

Y A

xis

Titl

e

X Axis Title

Médano

Y A

xis

Titl

e

X Axis Title

Loma

Y A

xis

Titl

e

X Axis Title

Puesto

0 100 200 300 400 5000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

2,4

2,6

2,8

3,0

3,2

3,4

3,6

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 5500,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

2,4

2,6

2,8

3,0

3,2

3,4

3,6

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 5500,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

2,4

2,6

2,8

3,0

3,2

3,4

3,6

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 5500,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

2,4

2,6

2,8

3,0

3,2

3,4

3,6

Y A

xis

Titl

e

X Axis Title

PB509

Y A

xis

Titl

e

X Axis Title

HC509

Y A

xis

Titl

e

X Axis Title

PL509

Y A

xis

Titl

e

X Axis Title

PP509

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 5500,00,20,40,60,8

1,01,21,41,61,82,02,22,42,62,83,0

3,23,43,6

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 5500,00,20,40,60,8

1,01,21,41,61,82,02,22,42,62,83,0

3,23,43,6

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 5500,00,20,40,60,8

1,01,21,41,61,82,02,22,42,62,83,0

3,23,43,6

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 5500,00,20,40,60,8

1,01,21,41,61,82,02,22,42,62,83,0

3,23,43,6

Y A

xis

Titl

e

X Axis Title

PB709

Y A

xis

Titl

e

X Axis Title

HC709

Y A

xis

Titl

e

X Axis Title

PL709

Y A

xis

Titl

e

X Axis Title

PP709

Profundidad de suelo, cm

N-N

itrat

o, μ

g g-1

Puesto abandonado (La Penca)

Loma (La Penca)

Bajo vegetado (La Penca)

Corral (Las Hormigas)

Diciembre 08 Marzo 09

Mayo 09Julio 09

Nombre del Puesto Nitrato, ppm

Las Hormigas 1 9,4

Las Hormigas 2 49,2

Las Hormigas 3 10,1

San Jorge 8,3

Las Cañas 11,7

San Miguen 0,8

El Chañar 0,5

Bajo del Vino 2,1

San Andres 3,7

Ahí Veremos 5,0

Los Laureles 4,3

Altas Cumbres 4,4

El Rosedal 0,3

El Palenque 0,2

Las Llantas 3,2

Valde de la Vaca 11,1

La Mahada 10,3

San Roque 1,9

Las Cuentas 1,1

El Arbolito 0,6

San Expedito 0,9

Referencia 2,79

Las concentaciones de nitrato en agua freática supera en muchos casos los niveles de referencia. Solo una perforación (Las Hormigas) muestra concentraciones por encima del nivel recomendado para consumo humano (45 ppm).