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El ciclo del hierro
• Probablemente abundante en mares primitivos � metaloproteínas con Fe frecuentes
• Atmósfera oxidante � compuestos oxidados de Fe de escasa solubilidad � unión a ligandos
Sideroforos y fitoferritinas
Si Fe abundante�
inducción transcripción
de fitoferritinas y
acumulación en plastos
Si Fe limitante Si Fe limitante
�sideroforos y
mutualismo con
bacterias
�cambios en los
fotosistemas (menos
PSI (12 átomos de Fe)
y más PSII (4 átomos
de Fe)
El caso de los océanos polares
• Aumenta densidad fitoplancton
(en especial diatomeas)
• Aumenta clorofila
• Mismo efecto sobre balance de • Mismo efecto sobre balance de
CO2 global que floraciones
periódicas
• Efectos colaterales
• Problemas jurídico-económicos
Ciclo de “la” sílice
Es el proceso que vincula las fuentes y los sumideros delácido silícico (ASi) [Si(OH)4].
El ASi es el único precursor en el procesamiento y depositación El ASi es el único precursor en el procesamiento y depositación de la sílice en la biota
A diferencia de los ciclos del carbono, el nitrógeno y el azufre, y en forma similar al del fósforo, en el ciclo de la sílice no hay un reservorio atmosférico
Al igual que con el P y los metales bivalentes (Ca y Mg) el ciclode la sílice tiene un drenaje abiótico significativo.
En realidad consiste en dos partes: una terrestre o de aguascontinentales y otra marina, alimentándose la última de laprimera.
Sin embargo su reabastecimiento solo puede ocurrir en el ciclo sedimentario marino.
Depende de los procesos geotectónicos como la formación demontañas y la subducción y, como tal puede haber “delays” dedecenas a centenares de millones de años antes de que lasílice marina retorne al ambiente terrestre.
•Las pérdidas sustanciales de ASi biosférico a sumideros abióticos puedecompensarse en la naturaleza por su gran abundancia en la cortezaterrestre.
Es el segundo elemento más abundante en la litosfera (28%; el Fe representa el 35%).
En la corteza está presente como silicatos (cuarzo, feldespatos alcalinos y plagioclasas)
Estos dos últimos son aluminosilicatos que contribuyen sustancialmente al contenido de Al en la corteza.
Todos estos minerales se descomponen por procesos de meteorización
Metamorfismo de
carbonatos
Meteorización
La meteorización es fenómeno que más CO2 remueve de la atmósfera,(convierte el CO2 en HCO3
- )
Esta transferencia es una forma importante de control del contenido de CO2
de la atmósfera y por lo tanto del clima global.
La meteorización es una función compleja de lluvia, escorrentía,litología, temperatura, topografía y vegetación.
Las algas, las plantas y sus microbiotas asociadas afectandirectamente la meteorización de los silicatos de diferentesmaneras:
• generación de quelatos: descomponen minerales y rocaspor remoción de cationes metálicos
• modificación del pH: producción de CO2 o de ácidosorgánicos como el acético, cítrico, fenólico, etc.
• alteración de las propiedades físicas del suelo
(particularmente las superficies expuestas de los minerales)
La silicificación ocurre en 4 grupos de heterokontosChrysophyceae (Parmales), Synurophyceae, Bacillariophyceaey Dictyochophyceae
Las diatomeas son los mayores contribuyentes a labiosilicificación, debido a que la sílice amorfa es un componenteesencial de su pared celular.
La disponibilidad de Si es un factor clave en la regulación delLa disponibilidad de Si es un factor clave en la regulación delcrecimiento de las poblaciones en la naturaleza.
Como contrapartida, el uso de la sílice por las diatomeas dominasu reciclado biogeoquímico el mar: cada átomo de Simeteorizado desde la tierra, pasa por las diatomeas un promediode 39 veces antes de hundirse en el lecho marino
• Varios millones de años atrás, poco o nada de la vida estabainvolucrado en la transformación del ASi en sílice amorfa(SiO2 nH2O)
• Los ambientes en que se produjo la evolución geoquímicaeran extremadamente ricos en ASi, en relación a lascondiciones actuales.
• Evidencia: fósiles de algas azules encerradas en sílex.• Evidencia: fósiles de algas azules encerradas en sílex.
1% 21%
2090 - 2450 MA
O2
actual
Concomitantemente aumenta el número de organismos capaces de convertir el ASi en sílice.
La condensación del ASi y la subsecuente polimerización para formar sílicebiogénica, eventualmente resulta en una pérdida neta de ASi en la biosfera.
La tasa de la reacción de condensación y polimerización es varios órdenes demagnitud mayor que la reacción inversa (regeneración del pool de ASi)
Al aumentar las diatomeas y otras organismos Si-dependientes, se reducesignificativamente la concentración del ASi ambiental.
Los frústulos se forman en horas o días mientras que la tasa a la cual el ASiretorna a la biosfera via disolución de los frústulos de las diatomeas muertasmientras se hunden en la columna de agua es del orden de los10-9 mmol m-2 seg-1.
Una vez que los frústulos sedimentan, su sílice entra en el ciclo sedimentariode donde probablemente no vuelva a reaparecer en la biosfera por decenasde millones de años.
↓ ↓ Ácido silícico ambiental
↑ ↑ Tasa de meteorización
↑ ↑ consumo de CO
↑ ↑ Organismos formadores de Si biogénica
CaSiO3 + CO2 CaCO3 + SiO2Meterorización
↑ ↑ consumo de CO2
↓ ↓ concentración atmosférica de CO2
La proliferación de diatomeas y organismos formadores de Si biogénicacontribuyó significativamente a la modificación del clima (enfriamiento) através del ciclo biogeoquímico de la sílice
↓ ↓ Efecto invernadero↓ ↓ Efecto invernadero
Las diatomeas pueden dividirse en cualquier momento del día.
Su independencia de la luz también se extiende a sus requerimientos denutrientes
El frústulo juega un rol en la adquisición de CO2. Facilita la conversión
La captación y acumulación de nitratos y ASi durante la noche utiliza elexceso de Corg sintetizado durante el día.
Constituyen un mecanismo de retroalimentación entre la variabilidad climática(disponibilidad de agua e input de ASi), la productividad de las diatomeas y elintercambio de CO2.
2
enzimática de bicarbonato en CO2 en la superficie celular, regulando el pH(funciona como un buffer) y por ende permitiendo una FS! más eficiente
Mientras que el ASi esté disponible, las diatomeas actúan como conductopara los nutrientes y el carbono hacia aguas profundas, en contraste con otrasalgas, que "atrapan" los nutrientes en un loop de regeneración en la superficie
Se estima que contribuyen al 45% de la producción primaria en los océanos, convirtiendolas en los jugadores más importantes en el ciclado de todos los elementos biológicos.
Actualmente el riesgo para las diatomeas proviene del impacto del clima y
Globalmente, captan y procesan 240 Tmol Si yr-1.
fuentes antropogénicas. La reducción del input de sílice debido alendicamiento de ríos y a cambios en el uso del agua, así como los nivelescrecientes del aporte inhibidor de amonio en los estuarios y costasadyacentes afectan el éxito de las diatomeas
Las elevadas concentraciones de amonio de origen antrópico en algunos estuarios inhiben la captación de nitrato por las diatomeas que lo necesitan para tener sus altas tasas de crecimiento.
Como algas captadoras de ASi también debemos mencionar a lossílicoflagelados.
Están adaptados para vivir tanto en aguas templadas como heladas.
El estadio del ciclo más conocido es una célula desnuda con un esqueletocompuesto por sílice amorfa en una red de barras y espnas ordenadascomo una canasta.
Este esqueleto es muy suceptible a la disolución y por lo tanto supreservación está obstaculizada por procesos diagenéticospreservación está obstaculizada por procesos diagenéticos
Su abundancia es relativamente baja comparada con otros microfósiles y supresencia no es común en el registro sedimentario.
LAS ALGAS LAS ALGAS
Y EL CICLO DEL AZUFREY EL CICLO DEL AZUFRE
La mayor parte del azufre de la Tierra estáLa mayor parte del azufre de la Tierra estáalmacenado en rocas y minerales subterráneos,incluyendo las sales sulfatadas enterradas a grandesprofundidades en los océanos
CO2 SO2
atmosféricos
Depositación Gasificación
Emisión
Depositación
Fertilizantes
vulcanismo
Depositación
SO42-
oceánicoEscorrentía
aguas servidas
ErosiónSO2
Tierra y
biosfera
S4 y SO
sedimentos
Ciclo hidrológico
Ciclo sedimentario
El ciclo comienza con la meteorización de las rocas liberando el S almacenado
En contacto con el aire se convierte en SO4
El SO4 es captado por plantas y otrosorganismos que lo convierten en formasorgánicas
Ingresa así en la cadena trófica y circula como alimento hasta que los organismos mueren y se descomponen
S4 SO
Hay una variedad de fuentes naturales que emiten S directamente a la atmósfera, entre otras:
Parte del S se libera otra vez como SO4 y otra parte entra a formar parte de los microorganismos descomponedores
• Erupciones volcánicas• Degradación química de materia orgánica en pantanos y pozas de
marea• Evaporación del agua
Eventualmente el S precipita en la tierra o cae con la lluvia
Hay una pérdida continua de S de losecosistemas terrestres por drenaje a loscuerpos de agua
El S también entra a los océanos desde la atmósfera y una parte cicla a
S4 SO
través de las comunidades, moviéndose a lo largo de la cadena trófica
Una parte de este S es emitido otra vez a la atmósfera en el spray marino
El resto se pierde en las profundidades, como sulfuro ferroso, responsable del color negro de la mayoría de los sedimentos marinos
El gas SO2 o partículas de SO42- pueden caer o
llover desde la atmósfera
Las algas y las plantas los toman e incorporanen sus tejidos y pasan a integrar la cadenatrófica hasta que mueren y son descompuestos
S4
SO
CO2 SO2
atmosférico
Estos gases pueden reingresar en la atmósfera, el agua y el suelo y continuar el ciclo
Las bacterias son importantes porque pueden transformar en el agua el azufreorgánico en gas H2S, sacándolo del ciclo. Esto puede obstaculizar elcrecimiento algal en ambientes donde el S está limitado
Todos los seres vivos requieren azufre como nutriente menor,en aproximadamente la misma proporción atómica que elfósforo.
El azufre está presente en el agua en una relación de alrededorde un átomo de S a 100 átomos de Carbono (0.15– 1.96%de un átomo de S a 100 átomos de Carbono (0.15– 1.96%peso seco) y el contenido de azufre varía con la especie, lascondiciones ambientales y la época del año
Las plantas, las algas y las bacterias, excepto algunasanaerobias que requieren S-2, tienen la habilidad de tomar,reducir y asimilar SO4
2- en aminoácidos y convertirlo encompuestos éster sulfatados
El S es un elemento esencial para autótrofos y heterótrofos
En su estado reducido, juega un rol importante en la estructuray función de las proteínas
Tres de los aminoácidos más comunes (cisteina, cistina ymetionina) contienen carbonos ligados con azufre
También se lo encuentra en sulfolípidos, algunas vitaminas,También se lo encuentra en sulfolípidos, algunas vitaminas,esteres sulfatado y una variedad de otros compuestos.
En estado oxidado, existe como sulfato y es la mayor causa deacidez en el agua de lluvia tanto la natural como la poluida.
Esta relación con la acidez lo hace importante en procesosgeoquímicos, atmosféricos y biológicos como la meteorizaciónnatural de rocas, lluvia ácida y la tasa de desnitrificación.
El ciclo del azufre es otro de los ciclos elementales duramenteperturbados por la actividad humana
La emisión de S por actividad antrópica es igual o mayor quela natural
Al igual que el nitrógeno, el azufre existe bajo diferentesformas, como gases o partículas de ácido sulfúrico
La duración de muchos compuestos azufrados en el aire esrelativamente corta (días)
Sin embargo, hay procesos sedimentarios extremadamentelentos de erosión, sedimentación y exposición de rocas quecontienen S.
Los volcanes inyectan intermitentemente compuestos azufradosen la atmósfera y una corriente continua de esos compuestosproviene de la actividad industrial
Mezclados con vapor de agua forman el smog de ácido sulfúrico
Además de contribuir a la lluvia ácida, las gotas de ácido
forman una capa de neblina que refleja la radiación solar causando
un enfriamiento de la superficie terrestre
Compuestos volátiles de azufre, que son liberados en la atmósfera rica enoxígeno, son oxidados químicamente durante su estadía en la atmósfera yterminan como dióxido de azufre, ácido sulfúrico, sulfato particulado ysulfonato de metano
Estos compuestos son removidos de la atmósfera y devueltos a la Tierra pordeposición húmeda y seca.
Bajo condiciones óxicas, el estado oxidado del S en ácido sulfúrico es elmás estable, el sulfato es la forma predominante de S en aguas y suelosóxicos
Por lo tanto la reducción del sulfato a una especie más reducida de S es unprerequisito para la formación de compuestos volátiles y su emisión a laatmósfera
Los procesos bioquímicos que llevan a esta reducción pueden serconsiderados como los forzantes del ciclo atmosférico
Hay dos tipos de vías de reducción del sulfato que sonimportantes en el ciclo global: la reduccióndesasimilatoria y la asimilatoria .
La 1ª es estrictamente anaeróbicay la realizan bacteriassulfatoreductoras para respirar ensulfatoreductoras para respirar enambientes anóxicos, usandosulfato como último aceptor deelectrones en lugar de oxígeno.
Como la concentración de sulfato es alta en el agua de mar,este proceso es importante en ecosistemas marinos,incluyendo las marismas
A diferencia de los animales que dependen de compuestos
organosulfurados en su dieta, las bacterias, las algas, los
hongos y las plantas pueden obtener S de la reducción
asimilatoria para la síntesis de compuestos organo-
sulfurados
El SO42- es asimilado desde el ambiente, reducido dentroEl SO4 es asimilado desde el ambiente, reducido dentro
de las células y fijado en aminoácidos u otros compuestos
orgánicos
Este proceso ocurre en ambientes tanto óxicos como
anóxicos
Gran parte del Azufre reducido es fijado porprocesos de asimilación intracelular y solo unafracción menor del S reducido se libera comocompuestos gaseosos volátiles, mientras losorganismos están vivos
Luego de su muerte, la degradación microbianalibera al ambiente compuestos reducidos(principalmente bajo la forma de H2S, dimetil sulfuro[DMS] y también como sulfuros orgánicos.
Muchas algas marinas, microalgas (Prymnesiophyta, Dinophyta,
diatomeas, Chrysophyta y Prasinophyta) y macroalgas (clorofitas y
rodofitas) producen cantidades de dimetilsulfonio (DMSP) a partir de
metionina
El DMSP es el precursor del DMS, que es un gas fuertemente oloroso y
que es la mayor fuente de S atmosférico.
Los organismos marinos producen casi la mitad del S biogénicoLos organismos marinos producen casi la mitad del S biogénico
emitido anualmente a la atmósfera y la mayor parte es producido como
DMS.
Como otros compuestos reducidos, el DMS se oxida rápidamente a
dióxido de azufre que funciona como núcleo de condensación de
nubes (CCN) y puede afectar el clima a escala global
Otra peculiaridad: las aves usan DMS como una señal de alimentación,
como las algas al ser consumidas por los peces liberan DMS, llaman la
atención de las aves sobre la presencia de los peces
DMS
Pérdida a la atmósfera
Clima
Temperatura
Luz DMSP en
las algas
Nutrientes
PASTOREO,
Muerte
celular y
lisisDMSP
libre
Sedimentación
Transformación
bacteriana
Ciclo del DMS (dimetil
sulfuro) en el mar
El DMSP puede funcionar como osmorregulador, para elcontrol de la flotación, crioprotector y antioxidante
Con la excepción de unas pocas cyanobacteria, las algascontinentales no lo producen (usan glicerol)
También se ha postulado que su producción está relacionadaindirectamente con la el nitrógeno en las algas, como unreservorio del exceso de sulfato captado para la síntesis dereservorio del exceso de sulfato captado para la síntesis denitrato reductasa o nitrogenasa
Esto también podría ser cierto para las plantas con altaactividad de nitratoreductasa o con bacterias simbiontesfijadoras de N2
En esta etapa, los compuestos volátiles pueden escapar a laatmósfera. Sin embargo como ocurre en la vía desasimilatoria,los sulfuros liberados durante la descomposición sonquímicamente inestables en ambientes óxicos y son reoxidadosa sulfatos por una variedad de microorganismos.
El clivaje del DMSP por medio de la enzima DMSP liasa produceDMS y ácido acrílico.
El DMSP también puede ser liberado durante la senecencia delas células del fitoplancton y se piensa que el pastoreo delzooplancton en células saludables también facilita la liberaciónde DMSP
Una vez liberado de las células algales, el DMSP se conviertepor acción bacteriana en DMS y acrilato