ACTIVIDAD 4: CICLOS BIOGEOQUÍMICOS

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¿Qué es un ciclo biogeoquímico?

Los ciclos biogeoquímicos representan un sistema complejo de relaciones proyectando la realidad dinámica de los ecosistemas. Permiten incorporar las conexiones con el suelo, biosfera, la atmósfera y la hidrosfera, así como las interacciones entre todos estos elementos (Duarte et al, 2018).

Figura 1. Funcionamiento ciclos biogeoquímicos

García (2020), menciona que el estudio de los ciclos biogeoquímicos se contextualiza diferenciando ambientes terrestres, acuáticos, marinos y mixtos. Bajo esta organización, se presentan todos los elementos actuando en su conjunto, resaltando el proceso biogeoquímico con presencia de microorganismos en el suelo.  Así, Maldonado et al (2018) en su artículo destaca al microbiota del suelo como productores primarios, debido a sus importantes intercambios, y a su funcionamiento como base trófica del ecosistema y punto de partida de los flujos de energía. En este ámbito, la estructuración de la biota y sus estrategias fisiológicas tienen gran relación con la disponibilidad de nutrientes, lo que puede vincular directamente los ciclos biogeoquímicos y los procesos de intercambio de materia y energía en la naturaleza.

¿Cuáles son los ciclos biogeoquímicos?

1. CICLO BIOGEOQUÍMICO DEL NITRÓGENO

Figura 2. Ciclo biogeoquímico del nitrógeno

El metabolismo del nitrógeno está relacionado con distintos mecanismos para la transformación de nitrato relacionados con la reducción de nitrato y la transformación de nitrato en óxido nítrico, óxido de dinitrógeno y luego en nitrógeno (desnitrificación).

La mayoría de los microorganismos identificados en las transformaciones del nitrógeno corresponden al filo Planctomycetes y Proteobacteria con las clases Alphaproteobacteria, Betaproteobacteria y Deltaproteobacteria.

El metabolismo bioquímico del nitrógeno consta de cuatro clases de reducción (fijación de nitrógeno, reducción asimilatoria y disimilatoria de nitrato y desnitrificación) y dos clases de oxidación (nitrificación y oxidación anaeróbica de amoníaco).

-    El ciclo comienza con la fijación del nitrógeno que se lleva a cabo por bacterias que poseen nitrogenasas, enzimas que rompen el triple enlace del nitrógeno molecular y producen amonio.

-    El nitrógeno que entró como materia orgánica o proteína se convierte en nitrógeno inorgánico, mineralización del nitrógeno, dado principalmente por la degradación de esa materia orgánica; seguido viene la nitrificación que consiste en la oxidación del amonio a nitrito, proceso atribuido a bacterias oxidantes del amoníaco como los géneros Nitrosomonas, Nitrosospira, y Nitrosococcus que pertenecen al filo Proteobacteria.

-      Posteriormente, suceden la oxidación de nitrito a nitrato, proceso mediado por bacterias oxidantes de nitrito o arqueas, y la oxidación biológica del amonio en condiciones anaeróbicas llevada a cabo por las bacterias del filo Planctomycetes.

-        Finalmente, la desnitrificación, en donde se devuelve el nitrógeno fijado a la atmósfera por procesos de respiración microbiana, se realiza a través de la reducción de nitratos (NO3- ) y nitritos (NO2- ) a óxido nitroso (N2O) y nitrógeno molecular (N2); la desnitrificación también involucra la reducción asimilatoria del nitrito para convertirlo en amonio e incorporarlo al metabolismo celular

 

(Ramirez & Rojas, 2020)

2. CICLO BIOGEOQUÍMICO DEL CARBONO

Figura 3. Ciclo biogeoquímico del carbono

Las transformaciones del carbono están influenciadas principalmente por genes asociados a la metanotrofía y se han descrito rutas relacionadas con la transformación adicional del metanol en formaldehído y luego en formiato.

Es posible encontrar, además, una alta prevalencia de genes implicados en la transformación de dióxido de carbono a monóxido de carbono y luego en acetil-CoA. Las Deltaproteobacterias (Desulfobacteraceae, Desulfobulbaceae, Desulfovibrionaceae, Geobacteraceae, Syntrophaceae y Syntrophobacteraceae) son bastante representativas en las transformaciones de metano. Además, se encuentra la presencia de Methanococcoides methylutens, del cual se ha informado es un importante metilotrófo metanogénico en los sedimentos de manglares tropicales. Se reportó, también, la presencia de la bacteria Methanosarcina spelaei. Asimismo, se ha especificado que del filo Proteobacteria la clase Alphaproteobacteria se destaca por participar en la fotosíntesis oscura y la metilotrofía, de igual manera la clase Epsilonproteobacteria la cual desempeña un papel importante en el ciclo de diversos nutrientes que contienen carbono, azufre y nitrógeno. El ciclo global del carbono consta de tres principales reservas de carbono: la atmosférica, la oceánica y la terrestre.

-     El primer paso del ciclo del carbono lo comprende la fotosíntesis, proceso por el cual los fotótrofos, como las cianobacterias, las plantas, las algas y las bacterias sulfurosas verdes y púrpuras fijan o incorporan dióxido de carbono inorgánico en sustancias orgánicas mediante el empleo de la energía solar.

-       En el siguiente paso del ciclo los quimioheterótrofos, como los animales y los protozoos, se alimentan de los autótrofos y a su vez sirven de alimento a otros animales. Así, los compuestos orgánicos que hacen parte de los autótrofos se digieren y se sintetizan nuevos productos, proceso en el que los átomos de carbono se transfieren de un organismo a otro en la cadena alimenticia.

-      Las bacterias y los hongos descomponen estos compuestos, proceso en donde el material orgánico se oxida y el dióxido de carbono retorna al ciclo.

     El carbono, además, se almacena en rocas, como la piedra caliza, por un proceso de mineralización que ocurre principalmente en los ecosistemas marinos, en donde queda retirado del ciclo durante miles y millones de años y se incorpora lentamente cuando se van disolviendo los carbonatos cálcicos en los océanos. También existen grandes depósitos de sustancias orgánicas fósiles en forma de combustibles fósiles, como el carbón y el petróleo.

(Ramirez & Rojas, 2020)

3. CICLO BIOGEOQUÍMICO DEL FÓSFORO 

                        Figura 4. Ciclo biogeoquímico del fósforo

 

Este elemento proviene de las apatitas y depósitos de fosfato natural de donde es liberado a través de procesos de meteorización, lixiviación, erosión y extracción industrial como fertilizante. El fosfato liberado paulatinamente de las apatitas lo absorben las plantas y la biomasa microbiana, luego se incorpora en la materia orgánica de los suelos y sedimentos, y nuevamente se deposita en formas minerales poco solubles. El fósforo inorgánico (Pi) se presenta generalmente fuertemente fijado en forma de fosfatos de Ca2+, Fe2+, Mg2+ y Al3+, especialmente en arcillas del grupo de las caolinitas y ocluido en los óxidos de hierro y aluminio.

Las fosfatasas extracelulares que se requieren para la mineralización/hidrólisis de los ésteres orgánicos de P, las producen microorganismos (Bacillus subtilis, Nostoc sp., Caulobacter crescentus, Pseudomonas aeruginosa, Sinorhizobium meliloti, Mesorhizobium loti, Corynebacterium glutamicum) y plantas. La determinación de su actividad en el suelo se utiliza como indicador del potencial de mineralización de fósforo orgánico y de actividad biológica (Acosta y Tabatabai, 2020).

4. CICLO BIOGEOQUÍMICO DEL AZUFRE

 Figura 5. Ciclo biogeoquímico del azufre

Distintos tipos de bacterias realizan transformaciones (oxidaciones y reducciones), por las que el azufre puede encontrarse en forma de sulfatos, sulfuros o azufre elemental, dependiendo de las condiciones (aerobias, anaerobias, con o sin luz) que se presenten en el medio, generalmente acuático, y según se trate de depósitos en superficie o en profundidad.

En resumen, los principales grupos de bacterias implicados en el ciclo del azufre son:

 5. CICLO BIOGEOQUÍMICO DEL HIERRO

 Figura 6. Ciclo biogeoquímico del hierro

El hierro es el cuarto elemento más abundante de la corteza terrestre, pero solamente una pequeña porción de este hierro está disponible para el reciclado biogeoquímico. El ciclo del hierro consiste principalmente en reacciones de óxido reducción, que reduce la mayoría de hierro férrico (Fe+3) a hierro ferroso (Fe+2), estas reacciones son de suma importancia tanto para las reacciones que ocurren a nivel orgánico como a nivel inorgánico.

Prácticamente todos los microorganismos, con la excepción de determinados lactobacilos, necesitan hierro, que es muy útil porque es utilizado como un cofactor de enzimas metabólicas y proteínas reguladoras, aunque es uno de los elementos más abundantes no deja de limitar la acción de las bacterias, esto debido a que en condiciones aeróbicas y a pH neutro se producen complejos de hidróxido de hierro solubles.

La mayoría de las bacterias tiene la capacidad de desarrollar sistemas de transporte especializados y de alta afinidad con la generación de adquirir la cantidad suficiente de este elemento esencial. La mayoría de las bacterias tiene la capacidad de producir y secretar unas moléculas denominadas sideróforos del griego transformador de hierro para obtener el hierro que necesitan.

5. CICLO BIOGEOQUÍMICO DEL OXÍGENO

 Figura 7. Ciclo biogeoquímico del oxígeno

• El oxígeno, como elemento químico, se encuentra en abundancia y en diversas combinaciones químicas en la naturaleza. Su forma más común son el oxígeno molecular en forma de gas (O2), el dióxido de carbono (CO2) y el agua (H2O).
• El ciclo del oxígeno se caracteriza por formar parte de otros como el ciclo del carbono y el ciclo hidrológico. El dióxido de carbono tiene el oxígeno como uno de los elementos, y el agua está formada por partículas de oxígeno e hidrógeno.
• El ciclo del oxígeno pasa por varias capas o esferas de la Tierra. La mayor parte de las interacciones del oxígeno con otras moléculas o seres vivos sucede en la atmósfera, litósfera, hidrósfera y biósfera.
• El ciclo del oxígeno se manifiesta en dos tipos de procesos: ciclo lento o geológico y ciclo rápido o biológico.

 BIBLIOGRAFÍA

Duarte, C. M.; Alonso, S.; Benito, G.; Dachs, J. ; Montes, C.; Pardo, M.; F. Ríos, A.; Simó, R. Y Valladares, F. (2018) Cambio Global: Impacto De La Actividad Humana Sobre El Sistema Tierra. Madrid: Colección Divulgación. Csic.

García, J. E. (2020). Investigando El Ecosistema. Investigación En La Escuela. 51, 83-100

Maldonado, F.; González, F. Y Jiménez, M. P. (2018). Las Ilustraciones De Los Ciclos Biogeoquímicos Del Carbono Y El Nitrógeno En Los Texto De Secundaria. Revista Eureka Sobre Enseñanza Y Divulgación De Las Ciencias, 4 (3), 442-460.

Ramírez Lozada, D Y Rojas Villamil, N. (2020). Influencia De La Comunidad Bacteriana En Los Ciclos Biogeoquímicos Del Carbono Y El Nitrógeno En El Ecosistema De Manglar. Universidad Colegio Mayor De Cundinamarca.