CICLOS BIOGEOQUIMICOS

1. Ciclos Biogeoquímicos
(CBGQs)

2. Ciclos Biogeoquímicos (CBGQs)
1.- Introducción
2.- Reservorios y tasas de transferencia
3.- El Ciclo del Carbono
3.1.- Resumen
3.2.- Ciclo Redox
3.2.1.- Fotosíntesis
3.2.2.- Descomposición óxica
3.2.3.- Descomposición anóxica y sus límites
a) Metanogénesis
b) Transferencia interespecífica de H2 y Sintrofía
c) Hábitats metanogénicos
d) Metanogénesis en los Océanos
e) Metanotrofía

3. Ciclos Biogeoquímicos (CBGQs)
1.- Introducción
2.- Reservorios y tasas de transferencia
3.- El Ciclo del Carbono
3.1.- Resumen
3.2.- Ciclo Redox
3.2.1.- Fotosíntesis
3.2.2.- Descomposición óxica
3.2.3.- Descomposición anóxica y sus límites
a) Metanogénesis
b) Transferencia interespecífica de H2 y Sintrofía
c) Hábitats metanogénicos
d) Metanogénesis en los Océanos
e) Metanotrofía

4. Ciclos Biogeoquímicos (CBGQs)
Litosfera
Biosfera
Atmósfera
Hidrosfera

5. Ciclos Biogeoquímicos (CBGQs)
Transformaciones Físicas
- Precipitación
- Disolución
- Volatilización
- Fijación
Transformaciones químicas:
- Biosíntesis
- Biodegradación
- Biotransformaciones Redox
Combinaciones de ambas

6. Ciclos Biogeoquímicos
Protagonistas: los microorganismos
Ubicuidad
Capacidades metabólicas diversas
Altas tasas de actividad enzimática

7. Ciclos Biogeoquímicos (CBGQs)
1.- Introducción
2.- Reservorios y tasas de transferencia
3.- El Ciclo del Carbono
3.1.- Resumen
3.2.- Ciclo Redox
3.2.1.- Fotosíntesis
3.2.2.- Descomposición óxica
3.2.3.- Descomposición anóxica y sus límites
a) Metanogénesis
b) Transferencia interespecífica de H2 y Sintrofía
c) Hábitats metanogénicos
d) Metanogénesis en los Océanos
e) Metanotrofía

8. Ciclos Biogeoquímicos
Reservorios y Tasas de transferencia
Tipo de reservorio a escala global
Tamaño del reservorio
Actividad de reciclaje del mismo

9. Ciclos Biogeoquímicos
Reciclaje de elementos biogénicos
Reciclaje intenso:
Elementos principales (C,H,O,N,P y S)
Reciclaje limitado:
Elem. secundarios (Mg,Na,K y halógenos)
Elem. traza (B,Co,Cr,Cu,Mo,Ni,Se,Sn,V y Zn)
Excepciones (Fe y Mn; Ca y Si)

10. Ciclos Biogeoquímicos (CBGQs)
1.- Introducción
2.- Reservorios y tasas de transferencia
3.- El Ciclo del Carbono
3.1.- Resumen
3.2.- Ciclo Redox
3.2.1.- Fotosíntesis
3.2.2.- Descomposición óxica
3.2.3.- Descomposición anóxica y sus límites
a) Metanogénesis
b) Transferencia interespecífica de H2 y Sintrofía
c) Hábitats metanogénicos
d) Metanogénesis en los Océanos
e) Metanotrofía

11. Ciclo del Carbono
CO2
atmosférico
Plantas Animales y
terrestres microorganismos CO2
disuelto
Materia orgánica
muerta Plantas Animales y
acuáticas m.o.
Combustibles Humus y algas acuáticos
fósiles Muerte y mineralización
en los sedimentos
Formación
del suelo
Corteza terrestre Formación
de la roca

12. Ciclos Biogeoquímicos (CBGQs)
1.- Introducción
2.- Reservorios y tasas de transferencia
3.- El Ciclo del Carbono
3.1.- Resumen
3.2.- Ciclo Redox
3.2.1.- Fotosíntesis
3.2.2.- Descomposición óxica
3.2.3.- Descomposición anóxica y sus límites
a) Metanogénesis
b) Transferencia interespecífica de H2 y Sintrofía
c) Hábitats metanogénicos
d) Metanogénesis en los Océanos
e) Metanotrofía

13. Ciclo Redox del C: Importancia de la fotosíntesis
Óxico
Fotosíntesis Bacterias
Plantas quimiolitotrofas
Algas
Cianobacterias
+ H20
(CH2O)n CO2
Compuestos
orgánicos Crecimiento Muerte y sedimentación
+ O2
Respiración
Plantas
Animales
Microorganismos

14. Ciclo Redox del C: Importancia de la descomposición
Óxico
Fotosíntesis Bacterias
Plantas quimiolitotrofas
Algas
Cianobacterias
+ H20
(CH2O)n CO2 (CH2O)n
Compuestos Compuestos
orgánicos Crecimiento Muerte y sedimentación orgánicos
+ O2
Respiración
Plantas
Animales
Microorganismos

15. Ciclos Biogeoquímicos (CBGQs)
1.- Introducción
2.- Reservorios y tasas de transferencia
3.- El Ciclo del Carbono
3.1.- Resumen
3.2.- Ciclo Redox
3.2.1.- Fotosíntesis
3.2.2.- Descomposición óxica
3.2.3.- Descomposición anóxica y sus límites
a) Metanogénesis
b) Transferencia interespecífica de H2 y Sintrofía
c) Hábitats metanogénicos
d) Metanogénesis en los Océanos
e) Metanotrofía

16. Ciclo Redox del C: la descomposición óxica
Polímeros complejos: Polisacáridos, proteínas...
Sistemas Glc
Hidrolíticos
Xil
Aminoácidos
Metabolismo

17. Ciclo Redox del C: hidrólisis de polisacáridos
Celulosa
Almidón
Laminarina
Paramilon
Agar
Quitina
Pectinas
Dextranos
Xilanos
Glucógeno
Estructuras Chime

18. Ciclo Redox del C: hidrólisis de celulosas
Exo Endo
Celobiasa
Glu

19. Ciclo Redox del C: descomposición óxica de celulosa
Hongos:
Multitud
Bacterias:
Clostridios
Deslizantes
Sporocytophaga
Cytophaga
Actinomicetos
(Streptomyces)

20. Descomposición de polisacáridos: enzimas hidrolíticas
- Celulasas
- Amilasas
- Xilanasas
- Pectinasas
- Agarasas
- Quitinasas
- Dextranasas

21. Descomposición de polisacáridos: enzimas hidrolíticas
- Celulasas Apl. Industriales
- Amilasas - Detergentes
- Xilanasas - Textiles
- Pectinasas - Papeleras
- Agarasas - Alimentarias
- Quitinasas - Piensos
- Dextranasas - T. residuos

22. Ciclo Redox del C: la descomposición óxica
Óxico
Fotosíntesis Bacterias
Plantas quimiolitotrofas
Algas
Cianobacterias
+ H20
(CH2O)n CO2 (CH2O)n
Compuestos Compuestos
orgánicos Crecimiento Muerte y sedimentación orgánicos
+ O2
Respiración Respiración aeróbica
Plantas Microorganismos aeróbicos
Animales
Microorganismos

23. Ciclos Biogeoquímicos (CBGQs)
1.- Introducción
2.- Reservorios y tasas de transferencia
3.- El Ciclo del Carbono
3.1.- Resumen
3.2.- Ciclo Redox
3.2.1.- Fotosíntesis
3.2.2.- Descomposición óxica
3.2.3.- Descomposición anóxica y sus límites
a) Metanogénesis
b) Transferencia interespecífica de H2 y Sintrofía
c) Hábitats metanogénicos
d) Metanogénesis en los Océanos
e) Metanotrofía

24. Ciclo Redox del C: la descomposición anóxica
Óxico Anóxico
Fotosíntesis Bacterias
Plantas quimiolitotrofas
Algas
Cianobacterias
+ H20
(CH2O)n CO2 (CH2O)n
Compuestos Compuestos
orgánicos Crecimiento Muerte y sedimentación orgánicos
+ O2
Respiración Respiración anaeróbica; fermentación
Plantas Microorganismos anaeróbicos incluyendo
Animales Bacterias fototróficas
Microorganismos

25. Ciclo Redox del C: descomposición anóxica de celulosa
Bacterias:
- Clostridium
- Sedimentos lacustres
- Tracto intestinal de animales
- S. Tratamiento aguas residuales
- Rumen de los rumiantes
(Fibrobacter y Ruminococcus)

26. Ciclo Redox del C: descomposición anóxica
Polímeros Celulosa, otros polisacáridos,
complejos proteínas
Bacterias celulolíticas
Bacterias hidrolíticas
Monómeros Azúcares, aminoácidos
Bacterias fermentativas Fermentación primaria
Propionato-, Butirato-,
H2 + CO2 Acetato-
Succinato-, alcoholes

27. Ciclo del C: Límites de la descomposición anóxica
Ligninas
En medios óxicos → fenoles, ácidos y
alcoholes aromáticos:
Hongos.- Phanerochaete chrysosporium
Polyporus, Poria, Fomes, Agaricus,
Pleurotus, Collybia, Schizophyllum
Fusarium
Bacterias.- Artrobacterr
Flavibacterium
Micrococcus
Pseudomonas

28. Ciclo del C: Límites de la descomposición anóxica
Plantas y
animales
Hidrocarburos alifáticos
de cadena larga Petroleo
(hexadecano y octadecano)
Degradación anaeróbica lenta:
Ácidos grasos de
Bacterias sulfatoreductoras
cadena larga

29. Ciclos Biogeoquímicos (CBGQs)
1.- Introducción
2.- Reservorios y tasas de transferencia
3.- El Ciclo del Carbono
3.1.- Resumen
3.2.- Ciclo Redox
3.2.1.- Fotosíntesis
3.2.2.- Descomposición óxica
3.2.3.- Descomposición anóxica y sus límites
a) Metanogénesis
b) Transferencia interespecífica de H2 y Sintrofía
c) Hábitats metanogénicos
d) Metanogénesis en los Océanos
e) Metanotrofía

30. Ciclo Redox del C: Metanogénesis
Polímeros Celulosa, otros polisacáridos,
complejos proteínas
Bacterias celulolíticas
Bacterias hidrolíticas
Monómeros Azúcares, aminoácidos
Bacterias fermentativas Fermentación primaria
Propionato-, Butirato-,
H2 + CO2 Acetato-
Acetogénesis Succinato-, alcoholes
Homoacetógenos Bacterias oxidadoras
Fermentación
Metanógenos de ac. grasos y productoras
Acetato- secundaria
de H2 (sintrofos)
H2 + CO2 Acetato-
Metanógenos Metanógenos
CH4
Metanogénesis

31. Ciclo Redox del C: Metanogénesis
4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O (∆Gº´= -130,7 kJ/reacción)
4H2 + H+ + HCO3- → CH4 + 3H2O (∆Gº´= -135,6 kJ/reacción)
Grupo I: Methanobacterium, Methanobrevibacter, Methanosphaera
Grupo II: Methanothermus
Grupo III: Methanococcus
Grupo IV: Methanomicrobium, Methanogenium, Methanospirillum, Methanoplanus
Grupo V: Methanosarcina, Methanolobus, Methanoculleus, Methanohalobium,
Methanococcoides, Methanohalophilus, Methanotrix
Grupo VI: Methanopyrus
Grupo VII: Methanocorpusculum

32. Ciclo Redox del C: Homoacetogénesis
4H2 + H+ + 2HCO3-→ CH3-COO- + 4H2O (∆Gº´= -104,6 kJ/reacción)
Son Bacterias Gram +:
Acetoanaerobium
Acetobacterium
Acetogenium
Clostridium thermoaceticum, C. formicoacéticum

33. Ciclo Redox del C: Metanogénesis
H2O + CH3-COO- → CH4 + HCO3- (∆Gº´= -31kJ/reacción)
4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O (∆Gº´= -130,7 kJ/reacción)
4H2 + H+ + HCO3- → CH4 + 3H2O (∆Gº´= -135,6 kJ/reacción)

34. Ciclo Redox del C: Sintrofía
Fermentación del etanol:
2CH3-CH2OH + 2H2 O → 4H2 + 2CH3COO- + 2H+ (∆Gº´= + 19,36 kJ/reacción)
(etanol ) (acetato)
Metanogénesis:
4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O (∆Gº´= -130,7 kJ/reacción)
Reacción acoplada:
2CH3-CH2OH + CO2 → CH4 + 2CH3COO- + 2H+ (∆Gº´= -111,33 kJ/reacción)
B. oxidadoras de ác. grasos y productoras de H2:
Syntrophomonas
Syntrophobacter

35. Ciclo Redox del C: la descomposición anóxica
Óxico Anóxico
Fotosíntesis Bacterias
Plantas quimiolitotrofas
CH4 B. Metanógenas
Acetato
Algas C. metilados
Cianobacterias Bacterias fototróficas
+ H20 B. homoacetógenas
(CH2O)n CO2 (CH2O)n
Compuestos Compuestos
orgánicos Crecimiento Muerte y sedimentación orgánicos
+ O2
Respiración Respiración anaeróbica; fermentación
Plantas Microorganismos anaeróbicos incluyendo
Animales Bacterias fototróficas
Microorganismos

36. Ciclos Biogeoquímicos (CBGQs)
1.- Introducción
2.- Reservorios y tasas de transferencia
3.- El Ciclo del Carbono
3.1.- Resumen
3.2.- Ciclo Redox
3.2.1.- Fotosíntesis
3.2.2.- Descomposición óxica
3.2.3.- Descomposición anóxica y sus límites
a) Metanogénesis
b) Transferencia interespecífica de H2 y Sintrofía
c) Hábitats metanogénicos
d) Metanogénesis en los Océanos
e) Metanotrofía

37. Hábitats metanogénicos ⇒ Ambientes anóxicos
Pantános y zonas encharcadas Rumen de los rumiantes
rumiantes
T. Intestinal insectos
xilófagos y mamíferos Endosimbiontes de protistas

38. Estimaciones de la liberación de CH4 a la Atmósfera
Fuente Emisión de CH4 (106 Ton./año)
Biogénica
Rumiantes 80-100
Termes 25-150
Zonas encharcadas 70-120
Humedales naturales 120-200
Vertederos 5-70
Océanos y Lagos 1-20
Tundra 1-5
Abiogénica
Minería del Carbón 10-35
Emisiones de Gas natural 10-30
Escapes industriales y de gaseoductos 15-45
Combustión de Biomasa 10-40
Hidratos de metano 2-4
Volcanes 0,5
Automóviles 0,5
Total Biogénico 302-665 81-86% del Total
Total Abiogénico 48-155 14-19% del Total
Total 349-820

39. Ciclos Biogeoquímicos (CBGQs)
1.- Introducción
2.- Reservorios y tasas de transferencia
3.- El Ciclo del Carbono
3.1.- Resumen
3.2.- Ciclo Redox
3.2.1.- Fotosíntesis
3.2.2.- Descomposición óxica
3.2.3.- Descomposición anóxica y sus límites
a) Metanogénesis
b) Transferencia interespecífica de H2 y Sintrofía
c) Hábitats metanogénicos
d) Metanogénesis en los Océanos
e) Metanotrofía

40. Ciclo Redox del C: Metanogénesis en los Océanos
4H2 + SO42- → H2S + 2H2O + 2 OH- (∆Gº´= -155,13 kJ/reacción)
4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O (∆Gº´= -130,7 kJ/reacción)
CH3-COO- + SO42- → 2HCO3- + HS- (∆Gº´= -47,6 kJ/reacción)
CH3-COO- + H2O → CH4 + HCO3- (∆Gº´= -31kJ/reacción)

41. Ciclo Redox del C: Metanogénesis en los Océanos
Methanosarcina
Sustratos metilados CH4
(metilaminas, metanol) Methanococcus

42. Ciclos Biogeoquímicos (CBGQs)
1.- Introducción
2.- Reservorios y tasas de transferencia
3.- El Ciclo del Carbono
3.1.- Resumen
3.2.- Ciclo Redox
3.2.1.- Fotosíntesis
3.2.2.- Descomposición óxica
3.2.3.- Descomposición anóxica y sus límites
a) Metanogénesis
b) Transferencia interespecífica de H2 y Sintrofía
c) Hábitats metanogénicos
d) Metanogénesis en los Océanos
e) Metanotrofía

43. Ciclo Redox del C: Metanotrofía
Óxico Anóxico
Fotosíntesis Bacterias
Plantas quimiolitotrofas
CH4 B. Metanógenas
Acetato
Algas C. metilados
Cianobacterias B. Metanotrofas
Bacterias fototróficas
+ H20 B. homoacetógenas
(CH2O)n CO2 (CH2O)n
Compuestos Compuestos
orgánicos Crecimiento Muerte y sedimentación orgánicos
+ O2
Respiración Respiración anaeróbica; fermentación
Plantas Microorganismos anaeróbicos incluyendo
Animales Bacterias fototróficas
Microorganismos

44. Ciclo Redox del C: Metanotrofía
CH4 CH3OH HCHO HCOO- HCO3-
-126 kJ -193 kJ -214 kJ -239 kJ
metano metanol formaldehído formiato bicarbonato
Metanotrofos Tipo I: Metanotrofos Tipo II:
(Gamma-Proteobacterias) (Alfa-Proteobacterias)
Methylomonas Methylosinus
Methylomicrobium Methylocistis
Methylobacter
Methylococcus
Ribulosa monoP Serina

46. Ciclo Redox del C: Metanotrofía
Óxico Anóxico
Fotosíntesis Bacterias
Plantas quimiolitotrofas
CH4 B. Metanógenas
Acetato
Algas C. metilados
Cianobacterias B. Metanotrofas
Bacterias fototróficas
+ H20 B. homoacetógenas
(CH2O)n CO2 (CH2O)n
Compuestos Compuestos
orgánicos Crecimiento Muerte y sedimentación orgánicos
+ O2
Respiración Respiración anaeróbica; fermentación
Plantas Microorganismos anaeróbicos incluyendo
Animales Bacterias fototróficas
Microorganismos