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Metabolismo ecosistemico II: Ciclos de Nutrientes
Julieta Aranibar
ICB, UNCuyo; IANIGLA, CONICET
Tel: 524-4258
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Contenidos
• Importancia de los nutrientes • Ciclo de nutrientes en lagos• Ciclo de nutrientes en ecosistemas terrestres• Ciclo de N.
• Proceso de Haber y efecto en el ambiente.• Resumen• Como se estudian los ciclos biogeoquímicos?
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Importancia de los Nutrientes• Nitrógeno (N): Componente de
RUBISCO (enzima encargada de fijar CO2). Es el nutriente que más comúnmente limita la fotosíntesis.
• Carbono (C): componente estructural de plantas, animales y suelo.
• Fósforo (P): fosfolípidos, ATP (transporte de energía durante fotosíntesis), ácidos nucleicos.
• Ca, Mg, K, Mn, S, Cu, Co Zn, Fe, Cl, Na, B, Vanadio.
• Si no están disponibles, limitan la productividad.
Leavit et al.
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Figure 24-1. Esquema de ciclo de nutrientes
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Figure 24-2. Ciclo de P en un lago
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Ciclo de P (local)
Ciclo local, cerrado, sin componente atmosférico. P necesario para ATP, energía, fosfolípidos.
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Atmósfera, biosfera, suelos, océanos, fósiles.
-Océanos: mayor reservorio. -Suelos: mayor reservorio terrestre.Missing sink o carbono perdido: 7.6 pg/a (emisiones antropogénicas)-1.7 (absorción por Océanos)-1.4 (absorción terrestre).
Missing C sink: terrestre vs. oceánico. Fertilización de N?
Ciclo de Carbono Global
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Contenidos
• Importancia de los nutrientes
• Ciclo de nutrientes en lagos
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Lagos: nutrientes se acumulan en sedimentos. Pez omnívoro los hace disponibles para el plankton. Adición de P: altera la
abundancia de distintas especies.
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Figure 24-5
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Contenidos
• Importancia de los nutrientes
• Ciclo de nutrientes en lagos
• Ciclo de nutrientes en ecosistemas terrestres
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Figure 24-9
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P o N limitan la productividad?
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![Page 15: Metabolismo ecosistemico II: Ciclos de Nutrientes](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022081604/62c14823b7769c2376451846/html5/thumbnails/15.jpg)
Limitación en ecosistemas terrestres: 2 teorías.
• Liebig: ley de los mínimos. Los organismos estarán limitados por aquel elemento que se encuentre en menor disponibilidad relativa a sus necesidades.
• Distintos en una sucesión, estación de crecimiento, edad geológica
• Sinergismo? Disponibilidad y demanda de N y P se mantienen balanceados (fijación de N?, micorrizas?).
Davidson and Howarth, Nature, 2007.Nutrients in synergy
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Como analizamos la limitación de diversos factores?
• Experimentos de fertilización o Experimentos naturales: deposición de N en bosques templados, descarga de P y N en lagos y costas.
• Analizar relaciones entre elementos: C/N, N/P, Lignina/N.
• N/P > 20 indica limitación por P, < 10 limitación por N y 10 <N/P<20 co-limitación.
• El concepto de factor limitante fue desarrollado para sistemas agrícolas. Qué tan útil es para ecosistemas naturales?
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Factores limitantes de la productividad. Revisión
• En océanos: limita N (Long Island), Fe (Sargaso, mediante limitación de fijación de N), Si. “Upwelling”.
• Lagos: Luz, temp, P, N. P en la mayoría.N/P>16, Cianobacterias dominan, blooms, eutroficación, ecosistema controlado por
competencia.
• Terrestres: humedad, temperatura (fenología). Evapotranspiración=precipitación, temperatura, radiación. Después, tipo de suelo y nutrientes. N, P. En general: Bosques templados por N, Selva tropical por P.
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Ciclo de nutrientes: monitoreo de
Ingresos-egresos=cambio de reservorio.
Despues de un incendio
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Contenidos• Importancia de los nutrientes
• Ciclo de nutrientes en lagos
• Ciclo de nutrientes en ecosistemas terrestres
• Ciclo de N.
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Ciclo de N
80 % de la atmósfera es N2. Las plantas absorben amonio y nitrato, también N orgánico con la ayuda de micorrizas.Procariotas fijan N2 de la atmósfera: costras criptogámicas, cianobacterias, nódulos en leguminosas, otras. Bajo anaerobiosis, el N se denitrifica y se pierde del sistema a la atmósfera.Bajo aerobiosis, el nitrato se lixivia a la napa, ríos, o reservorios subterráneos de suelo
Leavitt et al.
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![Page 22: Metabolismo ecosistemico II: Ciclos de Nutrientes](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022081604/62c14823b7769c2376451846/html5/thumbnails/22.jpg)
De dónde proviene el N?• La mayor cantidad de N2 está en la
atmósfera (78%), pero el enlace triple es muy fuerte y energéticamente caro para romperlo (76 kcal/mol N).
• Fijación de N2 atmosférico por: bacterias asociadas a leguminosas (nódulos simbióticos), a raíces de pastos, cianobacterias que viven en el suelo y en aguas, y otras bacterias que viven libremente en el suelo. solo 2,5 % de NPP global se invierte en fijación de N. Alto costo energético. Controlado por N:P en suelos. P favorece fijación de N (activación de gen de nitrogenasa). Mo, Fe.
• En un ecosistema, quiénes fijan N? Cuánto se fija? Prosopis en América, Acacias en Africa, soja y otros cultivos de leguminosas, arroz.
![Page 23: Metabolismo ecosistemico II: Ciclos de Nutrientes](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022081604/62c14823b7769c2376451846/html5/thumbnails/23.jpg)
Otras fuentes de N• Deposición de N con la lluvia o partículas
atmosféricas.
• Transporte de N por napa freática o ríos.
• Fertilizantes orgánicos e industriales
![Page 24: Metabolismo ecosistemico II: Ciclos de Nutrientes](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022081604/62c14823b7769c2376451846/html5/thumbnails/24.jpg)
Otros procesos del ciclo de N• Mineralización• Nitrificación • Denitrificación (anaerobio)• Volatilización de amonia (alcalino,
aerobio).• Lixiviación de nitratos, contamina
agua subterránea.• Inmobilización (amonio en arcillas,
bacterias).• Absorción por medio de raíces y
micorrizas (amonio, nitrato o N orgánico, según tipos de plantas).
• Reabsorción de nutrientes
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•Alaska (poca descomposicion, nutrientes en suelo) vs Tropicales (nutrientes en vegetación,corteza, raíces).
![Page 26: Metabolismo ecosistemico II: Ciclos de Nutrientes](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022081604/62c14823b7769c2376451846/html5/thumbnails/26.jpg)
Eficiencia de uso de nutrientes
Tropical forests
![Page 27: Metabolismo ecosistemico II: Ciclos de Nutrientes](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022081604/62c14823b7769c2376451846/html5/thumbnails/27.jpg)
Contenidos
• Importancia de los nutrientes
• Ciclo de nutrientes en lagos
• Ciclo de nutrientes en ecosistemas terrestres
• Ciclo de N.
• Proceso de Haber y efecto en el ambiente.
![Page 28: Metabolismo ecosistemico II: Ciclos de Nutrientes](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022081604/62c14823b7769c2376451846/html5/thumbnails/28.jpg)
Proceso Haber• Patentado en 1908 por Haber, utilizado en Alemania durante la
guerra cuando no podían recibir guano de Chile (también necesitaban ácido nítrico para explosivos...)
• Produce amonio usando un catalizador de hierro a alta presión y temperatura (400 C, 250 atm).
• Puede convertirse en ácido nítrico, urea, fertilizantes, explosivos.
Galloway et al., 2003
![Page 29: Metabolismo ecosistemico II: Ciclos de Nutrientes](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022081604/62c14823b7769c2376451846/html5/thumbnails/29.jpg)
Efectos de los fertilizantes• Excesos se volatilizan como amonia a la atmósfera.• Excesos de nitratos se lixivian a la napa freática: tóxico para la
salud. • Excesos terminan en ríos, costas, lagos, océanos: eutroficación,
pérdida de biodiversidad.
• Fertilización: mayor absorción de CO2 en ecosistemas limitados por N (bosques templados, boreales)… Hasta cuándo? Critical load. Saturación de N en ecosistemas. Pérdida de biodiversidad.
• Se produce óxido nitroso (N2O) por denitrificación: efecto invernadero.
• Uso muy ineficiente
![Page 30: Metabolismo ecosistemico II: Ciclos de Nutrientes](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022081604/62c14823b7769c2376451846/html5/thumbnails/30.jpg)
Lluvia ácida
![Page 31: Metabolismo ecosistemico II: Ciclos de Nutrientes](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022081604/62c14823b7769c2376451846/html5/thumbnails/31.jpg)
Pérdida de biodiversidad
![Page 32: Metabolismo ecosistemico II: Ciclos de Nutrientes](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022081604/62c14823b7769c2376451846/html5/thumbnails/32.jpg)
Eutroficación por descarga de fertilizantes.Zonas hipóxicas por descomposición de MO.Reducir fertilizantes, proteger humedales
![Page 33: Metabolismo ecosistemico II: Ciclos de Nutrientes](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022081604/62c14823b7769c2376451846/html5/thumbnails/33.jpg)
Más problemas ambientales ocasionados por el N• La combustión produce óxidos de N (NOx), que a concentraciones de más
de 30 ppm, producen ozono en la tropósfera: tóxico, invernadero. Se redepositan con la lluvia o aerosoles (wet, dry deposition)
• Si llegan a la estratósfera, cataliza la destrucción de ozono.• Se convierten en ácido nítrico: lluvia ácida.
![Page 34: Metabolismo ecosistemico II: Ciclos de Nutrientes](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022081604/62c14823b7769c2376451846/html5/thumbnails/34.jpg)
![Page 35: Metabolismo ecosistemico II: Ciclos de Nutrientes](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022081604/62c14823b7769c2376451846/html5/thumbnails/35.jpg)
Efectos positivos de la fertilización de N: alimento!!!
• África no podrá desarrollarse sin el uso de fertilizantes. Proponen utilizar 50 kg/ha, en vez de los 7 kg/ha que utilizan actualmente.
El desafío está en disminuír los impactos negativos en el ambiente, asegurando el desarrollo de las poblaciones.
![Page 36: Metabolismo ecosistemico II: Ciclos de Nutrientes](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022081604/62c14823b7769c2376451846/html5/thumbnails/36.jpg)
Resumen• P y N son necesarios para la productividad, y para el desarrollo de
poblaciones humanas.
• N es muy abundante en la atmósfera, pero no en una forma disponible para los eucariotas. Solo procariotas (bacterias) pueden fijar N atmosférico para poder ser utilizado por la vegetación.
• Ciclo de N es abierto, con muchos intercambios entre la atmósfera, biosfera, hidrosfera y suelos. Mediado por la biota.
• N gaseoso puede ser tóxico y de efecto invernadero.
• Producción de N industrial (Haber) y utilización en la cadena de producción es muy ineficiente. Las pérdidas van a distintos componentes del ecosistema y causan una “cascada” de problemas ambientales.
• Como disminuir los efectos negativos del uso de N y aumentar los positivos?
![Page 37: Metabolismo ecosistemico II: Ciclos de Nutrientes](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022081604/62c14823b7769c2376451846/html5/thumbnails/37.jpg)
¿Cómo estudiamos los ciclos biogeoquímicos de nutrientes?
• Modelos de compartimentos
• Reservorios o compartimentos: ej., plantas, suelos (hojarasca, amonio, nitrato), cultivos, agua.
• Tasas de transferencia: ingresos, egresos Ej., consumo de vegetación, lixiviación, mineralización, etc.
![Page 38: Metabolismo ecosistemico II: Ciclos de Nutrientes](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022081604/62c14823b7769c2376451846/html5/thumbnails/38.jpg)
Agua freática
Lixiviación?
Venta de guanopara fertilizar oasisCuánto?
Fijación de N2?
Absorción de N de los puestos?
Transporte de N por ganado
Ciclo de N en Telteca
![Page 39: Metabolismo ecosistemico II: Ciclos de Nutrientes](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022081604/62c14823b7769c2376451846/html5/thumbnails/39.jpg)
Nitrato en el suelo
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 5500,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
2,2
2,4
2,6
2,8
3,0
3,2
3,4
3,6
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 5500,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
2,2
2,4
2,6
2,8
3,0
3,2
3,4
3,6
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 5500,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
2,2
2,4
2,6
2,8
3,0
3,2
3,4
3,6
Y A
xis
Titl
e
X Axis Title
PL1208
Y A
xis
Titl
e
X Axis Title
PP1208
Y A
xis
Titl
e
X Axis Title
PB1208
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 5500,0
0,20,4
0,6
0,81,0
1,2
1,41,6
1,8
2,02,2
2,4
2,62,8
3,0
3,2
3,43,6
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 5500,0
0,20,4
0,6
0,81,0
1,2
1,41,6
1,8
2,02,2
2,4
2,62,8
3,0
3,2
3,43,6
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 5500,0
0,20,4
0,6
0,81,0
1,2
1,41,6
1,8
2,02,2
2,4
2,62,8
3,0
3,2
3,43,6
Y A
xis
Titl
e
X Axis Title
Médano
Y A
xis
Titl
e
X Axis Title
Loma
Y A
xis
Titl
e
X Axis Title
Puesto
0 100 200 300 400 5000,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
2,2
2,4
2,6
2,8
3,0
3,2
3,4
3,6
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 5500,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
2,2
2,4
2,6
2,8
3,0
3,2
3,4
3,6
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 5500,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
2,2
2,4
2,6
2,8
3,0
3,2
3,4
3,6
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 5500,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
2,2
2,4
2,6
2,8
3,0
3,2
3,4
3,6
Y A
xis
Titl
e
X Axis Title
PB509
Y A
xis
Titl
e
X Axis Title
HC509
Y A
xis
Titl
e
X Axis Title
PL509
Y A
xis
Titl
e
X Axis Title
PP509
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 5500,00,20,40,60,8
1,01,21,41,61,82,02,22,42,62,83,0
3,23,43,6
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 5500,00,20,40,60,8
1,01,21,41,61,82,02,22,42,62,83,0
3,23,43,6
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 5500,00,20,40,60,8
1,01,21,41,61,82,02,22,42,62,83,0
3,23,43,6
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 5500,00,20,40,60,8
1,01,21,41,61,82,02,22,42,62,83,0
3,23,43,6
Y A
xis
Titl
e
X Axis Title
PB709
Y A
xis
Titl
e
X Axis Title
HC709
Y A
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Titl
e
X Axis Title
PL709
Y A
xis
Titl
e
X Axis Title
PP709
Profundidad de suelo, cm
N-N
itrat
o, μ
g g-1
Puesto abandonado (La Penca)
Loma (La Penca)
Bajo vegetado (La Penca)
Corral (Las Hormigas)
Diciembre 08 Marzo 09
Mayo 09Julio 09
![Page 40: Metabolismo ecosistemico II: Ciclos de Nutrientes](https://reader036.vdocuments.net/reader036/viewer/2022081604/62c14823b7769c2376451846/html5/thumbnails/40.jpg)
Nombre del Puesto Nitrato, ppm
Las Hormigas 1 9,4
Las Hormigas 2 49,2
Las Hormigas 3 10,1
San Jorge 8,3
Las Cañas 11,7
San Miguen 0,8
El Chañar 0,5
Bajo del Vino 2,1
San Andres 3,7
Ahí Veremos 5,0
Los Laureles 4,3
Altas Cumbres 4,4
El Rosedal 0,3
El Palenque 0,2
Las Llantas 3,2
Valde de la Vaca 11,1
La Mahada 10,3
San Roque 1,9
Las Cuentas 1,1
El Arbolito 0,6
San Expedito 0,9
Referencia 2,79
Las concentaciones de nitrato en agua freática supera en muchos casos los niveles de referencia. Solo una perforación (Las Hormigas) muestra concentraciones por encima del nivel recomendado para consumo humano (45 ppm).