PARTICIPACIÓN DE LOS MICROORGANISMOS EN LOS

BIOTECNOLOGIA
PARTICIPACIÓN DE LOS MICROORGANISMOS EN LOS CICLOS VITALES DE LA
BIOSFERA
BIOSFERA
•
•
•
océanos
hasta uno o dos m. de espesor continental
hasta 10000 m. de atmósfera
la materia viva es la causante de los mayores cambios geoquímicos
la fuente de energía de estos cambios es el SOL
la energía solar es captada por la fotosíntesis
los organismos fotosintéticos sintetizan sus componentes orgánicos a partir de compuestos
inorgánicos, CO2 y agua (AUTÓTROFOS) que participan en el:
CICLO DE MINERALIZACIÓN-DESMINERALIZACIÓN
Minerales
ACTIVIDAD
muerte
plantas
microorganismos
muerte
muerte
animales
Aunque la mineralización puede realizarse de tres formas:
combustión
actividad respiratoria de los organismos superiores
acción de los microorganismos
los microorganismos son los de acción más importante en la biosfera.
¡80% de su OXÏGENO y 90% de su CO2 provienen de esta actividad!
Razones
1. DISTRIBUCIÓN: 1 Ha de tierra fértil de 15 cm. de espesor contiene3.000 kg. de microorganismos ≡
50.000 personas.
2. CAPACIDAD METABÓLICA POR UNIDAD DE PESO:
RSP ]B = 5000 m2/kg
BACTERIA
δ = 1 g/cm3
RSP ]HOMBRE = 2.4 m2 / 80 kg = 0.03 m2/kg
167000 veces inferior
2 µm
1µm
BIOTECNOLOGIA
3. TIEMPO DE GENERACIÓN θ (o duplicación de masa)
bacterias y levaduras
bacterias anaeróbicas
hongos y algas
pasturas
pollos
ganado
hombre
10 a 120 min
1 a 5 días
2 a 6 horas
1 a 2 semanas
2 a 4 semanas
1 a 2 meses
0.2 a 0.5 años
¡Una bacteria con θ = 20 minutos tardaría 24 horas en alcanzar una masa equivalente a la de la Tierra!
CICLO DEL CARBONO Y DEL OXÍGENO
Utilizando la energía solar del espectro visible (400 ~700 nm) los organismos fotosintéticos transforman
compuestos inorgánicos oxidados del C de baja energía (CO2, CO3=, CO3H-), en compuestos orgánicos
reducidos de alto contenido energético:
Energía solar
2 H2O
-
+
4 H + 4 e + O2
(fotones)
+
CO2 + 4 H + 4 e
CH2O + H2O
CO2 + H2O
energía
solar
CH2O + O2
hidrato
de carbono
La oxidación (respiración de vegetales, animales superiores y microorganismos y la combustión), son los
procesos inversos:
RESPIRACIÓN
CH2O + O2
CO2 + H2O + ENERGÍA
combustión
BIOTECNOLOGIA
CICLO DEL CARBONO Y DEL OXÍGENO
SOL
COMPUESTOS
ORGÁNICOS
=
CO3 ,CO3H
sales
O2
ANIMALES
PLANTAS
CO2
MICROORGANISMOS
H2O
RESPIRACIÓN
(combustión)
FOTOSÍNTESIS
BIOTECNOLOGIA
CO2 disponible:
- 3% del aire atmosférico
- 0.002 M en los océanos
CO3H- + H3O+
CO2 + 2 H2O
con las limitaciones:
luz solar (no penetra más de 15 m)
disponibilidades de N y P (lixiviados como PO4≡ y NO3-)
Se fijan:
1.2 x 1010 ton/año de C en los océanos
1.6 x 1010 ton/año de C en tierra
Retención de C:
inorgánico: CO3Ca de rocas calcáreas
orgánico:
depósitos de protozoos, corales y moluscos, muertos o fósiles
carbón, petróleo, gas
lignina de las plantas resistente a acción microbiana por abundancia de grupos metoxilo:
-CH2OH
etc
El C es uno de los principales componentes de la materia viva. Una de las hipótesis para explicar el origen de
la vida sobre el planeta está basada en la presencia primitiva de CH4, NH3, H2O e H2.
La presencia de CO2 en las aguas superficiales está afectada por la existencia simbiótica de ALGAS y
BACTERIAS.
12 10 -
CONCENTRACIÓN
DE O2
8 mg/l
6 4 2 -
CONCENTRACIÓN
DE CO2
0
N
6AM
M
6PM
N
Durante el período de luz solar brillante (6 AM – 6 PM), las reacciones fotosintéticas ocurren a mayor velocidad:
el agua se satura de O2 más allá de la capacidad bacteriana para utilizarlo. A su vez, las algas requieren más
CO2 que el producido por la respiración bacteriana y emplean el CO3= con lo cual se disuelve más CO2,
aumenta la alcalinidad bicarbonato.
Durante la noche, tanto bacterias como algas respiran aumentando [CO2] y la acidez, CO3H2.
Esto se esquematiza en el siguiente ciclo.
BIOTECNOLOGIA
CICLO DEL OXÍGENO
Intercambio
en el agua
CO2
O2
fotosíntesis
algácea
O2
ATMÓSFERA
O2, CO2
CO2
respiración
bacteriana
CO2
O2
disolución
en el agua
El tejido algáceo construido por fotosíntesis es metabolizado por organismos mayores que a su vez producen
desechos también carbonados. La muerte y descomposición tanto de plantas como animales superiores lo
transforma en alimento de bacterias que reciclan el C como CH4 (las anaeróbicas) o como CO2 (las
anaeróbicas).
Como estudiaremos luego, la solubilidad del oxígeno es una función no sólo de la temperatura sino de la
presión atmosférica del lugar.
BIOTECNOLOGIA
CICLO DEL CARBONO
productos de
desecho
y muerte
compuestos
orgánicos
4+
de C
digestión
anaerobia
metabolismo
animal
metano
CH4
digestión
descomposición
y muerte
metabolismo
vegetal
digestión
aerobia
oxidación
monóxido de
Carbono,
2+
CO, C
CARBONO
Cº
oxidación
combustión
completa
hidratos
de C
(CH2O)n
dióxido de
Carbono,
4+
CO2, C
respiración
fotosíntesis vegetal directa
ALCALINA
fotosíntesis
indirecta
DOMINIO
IÓNICO
=
CO3H
CO3
neutralización
ÁCIDA
Prácticamente todas las aguas naturales tienen un pH entre 6 y 8.2, caracterizado por el equilibrio:
-
CO3H
CO3
=
Si el pH excede de 8.2 y la alcalinidad carbonato aparece, se restablece el equilibrio mediante la adición de
CO2, procedente de la atmósfera o de la respiración de los organismos acuáticos
este efecto “tampón” puede alterarse por la descarga de desechos industriales.
BIOTECNOLOGIA
CICLO DEL NITRÓGENO
plantas
excrementos
microorganismos
animales
fijación simbiótica
de N2
amonificación
microbiana
fijación no
simbiótica
-
de N2
desnitrificación
NO3
N2
NH3
desnitrificación
nitrificación
nitrificación
-
NO2
NH3 a NO2NO2- a NO3-
NITRIFICACIÓN
DESNITRIFICACIÓN
2 NO3- + 12H++ 10 e-
Nitrosomas sp.
Nitrobacter sp.
N2 + H2O
Micococcus denitrificans
Thiobacillus denitrificans
FIJACIÓN SIMBIÓTICA
Rhizobium (leguminosas)
FIJACIÓN NO SIMBIÓTICA
Azotobacter
Clostridium
Desulfovibrio
BIOTECNOLOGIA
➪ las plantas asimilan NO3- y NH3 en la medida en que lo necesitan.
➪ los compuestos nitrogenados sintetizados por las plantas son alimento de los animales (cadena trófica);
una parte se asimila y otra es excretada como:
NH3 (invertebrados)
OH
N
NH
C
O
ácido úrico (reptiles, aves)
NH
HO
N
Úrico, Ácido, compuesto nitrogenado, blanco, inoloro e insípido, de fórmula C3H4N4O3, que se forma en el cuerpo como
resultado del metabolismo de las proteínas. Está presente en pequeñas cantidades en la orina humana, y en cantidades
mayores en la orina de los pájaros y reptiles. El ácido úrico es muy poco soluble en agua e insoluble en alcohol y éter. Al
calentarse forma urea, amoníaco y dióxido de carbono. La gota es el resultado de una alteración en el metabolismo del
ácido úrico. Las piedras en los riñones formadas por sales de ácido úrico aparecen en personas con altos niveles de este
ácido en la orina.
NH2
O
C
úrea (mamíferos)
NH2
Urea, compuesto cristalino incoloro, de fórmula CO(NH2)2, con un punto de fusión de 132,7 °C, conocido tamb ién
como carbamida. Se encuentra abundantemente en la orina de los humanos y otros mamíferos (véase Aparato
urinario). En cantidades menores, está presente en la sangre, en el hígado, en la linfa y en los fluidos serosos, y
también en los excrementos de los peces y muchos otros animales inferiores. La urea se forma principalmente en el
hígado como un producto final del metabolismo. El nitrógeno de la urea, que constituye la mayor parte del nitrógeno de
la orina, procede de la descomposición de las células del cuerpo, pero, sobre todo, de las proteínas de los alimentos.
La urea está presente también en mohos de los hongos así como en las hojas y semillas de numerosas legumbres y
cereales. Es soluble en agua y en alcohol, y ligeramente soluble en éter. La urea se obtiene mediante la síntesis de
Wöhler, que fue diseñada en 1828 por el químico alemán Friedrich Wöhler.
Debido a su alto contenido en nitrógeno, la urea preparada comercialmente se utiliza en la fabricación de fertilizantes
agrícolas. La urea se utiliza también como estabilizador en explosivos de nitrocelulosa y es un componente básico de
resinas preparadas sintéticamente..
BIOTECNOLOGIA
➪ el ácido úrico y la úrea son rápidamente mineralizados por grupos especializados de microorganismos.
➪ la fijación no simbiótica de N por Azotobacter requiere trazas de Mo (10-9 M, P.M. = 96). Importante
descubrimiento relativo a la tecnología de fertilización de suelos.
ORGANISMOS FIJADORES DE NITRÓGENO
A. DE VIDA LIBRE
FIJADORES DE
NITRÓGENO
HÁBITAT
Clostridium
pasterianum
Kulebsiella
sp.
Azotobacter
vinelandii
Rhodospi
rillum sp.
ALGAS
AZULES
(fotosíntesis)
suelos
anaeróbicos
suelos casi
anaeróbicos
suelos
aerobios
aguas
estancadas
de escaso
O.D.
lagunas de
estabiliz.
B. EN SIMBIOSIS
FIJADORES DE
NITRÓGENO
Anabaena
azollae
Rhizobium
Actinomycetes
ORGANISMO
ASOCIADO
Azolla
Causarina
HÁBITAT
huecos de
las hojas
raíces
100 kg SO4(NH4)2 ≡ 21 kg de N
Azotobacter:
170 kg N / ha . año
Rhizobium:
500 kg N / ha . año (alfalfa)
trifolii
japonicum
phaseoli
Trébol
Soja
Haba
Nódulos radiculares
BIOTECNOLOGIA
CICLO DEL AZUFRE
azufre reducido a la materia viva:
SH , – S – S –
plantas
microorganismos
volcanes
animales
Desulfivibio
=
SO4
SH2
Thiobacillus
Oxidación
de Sº
oxidación
de SH2
Sº
Sulfobacterias fotosintéticas
CO2 + 2 SH2
CH2O + H2O + 2 Sº
luz
Thiobacillus
3 CH2O + 4 H+ + 2 SO4
3 CO2 + 2 Sº + 5 H2O
Desulfovibrio y B.S.R.
SO4
S=
SH2
sulfobacterias
fotosintéticas
Thiocystis
Thiodycton
Thiopedia
Lamprocystis
Chromatium
Beggiatoa
Thiothrir, etc
BIOTECNOLOGIA
LIXIVIACIÓN BACTERIANA
Cu, Au, U, Ag
Ejemplo
➘
Calcopirita
S2CuFe
Oxidación directa:
2 S2CuFe + 8.5 O2 + SO4H2
2 SO4Cu + (SO4)3Fe2 + H2O
BACTERIAS
➘
Oxidación indirecta:
S + 1.5 O2 + H2O
SO4H2
BACTERIAS
S2CuFe + (SO4)3Fe2
SO4Cu + 3 SO4Fe + 2 S
BACTERIAS
S2CuFe
SO4Cu + (SO4)3Fe2
SO4H2
S2CuFe
S
O2 + H2O
SO4Fe
=
S
SO4H2
Thiobacillus
SH2
SH2
Desulfovibrio
SO4H2
=
S
BIOTECNOLOGIA
CICLO DEL FÓSFORO
El P se encuentra como PO4≡ en algunos minerales como la APATITA.
Su presencia en el agua se debe a la descarga de los detergentes y fertilizantes y materia fecal.
El aporte de P favorece el crecimiento de las algas y termina produciendo el fenómeno de EUTROFICACIÓN
que estudiaremos en detalle.
P [g/m³ año]
100 -
10 EUTRÓFICA
1 F I C A
T R Ó
0.1 -
M E S O
OLIGOTRÓFICA
1
10
100
profundidad media [m]
tiempo de retención
hidráulica en [años]
1000
La disponibilidad de P, como formas solubles, es función del pH del agua:
100
=
PO4H
80
60
fracción
molar
40
20
-
PO4H
0
5
6
7
8
pH
9
10
PO4
11
≡