El calor en el agua y funcionamiento de los ecosistemas

Capítulo 4
Ecosistemas leníticos
Contenido
Módulo 15
Estructura térmica en el agua
Módulo 16
Metabolismo acuático
Módulo 17
Eutrofización
Módulo 18
Producción acuática y biomasa
Si observas
Respuestas que se encuentran si avanzas.
Si avanzas difieres, si difieres encuentras.
Encuentras si observas, si observas caminas.
Caminas si generas, si generas produces.
Produces si retornas, si retornas avanzas.
Y avanzas tocando, escarpando, acelerando, diferenciando.
Y cambias como el fuego, como la energía.
Transformas la materia con la luz de tus ideas.
Elvia María González Agudelo
Presentación
El calor en el agua incide sobre la distribución de gases y nutrientes que afectan el metabolismo acuático. La
distribución de este calor puede inducir cambios químicos y biológicos. La disponibilidad de gases y nutrientes
en el agua se relaciona con el metabolismo acuático y los procesos de producción y consumo. Por su parte,
el metabolismo acuático se relaciona en hidrobiología sanitaria con las rutas de asimilación del carbono por
parte de los organismos autótrofos y heterótrofos.
Es importante reconocer la intervención que ejercen los microorganimos sobre el metabolismo acuático respecto de la especiación química de los principales nutrientes en el agua.
Objetivos
1. Determinar la estructura térmica en un cuerpo de agua y su relación con la distribución de sustancias
disueltas en él.
2. Relacionar la presencia de nutrientes en el agua con el estado de eutrofización.
3. Proponer las rutas de asimilación del carbono más relevantes en la depuración de las aguas continentales.
Preguntas básicas
1. ¿Cómo incide el calor en el agua sobre la distribución de gases y nutrientes en ella?
2. ¿Cómo afecta la eutrofización cultural los usos del agua?
3. ¿Cómo asimila la hidrobiota el carbono orgánico en el agua?
Mire en el mapa conceptual de la multimedia, en el
botón ECOSISTEMAS LENÍTICOS, el video “Aspectos
bióticos de un lago“.
Módulo 15
Estructura térmica en el agua
Introducción
La estructura térmica de un cuerpo de agua se refiere a la distribución del calor en él y su efecto sobre el flujo
de energía y el intercambio de gases y nutrientes en la columna de agua.
En principio se puede definir el concepto de estratificación térmica como el cambio significativo de temperatura del agua con la profundidad, con un tiempo de estabilidad en que se forman estratos de agua, los cuales
pueden presentar diferentes calidades de agua.
.
En el punto de máxima inflexión en la
curva de temperatura se forma un plano imaginario llamado termoclina .
Capítulo 4. Ecosistemas leníticos
Contenido
15.1 Estratificación térmica en el agua
15.2 Verificación de la temperatura del agua en el trópico y las zonas templadas
106
15.1 Estratificación térmica en el agua
La estructura térmica de un cuerpo de agua se refiere a la distribución del calor en el agua y su efecto
sobre el flujo de energía y el intercambio de gases y nutrientes en la columna de agua. La estructura
térmica en cuerpos de agua leníticos influye sobre el establecimiento o no de gradientes de densidad
en una columna de agua.
Simony, en 1850, estudió las diferencias de temperatura del agua en los Alpes suizos. En estos
ambientes se presentaron diferencias de temperatura del agua entre la superficie y el fondo: 30 °C
en la superficie y 5 °C en el fondo. En cuerpos de agua tropicales dichas diferencias son menores:
25 °C en la superficie y 23 °C en el fondo (Margalef, 1983; Aguirre, 1994).
En 1904, Birge propuso el concepto de termoclino y de estratificación térmica para lagos templados,
en tanto Talling, trabajando en el lago Victoria en África, planteó el concepto de estabilidad térmica,
esto es, la formación de estratos o capas de agua de diferente densidad y estables. Lewis (1983)
acogió el término de termoclino para explicar el cambio más significativo de temperatura metalimnética y lo aplicó al lago Valencia en Venezuela (Margalef, 1983; Aguirre, 1994).
En principio se puede definir el concepto de estratificación térmica como el cambio significativo de
temperatura del agua con la profundidad, con un tiempo de estabilidad en que se forman estratos de
agua, los cuales pueden presentar diferentes calidades de agua (Aguirre, 1994).
Mire en el mapa conceptual de la multimedia, en el botón
ESTRUCTURA TÉRMICA, el video “Aspectos físicos“.
15.2 Verificación de la temperatura del agua en el trópico y las zonas templadas
A pesar de que en el trópico se presentan gradientes de temperatura con pequeños cambios de
calor entre capas de agua, estos cambios pueden generar efectos importantes sobre la química y
la biología de esta sustancia. Así, se pueden presentar perfiles clinógrados de gases y nutrientes
en el agua. Es posible que con cambios de temperatura de 0,5 °C/m de profundidad se presenten
gradientes químicos y biológicos en la columna de agua.
En las zonas templadas la temperatura depende de la variación estacional de invierno, primavera,
verano y otoño. En invierno se forman capas de hielo. Durante el otoño, el hielo se fractura y ocurren
mezclas. En el verano, la temperatura en la superficie es mayor que en el fondo. En otoño, debido a
los vientos fuertes, el agua se mezcla y se producen perfiles ortógrados de temperatura en el agua
(figura 15.1).
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Módulo 15. Estructura térmica en el agua
Hielo
0 °C
8 °C
Hielo
Gradiente
4 °C
Invierno: a mayor profundidad, mayor
temperatura
8 °C
Primavera: fracturación del hielo, mezcla,
temperatura constante
28 °C
8 °C
Perfil
clinógrado
15 °C
8 °C
Verano: la temperatura disminuye con la
profundidad (estratificación térmica)
Perfil
ortógrado
Perfil
ortógrado
Otoño: mezcla y perfil térmico ortógrado
Figura 15.1. Distribución del calor en cuerpos de agua de zonas templadas.
Los cambios significativos de temperatura producen cambios significativos en la densidad, produciendo una alta resistencia termal relativa (RTR). Esta RTR es la capacidad que tiene el agua para
no dejarse mezclar por el viento. Cuando la RTR es alta se forman capas de agua cuya densidad es
diferente (figura 15.2).
Viento
Epilimnio
T° alta
Metalimnio
T° baja
Hipolimnio
Figura 15.2. Curva de temperatura y estabilidad de una columna de agua.
En el punto de máxima inflexión en la curva de temperatura se forma un plano imaginario llamado
termoclina. De esta manera, el cuerpo de agua estratificado no se mezcla y se impide el intercambio
de gases y nutrientes entre capas.
En el trópico, la disponibilidad de luz y calor es más estable en el tiempo. Los principales factores
que afectan la estratificación son el viento, la nubosidad y los periodos de época seca o lluvia (figura
15.3). En época de lluvia, los gradientes de temperatura no son significativos para generar cambios
en la estructura física, química y biológica, en tanto en época seca sí se pueden presentar gradientes
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107
Capítulo 4. Ecosistemas leníticos
térmicos que inducen la estratificación térmica del agua.
Época seca
Viento
32 °C
108
28 °C
Época de lluvia
Isoterma
(perfil clinógrado)
Figura 15.3. Distribución del calor en el agua entre épocas secas y de lluvia en zonas tropicales.
En el trópico, la variación nictemeral (es decir, durante 24 horas) induce cambios térmicos en el agua.
Así, durante el día el cuerpo de agua se puede estratificar y durante la noche se presenta mezcla. La
noche permite la resuspensión de nutrientes que subsidia al siguiente día (figura 15.4).
a. m.
12 - 6 p. m.
p. m.
Figura 15.4. Variación nictemeral del calor en el agua en ecosistemas tropicales.
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Módulo 16
Metabolismo acuático
Introducción
La disponibilidad de nutrientes induce rutas metabólicas que favorecen la presencia y abundancia de ciertas
poblaciones de organismos en un ambiente acuático. Sin embargo, el carbono es un elemento fundamental
para la existencia de la vida. El dióxido de carbono acuoso y los iones bicarbonato y carbonato en el agua son
las principales fuentes de este elemento. La incorporación del carbono en el metabolismo acuático se realiza
a través de la fotosíntesis. El carbono se fija en el agua y es introducido en las redes tróficas. Existen diversas
rutas de asimilación del carbono por parte de los organismos.
Biotopo terrestre Ecotono
Zona pelágica
Coccoloba caracasana
Pleuston
Superficie del agua
Agua alta
Raices de “mangles”
PPN = 660,3
La fotosíntesis es el proceso dominante
en cuanto a la fijación del carbono y su introducción en las redes tróficas .
Protistos
Fitoplancton
Agua baja
4m
Protistos
PPN = 199,5
PPN = 78,0
22,1
Fitoplancton
PPN = 98,0 PPN = 198,3
PNN = Productividad primaria neta en mg C $ m -3 $ h -1
Mire en el mapa conceptual de la multimedia, en el
botón METABOLISMO, el pdf “Winkler“.
Capítulo 4. Ecosistemas leníticos
Contenido
16.1 Metabolismo acuático
16.2 Asimilación del carbono
110
16.1 Metabolismo acuático
En lo que respecta al metabolismo acuático, la disponibilidad de nutrientes induce rutas metabólicas
que favorecen la presencia y abundancia de ciertas poblaciones de organismos en un ambiente
acuático. Sin embargo, el carbono es un elemento fundamental para la existencia de la vida. El
dióxido de carbono acuoso y los iones bicarbonato y carbonato en el agua son las principales fuentes
de este elemento.
16.2 Asimilación del carbono
La incorporación del carbono en el metabolismo acuático se realiza a través de la fotosíntesis. El
carbono se fija en agua y es introducido en las redes tróficas. Existen diversas rutas de asimilación
del carbono por parte de los organismos.
Como se vio en el módulo 4, las rutas de asimilación del carbono se pueden dividir en rutas autotróficas y heterotróficas. Las primeras son más diversas debido a las posibilidades que ofrece el
sol como fuente de energía, por lo cual estas rutas son las más abundantes en nuestro planeta. En
esencia, las principales fuentes de carbono en el agua obedecen a la disponibilidad de las especies
químicas del carbono, pero también a la materia orgánica que está por mineralizarse o en proceso
de mineralización.
Es claro que el proceso de la fotosíntesis es el dominante en cuanto a la fijación del carbono y su
introducción en las redes tróficas. Pese a ello, ante limitaciones de luz en el agua, algunas bacterias
y hongos que producen enzimas extracelulares potencian el proceso de remineralización de la materia orgánica y redisponen el carbono y otros nutrientes, como el nitrógeno y el fósforo, en las redes
tróficas (figura 16.1).
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Módulo 16. Metabolismo acuático
Fotosíntesis
▪▪ Se puede formular el proceso de fotosíntesis de las plantas (con excepción de las bacterias
fotoautótrofas) en forma muy general:
nH2O + nCO2
h*y
(CH2O)n + nO2, TG0 = + n * 477 kJ/mol
▪▪ El H2S metabolizado por las bacterias trabaja con la siguiente ecuación fotosintética:
2H2S + CO2
h*y
(CH2O) + H2O + 2S
▪▪ La ecuación usual para la fotosíntesis de organismos que producen oxígeno es así:
6CO2 + 12H2O
h*y
C6H12O6 + 6H2O + 6O2, TG0 = +2863 kJ/mol
▪▪ El cociente fotosintético es:
PQ =
O2
CO 2
Figura 16.1. Demandas energéticas en el proceso de fijación del carbono (tomado de Strasburger, 1991).
El proceso de fijación del carbono es esencialmente endergónico (consume energía), pero el sol
soporta los costos de la fotosíntesis y ello hace viable el proceso en nuestro planeta. Otras formas
de vida diferentes a las cianobacterias, algas y plantas pueden fijar el carbono; sin embargo, la vía
fotosintética basada en formas de vida clorofiladas es la dominante. Así las cosas, la disponibilidad
de luz en el agua se constituye en un factor ambiental determinante para el proceso de fijación de
carbono en el agua.
También es posible obtener energía a partir de reacciones químicas cuando hay ausencia de luz.
Existen numerosas rutas de disposición de nutrientes y sus formas químicas para el metabolismo de
los organismos. Estos procesos son exergónicos (liberan energía) (figura 16.2).
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Capítulo 4. Ecosistemas leníticos
Quimioautotrofía
▪▪ Nitrificación:
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Nitrosomas: NH4+ + 1,5O2 + H2O & NO2- + 2H3O+, TG0 = -274 kJ
Nitrobacter: NO2- + (1/2)O2 & NO3-, TG0 = -77 kJ
▪▪ Oxidación de S:
2S2- + 4H+ + O2 & 2S + 2H2O, TG0 = -209 kJ
2S + 2H2O + 3O2 & 2S42- + 4H+, TG0 = -498 kJ
▪▪ Bacterias del Fe y del Mn:
4Fe2+ + 4H+ + O2 & 4Fe3+ + 2H2O+, TG0 = -67 kJ
Figura 16.2. Producción de energía en el proceso de fijación del nitrógeno, el azufre y algunos metales
esenciales para los seres vivos (tomado de Strasburger, 1991).
Estas rutas son necesarias especialmente para la disposición de nutrientes escasos en el agua y
en el suelo. La disposición de nitrógeno, azufre, hierro y manganeso está mediada por especies de
microorganismos que a su vez obtienen energía para su metabolismo.
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