Investigación del proceso de fotosíntesis; ciclo hidrológico

y los ciclos del nitrógeno y del azufre.

Energía y medio ambiente.

Jorge Escobar H.

Ingeniería Electrónica.

Proceso de fotosíntesis.

Los organismos autótrofos utilizan la radiación solar incidente para sintetizar compuestos orgánicos

a partir del CO2, agua y nutrientes del suelo o retranslocados desde otros órganos de la planta,

mediante el proceso de la fotosíntesis. Estos compuestos una vez sintetizados se utilizan para

mantener los propios tejidos de la planta, para mantener las reservas de carbohidratos o para

formar nuevos tejidos y crecer [1].

Para que se dé la fotosíntesis los organismos antes mencionados ejecutan el siguiente proceso:

Captación por las clorofilas y otros pigmentos fotosintéticos de la energía luminosa y su

transformación en energía química contenida en el ATP.

Obtención de electrones a partir del agua (activados por la energía luminosa), estos servirán

para reducir NADP+.

Incorporación del carbono del CO2 a las cadenas carbonadas.

Reducción por el NADPH del carbono incorporado y síntesis de compuestos orgánicos.

Reducción de otras sustancias inorgánicas (nitratos, nitritos, sulfatos, etc.) para su

incorporación a las cadenas carbonadas.

La fotosíntesis, en su conjunto, es un proceso redox (reducción-oxidación) en el que el CO2 y otras

sustancias inorgánicas son reducidas e incorporadas en las cadenas carbonada, originando

numerosos compuestos orgánicos (glúcidos, lípidos, proteínas, etc.); la que se forma en mayor

cantidad es la glucosa. Por esto la ecuación global de la síntesis de glucosa en el cloroplasto se

considera como la ecuación global de la fotosíntesis [2].

La fotosíntesis, o mejor dicho, uno de sus procesos, la síntesis de glucosa, puede resumirse en la

siguiente ecuación global:

6𝐶𝑂2 + 6𝐻2𝑂 + 𝑙𝑢𝑧 𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 → 𝐶6𝐻12𝑂6 + 6𝑂2[2]

Dentro del proceso de fotosíntesis sólo una parte requiere energía luminosa, a esta parte se le llama

fase luminosa; mientras que la síntesis de compuestos orgánicos no necesita la luz de una manera

directa, es la fase oscura. Es de destacar que la fase oscura, a pesar de su nombre, se realiza también

durante el día, pues precisa el ATP y el NADPH que se obtienen en la fase luminosa [2].

FASE LUMINOSA

Durante la fase luminosa se dan los siguientes procesos:

Las clorofilas de los dos fotosistemas absorben la energía luminosa

Descomponen el agua en 2 H+ y 2 e- y un átomo de oxígeno

El transporte de protones a través de la ATP sintetasa genera ATP (según la hipótesis

quimiosmótica).

Los protones y electrones son utilizados para reducir el NADP+ a NADPH

En la fase luminosa se distinguen dos vías:

La fotofosforilación acíclica

La fotofosforilación cíclica

FASE OSCURA o CICLO DE CALVIN

La primera reacción es la fijación del CO2, en la etapa conocida como carboxilación, sobre

el azúcar de 5 átomos de carbono, la ribulosa-1,5-bifosfato. La enzima que cataliza esta

reacción es la ribulosa-1,5-bifosfato-carboxilasa-oxidasa, conocida como rubisco.

Concretamente se fijan 6 moléculas de CO2 sobre 6 moléculas de ribulosa-1,5-bifosfato.

Esto da lugar a 12 moléculas de fosfoglicerato (de 3 carbonos cada una). En una segunda

fase del ciclo de Calvin, llamada de reducción, los fosfoglicerato se van reduciendo para

obtener 12 moléculas de gliceraldehído-3-fosfato. En esta fase se gastan 12 ATP y 12 NADPH

(obtenidos en la fase luminosa).

2 de las moléculas de gliceraldehído-3-fosfato se unen y forman una molécula de glucosa

(que salen del ciclo). En una tercera fase, llamada de regeneración, las 10 moléculas

restantes de gliceraldehído-3-fosfato se van uniendo para regenerar las 6 moléculas de

ribulosa-1,5-bifosfato. En esta etapa se consumen 6 moléculas de ATP.

Ciclo Hidrológico.

El ciclo hidrológico, es un modelo conceptual que describe el almacenamiento y movimiento del

agua en la Biosfera (Atmósfera, Litosfera, Hidrosfera), lo que se denomina Sistema Climático [3].

Fig. 1 ciclo hidrológico [4].

Precipitación.- Se denomina precipitación, a toda agua meteórica que cae en la superficie de la

tierra, tanto en forma líquida (llovizna, lluvia, etc.) y sólida (nieve, granizo, etc.) y las precipitaciones

ocultas (rocío, la helada blanca, etc.).

Evaporación.- Se define como el proceso mediante el cual se convierte el agua líquida en un estado

gaseoso. La evaporación puede ocurrir solamente cuando el agua está disponible. También se

requiere que la humedad de la atmósfera ser menor que la superficie de evaporación (a 100% de

humedad relativa no hay evaporación más) [3].

Condensación.- El cambio en el estado de la materia de vapor a líquido que se produce con el

enfriamiento. Normalmente se utiliza en meteorología cuando se habla de la formación de agua

líquida en vapor. Este proceso libera energía de calor latente para el medio ambiente [3].

Transpiración.- Es la evaporación a través de las hojas. El proceso fisiológico de alimentación de las

plantas se efectúa mediante el paso de ciertas cantidades de agua, portadoras de los alimentos, por

el interior de ellas y ese tráfico solamente es posible gracias a la transpiración [3].

Intercepción.- Es la parte de la precipitación que es interceptada por objetos superficiales como la

cubierta vegetal o los tejados, en general, parte de esta agua interceptada nunca alcanza al suelo

porque se adhiere y humedece estos objetos y se evapora [3].

Escorrentía superficial.- Es la porción de lluvia que no es infiltrada, interceptada o evaporada y que

fluye sobre las laderas. La escorrentía superficial, la infiltración y la humedad del suelo son

interactivas entre sí [3].

Escorrentía subsuperficial.- Es el agua que ha sido previamente infiltrada y no alcanza el

almacenamiento subterráneo o acuífero, por lo tanto debe ser considerada como parte de la

escorrentía.

Ciclo del nitrógeno

Este es quizá uno de los ciclos más complicados, ya que el nitrógeno se encuentra en varias formas,

y se llevan a cabo en él, una serie de procesos químicos en los que el nitrógeno es tomado del aire

y es modificado para finalmente ser devuelto a la atmósfera. El ciclo del nitrógeno tiene cinco

etapas, de las cuales sólo la asimilación no es realizada por bacterias:

Fijación.- La fijación biológica del nitrógeno consiste en la incorporación del nitrógeno atmosférico,

a las plantas, gracias a algunos microorganismos, principalmente bacterias y cianobacterias que se

encuentran presentes en el suelo y en ambientes acuáticos. Esta fijación se da por medio de la

conversión de nitrógeno gaseoso (N2) en amoniaco (NH3) o nitratos (NO3-) [5].

Nitrificación o mineralización.- Solamente existen dos formas de nitrógeno que son asimilables por

las plantas, el nitrato (NO3-) y el amonio (NH4+). Las raíces pueden absorber ambas formas. El

amonio es convertido a nitrato gracias a los microorganismos por medio de la nitrificación. La

modificación de NH4+ a NO3- depende de la temperatura del suelo [5].

Asimilación.- La asimilación ocurre cuando las plantas absorben a través de sus raíces, nitrato (NO3-

) o amoniaco (NH3). Luego, estas moléculas son incorporadas tanto a las proteínas, como a los ácidos

nucleicos de las plantas. Cuando los animales consumen los tejidos de las plantas, también asimilan

nitrógeno y lo convierten en compuestos animales [5].

Amonificación.- Los compuestos proteicos y otros similares, son de poco valor para las plantas

cuando se añaden de manera directa. Así, cuando los organismos producen desechos que contienen

nitrógeno como la orina (urea), los desechos de las aves (ácido úrico), así como de los organismos

muertos, éstos son descompuestos por bacterias presentes en el suelo y en el agua, liberando el

nitrógeno al medio, bajo la forma de amonio (NH3) [5].

Inmovilización. Es el proceso contrario a la mineralización, por medio del cual las formas inorgánicas

(NH4+ y NO3-) son convertidas a nitrógeno orgánico y, por tanto, no asimilables [5].

Desnitrificación. La reducción de los nitratos (NO3-) a nitrógeno gaseoso (N2), y amonio (NH4+) a

amoniaco (NH3), se llama desnitrificación, y es llevado a cabo por las bacterias desnitrificadoras que

revierten la acción de las fijadoras de nitrógeno, regresando el nitrógeno a la atmósfera. La

desnitrificación se debe, a que en condiciones de mucha humedad en el suelo, la falta de oxígeno

obliga a ciertos microorganismos a emplear nitrato en vez de oxígeno en su respiración [5].

Fig. 2 Ciclo del nitrógeno [6].

Ciclo del azufre.

El azufre se transforma en diversos compuestos y circula a través de la biosfera en el ciclo del azufre,

principalmente sedimentario. Entra en la atmósfera desde fuentes naturales como:

Sulfuro de hidrógeno (H2S), gas incoloro y altamente venenoso, proviene de volcanes

activos y la descomposición de la materia orgánica en pantanos, ciénegas y llanuras

cubiertas por las mareas.

Dióxido de azufre (SO2), gas incoloro y sofocante proveniente de volcanes activos.

Partículas de sulfatos (SO42,-), como el sulfato de amonio de la aspersión marina.

Cerca de un tercio de todos los compuestos de azufre y 99% del dióxido de azufre que llegan a la

atmósfera desde todas las fuentes, provienen de las actividades humanas. La combustión de

carbono y petróleo que contienen azufre, destinada a producir energía eléctrica, representa cerca

de dos tercios de la emisión de dióxido de azufre a la atmósfera. El tercio restante proviene de

procesos industriales como la refinería del petróleo y la conversión (por fundición) de compuestos

azufrosos de minerales metálicos en metales libres como el cobre, plomo y zinc [7].

En la atmósfera, el dióxido de azufre interactúa con el oxígeno para producir trióxido de azufre (SO3),

el cual reacciona con vapor de agua para producir minúsculas gotas de ácido sulfúrico (H2SO4)

Fig. 3 Ciclo del Azufre [7].

Referencias.

[1] “Fotosíntesis”, Carlos García, publicación en línea disponible en:

http://www.ub.edu/ecologia/Carlos.Gracia/PublicacionesPDF/Fotos%C3%ADntesis.pdf

[2] “La Fotosíntesis”, Gobierno de Canarias, publicación en línea disponible en:

http://www2.gobiernodecanarias.org/educacion/17/webc/salinas/Dep%20Biolog%C3%ADa/Fotos

%C3%ADntesis/LA%20FOTOS%C3%8DNTESIS.pdf

[3] “Cartilla técnica: ciclo hidrológico.”, Juan Ordoñez Gálvez, publicación en línea disponible en:

http://www.gwp.org/Global/GWP-SAm_Files/Publicaciones/Varios/Ciclo_Hidrologico.pdf

[4] “Ciclo hidrológico”, O. Escolero, E. Domínguez, S. Martínez, publicación en línea disponible en:

http://www2.inecc.gob.mx/emapas/download/lch_ciclo_hidrologico.pdf

[5] “Saber más… Ciclo del nitrógeno”, CICEANA, publicación en línea disponible en:

http://www.ciceana.org.mx/recursos/ciclo%20del%20nitrogeno.pdf

[6] “Ciclo del nitrógeno”, Nora Iñón, publicación en línea disponible en:

http://www.iib.unsam.edu.ar/php/docencia/licenciatura/biotecnologia/2010/QuimicaBiol/ciclo.p

df

[7] “Saber más… Ciclo del azufre”, CICEANA, publicación en línea disponible en:

http://www.ciceana.org.mx/recursos/Ciclodelazufre.pdf