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Remineralización

En biogeoquímica , la remineralización se refiere a la descomposición o transformación de la materia orgánica (aquellas moléculas derivadas de una fuente biológica) en sus forma...

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En biogeoquímica , la remineralización se refiere a la descomposición o transformación de la materia orgánica (aquellas moléculas derivadas de una fuente biológica) en sus formas inorgánicas más simples . Estas transformaciones constituyen un vínculo crucial dentro de los ecosistemas , ya que son responsables de liberar la energía almacenada en las moléculas orgánicas y reciclar la materia dentro del sistema para que otros organismos la reutilicen como nutrientes . [ 1 ]

La remineralización se suele considerar en relación con el ciclo de los principales elementos biológicamente importantes, como el carbono , el nitrógeno y el fósforo . Si bien es crucial para todos los ecosistemas, este proceso recibe especial atención en los entornos acuáticos , donde constituye un vínculo significativo en la dinámica biogeoquímica y el ciclo de los ecosistemas acuáticos.

Función en la biogeoquímica

El término «remineralización» se utiliza en diversos contextos y disciplinas. Su uso más frecuente se da en los campos médico y fisiológico , donde describe el desarrollo o la regeneración de estructuras mineralizadas en organismos como los dientes o los huesos. En el campo de la biogeoquímica , sin embargo, la remineralización se emplea para describir un eslabón en la cadena del ciclo elemental dentro de un ecosistema específico. En concreto, la remineralización representa el punto en el que la materia orgánica producida por los organismos vivos se descompone en componentes inorgánicos básicos que no son claramente identificables como provenientes de una fuente orgánica. Esto difiere del proceso de descomposición , que es una descripción más general de la degradación de estructuras mayores en estructuras menores.

Los biogeoquímicos estudian este proceso en todos los ecosistemas por diversas razones. Su objetivo principal es investigar el flujo de materia y energía en un sistema determinado, lo cual es fundamental para comprender su productividad y cómo recicla la materia en comparación con la cantidad que ingresa al sistema. Comprender las tasas y la dinámica de la remineralización de la materia orgánica en un sistema dado puede ayudar a determinar cómo o por qué algunos ecosistemas son más productivos que otros.

Reacciones de remineralización

Si bien el proceso de remineralización es una serie de complejas vías bioquímicas [dentro de los microbios], a menudo se puede simplificar como una serie de procesos de un solo paso para modelos y cálculos a nivel de ecosistema. Una forma genérica de estas reacciones se muestra a continuación:

Orgánico Asunto+Oxidante⟶Liberado Simple Nutrientes+CO2Carbón Dióxido+H2OAgua{\displaystyle {\ce {{Materia\ Orgánica}+Oxidante->{Nutrientes\ Simples Liberados}+{\underset {Dióxido~ de Carbono}{CO2}}+{\underset {Agua}{H2O}}}}}

La ecuación genérica anterior comienza con dos reactivos: materia orgánica (compuesta de carbono orgánico) y un oxidante. La mayor parte del carbono orgánico existe en forma reducida, la cual es oxidada por el oxidante (como el O₂ ) en CO₂ y energía que el organismo puede aprovechar. Este proceso generalmente produce CO₂ , agua y una serie de nutrientes simples como nitrato o fosfato , que otros organismos pueden absorber. La forma general anterior, considerando el O₂ como oxidante, es la ecuación de la respiración. En este contexto específico, la ecuación anterior representa la respiración bacteriana , aunque los reactivos y productos son esencialmente análogos a las ecuaciones abreviadas utilizadas para la respiración multicelular.

Cascada de aceptores de electrones

Esquema de los principales aceptores de electrones en el agua intersticial de los sedimentos marinos basado en profundidades relativas idealizadas.

La degradación de la materia orgánica mediante la respiración en el océano moderno se ve facilitada por diferentes aceptores de electrones, cuya favorabilidad se basa en la ley de energía libre de Gibbs y las leyes de la termodinámica . [ 2 ] Esta química redox es la base de la vida en los sedimentos de aguas profundas y determina la disponibilidad de energía para los organismos que allí habitan. Desde la interfaz agua-sedimento hacia sedimentos más profundos, el orden de estos aceptores es oxígeno , nitrato , manganeso , hierro y sulfato . La zonación de estos aceptores favorecidos se puede observar en la Figura 1. Al descender desde la superficie a través de la zonación de estos sedimentos oceánicos profundos, los aceptores se utilizan y se agotan. Una vez agotados, el siguiente aceptor de menor favorabilidad toma su lugar. Termodinámicamente, el oxígeno representa el aceptor de electrones más favorable, pero se consume rápidamente en la interfaz agua-sedimento y las concentraciones de O₂ se extienden solo de milímetros a centímetros de profundidad en el sedimento en la mayoría de las zonas de aguas profundas. Esta favorabilidad indica la capacidad de un organismo para obtener mayor energía de la reacción, lo que le ayuda a competir con otros organismos. [ 3 ] En ausencia de estos aceptores, la materia orgánica también puede degradarse mediante metanogénesis, pero la oxidación neta de esta materia orgánica no está completamente representada por este proceso. Cada vía y la estequiometría de su reacción se enumeran en la tabla 1. [ 3 ]

Debido a este rápido agotamiento de O₂ en los sedimentos superficiales, la mayoría de los microbios utilizan vías anaeróbicas para metabolizar otros óxidos como el manganeso, el hierro y el sulfato. [ 4 ] También es importante considerar la bioturbación y la mezcla constante de este material, lo que puede cambiar la importancia relativa de cada vía respiratoria. Para la perspectiva microbiana, consulte la cadena de transporte de electrones .

Remineralización en sedimentos

Reacciones

Favorabilidad relativa de las reacciones de reducción en sedimentos marinos según la energética termodinámica. El origen de las flechas indica la energía asociada a la reacción de semicelda. La longitud de la flecha indica una estimación de ΔG para la reacción (Adaptado de Libes, 2011).

Una cuarta parte de todo el material orgánico que sale de la zona fótica llega al fondo marino sin remineralizarse y el 90% de ese material restante se remineraliza en los propios sedimentos. [ 1 ] Una vez en el sedimento, la remineralización orgánica puede ocurrir a través de una variedad de reacciones. [ 5 ] Las siguientes reacciones son las principales formas en que se remineraliza la materia orgánica, en las cuales la materia orgánica general (MO) se suele representar mediante la abreviatura: (CH 2 O) 106 (NH 3 ) 16 (H 3 PO 4 ) .

respiración aeróbica

La respiración aeróbica es la reacción de remineralización preferida debido a su alto rendimiento energético. Sin embargo, el oxígeno se agota rápidamente en los sedimentos y generalmente se extingue a centímetros de la interfaz sedimento-agua.

Respiración anaeróbica

En ambientes subóxicos o anóxicos , los organismos prefieren la desnitrificación para remineralizar la materia orgánica, ya que proporciona la segunda mayor cantidad de energía. A profundidades donde se favorece la desnitrificación, se favorecen reacciones como la reducción de manganeso, la reducción de hierro, la reducción de sulfato y la reducción de metano (también conocida como metanogénesis ). Esta preferencia está determinada por la energía libre de Gibbs (ΔG). En cuerpos de agua, sedimentos marinos o suelos, la distribución de estas reacciones químicas con la profundidad, en función de la energía que proporcionan, se denomina gradiente redox .

Zonación redox

La zonación redox se refiere a cómo los procesos que transfieren electrones terminales como resultado de la degradación de la materia orgánica varían según el tiempo y el espacio. [ 6 ] Ciertas reacciones se verán favorecidas sobre otras debido a su rendimiento energético, como se detalla en la cascada de aceptores de energía descrita anteriormente. [ 7 ] En condiciones óxicas, donde el oxígeno está fácilmente disponible, la respiración aeróbica se verá favorecida debido a su alto rendimiento energético. Una vez que el uso de oxígeno a través de la respiración supera el aporte de oxígeno debido a la bioturbación y la difusión, el ambiente se volverá anóxico y la materia orgánica se descompondrá por otros medios, como la desnitrificación y la reducción de manganeso. [ 8 ]

Remineralización en mar abierto

Red trófica que muestra el flujo de carbono en mar abierto.

En la mayoría de los ecosistemas de mar abierto, solo una pequeña fracción de la materia orgánica llega al fondo marino. La actividad biológica en la zona fótica de la mayoría de los cuerpos de agua recicla la materia de forma tan eficiente que solo una pequeña fracción de la materia orgánica se hunde fuera de la capa fotosintética superior. La remineralización dentro de esta capa superior ocurre rápidamente y, debido a las mayores concentraciones de organismos y la disponibilidad de luz, los nutrientes remineralizados suelen ser absorbidos por los autótrofos con la misma rapidez con la que se liberan.

La fracción que se escapa varía según la ubicación de interés. Por ejemplo, en el Mar del Norte, los valores de deposición de carbono son aproximadamente el 1 % de la producción primaria [ 9 ] , mientras que ese valor es <0,5 % en los océanos abiertos en promedio [ 10 ] . Por lo tanto, la mayoría de los nutrientes permanecen en la columna de agua, reciclados por la biota . Los organismos heterótrofos utilizarán los materiales producidos por los organismos autótrofos (y quimiotróficos ) y, mediante la respiración, remineralizarán los compuestos de la forma orgánica a la inorgánica, haciéndolos nuevamente disponibles para los productores primarios.

En la mayoría de las áreas del océano, las tasas más altas de remineralización de carbono ocurren a profundidades entre 100 y 1200 m (330 y 3940 pies) en la columna de agua, disminuyendo hasta aproximadamente 1200 m donde las tasas de remineralización permanecen bastante constantes en 0,1 μmol kg −1 año −1 . [ 11 ] Como resultado de esto, el reservorio de carbono remineralizado (que generalmente toma la forma de dióxido de carbono) tiende a aumentar en la zona fótica.   

La mayor parte de la remineralización se realiza con carbono orgánico disuelto (COD). Los estudios han demostrado que son las partículas más grandes que se hunden las que transportan la materia hasta el fondo marino [ 12 ] , mientras que las partículas en suspensión y los compuestos orgánicos disueltos son consumidos principalmente por la remineralización. [ 13 ] Esto sucede en parte debido a que los organismos suelen tener que ingerir nutrientes más pequeños que ellos, a menudo por órdenes de magnitud. [ 14 ] Dado que la comunidad microbiana constituye el 90% de la biomasa marina, [ 15 ] son ​​las partículas más pequeñas que los microbios (del orden de 10−6 [ 16 ] ) que se utilizarán para la remineralización.

Véase también

Referencias

  1. 1 2 Sarmiento, Jorge (2006). Dinámica biogeoquímica oceánica . Princeton University Press. ISBN 978-0-691-01707-5.
  2. ↑ Vernberg, F. John (1981). «Macrofauna bentónica» . En Vernberg, F. John; Vernberg, Winona B. (eds.). Adaptaciones funcionales de los organismos marinos . Academic Press. pp. 179–230 . ISBN  978-0-12-718280-3.
  3. 1 2 Altenbach, Alexander; Bernhard, Joan M.; Seckbach, Joseph (20 de octubre de 2011). Anoxia: Evidencia de la supervivencia de los eucariotas y estrategias paleontológicas . Springer Science & Business Media. ISBN 978-94-007-1896-8.
  4. ↑ Glud, Ronnie (2008). "Dinámica del oxígeno en sedimentos marinos" (PDF) . Marine Biology Research ( FTP ). pp. 243–289 . doi : 10.1080/17451000801888726 . (Para ver los documentos, consulte Ayuda:FTP )
  5. ↑ Burdige, David (2006). Geoquímica de los sedimentos marinos . Princeton University Press. ISBN 978-0-691-09506-6.
  6. ↑ Postma, Dieke; Jakobsen, Rasmus (1 de septiembre de 1996). "Zonación redox: restricciones de equilibrio en la interfaz de reducción Fe (III) / SO4". Geochimica et Cosmochimica Acta . 60 (17): 3169– 3175. Código bibliográfico : 1996GeCoA..60.3169P . doi : 10.1016/0016-7037(96)00156-1 .
  7. ↑ Boudreau, Bernard (2001). La capa límite bentónica: procesos de transporte y biogeoquímica . Oxford University Press. ISBN 978-0-19-511881-0.
  8. ↑ Libes, Susan (2009). Introducción a la biogeoquímica marina . Academic Press. ISBN 978-0-12-088530-5.
  9. ↑ Thomas, Helmuth; Bozec, Yann; Elkalay, Khalid; Baar, Hein JW de (14 de mayo de 2004). "Almacenamiento mejorado de CO2 en océano abierto a partir del bombeo de mares de plataforma" (PDF) . Science . 304 (5673): 1005– 1008. Bibcode : 2004Sci...304.1005T . doi : 10.1126/science.1095491 . hdl : 11370/e821600e-4560-49e8- aeec -18eeb17549e3 . ISSN 0036-8075 . PMID 15143279. S2CID 129790522 .   
  10. ↑ De La Rocha, CL (2006). "La bomba biológica". En Holland, Heinrich D.; Turekian, Karl K. (eds.). Tratado de geoquímica . Vol. 6. Pergamon Press. pág. 625. Bibcode : 2003TrGeo...6...83D . doi : 10.1016/B0-08-043751-6/06107-7 . ISBN   978-0-08-043751-4.
  11. ↑ Feely, Richard A.; Sabine, Christopher L.; Schlitzer, Reiner; Bullister, John L.; Mecking, Sabine; Greeley, Dana (1 de febrero de 2004). "Utilización de oxígeno y remineralización de carbono orgánico en la columna de agua superior del océano Pacífico". Journal of Oceanography . 60 (1): 45– 52. doi : 10.1023/B:JOCE.0000038317.01279.aa . ISSN 0916-8370 . S2CID 67846685 .  
  12. ↑ Karl, David M.; Knauer, George A.; Martin, John H. (1 de marzo de 1988). "Flujo descendente de materia orgánica particulada en el océano: una paradoja de la descomposición de partículas". Nature . 332 (6163): 438– 441. Bibcode : 1988Natur.332..438K . doi : 10.1038/332438a0 . ISSN 0028-0836 . S2CID 4356597 .  
  13. ↑ Lefévre, D.; Denis, M.; Lambert, CE; Miquel, J. -C. (1 de febrero de 1996). "¿Es el DOC la principal fuente de remineralización de materia orgánica en la columna de agua oceánica?". Journal of Marine Systems . El océano costero en una perspectiva de cambio global. 7 ( 2– 4): 281– 291. Bibcode : 1996JMS.....7..281L . doi : 10.1016/0924-7963(95)00003-8 .
  14. ↑ Schulze, Ernst-Detlef; Mooney, Harold A. (6 de diciembre de 2012). Biodiversidad y función de los ecosistemas . Springer Science & Business Media. ISBN 978-3-642-58001-7.
  15. ↑ "Censo Internacional de Microbios Marinos (ICoMM)" . www.coml.org . Censo de la Vida Marina. Archivado del original el 17 de marzo de 2016. Consultado el 29 de febrero de 2016 .
  16. ↑ "Tamaño de los microbios - Libro de texto abierto sin límites" . Sin límites . Consultado el 29 de febrero de 2016 .