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 ≡