Clase microbilogia X - XI - MicroAmbiental.pdf

TEMA 10 - 11:
Microorganismos en el ciclo
biológico del Agua, Carbono,
Nitrógeno y Fósforo
Dra. Liz M. Cumpa Velasquez - marjory.cumpa@untrm.edu.pe
FICIAM | MICROBIOLOGÍA AMBIENTAL
FICIAM | MICROBIOLOGÍA AMBIENTAL | 2023

¿Qué es un Ciclo Biogeoquímico?

Un ciclo biogeoquímico es el movimiento de los elementos
(nitrógeno, oxígeno, hidrógeno, azufre, fósforo, potasio, carbono y
otros elementos) entre los seres vivos y el ambiente (atmósfera,
biomasa y sistemas acuáticos) mediante una serie de procesos:
producción y descomposición de la tierra
¿Qué es un Ciclo Biogeoquímico?

La disponibilidad limitada de materia orgánica
destaca la importancia crucial de su reciclaje
para el sostenimiento de la vida en la Tierra.
¿Cuál es su importancia?

Elemento Cantidad (%) Formas de absorción
Carbono 45.0 CO2
Oxígeno 45.0 O2
/ CO2
/ H2
O
Hidrógeno 6.0 H2O
Nitrógeno 1.5 NO3
/ NH4
+
Potasio 1.0 K+
Calcio 0.5 Ca2+
Fósforo 0.2 H2
PO4
-
/ HPO4
3+
Magnesio 0.2 Mg
Azufre 0.1 SO4
3-
Composición de las plantas

La energía es inagotable pero la cantidad de los productos
químicos disponibles en la Tierra son constantes y sólo se
alimentan de contribuciones de meteoritos y micrometeoritos
En ese sentido, la falta de reciclaje de elementos traería como
consecuencia el agotamiento de los nutrientes, lo que podría
llevar a la desaparición de la vida.

Todos los organismos vivos contribuyen a los ciclos biogeoquímicos, pero
los microorganismos, debido a su gran abundancia, sus tremendas
capacidades metabólicas y su potencial de adaptación, juegan un papel
clave en el funcionamiento y la evolución de los ciclos biogeoquímicos.
¿Cuál es el rol de los microorganismos en los
ciclos biogeoquímicos?

Son actores clave en la adaptación, resistencia y resiliencia
de los ecosistemas
¿Cuál es el rol de los microorganismos en los
ciclos biogeoquímicos?

https://www.usgs.gov/special-topics/water-science-school/
science/el-ciclo-del-agua-water-cycle-spanish

El ciclo del agua describe dónde se encuentra el agua en la Tierra y cómo se
mueve
Algunos datos generales:
● El agua se almacena en la atmósfera, en la superficie terrestre y debajo del suelo.
● Se encuentra en estado líquido, sólido o gaseoso.
● El agua líquida puede ser dulce, salada o salobre.
● El agua se mueve entre los lugares donde está almacenada. A gran escala (A través de las
cuencas, la atmósfera y debajo de la superficie de la Tierra o a escalas muy pequeñas (Seres
humanos, las plantas y otros organismos).
CICLO DEL AGUA

¿Dónde se encuentra el
agua?

¿Dónde se encuentra el agua?
El agua se encuentra en los
RESERVORIOS (Lugares de
almacenamiento de agua como
océanos, lagos, etc)
Los océanos almacenan 96 % de
toda el agua que hay en la
Tierra. El agua del océano es
salina, lo que signiﬁca que es
salada. En tierra ﬁrme, el agua
salada se almacena en lagos
salinos. El resto del agua de la
Tierra es agua dulce

El agua dulce se
almacena en
forma líquida en
lagos de agua
dulce, embalses
artiﬁciales,
ríos, y
humedales.

El agua se almacena
en forma sólida y
congelada en capas
de hielo y
glaciares, y en
capas de nieve a
gran altura o cerca
de los polos de la
Tierra.

El vapor de agua es un
gas y se almacena como
humedad atmosférica
sobre el océano y tierra
firme.

En el suelo, el
agua congelada se
almacena como
permafrost y el
agua líquida se
almacena como
humedad del
suelo.

Más profundo
bajo tierra, el
agua líquida se
almacena en
acuíferos
subterráneos,
dentro de las
grietas y poros
de la roca

El agua no es estática, se entre las reservas cambiando su forma entre
líquido, sólido y gas.
El agua se mueve entre la atmósfera y la superficie a través de EVAPORACIÓN,
EVAPOTRANSPIRACIÓN, y PRECIPITACIÓN. El agua se mueve a través de la superficie
mediante DESHIELO, ESCORRENTÍA, y FLUJOS DE AGUA. El agua se mueve hacia el
suelo a través de INFILTRACIÓN y RECARGA DE AGUA SUBTERRÁNEA. El agua
subterránea puede regresar a la superficie a través de la DESCARGA NATURAL hacia
los ríos, el océano y desde los manantiales.

Proceso que transforma el agua líquida en
agua gaseosa (vapor de agua), cuando la
energía (calor) fuerza a romper los enlaces
que mantienen unidas las moléculas de agua.
El agua pasa desde la superficie de la Tierra a
la atmósfera a través de la evaporación.
La mayor parte de la humedad de la
atmósfera (alrededor del 90%) proviene del
agua que se evapora de los océanos, mares,
lagos y ríos; el resto proviene de la
transpiración de las plantas y (una cantidad
muy pequeña) de la sublimación.
Evaporación

La evaporación es más frecuente en los
océanos que la precipitación, mientras que en
la tierra, la precipitación suele exceder a la
evaporación.
La mayor parte del agua que se evapora de
los océanos vuelve a caer a los océanos en
forma de precipitación. Sólo alrededor del 10
por ciento del agua evaporada de los océanos
se transporta por la tierra y cae en forma de
precipitación.
Una vez evaporada, una molécula de agua
pasa unos 10 días en el aire.
El proceso de evaporación es tan grande
que sin la escorrentía de las
precipitaciones y la descarga de aguas
subterráneas de los acuíferos, los océanos
quedarían casi vacíos
Evaporación

La evaporación también se da en la
tierra, pero a menor escala.
Evaporación

La suma de todos los procesos por los
cuales el agua pasa desde la superficie
terrestre a la atmósfera mediante la
evaporación y la transpiración.
La evapotranspiración incluye la
evaporación del agua a la atmósfera desde la
superficie del suelo, la evaporación de la
franja capilar del nivel freático y la
evaporación de los cuerpos de agua en la
tierra
Evapotranspiración

La transpiración ocurre cuando las
plantas absorben agua líquida del suelo
y liberan vapor de agua al aire desde
sus hojas.
Este proceso se da en tres pasos
principales:
- Las raíces absorben agua del
suelo.
- El agua se mueve a través de los
tejidos vegetales y cumple
funciones metabólicas y
fisiológicas críticas en la planta.
- Las hojas liberan vapor de agua al
aire a través de sus estomas
La transpiración de las plantas es
prácticamente un proceso invisible.
Durante una temporada de crecimiento,
una hoja transpirará muchas veces más
agua que su propio peso
Evapotranspiración

Condensación y
Precipitación
La condensación es el proceso
mediante el cual el vapor de agua del
aire se transforma en agua líquida. La
condensación es crucial para la
formación de nubes. Estas nubes
pueden producir precipitaciones, que
es la ruta principal por la que el agua
regresa a la superﬁcie de la Tierra.
El agua se evapora y condensa
continuamente en el cielo. La mayor
parte del agua condensada en las
nubes no cae en forma de precipitación
porque su velocidad de caída no es lo
suﬁcientemente grande como para
superar las corrientes ascendentes que
sostienen las nubes.

Condensación y
Precipitación
Para que se produzca precipitación, las
primeras pequeñas gotas de agua
deben condensarse en partículas aún
más pequeñas de polvo, sal o humo,
que actúan como un núcleo y las unen

Deshielo
El deshielo es el resultado de la fusión de
nieve sólida en agua líquida.
Los campos de nieve de las montañas y, en
menor medida, los glaciares, actúan como
reservorios naturales de agua en algunas
zonas, como el oeste de Estados Unidos y
Canadá. Estas áreas almacenan
precipitaciones de la estación fría, cuando
cae la mayor cantidad de precipitaciones.
Cuando la estación cambia y se calienta, la
capa de nieve se derrite, liberando agua a
los ríos
Durante ciertas épocas del año, el deshielo
puede ser responsable de la mayor parte
del caudal de un río

Deshielo
El efecto del deshielo sobre posibles
inundaciones, principalmente durante la
primavera, es algo que preocupa a muchas
personas en todo el mundo. Además de las
inundaciones, el rápido deshielo puede
provocar deslizamientos de tierra y flujos
de escombros.

Escorrentía
El escurrimiento del agua de lluvia por
la red de drenaje hasta alcanzar la red
fluvial. La escorrentía es uno de los
procesos básicos que se incluye en el
ciclo del agua.
Escorrentía superficial o directa: La
precipitación que sobre la superficie del
terreno discurre por la acción de la
gravedad sin infiltrarse en el suelo.
Escorrentía Hipodérmica: El agua de
precipitación infiltrada en el suelo que
se mueve sobre los horizontes
superiores y reaparece almacenado
como manantial o se incorpora a la red
de drenaje superficial.
Escorrentía Subterránea: es la
precipitación que se infiltra hasta el
nivel freático circulando hasta alcanzar
la red de drenaje.

Flujo de ríos
Para que se produzca precipitación, las
primeras pequeñas gotas de agua
deben condensarse en partículas aún
más pequeñas de polvo, sal o humo,
que actúan como un núcleo y las unen

Infiltración
Una parte del agua que cae en forma
de lluvia y nieve se infiltra en el suelo y
las rocas del subsuelo.
Parte del agua que se infiltra
permanecerá en la capa poco profunda
del suelo, donde se moverá
gradualmente vertical y
horizontalmente a través del suelo y el
material del subsuelo. Parte del agua
puede infiltrarse más profundamente,
recargando los acuíferos subterráneos.
El agua puede viajar largas distancias o
permanecer almacenada en aguas
subterráneas durante largos períodos
antes de regresar a la superficie o
filtrarse en otros cuerpos de agua,
como arroyos y océanos.

Inﬁltración ¿Y los microorganismos?

El efecto de los seres humanos en el ciclo de agua
Redirigimos ríos. Construimos presas para almacenar agua. Drenamos el agua de los humedales para el
desarrollo. Utilizamos agua de ríos, lagos, embalses y acuíferos subterráneos.
Usamos esa agua para abastecer nuestros hogares y comunidades. Lo utilizamos para riego agrícola y
pastoreo de ganado. Lo utilizamos en actividades industriales como generación de energía
termoeléctrica, minería y acuicultura.
En las zonas agrícolas y urbanas, el riego y las precipitaciones arrastran fertilizantes y pesticidas a los
ríos y las aguas subterráneas. Las centrales eléctricas y las fábricas devuelven agua calentada y
contaminada a los ríos. La escorrentía transporta sustancias químicas, sedimentos y aguas residuales a
ríos y lagos. Aguas abajo de estas fuentes, el agua contaminada puede causar proliferación de algas
nocivas, propagar enfermedades y dañar los hábitats de la vida silvestre.

El cambio climático está afectando
activamente al ciclo del agua.
Los patrones de precipitación están
cambiando. La frecuencia, intensidad y
duración de los fenómenos
meteorológicos extremos, como
inundaciones o sequías, también están
cambiando. El nivel del mar está
aumentando, lo que provoca inundaciones
costeras. El cambio climático también está
afectando la calidad del agua. Está
provocando la acidificación de los océanos,
lo que daña los caparazones y esqueletos
de muchos organismos marinos. El cambio
climático aumenta la probabilidad y la
intensidad de los incendios forestales, que
introducen contaminantes no deseados
como hollín y cenizas en lagos y arroyos
cercanos.

“El ciclo del agua es importante por sí mismo y los patrones de circulación del
agua y la precipitación tienen grandes efectos en los ecosistemas de la tierra.
Sin embargo, la lluvia y el escurrimiento superﬁcial también tienen una
función en la circulación de varios elementos, entre estos el carbono, el
nitrógeno, el fósforo y el azufre. En particular, el escurrimiento superﬁcial
ayuda a estos elementos a moverse de los ecosistemas terrestres a los
acuáticos y a permitir la vida en la tierra tal como la conocemos”.

En la biosfera, los microorganismos incluyen
productores, consumidores y descomponedores.
Durante tres mil millones de años, todas las etapas de
los ciclos biogeoquímicos se realizaron únicamente por
microorganismos. Actualmente, están involucrados en
casi todos los pasos de los ciclos y son los únicos
organismos capaces de realizar algunos de estos pasos.
Por ejemplo, procesos como la reducción de sulfatos, la
desnitrificación, la fijación de nitrógeno y la producción
y consumo de metano están específicamente
relacionados con la actividad de los microorganismos.
En su ausencia, todos los elementos esenciales para la
vida quedaría atrapada en moléculas orgánicas de
cadáveres y desechos.
El mantenimiento de la vida de plantas, animales y
humanos depende totalmente de la actividad
microbiana.
Microorganismos en los
ciclos biogeoquímicos
Representación de una partícula orgánica en un ambiente acuático óxico, mostrando metabolismos
bacterianos asociados: metabolismo aeróbico en la microcapa superior óxica y metabolismo anaeróbico
en la zona anóxica interna. DN: Desnitrificación, OM: Materia Orgánica
(Bertrand et al., 2014)
doi: 10.1007/978-94-017-9118-2_14

CICLO DE CARBONO

Todos los seres vivos de la Tierra están basados en carbono, lo cual evidencia la
importancia de este elemento para el sostenimiento de la vida.
Mantiene la estabilidad estructural de las moléculas bioquímicas e incluso es
una fuente de energía y materia prima para diversos campos de la industria.
En las células, el carbono resulta primordial, ya que las mantiene unidas
sólidamente y les proporciona energía metabólica debido a su reactividad
química.

(Bertrand et al., 2014)
doi: 10.1007/978-94-017-9118-2_14
Se divide en dos subciclos; el
biológico que involucra a los seres
vivos, tanto animales como
vegetales; y el geológico que
involucra sedimentos subterráneos
y oceánicos que fluyen a través de
la atmósfera y vuelven a su origen.
El ciclo global del carbono en la década de 1990. Los tanques están en
negrita (Pg C) y los flujos en cursiva (Pg C año1). Los valores
anteriores a la perturbación humana se muestran en negro, mientras
que los resultantes de las actividades humanas se muestran en rojo; la
respiración se refiere únicamente a la respiración aeróbica.
1 página: (1 petagramo) = 1015 g; PMG: Primaria Bruta Modificada,
GPP: Producción Primaria Bruta, GtC: Gigatoneladas de carbono.

Maier, R. M. (2015)
DOI: 10.1016/b978-0-12-394626-3.00016-8
Para que este elemento pueda circular entre
los distintos seres vivos y así ejercer su
función clave en el mantenimiento de la vida,
se requiere una serie de procesos

El ciclo a corto plazo o ciclo biológico se caracteriza
por flujos anuales brutos muy intensos entre los
reservorios y sub reservorios de carbono, siendo los
flujos netos extremadamente bajos.
El CO2
es químicamente estable y su tiempo de
residencia en la atmósfera es de unos 4 años antes de
ingresar al océano o incorporarse a la biomasa
continental.
En general, los procesos implicados tienen lugar en
escalas de tiempo inferiores a un siglo.
1. FOTOSÍNTESIS: Que utiliza la luz para sintetizar
materia orgánica fijando carbono en carbohidratos
(CH2
O).
2. RESPIRACIÓN: Que oxida la materia orgánica a CO2
.
3. Algunas fermentaciones que pueden producir CO2
.

FIJACIÓN DEL CARBONO POR
FOTOSÍNTESIS
La capacidad de realizar la fotosíntesis permite atrapar y
almacenar la energía solar.
Los organismos fotosintéticos, también llamados
productores primarios, incluyen plantas y
microorganismos como algas, cianobacterias,
algunas bacterias y algunos protozoos.
Estos, toman el dióxido de carbono (CO2
) de la
atmósfera absorbiéndolo en sus células.
Alĺí, combinan dióxido de carbono (CO2
) y agua para
formar azúcar (CH2
O) y oxígeno.
CO2
+ H2
O + energía = CH2
O + O2

FOTOSÍNTESIS
La productividad varía ampliamente entre los
diferentes ecosistemas dependiendo del clima, el tipo
de productor primario y si el sistema está gestionado.
Por ejemplo, una de las áreas naturales más
productivas son los arrecifes de coral.
El océano abierto tiene una productividad mucho
menor, pero cubre la mayor parte de la superﬁcie de la
Tierra y, por lo tanto, contribuye de manera
importante a la producción primaria.
De hecho, los ambientes acuáticos y terrestres
contribuyen casi por igual a la producción primaria
mundial.
Si bien, las plantas predominan en los ambientes
terrestres, los microorganismos son responsables de la
mayor parte de la producción primaria en los
ambientes acuáticos.

FOTOSÍNTESIS
De ello se deduce que los
microorganismos son responsables
de aproximadamente la mitad de
toda la producción primaria de la
Tierra.
Maier, R. M. (2015)
DOI: 10.1016/b978-0-12-394626-3.00016-8

RESPIRACIÓN
El dióxido de carbono que se fija en compuestos orgánicos como resultado de la actividad fotoautótrofa está
disponible para el consumo o la respiración de animales y microorganismos heterótrofos.
En consecuencia, las plantas descomponen el azúcar para obtener la energía que necesitan para crecer. Los
animales (incluidas las personas) comen las plantas o el plancton y descomponen el azúcar, también para
obtener energía. Las plantas y el plancton mueren y se descomponen (son devorados por las bacterias) al
final de la temporada de crecimiento, o el fuego puede consumir las plantas.
En cada caso, el oxígeno se combina con el azúcar para liberar agua, dióxido de carbono y energía. La
reacción química básica se ve así:
CH2O + O2 = CO2 + H2O + energía
El dióxido de carbono liberado en la reacción suele acabar en la atmósfera.

FERMENTACIÓN
La fermentación juega un papel importante en el ciclo del carbono de los
sedimentos anaeróbicos en agua dulce, fermentadores de aguas residuales o el
aparato digestivo de vertebrados e insectos.
La fermentación signiﬁca crecimiento en ausencia de aceptores de
electrones externos o de luz.
Los sustratos más comunes para el metabolismo fermentativo son los
azúcares y los aminoácidos. Los sustratos se degradan primero en una parte
oxidativa del metabolismo, produciendo piruvato o compuestos relacionados y
nicotinamida adenina dinucleótido (fosfato) reducido (NAD(P)H).
La materia orgánica (polisacáridos, proteínas, grasas y monómeros
derivados de los mismos) puede mineralizarse en ausencia de aceptores
externos de electrones de metano y CO2
mediante la interacción de
procariotas metanogénicos y ofrendantes en una cadena alimentaria
anaeróbica.
Los fermentadores primarios degradan azúcares y aminoácidos mediante
reacciones típicas de fermentación a propionato, butirato, succinato, lactato,
acetato, etanol, CO2
, H2
y NH3
.

MICROORGANISMOS METANOTROFOS
Las bacterias y arqueas que utilizan metano como fuente de carbono se denominan metanótrofas.
los compuestos de un carbono reducido, como el metano, se acumulan en ciertos ambientes anaeróbicos
cuando las arqueas llamadas metanógenos utilizan el CO2
como aceptor terminal de electrones en la
respiración anaeróbica.
Algunos metanógenos también fermentan acetato (dos carbonos) para producir metano y CO2
. La
acumulación de metano debido a la metanogénesis ocurre tanto en suelos anaeróbicos naturales como en
ambientes acuáticos.
La acumulación de metano también ocurre como resultado de la cría de animales porque los
metanógenos son miembros de la microbiota normal de los rumiantes. La acumulación de metano
ambiental debido a la metanogénesis tiene consecuencias porque es un fuerte gas de efecto invernadero
y los metanótrofos ayudan a reducir los niveles de metano atmosférico.

https://earthobservatory.nasa.gov/features/CarbonCycle
Este diagrama del ciclo
rápido del carbono muestra el
movimiento del carbono entre
la tierra, la atmósfera y los
océanos. Los números
amarillos son flujos naturales
y los rojos son las
contribuciones humanas en
gigatoneladas de carbono por
año. Los números blancos
indican carbono almacenado.
(Diagrama adaptado del
Sistema de Información
sobre Investigación Biológica
y Ambiental del
Departamento de Energía de
EE. UU.)

La paradoja del dióxido de carbono
El dióxido de carbono es un ingrediente crucial
en la fotosíntesis, el proceso por el que las
plantas transforman la energía del sol para
convertir el agua y el dióxido de carbono en
azúcar. A cambio, las plantas emiten oxígeno.
Desde el comienzo de la era industrial, las
actividades humanas han aumentado el CO2
atmosférico en un 50 %, lo que signiﬁca que la
cantidad de CO2
ahora es el 150 % de su valor
en 1750.
Atrapa el calor, o gas de efecto invernadero,
que proviene de la extracción y quema de
combustibles fósiles (como carbón, petróleo y
gas natural), de incendios forestales y de
procesos naturales como erupciones
volcánicas.
El CO2
calienta el planeta, provocando el
cambio climático. Las actividades humanas
han elevado el contenido de dióxido de
carbono de la atmósfera en un 50 % en menos
de 200 años

CICLO DEL NITRÓGENO

Algunos datos:
En la Tierra, a temperatura y presión estándar, dos átomos del elemento se unen para
formar el llamado dinitrógeno o nitrógeno molecular, un gas incoloro, inodoro e
insípido de fórmula N2
y que conforma cerca del 78% de la atmósfera terrestre.
De hecho, se trata un elemento muy común en el universo; en concreto el nitrógeno es
el séptimo elemento en abundancia de la Vía Láctea y el sistema solar, y en la Tierra es el
elemento más abundante en su forma molecular.
Es el cuarto elemento más común que se encuentra en las células, representa
aproximadamente el 12% del peso seco de las células e incluye los procesos de ﬁjación de
nitrógeno y oxidación de amonio, catalizados por microbios.
Existe un gran interés en el ciclo del nitrógeno porque el nitrógeno es el nutriente mineral
más demandado por microorganismos y plantas.

El gas nitrógeno se libera continuamente a la
atmósfera debido a erupciones volcánicas e
hidrotermales, y es una de las principales
reservas mundiales de nitrógeno.
Un segundo reservorio importante es el
nitrógeno que se encuentra en la corteza
terrestre como amonio ligado y no
intercambiable.
Ninguno de estos embalses tiene un ciclo
activo; El nitrógeno de la corteza terrestre no
está disponible y el N2
de la atmósfera debe
ﬁjarse antes de que esté disponible para uso
biológico.
Maier, R. M. (2015)
DOI: 10.1016/b978-0-12-394626-3.00016-8

Oxidación
Reducción
Nitrito
Nitrato

LA FBN es un proceso energéticamente muy
costoso.
El nitrógeno se fija en amoníaco (NH3
) por más
de 100 bacterias de vida libre diferentes, tanto
aeróbicas como anaeróbicas, así como por
algunos actinomicetos y cianobacterias.
Las células bacterianas de vida libre que no se
encuentran cerca de la raíz de una planta fijan
pequeñas cantidades de nitrógeno (1 a 2 kg
N/hectárea/año). Las células bacterianas
asociadas con el entorno de la rizosfera rico
en nutrientes pueden fijar mayores cantidades
de N2
(2 a 25 kg N/hectárea/año).
Fijación biológica del nitrógeno:
Un proceso muy costoso
EL amoniaco (NH3
) rápidamente se transforma
en Amonio (NH4
+
)

Fijación biológica del nitrógeno:
Un proceso muy costoso
Las cianobacterias son los organismos
fijadores de N2
predominantes en los
ambientes acuáticos y, debido a que son
fotosintéticas, las tasas de fijación de N2
son
uno o dos órdenes de magnitud más altas que
las de las bacterias no fotosintéticas de vida
libre.
Una estrategia evolutiva desarrollada en
colaboración por plantas y microbios para
aumentar la eficiencia de la fijación de N2
fue
entrar en una relación simbiótica o mutualista
para maximizar la fijación de N2
.
Simbiosis -> 200 to 300 kg N/hectarea/año.

Asimilación (inmovilización) y amonificación
(mineralización) de amoníaco
El producto final de la fijación de N2
es el amoníaco. En el
medio ambiente existe un equilibrio entre el amoníaco (NH3
)
y el amonio (NH4
+
) depende del pH. Este equilibrio favorece
la formación de amonio a pH ácido o casi neutro. Por lo
tanto, generalmente es la forma de amonio en la que las
células asimilan en aminoácidos para formar proteínas,
componentes de la pared celular como el ácido
N-acetilmurámico y purinas y pirimidinas para formar ácidos
nucleicos. Este proceso se conoce como asimilación o
inmovilización de amonio.
El nitrógeno también puede inmovilizarse mediante la
absorción e incorporación de nitrato a la materia
orgánica, un proceso conocido como reducción asimilatoria
de nitrato.
El proceso que revierte la inmovilización, la liberación de
amoníaco de las células muertas y en descomposición, se
llama amonificación o mineralización de amonio. Tanto la
inmovilización como la mineralización del nitrógeno ocurren
en condiciones aeróbicas y anaeróbicas.

Oxidación de amonio: Nitrificación
La nitrificación es la conversión de amonio en nitrato catalizada por
microbios. Este es predominantemente un proceso quimioautótrofo
aeróbico, pero algunos metilotrofos pueden usar la enzima metano
monooxigenasa para oxidar el amonio y algunos hongos y bacterias
heterótrofos también pueden realizar esta oxidación.
Los nitrificantes autótrofos son un grupo de bacterias estrechamente
relacionado. Los nitrificadores mejor estudiados son los del género
Nitrosomonas, que oxida el amonio a nitrito, y Nitrobacter, que oxida el
nitrito a nitrato.
PRIMER PASO: Oxidación de Amonio a nitrito SEGUNDO PASO: Oxidación de nitrito a nitrato

Oxidación de amonio: Anammox
Un descubrimiento relativamente reciente es que la oxidación del amonio también puede
ocurrir en condiciones anaeróbicas utilizando nitrito como aceptor terminal de
electrones. Este proceso, conocido como anammox, es la oxidación bacteriana del
amonio utilizando nitrito como aceptor de electrones, lo que da como resultado la
producción de nitrógeno.
Desde entonces se ha observado en una amplia variedad de ecosistemas acuáticos y
terrestres con niveles naturalmente bajos de oxígeno. Estos incluyen sedimentos marinos
y de agua dulce y columnas de agua anóxicas, ambientes terrestres anóxicos, así como
una serie de sistemas gestionados que incluyen plantas de tratamiento de aguas
residuales, acuicultura y sistemas de tratamiento de lixiviados en vertederos. Todas las
bacterias anammox identiﬁcadas están asociadas con el ﬁlo Planctomycetes.

Reducción del nitrato: Reducción Asimilatoria del nitrato (inmovilización)
Las plantas y los microorganismos pueden absorber e incorporar nitrato a la
biomasa viva. A la absorción de nitrato le sigue su reducción a amonio, que
luego se incorpora a la biomasa. Este proceso se llama reducción asimilatoria
de nitratos o inmovilización de nitratos.
Los microorganismos pueden utilizar el nitrato como aceptor terminal de
electrones en la respiración anaeróbica para impulsar la oxidación de
compuestos orgánicos. Hay dos vías separadas para este proceso de
disimilación, una llamada reducción de nitrato disimilatoria a amonio, donde el
amonio es el producto ﬁnal, y otra llamada desnitriﬁcación, donde se forma una
mezcla de productos gaseosos que incluyen N2
y N2
O.

Reducción del nitrato: Reducción disimilatoria de nitrato
Utiliza nitrato como aceptor terminal de electrones para producir energía para
impulsar la oxidación de compuestos orgánicos. El producto final es amonio:
Reducción del nitrato: Desnitrificación
La desnitrificación se refiere a la reducción microbiana de nitrato, a través de
diversas formas inorgánicas gaseosas, a N2
. Este es el principal tipo de reducción
disimilatoria de nitrato que se encuentra en el suelo y, como tal, es preocupante
porque convierte el nitrógeno fijado nuevamente en N2
.

NITRÓGENO COMO FACTOR LIMITANTE PARA LA AGRICULTURA

Proceso Haber-Bosch
Un aproximado del 78,1% del aire que nos rodea está compuesto por nitrógeno
molecular, conocido como N2
. Este elemento existe en forma de molécula
diatómica gaseosa y es extremadamente estable e inerte debido a su fuerte
enlace triple que mantiene unidos sus dos átomos.
No fue hasta los primeros años del siglo XX que se desarrolló un proceso para
extraer nitrógeno del aire y producir amoníaco, que, al oxidarse, se convierte en
nitritos y nitratos. Estos compuestos son esenciales en la producción de ácido
nítrico (HNO3
) y fertilizantes, como el nitrato de amonio (NH4
NO3
), por ejemplo.

Fritz Haber - Carl Bosch

Para acelerar esta reacción naturalmente lenta, se utiliza un catalizador
que consiste en hierro (Fe3+
), óxidos de aluminio (Al2
O3
) y potasio (K2
O),
lo que permite alcanzar el equilibrio más rápidamente. Los factores que
aumentan el rendimiento de la reacción, desplazándola hacia la
formación de productos (siguiendo el Principio de Le Châtelier), incluyen
condiciones de alta presión (entre 150 y 300 atmósferas) y altas
temperaturas (entre 200 y 300 °C), lo que resulta en un rendimiento del
10-20%.

Aunque la extracción de nitrógeno del aire no causa ningún
problema de rarefacción, el proceso anual de síntesis de 500
millones de toneladas de fertilizantes artiﬁciales consume el 1% de
los suministros mundiales de energía y, adicionalmente, las
consecuencias sanitarias y medioambientales de la liberación de
amoniaco y otros nitratos, se han hecho evidentes desde ﬁnales
del siglo XX.

La paradoja del nitrógeno
El nitrógeno es el nutriente mineral que más influye en el crecimiento de las plantas y por tanto en la
productividad primaria de la mayoría de los ecosistemas. Sin embargo, la acumulación de estos
compuestos nitrogenados como de los producidos por la emisión de gases de origen antrópico,
puede tener diversas consecuencias en el medio ambiente, entre las que destacan:
-Contaminación de acuíferos.
-Eutrofización y floración de algas en masas de agua, lo que se traduce en el agotamiento del oxígeno
en estas con la consiguiente muerte de la fauna y en el aumento en la emisión de gases de efecto
invernadero.
-Los óxidos de nitrógeno en la atmósfera pueden actuar como precursores del ozono troposférico y
otros contaminantes fotoquímicos.
-El óxido nitroso, N2
O, es por sí mismo un gas de efecto invernadero 300 veces más potente que
el CO2
.
- Al ascender en la atmósfera, los óxidos de nitrógeno pueden mezclarse con otros gases y reaccionar
convirtiéndose en precursores de la lluvia ácida.
-Los compuestos de nitrógeno formados como producto de combustión pueden contribuir a la
formación del smog fotoquímico.

¿Existen políticas públicas para
reducir la huella de Nitrógeno?

Actividad:
¿Cuál es el estado de las reservas de agua?
¿Cuáles son las medidas vigentes para reducir las huella de
Carbono?
¿Qué es la huella de Nitrógeno? ¿Existen políticas públicas para
reducir la huella de Nitrógeno?.

Práctica: Número más probable
Consideraciones:
Ubicar ríos/cuerpos de agua con potencial contaminación.
En zonas seguras de baja profundidad y poca corriente,
sumergir el frasco estéril 20cm y tomar suﬁciente cantidad de
agua. Dejar 2 -3 cm de espacio. Sellar inmediatamente
Tomar la muestra martes por la tarde (REFRIGERAR) o miércoles
muy temprano.
Registro de datos: Nombre del Lugar, geolocalización, nombre
de quién colectó la muestra.

CICLO DEL FÓSFORO

El fósforo desempeña un papel fundamental en la composición de los
ácidos nucleicos, como el ADN, y de los fosfolípidos que constituyen las
membranas celulares. Además, en su forma de fosfato de calcio, actúa
como componente estructural que brinda soporte a nuestros huesos.
En la naturaleza, el fósforo suele ser el nutriente limitante, es decir, se
encuentra en menor cantidad y, por lo tanto, restringe el crecimiento,
especialmente en los ecosistemas acuáticos de agua dulce.

Algunos datos:
El ciclo del P, es naturalmente lento.
En la naturaleza, el fósforo predominante adopta la forma de iones fosfato,
PO4
3-
. Los compuestos fosfatados se encuentran en rocas sedimentarias, y a
medida que estas se descomponen por meteorización a lo largo del tiempo, el
fósforo que contienen se filtra gradualmente hacia el suelo y las aguas
superficiales.
La ceniza volcánica, los aerosoles y el polvo mineral también pueden ser
fuentes significativas de fosfatos, aunque el fósforo no tiene realmente una fase
gaseosa.
Se da principalmente en la corteza terrestre y el lecho marino.

Los procesos de erosión y mineralización causado por las lluvias, minería y
erosión contribuyen a que el fósforo sea liberado.
El fósforo liberado al suelo es absorbido por las plantas en la corteza terrestre y
en los cuerpos de agua por las algas y fitoplancton. Estos lo integran en su
sistema (consumidores primarios) para luego ser transferidos a sus
depredadores.
El fósforo es retornado a la corteza terrestre o cuerpos de agua mediante las
excreciones de los depredadores y la descomposición del cuerpo de los
mismos.
Las actividades antropogénicas como la minera y la agricultura son factores
que afectan el ciclo del P.

El Po del suelo, que aporta
una gran proporción del P
total del suelo, se origina
principalmente en tejidos
biológicos donde el P está
presente como parte integral
de compuestos orgánicos,
como nucleótidos,
fosfolípidos, fosfoproteínas y
coenzimas.
En el suelo, el fósforo
existe principalmente en
forma inorgánica (Pi) y
orgánica (Po)
El Pi suele estar presente en
formas relativamente insolubles y
estables de minerales P primarios
(incluidas apatita, strengita y
variscita) y secundarios (incluidos
fosfatos de calcio, hierro y aluminio)

Los microbios forjan un vínculo entre las reservas de fósforo en el entorno vivo y no vivo. Los microbios
facilitan la erosión, mineralización y solubilización de fuentes de fósforo no biodisponibles, haciendo
que el ortofosfato esté disponible para las comunidades microbianas y vegetales y, por lo tanto, para
niveles tróficos más altos dentro de la red alimentaria.
Meteorización:
El material rocoso expuesto a la atmósfera se descompone o se erosiona como resultado de
numerosos procesos ambientales. Los procesos de meteorización se clasifican en dos categorías. En la
meteorización mecánica, los procesos físicos causan el deterioro del material rocoso sin cambiar la
composición química del material original. Por el contrario, la meteorización química provoca deterioro
al alterar la estructura química de los minerales que componen la roca.
Los organismos biológicos pueden contribuir a la meteorización mecánica alterando los
microambientes en la superficie del material original; sin embargo, la mayoría de los procesos de
meteorización biológica se clasifican como meteorización química porque alteran químicamente la
composición del material de la roca original directa o indirectamente. Estos procesos de meteorización
biológica también se denominan solubilización.

Solubilización
La solubilidad de la forma más abundante de fósforo inorgánico, el ortofosfato, está determinada por
el pH ambiental. La solubilización de fósforo mediada por microbios juega un papel importante en la
conversión de minerales de fósforo insolubles en formas solubles de fósforo. La solubilización
beneﬁcia directamente a los microbios que la realizan al proporcionar el fósforo biodisponible
necesario para el crecimiento.
De manera similar, el proceso beneﬁcia a otros organismos (incluidas otras células, hongos y plantas
superiores) que pueden utilizar el excedente de fósforo solubilizado. La producción de ácidos
orgánicos e inorgánicos es el principal mecanismo de solubilización microbiana del fósforo.

Mineralización
La descomposición de plantas y animales constituyen una gran reserva de fósforo orgánico en el suelo.
Sin embargo, debido a que las fuentes de fósforo ligadas orgánicamente generalmente no pueden
atravesar las membranas celulares, la mayor parte del fósforo orgánico de la descomposición no está
directamente disponible para muchos organismos vivos.
Para volverse biodisponible, el fósforo unido a material orgánico debe primero mineralizarse a fosfato.
La mineralización es el proceso en el que el fósforo unido orgánicamente se convierte en fosfato
inorgánico y se logra mediante la actividad de un conjunto de enzimas microbianas. Debido a que este
proceso pone a disposición nutrientes que de otro modo serían secuestrados en formas no reactivas,
la mineralización proporciona un vínculo vital entre la reserva detrítica y los organismos vivos. Se
estima que aproximadamente entre el 70% y el 80% de los microbios del suelo pueden participar en la
mineralización del fósforo.
Las enzimas involucradas en la mineralización comprenden un grupo diverso de proteínas, llamadas
fosfatasas.

Inmovilización
La inmovilización se reﬁere al proceso mediante el cual el fósforo lábil es secuestrado y eliminado del
reservorio ambiental de fósforo reactivo durante un período de tiempo. Los procesos de inmovilización
generalmente se pueden agrupar en dos categorías. La primera categoría, inmovilización transitoria o
asimilación celular, incluye todos los procesos que secuestran fósforo dentro de las células
microbianas vivas y es rápidamente reversible tras la muerte celular. La segunda categoría, la
formación de minerales, abarca procesos que generar minerales que contienen fósforo.
La inmovilización transitoria o asimilación es un mecanismo importante de secuestro de
fósforo en el suelo y en ambientes de agua dulce. Dentro de las células, el fósforo se incorpora en
numerosas moléculas biológicas esenciales y se requiere en cantidades mayores que muchos otros
elementos. Debido a que la mineralización del material celular ocurre rápidamente después de la
muerte celular, la asimilación celular del fósforo en macromoléculas biológicas conduce a una
retención de fósforo a un plazo relativamente corto en las células vivas donde la duración está
relacionada con las características de la comunidad microbiana en cuestión.

La formación de minerales de fosfato representa otro sumidero de fósforo que está
influenciado por la actividad microbiana; sin embargo, abarca procesos distintos de la asimilación
celular y el almacenamiento a corto plazo de fósforo como moléculas biológicas.
La formación de minerales es generalmente un mecanismo importante de secuestro de fósforo en
ambientes marinos donde los altos niveles de calcio en el agua de mar facilitan la formación de
fosforitas insolubles mediada por microbios. El secuestro de fósforo mediante este proceso retiene
(inmoviliza) el fósforo durante períodos de tiempo más largos que la inmovilización transitoria.
Para que se forme un mineral insoluble, la concentración de los iones que lo forman debe ser lo
suficientemente alta como para que se alcance la sobresaturación y el equilibrio de la reacción de
precipitación se desplace hacia el producto. Además, las características físicas y químicas del medio
ambiente deben ser propicias para la precipitación de ese mineral en función de sus características de
solubilidad, y factores como el pH, el estado redox y las concentraciones de iones coexistentes influyen
en la precipitación del minera

Efecto del hombre en el ciclo
de fósforo

(Steffen et al. 2015) DOI: 10.1126/science.1259855

… La sostenibilidad no se basa únicamente en obtener un
rendimiento económico, sino que también busca realizar un uso eficaz
de los recursos no renovables y mejorar la utilización de los recursos
renovables.

Productos de naturaleza biológica desarrollados en su mayoría,
pero no exclusivamente, con microorganismos tales como
bacterias, hongos, virus, etc; destinados a mejorar tanto la
productividad como la salud y características biológicas del
suelo.

Desafío de los bioinsumos:
Existen limitantes en relación al desconocimiento sobre tecnologías o prácticas con insumos
biológicos, así como la falta de asistencia técnica especíﬁca.
Resulta necesario invertir en su capacitación, abriendo la puerta a la transición hacia sistemas
agroalimentarios más sostenibles.
Para hacer frente a las limitantes se requiere de inversión en asistencia técnica adecuada, el
fortalecimiento de organizaciones de productores y el establecimiento de políticas públicas que
incentiven y faciliten la transición hacia prácticas agrícolas más sostenibles.
Es necesario construir y fortalecer cadenas de valor de bioinsumos que sean más inclusivas y
equitativas, que permitan a los pequeños productores acceder a estos productos a precios
asequibles, y que promuevan la distribución equitativa de los beneﬁcios que generen

Biorremediación

Biorremediación
La biorremediación es un mecanismo biológico de reciclaje de desechos,
en otra forma, que otros organismos puedan utilizar y reutilizar.
Hoy en día, el mundo se enfrenta al problema de diferentes tipos de
contaminación ambiental. Los microorganismos son esenciales para una
solución alternativa clave para superar los desafíos

La biorremediación está altamente
involucrada en la degradación,
erradicación, inmovilización o
desintoxicación de diversos desechos
químicos y materiales físicos peligrosos
del entorno a través de la acción de
microorganismos. El principio
fundamental es degradar y transformar
contaminantes como hidrocarburos,
petróleo, metales pesados, pesticidas,
colorantes, etc. Esto se lleva a cabo de
forma enzimática a través de la
metabolización, por lo que tiene un gran
papel de contribución para resolver
muchos problemas ambientales

Las bacterias, arqueas y hongos son los principales
biorremediadores típicos.

¿Los biorremediación con microorganismos siempre funciona?
No, la biorremediación utilizando microbios ha resultado tanto en éxitos
como en fracasos. En los casos de fracaso de este enfoque, las causas
generalmente son la baja adaptabilidad, el consumo de tiempo, la falta de
competitividad de los microbios y la baja biodisponibilidad para los
contaminantes objetivo.
En ocasiones, a estos organismos vivos se les realizan modiﬁcaciones
genéticas. De esta manera se logra que sus cualidades se aproximen aún
más a las necesidades descontaminantes requeridas.

¿Los biorremediación con microorganismos siempre funciona?
Asimismo, la eﬁciencia de la biorremediación depende de muchos
factores; incluyendo la naturaleza química y la concentración de los
contaminantes, las características ﬁsicoquímicas del medio ambiente, y
su disponibilidad para los microorganismos.

Factores que limitan la biorremediación microbiana
Los factores bióticos afectan la degradación de compuestos orgánicos a través de la
competencia entre microorganismos por fuentes limitadas de carbono, interacciones
antagónicas entre microorganismos o la depredación de microorganismos por protozoos y
bacteriófagos.
Otros factores biológicos: mutación, transferencia horizontal de genes, actividad enzimática,
interacción (competencia, sucesión y depredación), su propio crecimiento hasta alcanzar la
biomasa crítica, tamaño y composición de la población.
Factores ambientales: El crecimiento y la actividad de los microorganismos se ven afectados
por el pH, la temperatura, la humedad, la estructura del suelo, la solubilidad en agua, los
nutrientes, las características del sitio, el potencial redox y el contenido de oxígeno, la falta de
recursos humanos capacitados en este campo y la biodisponibilidad físico-química de los
contaminantes (concentración de contaminantes), tipo, solubilidad, estructura química y
toxicidad).

Disponibilidad de nutrientes: Para sobrevivir y continuar con sus actividades microbianas,
los microorganismos necesitan una serie de nutrientes como carbono, nitrógeno y fósforo. En
pequeñas concentraciones el grado de degradación de los hidrocarburos también es limitado.
Factores físicos: La temperatura es el más importante para determinar la supervivencia de
los microorganismos y la composición de los hidrocarburos. En ambientes fríos como el Ártico,
la degradación del petróleo a través de procesos naturales es muy lenta y ejerce más presión
sobre los microbios para limpiar el petróleo derramado. La tasa de actividades microbianas
aumenta con la temperatura y alcanza su nivel máximo a una temperatura óptima.
Concentración de oxígeno: La degradación biológica se lleva a cabo en condiciones aeróbicas
y anaeróbicas.
Contenido de humedad: Los microorganismos requieren agua adecuada para lograr su
crecimiento. El contenido de humedad del suelo tiene un efecto adverso en los agentes de
biodegradación

Tipos de Biorremediación
In-situ
Bioestimulación : Este tipo de estrategia se vincula mediante la inyección de nutrientes
especíﬁcos en el sitio (suelo/agua subterránea) para estimular la actividad de los
microorganismos autóctonos.
Bioatenuación: La bioatenuación o atenuación natural es la erradicación de concentraciones
de contaminantes del entorno. Se lleva a cabo en procesos biológicos que pueden incluir
(biodegradación aeróbica y anaeróbica, absorción por plantas y animales), fenómenos físicos
(advección, dispersión, dilución, difusión, volatilización, sorción/desorción) y reacciones
químicas (intercambio iónico, complejación, transformación abiótica)
Bioaumentación: Es uno de los mecanismos de biodegradación. La adición de
microorganismos degradantes de contaminantes (naturales/exóticos/diseñados) para
aumentar la capacidad biodegradativa de las poblaciones microbianas autóctonas en el área
contaminada es un proceso conocido como bioaumentación. Los microbios se recolectan del
sitio de remediación, se cultivan por separado, se modiﬁcan genéticamente y se devuelven al
sitio.

Bioventilación: Implica la ventilación de oxígeno a través del suelo para estimular el
crecimiento de bacterias y hongos naturales o introducidos en el suelo proporcionando
oxígeno a los microorganismos existentes en el suelo; de hecho, es funcional en compuestos
aeróbicamente degradables. La bioventilación utiliza caudales de aire bajos para proporcionar
sólo suficiente oxígeno para mantener la actividad microbiana.
Organismos genéticamente modificados: Un microorganismo modificado genéticamente es
un microorganismo cuyo material genético ya ha sido modificado mediante la aplicación de
técnicas de ingeniería genética inspiradas en el intercambio genético natural, de otro modo
artificial, entre microorganismos.

Ex-situ
Las técnicas de biorremediación ex situ solo se aplican bajo condiciones especíﬁcas debido a
los altos costos, por ejemplo, suelos altamente contaminados.
Biopilas: Las biopilas son una forma de excavar suelos contaminados con hidrocarburos
remediables aeróbicamente, que pueden ser tratados en "biopilas". Las biopilas (también
conocidas como biocélulas, biomontones, biomontículos y pilas de compost) se utilizan para
reducir las concentraciones de contaminantes derivados del petróleo en suelos excavados
durante el tiempo de biodegradación. En este proceso, se suministra aire al sistema de biopila
mediante un sistema de tuberías y bombas que fuerza el aire hacia la pila bajo presión
positiva o aspira aire a través de la pila bajo presión negativa. La actividad microbiana se
mejora a través de la respiración microbiana y luego el resultado en la degradación del
contaminante de petróleo adsorbido se vuelve alta.

Otros métodos ex-situ:
● Biolabranza
● Compost
● Biorreactores
Actividad:
¿Cómo funcionan los biorreactores y cuando se
utilizan?
¿En qué consiste la biolabranza?

Ventajas:
● Proceso Natural
● Puede realizarse in-situ
● Proceso eficiente y con buena relación
costo beneficio
● Los contaminantes se destruyen, no
simplemente se transfieren a diferentes
medios ambientales
● No requiere de intermediarios químicos
● Proceso sustentable y eco-amigable con
el medio ambiente
● Proceso no intrusivo
● Relativamente fácil de implementar.
Desventajas:
● Está limitado a aquellos compuestos que
son biodegradables. No todos los
compuestos son susceptibles a una
rápida y completa degradación
● Los procesos biológicos suelen ser muy
específicos. Los factores importantes del
sitio necesarios para el éxito incluyen la
presencia de poblaciones microbianas
metabólicamente capaces, condiciones
ambientales adecuadas de crecimiento y
niveles apropiados de nutrientes y
contaminantes.
● Es difícil extrapolar los estudios de
banco y a escala piloto a las operaciones
de campo a gran escala.
● Requiere de investigación
● Requiere de tiempos de implementación
largos.

Sobre el infograma:
Tiempo de presentación: Speech 5 minutos
Intervención de todos los integrantes
Criterios de evaluación (0-4):
-Presentación oral.
-Calidad de la información presentada
-Uso de material didáctico.
-Diseño y contenido del infograma
-Capacidad para responder las preguntas
formuladas

Clase microbilogia X - XI - MicroAmbiental.pdf

Clase microbilogia X - XI - MicroAmbiental.pdf

Recommandé

Recommandé

Contenu connexe

Similaire à Clase microbilogia X - XI - MicroAmbiental.pdf

Similaire à Clase microbilogia X - XI - MicroAmbiental.pdf (20)

Dernier

Dernier (20)

Clase microbilogia X - XI - MicroAmbiental.pdf