la ingeniería ambiental y la tecnologia

en agua. Ms del 98% del CO2 se encuentra disuelto en los ocanos (comoHCO3 y CO3=), mientras que el 2% restante se mantiene en la atmsfera, donde afines del siglo XX alcanzaba una concentracin del orden de 350 ppm (mostrandoun significativo incremento en los dos ltimos siglos):

CO2 (disuelto) + HO HCO3 H+ + CO3=

La proporcin en que se encuentran estos compuestos dependefundamentalmente del pH de la solucin. La mayora de los ocanos tiene un pHentre 8 y 8,3, y en promedio, cerca de 13% de la mezcla est como CO3=. En las capas ocenicas superficiales, existe una gran actividad fotosinttica, con un altoconsumo de CO2, por lo que la reaccin tiende a desplazarse hacia la izquierdapara restaurar el equilibrio qumico. Por otra parte, en las profundidades marinas,existe una produccin neta de CO2 debido a la actividad respiratoria y a los procesos de oxidacin de la materia orgnica muerta. Bajo estas condiciones, lareaccin se mueve hacia la derecha, incrementando la concentracin de CO3=. Siel incremento de concentracin del ion carbonato es significativo, y se excede el producto de solubilidad del CaCO3 (KPS= 4,47 108 M1), se producir una mayorprecipitacin de CaCO3, principal constituyente de las conchas marinas.

La actividad fotosinttica mantiene un fino balance en el ciclo del carbono y del oxgeno. A travs de la fotosntesis se forman los compuestos orgnicos,utilizando CO2 como fuente de carbono. Los productores primarios en el ocanoson las algas unicelulares a la deriva (llamadas fitoplancton), las que sirven dealimento al zooplancton. A su vez, ambos son el alimento de los organismosacuticos superiores (necton y bentos). As, el carbono se mueve continuamentedesde la atmsfera hacia la cadena alimenticia, a travs de la fotosntesis,retornando a la atmsfera durante la respiracin y oxidacin de la materia orgnicamuerta. Una pequea parte de la materia orgnica se deposita en los sedimentos,junto con los carbonatos insolubles.

Las principales reservas de carbono y los flujos del ciclo se presentan en la Tablasiguiente:

TABLA 2.4: RESERVAS DE CARBONO

LUGAR 1012 ton C %

Rocas, inorgnico 26.000 76,37Rocas, orgnico disperso 8.000 23,50Agua, inorgnico y orgnico 38 0,11Fsiles 4 0,01Biomasa, total 2 -Atmsfera, CO, CO2, CH4 0,8 -

INTRODUCCIN A LA INGENIERA AMBIENTAL PARA LA INDUSTRIA DE PROCESOSC. A. ZAROR Z.

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TABLA 2.5: FLUJOS DE CARBONO

FLUJO 109 ton C / ao

CO2 generado por respiracin de organismos marinos 97CO2 generado por oxidacin de organismos muertos 25CO2 generado por respiracin de organismos terrestres 10CO2 generado por combustin 6CH4 generado anaerbicamente 0,5C fijado por fotosntesis marina 100C fijado por fotosntesis terrestre 35C fijado a sedimentos marinos, como carbonato 0,2

Cabe destacar que la accin microbial anaerbica sobre diversos substratosorgnicos constituye otro vehculo de destruccin de material orgnico y transformacin en carbono inorgnico. Dicha actividad biolgica anaerbicaocurre en los intestinos de los mamferos, en los humedales, profundidadesmarinas y otras zonas anxicas, contribuyendo a la generacin de 500-1000millones de toneladas de CH4 anualmente, el que se oxida a CO2 en la atmsfera.Se ha sugerido que este proceso juega un papel importante en los mecanismosbiolgicos que existen para la regulacin del nivel de oxgeno en la atmsfera.Ms an, tanto el CO2 como el CH4 contribuyen en un 57% y 12% al efecto invernadero, respectivamente.

2.5.4) Ciclo del Nitrgeno

El nitrgeno a la forma de N2 representa el 76% en peso de la atmsfera terrestrey constituye la principal reserva de nitrgeno en el planeta. Al contrario de otroselementos, el nitrgeno presente en el suelo proviene principalmente de laatmsfera. El N2 tiene una baja reactividad qumica y slo se oxida a altas temperaturas. El nitrgeno es un componente importante de los organismosvivientes, principalmente como N-3, a la forma de grupo amino (R-NH2) en los aminocidos y protenas. Desde el punto de vista bioqumico, pocos organismospueden utilizar directamente el N2 atmosfrico. Sin embargo, existen variospuentes entre la comunidad biolgica y el nitrgeno atmosfrico. Las reaccionesfotoqumicas en la atmsfera, las bacterias y algas fijadoras de nitrgeno del sueloy el mar, y las fbricas de fertilizantes qumicos construidas por el hombre en elpresente siglo, transforman el N2 en formas utilizables para los seres vivos. Entre estos agentes, los microorganismos juegan un importante papel en las complejastransformaciones qumicas que caracterizan el ciclo geoqumico del nitrgeno,particularmente, en los procesos de asimilacin, fijacin, desnitrificacin,nitrificacin y amonificacin, tal como se describe a continuacin.

El N2 atmosfrico es transformado en N-3 a travs de la accin demicroorganismos existentes tanto en el agua como en el suelo, en un procesodenominado fijacin del nitrgeno. Existe una abundante comunidad demicroorganismos capaces de fijar el N2, entre ellas: bacterias aerbicas (ej.


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Azotobacter sp., Thiobacillus sp., algas verde-azules), bacterias anaerbicas (ej.Clostridium sp., Desulfovibrio sp., bacterias fototrficas), bacterias en asociacinsimbitica con: ndulos de leguminosas (ej. Rhizobium sp.), lquenes (ej. cianobacterias), etc. Los avances recientes en las tcnicas de deteccin depresencia de organismos fijadores de N2 han permitido revelar que hay fijacinbiolgica de nitrgeno en los estratos auttrofos y hetertrofos de los ecosistemas,y en las zonas aerbicas y anaerbicas de los suelos y sedimentos acuticos.Slo los microorganismos anucleados ms primitivos (procariotas), tienen la capacidad de fijacin de nitrgeno (algunos de los cuales aparecieron sobre laTierra hace 1500 millones de aos). Resulta interesante constatar la alta eficiencia de fijacin de N2 que caracteriza a aquellos sistemas con asociacinsimbitica, en comparacin con los organismos no fototrficos de existencia libre.Por ejemplo, la capacidad fijadora de las bacterias en asociacin con los ndulosde las races de leguminosas est en el rango 50-900 (kg N fijado/hectrea/ao),mientras que las especies libres (ej. Clostridium sp., Azotobacter sp. ) fijan menos de 1 (kg N/hectrea/ao). Al parecer, el ndulo radicular de tales plantas protegea los microorganismos del exceso de oxgeno, el cual es inhibidor de la fijacin, y les proporciona la energa qumica necesaria; y en retorno la planta obtiene unacantidad de nitrgeno fcilmente asimilable. Esta actividad simbitica ilustra unfenmeno de cooperacin mutua, muy comn en los sistemas naturales.

La fijacin de N2 en los ocanos es relativamente baja, siendo las algas verde-azules las responsables de la casi totalidad de la actividad fijadora. Se estima queuna gran parte de la fijacin marina, ocurre en los arrecifes de coral y en las reas litorales, en asociacin simbitica con algunas plantas acuticas.

Las formas ms comunes del nitrgeno del suelo que las plantas pueden utilizardirectamente son el ion nitrito (NO2-), el ion nitrato (NO3-) y el ion amonio (NH4+).Estos compuestos del nitrgeno son asimilados por las plantas y entran en la cadena alimenticia heterotrfica, incorporndose en los procesos biolgicos,tranformndose en aminocidos y protenas. Cuando los compuestos orgnicosnitrogenados son degradados bioqumicamente, se forman compuestosinorgnicos (principalmente NH3 / NH4+), los cuales son fcilmente asimilables porlas plantas y por la mayora de los microorganismos.

En presencia de oxgeno, un amplio grupo de procariotas que habitan en el suelo y las aguas dulces y marinas (ej. Nitrosomonas sp., Nitrobacter sp, Nitrosococcussp.), obtienen su energa oxidando el NH4+ a travs del proceso de nitrificacin,produciendo nitrito y nitrato. El nitrato tambin es asimilado fcilmente por lasplantas que lo vuelven a reducir a N-3.

Muchos microorganismos poseen la capacidad de reducir los xidos de N en condiciones anxicas, donde dichos compuestos sustituyen al O2 como aceptorterminal de electrones en la cadena respiratoria. Si la reduccin contina hasta lageneracin de gases de N2 y N2O, el proceso se denomina desnitrificacin. Estacapacidad est difundida entre varios microorganismos que habitan en el suelo y el agua. Este proceso representa una va a travs de la cual el nitrgenodisponible en las aguas y el suelo, se pierde a la atmsfera. Estas prdidas de N se suman a los xidos de nitrgeno generados por la combustin de combustibles


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fsiles, los que debido a su origen biolgico, contienen N. Cabe destacar que msdel 80% del nitrgeno que participa en las reacciones en la superficie terrestre y en los ocanos, permanece reciclado y slo el 20% se pierde a la atmsfera pordenitrificacin y evaporacin. Es ste 20% el que se repone anualmente porfijacin del N2 atmosfrico.

Adems de estos procesos biolgicos, el nitrgeno participa en reaccionesqumicas espontneas que tienen lugar, principalmente, en la atmsfera. Aparte del N2O suministrado a la atmsfera por las reacciones de desnitrificacin y la combustin de materia orgnica nitrogenada, otros xidos se generan poroxidacin directa del N2 a altas temperaturas (por ejemplo, debido a losrelmpagos o durante la combustin de combustibles fsiles):

N2 + O2 2 NO

N2 + 2 O2 2 NO2

El N2O es el ms estable de los xidos de nitrgeno y logra llegar a la estratsfera.All, la alta radiacin UV es capaz de fotolizar dicha molcula y alrededor del 95%se transforma en N2, mientras que el 5% pasa a NO. Este proceso ocurre aalturas superiores a 20 km. y las principales reacciones se pueden sintetizar:

N2O NO + N hv

N2O N2 + O hv

N2O + O 2 NO

El NO estratosfrico es importante, ya que cataliza la descomposicin del ozonoen la alta estratsfera.

Finalmente, los xidos gaseosos de nitrgeno, llamados comnmente NOx, sufrenoxidacin a nitrato, el cual es absorbido por el agua y cae a la superficie con la lluvia, reduciendo su pH.

Las principales reservas y flujos del ciclo de nitrgeno se muestran en las Tablassiguientes:

TABLA 2.6: RESERVAS DE NITRGENO

LUGAR 109 ton N

Atmsfera, N2 3.800.000Atmsfera, NOx 1,30Ocano, en biomasa 0,50Ocano, en compuestos disueltos 300Terrestre, en biomasa 3,50Terrestre, total en sedimentos, orgnicos e inorgnicos 1.000.000


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TABLA 2.7: FLUJOS DE NITRGENO

FLUJOS 106 ton/ao

NOx a la atmsfera, desnitrificacin 90NOx a la atmsfera, fuentes antrpicas 50N2 a la atmsfera, desnitrificacin 240Depositacin de NO3- en tierra 70Depositacin de NO3- en ocanos 50Fijacin antrpica de N2 (fertilizantes sintticos) 80Fijacin biolgica de N2 en tierra 140Fijacin biolgica de N2 en ocanos 30N fijado en sedimentos 10

2.5.5) Ciclo del Fsforo

Los compuestos de fsforo presentan, en general, baja solubilidad y volatilidad.La mayor reserva de fsforo se encuentra en las rocas y otros depsitos formadosdurante millones de aos de evolucin geolgica. Dichos depsitos se han idoerosionando en forma gradual, liberando compuestos de fsforo, principalmenteortofosfatos (PO4-3), hacia los ecosistemas. Una gran fraccin de estos flujos de fosfato es lixiviada al mar, donde eventualmente se deposita en los sedimentos.Entre los compuestos inorgnicos tpicos se encuentran: Ca3 (PO4)2 , Al PO4 , FePO4 . Las reservas y flujos de fsforo en la naturaleza se presentan en las Tablassiguientes:

TABLA 2.8: RESERVAS DE FSFORO

LUGAR 109 ton P

Fsforo en Suelos 200Rocas de Fosfato 10-100Fosfato en Ocanos 120

TABLA 2.9: FLUJOS DE FSFORO

FLUJOS 106 ton P / ao

Fosfatos insolubles de ros a ocanos 20Fosfatos solubles de ros a ocanos 1Fsforo en partculas a la atmsfera 3,3Fsforo en sedimentos marinos 22Deposicin de partculas sobre suelos 3,2Deposicin de partculas sobre ocanos 1,4Fsforo en aerosoles marinos 0,3


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Como se puede ver, los flujos geoqumicos de este elemento, dependen de latransferencia de material suspendido desde los ros al mar. No existencompuestos de fsforo en la composicin de la atmsfera, por lo que sta sloparticipa como medio de transporte de partculas con contenido de fsforo,arrastradas por el viento.

El fsforo es un componente clave del protoplasma de los seres vivos. Tal comose menciona ms adelante, el fsforo forma parte de las molculas de ATP, ADP y AMP, que son fundamentales en la transferencia de energa celular, y de lasmolculas de ADN y ARN, constituyentes del material gentico de las clulas.Normalmente, el fsforo es el factor limitante en la fertilidad de los suelos y de los ecosistemas acuticos. Su baja solubilidad limita su disponibilidad como nutriente.

En los lagos, los niveles de nitrato y de fosfato son bajos, constituyndose en los nutrientes limitantes para el crecimiento de las algas fotosintticas. Se requiere 1tomo de fsforo por cada 12-20 tomos de nitrgeno, para sostener una actividadbiolgica balanceada. Las fuentes antrpicas de P provienen de los vertidos deefluentes domsticos e industriales. En particular, los altos consumos dedetergentes fosfatados pueden generar eutrofizacin en aquellos cuerpos de aguadonde el fsforo es el reactivo limitante.

2.5.6) Ciclo del Azufre

A diferencia del nitrgeno, el azufre tiene su principal reserva en la cortezaterrestre, con una pequea pero importante fraccin en la atmsfera. Sinembargo, existe una fuerte analoga entre el ciclo del azufre y aqul del nitrgeno,con respecto al papel jugado por los microorganismos. Ambos elementos estnpresentes en los seres vivos en su forma qumica ms reducida (es decir, N-3 y S-2,formando grupos amino e hidrosulfuro, respectivamente). El azufre es unimportante constituyente secundario de las protenas, debido a su habilidad paraformar enlaces S-S, lo que permite formar estructuras proteicas en gran escala y de formas tridimensionales especiales. Cuando la materia orgnica sedescompone, el azufre proteico se transforma en H2S:

R-SH H2S + RH

El H2S se genera principalmente en ambientes terrestres y en marismas, dondeprevalecen condiciones anxicas. Adems, muchas especies de fitoplanctonmarino son capaces de producir dimetil sulfuro ((CH3)2S) y H2S a partir de lareduccin de sulfatos presentes.

Ambos compuestos son voltiles y sufren una rpida oxidacin espontnea en la atmsfera, donde se transforman en SO2 y, eventualmente, en sulfato (SO4=):

H2S SO2 SO3 SO4=

La oxidacin de los sulfuros tambin puede ocurrir en el suelo, los sedimentos y en medio acutico, a partir de procesos biolgicos (ej.: bacterias tiobacilares).


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La utilizacin del sulfato en las reacciones biolgicas involucra un acoplamientocon el ciclo del carbono, donde el sulfato acta como aceptor de electrones. El sulfato, al igual que el nitrato y el fosfato, son la principal forma qumica que esreducida por los organismos auttrofos e incorporada a las protenas.

El principal compuesto de azufre en la atmsfera es el SO2 , proveniente defuentes naturales y antrpicas. El dixido de azufre es generado naturalmentedurante las erupciones volcnicas y durante la combustin espontnea debiomasa forestal. Las principales fuentes antrpicas son los procesos decombustin de combustibles fsiles y la refinacin de minerales sulfurados. Elloconstituye un flujo que permite reciclar el azufre desde las profundidades de latierra a la atmsfera y su eventual depositacin como sulfato.

TABLA 2.10: RESERVAS DE AZUFRE

LUGAR 109 ton S

Rocas Sedimentarias 8.000.000Atmsfera 0,004

TABLA 2.11: FLUJO DE AZUFRE

FLUJO 106 ton S/ao

SO2 a la atmsfera, origen antrpico 78SO2 a la atmsfera, origen natural 10Sulfuros voltiles a la atmsfera 16Sulfato a la atmsfera, fuente ocenica 140Precipitacin de sulfato atmosfrico sobre los ocanos 160Precipitacin de sulfato atmosfrico sobre tierra 84

2.6) NUEVOS CONCEPTOS SOBRE LOS PROCESOS BIOGEOQUMICOS: LA HIPTESIS DE GAIA

En las secciones anteriores ha quedado de manifiesto que los seres vivos participan activamente de los ciclos geoqumicos. La naturaleza fsica y qumicade la materia inerte est en constante cambio gracias a la accin de organismosque devuelven al medio nuevos compuestos y fuentes de energa. Un buenejemplo de como los seres vivos modifican el medio fsico, son los atolones deCoral del Pacfico, donde la actividad de animales y vegetales resulta en la formacin de islas enormes, a partir de los materiales disueltos en el mar.

En las ltimas dcadas, se ha planteado que las condiciones en la Tierra sonapropiadas para la vida, debido a que los mismos seres vivos han tenido lacapacidad de regular tales condiciones a los niveles ptimos para asegurar el desarrollo de la vida sobre el planeta. A comienzos de los aos 70, el cientfico


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britnico James Lovelock y otros colaboradores, entre los que destaca la microbiloga Lynn Margulis, desarroll tal hiptesis motivado por la intriganteconstancia de la composicin de la atmsfera terrestre, a pesar de las diferentesperturbaciones en los flujos energticos y materiales que han ocurrido en los millones de aos transcurridos. El hecho de que la composicin atmosfrica y el medio fsico de la Tierra sean bastante diferentes de las condiciones de los otrosplanetas del sistema solar, condujo al planteamiento que sostiene que los seresvivos han evolucionado con el medio fsico para lograr un complejo sistema decontrol que mantiene las condiciones sobre la tierra favorables para la vida. Tal hiptesis se denomina Hiptesis de Gaia (diosa griega de la Tierra).

Lovelock estudi la composicin qumica de la atmsfera en sus aspectosqumicos y termodinmicos. Concluy que, para mantener constante el metanoatmosfrico (cuya concentracin es del orden de 1,7 ppm) ante la presencia de21% de O2, se requiere un flujo de 109 ton CH4/ao y un flujo de O2 de 4109 ton O2/ao para oxidar el metano. Tales flujos son slo posibles gracias a la actividadde los microorganismos. De acuerdo a estos cientficos, casi todos los ciclosbiogeoqumicos tienen un componente biolgico fundamental. La participacin delos microorganismos es parte integral de los mecanismos que regulan las condiciones de temperatura y pH que hay en la superficie terrestre. SegnLovelock, la continua actividad coordinada de las plantas y microorganismospermite reducir las fluctuaciones en composicin, pH y temperatura que seproduciran en ausencia de sistemas vivos altamente organizados.

Resulta interesante comparar las condiciones atmosfricas y de temperatura de Marte, Venus, la Tierra y una Tierra hipottica sin vida:

TABLA 2.12: COMPOSICIN ATMSFERICA BAJO DIFERENTESCONDICIONES

COMPOSICINATMOSFRICA

MARTE VENUS TIERRA SIN VIDA

(Hipottica)

TIERRA(Actual)

O2 en atmsfera 0,13% trazas trazas 21%N2 en atmsfera 2,7% 1,9% 1,9% 79%CO2 en atmsfera 95% 98% 98% 0,03%Temperatura superficial C 53 477 240-340 13

Se observa que la atmsfera de la Tierra inerte sera similar a la de Marte y Venus, con trazas de oxgeno. Ms an, las simulaciones demuestran que en esaTierra inerte, el nitrgeno habra desaparecido de los mares, mientras que elmetano, el hidrgeno y el amonaco desapareceran rpidamente. Lascondiciones de la Tierra sin vida fueron estimadas de acuerdo al estado deequilibrio termodinmico que se lograra sin la intervencin de los procesosbiolgicos.

En la Tierra viviente, tanto la atmsfera, como el suelo y los ocanos, tienencomposiciones qumicas muy lejanas a las condiciones de equilibrio. En la


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atmsfera coexisten compuestos altamente oxidantes como el O2 y el CO, concompuestos altamente reductores como el CH4, el H2 y el NH3, y compuestos de baja reactividad como el CO2 y el N2. Los gases oxidantes y los reductorestienden a reaccionar rpidamente entre s, de forma muy enrgica. La presenciade los procesos biolgicos permite mantener una situacin de estado estacionario,lejano de las condiciones de equilibrio termodinmico. En otras palabras, la bisfera gasta la energa necesaria para mantener el sistema Tierra en unasituacin altamente inestable, lejos de los valores esperados del equilibrioqumico. Quienes sostienen la Hiptesis de Gaia concluyen que la atmsfera de la Tierra no lleg a su composicin actual gracias a la interaccin de procesos fsicosy qumicos. Muy por el contrario, desde un principio los organismosdesempearon un papel determinante en el desarrollo y regulacin de unambiente geoqumico favorable.

Del estudio de los diferentes procesos biogeoqumicos y del rol de la vida en mantener las condiciones estacionarias, se concluye que:

El entorno de la superficie de la Tierra se puede considerar como un sistemadinmico, protegido contra las perturbaciones por eficaces mecanismos deretroalimentacin.

Frente a esta hiptesis, surge entonces la pregunta:

Cul es la funcin de cada gas en la atmsfera o de cada componente en el mar?

Las respuestas fluyen en la misma direccin de aquella que se obtendra de la pregunta: Cul es la funcin de la hemoglobina o de la insulina en la sangre?.

Lovelock plantea que el O2 es el gas dominante, aunque no sea el ms abundante, y establece el potencial qumico del planeta. Hace posible la combustin y las reacciones de oxidacin fundamentales para sostener losprocesos vivientes. Porqu este gas tan importante se ha mantenido a un nivelde 21% de la atmsfera, prcticamente constante por millones de aos? Estregulado por algn sistema ciberntico? Qu factores han determinado que el punto de referencia al cual se debe mantener es 21%?

Durante varios cientos de millones de aos, el nivel de O2 debe haber sidobastante cercano al nivel actual; de otra manera, los animales e insectosvoladores ms grandes, no habran podido existir. Andrew Watson de la U. de Reading, Inglaterra, demostr empricamente que una concentracin de O2 sobre 25% en la atmsfera habra significado la combustin espontnea de toda la biomasa forestal del planeta, ante la mnima chispa volcnica. Segn Watson, laprobabilidad de incendios forestales depende crticamente de la concentracin de O2, y un simple aumento de 1% en su concentracin atmosfrica incrementa la probabilidad de incendios espontneos al 60%. A un nivel de 25% de O2, hasta eldetritus hmedo de un suelo tropical se incendiara completamente con unrelmpago. Bajo esas condiciones, una vez en llamas, las selvas se quemarantotalmente, tal como se quemara toda la vegetacin y material orgnico sobre la


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superficie terrestre. El nivel actual de 21%, parece representar un saludableequilibrio entre el riesgo y el beneficio. Los incendios ocurren con una frecuenciaaceptable frente a las ventajas que ofrece una energa de alto potencial. El metano parece jugar un papel importante en el proceso de regulacin del nivel de O2 en el aire, y su generacin y oxidacin proceden con suficiente rpidez, comopara ser parte de un circuito de retroalimentacin en el sistema de regulacin deloxgeno. Tanto la generacin de O2 como de CH4 son debidas, principalmente, ala accin de organismos vivientes.

Otro aspecto interesante que la Hiptesis de Gaia ha enfrentado se refiere al control del clima en la Tierra. Se sabe que, desde los orgenes de nuestroplaneta, el Sol se est calentando exponencialmente y lo seguir haciendo por millones de aos ms. Sin embargo, la velocidad de aumento de la produccin deenerga solar es tal que sta ha aumentado entre 30 y 50% desde que aparecieronlas primeras formas de vida sobre la Tierra. Las estrellas tienen la propiedad deincrementar su produccin de calor y luz, a medida que envejecen. Obviamente,el clima al inicio de la vida tena que haber sido apropiado para el desarrollo de sta, ni glacial, ni ardiente. Ms an, todo parece indicar que la temperatura de la superficie de la Tierra ha permanecido increblemente constante desde tiemposremotos, cuando aparecieron las primeras formas de vida. Un aumento del 30%de la radiacin solar habra resultado en una temperatura cercana al punto deebullicin del agua. Si la velocidad actual de aumento de la produccin solar ha tenido lugar desde el comienzo de la vida Porqu no estamos hirviendo ahora?Se ha propuesto que en tiempos remotos, la joven Tierra tena suficienteamonaco capaz de absorber la radiacin solar infrarroja, actuando como unamanta que mantena caliente el planeta a pesar de que el Sol estaba ms fro que hoy. Otros plantean que el alto contenido de CO2 atmosfrico en aquellos tiemposremotos tendra un efecto de calentamiento similar. El clima de la Tierra seencuentra en un estado estacionario, entre dos regmenes extremos: uno glaciar,el otro hirviendo, y sin embargo, la temperatura permanece casi constante. Noes aquello una prueba de que los microorganismos juegan un papel regulatorio al actuar sobre la composicin de los gases trazas de la atmsfera (es decir, CO2,NH3, N2O, CH4) para mantener el balance trmico, a pesar de los cambiosexperimentados en la produccin de energa solar?.

La Hiptesis de Gaia, considera el entorno fsico y la bisfera como sistemasaltamente integrados.

El ser humano tiene una reciente aparicin en este escenario, pero su impactosobre el entorno fsico ha sido significativo. Somos actualmente ms de 5 mil millones de individuos, junto a una pltora de especies subordinadas, queconforman los ganados y cultivos que requerimos para sobrevivir. Ello implica uncreciente consumo de los recursos materiales y energticos de la Tierra. Estamosincidiendo directamente en los ciclos biogeoqumicos, tal vez con impactos a nivelglobal, como lo sera la degradacin de la capa de ozono y el incremento de la concentracin de los gases invernadero. Si el impacto de la actividad humanasigue creciendo en intensidad y profundidad, se pueden generar nuevosfenmenos que minimicen el cambio, y se logre un nuevo nivel estacionario, cuyascondiciones ambientales podran ser inapropiadas para la supervivencia del ser


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humano.

La capacidad de autorregulacin de la Tierra se demuestra al considerar que, aproximadamente cada 100 millones de aos, ella recibe el impacto de enormescuerpos celestes viajando a 70.000 km/h. La energa cintica de esos cuerpos es equivalente a la detonacin de una veintena de bombas atmicas (similares a aquella lanzada en Hiroshima) por cada kilmetro cuadrado, si ella se distribuyerauniformemente por toda la Tierra. Se cree que hace 65 millones de aos, uno deestos impactos caus la extincin de ms del 60% de las especies que habitabanel planeta. Y sin embargo, el desarrollo de la vida continu, amparado en lassimples bacterias que siguen ordenando exitosamente la atmsfera terrestre,como lo han hecho por casi 2 mil millones de aos. La Hiptesis de Gaia implicaque la Tierra es un sistema ciberntico natural, y debemos preservar los controlesque permiten a la bisfera mantener condiciones ambientales estacionarias.

Por lo tanto, adems de esforzarnos por reducir nuestro impacto sobre los ciclosbiogeoqumicos, minimizando las emisiones de SO2, NOx , CO2 , CFC y otroscontaminantes, debemos preservar la integridad del sistema de control regulatorioque hace posible la vida sobre la Tierra. Para ello, debemos descubrir cuales sonlos componentes que constituyen tal sistema de regulacin planetaria. Unmamfero puede seguir viviendo si se le extirpa una mano, un brazo o unoscuantos dientes, pero morir instantneamente si se le extirpa el corazn, el cerebro, u otro rgano vital.

Tendremos que esperar que los avances en las ciencias fundamentales y aplicadas permitirn en un plazo no muy lejano, responder a las preguntas quenacen naturalmente de la hiptesis Gaia:

1.- Cules son los rganos vitales de nuestra Tierra? 2.- Cules son los sensores que permiten detectar las variaciones detemperatura y composicin qumica en la atmsfera, las aguas y el suelo?3.- Cules son los mecanismos de transmisin de esta informacin a nivel planetario?, etc.

Para quienes deseen profundizar este tema, recomiendo el excelente texto de L.E. Joseph GAIA: La Tierra Viviente, donde se presentan en forma sencilla, perorigurosa, las recientes contribuciones en torno a esta interesante hiptesis.Obviamente, la publicacin original de J. Lovelock es una lectura obligada.

En las secciones anteriores, ha quedado claramente demostrada la importanciadel mundo microbiolgico en el funcionamiento de la bisfera. Es el momento dehacer una pausa y revisar algunos conceptos de microbiologa. En la prximaseccin se resumirn aquellos fundamentos que nos permitan entender los procesos biolgicos, dentro del contexto de la ingeniera ambiental.


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2.7) ALGUNOS CONCEPTOS BSICOS DE MICROBIOLOGA

La importancia de los microorganismos en el funcionamiento de los procesosnaturales, ha sido sealada en prrafos anteriores. Desde que en 1675Leeuwenhoek descubri el mundo de los microorganismos, hasta la actualidad, se halogrado comprender el funcionamiento de estos seres microscpicos, y utilizarlospara el beneficio del Hombre, tanto en el control de enfermedades, como en losprocesos productivos. El mundo microscpico est compuesto de varios gruposdistintos de organismos, que habitan en el suelo, el agua y el aire. Por ejemplo, elsuelo frtil contiene una gran variedad de bacterias, as como de hongos, algas,protozoos y virus, que pueden alcanzar un total de mil millones de microorganismospor gramo de suelo.

La mayora de los microorganismos son unicelulares, es decir, estn compuestos deuna sola clula. Algunos tienen caractersticas de clulas vegetales, otros de clulasanimales, y otros con caractersticas mixtas. Una importante caracterstica quediferencia a unos microorganismos de otros, es la organizacin de su material celular.A continuacin se presenta una clasificacin de los diferentes tipos demicroorganismos, su estructura celular, y algunos conceptos de la qumica celular.

2.7.1) Tipos de Microorganismos

En trminos generales, los organismos vivientes se pueden dividir en:

Animales (hetertrofos). Vegetales (auttrofos).

Entre las formas evolutivamente superiores de vida, es posible distinguir claramenteestos dos grandes Reinos. Pero muchas especies y variedades de los organismosinferiores, tales como bacterias, hongos, algas y protozoos ms primitivos, no son tanespecializadas. Existe una enorme y compleja interfase de seres con propiedadesvegetales (ej.: algas verdes), con propiedades animales (ej.: protozoos) y mixtos (ej.:hongos). En la actualidad, algunos bilogos reconocen 5 reinos: Monera, Protista,Fungi, Animales y Plantas. El Reino Protista contiene a los organismosmicroscpicos: las bacterias, los protozoos y las algas.

Todos los organismos vivos poseen las siguientes caractersticas comunes:

Capacidad de reproduccin. Capacidad para consumir o asimilar nutrientes y transformarlos qumicamente

(metabolizarlos) para obtener energa y crecer. Capacidad para excretar los productos de desecho y disipar la energa residual. Capacidad para reaccionar frente a cambios en el entorno (irritabilidad). Susceptibilidad a la mutacin.

La unidad estructural bsica de los seres vivos es la clula. En los seresunicelulares, la clula es el organismo propiamente tal, mientras que en los serespluricelulares las clulas estn integradas en un sistema o conjunto de sistemas que


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forman el organismo vivo.

En el mundo microbiolgico se encuentran organismos que estn en la frontera entrelo inerte y lo vivo, como es el caso de los virus. Los virus son parsitos obligados queno pueden multiplicarse fuera de una clula anfitriona apropiada. Sin embargo,cuando un virus penetra en una clula viva, es capaz de crear cientos de partculasde virus idnticas, utilizando la energa y la maquinaria bioqumica de la clulaanfitriona. Un virus es una entidad mucho ms sencilla que una clula, formado pormaterial gentico (cidos ncleicos) y protenas, con tamaos que varan entre 10 y 300 nm de longitud.

La microscopa electrnica, en los aos 50, permiti descubrir las enormesdiferencias entre las clulas bacterianas y la estructura interna de otras clulas. Lasclulas bacterianas contienen solamente citoplasma, rodeado de una membranacitoplasmtica semipermeable. El citoplasma contiene material nuclear, el cual noest rodeado de ninguna membrana. Los organismos que tienen estas propiedadesse denominan Procariotas.

Con la excepcin de las bacterias, todas las otras clulas contienen estructurasinternas complejas y bien diferenciadas (orgnulos), rodeadas por membranas.Dichas membranas se parecen a las membranas que rodean a la clula misma. Losorgnulos tpicos incluyen el ncleo, la mitocondria, los ribosomas y el aparato deGolgi. Dentro del ncleo, el material gentico celular est organizado en estructurasreconocibles llamadas cromosomas. Estas clulas se llaman Eucariotas.

Clulas Procariotas

Las clulas procariotas son las clulas ms sencillas, en cuanto a estructura, y secree que ellas fueron las primeras formas de vida en la Tierra. Las principalescaractersticas de estas clulas son:

No poseen membranas internas que separen el ncleo del citoplasma, ni hayestructuras o corpsculos rodeados de membranas al interior de la clula.

La divisin celular es asexuada, normalmente por simple fisin. La pared celular contiene molculas mucopptidas que le dan rgidez estructural.

El citoplasma y su contenido estn rodeados por una membrana citoplasmtica quecontrola el paso de los materiales hacia y desde el interior. La membranacitoplasmtica est rodeada por la pared celular rgida, que le otorga una cubiertaprotectora. Dentro del rea citoplasmtica se distinguen las siguientes substancias:

Ribosomas: Pequeas partculas compuestas de protenas y ARN (cidosribonucleicos) que participan en la sntesis de nuevas protenas.

Grnulos: Son depsitos de varios compuestos qumicos que pueden servir demateria prima en los procesos metablicos.

Material nuclear: Son filamentos de ADN (cido desoxirribonucleico), portadorde la informacin gentica.

Mesosomas: Son repliegues de la membrana citoplasmtica.


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FLAGELO

MEMBRANACELULAR

PAREDCELULARCAPSULA

AREA NUCLEAR (ADN)

CITOPLASMARIBOSOMAS

FIGURA 2.5: REPRESENTACIN ESQUEMTICA DE UNA BACTERIA

Las bacterias y las cianobacterias son los principales miembros de los protistasprocariticos. Existen miles de diferentes tipos y sus caractersticas ms generalesse presentan a continuacin:

Bacterias: Son las clulas procariotas tpicas. Son unicelulares, carentes deestructuras internas rodeadas de membranas dentro del citoplasma (Figura 2.5).Se reproducen asexuadamente con tiempos de duplicacin que pueden ser tancortos como 15-20 minutos o algunas horas, dependiendo del tipo de bacteria, dela disponibilidad de nutrientes, del pH y la temperatura. Un cultivo de laboratoriotpico puede mostrar una poblacin del orden de 10 mil millones de bacterias pormillitro, en menos de 24 horas de crecimiento. Tienen pequeo tamao (0,2-1,5m de dimetro 1,5-2,5 m de longitud). Las bacterias aisladas puedenpresentar una morfologa esfrica (ej.: Coccus sp.), tubular recto (Pseudomonassp, Escherichia sp, Salmonella sp), tubular curvo (ej.: Vibrio cholera), o espiral(ej.: diarrea)). Algunas bacterias poseen colitas (i.e., flagelos), para otorgarlemovilidad (normalmente, bacterias tubulares capaces de desplazarse a unavelocidad de 1-10 cm/h). Otras, presentan vellosidades o pili, cuya funcin espermitir la adherencia a otras bacterias similares (ej.: durante la floculacin) oparticipar en la transferencia de ADN entre dos bacterias. Tambin existen otras


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que estn rodeadas de una cpsula extracelular o capa de material polisacrido,que les permite formar grandes agregados celulares. Debido a su menorcomplejidad, algunas bacterias pueden crecer a temperaturas extremas, inclusocercanas a 0C o a 90C. Juegan un importante papel en los ciclos biogeoqumicos, ya que son capaces de descomponer los compuestos orgnicosdepositados en la tierra y el mar. Muchas de ellas participan en la fijacin de N2 y en la generacin de CH4 y H2S. Tienen una gran importancia para el hombre, yaque forman parte de muchos procesos industriales, y son el principal componentede la comunidad microbiana en el tratamiento biolgico de efluentes. Sinembargo, muchas bacterias son causa de enfermedad y muerte para los animalesy las plantas.

Cianobacterias: Son clulas procariticas fotosintticas, que contienen clorofila yotros pigmentos. Son ligeramente ms grandes que las bacterias, aunquecomparten las mismas caractersticas en cuanto a morfologa. Se puedenreproducir por fisin binaria simple, por fisin mltiple o mediante la liberacin declulas especializadas llamadas esporas.

Clulas Eucariotas

Son estructuralmente ms complejas que las procariotas. Los principalescomponentes de una clula eucariota son:

Retculo endoplasmtico: ste es un complejo sistema de membranas que seextiende por todo el citoplasma, dividindolo en estructuras o sitios de actividadbioqumica. Sirve de barrera entre los diferentes orgnulos y proporciona canalesque dirigen el flujo de materiales dentro de la clula. Adems, proporciona unasuperficie firme para la alineacin de los ribosomas durante la sntesis deprotenas.

Ncleo: Es la principal localizacin del material gentico y funciona como centrode control de la clula. Consta de ADN en forma de cromosomas, de ARN y deprotenas, y est rodeado por una envoltura nuclear.

Aparato de Golgi: Es una estructura localizada en la regin del retculoendoplasmtico. Es el sitio de sntesis de nuevo material para la pared celular, y empaqueta y transporta protenas y polisacridos al exterior de la clula.

Miticondrias: Funcionan como los sitios principales de produccin de energa enprocesos celulares.


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PAREDCELULAR

CILIOSVACUOLA

APARATO DE GOLGI

MITOCONDRIASNUCLEO

FIGURA 2.6: REPRESENTACIN ESQUEMTICA DE UNA CLULAEUCARIOTICA


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Cloroplastos: Son los orgnulos de las clulas vegetales que contienen clorofilay en los que tiene lugar la fotosntesis.

Vacuola: Es un espacio limitado por una membrana dentro del citoplasma quecontiene soluciones diluidas de varios compuestos.

Microtbulos y microfilamentos: Son estructuras muy finas que mantienen la forma de la clula y promueven el movimiento ordenado de los componentesdentro de los orgnulos.

Paredes celulares: Algunas clulas poseen un recubrimiento externo de lamembrana citoplasmtica, compuesto por microfibrilas que le dan rgidez a lapared celular.

Los hongos, los protozoos y las algas son organismos eucariotas. Cada uno deestos grupos de organismos representa en s mismo, todo mundo complejo y variado.Las principales caractersticas de estos eucariotas son las siguientes:

Hongos: Son organismos que carecen de clorofila y poseen paredes celularesrgidas. Algunos son unicelulares, mientras que otros son policelulares, con ciertadiferenciacin en su estructura. Varan de tamao y forma, desde las levadurasmicroscpicas unicelulares (1-5 m de ancho, 5-30 m de longitud), hasta loshongos macroscpicos filamentosos (mohos). Pueden llegar a formar estructurasmacroscpicas como los hongos policelulares (setas). Se reproducen medianteuna variedad de mtodos, tanto asexuales como sexuales. En la reproduccinasexual por fisin, una clula se divide para formar dos clulas hijas iguales. Enla reproduccin sexual, se funden los ncleos de dos clulas.

Los hongos filamentosos constan de micelios y esporas. El micelio es uncomplejo de varios filamentos (llamados hifas) en cuyo interior hay un citoplasmacomn. Algunos micelios penetran en el medio con el fin de obtener nutrientespara su metabolismo, mientras que otros son productores de esporas y seproyectan hacia el exterior. La mayora de las partes de un hongo filamentoso,son potencialmente capaces de crecer y multiplicarse. Los hongos puedensoportar un medio ambiente desfavorable mejor que la mayora de los otrosorganismos, sobreviviendo en condiciones extremas de pH. Las levaduraspueden desarrollarse tanto en ausencia como en presencia de oxgeno, mientrasque los filamentosos son estrictamente aerbicos. Los hongos se encuentranpresentes en medios acuticos y suelos. Existe una gran variedad de hongos saprfitos (se alimentan de materia orgnica muerta), los que descomponen lasestructuras qumicas complejas, reciclando as los nutrientes en el ambiente.

Protozoos: Son organismos eucariotas que tienen una mayor diversidad enformas y modos de vida. Se conocen ms de 64.000 especies de protozoos. Engeneral, son unicelulares, carentes de clorofila y con capacidad mvil (lo que sirvecomo base para su clasificacin). Su tamao va desde 1 m hasta unas dcimas de milmetro. Tienen una variedad de maneras de alimentarse: a partir dematerial orgnico disuelto (compitiendo con las bacterias), o no disuelto (digeridoenzimticamente dentro de una vacuola); por ejemplo: las amebas. Algunos soncarnvoros, depredadores, y se alimentan de otros organismos de menor tamaocomo, por ejemplo, de bacterias y algas. Estas caractersticas le confieren a los


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protozoos un importante papel en la cadena trfica de las comunidades acuticas,ya que son tanto consumidores primarios como secundarios.

Los protozoos se pueden reproducir asexual y sexualmente. Los protozoosciliados se reproducen sexualmente a travs de la conjugacin donde se producela unin fsica de dos individuos durante la que se intercambia material nuclear.Existen protozoos de vida libre que se encuentran en ambientes acuticos, suelosy materia orgnica en descomposicin, mientras otros llevan una existenciaparasitaria.

Algas: Son clulas eucariotas fotosintticas y forman un gran grupo heterogneoque habita en las aguas. La principal diferencia entre las algas y los otrosProtistas, es su habilidad de producir energa a partir de la fotosntesis, usando laclorofila como su aparato recolector de luz, utilizando el CO2 y generando O2como subproducto. Por otra parte, sus resultados nutricionales permitenacumular el material orgnico, a diferencia de los otros Protistas que lo degradan.Su tamao oscila desde 5 m hasta 30 m de longitud. Las algas microscpicasson en su mayora unicelulares y la reproduccin es principalmente por fisinasexual. Las algas crecen abundantemente en agua dulce y marina, as como enel suelo.

Los Virus

Son las entidades biolgicas ms pequeas, que tienen la propiedad de autoreplicarse, utilizando los mecanismos reproductores de un microorganismoanfitrin. Las partculas de virus fuera de la clula anfitriona, no poseen ningunaactividad metablica y son incapaces de reproducirse. Los virus estn ampliamentedistribuidos en la naturaleza, hospedndose tanto en bacterias como en clulasanimales y vegetales.

Los virus que infectan a las bacterias, o fagos, se conocen desde principios de estesiglo. Los virus bacterianos poseen una cola, a travs de la cual, inoculan el cidonucleico vrico en el interior de la clula hospedadora, tal como se aprecia en laFigura 2.7. Hay dos tipos de virus bacterianos: lticos (o virulentos) y moderados (oavirulentos). Cuando los fagos lticos infectan las clulas, stas respondenproduciendo un gran nmero de virus nuevos y, al final del perodo de incubacin, laclula hospedadora estalla liberando nuevos fagos para infectar otras clulasreceptoras. En el caso de los virus moderados, no se produce lisis de la clula, sinoque el virus se reproduce de una generacin a otra, pudiendo transformarse envirulento, en forma espontnea. La reproduccin de un bacteriofago, comienza con la adsorcin de ste sobre la pared de la bacteria hospedadora, utilizando el extremode la cola, como se ilustra esquemticamente en la Figura 2.8. La fijacin suele serespecfica, en cuanto a que ciertos virus y bacterias poseen configuracionesmoleculares complementarias en sitios receptores apropiados. Luego de la fijacin,el cido nucleico penetra en la bacteria, gracias a la accin mecnica de la vainacontractil, en combinacin con la accin ltica de una enzima (es decir, lisozima) quese encuentra en la cola del fago y que digiere la pared celular. Tanto la cubierta deprotena que constituye la cabeza del fago, como la estructura de la cola del virus,permanecen fuera de la clula. As, el virus inyecta su ADN como una jeringa inyecta


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una vacuna.

Los virus animales y vegetales, o viriones, tienen una composicin y forma de accinsimilares a los bacteriofagos. Estn compuestos de una masa central de cidonucleico rodeada por una cpsula, y su forma vara de tipo en tipo, encontrndoseformas icosadricas, helicoidales u otras. El virin se fija a una clula anfitrionasusceptible, en sitios especficos, a la que luego penetra liberando su materialgentico, y permitiendo la biosntesis de nuevos viriones. Las clulas hospedadorasque estn infectadas con virus pueden no presentar ningn sntoma, o formarcuerpos de inclusin, o ser afectadas por cambios genticos, o ser totalmentedestruidas despus de reproducir al virus. Los virus son una de las principalescausas de enfermedades fatales provocadas por microorganismos en los mamferos.Algunas enfermadades virales que afectan el sistema neurolgico pueden presentarperodos de incubacin muy lentos, de meses o incluso aos. En la actualidad, lavirologa es una de las reas de investigacin ms dinmicas y se constatanpermanentes avances al respecto.

CABEZA HEXAGONAL

VAINA CONTRACTILCON CIDO NUCLEICO

PLACA BASAL

FIBRAS DE LA COLA

FIGURA 2.7: REPRESENTACIN ESQUEMTICA DE UN VIRUS BACTERIANO


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ADN DEL VIRUS

PARED BACTERIANA

CABEZAHEXAGONAL

VAINACONTRACTIL

FIBRAS DE COLA

CITOPLASMA

BACTERIA

VIRUS

BACTERIA

FIGURA 2.8: INFECCIN VIRAL DE UNA BACTERIA


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la ingeniería ambiental y la tecnologia

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