INTRODUCCIÓN A LA

OCEANOGRAFÍA QUÍMICA

Propiedades físicas y químicas

Dr. Ernesto Brugnoli

Oceanografía y Ecología Marina

Facultad de Ciencias

Abril 2021

http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/12/htm/oceano2.html

1.- INTRODUCCIÓN

2.- OCEANOGRAFÍA QUÍMICA (objeto de estudio)

2.1.- El agua (propiedades)

2.2.- Agua de mar (componentes)

2.3.- Propiedades físico-químicas del agua de mar

2.3.1.- Temperatura

2.3.2.- Salinidad (Clorinidad)

2.3.3.- pH

2.3.4.- Turbidez/Penetración de la luz

2.3.5.- Gases disueltos (Oxígeno)

2.3.6.- Nutrientes inorgánicos disueltos (Nitrógeno y Fósforo)

2.3.7.- Pigmentos fitoplanctónicos (Biológico)

1.- Introducción

Pilson 2013

Balance de energía y clima (interacciones atm.-oce/lito)Radiación anual media y balance de calor en la atmósfera relativo a 100 unidades de radiación solar incidente (US Committe for GARP 1975)

Espacio

Atmósfera

Océanos (75%)y tierra

Radiación Solar100

Radiación solaradsorbida por la

atmósfera y las nubes

20Radiación solarabsorbida por la

superficie 50

Radiación solar dispersada al espacio

6

20

4

30

Por el aire

Reflejada por las nubes

Reflejada por la superficie

Emisión de la superficieRadiación de longitud de

onda larga 21

15Absorbida por vapor de agua, CO2, etc

Emisión por vapor de agua, CO2

386

Emisión de las nubes

26

Calor Calor

Calor Latente

23

Calentar aire

7

Onda Larga

Onda corta

Tiempo

Sistema interconectado y en Equilibrio

¿ OCEANOGRAFÍA QUÍMICA ?

Rama de la OceanografíaObjeto de estudio

2.- Oceanografía Química

Estudia el origen y evolución de la composición química del agua demar (constituyentes mayores, menores, traza, contaminantes).

Los ciclos biogeoquímicos marinos de los diferentes compuestos.

Las interacciones y efectos de éstos en la hidrosfera, biosfera yatmosfera (interacciones con el ambiente físico y biótico).

¿Composición química del agua de mar?Principal constituyente

La química del agua marina depende principalmente de los ingresos (ríos,depositación atmosférica, fuentes hidrotermales) y egresos(sedimentación, evaporación, alteración hidrotermal), así como de labomba biológica dentro del océano.

Molécula de Agua

2.1.- El agua (propiedades)

El agua se clasifica como una molécula polar debido a sus enlaces covalentes polares y su forma angular

Molécula polar(diferencia de cargas)

El agua es única por sus propiedades

Moléculas de H2O forman

puentes de Hidrógeno con

otras moléculas de H2O.

1. Comportamiento cohesivo

2. Resistente a cambios en la temperatura

3. Presenta alto calor de vaporización

4. Se expande cuando se congela

5. Es un solvente versátil

6. Se encuentra presente en la Tierra en los tres estados de la materia

Propiedades físicas del agua

1. Tensión superficial (cuán dificultoso es romper la superficie de un líquido).

•Agua tiene mayor tensión superficial que la mayoría de los líquidos.

•

2-3. Resistente a cambios en la temperatura/ alto calor de vaporización

Alta Capacidad calorífica → Se necesita mucho calor para incrementar la temperatura del agua líquida.Parte de ese calor, se usa para romper los puentes de hidrógeno entre las moléculas.

Calor solar absorbido por los mares tropicales se disipa cuando el agua marina se evapora.

Cuando la temperatura de la totalidad del líquidoiguala al punto de ebullición - al continuarcalentando el líquido, éste absorbe el calor, perosin aumentar la temperatura: el calor se empleaen la conversión del agua en estado líquido enagua en estado gaseoso.

Su alto calor de vaporización modera el clima enla Tierra.

El calor específico es la cantidad de calor que se necesita por unidad de

masa para elevar la temperatura 1º Celsius.

4. Se expande cuando se congela

Océanos y lagos no se congelan gracias a los puentes de hidrógeno; el agua es menos densa como sólido que como líquido (hielo flota).

En el hielo, las moléculas de agua están colocadas en una formación que deja muchos huecos entre ellas.El enfriamiento reduce la velocidad de las moléculas, se crean puentes de H forzando una estructura másordenada (hexagonal) y de mayor volumen.

De 0°C a 4°C predomina el proceso de llenado de huecos y el agua se torna más densa. Sobre 4°Cpredomina la expansión térmica con la consiguiente disminución de densidad.

5. Agua es un solvente versátil

La polaridad de la molécula y los puentes dehidrógeno permiten la disolución de loscompuestos iónicos.

6. Se encuentra presente en la Tierra en los tres estados de la materia

Se encuentra presente en sus tres fases (líquida, sólida y gaseosa);regula el clima y la presencia-ausencia de vida en el planeta.

El agua “circula” en la Tierra, a través del denominado “ciclohidrológico”.

Ciclo del Agua (H2O)

Ciclo global del agua

Propiedades del agua

• 71% de la superficie de la Tierra está compuesta por agua de mar

•El agua de mar regula el clima, diluye los contaminantes y es el mayor hábitat de organismos

•Es el mayor solvente existente en la Tierra

Importancia de la química del agua marina:

Determina patrones globales de circulación oceánica y atmosférica.

Determina distribución y crecimiento de organismos marinos

2.2.- Agua de mar (componentes)

¿?

Composición del agua de mar

McIntyre 1970

1º Agua

2º Elementos

Principales elementos (constituyentes mayores) disueltos en el agua de mar

• ¿Qué parámetros son importante/s determinar en el agua de mar?

• ¿Qué registro/s de variable/s me interesaría conocer del agua de mar?

• ¿Cómo varían latitudinalmente, localmente?

• ¿Qué importancia tienen?

2.3.- Propiedades físico-químicas del agua de mar

Temperatura

Salinidad (Clorinidad)

pH

Turbidez / Penetración de luz

Gases disueltos (Oxígeno, CO2)

Macronutrientes (Nitrógeno, Fósforo)

(Metales pesados, elementos traza, isótopos estables)

2.3.1.- Temperatura

• Temperatura es una medida de la velocidad a la cual las moléculas se pueden mover en una sustancia.

• Calor es una medida de la energía que tiene que ser puesta en (o sacada de) una sustancia mientras de calienta/enfría (energía cinética).

• El contenido de calor de los ecosistemas acuáticos es derivado principalmente de la radiación solar.

• La energía radiante es absorbida por el agua y transformada en calor. Se calienta el agua cercana a lasuperficie.

v

Temperatura superficial de los océanos

• Las temperaturas de lasuperficie del mar varíandirectamente con la latitud.

• La circulación oceánica agran escala transporta aguacálida hacia los polos en losbordes occidentales de lascuencas oceánicas y el aguafría hacia el ecuador en susperiferias orientales.

• Capa de mezcla o capa limite: Es la parte del océano que interaccionadirectamente con la atmósfera . Esta bien mezclada mezclada por la acción delviento (60-100 m).

• En dicha zona la temperatura es constante

TEMPERATURA DISTRIBUCIÓN VERTICAL EN EL OCÉANO

• La termoclina es donde el la temperatura cambian rápidamente con la profundidad (disminuye rápidamente con la profundidad)

• Es una característica hidrográfica permanente de los océanos templados y tropicales, y tiene una profundidad de agua entre 200 y 1,000 metros

• Debajo de la termoclina permanente mantiene una temperatura baja y estable en el tiempo, promediando <4 ° C en la mayor parte del océano

TEMPERATURA DISTRIBUCIÓN VERTICAL EN EL OCÉANO

Mes

Mar-

09

Jul-09

Oct

-09

Nov-

09

Dic

-09

Ene-1

0

Feb-1

0

Mar-

10

Abr-

10

May-

10

Jul-10

Set-

10

Oct

-10

Dic

-10

Ene-1

1

Feb-1

1

Jun-1

1

Jul-11

Tem

pera

tura

(ºC

)

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,02009 2010 2011

Promedios (± SD) de temperatura (superficie-fondo) de la columna de agua en la zona costera de

Montevideo (Río de la Plata). Marzo 2009- julio 2011. Brugnoli 2016.

Temperatura : importancia

• Factor abiótico que regula procesos vitales para los organismos vivos.

• Regula la actividad y determina distribución de los organismos vivos.

• Afecta las propiedades químicas y físicas de otros factores abióticos (Ej: densidad, salinidad, pH).

• Afecta la dinámica de circulación del agua en el océano.

• Propiedad característica de las masa de agua.

Marea bajaZonacostera

OceánicaZ (m)

Marea alta

Nivel del mar

50Zona Eufótica

100 Foto

sín

tesi

s

Plataforma200

Zona Batial 500

1,000

Pe

nu

mb

ra

1,500

ZonaAbisal

2,000

3,000

4,000

Osc

uri

dad

5,000

10,000

0 5 10 15 20 25 30

0

Temperatura (°C)0 5 10 15 20 25

Temperatura (°C)

Ove Hoegh-Guldberg, et al. 2010

Océanos: absorben el calor (incremento de la temp)

Anomalías de temperatura a nivel global, especialmente en zonas….¿?

Característica que más interesa estudiar al oceanógrafo (químico, físico o biólogo).

Definición de la COI (Comisión Oceanográfica Intergubernamental):

“La cantidad de sales por kg de agua marina, en el momento en que todas lassustancias químicas llamadas carbonatos, se convirtieran en óxidos, y el bromo y elyodo fueron reemplazados por cloro y toda la materia orgánica se encontrara oxidadaa una temperatura de 480ºC”.

Salinidad es la cantidad total de sólidos inorgánicos disueltos en el agua (en general3.5% sales) en promedio medido en g/kg (ppm= partes por mil).

Cantidad total en gramos de las sales disueltas en un kg de agua de mar, expresadas enppm (35 ppm : 35 g en 1 kg).

Actualmente no presenta unidades. (ej. Salinidad es 30 o 15).

Valores promedio de salinidad Océano ?¿ (35). Zonas costeras ?¿ (1-35)

2.3.2.- Salinidad (Clorinidad)

Principio de las proporciones constantes.A diferentes salinidades (20 o 35) estas proporciones son iguales (constantes).

Aunque la salinidad varía bastante debido a las diferencias en la cantidad total de salesdisueltas, las proporciones relativas de los constituyentes principales son constantes (Principiode proporciones constantes).

En teoría, todo lo que se necesita hacer para cuantificar la salinidad es medir la cantidad de unsolo ión mayor disuelto en una muestra de agua de mar, porque todos los demás componentesprincipales aparecen en cantidades fijas en relación con ese ion.

Los químicos eligieron medir el Cl- para determinar la salinidad del agua de mar, porque es elsoluto más abundante y su concentración se determina fácilmente.

Principales sales: cloruros, carbonatos ysulfatos (siendo el cloruro de sodio, el 80%de las sales).Presentan proporciones constantes (Na+/K+; Cl-/ SO4

--).

• Dificultades para determinar la salinidad (definición de la COI) (evaporación, oxidación).

• Solución: determinar la Clorinidad (aplicar el ppio de las proporciones constantes!!).

“Cantidad total de gramos de cloro contenida en un kilogramo de agua de mar, admitiendo que el yodo yel bromo han sido sustituídos por el cloro”.

• Relación clorinidad-salinidad:

Salinidad (ppm ó º/oo)= 1.8050 x Clorinidad (ppm ó º/oo)

Clorinidad

¿Por qué el océano es salado?

(hidrósfera, litósfera; distribución del océano; tiempo)

Durante millones de años los ríos han ido depositando en los océanos diferentes sales minerales procedentes de la erosión de las rocas.

https://www.iagua.es/noticias/espana/fundacion-aquae/17/05/23/que-agua-mar-es-salada

¿De dónde viene las sales ?

• Aporte Terrígeno (mayoría ríos)

• Fuentes Hidrotermales

• Disolución de sedimentos antiguos (evaporitas: rocas sedimentarias c/sales dis)

• Estado Estacionario (Steady State): Entradas = Salidas

¿Cómo se pierden las sales?

• La Evaporación remueve sólo agua y el agua remanente se “sala” progresivamente.

• Si suficiente agua se evapora, se super-satura y la sal se deposita, precipita y forma minerales de evaporita.

• El spray transportado por el viento lleva gotitas de agua salada tierra adentro.

• La Adsorción de iones sobre arcillas y algunos minerales autigénicos (de origen biológico).

• Formación de conchas de organismos marinos.

¿ Procesos afectan la variación de la salinidad ?

*Evaporación

*Precipitación

*Escorrentía

*Descarga fluvial

*Congelamiento/Descongelamiento

Salinidad (S) = SI + Evaporación (E) – Precipitación (P) + Aporte Fluvial (R)*

• El volumen sales marinas es 5 x 1019

kg, con una tasa de aumento de sólo1/17 millones /año

• Medidas en m/s, 1mm/day=1.1574x10-8 m/s).

• El descongelamiento del hielo marino(M) debería ser ecuacionado hoy día(pero era usualmente ignorado)

• SI Salinidad Inicial de origen

• Las transferencias de agua dulce de Ey P se dan con S=0

• Hay un influjo neto de sal en los océanos desde los ríos (R), de aprox. 3 x 1012 kg/año. Cerca de 10% esreciclada como agua marina en el spray marino a tierra.

• La exactitud de los salinómentros es±0.003. Dada una salinidad de 35 psu, la incertidumbre instrumental es del orden de ±0.003/35=1500/17 millones (despreciable)

Influencia de R

• Existe un flujo vertical neto de salen el océano impulsado por el flujo de agua dulce (R) (y M)

• Los flujos verticales turbulentosson muy bajos

Usualmente se omite el efecto de E-P en el balance de masas y se considera sólo su efecto en la salinidadEl flujo aparerente de sales es (siendo S0 (0 = superficie) tomado como 36 ‰

o

z

SPEz

S)(

0

Espacial (horizontal y verticalmente)

Temporal

¿ Existe variación de la salinidad ?

(Pinet 1996)

Precipitación Annual Media (mm/día)-COADS

Evaporación Annual Media (mm/día)-COADS

E-P Anual Medio (mm/día)-COADS

Salinidad Media de Superficie

(Pinet 1996)

(Pinet 1996)

(Calliari et al. 2008)

Río de la Plata y Zona marino-Costera Adyacente

Importancia

• Factor importante en organismos especialmente en los sistemas estuarinos que presentan cuña salina o estratificación halina.

• Afecta el control de la gravedad específica (larvas) y los cambios relacionados con la presión osmótica (osmoreguladores: regulan fluidos extracelulares)

• Adaptaciones de los organismos en zonas costeras:

– protección externa contra el agua circundante (cuerpo impermeable y zonas permeables como órganos excretores ej: Crustáceos)

– cierre por estructuras (ej: balvas en los mejillones por un determinado lapso)

– protección de las membranas celulares

– mecanismos excretores que eliminen exceso interno de agua

50 10 15 20 3025 35

Especies

agua dulce(Oligohalino)

Especiesagua salobre

Especiesmarinas

Euri-halinomarino

Esteno-halinomarino

Lalli & Parsons 1997

Salinidad

Riqueza

deEspecies

• pH= Relación entre la concentración de iones hidrógeno (H+) y oxhidrilos (OH-) que les confiere las características básicas o ácidas a una solución.

pH= −log [H +]

• Agua oceánica presenta un pH = 7.5-8.4 (ligeramente básico)

2.3.3.- pH

• Varía en función de la temperatura, Salinidad, profundidad o Presión

• Aumenta T, tiende a la acidez

• Aumento salinidad , tiende a básico, menor solubilidad CO2 -

• Aumento Presión o profundidad , tiende a acidez, aumenta sol CO2 -

• y por actividades biológicas de los organismos (fotosíntesis, respiración).

¿Porqué en el océano, el pH es mayormente estable (7.5-8.4)?¿Quién regula este pH?

Procesos biológicos asociados a cambios de pH

El sistema de CO2 también está involucrado en procesos biológicos, en particular lafotosíntesis, que elimina el CO2 disuelto del agua , y la respiración, que libera CO2.

Por lo tanto, el ciclo de carbonato de CO2 influye y está influenciado por los procesosquímicos y de la vida.

• Procesos biológicos asociados al cambio de pH• Acidificación oceánica

El exceso de CO2

conlleva un descenso del pH mayores

niveles de bicarbonato y menores niveles de

carbonato(CO3

2)

• Procesos biológicos asociados al cambio de pH• Acidificación oceánica

• Los niveles de Ca semantienen estables pero conmenos carbonato disponiblepara los organismos queforman conchas con estecompuesto

• Esto puede tener comoconsecuencia esqueletosmás débiles y un crecimientomás lento

Harrould-Koliev & Savitz 2009

> H+, acidifica el océano(disminuye pH)

< iones Carbonato libres

Reducción de CaCO3 disponiblepara estructuras calcáreas

(corales, moluscos, estrellas,pterópodos, foraminíferos)

Ove Hoegh-Guldberg, et al. 2010

Océanos:Absorben CO2(disminución del pH): acidificación (aumento H+)Disminución CO3

2

LUZ

• La radiación solar provee la energía necesaria para el proceso de fotosíntesis.

• La eficiencia del proceso de conversión de energía radiante a energía atrapada en enlaces químicos mediante fotosíntesis es de 1%.

• El grado de penetración de la luz en agua está determinado por el tipo y cantidad de materia suspendida y materia disuelta en el agua.

TURBIDEZ

• La turbidez es una propiedad óptica del agua que se deriva de la dispersión y absorción de luz causada por la materia particulada suspendida.

• La transparencia del agua disminuye cuanto mayor es la turbidez.

2.3.3.- Turbidez/Penetración de luz

Turbidez

• MATERIALES SUSPENDIDOS

abióticos, (arcilla, lodo (aluvión), fragmentos finos de materia orgánica e inorgánica)

biótico (plancton ,polen, derivados vegetal).

Turbidez Orgánica e Inorgánica

Turbidez

Transparencia

¿Penetración de luz=Transparencia=Turbidez?

Importancia

• ZONA EUFÓTICALa zona eufótica se define como la capa de agua hasta una profundidad dondese registra el 1% de la intensidad de la luz en superficie. (Puede llegar hasta los 100-150 m enzonas oceánicas; zonas costeras: cm hasta metros)

• ZONA AFÓTICA: por debajo de la zona eufótica.

• La importancia de esta profundidad es que equivale aproximadamente al Punto de Compensación,donde la producción primaria se iguala con la respiración. (P=R)

• Identificar las zonas capaces de sostener actividad fotosintética.

• Los ríos tienden a suministrar agua fangosa (turbia) a al costa. Esta turbidez del agua reduce la cantidad de luz solar que puede penetrar la columna de agua y esto deprime la productividad primaria, incluso si los nutrientes disueltos son abundantes.

• La turbidez puede reflejar el estado trófico del sistema (alta productividad) o contaminación

Brugnoli et al. 2018

2009 2010 2011

Brugnoli et al. 2018

gas

molecule

% in

atmosphere

% in

surface

seawater

ml/litre

sea

water

mg/kg

(ppm)

in sea water

molecular

weight

mmol/

kg

Nitrogen N2 78% 47.5% 10 12.5 28.014 0.446

Oxygen O2 21% 36.0% 5 7 31.998 0.219

Carbondioxide

CO2 0.03% 15.1% 40 90 * 42.009 2.142

Argon 1% 1.4% . 0.4 39.948 0.01

One kg of fresh water contains 55.6 mol H2O

* also reported as 80 mg/kg Please note that these figures may be incorrect as too many different values have been published

Composición de gases disueltos en atmósfera y océano

En el aire, una de cada cinco moléculas es Oxígeno y existen cerca de una molécula

de CO2 en 3000 de aire.

En el agua de mar existen cerca de cuatro moléculas de Oxígeno en cada mil millones

de moléculas de agua, mientras que para el CO2 existen 4 moléculas cada 100 millónes

de moléculas de agua de mar.

Más común el CO2 en agua marina que el O2.

Importancia del CO2 en la atmósfera y en la interfase océano atmósfera?

2.3.5.- Gases disueltos (Oxígeno, Dióxido de Carbono)

Los gases disueltos en el océano se encuentra en equilibrio con la atmósfera.

Su disponibilidad en el océano dependen de la solubilidad del gas, relacionada con la

temperatura, salinidad y presión así como de los procesos físicos (mezcla) o

biológicos que ocurren en la columna de agua. La predominancia de uno u otro

proceso para su disponibilidad, dependerá del tipo de gas considerado.

Gases conservativos y no conservativos

Gases conservativos (Nitrógeno, Argón), factores modifican sus concentraciones son

principalmente físicos.

En los gases no conservativos (Oxígeno y CO2) los procesos biológicos (fotosíntesis,

respiración, consumo bacteriano) son los responsables de modular sus

concentraciones.

Oxígeno , Oxígeno disuelto (OD)

Difusión molecular aire-océano (procesos que aceleran)

Mezcla (procesos que condicionan)

Relaciones inversas:

Temperatura: menor T, mayor solubilidad

(disminuye-incrementa)

Salinidad: menor S, mayor solubilidad

(disminuye-incrementa)

Relación directa:

Presión: a mayor P (mayor z), mayor solubilidad

(incrementa-incrementa)

Fotosíntesis- Respiración

1).- Fotosíntesis: proceso que realizan microalgas plantas. A partir de CO2 y

en presencia de agua, clorofila y energía solar. Producen O2 y materia

orgánica (carbohidratos). Ocurre en la zona eufótica. PRODUCCIÓN.

1

6 H20 + 6 CO2 C6H1206 + 6 O2 (LUZ, Clorofila a)

2

2).- Respiración:

Plantas y Animales. Oxidan carbohidratos para generar energía. Ocurre en

toda la columna de agua. CONSUMO.

Factores Efectos

Olas y Turbulencia Incrementa el intercambio de gases del agua de mar con la atmósfera

Diferencia en la concentración de gases

Difunde gases a través de la interfase aire-agua desde zonas de elevadas a bajas concentraciones, hasta lograr el equilibrio químico.

Temperatura Disminución T, incrementa solubilidad gases

Salinidad Incremento S, decrece solubilidad

gases

Presión Incremento P, incrementa solubilidad gases

Fotosíntesis Incrementa concentración O2

Decrece concentración CO2

Respiración Incrementa concentración CO2

Decrece concentración O2

Descomposición Incrementa concentración CO2

Decrece concentración O2

pH Controla las concentraciones relativas de las especies de CO2 en el agua (H2CO3, HCO3

-, CO32-)

Dore et al. 2009

Variación vertical oxígenoOcéano Pacífico

????

Fuentes Oxígeno:

Producción en la zona eufótica (200 m)

Intercambio gaseoso océano-atmósfera

Consumo:

por debajo de la zona eufótica

Respiración animal, consumo bacteriano

de la materia orgánica proveniente de superficie

(principalmente en zonas profundas).

Mínimo de oxígeno ocurre por debajo de 200-1000 m y un

posterior incremento hacia zonas profundas por disminución

de la temperatura y presión

Valores esperados: mayores a 4 ml L-1 (6-8 y hasta 11).

Valores anómalos: menores a 2,5 (hypoxia) o

0 (anoxia) mg L-1

Disminuye en profundidad (consumo)

Dore et al. 2009

http://www.nodc.noaa.gov/OC5/WOA09F/pr_woa09f.html

Oxígeno disuelto

OD (mg/L)

Condición Consecuencias

0 AnoxiaMuerte masiva de organismos aerobios.

0 - 2 HipoxiaDesaparición de organismos y especies sensibles

2 - 5 Estrés biológico Estrés biológico

5 - 8 Aceptable Concentraciones adecuadas para la vida de la mayoría de especies y otros organismos acuáticos

8 - 12 Buena

> 12 SobresaturadaSistema en plena producción fotosintética

Eutrofización y Disponibilidad del Oxígeno disuelto

Zonas de anoxia a nivel global

Brugnoli 2016, Brugnoli et al. 2021

E9-

3E1-

3E2-

3

PC-3

CN-3

CS-3

CW

-3

CE-3

B1-

3B2-

3B3-

3B4-

3B5-

3

W3-

3

W4-

3PY-3YS

-3

YW-3

YE-3

W5-

3

W6-

3

W7-

3

W8-

3E9-

7E1-

7E2-

7

PC-7

CN-7

CS-7

CW

-7

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B2-

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7B4-

7B5-

7

W3-

7

W4-

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10

E1-

10

E2-

10

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0

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0

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-10

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0

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10

B2-

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10

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B5-

10

W3-

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W4-

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0

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0

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0

YW-1

0

YE-1

0

W5-

10

W6-

10

W7-

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W8-

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11

E1-

11

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11C-1

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B1-

11

B4-

11

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1

L4-1

1

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1

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1

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11

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11

W7-

11

W8-

11

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12

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2

CS-1

2

B1-

12

B4-

12

W3-

12

W4-

12

YN-1

2

YS-1

2

W5-

12

W6-

12

W7-

12

W8-

12E9-

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1E2-

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1

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YS-1

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W5-

1

W6-

1

W7-

1

W8-

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CN-2

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2

W6-

2

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E2-

3 0

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B1-

3 0

B4-

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0

W3-

3 0

W4-

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W5-

3 0

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3 0

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4

W4-

4

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4

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B1-

5B2-

5B4-

5B5-

5

W3-

5

W4-

5PY-5

YN-5

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YW-5

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W7-

5

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5

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20,0 2009 2010 2011 mar jul oct nov dic dic oct set jul abr may mar feb ene jul jun feb ene

Zona Este

Bahía Montevideo Zona Oeste

•El fitoplancton (productores primarios), requiere de ciertos elementos traza para el desarrollo de biomasa y crecimiento.

•Dentro de estos elementos micronutrientes inorgánicos donde resaltan: Nitrógeno, Fósforo, Silíce y Otros (Magnesio, Hierro, Cobre, Zinc).

2.3.6.- Nutrientes inorgánicos disueltos

Ley del mínimo de Leibig (1840)Nutriente limitante

• El crecimiento de un organismo estará determinado por la abundancia de la sustancia que esté presente en el medio (suministro) en la mínima proporción en relación a las necesidades del organismo (demanda).

• Aquél elemento cuya concentración externa se aproxime más al mínimo crítico necesario para un organismo, será el elemento limitante de su crecimiento.

• Mientras que el C normalmente se presenta en concentraciones mayores a los requerimientos metabólicos de los productores primarios, el fósforo y el nitrógeno son generalmente los elementos limitantes de su crecimiento.

• Nutriente limitante, varía entre sistemas acuáticos:

– Marino: N; Límnico: P; Estuarino: N, P, ambos

Ciclos Biogeoquímicos(Ciclos nutritivos)

Bio (Biota)Geo (Tierra-Geológico)Químico (Elementos removidos, ciclos)

Biogeoquímica: Estudia los flujos de los elementosdentro de los diferentes compartimentos. Presentadiferentes escalas (tiempo, espacio).

Relación entre el flujo de energía (flechas claras) y en ciclo de nutrientes.

Nutrientes localizados en la materia orgánica (flechas oscuras) se distinguen de los inorgánicos (flechas

blancas).

DOM: MO muerta;

NPP: Producción Primaria neta

Begon et al. 2006

Dos etapas: 1).- Reservorio (no accesible para los organismos).

Lento y no biológico2).- Intercambio (accesible a organismos),

desplazamiento hacia y desde el medio con organismos

Elementos químicos:Carbono (CO2) (gaseoso) (reservorio atmosf e hidrosf)Nitrógeno (N2) (gaseoso) (reservorio atmosf e hidrosf)Fósforo (P)(sedimentario) (reservorio litósfera)

Otros: AguaAzufre, Silicatos, Boro, Oxígeno.

Nitrógeno

• 78% es N2 atmosférico.

• Componente fundamental de las proteínas de la materia orgánica.

• Puede actuar como limitante de la producción primaria.

• Su ciclo es altamente influido por la actividad humana: fertilizantes, escorrentía, descarga ríos.

• Incremento: Eutrofización

NITRÓGENO en zonas marinas

1) N2 gas

2) Nitrógeno inorgánico disuelto (NID) NO 3

– Nitrato NO 2

– Nitrito NH4

+ Amonio (amoníaco)

3) Nitrógeno orgánico disuelto (NOD)

4) Nitrógeno orgánico particulado (NOP)

Principales formas se encuentran en el NID (Nitrato ˃ Nitrito ˃Amonio).

1 + 2 + 3Nitrógeno

disuelto total (NDT)

1 + 2 + 3 + 4Nitrógeno

total (NT)

Ingreso ríos(ej.: Nitrato)

Ingreso por upwelling

Ciclo del NitrógenoAtmosférico, Geológico

Acuático

1). Ingreso Nitrógeno(upwelling, ríos, atmósfera)

2).- Fijación de Nitrógeno (Cianobacterias)

3).- Asimilación de Nitrógeno(Fitoplancton, formación AANH4

+ ˃ NO3- ˃ NO2

__)

1-3.).- Mayormente en Superficie, Presencia de luz

4).- Regeneración del Nitratoa).- DescomposiciónMateria orgánica a NH4

+

b).- Nitrificación:(NO3- , oxidación NH4

+ )c).- Reducción: NO3

- - NO2__

d).- Desnitrificación:NO2__ N2, N2O

4. -Mayormente en zonas afóticas, mediado por bacterias

•Juega un rol fundamental en diversas etapas del metabolismo:

• Almacenamiento de energía en molécula de ATP.

• Transformación de energía en fosforilación durante fotosíntesis.

• Requerido en la síntesis de nucleótidos.

• Esteres de moléculas de bajo PM (enzimas, vitaminas).

• Conforma estructura de la membrana celular (fosfolípidos).

Fósforo

• Se encuentra en bajas concentraciones en el ambiente, generalmente limitando el crecimiento, principalmente en ecosistemas de agua dulce y en sistemas estuarinos.

• La forma más importante en ambientes acuáticos es el ortofosfatoPO4

--- (asimilación por parte del fitoplancton).

• Importante aporte antrópico en los sistemas acuáticos (fertilizantes, efluentes domésticos, detergentes).

• Mayormente sedimentario (geológico y acuático)

FÓSFORO en ambientes marinos

1) Fósforo inorgánico disuelto (PID) PO43- ortofosfatos

2) Fósforo orgánico disuelto (POD)

3) Fósforo orgánico particulado (POP)

4)Fósforo inorgánico particulado (PIP)

1 + 2 Fósforo

disuelto total (PDT)

1 + 2 + 3 + 4Fósforo

total (PT)

Ciclo del FósforoGeológico y Acuático

1).- Asimilación de Fósforo

2).- Regeneración de Fósforo

NITRÓGENO 1) N2 gas 2) Nitrógeno inorgánico disuelto (NID)

NO 3 – nitrato NO 2 – nitrito NH 4 + amonio

3) Nitrógeno orgánico disuelto (NOD) 4) Nitrógeno total Nitrógeno orgánico particulado (NOP)

FÓSFORO 1) Fósforo inorgánico disuelto (PID)

PO43- ortofosfatos2) Fósforo orgánico disuelto (POD) 3) Fósforo orgánico particulado (POP) 4)Fósforo inorgánico particulado (PIP)

SILICATOSOrtosilicatos (SiO4--)

1 + 2 + 3Nitrógeno

disuelto total (NDT)

1 + 2 + 3 + 4Nitrógeno

total (NT)

1 + 2 Fósforo

disuelto total (PDT)

1 + 2 + 3 + 4Fósforo

total (PT)

Especies químicas de nutrientes en agua marina

2.3.7.- Pigmentos fitoplánctónicos

• Clorofila a: familia de pigmentos (del latín chloros: verde; phylos:verde) que se encuentran en organismos autótrofos y en cianobacterias. Presentes en plastos.

• Molécula crítica en el proceso de fotosíntesis (importancia para la vida?, proceso que participa la clorofila y en especial la clorofila a?).

• Tipos de clorofilas: Clo a, Clo b, Clo c1,c2, Clo d (especial para cada grupo de plantas y algas).

• Normalmente todas las células del fitoplancton presentan Clorofila a

Estructura química: anillo de porfirina(con un centro de Mg), función es absorber luz y una cadena hidrofóbica de fitol, función es estar asociada a la membrana celular (plastos).

Función: convertir energía lumínica en energía química en un determinado rango de absorción del espectro de luz (400-600 nm) con máximos dependiendo el tipo de clorofila.

FOTOSÍNTESIS

FOTOSÍNTESIS: Proceso conversión de energía lumínica (luz) en química (enlaces químicos)

2e-

2e-

2e-

2e-

FII

FI

SP

SP

HOH

½ O2

Een

ergi

a

Ferredoxia

NADP+

NADPH

f

b559

plastocianina

Plastoquinona

luz

luz

b6 Q

Z

+ATP

+ATP

6CO2 + 6H20 C6H12O6 + 6O2

500 nmPig. AccesoriosOxigeno

680 nmCl-a.

+24 ATP

Bacterias que no liberan O2 solo FI

Plantas verdes FI y FIIACICLICO

CICLICO

Z y Q aceptores de electrones

Bacterias, Microalgas, Hidrofitas

Clorofila a• Clorofila a – Pigmento más abundante común a todos los organismos

fotosintetizadores

• Relativamente fácil y rápido de cuantificar

• Estimador indirecto de la biomasa algal

• Se encuentra en todas los plastos (tilacoides) de las células autótrofas del fitoplancton o de cianobacterias.

• Cómo podría determinar cantidad de biomasa?? (unidad de volumen: L o m3)

Biomasa

• Biomasa= cantidad de materia orgánica que presenta un determinado organismo, población o comunidad.

• Biomasa de una población: sumatoria de pesos individuales.

• Comunidad fitoplanctónica: Indicador indirecto de la biomasa ej: Clorofila a.

• Factores abióticos y bióticos que regulan su concentración (¿¿??)