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Interacciones de los microorganismos
con los ciclos de los nutrientes
 CICLOS BIOGEOQUÍMICOS
•Los microorganismos tienen un papel clave en el
reciclado de los elementos (nutrientes), especialmente
carbono, azufre, nitrógeno y hierro.
•Un ciclo biogeoquímico es el resultado del conjunto
de los procesos biológicos y químicos durante el
reciclado de estos elementos esenciales para los
sistemas vivos.
•Los nutrientes son transformados y reciclados
normalmente mediante reacciones de óxido –
reducción que pueden cambiar las características
físicas y químicas de los mismos.
CICLOS BIOGEOQUÍMICOS
REACCIONES DE OXIDACIÓN-REDUCCIÓN (REDOX):
Aquellas en las que se produce un transferencia de electrones
desde un dador, el agente reductor (el que se oxida), a un
aceptor de electrones, el agente oxidante (el que se
reduce).
Tipos de Metabolismo
productor de energía.
Fermentación
Respiración Respiración anaeróbica
Algunas bacterias son capaces de realizar su metabolismo
respiratorio en condiciones completamente anaeróbicas,
utilizando nitrato, sulfato o carbonato como aceptor
inorgánico terminal de electrones.
Utilización de nitrato como aceptor final de
electrones.
Estas bacterias reducen el NO3- pudiendo
llevarlo a N2. Este fenómeno se denomina
desnitrificación.
Utilización de sulfatos y carbonatos como
aceptores de electrones.
Facultad restringida a pocos géneros de
bacterias. Todas son anaeróbicas estrictas.
Categorías nutricionales
Una forma sencilla de clasificar los organismos se basa en la naturaleza de la fuente de
energía y fuente principal de C.
Con respecto a la fuente de energía:
- fotótrofos: capaces de usar la luz como fuente de energía.
- quimiótrofos: usan una fuente de energía química.
Según la fuente de C:
- autótrofos: utilizan CO2.
- heterótrofos: utilizan una fuente orgánica de C.
Las categorías nutricionales según estos criterios quedan organizadas así:
* fotoautótrofos: incluye algunos microorganismos fotosintéticos; dentro de los cuales
tenemos algas, bacterias fotosintéticas (Cianobacterias).
* fotoheterótrofos: incluye algunas de las bacterias rojas y verdes (son fotosintéticas pero
no productoras de O2). No ocupan CO2 sino compuestos orgánicos.
* quimioautótrofos: oxidan compuestos inorgánicos (NH3 , NO2 , H2, SH2 , etc.) Por ej.,
las bacterias nitrificantes que transforman el NH3 a NO2- y luego a NO3-. En esta reacción
se libera energía , que la bacteria utiliza para captar el CO2 como fuente carbonada. Dentro
de bacterias nitrificantes tenemos: Nitrosomonas europea, Nitrobacter winogradsky.
*quimioheterótrofos: en estos tanto la energía como el C pueden obtenerse del
metabolismo de un mismo sustrato orgánico.
Por ej., glucosa que aporta energía (ATP) y los esqueletos carbonados a partir de los
intermediarios del ciclo de Krebs.
Según la fuente de C también pueden ser:
Mixótrofos.
El término mixotrófico puede describir organismos
(usualmente algas, bacterias), capaces de obtener energía
metabólica tanto de la fotosíntesis, como de seres vivos. Esos
organismos pueden utilizar la luz como una fuente de energía, o
tomarla de compuestos orgánicos o inorgánicos. Pueden
apropiarse de compuestos simples de manera osmótica o
englobando las partículas (a través de fagocitosis). También se
incluye en este grupo los procariontes que obtienen energía de la
oxidación de compuestos inorgánicos pero que utilizan
compuestos orgánicos como fuente de carbono.
Son aquellas bacterias con metabolismo energético
litotrofo (obtienen energía de compuestos inorgánicos), pero
requieren sustancias orgánicas como nutrientes para su
metabolismo biosintético.
II. Según el punto de vista biosintético
La forma en la que organismo obtiene los equivalentes
reductores (transportados como NADH, FADH) para la
conservación de energía o en las reacciones biosintéticas:
• Litotrofo. Son aquellas que solo requieren sustancias
inorgánicas sencillas. Los equivalentes reductores se
obtienen de compuestos inorgánicos. (SH2 SO, NH3, NO2-,
Fe, etc.).
• Organotrofo. Requieren compuestos orgánicos. Los
equivalentes reductores se obtienen de compuestos
orgánicos (hidratos de carbono, hidrocarburos, lípidos,
proteínas, alcoholes).
Anoxifotobacterias: ej. bacterias verdes del asufre: son
microorganismos que utilizan como donadores de
electrones SH2 y a veces SO4 2- (no el oxígeno del agua).
La mayoría autótrofos.
FASES DE LOS NUTRIENTES
El bucle microbiano (microbian loop) es la denominación que se le da a la vía del detrito
en los sistemas acuáticos (mares, lagos, océanos y ríos). Es una microcadena trófica que
trabaja paralela a la cadena trófica convencional.
Transformaciones de los nutrientes
Físicas: disolución, precipitación, volatilización y
fijación.
Químicas: biosíntesis , biodegradación y
biotransformaciones óxido - reductivas.
•Pero, además de las combinaciones de cambios
físicos y químicos,
•Hay traslocación espacial de materiales.
Los Microorganismos presentan: Ubicuidad,
diversidad de capacidades metabólicas y altas
velocidades metabólicas.
DEFINICIONES
Pools o reservorios: son aquellas partes del ciclo donde el
compuesto químico se encuentra en grandes cantidades por largos
períodos de tiempo. Fuentes (generan el compuesto) o
sumideros (consumen el compuesto).
Ciclos globales: también conocidos como ciclos gaseosos o
atmosféricos, en los que participan elementos y compuestos
que, en estado gaseoso, se mueven por todo el planeta gracias a
las corrientes de aire de la atmósfera, depósito atmosférico. El
agua, el carbono, el nitrógeno se mueven en estos ciclos.
Relacionados con problemas ambientales a gran escala.
Ciclos locales / edáficos o sedimentarios:
en los que intervienen elementos que no pueden moverse a
través de la atmósfera, sino que se acumulan principalmente en
el suelo, depósito principal en la roca o en los sedimentos . Éste
es el caso del calcio, fósforo y el potasio, entre otros.
CICLO DEL CARBONO
CARBONO:
•Esqueleto de todas
las
moléculas
orgánicas.
•Elemento
más
prevalente
en
el
material
orgánico
celular.
•Forma inorgánica:
CO2 (forma más
oxidada).
•Forma
orgánica:
CH2O
(formas
reducidas).
•Autótrofos o productores primarios (plantas, algas, cianobacterias,
litótrofos y metanógenos).
•Heterótrofos: animales, microorganismos descomponedores.
El Carbono en la Naturaleza
•En la atmósfera: en forma de dióxido de carbono CO2
(reservorio atmosférico ,0.032% de la atmósfera, 700 billones de
ton. de C).
•En la corteza terrestre: formando carbonatos, como la caliza
CaCO3.
•En el interior de la corteza terrestre: en el petróleo, carbón y
gas natural.
•Formas inorgánicas de C disueltas (CO2 , H2CO3 , HCO3- y
CO3-) en agua superficial en equilibrio con el CO2 atmosférico.
En la materia viva animal y vegetal: es el componente esencial y
forma parte de compuestos muy diversos: glúcidos, lípidos,
proteínas y ácidos nucleicos.
En el cuerpo humano, por ejemplo, llega a representar el 18% de
su masa.
Biomasa viviente en ambientes terrestres y acuáticos (450 – 500
billones de ton´s de C).
Es un ciclo biogeoquímico por el cual el carbono (C) se intercambia entre la
biosfera, litosfera, hidrósferas y la atmósfera de la tierra.
Depende tanto de la actividad de los microorganismos como de los
macroorganismos y está estrechamente ligado con el ciclo del oxígeno.
Ya que la fijación de CO2 por fotótrofos oxigénicos libera O2 y mucha de la
materia orgánica es oxidada a CO2 a través de la respiración aerobia.
El C puede presentarse en formas reducidas, como metano (CH4) y materia
orgánica, y en formas más oxidadas como monóxido de carbono (CO) y dióxido
de carbono (CO2 ).
CICLO DEL CARBONO
CICLO BIOLÓGICO (RÁPIDO):
Comprende los intercambios de carbono (CO2) entre
los seres vivos y la atmósfera, es decir, la fotosíntesis,
proceso mediante el cual el carbono queda retenido en
las plantas y la respiración que lo devuelve a la
atmósfera.
CICLO BIOGEOQUÍMICO (LARGO):
Regula la transferencia de carbono entre la hidrósfera,
la atmósfera y la litósfera (océanos y suelo).
DESCOMPOSICIÓN
El C fijado fotosintéticamente es degradado
finalmente por varios organismos.
En la degradación se observan dos estados
principales de oxidación del C:
METANO (CH4) Y DIOXIDO DE CARBONO
(CO2).
•METANO: por acción de metanógenos.
•CO2: acción de diversos quimiorganótrofos
mediante fermentación, por respiración
aeróbica o respiración anaeróbica.
El ser humano ha alterado enormemente
el ciclo del carbono, ya que al quemar los
combustibles fósiles se han liberado a la
atmósfera excesivas cantidades de dióxido
de carbono. Esta condición es la principal
responsable del calentamiento global ya
que el CO2 presente en grandes
cantidades en la atmósfera impide que el
calor del sol escape de la tierra al espacio.
CICLO DEL NITRÓGENO
Formas de nitrógeno presentes en el suelo (1m de
profundidad).
N2: dinitrógeno, nitrógeno gaseoso: poros del suelo.
N orgánico: tejidos animales y vegetales, células microbianas,
organismos del suelo, materia orgánica (aminoácidos,
proteínas, polímeros de la pared celular, aminoazúcares,
ácidos nucleicos, vitaminas, antibióticos, intermediarios
metabólicos).
NH4+: amonio. solución acuosa
NO3-: nitrato: solución acuosa
Transformaciones de nitrógeno: procesos microbianos.
Reducción
del nitrato
Oxidación
El ciclo del nitrógeno puede ser
dividido en tres subciclos:
Elemental: enfatiza las reacciones biológicas de oxidaciónreducción. Interconversión del nitrógeno y N2 en varias
formas químicas.
Fototrófico: toma del nitrógeno por la planta (autótrofos), el
nitrógeno inorgánico (NH4+, NO3-) es convertido a formas
orgánicas (constituyentes celulares).
Heterotrófico: vinculado a los procesos de descomposición.
Los seres vivos cuentan con una gran proporción de nitrógeno en su
composición química.
El nitrógeno oxidado que reciben como nitrato (NO3–) es transformado a
grupos aminoácidos (asimilación).
Para volver a contar con nitrato hacen falta que los descomponedores lo
extraigan de la biomasa dejándolo en la forma reducida de ion amonio (NH4+),
proceso que se llama amonificación; y que luego el amonio sea oxidado a
nitrato, proceso llamado nitrificación.
Así parece que se cierra el ciclo biológico esencial.
Pero el amonio y el nitrato son sustancias extremadamente solubles, que son
arrastradas fácilmente por la escorrentía y la infiltración, lo que tiende a
llevarlas al mar.
Al final todo el nitrógeno atmosférico habría terminado, tras su conversión,
disuelto en el mar.
Los océanos serían ricos en nitrógeno, pero los continentes estarían
prácticamente desprovistos de él, convertidos en desiertos biológicos, si no
existieran otros dos procesos, mutuamente simétricos, en los que está
implicado el nitrógeno atmosférico (N2).
Se trata de la fijación de nitrógeno, que origina compuestos solubles a partir
del N2, y la desnitrificación, una forma de respiración anaerobia que
devuelve N2 a la atmósfera.
De esta manera se mantiene un importante depósito de nitrógeno en el aire
(donde representa un 78 % en volumen).
Anammox, acrónimo de oxidación anaerobia del ion amonio (ANaerobic AMMonium OXidation), es un
proceso biológico que forma parte del ciclo del nitrógeno. En este proceso biológico, nitrito y amonio se
convierten directamente en gas nitrógeno. Un alto porcentaje de la conversión de nitrógeno en los océanos se
realiza mediante este proceso. La reacción catabólica total es:1
NH4+ + NO2- → N2 + 2H2O.
Las bacterias que realizan el proceso anammox pertenecen al orden Planctomycetes y corresponden a los
géneros Brocadia, Kuenenia, Jettenia, Anammoxoglobus (todos de agua dulce), y Scalindua (marinos).