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I. Micro-nutrientes en los océanos
X. Antón Álvarez Salgado
CSIC, Instituto de Investigacións MariñasC/ Eduardo Cabello 6, 36208 - Vigo
http://www.iim.csic.es
Impacto del cambio global en los ciclos del N, P, C y MetalesPalma de Mallorca, 16 a 20 de Marzo de 2009
estructura de esta presentaciónreservorios de C, N P y Si en los océanos
Worsfold et al., Anal. Chim. Acta, 2008
estructura de esta presentaciónreservorios de C, N P y Si en los océanos
estructura de esta presentación
compuestos inorgánicos de fósforo disuelto en los océanos
compuestos inorgánicos de nitrógeno disuelto en los océanos
compuestos inorgánicos disueltos en los océanos
compuestos de silicio disuelto en los océanos
el concepto de alcalinidad
micro-nutrientes inorgánicos en los océanos
TA = [Na+] + 2·[Mg2+] + 2·[Ca2+] + [K+] + 2·[Sr2+] +….
…- [Cl-] - 2·[SO42-] - [Br-] - [F-] - …
Zeebe and Wolf-Gladrow (2001)
compuestos inorgánicos disueltos en los océanos
TA = [HCO3–] + 2×[CO3
2–] + [B(OH)4–] + [OH–] + [BASES] – [H+]
[OH–] = [OH–] + [Mg(OH)+]
[H+] = [H+] + [HSO42–] + [HF]
[H+] = [HCO3–] + 2×[CO3
2–] + [B(OH)4–] + [OH–] + [BASES]
pHsws = 4.25
el concepto de alcalinidad
micro-nutrientes inorgánicos en los océanoscompuestos inorgánicos disueltos en los océanos
micro-nutrientes inorgánicos en los océanos
K1(35, 15) = 10-6.04 [CO2] = 13.8 µmol·kg-1 (0.7%)
K2(35,15) = 10-9.23 [HCO3-] = 1916.5 µmol·kg-1 (91.3%)
αS(35,15) = 10-1.43 [CO32-] = 169.6 µmol·kg-1 (8.0%)
KB(35, 15) = 10-8.74 [B(OH)4-] = 88.7 µmol·kg-1 (21.3%)
[H3BO3] = 327.7 µmol·kg-1 (78.7%)
pKa
CO32-/HCO3
- 9.23 0,000 -2,000 -2,000
HCO3-/CO2 6.04 0,000 -1,000 -1,000
B(OH)4-/H3BO3 9.23 0,000 -0,213 -0,213
254,ε 08,ε 25408 ,, ε−ε
AC = [HCO3-] + 2·[CO32-] = 2256 µmol·kg-1
AGUA DE MAR ESTANDAR
(pHsws = 8.0; = 2100 µmol·kg-1)∑ 2CO
K1
CO2 + H2O ⇔ HCO3- + H+
K2
HCO3- ⇔ CO3
2- + H+ KB
H3BO3 + H2O ⇔ B(OH)4- + H+
AB = ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ⋅⋅
+ ⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ +
=⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ −
35S416
HKKB(OH)
B
B4 =
= 88.7 µmol·kg-1
compuestos inorgánicos disueltos en los océanos
el concepto de alcalinidad
Codispoti, Biogeosciences, 2007
especies de nitrógeno inorgánico disuelto
micro-nutrientes inorgánicos en los océanosnitrógeno inorgánico disuelto (NID)
contribución del nitrógeno inorgánico disuelto a la alcalinidad
micro-nutrientes inorgánicos en los océanosnitrógeno inorgánico disuelto (NID)
KNO2
NO2H ⇔ NO2- + H+
[ ][ ] [ ]NONO H
2
2 T
NO2
NO2
−
+=
+K
K
(KNH4)-1
NH3(aq) + H+ ⇔ NH4+
[ ][ ] [ ]
NH
NH H3
4 T
NH4
NH4
=+ +
KK
KNO3 = 25 NO3H → NO3
― + H+
contribución del nitrógeno inorgánico disuelto a la alcalinidad
micro-nutrientes inorgánicos en los océanosnitrógeno inorgánico disuelto (NID)
pKa
HNO3/NO3- -1,4 -1,000 -1,000 0,000
HNO2/NO2- 3,25 –0,909 –1,000 –0,091
NH4+/NH3 9,23 +1,000 +0,915 -0,085
254,ε 08,ε 25408 ,, ε−ε
micro-nutrientes inorgánicos en los océanos
Schmitz, WHOI, 1995
nitrógeno inorgánico disuelto (NID)
distribución de NO3- en los océanos
Sarmiento & Gruber, 2006 (http://www.up.ethz.ch/people/ngruber/publications/textbook)
micro-nutrientes inorgánicos en los océanosnitrógeno inorgánico disuelto (NID)
distribución de NO3- en los océanos
Sarmiento & Gruber, 2006 (http://www.up.ethz.ch/people/ngruber/publications/textbook)
distribución de NO3- en los océanos
Sarmiento & Gruber, 2006 (http://www.up.ethz.ch/people/ngruber/publications/textbook)
micro-nutrientes inorgánicos en los océanosnitrógeno inorgánico disuelto (NID)
distribución de NO2- en los océanos: el máximo primario (< 1 μmol/kg)
micro-nutrientes inorgánicos en los océanosnitrógeno inorgánico disuelto (NID)
Lomas & Lipschultz, Limnol. Oceanogr., 2006
distribución de NO2- en los océanos: el máximo secundario: 1-10 μmol/kg
micro-nutrientes inorgánicos en los océanosnitrógeno inorgánico disuelto (NID)
Codispoti et al., Sci. Mar., 2001
distribución de NH4+ en los océanos
micro-nutrientes inorgánicos en los océanosnitrógeno inorgánico disuelto (NID)
αNH3
NH3(g) ⇔ NH3(aq)
[ ][ ]
pK
KNH g
H
NH3
NH4
NH4
4 T
NH3( ) =
+⋅+ α
[NH3(aq)]= αNH3(S,T)·pNH3(g).
distribución de NH4+ en los océanos
micro-nutrientes inorgánicos en los océanosnitrógeno inorgánico disuelto (NID)
distribución de N2O en los océanos
micro-nutrientes inorgánicos en los océanosnitrógeno inorgánico disuelto (NID)
ΔN2O (natm) ΔN2O (mg N/m2/y)
Nevison et al., Global Biogeochem. Cycles, 1995
distribución de N2O en los océanos
micro-nutrientes inorgánicos en los océanosnitrógeno inorgánico disuelto (NID)
Nevison et al., Global Biogeochem. Cycles, 2003
especies de fósforo inorgánico disuelto
micro-nutrientes inorgánicos en los océanosfósforo inorgánico disuelto (PID)
K1P
H3PO4 ⇔ H2PO4- + H+
K3P
HPO42- ⇔ PO4
3- + H+
K2P
H2PO4- ⇔ HPO4
2- + H+
[ ][ ]
[ ][ ] [ ] [ ]
H POP
H
H H H3 4
T
3
31P
21P 2P 1P 2P 3P
=+ ⋅ + ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅
+
+ + +K K K K K K
[ ][ ]
[ ][ ] [ ] [ ]
H POP
H
H H H2 4
T
1P2
31P
21P 2P 1P 2P 3P
− +
+ + +=
⋅
+ ⋅ + ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅
K
K K K K K K
[ ][ ]
[ ][ ] [ ] [ ]
HPOP
H
H H H4
T
1P 2P3
1P2
1P 2P 1P 2P 3P
2− +
+ + +=
⋅ ⋅
+ ⋅ + ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅
K K
K K K K K K
[ ][ ] [ ] [ ] [ ]
POP H H H
4
T
1P 2P 3P3
1P2
1P 2P 1P 2P 3P
3−
+ + +=
⋅ ⋅
+ ⋅ + ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅
K K K
K K K K K K
MgH2PO4+, CaH2PO4
+, MgHPO4, CaHPO4, MgPO4-, CaPO4
-
especies de fósforo inorgánico disuelto
micro-nutrientes inorgánicos en los océanosfósforo inorgánico disuelto (PID)
AGUA DE MAR ESTANDAR
K1P(35, 15) = 10-1.60
K2P(35,15) = 10-6.03
K2P(35,15) = 10-8.99
pHsws= 8.0
H3PO4 0.0%
H2PO4- 0.8%
HPO4-2- 88.4%
PO43- 10.8%
Kester & Pytkowiccz, Limnol. Oceaogr., 1967
contribución del fósforo inorgánico disuelto a la alcalinidad
micro-nutrientes inorgánicos en los océanosfósforo inorgánico disuelto (PID)
pK’1 pK’2 pK’3
H3PO4 1,60 6,03 8,99 –1,016 –2,149 –1,133
254,ε 08,ε 25408 ,, ε−ε
APO4 = (3·[PO43-] + 2·[HPO42-] + [H2PO4-])pH= 8.2-
- (3·[PO43-] + 2·[HPO42-] + [H2PO4-])pH= 4.4
distribución del fósforo inorgánico disuelto en los océanos
micro-nutrientes inorgánicos en los océanosfósforo inorgánico disuelto (PID)
Sarmiento & Gruber, 2006 (http://www.up.ethz.ch/people/ngruber/publications/textbook)
especies de silicio inorgánico disuelto
micro-nutrientes inorgánicos en los océanossilicio inorgánico disuelto (SiO2)
Ksi
H4SiO4 ⇔ Si(OH)3O- + H+
[ ][ ] [ ]
Si(OH) OSi H
3
T
Si
Si
−
+=+K
K
[ ][ ]
[ ][ ]
H SiOSi
HH
4 4
T Si
=+
+
+K
[Si(OH)3O-] = [Si(OH)3O-] + [ CaSi(OH)3O+] +[MgSi(OH)3O+] +
+[Ca(Si(OH)3O)2+] + [Mg(Si(OH)3O)2+]
AGUA DE MAR ESTANDARKSI(35,15)= 10-9.52
pHsws = 8.0
H4SiO4 96.7%
Si(OH)3O- 4.2%
contribución del silicio inorgánico disuelto a la alcalinidad
micro-nutrientes inorgánicos en los océanossilicio inorgánico disuelto (SiO2)
pKa
SiO4H3-/SiO4H4 9,52 0,000 -0,042 -0,042
254,ε 08,ε 25408 ,, ε−ε
TSi
Si3Si Si
HOSi(OH)A ⎥⎦
⎤⎢⎣⎡
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ +⎥
⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡⋅
+=−=
KK
micro-nutrientes inorgánicos en los océanossilicio inorgánico disuelto (SiO2)
distribución del Si(OH)4 en los océanos
Sarmiento & Gruber, 2006 (http://www.up.ethz.ch/people/ngruber/publications/textbook)
II. Material biogénico en los océanos
X. Antón Álvarez Salgado
CSIC, Instituto de Investigacións MariñasC/ Eduardo Cabello 6, 36208 - Vigo
http://www.iim.csic.es
Impacto del cambio global en los ciclos del N, P, C y MetalesPalma de Mallorca, 16 a 20 de Marzo de 2009
estructura de esta presentación
Compuestos inorgánicos biogénicos: sílice y carbonato cálcico
Compuestos orgánicos biogénicos: materia orgánica disuelta
Compuestos orgánicos biogénicos: materia orgánica particulada
compuestos orgánicos e inorgánicos biogénicos en los océanos
microorganismos con estructuras de sílice biogénica
compuestos inorgánicos biogénicosSiO2 · n H2O
diatomea silicoflagelada radiolario
polimerización del ácido silícico
compuestos inorgánicos biogénicosSiO2 · n H2O
Coradin et al., Chem. Biochem., 2003
2 Si(OH)4 →→ (OH)3Si-O-Si(OH)3++ H2O
SiO2 · n H2O (~10% H2O)
ΔTA = 0
Insat. : 0.1% - 10%
Hecky et al., 1973
compuestos inorgánicos biogénicosSiO2 · n H2O
Bopp et al., Geophys. Res. Lett., 2005
compuestos inorgánicos biogénicosSiO2 · n H2O
distribución del sílice biogénico en los océanos
Helhen et al., Biogeosciences, 2008
compuestos inorgánicos biogénicosSiO2 · n H2O
distribución del sílice biogénico en los sedimentos marinos
BSi(%
pes
o se
co)
microorganismos con estructuras de carbonato cálcico
compuestos inorgánicos biogénicosCaCO3
cocolitoforales foraminíferos
Langer, PhD Thesis, 2005
estructura cristalina de un cocolito de calcita
compuestos inorgánicos biogénicosCaCO3
A) Sketch of a three dimensional array of a very small portion of CaCO3atoms in their spatial arrangement in calcite; reproduced from Young et al. (1999).
B) Drawing of a coccolith of Emiliania huxleyi; reproduced from Young et al. (1999)
C) Schematic cross-section through an E. huxleyi crystal showing its crystallographic relation to the calcite rhomb (grey); reproduced from Henriksen et al. (2004a).
D) SEM image of inorganically precipitated calcite (courtesy of Gernot Nehrke, AWIBremerhaven)
E) SEM image of E. huxleyi
ΔTA = 0 Sobresat.: 250-400%
Balch et al., Global Bigeochem. Cy., 2005
distribución de CaCO3 en los océanos
compuestos inorgánicos biogénicosCaCO3
distribución de CaCO3 en sedimentos marinos
compuestos inorgánicos biogénicosCaCO3
Helhen et al., Biogeosciences, 2008
CaC
O3
(% p
eso
seco
)
Gould & Mantoura (1990)
partición de la materia orgánica en los océanos
compuestos orgánicos biogénicos
0.00010.0010.010.11101001000
ZOOPLANKTON
PHYTOPLANKTON
BACTERIA
DETRITUS
VIRUSES
SIZE, µm
dissolved
sinking suspended colloidal-HMW
filter
particulate
LMW
0.7-0.2µm
500-1000 Da
materia orgánica particulada (MOP)
MOD 700 Gt−C
material detrítico 20 Gt−C
fitoplancton 1−3 Gt−C
zooplancton 0.1 Gt−C
bacterias 0.1 Gt−C
Fraga et al., Scientia Marina, 1998
composición de la MOP en los océanos
compuestos orgánicos biogénicos
Grupo fórmula p.m. % (w/w)proteínas C138H127O45N39S 3171,0 45,1%clorofila a, b, c1 y c2 C46H52O5N4Mg 764,3 2,0%hidratos de carbono C17H28O14 456,4 24,4%lípidos C53H89O6 822,3 16,5%compuestos de fósforo C45H76O31N12P5 1436,0 12,0%biomolécula media C106H171O44N16PS0.3 2371,0 100%
materia orgánica particulada (MOP)
Fraga et al., Scientia Marina, 1998
composición de la MOP en los océanos
compuestos orgánicos biogénicosmateria orgánica particulada (MOP)
Fraga et al., Scientia Marina, 1998
composición de la MOP en los océanos
compuestos orgánicos biogénicosmateria orgánica particulada (MOP)
Fraga et al., Scientia Marina, 1998
composición de la MOP en los océanos
compuestos orgánicos biogénicosmateria orgánica particulada (MOP)
Fraga & Álvarez-Salgado, Ciencias Marina, 2006
contribución de la MOP a la alcalinidad
compuestos orgánicos biogénicosmateria orgánica particulada (MOP)
254,ε 08 ,ε 25408 ,, ε−εfórmula % (w/w)
Carbohidratos C6H10O5 24,4 0,000 0,000 0,000
Lípidos C53H89O6 16,5 0,000 0,000 0,000
clorofilas a, b, c1 y c2 C46H52O5N4Mg 2,0 0,000 0,000 0,000
Proteínas C139H217O45N39S 45,1 1,288 –1,029 –2,317
compuestos de fósforo C45H76O31N12P5 12,0 –3,018 –6,164 –3,145
Composición media C106H171O44N16PS0.3 100,0 –0,162 –1,586 –1,424
Fraga & Álvarez-Salgado, Ciencias Marina, 2006
distribución de la MOP en los océanos
compuestos orgánicos biogénicosmateria orgánica particulada (MOP)
distribución de la MOP en los sedimentos marinos
compuestos orgánicos biogénicosmateria orgánica particulada (MOP)
Helhen et al., Biogeosciences, 2008
POC
(%
pes
o se
co)
Brook, Nature, 2008
origen de la materia orgánica disuelta: biótico
compuestos orgánicos biogénicosmateria orgánica disuelta (MOD)
lisis mesozoo
nutrientes
nutrientes
metabolitos
MOP
OH-
O2l-MOD
r-MODH+
O2
anabolismocatabolismo
exudaciónexcrección
compuestos orgánicos biogénicosmateria orgánica disuelta (MOD)
origen de la materia orgánica disuelta: abiótico
melanoidinas ácidos grasos poli-insaturados
H2O
R NH2C
O
R NH2C
Oaminoácido
O C R’
H
O C R’
Hmonosacarido
R NC
O
C R’
H
R NC
O
C R’
H
Base de Schift
compuestos orgánicos biogénicos
Jickells et al., 1991
peso molecular y reactividad (biológica)
materia orgánica disuelta (MOD)
compuestos orgánicos biogénicos
MOD contribución τ (días) destino
labil l-MOD < 5% 10−2−101 reciclado
semi−labil s-MOD < 20% 102 exportación
refractaria 5-MOD > 75% 103−106 inmovilización
peso molecular y reactividad (biológica)
materia orgánica disuelta (MOD)
peso molecular y reactividad (biológica)
compuestos orgánicos biogénicos
LMW−MOD HMW−MOD
peso molecular < 1 kDa > 1 kDa contribución ~70% ~30%
l−MOD monoscaridos, aminoácidos, urea, ácidos grasos, glicolato
(τ~ horas−días)
Polímeros de azucar, amidas, péptidos, ésteres fosfóricos, fosfonatos
(τ~ días−semanas)
r−MOD ?
(τ~4000−6000 a)
sustancias húmicas
(τ ~ 150−200 a)
materia orgánica disuelta (MOD)
composición de la MOD ultrafiltrada (20-40% de la MOD)
compuestos orgánicos biogénicos
técnica compuestos referencias
13C−RMN polisacaridos (25−50%) Benner at al. (1992)
15N−RMN amidas (66−86%)
peptidos (8−10%)
indoles y pirroles (6−25%)
McCarthy et al. (1996)
32P−RMN Esteres fosfóricos (75%)
fosfonatos (25%)
Clark et al. (1998)
materia orgánica disuelta (MOD)
compuestos orgánicos biogénicosmateria orgánica disuelta (MOD)
contribución de la MOD a la alcalinidad: biomoléculas libres y polímeros
Tabla 1. Constantes de acidez de las especies consideradas en el texto (en la escala aH, sal. 35.0, temp. 25ºC). ∑∑ ×=
ii
iii AAzε , balance de cargas de las i especies con carga zi que constituyen el sistema de un ácido ‘A’. 254 ,ε
y 08,ε , balances a pHSWS 4,25 y 8,0.
pK’1 pK’2 pK’3 254,ε 08,ε 25408 ,, ε−ε
H2PO3–O–R (1) 1,77 6,12 — –1,016 –1,992 –0,976 HPO2–(–O–R)2 (1) 1,77 — — –0,998 –1,000 –0,002 Histidina(2,3) 6,0 — — +0,976 +0,006 –0,969 Lisina(2,3) 10,53 — — +1,000 +0,995 –0,005 Arginina(2,3) 12,48 — — +1,000 +1,000 –0,000 Ácido aspártico (2,3) 3,86 — — –0,776 –1,000 –0,224 Ácido glutámico (2,3) 4,25 — — –0,586 –1,000 –0,414 Adenosina(3) 3,30 12,50 — +1,075 +1,000 –0,074 Guanosina(3) 1,6 9,16 12,3 +1,002 +0,901 –0,100 Citosina(3) 4,60 12,16 — +0,613 +0,000 –0,613 Timidina(3) 9,8 13,1 — 0,000 –0,025 –0,025 Uridina(3) 9,2 12,3 — 0,000 –0,091 –0,091
(1) Se ha supuesto la misma pK’As que para el H3PO4 (2) Solamente se ha considerado el pK’A de los grupos funcionales laterales, puesto que los grupos R–CH(NH2)–
COOH terminales son amidas neutras (3) pK’As a salinidad 0,0 y temperatura 25ºC
Fraga & Álvarez-Salgado, Ciencias Marina, 2006
compuestos orgánicos biogénicosmateria orgánica disuelta (MOD)
contribución de la MOD a la alcalinidad: biomoléculas libres y polímeros
Muller & Blie, Anal. Chim. Acta, 2008
contribución de la MOD a la alcalinidad: sustancias húmicas
compuestos orgánicos biogénicosmateria orgánica disuelta (MOD)
ácido húmico
ácido fúlvico
Ritchie & Perdue, Geochim. Cosmochim. Acta, 2003
254,ε 08,ε 25408 ,, ε−εpKa
R-COO-/RCOOH 3.67/4.59 -0,314/-0.790 -1,000/-1,000 -0,208/-0,686
Phe-O-/Phe-OH 9.23/10.53 0,000/0,000 0,056/0,003 -0,056/-0,003
contribución de la MOD a la alcalinidad
compuestos orgánicos biogénicosmateria orgánica disuelta (MOD)
compuestos orgánicos biogénicosmateria orgánica disuelta (MOD)
amarilloclaro
amarillooscuro marrón gris
oscuro negro
ácido fúlvico ácido húmico humus
coloración
grado de polimerización
peso molecular
contenido en carbono
contenido en oxígeno
insolubilidad en agua
2000
45%
48%
300.000
62%
30%
Stevenson, 1982
distribución de la MOD
compuestos orgánicos biogénicosmateria orgánica disuelta (MOD)
Hansell et al., 2009
III. Metabolismo de los océanos: procesosde síntesis y mineralización
X. Antón Álvarez Salgado
CSIC, Instituto de Investigacións MariñasC/ Eduardo Cabello 6, 36208 - Vigo
http://www.iim.csic.es
Impacto del cambio global en los ciclos del N, P, C y MetalesPalma de Mallorca, 16 a 20 de Marzo de 2009
estructura de esta presentación
procesos de síntesis de material biogénico
procesos de mineralización anaerobia de material biogénico
procesos de mineralización aerobia de material biogénico
anabolismo y catabolismo de la comunidad microbiana
estequiomería de los procesos metabólicos en la red trófica microbiana
procesos metabólicos emergentes
distribución global de la producción primaria
procesos de síntesis de material biogénicosíntesis de materia orgánica por el fitoplancton
ecosistemas marinosC106H171O44N16P
0.6-3.0 Gt C1-3 semanas
50 Gt C a-1 (375 mg C m–2 d-1 )
ecosistemas terrestres
560 Gt C10 años
60 Gt C a-1 (1150 mg C m–2 d-1 )
C830H1230O604N9P
distribución global de la producción primaria por el fitoplancton
procesos de síntesis de material biogénicodesiertos y vergeles marinos
capa fótica
http://marine.rutgers.edu/opp/
distribución global de la concentración de nitrato superficial
procesos de síntesis de material biogénicodesiertos y vergeles marinos
50 m
http://ingrid.ldgo.columbia.edu/SOURCES/LEVITUS94/
distribución global de la temperatura superficial
procesos de síntesis de material biogénicodesiertos y vergeles marinos
50 m
http://ingrid.ldgo.columbia.edu/SOURCES/LEVITUS94/
procesos de síntesis de material biogénicodesiertos y vergeles marinos
elementos limitantes de la producción primaria
Bernard, Biogeosciences Diss., 2009
provincias biogeoquímicas en los océanos
procesos de síntesis de material biogénicodesiertos y vergeles marinos
Longhurst, Progr. Oceanogr., 1995
procesos de síntesis de material biogénicofotosíntesis de la biomolécula media
composición y balance de cargas de las biomolécula media
fórmula % (w/w)
Carbohidratos C6H10O5 24,4 0,000 0,000 0,000
Lípidos C53H89O6 16,5 0,000 0,000 0,000
clorofilas a, b, c1 y c2 C46H52O5N4Mg 2,0 0,000 0,000 0,000
Proteínas C139H217O45N39S 45,1 1,288 –1,029 –2,317
compuestos de fósforo C45H76O31N12P5 12,0 –3,018 –6,164 –3,145
composición media C106H171O44N16PS0.3 100,0 –0,162 –1,586 –1,424
254,ε 08 ,ε 25408 ,, ε−ε
Fraga & Álvarez-Salgado, Cienc. Mar., 2005
procesos de síntesis de material biogénicofuentes de ΣCO2 para la fotosíntesis
mecanismos de incorporación de CO2 y HCO3-
CO2 HCO3- CO3
2-
CO2
HCO3-
OH-
OH-POM
14 μM 1917 μM 170 μM
CO2
Anhidrasacarbónica
lentolento
CO2 HCO3- CO3
2-
CO2
HCO3-
OH-
OH-POM
14 μM 1917 μM 170 μM
CO2
Anhidrasacarbónica
lentolento
De Baar, Prog. Oceanogr., 1994
CO2 HCO3- CO3
2-
CO2
HCO3-
POM
14 μM 1917 μM 170 μM
CO2
lentolento
CaCO3
Ca2+
10.3 mM
CO2 HCO3- CO3
2-
CO2
HCO3-
POM
14 μM 1917 μM 170 μM
CO2
lentolento
CaCO3
Ca2+
10.3 mM2
procesos de síntesis de material biogénicofotosíntesis usando NH4
+ como fuente de N
estequiometría y contribución a la alcalinidad
138 HCO3– + 39 NH4
+ + SO42– + 12 H2O ⎯⎯→ C138H217O45N39S +142 O2 + 101 OH–
proteínas
6 HCO3– + 5 H2O ⎯⎯→ C6H10O5 + 6 O2 + 6 OH–
ΔO2/ ΔCorg = 1,00; ΔTA= 0
carbohidratos
53 HCO3– + 44,5 H2O ⎯⎯→ C53H89O6 + 72,25 O2 + 53 OH–
ΔO2/ ΔCorg = 1,36; ΔTA= 0
lípidos
ΔTA= Δ[NH4+] – 2·Δ[SO4
2–] + 0,033·Δ[Nprot] = 0,967·Δ[NH4+]–2·Δ[SO4
2–] = 0,916· Δ[NH4+]
ΔO2/ΔCorg =1,03
45 HCO3– + 12 NH4
+ + 5 HPO42– + 10,5 H2O ⎯⎯→ C45H76O31N12P5+ 45,75 O2 + 43 OH–
procesos de síntesis de material biogénicofotosíntesis usando NH4
+ como fuente de N
estequiometría y contribución a la alcalinidad
46 HCO3– + 4 NH4
+ + Mg2+ + 15 H2O ⎯⎯→ C46H52O5N4Mg + 54 O2+ 40 OH–
pigmentos
compuestos de fósforo
ΔTA= Δ[NH3+]–1,016·Δ[PT]–0,604·Δ[Pphy]= Δ[NH4
+]–0,412·Δ[PT]= 0,941·Δ[NH4+]
ΔO2/ ΔCorg = 1,02
ΔTA= Δ[NH4+] + 2·Δ[Mg2+] = 1,500· Δ[NH4
+]
ΔO2/ΔCorg = 1,17
procesos de síntesis de material biogénicofotosíntesis usando NH4
+ como fuente de N
estequiometría y contribución a la alcalinidad
106 HCO3- + 16 NH4
+ + HPO42- + 46 H2O ⎯⎯→ C106H171O44N16P + 116 O2 + 92 OH-
ΔTAorg= -1,500·Δ[Nchl]-0,918·Δ[Nprot]-2,258·Δ[Pphy] =
=0,92·Δ[NH4+] – 0,23·Δ[PT]= 0,906· Δ[NH4
+]
[ ] 1161
116HPO
OP
OR2
4
22P ==
Δ
Δ−=ΔΔ−=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡ −
[ ] 7.2516116
NHO
NOR
+4
22N ==
Δ
Δ−=ΔΔ−=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡
[ ][ ] 1.09
106116
COO
CorgOR
2
22C ==
∑ΔΔ−=
ΔΔ=
fórmula % (w/w)
Carbohidratos C6H10O5 24,4 0,000 1,00
Lípidos C53H89O6 16,5 0,000 1,36
clorofilas a, b, c1 y c2 C46H52O5N4Mg 2,0 1,500 1,17
Proteínas C139H217O45N39S 45,1 0,916 1,03
compuestos de fósforo C45H76O31N12P5 12,0 0,941 1,02
composición media C106H171O44N16PS0.3 100,0 0,906 1,09
procesos de síntesis de material biogénicofotosíntesis usando NH4
+ como fuente de N
estequiometría y contribución a la alcalinidad
]NH[TA
+ΔΔ
4 CorgO
ΔΔ 2
ausencia de sistema regulador:
inicial ΔCorg= 106 finalpH 8.00 +1.40 9.40
sistema regulador HCO3-/ CO3
2
procesos de síntesis de material biogénicofotosíntesis usando NH4
+ como fuente de N
sistema regulador del pH en agua de mar
198 HCO3- + 16 NH4
+ + HPO42- ⎯⎯→ C106H171O44N16P + 116 O2 + 92 CO3
2- + 46 H2O
inicial ΔCorg= 106 finalpH 8.00 +0.23 8.23
( )⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ −
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ −
+⋅−=3
23
10H10 HCO
COlogfKlogpH 2
HCO3- + OH- ⇔ CO3
2- + H2O
sistema regulador del agua de mar estándar:
procesos de síntesis de material biogénicofotosíntesis usando NH4
+ como fuente de N
sistema regulador del pH en agua de mar
Variable inicial ΔCorg= 106 final(µmol·kg-1) 2100 -106 1994
A (µmol·kg-1) 2348 -16 2332pH 8.00 +0.16 8.16[CO2] (µmol·kg-1) 13.8 -5.0 8.8[HCO3
-] (µmol·kg-1) 1917 -157 1760[CO3
2-] (µmol·kg-1) 170 +55 225ΩARG 2.6 3.5ΩCAL 4.1 5.3pCO2(g) (µatm) 370 -135 235[O2] (µmol·kg-1) 248 +116 364
∑ 2CO
procesos de síntesis de material biogénicofotosíntesis usando NO3
- como fuente de N
estequiometría y contribución a la alcalinidad
NO3- ⎯⎯→ NO2
- + 1/2 O2 (nitrato reductasa)
106 HCO3- + 16 NO3
- + HPO42- + 94 H2O ⎯⎯→ C106H171O44N16P + 148 O2 + 124 OH-
NO2- + 3 H2O ⎯⎯→ NH4
+ + 3/2 O2 +2 OH- (nitrito reductasa)
ΔTAorg= -1,08·Δ[NO3-] – 0.23· Δ[PT] = -1,094· Δ[NO3
-]
reducción asimilativa
[ ] 9.2516148
NOO
NOR
3
22N ==
Δ
Δ−=ΔΔ−=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡ −
[ ][ ] 1.40
106148
COO
CorgOR
2
22C ==
∑ΔΔ−
ΔΔ=
[ ] 1481
148HPO
OPOR
24
2T2
P ==Δ
Δ−=ΔΔ−=
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ −
procesos de síntesis de material biogénico
Variable inicial ΔCorg= 106 final(µmol·kg-1) 2100 +106 1994
A (µmol·kg-1) 2348 +16 2364pH 8.00 +0.21 8.21[CO2] (µmol·kg-1) 13.8 -6.1 7.7[HCO3
-] (µmol·kg-1) 1917 -180 1734[CO3
2-] (µmol·kg-1) 170 +80 249ΩARG 2.6 3.8ΩCAL 4.1 6.0pCO2(g) (µatm) 370 -163 207[O2] (µmol·kg-1) 248 +148 396
∑ 2CO
estequiometría y contribución a la alcalinidad
fotosíntesis usando NO3- como fuente de N
procesos de síntesis de material biogénicofotosíntesis usando N2 como fuente de N
distribución global de la fijación de N2 en los océanos
Deutsch et al., Nature, 2007
procesos de síntesis de material biogénicofotosíntesis usando N2 como fuente de N
estequiometría y contribución a la alcalinidad
106 HCO3- + 8 N2 ↑ + HPO4
2- + 86 H2O ⎯⎯→ C106H171O44N16P + 128 O2 + 108 OH-
N2↑+ 5 H2O ⎯⎯→ 2 NH4+ + 3/2 O2 + 2 OH- (nitrogenasa) – Trichodesmiun & cianobacterias
[ ] 1281
128HPO
OP
OR2
4
22P ==
Δ
Δ−=ΔΔ−=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡ −
[ ][ ] 8.00
16128
N2O
NOR
2
22N ==
Δ⋅Δ−=
ΔΔ−=
[ ][ ] 1.21
106128
COO
CorgOR
2
22C ==
∑ΔΔ−
ΔΔ=
ΔTAorg = -0,08· Δ[N2] – 0,23· Δ[PT] = -0,87·Δ[PT]
procesos de síntesis de material biogénicofotosíntesis usando N2 como fuente de N
estequiometría y contribución a la alcalinidad
Variable inicial ΔCorg= 106 final(µmol·kg-1) 2100 -106 1994
A (µmol·kg-1) 2348 +0 2348pH 8.00 +0.18 8.18[CO2] (µmol·kg-1) 13.8 -5.5 8.3[HCO3
-] (µmol·kg-1) 1917 -167 1750[CO3
2-] (µmol·kg-1) 170 +66 236ΩARG 2.6 3.6ΩCAL 4.1 5.7pCO2(g) (µatm) 370 -149 221[O2] (µmol·kg-1) 248 +128 376
∑ 2CO
procesos de síntesis de material biogénicofotosíntesis usando múltiples fuentes de N
estequiometría y contribución a la alcalinidad
106 HCO3- + 16 NH4
+ + HPO42- + 46 H2O ⎯⎯→ C106H171O44N16P + 116 O2 + 92 OH-
106 HCO3- + 16 NO3
- + HPO42- + 94 H2O ⎯⎯→ C106H171O44N16P + 148 O2 + 124 OH-
106 HCO3- + 8 N2 + HPO4
2- + 86 H2O ⎯⎯→ C106H171O44N16P + 128 O2 + 108 OH-
[ ] [ ] [ ] [ ] [ ]T3224 P,NO,NO,N,NH,TAorg Δ×−Δ×−Δ×−Δ×−Δ×=Δ −−+ 230081011080920
ΔTAPOM =0,059·Δ[Nprot] + 0,629·Δ[Pphy]=
= -0,06· (Δ[NO3-]+ Δ[NO2-]+ Δ[NH4
+]+0,5· Δ[NO2-]) - 0,49· Δ[PT]
[ ] [ ] [ ] [ ] [ ]T3224 P,NO,NO,N,NH,TAorg Δ×+Δ×−Δ×−Δ×−Δ×=Δ −−+ 260021950020980
Muestra filtrada
Δ[O2]= -9,25·(Δ[NH4+] + Δ[NO2
-] + Δ[NO3-]+Δ[N2] ) + 0,5·Δ[NO2
-] + 2·Δ[NH4+] + 1,25· Δ[N2])
Δ([O2] - 0,5·[NO2-] - 2·[NH4
+]-1,25·[N2]) = -9,25·Δ([NH4+] +[NO2
-] +[NO3-]+[N2])
Δ[O2]cor = -9,25·Δ[NT]
Δ[O2]= -7,25·Δ[NH4+] -8,75 Δ[NO2
-] - 9,25·Δ[NO3-] - 8,00 ·Δ[N2]
procesos de síntesis de material biogénicofotosíntesis usando múltiples fuentes de N
estequiometría y contribución a la alcalinidad
9,2516148
NcorO
NcorOR
T
22N ==
ΔΔ−=
ΔΔ−=
1481
148PcorO
PcorOR
T
22P ==
ΔΔ−=
ΔΔ−=
[ ][ ] 1,41
106128
COcorO
CorgcorOR
2
22C ==
∑ΔΔ−=
ΔΔ=
NH4+
NO2-
NO3-
(NH2)2CO
N2
N2
OH-
O2
MOP
(NH2)2CO NH4+
NO3-
N2
nitrogenasa
ureasa
Nitrito reductasa
Nitrato reductasa
tranpsorte
exudación
incorporación
NH4+
NO2-
NO3-
(NH2)2CO
N2
N2
OH-
O2
MOP
(NH2)2CO NH4+
NO3-
N2
nitrogenasa
ureasa
Nitrito reductasa
Nitrato reductasa
tranpsorte
exudación
incorporación
procesos de síntesis de material biogénicofotosíntesis usando múltiples fuentes de N
Lee, 2001
distribución global de la calcificación en los océanos: 1,1 ± 0,3 × 1015 g C/yr
procesos de síntesis de material biogénicosíntesis de carbonato cálcico en los océanos
estequiometría y contribución a la alcalinidad
procesos de síntesis de material biogénicosíntesis de carbonato cálcico en los océanos
CO32- + Ca2+ ⎯⎯→ CaCO3 (s)
ΔACaCO3= 2·Δ[CO32-]= -2·Δ[CaCO3]
[ ] [ ] [ ] [ ] [ ]( )T3224 P,NO,NO,N,NH,TAaCOC Δ×+Δ×+Δ×+Δ×+Δ×−Δ⋅−=Δ −−+ 23008101108092021
3
]CaCO[TAorgTATAorgTA aCOC 323 Δ⋅−Δ=Δ+Δ=Δ
]CaCO[]Corg[]CO[ 32 Δ−Δ−=∑Δ
cor]CO[]CaCO[]CO[]Corg[ ∑Δ=Δ−∑Δ=Δ 232
[ ] [ ][ ] 1,40
106148
corCOcorO
CorgcorOR
2
22C ==
∑ΔΔ−=
ΔΔ−=
Cocientes independientesde la fuente de N yde la calcificación
9,2516148
NcorO
NcorOR
T
22N ==
ΔΔ−=
ΔΔ−=
1481
148PcorO
PcorOR
T
22P ==
ΔΔ−=
ΔΔ−=
[ ] [ ][ ] 1,40
106148
corCOcorO
CorgcorOR
2
22C ==
∑ΔΔ−=
ΔΔ−=
estequiometría y contribución a la alcalinidad
procesos de síntesis de material biogénicosíntesis de carbonato cálcico en los océanos
Variable inicial ΔCorg= 106 final(µmol·kg-1) 2100 -212 1888
A (µmol·kg-1) 2348 -196 2152pH 8.00 +0.06 8.06[CO2] (µmol·kg-1) 13.8 -3.1 10.7[HCO3
-] (µmol·kg-1) 1917 -212 1704[CO3
2-] (µmol·kg-1) 170 4 173ΩARG 2.6 2.7ΩCAL 4.1 4.2pCO2(g) (µatm) 370 -84 286[O2] (µmol·kg-1) 248 +148 396
∑ 2CO
estequiometría y contribución a la alcalinidad
procesos de síntesis de material biogénicosíntesis de carbonato cálcico en los océanos
ΔCorg = Δ CaCO3, ΔNT = Δ [NO3-] (cocolitoforales usando nitrato como fuente de N)
distribución global de la silificación en los oceanos: 6,85 1015 g /yr
procesos de síntesis de material biogénicoSíntesis de sílice biogénica en los océanos
Table 7.2.1 Estimates of opal production in the world ocean.
Production rate (mmol m-2 d-1 of Si) Region Number of profiles Low Mean High
Coastal Upwelling 77 2.3 90 1140 Other Coastal 55 0.2 15 131 Deep Ocean 84 0.2 2.3 12 Southern Ocean 74 0.9 15 93
Bopp et al., Geophys. Res. Lett., 2005
procesos de síntesis de material biogénicoSíntesis de sílice biogénica en los océanos
estequiometría y contribución a la alcalinidad
H4SiO4 + (n-2) H2O ⎯⎯→ SiO2·nH2O(s)
[ ] [ ]23 SiO.SiOHSiK
SiKOSi(OH)SiA Δ⋅−=Δ⋅++
=−Δ=Δ⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡ 04202
procesos de mineralización aerobia de material biogénicoamonificación
estequiometría y contribución a la alcalinidad
C106H171O44N16P + 116 O2 + 46 H2O ⎯⎯→ 106 HCO3- + 16 NH4+ + HPO4
2- + 92 H+
ΔTAorg = 0,92· Δ[NH4+] – 0,23·Δ[PT] = 0,906· Δ[NH4
+]
[ ] 1161
116HPO
OP
OR2
4
22P ==
Δ
Δ−=ΔΔ−=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡ −
[ ] 7.2516
116NH
ONOR
+4
22N ==
Δ
Δ−=ΔΔ−=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡
[ ][ ] 1.09
106116
COO
CorgOR
2
22C ==
∑ΔΔ−=
ΔΔ=
procesos de mineralización aerobia de material biogénicoamonificación
estequiometría y contribución a la alcalinidad
Variable inicial ΔCorg=-106 final(µmol·kg-1) 2100 +106 2206
A (µmol·kg-1) 2348 +16 2364pH 8.00 -0.19 7.81[CO2] (µmol·kg-1) 13.8 +9.4 23.3[HCO3
-] (µmol·kg-1) 1917 +149 2065[CO3
2-] (µmol·kg-1) 170 -52 117ΩARG 2.6 1.8ΩCAL 4.1 2.8pCO2(g) (µatm) 370 +252 621[O2] (µmol·kg-1) 248 -116 132
∑ 2CO
procesos de mineralización aerobia de material biogéniconitrificación
estequiometría y contribución a la alcalinidad
NH4+ + 3/2 O2 ⎯→ NO2
− + H2O + 2H+ NH4+ + 1/2 O2 ⎯→ NH2OH + H+
NH2OH + O2 ⎯→ NO2− + H2O + H+
2 NH2OH + O2 ⎯→ N2O + 3H2O
nitrificación, fase I(nitrosomonas)
nitrificación, fase II(nitrosococcus)
NO2− + 1/2 O2 ⎯⎯→ NO3
−
C106H171O44N16P + 148 O2 + 30 H2O ⎯⎯→ 106 HCO3- + 16 NO3
- + HPO42- + 124 H+
[ ] 1481
148HPO
OPTOR
24
22P ==
Δ
Δ−=ΔΔ−=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡ −
[ ] 9.2516148
NOO
NOR
3
22N ==
Δ
Δ−=ΔΔ−=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡ −
[ ][ ] 1.40
106148
COO
CorgOR
2
22C ==
∑ΔΔ−
ΔΔ=
ΔTAorg= -1,08·Δ[NO3-] – 0.23· Δ[PT]= -1,094· Δ[NO3
-]
procesos de mineralización aerobia de material biogéniconitrificación
estequiometría y contribución a la alcalinidad
Variable inicial ΔCorg=-106 final(µmol·kg-1) 2100 +106 2206
A (µmol·kg-1) 2348 -16 2232pH 8.00 -0.27 7.73[CO2] (µmol·kg-1) 13.8 +14.1 28.0[HCO3
-] (µmol·kg-1) 1917 +163 2079[CO3
2-] (µmol·kg-1) 170 -71 99ΩARG 2.6 1.5ΩCAL 4.1 2.4pCO2(g) (µatm) 370 +377 747[O2] (µmol·kg-1) 248 -148 100
∑ 2CO
procesos de mineralización aerobia de material biogéniconitrificación
distribución en los océanos
Sarmiento & Gruber, 2006 (http://www.up.ethz.ch/people/ngruber/publications/textbook)
procesos de mineralización aerobia de material biogéniconitrificación
distribución en los océanos
Wada & Hattori, 1991
procesos de mineralización anaerobia de material biogénicodesnitrificación
estequiometría y contribución a la alcalinidad
I) NO3- + H2O + 2 e- ⎯⎯→ NO2- + 2 OH-
II) NO2- + H2O + 1 e- ⎯⎯→ NO• ↑ + 2 OH-
III) 2 NO• ↑ + H2O + 2 e- ⎯⎯→ N2O ↑ + 2 OH-
IV) N2O ↑ + H2O + 2 e- ⎯⎯→ N2 ↑ + 2 OH-
⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯
2 NO3- + 6 H2O + 10 e- ⎯⎯→ N2 ↑ + 12 OH-
C106H171O44N16P + 278 H2O ⎯⎯→ 106 HCO3- + 16 NH4
+ + HPO42- + 556 H+ + 464 e-
procesos de mineralización anaerobia de material biogénicodesnitrificación
estequiometría y contribución a la alcalinidad
C106H171O44N16P + 102,4 NO3- ⎯⎯→ 106 HCO3
- + 59,2 N2↑ + HPO42- + 29,2 H2O + 5,6 H+
ΔTAorg = -Δ[NO3-] - 0,94·Δ[PT] = -Δ[NO3
-]
el NO3- se agota
rápidamente!
procesos de mineralización anaerobia de material biogénicodesnitrificación
estequiometría y contribución a la alcalinidad
Variable inicial ΔCorg= -21 final(µmol·kg-1) 2279 +21 2300
A (µmol·kg-1) 2321 +20 2341pH 7.69 -0.04 7.69[CO2] (µmol·kg-1) 50.7 +0.4 51.1[HCO3
-] (µmol·kg-1) 2169 +19 2188[CO3
2-] (µmol·kg-1) 59.3 +0.5 59.8ΩARG 0.91 0.92ΩCAL 1.43 1.44pCO2(g) (µatm) 1353 12 1365[O2] (µmol·kg-1) 0 0 0
∑ 2CO
procesos de mineralización anaerobia de material biogénicodesnitrificación
distribución global de la desnitrificación en los océanos
oxígeno disuelto a 200 m de profundidad (ref. 1994)
procesos de mineralización anaerobia de material biogénicodesnitrificación
distribución global de la desnitrificación en los océanos
procesos de mineralización anaerobia de material biogénicosulfato-reducción
estequiometría y contribución a la alcalinidad
C106H171O44N16P + 58 SO42- + 46 H2O ⎯⎯→ 106 HCO3
- + 16 NH4+ + HPO4
2- + 58 HS- + 34 H+
KH2S
H2S ⇔ HS- + H+
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ +⎥⎦
⎤⎢⎣⎡
⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡
+⋅==
HSH-HSA
H2S
H2ST2H2S K
K
pKa
HS-/H2S 6.69 0,000 -0,866 -0,866254,ε 37,ε 25437 ,, εε −
ΔTAorg = -2· Δ[SO42-]+0,92·Δ[NH4
+]-0,94· Δ[PT]=
= 8,11·Δ[NH4+]
procesos de mineralización anaerobia de material biogénicosulfato-reducción
distribución de la sulfato-reducción en los océanos
procesos de mineralización anaerobia de material biogénicofermentación
estequiometría y contribución a la alcalinidad
C106H171O44N16P + 104 H2O ⎯⎯→ 58 CH4↑+ 48 HCO3- + 16 NH4
+ + HPO42- + 34 H+
ΔTAorg = 0,92·Δ[NH4+] – 0,94·Δ[PT]= 0,86· Δ[NH4
+]
procesos de mineralización anaerobia de material biogénicofermentación
distribución de la fermentación en los océanos
Reeburgh, Chem. Rev., 2007
procesos de mineralización anaerobia de material biogénicoprocesos en lo sedimentos
Amonificación
C106H171O44N16P + 116 O2↑+ 46 H2O ⎯⎯→ 106 HCO3-+ 16 NH4
+ + HPO42- + 92 H+
Nitrificación
C106H171O44N16P+ 148 O2↑+ 30 H2O ⎯⎯→ 106 HCO3-+16 NO3
- + HPO42- + 124 H+
desnitrificación 2 NO3- + 6 H20 + 10 e- ⎯⎯→ N2↑ + 12 OH-
Mn(IV) MnO2 + 4 H+ + 2 e- ⎯⎯→ Mn2+ + 2 H2O (birnesita, nsutita ó pirolusita)
NO3- → NH4
+ NO3- + 7 H2O + 8 e- ⎯⎯→ NH4
+ + 10 OH-
Fe(III) Fe2O3 + 6 H+ + 2 e- ⎯⎯→ 2 Fe+2 + 3 H2O (hematita)FeOOH + 3 H+ + 1e- ⎯⎯→ Fe2+ + 2 H2O (geotita)
sulfato reducción SO42- + 5 H2O + 8 e- ⎯⎯→ HS- + 9 OH-
fermentación CO2↑ + 8 H+ + 8 e- ⎯⎯→ CH4↑ +2 H2O
Semi-par reductor (donante de e-)
C106H171O44N16P+278 H2O ⎯⎯→ 106 HCO3-+16 NH4+ + HPO4
2- + 556 H+ + 464 e-
Semi-par oxidante (aceptor de e-)
aero
bia
anae
robi
a
prof
undi
dad
+0,20 /+0,80
+0,05 /+0,75
+0,10 /+0,60
-0,65 /-0,20
-0,20 /+0,40
-0,50 /+0,05
Eh (Volts)
procesos de mineralización anaerobia de material biogénicoprocesos en lo sedimentos
metano en los sedimentos costeros
Kaudla & Sandler, Energy & Fuel, 2005
procesos de mineralización anaerobia de material biogénicoprocesos en lo sedimentos
clatratos de metano en los sedimentos oceánicos
Kaudla & Sandler, Energy & Fuel, 2005
procesos de mineralización anaerobia de material biogénicoprocesos en lo sedimentos
sedimentos
aerobios
anaerobios
Norg
Norg
Norg
N residual
geo-polímeros
NH4+ NO2
- NO3-
N2NO3-NH4
+
NH4+ NO3
- NO2- N2
NH4+·arcilla/humus
intercambio iónico
desnitrificación
nitrificaciónamonificación
reaccionessedimentación difusión
Klump & Martens, 1983
procesos de mineralización de material biogénico inorgánicomineralización de estructuras silíceas
estequiometría y contribución a la alcalinidad
[ ] [ ]23 SiO.SiOHSiK
SiKOSi(OH)SiA Δ⋅−=Δ⋅++
=−Δ=Δ⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡ 04202
SiO2·nH2O(s) ⎯⎯→ H4SiO4 + (n-2) H2O
procesos de mineralización de material biogénico inorgánicomineralización de estructuras silíceas
distribución global de la disolución de BSi en los océanos
procesos de mineralización de material biogénico inorgánicomineralización de estructuras calcáreas
estequiometría y contribución a la alcalinidad
CaCO3 (s) ⎯⎯→ CO32- + Ca2+
ΔACaCO3= 2·Δ[CO32-]= -2·Δ[CaCO3]
procesos de mineralización de material biogénico inorgánicomineralización de estructuras calcáreas
distribución global de la descalcificación en los océanos
Sarmiento & Gruber, 2006 (http://www.up.ethz.ch/people/ngruber/publications/textbook)
procesos de mineralización de material biogénico inorgánicomineralización de estructuras calcáreas
Sarmiento & Gruber, 2006 (http://www.up.ethz.ch/people/ngruber/publications/textbook)
distribución global de la descalcificación en los océanos
procesos de mineralización de material biogénico inorgánicomineralización de estructuras calcáreas
Sarmiento & Gruber, 2006 (http://www.up.ethz.ch/people/ngruber/publications/textbook)
distribución global de la descalcificación en los océanos
procesos metabólicos emergentes
ammonium oxidizing bacteria: NH4+ + 3/2 O2 → NO2- + H2O + 2 H+ (nitrosomonas)
nitrite oxidizing bacteria: NO2- + 1/2 O2 → NO3- (nitrosococcus)
ammonia oxidizing archea: NH4+ + 3/2 O2 → NO2 - + H2O + 2H+
(quimioautotrofo)
Nuevos micro-organismos nitrificadores
Nuevos microorganismos fijadores de N2
cuestiones candentes sobre el metabolismo del nitrógeno
Trichodesmium
cianobacterias (Synechococcus, Anabaena, …)
bacterias hererotroficas (gamma y alfa-proteobacterias)
Ward et al., Oceanography, 2007
la nueva ruta anammox
procesos metabólicos emergentes
NH4+ + NO2
-→ N2 ↑+ 2 H2O
cuestiones candentes sobre el metabolismo del nitrógeno
i) NO2- + 2 NH4
+ + H2O → 3 NH2OH + H+
(hidoxilamina)
ii) NH2OH + NH4+ → N2H4+ H2O + 4 H+
(hidrazina)
iii) 3 N2H4+ 4 H+ → N2 ↑ + 4 NH4+
Brandes et al., Chem Rev, 2007
la nueva ruta anammox
procesos metabólicos emergentescuestiones candentes sobre el metabolismo del nitrógeno
O2 < 1.1 μM
Arrigo, Nature, 2005
procesos metabólicos emergentescuestiones candentes sobre el metabolismo del nitrógeno
desbalance entre fijación N2 y desnitrificación
Codispoti, Biogeosciences, 2007
desbalance entre fijación N2 y desnitrificación
procesos metabólicos emergentescuestiones candentes sobre el metabolismo del nitrógeno
Kolber, Science, 2006
desbalance entre fijación N2 y desnitrificación
procesos metabólicos emergentescuestiones candentes sobre el metabolismo del nitrógeno
Dyhrman et al., Oceanography, 2007
procesos metabólicos emergentescuestiones candentes sobre el metabolismo del fósforo
la complejidad del ciclo del P: nuevas piezas entran en juego
Benitez-Nelson, 2000
procesos metabólicos emergentescuestiones candentes sobre el metabolismo del fósforo
la complejidad del ciclo del P: nuevas piezas entran en juego
Karl et al., Nature Geoesciences, 2008
procesos metabólicos emergentescuestiones candentes sobre el metabolismo del fósforo
la complejidad del ciclo del P: síntesis aerobia de metano
IV. Ciclos biogeoquímicos en los océanos
X. Antón Álvarez Salgado
CSIC, Instituto de Investigacións MariñasC/ Eduardo Cabello 6, 36208 - Vigo
http://www.iim.csic.es
Impacto del cambio global en los ciclos del N, P, C y metalesPalma de Mallorca, 16 a 20 de Marzo de 2009
estructura de esta presentación
la bomba biológica en los océanos: antes (1980’s) y después (1990’s)
ciclo del material inorgánico: los casos del silicio y el carbonato cálcico
ciclo del material orgánica: los casos del nitrógeno y fósforo en los océanos
ciclos biogeoquímicos en los océanos
el modelo de Eppley & Petersen (1979)
la bomba biológica en los océanosla bomba biológica de los años 1980
1%
NO3-NO3-
NO3-NO3-
NH4+NH4+
NOP
PRPN
estimando la producción nueva o explotable
la bomba biológica en los océanosla bomba biológica de los años 1980
trampas de sedimento
M.O.
balances geoquímicos
Z
NT
1%
VZ KZ
Ecuación
NT
1%
PRPN
NO3-
NO3- NOS
NH4+
15NO3 , 15NH4
- +
estimando la producción nueva o explotable
la bomba biológica en los océanosla bomba biológica de los años 1980
Sarmiento & Gruber, 2006 (http://www.up.ethz.ch/people/ngruber/publications/textbook)
la bomba biológica en los océanosla bomba biológica de los años 1980
Sarmiento & Gruber, 2006 (http://www.up.ethz.ch/people/ngruber/publications/textbook)
trampas de sedimentación
la bomba biológica en los océanosla bomba biológica de los años 1980
Sarmiento & Gruber, 2006 (http://www.up.ethz.ch/people/ngruber/publications/textbook)
trampas de sedimentación
la bomba biológica en los océanosla bomba biológica de los años 1980
trampas de sedimentación: flujo en la interfase epi-mesopelágica (150 m)
Sarmiento & Gruber, 2006 (http://www.up.ethz.ch/people/ngruber/publications/textbook)
la bomba biológica en los océanosla bomba biológica de los años 1980
trampas de sedimentación: flujo en la interfase epi-mesopelágica (150 m)
Sarmiento & Gruber, 2006 (http://www.up.ethz.ch/people/ngruber/publications/textbook)
la bomba biológica en los océanosla bomba biológica de los años 1980
trampas de sedimentación: flujo en la interfase epi-mesopelágica (150 m)
Sarmiento & Gruber, 2006 (http://www.up.ethz.ch/people/ngruber/publications/textbook)
la bomba biológica en los océanosla bomba biológica de los años 1980
Honjo et al.., Prog. Oceanogr., 2008
trampas de sedimentación: flujo en la interfase meso-batipelágica (2 km)
la bomba biológica en los océanosla bomba biológica de los años 1980
Honjo et al.., Prog. Oceanogr., 2008
trampas de sedimentación: flujo en la interfase meso-batipelágica (2 km)
la bomba biológica en los océanosla bomba biológica de los años 1980
Honjo et al.., Prog. Oceanogr., 2008
trampas de sedimentación: flujo en la interfase meso-batipelágica (2 km)
la bomba biológica en los océanosla bomba biológica de los años 1980
Dunne et al.., Global Biogeochem. Cy., 2007
trampas de sedimentación: resumen de flujos de carbono orgánico (Pg C/a)
Near-shore (<50m) Self (50-200m) Slope (200-2000m) Rise/Plain (>2000m)0.71x1013 m2 31.07x1013 m22.24x1013 m20.95x1013 m2
3.61±0.45
2.47±0.54
1.14±0.41
0.04±0.47
1.10±0.390.09±0.060.53±0.38
0.48±0.32
2.87±0.26
2.01±0.37
0.86±0.31
0.34±0.22
0.52±0.200.05±0.030.29±0.10
0.19±0.13
4.06±0.51
3.56±0.57
1.00±0.36
0.64±0.19
0.36±0.180.036±0.0300.22±0.12
0.10±0.08
43.1±8.4
36.5±7.7
6.55±2.55
6.24±0.94
0.31±0.300.107±0.1200.19±0.19
0.012±0.020
los aportes atmosféricos entran en escena
la bomba biológica en los océanosla bomba biológica de los años 1980
1%
NO3-NO3-
NO3-NO3-
NH4+NH4+
NOP
PRPN
los aportes atmosféricos entran en escena
la bomba biológica en los océanosla bomba biológica de los años 1980
1%
NO3-NO3-
NO3-NO3-
NH4+NH4+
NOP
PRPN
NH4+NH4+NO3
-NO3-
NH4+NH4+ N2
N2
l-MOD: reciclado en escala de horas-días
la bomba biológica en los océanosla bomba biológica de los años 1990
1%
NO3-NO3-
NO3-NO3-
LNOD
NH4+NH4+
NOP
PRPN
NH4+NH4+NO3
-NO3-
NH4+NH4+ N2
N2
l-MOD: reciclado en escala de horas-días
la bomba biológica en los océanosla bomba biológica de los años 1990
phytoplankton< 5 µm
0.1 - 2 µmbacteria
2 - 30 µmflagellates
8 - 100 µmciliates
DOM&
POM
met
azoa
phytoplankton> 5 µm
Sherr & Sherr, Limnol. Oceanogr., 1989
l-MOD: reciclado en escala de horas-días
la bomba biológica en los océanosla bomba biológica de los años 1990
Steinberg et al., Limnol. Oceanogr., 2008
Leboulanger et al., Deep-Sea Res., 1995
la bomba biológica en los océanosla bomba biológica de los años 1990
l-MOD: reciclado en escala de horas-días
QS (
km3 )
-3.0
-1.5
0.0
1.5
3.0
4.5
6.0
QS x
DO
C S (10
3 km
ol C
)
-300
-150
0
150
300
450
600
V·Δ
DO
C/Δt
, PN
E, O
- I (
103 k
mol
C)
-25.0
-12.5
0.0
12.5
25.0
37.5
50.0
QS (
km3 )
-3.0
-1.5
0.0
1.5
3.0
4.5
6.0
QS x
DO
CS (
103 k
mol
C)
-300
-150
0
150
300
450
600
V·ΔΔ
OC
/Δt,
PNE,
O -
I (10
3 km
ol C
)
-25.0
-12.5
0.0
12.5
25.0
37.5
50.0c
ba
d
15 Ju
l
01 Ju
l
04 Ju
l
08 Ju
l
11 Ju
l
18 Ju
l
15 Ju
l
01 Ju
l
04 Ju
l
08 Ju
l
11 Ju
l
18 Ju
l
15 S
ep
29 S
ep
18 S
ep
22 S
ep
25 S
ep
02 O
ct
15 S
ep
29 S
ep
18 S
ep
22 S
ep
25 S
ep
02 O
ct
QS x DOCSQS
V x ΔDOC/ΔtPNEO-I
Álvarez-Salgado et al., Limnol. Oceanogr., 2001
la bomba biológica en los océanosla bomba biológica de los años 1990
l-MOD: reciclado en escala de horas-días
Ría de Vigo
12
345
s-MOD: reciclado en escala de semanas-meses
la bomba biológica en los océanosla bomba biológica de los años 1990
1%
NO3-NO3-
NO3-NO3-
LNOD
NH4+NH4+
NOP
PRPN
NH4+NH4+NO3
-NO3-
NH4+NH4+ N2
N2
s-MOD: reciclado en escala de semanas-meses
la bomba biológica en los océanosla bomba biológica de los años 1990
1%
NO3-
NO3-
LNOD
NH4+
NOP
SNOD
SNOD
PRPN
NH4+NO3
-
NH4+ N2
N2
1%
NO3-
NO3-
LNOD
NH4+
NOP
SNOD
SNOD
PRPN
NH4+NO3
-
NH4+ N2
N2
1%
NO3-NO3-
NO3-NO3-
LNOD
NH4+NH4+
NOP
SNOD
SNOD
PRPN
NH4+NH4+NO3
-NO3-
NH4+NH4+ N2
N2
Carlson et al., Nature, 1994
s-MOD: reciclado en escala de semanas-meses
la bomba biológica en los océanosla bomba biológica de los años 1990
COD (µM-C)
50 60 70 80 90
prof
undi
dad
(m)
0
50
100
150
200
250
temperatura (°C)
18 20 22 24 26 28
primavera
verano
otoño
invierno
(adaptado de Carlson et al., 1994)
Lefevre et al., J. Mar. Sys., 1996
s-MOD: reciclado en escala de semanas-meses
la bomba biológica en los océanosla bomba biológica de los años 1990
150 m
200 m
1000 m
respiración total13.8 g C m-2 a-1
1.4 g C m-2 a-1
4.0 g C m-2 a-1
M.O.P
M.O.D.
18.4 g C m-2 a-1
Trampas de sedimento ETS HTCO
primavera invierno
150 m
200 m
1000 m
respiración total13.8 g C m-2 a-1
1.4 g C m-2 a-1
4.0 g C m-2 a-1
M.O.P
M.O.D.
18.4 g C m-2 a-1
Trampas de sedimento ETS HTCO
primavera invierno
Arístegui et al., Science, 2002
s-MOD: reciclado en escala de semanas-meses
la bomba biológica en los océanosla bomba biológica de los años 1990
Archer et al., Deep-Sea Res., 1997
s-MOD: reciclado en escala de semanas-meses
la bomba biológica en los océanosla bomba biológica de los años 1990
NS
40 µM-C
4080
8060
equador
giro subtropical
giro subtropical
SEC
EUC
MOP
MOP
Álvarez-Salgado et al., Limnol. Ocranogr., 2007
s-MOD: reciclado en escala de semanas-meses
la bomba biológica en los océanosla bomba biológica de los años 1990
Álvarez-Salgado et al., Limnol. Oceanogr., 2007
s-MOD: reciclado en escala de semanas-meses
la bomba biológica en los océanosla bomba biológica de los años 1990
plataformataludocéano abierto plataformataludocéano abierto
MOPsusp+MOD
MOPsink
afloramiento
s-MOD: reciclado en escala de semanas-meses
la bomba biológica en los océanosla bomba biológica de los años 1990
Álvarez-Salgado et al., Limnol. Oceanogr., 2007
la bomba biológica en los océanosla bomba biológica de los años 1990
r-MOD: reciclado en escala de años-milenios
1%
NO3-
NO3-
LNOD
NH4+
NOP
SNOD
SNOD
PRPN
NH4+NO3
-
NH4+ N2
N2
1%
NO3-
NO3-
LNOD
NH4+
NOP
SNOD
SNOD
PRPN
NH4+NO3
-
NH4+ N2
N2
1%
NO3-NO3-
NO3-NO3-
LNOD
NH4+NH4+
NOP
SNOD
SNOD
PRPN
NH4+NH4+NO3
-NO3-
NH4+NH4+ N2
N2
la bomba biológica en los océanosla bomba biológica de los años 1990
r-MOD: reciclado en escala de años-milenios
1%
NO3-NO3-
NO3-NO3-
LDON
RDONNH4
+NH4+
PON
SDON
SDON
RPNP
NH4+NH4+NO3
-NO3-
NH4+NH4+ N2
N2
RDON
Kieber et al.L Limnol. Oceanogr. 1997
r-MOD: reciclado en escala de años-milenios: procesos abióticos
la bomba biológica en los océanosla bomba biológica de los años 1990
Nieto-Cid et al., Limnol. Oceanogr., 2006
r-MOD: reciclado en escala de años-milenios: procesos bióticos
la bomba biológica en los océanosla bomba biológica de los años 1990
R (µmol kg-1 d-1)
0 4 8 12 16
FMO
DM
(da
rk) (
ppm
QSU
d-1
)
-0.4
-0.2
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
FMODM = -0.05(±0.01)+0.027(±0.003) R
r = 0.73, p< 0.01
kFDOMt (d-1)
0.0 0.2 0.4 0.6
k FDO
Mm
(d-1
)
0.04
0.06
0.08
0.10
kFDOMm =0.039(± 0.003)+ 0.08(± 0.01)·kFDOMt
R2 = 0.78 , p< 0.002
0 20 40 60 80
FDO
Mt (
ppb
Trp)
4
6
8
10
12
14
16
B)
0 20 40 60 80
FDO
Mm
(ppb
QS)
3
6
9
12
C)
0 20 40 60 80
DO
C (µ
mol
L-1
)
50
60
70
80
90
100
A)
20.09-07 27-09-07 04-10-07
Lonborg et al., Limnol. Oceanogr., enviado
r-MOD: reciclado en escala de años-milenios: procesos bióticos
la bomba biológica en los océanosla bomba biológica de los años 1990
la bomba biológica en los océanosla bomba biológica de los años 1990
r-MOD: reciclado en escala de años-milenios
1%
NO3-NO3-
NO3-NO3-
LDON
RDONNH4
+NH4+
PON
SDON
SDON
RPNP
NH4+NH4+NO3
-NO3-
NH4+NH4+ N2
N2
RDON
la bomba biológica en los océanosla bomba biológica de los años 1990
r-MOD: reciclado en escala de años-milenios
1%
NO3-NO3-
NO3-NO3-
LDON
RDONNH4
+NH4+
PON
SDON
RDON
SDON
RPNP
NH4+NH4+NO3
-NO3-
NH4+NH4+ N2
N2
RDON
Hansell et al., 2009
la bomba biológica en los océanosla bomba biológica de los años 1990
r-MOD: reciclado en escala de años-milenios
Yamashita and Tanoue, Nature, 2008
la bomba biológica en los océanosla bomba biológica de los años 1990
r-MOD: reciclado en escala de años-milenios
CMOD CO2bióticoCO
bacterias
COS
COS
SO4H2ν = 280−315nm
CO2
CO2abiótico
CO
R−C−R’
O⎪⎪
CO2
?
80%
Yamashita and Tanoue, Nature, 2008
la bomba biológica en los océanosla bomba biológica de los años 1990
r-MOD: descomposición fotoquímica en aguas superficiales
1%UVB, 80m
1%PAR, 200m
Moran & Zepp, Limnol. Oceanogr., 1997
la bomba biológica en los océanosla bomba biológica de los años 1990
r-MOD: descomposición fotoquímica en aguas superficiales
r-MOD: descomposición fotoquímica en aguas superficiales
win
ter
prin
g
mm
er
tum
n
k (d
-1)
-1.2
-1.0
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0.0
bottomsurface
win
ter
spri
ng
sum
mer
autu
mn
FMO
DM
(ppb
QSU
)
0
3
6
9Co (bottom)Cf (bottom)Co (surface)Cf (surface)
0 3 6 9 12 15
FMO
DM
(ppb
QSU
)
0
3
6
9
0 3 6 9 12 15
FMO
DM
(ppb
QSU
)
0
3
6
9
incubation time (days)
0 3 6 9 12 15
FMO
DM
(ppb
QSU
)
0
3
6
9
incubation time (days)
0 3 6 9 12 15
FMO
DM
(ppb
QSU
)
0
3
6
9
winter
autumnsummer
spring
Nieto-Cid et al., Limnol. Oceanogr., 2005
la bomba biológica en los océanosla bomba biológica de los años 1990
r-MOD: descomposición fotoquímica en aguas superficiales
Nieto-Cid et al., Limnol. Oceanogr., 2005
la bomba biológica en los océanosla bomba biológica de los años 1990
FDOM CO2biotic
CO
bacteria
COS
COS
SO4H2ν = 280−315nm
CO2
CO2abiotic
CO
R−C−R’
O⎪⎪
R−C−R’
O⎪⎪
CO2
FDOM
bacteriabacteria
photochemistry
microbial degradation
COD (µM-C)
40 50 60 70 80 90
prof
undi
dad
(m)
0
50
100
150
200
250
COD (µM-C)
40 50 60 70 80 90
r-MOD
COD
r-COD
COD
(a) (b)
Siegel et al., J. Geophys. Res., 2002
la bomba biológica en los océanosla bomba biológica de los años 1990
r-MOD: reciclado en escala de años-milenios
la bomba biológica en los océanosla bomba biológica de los años 1990
MOD: recapitulando
1%
NO3-NO3-
NO3-NO3-
NH4+NH4+
NOP
PRPN
la bomba biológica en los océanosla bomba biológica de los años 1990
MOD: recapitulando
1%
NO3-NO3-
NO3-NO3-
NH4+NH4+
NOP
PRPN
NH4+NH4+NO3
-NO3-
NH4+NH4+ N2
N2
la bomba biológica en los océanosla bomba biológica de los años 1990
MOD: recapitulando
1%
NO3-NO3-
NO3-NO3-
LNOD
NH4+NH4+
NOP
PRPN
NH4+NH4+NO3
-NO3-
NH4+NH4+ N2
N2
la bomba biológica en los océanosla bomba biológica de los años 1990
MOD: recapitulando
1%
NO3-
NO3-
LNOD
NH4+
NOP
SNOD
SNOD
PRPN
NH4+NO3
-
NH4+ N2
N2
1%
NO3-
NO3-
LNOD
NH4+
NOP
SNOD
SNOD
PRPN
NH4+NO3
-
NH4+ N2
N2
1%
NO3-NO3-
NO3-NO3-
LNOD
NH4+NH4+
NOP
SNOD
SNOD
PRPN
NH4+NH4+NO3
-NO3-
NH4+NH4+ N2
N2
la bomba biológica en los océanosla bomba biológica de los años 1990
MOD: recapitulando
1%
NO3-NO3-
NO3-NO3-
LDON
RDONNH4
+NH4+
PON
SDON
SDON
RPNP
NH4+NH4+NO3
-NO3-
NH4+NH4+ N2
N2
RDON
la bomba biológica en los océanosla bomba biológica de los años 1990
MOD: recapitulando
1%
NO3-NO3-
NO3-NO3-
LDON
RDONNH4
+NH4+
PON
SDON
RDON
SDON
RPNP
NH4+NH4+NO3
-NO3-
NH4+NH4+ N2
N2
RDON
la bomba biológica en los océanosla bomba biológica de los años 1990
La materia coloidal: exopolímeros transparentes particulados
Passow, Progress Oceanogr., 2002
la bomba biológica en los océanosla bomba biológica de los años 1990
La materia coloidal: exopolímeros transparentes particulados
Passow, Progress Oceanogr., 2002
ΣCO2
fitoplancton
macrozooplankton
planctivoros
bacterias
CODcoloides
nanoplancton
microzooplancton
particulassub-micrónicas
agregados
TEP+ +
cadena trófica clásica red trófica microbiana red de agregación
Sedimentación
ciclo del material orgánico en los océanosel caso del nitrógeno
20-200m
4000m
0m
nitrogen(x 1012 g N/y)
275
N2 N2O
NO3-
NH4+
PN: 1530
1155101140
Norg
N2 N2O N2 NOX, NH3
30 33(22)
5 49NO3
-
NH4+
Norg
4 1 (0.5)
N2O
N2
N2O
335
NO3-
103
7
1137NO3
-
Wollast, 1993
75(21)
Norg
Galloway et al., Biogeochemistry, 2004
121129 193
PR: 7170
5
4
océano abierto versus zonas costeras
ciclo del material orgánico en los océanosel caso del nitrógeno
Slomp & Van Cappellen, Biogeosciences., 2007
océano(capa profunda)
1,3 106
zona costera36 Tm3
zona distal3600
aportescontinentales
37 Tm3/y
intercambio37 Tm3/y
intercambio415 Tm3/y
evaporación37 Tm3/y
afloramientocostero
378
afloramientooceánico
3780
hundimientooceánico
4158
océano(capa superficial)
49830
ciclo del nitrógeno en zonas costeras
ciclo del material orgánico en los océanosel caso del nitrógeno
precipitación
aguas continentales
océano
sedimentos
efluentes
ciclo del material orgánico en los océanosel caso del nitrógeno
►representan <10% del área y <1% del volumen de los océanos
►en ellas ocurre entre el 25% y el 50% de la producción nueva
►en ellas ocurre el 80% de la sedimentación de los océanos
►en ellas se recolecta el 90% de los recursos pesqueros y marisqueros del mundo
ciclo del nitrógeno en zonas costeras
Gattuso et al., 1998
ciclo del nitrógeno en zonas costeras
ciclo del material orgánico en los océanosel caso del nitrógeno
Wollast, 1993
sedimentosNOP fósil
335
325 175
150 125350
390NOP 25
aguascontientales
océanoabierto
precipitación desnitrificaciónfijación
10 15 50
atmósfera
N2NO3
NO3-
NH4+
NOD50
190155
Galloway et al., Biogechemistry, 2004
NOP NH4
50
Prod. Regenerada 350
Prod. Nueva 700
10
NOP
NO3-
ciclo del fósforo en la zona costera y el océano
ciclo del material orgánico en los océanosel caso del fósforo
Slomp & Van Cappellen, Biogeosciences., 2007
• El ciclo del P no tiene componente atmosférico relevante• El ciclo del P se restringe a las fases líquida y sólida; no existen
compontes gasesos• La principal fuente de P reactivo NO son los procesos microbianos• Solo el 10% of P de origen continental está disponible para la biota
marina, el resto se deposita rápidamente.• El principal sumidero de P son los sedimentos marinos. Los depósitos
marinos de phosphoritas se explotan y el P se reintroduce en el ciclopor esta actividad humana.
Nelson et al., Global. Biogeochem. Cy, 1995
ciclo del material inorgánico en los océanosel caso del silicio
20-200m
4000m
producción Bsi160
deposiciónatmosférica
0.5
aguascontinentales
Si(OH)4 = 7BSi = 1
hidrólisisde basaltos
0.4
fumarolas0.2
disoluciónoxidativa
120
afloramiento39.5
SiO2(x1012 mol Si/y)
sedimentación42
disoluciónno oxidativa
22
deposición20
redisolución17
0m
producción Bsi60-200
prod. Bsi48
disoluciónoxidativa
31 dep.13
redis.9
Bsi pres.4
exportacióncostera
4
Laruelle et al., Global. Biogeochem. Cy, submitted
ciclo del silicio en la zona costera y el océano
3preservación
Milliman et al., Deep. Sea Res., 1999
ciclo del material inorgánico en los océanosel caso del carbonato cálcico
1000m
4000m
0m
CO32-
79
fumarolas3
disoluciónpelágica
38
12preservación
sedimentación27
prod. CaCO365
CaCO3(x1012 mol C/y)
aguascontinentales
14
disoluciónbentónica
15
prod. CaCO330
exportacióncostera
14
21preservación
disoluciónbentónica
9
Wollast, 1994
ciclo del CaCO3 en la zona costera y el océano
V. Impacto del cambio global sobre los ciclosbiogeoquímicos en los océanos
X. Antón Álvarez Salgado
CSIC, Instituto de Investigacións MariñasC/ Eduardo Cabello 6, 36208 - Vigo
http://www.iim.csic.es
Impacto del cambio global en los ciclos del N, P, C y MetalesPalma de Mallorca, 16 a 20 de Marzo de 2009
estructura de esta presentación
nitrógeno
oxígeno
pinceladas sobre los temas más candentes
Impactos del cambio global en los océanos sobre los ciclos del …
fósforo
silicio
extensión de las zonas de mínimo oxígeno en los océanoscambio global y oxígeno en los océanos
hipoxia: concentraciones de O2 < 0.5 ml l-1 (< 22 μM)
suboxia: concentraciones de O2 < 0. 2 ml l-1 (< 10 μM)evidencia de desnitrificaciónno evidencia de sulfato reducción
anoxia: no hay O2HS- > 10 μMevidencia de sulfato reducción
http://ingrid.ldgo.columbia.edu/SOURCES/.LEVITUS94/
extensión de las zonas de mínimo oxígeno en los océanoscambio global y oxígeno en los océanos
200 m
oxígeno disuelto a 200 m de profundidad (ref. 1994)
extensión de las zonas de mínimo oxígeno en los océanoscambio global y oxígeno en los océanos
http://ingrid.ldgo.columbia.edu/SOURCES/.LEVITUS94/
400 m
oxígeno disuelto a 400 m de profundidad (ref. 1994)
extensión de las zonas de mínimo oxígeno en los océanoscambio global y oxígeno en los océanos
Stramma et al, Science, 2008
latitudes tropicales de los océanos
extensión de las zonas de mínimo oxígeno en los océanoscambio global y oxígeno en los océanos
Stramma et al, Science, 2008
latitudes tropicales de los océanos
extensión de las zonas de mínimo oxígeno en los océanoscambio global y oxígeno en los océanos
Bograd et al., GRL, 2008
-0.62 -0.74
-0.99 -0.81
-0.30 -0.15
Ensenada del Sur de California
extensión de las zonas de mínimo oxígeno en los océanoscambio global y oxígeno en los océanos
afloramiento del norte de California
Chang et al, Science, 2008
1950-1999 +2000-2005 +2006
extensión de las zonas de mínimo oxígeno en los océanoscambio global y oxígeno en los océanos
… y en otros muchos sitios
Gruber et al., 2007
causas de la pérdida de oxígeno en los océanoscambio global y oxígeno en los océanos
Barnett et al., Science, 2005
calentamiento de los océanos
Calentamiento superficial: 22% de la pérdida (Joos et al. 2003)
causas de la pérdida de oxígeno en los océanoscambio global y oxígeno en los océanos
ralentización de la circulación y ventilación de los océanos
Circulación + mineralización: ~78% de la pérdida (Joos et al. 2003)
causas de la pérdida de oxígeno en los océanoscambio global y oxígeno en los océanos
ralentización de la circulación y ventilación de los océanos
Circulación + mineralización: ~78% de la pérdida (Joos et al. 2003)
Karstensen et al: Prog. Oceanogr., 2008
consecuencias de la pérdida de oxígeno en los océanoscambio global y oxígeno en los océanos
revisión balance O2 atmósfera-océano (implicado en cálculo balance del carbono)
Plattner et al., Global Biogeochem Cy., 2002
B = 1.10
F = 1.34
1750-2004: 26.3 Pmol CO2→ 35.2 Pmol O2
ΔCO2 = F – O - B
ΔO2 = -F·F + B. B + Z
consecuencias de la pérdida de oxígeno en los océanoscambio global y oxígeno en los océanos
alteración del ciclo del nitrógeno
C106H171O44N16P + 116 O2⎯→ 106 CO2 + 16 NH4+ + HPO4
2- + 46 H2O+ 14 OH− amonificación
NH4+ + 3/2 O2 ⎯→ NO2
− + H2O + 2H+ NH4+ + 1/2 O2 ⎯→ NH2OH + H+
NH2OH + O2 ⎯→ NO2− + H2O + H+
2 NH2OH + O2 ⎯→ N2O ↑ + 3H2O
nitrificación, fase I
nitrificación, fase IINO2− + 1/2 O2 ⎯⎯→ NO3
−
C106H171O44N16P + 102.4 NO3− ⎯→106 CO2+59.2 N2↑+HPO4
2−+34.8 H2O+100.4 OH− desnitrificación
C106H171O44N16P + 58 SO42− +12 H2O ⎯→106 HCO3
− + 16 NH4+ + HPO4
2− + 58 HS− + 72 OH− sulforreducción
C106H171O44N16P + 70 H2O ⎯→ 58 CH4↑+ 48 CO2↑+ 16 NH4+ + HPO4
2− + 14 OH− metanogénesis
NH4+ + NO2
- -⎯→ N2↑+ 2 H2O oxidación anaerobia de amonio
oxic
osu
boxi
coan
oxic
o
el hombre: rey de la fijación de N2 de la biosferacambio global y nitrógeno en los océanos
distribución global de temperatura superficial
http://ingrid.ldgo.columbia.edu/SOURCES/LEVITUS94/
el hombre: rey de la fijación de N2 de la biosferacambio global y nitrógeno en los océanos
distribución global del nitrato
http://ingrid.ldgo.columbia.edu/SOURCES/LEVITUS94/
el hombre: rey de la fijación de N2 de la biosferacambio global y nitrógeno en los océanos
distribución global de la clorofila
http://marine.rutgers.edu/opp/
el hombre: rey de la fijación de N2 de la biosferacambio global y nitrógeno en los océanos
distribución global de la producción primaria
http://marine.rutgers.edu/opp/
el hombre: rey de la fijación de N2 de la biosferacambio global y nitrógeno en los océanos
entalpía de los océanos (0-700m) 1955-2005
http://www.ipcc-wg2.org
el hombre: rey de la fijación de N2 de la biosferacambio global y nitrógeno en los océanos
http://www.ipcc-wg2.org
aumento de la temperatura a lo largo del próximo siglo
el hombre: rey de la fijación de N2 de la biosferacambio global y nitrógeno en los océanos
Fritz Haber(1868 – 1934)
3 CH4 + 6 H2O ⎯→ 3 CO2 + 12 H24 N2 + 12 H2 ⎯→ 8 NH3________________________________________________________3 CH4 + 4N2 + 6 H2O ⎯→ 3 CO2 + 8 NH3
el hombre: rey de la fijación de N2 de la biosferacambio global y nitrógeno en los océanos
aumento de la temperatura a lo largo del próximo siglo
% cultivo cerelaes % pastizales
Pongratz et al., Global Biogeochem Cy, 2009
el hombre: rey de la fijación de N2 de la biosferacambio global y nitrógeno en los océanos
Galloway et al., Biogeochemistry, 2004
balance global del nitrógeno en 1860 (en Tg N a-1)
141
N2
N2
NOY NHX NHX
N2O
continentes costas océanos
tormentas
c. fósiles
C-FBN
N-FBN
Haber Bosch
5.40.3
150
120
7.46.6
8.9 6.0 4.8
6.2
2.3
1.4
27
8 0.8
8 0.4 3.5
98 172 129
121
7.1 5.6
sed. sed.
Galloway et al., Biogeochemistry, 2004
balance global del nitrógeno en 1990 (en Tg N a-1)
el hombre: rey de la fijación de N2 de la biosferacambio global y nitrógeno en los océanos
8.96.6
8 0.4
98 172
8
27
7.11.44.86.07.424.8
4834.1
16.1 4.6
2.3
6.2
1200
15
0.324.5
31.5100107
21
12.4
258.4
48
15
0.811
115 193
141268
N2
N2
NOY NHX NHX
N2O
continentes costas océanos
tormentas
c. fósiles
C-FBN
N-FBN
Haber Bosch
5.4
0.8
3.5
129
121
5.6
sed. sed.
Galloway et al., Biogeochemistry, 2004
balance global del nitrógeno en 2050 (en Tg N a-1)
el hombre: rey de la fijación de N2 de la biosferacambio global y nitrógeno en los océanos
7.11.4 258.417.1 46.76.68.9
4.86.07.424.8
4834.1
16.1 4.642.2109
79.423.9 3.6
NHX
8 0.4
98 172
8
27
2.3
6.2
1200
15
0.324.5
31.5100107
21
12.4
48
15
0.811
115 193
141268
NHX
tormentas
c. fósiles
C-FBN
N-FBN
Haber Bosch
5.4
0.8
3.5
129
121
5.6
sed. sed.
52.5
5016598
36.3
27.5
63.2
21
1.613.2
160 210
371
continentes costas océanos
N2O
N2
NOY
N2
deposición de nitrógeno combinado en océano abiertocambio global y nitrógeno en los océanos
Duce et al, Science, 2008
deposición de NHx + NOy + Norg (en Tg N a-1)
Depo.: 20 Tg N y-1 ( 30%)
Prod.: 34 Tg N y-1 ( 30%)
Depo.: 67 Tg N y-1 ( 80%)
Prod.: 116 Tg N y-1 ( 78%)
Depo.: 77 Tg N y-1 ( 80%)
Prod.: 132 Tg N y-1 ( 86%)
consecuencias de la fertilización antrópica de los océanoscambio global y nitrógeno en los océanos
Duce et al, Science, 2008
impacto sobre la producción primaria
consecuencias de la fertilización antrópica de los océanoscambio global y nitrógeno en los océanos
Duce et al, Science, 2008
impacto sobre la nitrificación
consecuencias de la fertilización antrópica de los océanoscambio global y nitrógeno en los océanos
Henriksen, J. Sea Res, 2009
… queda tiempo para las esperanza
consecuencias de la fertilización antrópica de los océanoscambio global y fósforo en los océanos
Liu, 2006
afloramientotectónico
atmósfera
océanos
sedimentos
aguascontinentales
naturaleza
rocas de fosfato
suelo
erosión
erosión exportación
deposiciónaerosoles
sedimentaciónmeteorización
mineríaalimentación
mineralesde fosfato
fosfato
humanos
ganadería
residuos
antroposfera
fertilizantes
recirculación
alimentación aditivos
alimen.deterg.
recicladoreciclado
cosechas
procesado
agricultura
granjas
erosióndeposición
consecuencias de la fertilización antrópica de los océanoscambio global y fósforo en los océanos
los humanos estamos …
► extrayendo grandes cantidades de fosfato de las reservas minerales de fosforitas para hacer fertilizantes
► reduciendo las reservas de fosfato en suelos tropicales por desforestación
► añadiendo fosfatos a los ecosistemas acuáticos continentales y marinos
Liu, 2006
consecuencias de la fertilización antrópica de los océanoscambio global y fósforo en los océanos
Smil, 2002
consecuencias de la fertilización antrópica de los océanoscambio global y fósforo en los océanos
Mahowald et al, Gobal Biogeochem Cy,2008
consecuencias de la fertilización antrópica de los océanoscambio global y fósforo en los océanos
Filippelli, 2008
fin reservas P(1860 Tg)
el declive de las diatomeascambio global y silicio en los océanos
perturbaciones antropogénicas
► construyendo embalses → reducción de las descargas de Si
► urbanizando y cultivando terreno → aumento de la descarga de N
► calentando el planeta → aumento de la estratificación → dominancia dinoflagelados
los humanos estamos …
el declive de las diatomeascambio global y silicio en los océanos
impacto sobre la producción global de BSi
Bernard et al., Biogeosciences Diss., 2009
el declive de las diatomeascambio global y silicio en los océanos
impacto sobre la biomasa de diatomeas en zonas costeras
Edwards et al., L&O, 2006