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El ciclo del fósforo

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El ciclo del fósforo

• En estado oxidado (como sales de Ca, K, Mg o Fe)

• Tasa de flujo lenta entre reservorios

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)

Modelo en diatomeas

De Morrissey y Bowler, 2012

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 del sílice

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.

release

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

Calentamiento global

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