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CICLOS BIOGEOQUIMICOS

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  • 1. Ciclos Biogeoquímicos (CBGQs)
  • 2. Ciclos Biogeoquímicos (CBGQs)1.- Introducción2.- Reservorios y tasas de transferencia3.- El Ciclo del Carbono 3.1.- Resumen 3.2.- Ciclo Redox 3.2.1.- Fotosíntesis 3.2.2.- Descomposición óxica 3.2.3.- Descomposición anóxica y sus límites a) Metanogénesis b) Transferencia interespecífica de H2 y Sintrofía c) Hábitats metanogénicos d) Metanogénesis en los Océanos e) Metanotrofía
  • 3. Ciclos Biogeoquímicos (CBGQs)1.- Introducción2.- Reservorios y tasas de transferencia3.- El Ciclo del Carbono 3.1.- Resumen 3.2.- Ciclo Redox 3.2.1.- Fotosíntesis 3.2.2.- Descomposición óxica 3.2.3.- Descomposición anóxica y sus límites a) Metanogénesis b) Transferencia interespecífica de H2 y Sintrofía c) Hábitats metanogénicos d) Metanogénesis en los Océanos e) Metanotrofía
  • 4. Ciclos Biogeoquímicos (CBGQs) Litosfera Biosfera Atmósfera Hidrosfera
  • 5. Ciclos Biogeoquímicos (CBGQs) Transformaciones Físicas - Precipitación - Disolución - Volatilización - Fijación Transformaciones químicas: - Biosíntesis - Biodegradación - Biotransformaciones Redox Combinaciones de ambas
  • 6. Ciclos BiogeoquímicosProtagonistas: los microorganismos Ubicuidad Capacidades metabólicas diversas Altas tasas de actividad enzimática
  • 7. Ciclos Biogeoquímicos (CBGQs)1.- Introducción2.- Reservorios y tasas de transferencia3.- El Ciclo del Carbono 3.1.- Resumen 3.2.- Ciclo Redox 3.2.1.- Fotosíntesis 3.2.2.- Descomposición óxica 3.2.3.- Descomposición anóxica y sus límites a) Metanogénesis b) Transferencia interespecífica de H2 y Sintrofía c) Hábitats metanogénicos d) Metanogénesis en los Océanos e) Metanotrofía
  • 8. Ciclos BiogeoquímicosReservorios y Tasas de transferencia Tipo de reservorio a escala global Tamaño del reservorio Actividad de reciclaje del mismo
  • 9. Ciclos BiogeoquímicosReciclaje de elementos biogénicos Reciclaje intenso: Elementos principales (C,H,O,N,P y S) Reciclaje limitado: Elem. secundarios (Mg,Na,K y halógenos) Elem. traza (B,Co,Cr,Cu,Mo,Ni,Se,Sn,V y Zn) Excepciones (Fe y Mn; Ca y Si)
  • 10. Ciclos Biogeoquímicos (CBGQs)1.- Introducción2.- Reservorios y tasas de transferencia3.- El Ciclo del Carbono 3.1.- Resumen 3.2.- Ciclo Redox 3.2.1.- Fotosíntesis 3.2.2.- Descomposición óxica 3.2.3.- Descomposición anóxica y sus límites a) Metanogénesis b) Transferencia interespecífica de H2 y Sintrofía c) Hábitats metanogénicos d) Metanogénesis en los Océanos e) Metanotrofía
  • 11. Ciclo del Carbono CO2 atmosférico Plantas Animales y terrestres microorganismos CO2 disuelto Materia orgánica muerta Plantas Animales y acuáticas m.o.Combustibles Humus y algas acuáticos fósiles Muerte y mineralización en los sedimentos Formación del suelo Corteza terrestre Formación de la roca
  • 12. Ciclos Biogeoquímicos (CBGQs)1.- Introducción2.- Reservorios y tasas de transferencia3.- El Ciclo del Carbono 3.1.- Resumen 3.2.- Ciclo Redox 3.2.1.- Fotosíntesis 3.2.2.- Descomposición óxica 3.2.3.- Descomposición anóxica y sus límites a) Metanogénesis b) Transferencia interespecífica de H2 y Sintrofía c) Hábitats metanogénicos d) Metanogénesis en los Océanos e) Metanotrofía
  • 13. Ciclo Redox del C: Importancia de la fotosíntesis Óxico Fotosíntesis Bacterias Plantas quimiolitotrofas Algas Cianobacterias + H20 (CH2O)n CO2 Compuestos orgánicos Crecimiento Muerte y sedimentación + O2 Respiración Plantas Animales Microorganismos
  • 14. Ciclo Redox del C: Importancia de la descomposición Óxico Fotosíntesis Bacterias Plantas quimiolitotrofas Algas Cianobacterias + H20 (CH2O)n CO2 (CH2O)n Compuestos Compuestos orgánicos Crecimiento Muerte y sedimentación orgánicos + O2 Respiración Plantas Animales Microorganismos
  • 15. Ciclos Biogeoquímicos (CBGQs)1.- Introducción2.- Reservorios y tasas de transferencia3.- El Ciclo del Carbono 3.1.- Resumen 3.2.- Ciclo Redox 3.2.1.- Fotosíntesis 3.2.2.- Descomposición óxica 3.2.3.- Descomposición anóxica y sus límites a) Metanogénesis b) Transferencia interespecífica de H2 y Sintrofía c) Hábitats metanogénicos d) Metanogénesis en los Océanos e) Metanotrofía
  • 16. Ciclo Redox del C: la descomposición óxica Polímeros complejos: Polisacáridos, proteínas... Sistemas Glc Hidrolíticos Xil Aminoácidos Metabolismo
  • 17. Ciclo Redox del C: hidrólisis de polisacáridos Celulosa Almidón Laminarina Paramilon Agar Quitina Pectinas Dextranos Xilanos Glucógeno Estructuras Chime
  • 18. Ciclo Redox del C: hidrólisis de celulosas Exo Endo Celobiasa Glu
  • 19. Ciclo Redox del C: descomposición óxica de celulosa Hongos: Multitud Bacterias: Clostridios Deslizantes Sporocytophaga Cytophaga Actinomicetos (Streptomyces)
  • 20. Descomposición de polisacáridos: enzimas hidrolíticas - Celulasas - Amilasas - Xilanasas - Pectinasas - Agarasas - Quitinasas - Dextranasas
  • 21. Descomposición de polisacáridos: enzimas hidrolíticas - Celulasas Apl. Industriales - Amilasas - Detergentes - Xilanasas - Textiles - Pectinasas - Papeleras - Agarasas - Alimentarias - Quitinasas - Piensos - Dextranasas - T. residuos
  • 22. Ciclo Redox del C: la descomposición óxica Óxico Fotosíntesis Bacterias Plantas quimiolitotrofas Algas Cianobacterias + H20 (CH2O)n CO2 (CH2O)n Compuestos Compuestos orgánicos Crecimiento Muerte y sedimentación orgánicos + O2 Respiración Respiración aeróbica Plantas Microorganismos aeróbicos Animales Microorganismos
  • 23. Ciclos Biogeoquímicos (CBGQs)1.- Introducción2.- Reservorios y tasas de transferencia3.- El Ciclo del Carbono 3.1.- Resumen 3.2.- Ciclo Redox 3.2.1.- Fotosíntesis 3.2.2.- Descomposición óxica 3.2.3.- Descomposición anóxica y sus límites a) Metanogénesis b) Transferencia interespecífica de H2 y Sintrofía c) Hábitats metanogénicos d) Metanogénesis en los Océanos e) Metanotrofía
  • 24. Ciclo Redox del C: la descomposición anóxica Óxico Anóxico Fotosíntesis Bacterias Plantas quimiolitotrofas Algas Cianobacterias + H20 (CH2O)n CO2 (CH2O)n Compuestos Compuestos orgánicos Crecimiento Muerte y sedimentación orgánicos + O2 Respiración Respiración anaeróbica; fermentación Plantas Microorganismos anaeróbicos incluyendo Animales Bacterias fototróficas Microorganismos
  • 25. Ciclo Redox del C: descomposición anóxica de celulosa Bacterias: - Clostridium - Sedimentos lacustres - Tracto intestinal de animales - S. Tratamiento aguas residuales - Rumen de los rumiantes (Fibrobacter y Ruminococcus)
  • 26. Ciclo Redox del C: descomposición anóxica Polímeros Celulosa, otros polisacáridos, complejos proteínas Bacterias celulolíticas Bacterias hidrolíticas Monómeros Azúcares, aminoácidos Bacterias fermentativas Fermentación primaria Propionato-, Butirato-, H2 + CO2 Acetato- Succinato-, alcoholes
  • 27. Ciclo del C: Límites de la descomposición anóxicaLigninas En medios óxicos → fenoles, ácidos y alcoholes aromáticos: Hongos.- Phanerochaete chrysosporium Polyporus, Poria, Fomes, Agaricus, Pleurotus, Collybia, Schizophyllum Fusarium Bacterias.- Artrobacterr Flavibacterium Micrococcus Pseudomonas
  • 28. Ciclo del C: Límites de la descomposición anóxica Plantas y animales Hidrocarburos alifáticos de cadena larga Petroleo(hexadecano y octadecano) Degradación anaeróbica lenta: Ácidos grasos de Bacterias sulfatoreductoras cadena larga
  • 29. Ciclos Biogeoquímicos (CBGQs)1.- Introducción2.- Reservorios y tasas de transferencia3.- El Ciclo del Carbono 3.1.- Resumen 3.2.- Ciclo Redox 3.2.1.- Fotosíntesis 3.2.2.- Descomposición óxica 3.2.3.- Descomposición anóxica y sus límites a) Metanogénesis b) Transferencia interespecífica de H2 y Sintrofía c) Hábitats metanogénicos d) Metanogénesis en los Océanos e) Metanotrofía
  • 30. Ciclo Redox del C: Metanogénesis Polímeros Celulosa, otros polisacáridos, complejos proteínas Bacterias celulolíticas Bacterias hidrolíticas Monómeros Azúcares, aminoácidos Bacterias fermentativas Fermentación primaria Propionato-, Butirato-, H2 + CO2 Acetato- Acetogénesis Succinato-, alcoholesHomoacetógenos Bacterias oxidadoras Fermentación Metanógenos de ac. grasos y productoras Acetato- secundaria de H2 (sintrofos) H2 + CO2 Acetato- Metanógenos Metanógenos CH4 Metanogénesis
  • 31. Ciclo Redox del C: Metanogénesis4H2 + 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
  • 32. Ciclo Redox del C: Homoacetogénesis4H2 + H+ + 2HCO3-→ CH3-COO- + 4H2O (∆Gº´= -104,6 kJ/reacción) Son Bacterias Gram +: Acetoanaerobium Acetobacterium Acetogenium Clostridium thermoaceticum, C. formicoacéticum
  • 33. Ciclo Redox del C: MetanogénesisH2O + CH3-COO- → CH4 + HCO3- (∆Gº´= -31kJ/reacción)4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O (∆Gº´= -130,7 kJ/reacción)4H2 + H+ + HCO3- → CH4 + 3H2O (∆Gº´= -135,6 kJ/reacción)
  • 34. Ciclo Redox del C: SintrofíaFermentación del etanol:2CH3-CH2OH + 2H2 O → 4H2 + 2CH3COO- + 2H+ (∆Gº´= + 19,36 kJ/reacción) (etanol ) (acetato)Metanogénesis:4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O (∆Gº´= -130,7 kJ/reacción)Reacción acoplada:2CH3-CH2OH + CO2 → CH4 + 2CH3COO- + 2H+ (∆Gº´= -111,33 kJ/reacción) B. oxidadoras de ác. grasos y productoras de H2: Syntrophomonas Syntrophobacter
  • 35. Ciclo Redox del C: la descomposición anóxica Óxico Anóxico Fotosíntesis Bacterias Plantas quimiolitotrofas CH4 B. Metanógenas Acetato Algas C. metilados Cianobacterias Bacterias fototróficas + H20 B. homoacetógenas (CH2O)n CO2 (CH2O)n Compuestos Compuestos orgánicos Crecimiento Muerte y sedimentación orgánicos + O2 Respiración Respiración anaeróbica; fermentación Plantas Microorganismos anaeróbicos incluyendo Animales Bacterias fototróficas Microorganismos
  • 36. Ciclos Biogeoquímicos (CBGQs)1.- Introducción2.- Reservorios y tasas de transferencia3.- El Ciclo del Carbono 3.1.- Resumen 3.2.- Ciclo Redox 3.2.1.- Fotosíntesis 3.2.2.- Descomposición óxica 3.2.3.- Descomposición anóxica y sus límites a) Metanogénesis b) Transferencia interespecífica de H2 y Sintrofía c) Hábitats metanogénicos d) Metanogénesis en los Océanos e) Metanotrofía
  • 37. Hábitats metanogénicos ⇒ Ambientes anóxicosPantános y zonas encharcadas Rumen de los rumiantes rumiantesT. Intestinal insectosxilófagos y mamíferos Endosimbiontes de protistas
  • 38. Estimaciones de la liberación de CH4 a la Atmósfera Fuente Emisión de CH4 (106 Ton./año)Biogénica Rumiantes 80-100 Termes 25-150 Zonas encharcadas 70-120 Humedales naturales 120-200 Vertederos 5-70 Océanos y Lagos 1-20 Tundra 1-5Abiogénica Minería del Carbón 10-35 Emisiones de Gas natural 10-30 Escapes industriales y de gaseoductos 15-45 Combustión de Biomasa 10-40 Hidratos de metano 2-4 Volcanes 0,5 Automóviles 0,5Total Biogénico 302-665 81-86% del TotalTotal Abiogénico 48-155 14-19% del TotalTotal 349-820
  • 39. Ciclos Biogeoquímicos (CBGQs)1.- Introducción2.- Reservorios y tasas de transferencia3.- El Ciclo del Carbono 3.1.- Resumen 3.2.- Ciclo Redox 3.2.1.- Fotosíntesis 3.2.2.- Descomposición óxica 3.2.3.- Descomposición anóxica y sus límites a) Metanogénesis b) Transferencia interespecífica de H2 y Sintrofía c) Hábitats metanogénicos d) Metanogénesis en los Océanos e) Metanotrofía
  • 40. Ciclo Redox del C: Metanogénesis en los Océanos4H2 + SO42- → H2S + 2H2O + 2 OH- (∆Gº´= -155,13 kJ/reacción)4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O (∆Gº´= -130,7 kJ/reacción) CH3-COO- + SO42- → 2HCO3- + HS- (∆Gº´= -47,6 kJ/reacción)CH3-COO- + H2O → CH4 + HCO3- (∆Gº´= -31kJ/reacción)
  • 41. Ciclo Redox del C: Metanogénesis en los Océanos Methanosarcina Sustratos metilados CH4 (metilaminas, metanol) Methanococcus
  • 42. Ciclos Biogeoquímicos (CBGQs)1.- Introducción2.- Reservorios y tasas de transferencia3.- El Ciclo del Carbono 3.1.- Resumen 3.2.- Ciclo Redox 3.2.1.- Fotosíntesis 3.2.2.- Descomposición óxica 3.2.3.- Descomposición anóxica y sus límites a) Metanogénesis b) Transferencia interespecífica de H2 y Sintrofía c) Hábitats metanogénicos d) Metanogénesis en los Océanos e) Metanotrofía
  • 43. Ciclo Redox del C: Metanotrofía Óxico Anóxico Fotosíntesis Bacterias Plantas quimiolitotrofas CH4 B. Metanógenas Acetato Algas C. metilados Cianobacterias B. Metanotrofas Bacterias fototróficas + H20 B. homoacetógenas (CH2O)n CO2 (CH2O)n Compuestos Compuestos orgánicos Crecimiento Muerte y sedimentación orgánicos + O2 Respiración Respiración anaeróbica; fermentación Plantas Microorganismos anaeróbicos incluyendo Animales Bacterias fototróficas Microorganismos
  • 44. Ciclo Redox del C: Metanotrofía CH4 CH3OH HCHO HCOO- HCO3- -126 kJ -193 kJ -214 kJ -239 kJmetano metanol formaldehído formiato bicarbonato Metanotrofos Tipo I: Metanotrofos Tipo II: (Gamma-Proteobacterias) (Alfa-Proteobacterias) Methylomonas Methylosinus Methylomicrobium Methylocistis Methylobacter Methylococcus Ribulosa monoP Serina
  • 45. Ciclo Redox del C: Metanotrofía Óxico Anóxico Fotosíntesis Bacterias Plantas quimiolitotrofas CH4 B. Metanógenas Acetato Algas C. metilados Cianobacterias B. Metanotrofas Bacterias fototróficas + H20 B. homoacetógenas (CH2O)n CO2 (CH2O)n Compuestos Compuestos orgánicos Crecimiento Muerte y sedimentación orgánicos + O2 Respiración Respiración anaeróbica; fermentación Plantas Microorganismos anaeróbicos incluyendo Animales Bacterias fototróficas Microorganismos