CICLOS BIOGEOQUIMICOS Y CAMBIOS GLOBALES (QUIMICA DE LA VIDA)
CICLO DEL CARBONO (C).
Es la circulación de diferentes formas de C entre los distintos compartimentos de la tierra es lo que se conoce como Ciclo del Carbono.
La antropización del ciclo del C:
amplificación del cambio global
El desarrollo de la agricultura y la ganadería
El desarrollo de la agricultura y la ganadería desde el Neolítico contribuyó al aumento de las emisiones de CO2 y CH4 a la atmósfera, pero desde la revolución industrial este flujo ha sido peligrosamente intensificado llegando a ser un factor determinante del cambio climático.
Eutrofización
Adición de nutrientes a los ecosistemas debida a la intensificación de los efluentes procedentes de la agricultura (fertilizantes orgánicos o desechos agrícolas) o de los residuos urbanos (aguas residuales domésticas o industriales sin tratamiento), y que constituye un importante motor de cambio con una gran capacidad de influencia en el equilibrio del ciclo del carbono.
Perdida de CO2 en los mares
El CO2 de origen antropogénico reacciona con el agua marina, causando su acidificación debido a
la subsecuente formación del H2CO3 (acido carbónico), un ácido que puede convertirse en CO2 en la interface agua-aire, afectando los mares y arrecifes de coral.
Efectos sinérgicos
presencia de varios factores juntos provoca mayores efectos que la simple suma del efecto de cada factor aislado.
¿Qué hacer?
Sustituir el uso de combustibles fósiles por fuentes de energía alternativas (e. g. solar, eólica, biogás o hidrógeno).
Se dio gran avance en Europa Asia y EEUU, pero estos días se vive la primera crisis energética a causa de las energías verdes.
Evitar la pérdida de cobertura vegetal.
A causa del monocultivo y deforestación.
Fósforo: la nueva arista de la crisis global ambiental
FOSFORO
FUNCION
formación de biomoléculas claves que necesitamos todos los organismos
IMPORTANCIA
El P le permite a las células contar con energía mediante el adenosíntrifosfato
Para mantener un balance hídrico adecuado por acción de los fosfolípidos
Permite guardar y transmitir de generación a generación, la información genética en la molécula de ADN.
El fósforo no está disponible fácilmente
El P un elemento poco abundante en nuestro planeta
En la corteza terrestre sólo hay 0.13% de fósforo
FUENTE
proviene de la liberación de los minerales primarios del suelo,
intemperismo
FORMA DISPONIBLE
la forma disponible en el suelo es el ortofosfato (HPO4).
es liberado de los minerales primarios de las rocas o del suelo
ORTOFOSFATO
OCLUSION
en e las moléculas inorgánicas estables, este procesoaltera el pH del suelo y liberan el P de de estas moléculas
PRESUPUESTO DE P
depende de que sea reciclado de las diversas moléculas orgánicas
que lo contienen
principalmente dos grupos de moléculas orgánicas que contienen fósforo
las plantas y microorganismos necesitan de enzimas para romper las moléculas orgánicas y así liberar al P en esta forma
La alternativa para enfrenta a la crisis de fósforo
la mejor alternativa es reciclar el que se encuentra en el suelo.
tanto de moléculas inorgánicas estables, como de moléculas orgánicas, para liberar al fósforo ¡los microorganismos son la clave
un elemento químico indispensable para la vida que habitamos la Tierra
No cualquier microorganismo tiene la capacidad de
El arsénico desde el origen de la vida
al mundo moderno: no tan malo como parece
El arsénico, un veneno muy antiguo
Es el elemento químico que se encuentra ampliamente distribuido por toda la corteza terrestre.
Las principales fuentes naturales, son zonas volcánicas y aguas termales.
Por la actividad humana debido a minería, plaguicidas y actividad industrial.
El arsénico, junto con el azufre, forma un cristal color rubí que se lo conoce como rubí de arsénico piedra: el rejalgar.
Se empleaba para fabricar pigmentos rojizos, el cual resulto ser muy toxico. En algunos lugares se uso para matar o repeler insectos y ratones.
La toxicidad del arsénico se debe a que es químicamente muy parecido al fósforo.
En los seres vivos el arsénico “se cuela a la célula” por el mismo canal de entrada que el fósforo, y toma su lugar en algunas reacciones químicas claves del metabolismo.
Al introducirse en la cadena de producción del atp (adenosin trifosfato).
El arsénico en microbialitos del pasado y actuales en los Andes
Los estromatolitos son estructuras formadas por láminas de sedimentos de origen biológico.
Fueron grandes productores de oxígeno(O2) a lo largo de millones de años.
contribuyeron a crear la capa de ozono
Los estromatolitos son el registro biológico más antiguo y la evidencia más temprana de la vida sobre la Tierra.
AZUFRE: elemento incomprendido de la biogeoquímica planetaria
Se formo en las estrellas
Las primeras formas de vida en la Tierra se basaron en compuestos de azufre.
En el árbol de la vida se encuentra evidencia de esta teoría, en donde los linajes mas ancestrales son las arqueas hipertermófilas que utilizan compuestos reducidos de azufre, así como hidrógeno molecular. Estos primeros organismos que respiraron azufre, fueron los predecesores de todos los metabolismos que surgieron posteriormente en la Tierra primitiva.
Las propiedades fisicoquímicas del azufre complican su entendimiento
como ciclo biogeoquímico
El azufre puede tomar diferentes “formas
químicas” que se pueden mover en la Tierra de manera abiótica y biótica.
El azufre ha sido y es un elemento esencial para la vida en el planeta. Lo encontramos en los aminoácidos esenciales como la cisteína y la metionina.
Sin el átomo de azufre no se podrían llevar a cabo procesos celulares indispensables para la vida en la Tierra.
la fotosíntesis, la respiración y la regulación génetica, etc.
EL 26, HIERRO El hierro, un metal de transición y el cuarto en abundancia en la corteza terrestre, conforma también el núcleo de nuestro planeta.
El 26 y la Geomicrobiologia
Los procesos biológicos más antiguos que se relacionan con el hierro son los microbianos.
Geomicrobiología
Conceptos
1.- El estudio de las relaciones de la historia de la Tierra y la vida de los microorganismos (Ernest Beerstecher)
2.- Es el estudio de los procesos microbianos que se llevan a cabo en los sedimentos modernos y cuerpos de agua, en aguas subterráneas que circulan a través de rocas sedimentarias e ígneas, y en la corteza terrestre meteorizada; la fisiología de microorganismos específicos toma parte de los procesos geoquímicos que ocurren (Serguei Kuznetsov)
Personajes
Christian Gottfried Ehrenberg (1795-1876)
Serguei Nikolaievich Winogradsky (1856-1953)
Martinus Willem Beijerinck (1851-1931)
Selman A. Waksman (1888-1973) (padre de los antibióticos)
El 26 y sus microbios
El hierro es un metal muy reactivo y puede existir en varios estados de oxidación: 0 (hierro cero-valente, Fe(0)), +2 (hierro ferroso, Fe+2) y +3 (hierro férrico, Fe+3).
La Ecología Microbiana y la Geomicrobiologí: comprobaron que las bacterias aerobias que oxidan el hierro ferroso a férrico obtienen poca energía de este proceso, por lo que tienen que oxidar grandes cantidades del Fe2+ (ferroso) y se produce el ión Fe3+ (férrico).
Bacterias que oxidan el hierro
El taxón mejor conocido por su capacidad de oxidar el hierro es Acidithiobacillus ferrooxidans
la arquea Sulfolobus también oxida el hierro en condiciones ácidas
Gallionella ferruginea, que oxida Fe+2 a Fe+3 sólo si el pH es neutro.
El 26 y las bacterias magnetotasticas
Las bacterias magnetotácticas (bmt) son un grupo filogenéticamente diverso que exhibe diferentes metabolismos y morfologías. son Gram negativas que sintetizan nanopartículas magnéticas, in vivo y a temperatura ambiente en forma de magnetita (Fe3 O4 ) o greigita (Fe3 S4 )
Ventajas
Se les pueden adherir o anclar otras moléculas en su superficie, lo que les da una gran diversidad de posibilidades de aplicación en el campo de la Nanobiotecnología.
El cultivado BMT de manera continua, como con Magnetospirillum, estos cultivos llegan a rendir hasta 170 mg de magnetosomas por litro por día.
La producción es químicamente limpia, en comparación con las nanopartículas sintéticas in vitro, que durante su síntesis generan productos tóxicos al ambiente.
CICLO DEL NITROGENO (N) constituye el 78.1% de la atmósfera terrestre y es la forma de N más abundante de la Tierra. Sin embargo, se trata de una molécula prácticamente inerte y no disponible para la mayoría de los organismos vivos.
La antropización del ciclo del N:
superando los límites planetarios
Agricultura extensiva
Se ha aumentado radicalmente la tasa natural de fijación del N2 y las entradas de Nr a los ecosistemas debido al cultivo extensivo de plantas fijadoras de N (e. g. soja, garbanzo, maní) y a la producción industrial de fertilizantes nitrogenados.
Eutrofización
Del resto del N contenido en los fertilizantes, una parte se pierde por escorrentía y/o lixiviación, causando muchas veces la eutrofización de acuíferos y ecosistemas acuáticos.
contaminaciónatmosferica
parte del N contenido en los fertilizantes es devuelta a la atmósfera en forma de amoniaco (NH3) o de alguno de los productos de la desnitrificación, como el óxido nitroso (N2O) o el N2. La quema de combustibles fósiles ha aumentado también la emisión de grandes cantidades de Nr a la atmósfera,principalmente en forma de óxidos de N (NOx, principales causantes de la lluvia ácida) y de NH3.
¿Qué hacer?
La sustitución de combustibles fósiles
por fuentes alternativas de energía
Mejorar la eficiencia del uso del N en los sistemas agrícolas.
Distribución equitativa de la producción mundial de Nr.
optimización del transporte y cambios en los patrones de consumo de alimentos
Subtopic
CICLO DEL FOSFORO (P).
El P no tiene una molécula gaseosa y no está presente en la atmósfera como el N y el carbono.
La antropización del ciclo del P: Del mineral, el tenedor, y el ciclo roto del fósforo.
El desarrollo de la agricultura.
la agricultura intensiva ha alterado también la dinámica de
ecosistemas naturales al afectar al crecimiento de especies
La aplicación en forma de fertilizantes de las cuáles el 75% se
almacena en los suelos agrícolas o se pierde, ya sea por lixiviación o escorrentía.
Eutrofización
Favorece la proliferación acelerada de algas que consumen el oxígeno del sistema dando lugar a procesos de eutrofización. Estas algas al morir generan un gran aporte de detritos a los ecosistemas y aceleran los procesos de descomposición microbiana que agotan el oxígeno disuelto, resultando en condiciones de anoxia.
¿Qué hacer?
Mejorar los métodos de uso y aplicación de fertilizantes.
Reciclaje de los residuos orgánicos que contengan fosforo.
La larga marcha del oxígeno en la Tierra:
mortal para unos, indispensable para otros
El oxígeno es el tercer elemento más abundante en el universo
su forma biológicamente relevante, la diatómica (O2), es rarísima en el universo
La Tierra y el oxígeno
Las cianobacterias, hasta la fecha, siguen siendo las encargadas de suministrar cantidades importantes de oxígeno a la atmósfera
La única razón por la que lo encontramos en nuestra atmósfera, es debido a que se empezó a producir
El gran evento de la oxidación
El rastro consiste en la oxidación de diferentes metales, permitiéndonos saber de dónde proviene la roca oxidada debido a que algunos minerales son exclusivos de las placas continentales y otros son típicos del mar
¿Una Tierra que jamás tuvo oxígeno?
Sin una atmósfera oxidante, los ciclos biogeoquímicos y cadenas de vida podrían nunca haberse originado.
la Tierra ha conservado su estabilidad térmica gracias a la dinámica de sus componentes atmosféricos,
a pesar de que también inició con un alto porcentaje de CO2
Teniendo en cuenta la composición atmosférica inicial, es posible determinar (comparando el comportamiente de sus temperaturas a lo largo del tiempo de los planetas vecinos a la Tierra), que la temperatura sólo se ha mantenido constante en nuestro planeta
El carbono ¿ Es inocente?
Alteraciones del ciclo del nitrógeno
En 1896
Staven Arrhenius
"On the influence of carbonic acid in the air opon the temperature of the ground"
Desde el antroceno
Las emisiones de CO2
Sus concentraciones aumentará en 40% por actividades humanas.
Principales causas
- Quema de combustibles fósiles
- La producción de cemento
El antraceno, una nueva era geológica
Hace 11700 años
cuando se estabilizó la temperatura del planeta
El término fue creado por Paul Crutzen
La influencia humana refleja cambios en el sistema tierra
"Límites planetarios"
Comisión internacional de estrategrafía incluye al antropoceno en su geocronología
El Antropoceno es la historia de una especie que pasó de ser recolectora de fruta, a una fuerza global
CASCADA DEL NITRÓGENO, ocasionado por actividades humanas
El ciclo alterado del nitrógeno, un serio problema ambiental
Las actividades agrícolas
Liberan (NH3) oxidonitroso y óxido nítrico a la atmósfera y nitratos que llegan a los acuíferos
Efectos para la salud y ecosistemas
El NO y el NO2 al reaccionar con compuestos volátiles, aumentan la concentración del ozono (O3) troposférico
El NH3 al reaccionar con ácidos de la atmósfera, producen aerosolea finos
La lixiviación del nitrógeno agrícola causa el aumento de NO3
Del ciclo a cascada de nitrógeno
En las últimas décadas:
El nitrógeno activo se está acumulando como consecuencia de las actividades humanas:
Incremento de cultivos de leguminosas (frijol,soya)
Uso de combustibles fósiles
Producción de fertilizantes inorganicos
Fritz Haber (premio nobel de Química 1918)
Método Haber-Bosch
Desarrolla la síntesis catalítica del amoniaco a partir de dihidrógeno y el dinitrógeno atmosférico en condiciones de alta temperatura y presión.
solucionó problemas de la agricultura porque fue posible producir fertilizantes de manera industrial.
Subtopic
Ciclo biológico del nitrógeno
- Fijación
- Asimilación
- Amonificación
- Nitrificación
- Desnitrificación
Nitrógeno
Está presente en proteínas y ácidos nucléicos
Soluciones futuras a los efectos en cascada que provoca el exceso de nitrógeno en el ambiente:
Evitar la fertilización excesivo
Usar fertilización de liberación lenta
Abonos verdes
Implementar rotación de cultivos