ciclo del carbono

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1. "Año de la esperanza y el fortalecimiento de la democracia" UNIVERSIDAD NACIONAL DE MOQUEGUA FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA AMBIENTAL CICLO DEL CARBONO PRESENTADO POR: ULLOA MENDOZA, ESTRELLA BETZABETH COSSI CRUZ, JOMIRA RUTH CURSO: BIOTECNOLOGÍA DOCENTE: SOTO GONZALES, HEBERT HERNAN CICLO: VIII SEMESTRE 2026 - II ILO - PERÚ 2026
2. 1. Introducción El carbono es un elemento esencial para la vida, debido a que forma parte de las principales biomoléculas y participa en numerosos procesos metabólicos. Su circulación entre la atmósfera, la hidrosfera, la litosfera y la biosfera constituye el ciclo biogeoquímico del carbono, un proceso fundamental para el equilibrio de los ecosistemas y la regulación del clima terrestre (Riebeek, 2011). Desde una perspectiva microbiológica, los microorganismos desempeñan un papel fundamental en este ciclo, ya que intervienen en la fijación, transformación, degradación y liberación del carbono. Las bacterias, arqueas, hongos y cianobacterias participan en procesos como la fotosíntesis, la respiración celular, la descomposición de la materia orgánica, la fermentación y la metanogénesis. Estas actividades permiten el intercambio continuo del carbono entre sus formas orgánicas e inorgánicas, contribuyendo al mantenimiento de los ciclos biogeoquímicos (Falkowski et al., 2008). Asimismo, las comunidades microbianas del suelo y de los ecosistemas acuáticos desempeñan funciones importantes en el reciclaje de nutrientes, la mineralización de compuestos orgánicos y el almacenamiento de carbono. Su actividad metabólica también influye en las emisiones de dióxido de carbono (CO₂) y metano (CH₄), gases relacionados con el cambio climático (Conrad, 2009; Schimel & Schaeffer, 2012). En este contexto, la presente monografía tiene como objetivo analizar el ciclo biogeoquímico del carbono, enfatizando la participación de los microorganismos en sus principales procesos de transformación y su importancia ecológica. Asimismo, busca destacar la relevancia de estos mecanismos para la biotecnología ambiental, la conservación de los ecosistemas y la comprensión de los procesos que regulan el equilibrio del carbono en la naturaleza. 2. Objetivos 2.1. Objetivo general Analizar el ciclo del carbono y la participación de los microorganismos en sus principales procesos de transformación. 2.2. Objetivos específicos •​ Describir la importancia del carbono •​ Identificar los principales reservorios de carbono y su importancia ambiental. •​ Explicar la función de los microorganismos en la fijación, descomposición y reciclaje del carbono. 3. Marco teórico 3.1. El carbono y su importancia para la vida
3. El carbono es un elemento químico esencial para la vida, debido a su capacidad para formar moléculas orgánicas complejas, como carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos, indispensables para el funcionamiento de los seres vivos (Nelson & Cox, 2021). Desde una perspectiva microbiológica, el carbono constituye una fuente fundamental de materia y, en muchos procesos, de energía. Los microorganismos autótrofos utilizan dióxido de carbono (CO₂) para sintetizar compuestos orgánicos, mientras que los heterótrofos obtienen carbono de la materia orgánica presente en el ambiente. Esta diversidad metabólica permite que bacterias, arqueas, hongos y cianobacterias participen activamente en el ciclo biogeoquímico del carbono (Falkowski et al., 2008). Asimismo, los microorganismos intervienen en procesos como la fijación del CO₂, la respiración y la descomposición de la materia orgánica, contribuyendo al reciclaje de nutrientes y al equilibrio de los ecosistemas. Además, participan en el almacenamiento y la liberación de carbono, influyendo en la fertilidad del suelo y la regulación del clima (Schimel & Schaeffer, 2012; Liang et al., 2017). 3.2. Definición del ciclo del carbono El ciclo del carbono es un proceso biogeoquímico mediante el cual este elemento circula y se transforma continuamente entre la atmósfera, la hidrosfera, la litosfera y la biosfera. Comprende procesos biológicos, químicos y geológicos que permiten el intercambio del carbono en diferentes formas, como dióxido de carbono (CO₂), metano (CH₄) y compuestos orgánicos, contribuyendo al equilibrio de los ecosistemas y a la regulación del clima (Riebeek, 2011). Desde una perspectiva microbiológica, los microorganismos desempeñan un papel fundamental en este ciclo, debido a que participan en la fijación del CO₂, la respiración celular, la fermentación, la descomposición de la materia orgánica y el metabolismo del metano. Estas actividades permiten transformar el carbono entre sus formas orgánicas e inorgánicas, favoreciendo su reciclaje y disponibilidad en los ecosistemas (Falkowski et al., 2008). Asimismo, la actividad de bacterias, arqueas y hongos influye en la liberación y el almacenamiento de carbono, especialmente en los suelos y ambientes acuáticos. Por ello, los microorganismos constituyen agentes esenciales para el funcionamiento del ciclo del carbono y el mantenimiento del equilibrio ambiental (Schimel & Schaeffer, 2012). 3.3. Principales reservorios de carbono Los reservorios de carbono son los componentes del sistema terrestre donde este elemento se almacena en diferentes formas químicas y durante períodos variables. Los principales reservorios se encuentran en la atmósfera, la hidrosfera, la litosfera y la biosfera. Estos mantienen un intercambio continuo de carbono mediante procesos físicos, químicos y biológicos, en los cuales los microorganismos desempeñan un papel fundamental (Riebeek, 2011). a) Atmósfera La atmósfera almacena carbono principalmente en forma de dióxido de carbono (CO₂) y metano (CH₄). Los microorganismos participan en su regulación mediante la fijación de CO₂, la
4. respiración celular y la producción y oxidación de metano. Las arqueas metanógenas producen CH₄ en condiciones anaerobias, mientras que los microorganismos metanótrofos contribuyen a su consumo, influyendo en el equilibrio de los gases de efecto invernadero (Conrad, 2009). b) Hidrosfera Los océanos, ríos y lagos contienen carbono en forma de CO₂ disuelto, bicarbonatos, carbonatos y materia orgánica. En estos ambientes, las cianobacterias y otros microorganismos fotosintéticos fijan carbono inorgánico, mientras que las bacterias heterótrofas degradan la materia orgánica y favorecen su reciclaje. Estos procesos contribuyen al intercambio de carbono entre los ecosistemas acuáticos y la atmósfera (Falkowski et al., 2008). c) Litosfera La litosfera constituye el mayor reservorio de carbono del planeta, almacenado principalmente en rocas sedimentarias, carbonatos, combustibles fósiles y sedimentos. En los suelos, las bacterias y los hongos intervienen en la descomposición de residuos orgánicos, liberando CO₂ e incorporando parte del carbono a su biomasa. Asimismo, sus residuos celulares pueden contribuir a la estabilización del carbono orgánico del suelo (Liang et al., 2017). d) Biosfera La biosfera comprende el carbono almacenado en los organismos vivos, como plantas, animales y microorganismos. Este elemento forma parte de las biomoléculas esenciales para el funcionamiento celular. Los microorganismos autótrofos incorporan carbono inorgánico mediante procesos de fijación, mientras que los heterótrofos transforman la materia orgánica mediante la respiración y la descomposición, favoreciendo su circulación en los ecosistemas (Falkowski et al., 2008). Tabla 1 Principales reservorios de carbono y función microbiana Reservorio Forma de carbono Función microbiana Atmósfera CO₂ y CH₄ Fijación, respiración y metabolismo del metano. Hidrosfera Carbono disuelto y orgánico Fotosíntesis y descomposición. Litosfera Carbonatos y carbono orgánico Degradación y estabilización del carbono. Biosfera Biomasa orgánica Fijación y reciclaje del carbono. 3.4. Procesos del ciclo del carbono El ciclo del carbono comprende diversos procesos biológicos, químicos y geológicos que permiten la transformación y circulación de este elemento entre los ecosistemas. Los microorganismos desempeñan un papel fundamental mediante la fijación del CO₂, la respiración celular, la
5. descomposición de la materia orgánica y el metabolismo del metano, contribuyendo al reciclaje del carbono y al equilibrio ambiental (Falkowski et al., 2008). a) Fijación del carbono: Proceso mediante el cual microorganismos autótrofos, como las cianobacterias y bacterias quimioautótrofas, incorporan CO₂ para producir materia orgánica mediante la fotosíntesis o la quimiosíntesis (Falkowski et al., 2008). b) Respiración celular: Las bacterias, arqueas y hongos obtienen energía mediante la oxidación de compuestos. Durante la respiración aerobia de materia orgánica, se libera CO₂, que retorna al ambiente y puede ser reutilizado por organismos autótrofos (Schimel & Schaeffer, 2012). c) Descomposición de materia orgánica: Las bacterias y los hongos degradan restos de organismos y residuos orgánicos mediante enzimas, liberando nutrientes y transformando parte del carbono en CO₂ o biomasa microbiana (Liang et al., 2017). d) Fermentación: Proceso metabólico mediante el cual determinados microorganismos degradan parcialmente compuestos orgánicos sin utilizar aceptores externos de electrones, produciendo sustancias como ácidos orgánicos, alcoholes y, según la ruta metabólica, CO₂ (Stams & Plugge, 2009). e) Metanogénesis: Proceso anaerobio realizado por arqueas metanógenas, que producen metano (CH₄) a partir de compuestos como CO₂ e hidrógeno o acetato. Ocurre principalmente en humedales, sedimentos y biodigestores (Conrad, 2009). f) Oxidación del metano: Determinadas bacterias y arqueas metanótrofas utilizan el CH₄ mediante procesos metabólicos que pueden transformarlo en CO₂ y biomasa, contribuyendo a reducir las emisiones de este gas de efecto invernadero (Conrad, 2009). g) Almacenamiento del carbono: Parte del carbono asimilado por los microorganismos se incorpora a su biomasa y posteriormente puede contribuir a la formación de materia orgánica estabilizada en el suelo, favoreciendo su conservación (Liang et al., 2017). Tabla 2 Principales procesos del ciclo del carbono y microorganismos Proceso Microorganismos Transformación Fijación del carbono Cianobacterias autótrofas y bacterias CO₂ → materia orgánica Respiración aerobia Bacterias y hongos Materia orgánica → CO₂ Descomposición Bacterias y hongos Residuos orgánicos → compuestos simples Fermentación Bacterias y levaduras Materia orgánica → ácidos, alcoholes y gases
6. Metanogénesis Oxidación metano Almacenamiento Arqueas metanógenas del Microorganismos metanótrofos Sustratos orgánicos o CO₂ + H₂ → CH₄ CH₄ → CO₂ y biomasa Comunidades microbianas del Carbono orgánico → suelo residuos microbianos biomasa y 3.5. Microorganismos que participan: bacterias, arqueas, hongos y microalgas Los microorganismos transforman y reciclan el carbono mediante procesos como la fotosíntesis, la descomposición y la producción o el consumo de metano. Los principales grupos son: •​ Bacterias: algunas descomponen materia orgánica, como Streptomyces; otras fijan carbono mediante fotosíntesis, como las cianobacterias. También existen bacterias que consumen metano. •​ Arqueas: las metanógenas, como Methanosarcina, producen metano en ausencia de oxígeno. Otras arqueas participan en su consumo. •​ Hongos: degradan restos orgánicos mediante enzimas. Por ejemplo, Trichoderma reesei descompone celulosa y facilita el reciclaje del carbono. •​ Microalgas: captan carbono inorgánico mediante fotosíntesis y lo incorporan a su biomasa, que sirve de alimento a otros organismos acuáticos. 3.6. Fijación del carbono por microorganismos La fijación del carbono consiste en transformar el carbono inorgánico, como el CO₂, en compuestos orgánicos que forman parte de las células. Las microalgas y las cianobacterias, como Prochlorococcus y Synechococcus, realizan este proceso mediante la fotosíntesis, utilizando la energía de la luz. Así producen biomasa que sirve de alimento a otros organismos y permite que el carbono ingrese en las redes alimentarias acuáticas. 3.7. Descomposición de materia orgánica y respiración microbiana Las bacterias y los hongos descomponen restos de plantas, animales y otros organismos mediante enzimas que transforman sustancias complejas en compuestos más sencillos. Por ejemplo, determinadas bacterias del género Streptomyces y hongos como Trichoderma reesei degradan celulosa presente en los residuos vegetales, facilitando el reciclaje del carbono. Los microorganismos aprovechan estos compuestos para crecer y obtener energía. Durante la respiración aerobia consumen oxígeno y liberan dióxido de carbono (CO₂) y agua. Sin embargo, no todo el carbono regresa al ambiente: una parte se incorpora a sus células y puede contribuir posteriormente a la materia orgánica del suelo. Así, la actividad microbiana participa tanto en la liberación como en el almacenamiento del carbono.
7. 3.8. Fermentación y producción de metano En ausencia de oxígeno, algunos microorganismos transforman compuestos orgánicos mediante la fermentación. Este proceso les permite obtener energía y generar sustancias como ácidos orgánicos, alcoholes, hidrógeno y CO₂, que pueden ser aprovechadas por otros microorganismos. Así contribuyen a la descomposición de materia orgánica en ambientes anaerobios. La producción de metano, denominada metanogénesis, es un proceso distinto realizado por arqueas metanógenas, como Methanosarcina. Estas utilizan sustancias como acetato o hidrógeno y CO₂ para producir metano (CH₄). Su actividad ocurre en ambientes como humedales, sedimentos y sistemas digestivos de rumiantes. De esta manera, parte del carbono se transforma en un gas que puede llegar a la atmósfera y contribuir al efecto invernadero. 3.9. Microorganismos que consumen metano Los microorganismos metanótrofos utilizan el metano (CH₄) como fuente de carbono y energía. En presencia de oxígeno, bacterias como Methylocapsa gorgona lo transforman mediante reacciones que permiten incorporar parte de su carbono a las células y liberar otra parte como CO₂. Su actividad contribuye a reducir la cantidad de metano que llega o permanece en la atmósfera. También existen arqueas que consumen metano en ambientes sin oxígeno, como los sedimentos marinos. Algunas pertenecen a los grupos ANME y actúan asociadas con bacterias reductoras de sulfato. Estos microorganismos funcionan como un filtro biológico que consume parte del metano producido en los sedimentos y contribuye a regular su circulación en el ciclo del carbono. 3.10. Participación de los microorganismos en suelos, océanos y humedales En los suelos, las bacterias y los hongos descomponen restos orgánicos y liberan CO₂ mediante la respiración. Parte del carbono se incorpora a sus células y, cuando estas mueren, sus restos pueden contribuir al almacenamiento de carbono en la materia orgánica del suelo. En los océanos, las microalgas y las cianobacterias captan carbono mediante la fotosíntesis y producen materia orgánica que sostiene las redes alimentarias. Otros microorganismos la descomponen, mientras que una fracción se hunde y transporta carbono hacia aguas profundas. En los humedales, la saturación de agua limita el oxígeno y favorece la actividad de microorganismos fermentadores y arqueas productoras de metano. A su vez, los metanótrofos consumen parte de ese gas. Por ello, estos ecosistemas pueden almacenar carbono orgánico y también emitir metano 3.11. Alteraciones del ciclo del carbono y su relación con el cambio climático La quema de combustibles fósiles y la deforestación alteran el ciclo del carbono al aumentar el CO₂ atmosférico y reducir su captura por la vegetación. Esta acumulación intensifica el efecto invernadero y contribuye al calentamiento global. El aumento de temperatura también puede acelerar la descomposición microbiana y liberar más CO₂. Asimismo, el deshielo de suelos permanentemente congelados permite que los
8. microorganismos degraden materia orgánica antes inaccesible y produzcan CO₂ o metano, según la disponibilidad de oxígeno. Estas emisiones pueden reforzar el calentamiento. Sin embargo, la respuesta varía según la humedad, los nutrientes y la comunidad microbiana; por ello, comprender estos procesos es necesario para evaluar los cambios en el almacenamiento y la liberación de carbono. 4. Conclusiones •​ El ciclo del carbono permite el intercambio de este elemento entre la atmósfera, los seres vivos, el suelo y el agua, manteniendo su disponibilidad para la vida. •​ Las bacterias, arqueas, hongos y microalgas cumplen funciones esenciales mediante la fijación del carbono, la descomposición, la respiración y la producción o el consumo de metano. •​ Los microorganismos participan tanto en la liberación de carbono como en su almacenamiento. Su actividad depende de condiciones como la temperatura, la humedad y la disponibilidad de oxígeno. •​ Las actividades humanas alteran el ciclo del carbono y contribuyen al cambio climático. A su vez, el calentamiento modifica los procesos microbianos, lo que puede aumentar la liberación de CO₂ y metano y reforzar el calentamiento global. 5. Referencias bibliográficas Buckeridge, K. M., Mason, K. E., McNamara, N. P., Ostle, N., Puissant, J., Goodall, T., Griffiths, R. I., Stott, A. W., & Whitaker, J. (2020). Environmental and microbial controls on microbial necromass recycling, an important precursor for soil carbon stabilization. Communications Earth & Environment, 1, Article 36. https://doi.org/10.1038/s43247-020-00031-4 Cavicchioli, R., Ripple, W. J., Timmis, K. N., Azam, F., Bakken, L. R., Baylis, M., Behrenfeld, M. J., Boetius, A., Boyd, P. W., Classen, A. T., Crowther, T. W., Danovaro, R., Foreman, C. M., Huisman, J., Hutchins, D. A., Jansson, J. K., Karl, D. M., Koskella, B., Mark Welch, D. B., … Webster, N. S. (2019). Scientists’ warning to humanity: Microorganisms and climate change. Nature Reviews Microbiology, 17, 569–586. https://doi.org/10.1038/s41579-019-0222-5 Conrad, R. (2009). The global methane cycle: Recent advances in understanding the microbial processes involved. Environmental Microbiology Reports, 1(5), 285–292. https://doi.org/10.1111/j.1758-2229.2009.00038.x Falkowski, P. G., Fenchel, T., & DeLong, E. F. (2008). The microbial engines that drive Earth's biogeochemical cycles. Science, 320(5879), 1034–1039. https://doi.org/10.1126/science.1153213 Liang, C., Schimel, J. P., & Jastrow, J. D. (2017). The importance of anabolism in microbial control over soil carbon storage. Nature Microbiology, 2, Article 17105. https://doi.org/10.1038/nmicrobiol.2017.105 Mayumi, D., Dolfing, J., Sakata, S., Maeda, H., Miyagawa, Y., Ikarashi, M., Tamaki, H., Takeuchi, M., Nakatsu, C. H., & Kamagata, Y. (2013). Carbon dioxide concentration dictates
9. alternative methanogenic pathways in oil reservoirs. Nature Communications, 4, Article 1998. https://doi.org/10.1038/ncomms2998 Newsham, K. K., Garnett, M. H., Robinson, C. H., & Cox, F. (2018). Discrete taxa of saprotrophic fungi respire different ages of carbon from Antarctic soils. Scientific Reports, 8, Article 7866. https://doi.org/10.1038/s41598-018-25877-9 Orphan, V. J., House, C. H., Hinrichs, K.-U., McKeegan, K. D., & DeLong, E. F. (2002). Multiple archaeal groups mediate methane oxidation in anoxic cold seep sediments. Proceedings of the National Academy of Sciences, 99(11), 7663–7668. https://doi.org/10.1073/pnas.072210299 Riebeek, H. (2011, 16 de junio). The carbon cycle. NASA Earth Observatory. https://science.nasa.gov/earth/earth-observatory/the-carbon-cycle/ Schimel, J. P., & Schaeffer, S. M. (2012). Microbial control over carbon cycling in soil. Frontiers in Microbiology, 3, Article 348. https://doi.org/10.3389/fmicb.2012.00348 Stams, A. J. M., & Plugge, C. M. (2009). Electron transfer in syntrophic communities of anaerobic bacteria and archaea. Nature Reviews Microbiology, 7, 568–577. https://doi.org/10.1038/nrmicro2166 Tveit, A. T., Hestnes, A. G., Robinson, S. L., Schintlmeister, A., Dedysh, S. N., Jehmlich, N., von Bergen, M., Herbold, C., Wagner, M., Richter, A., & Svenning, M. M. (2019). Widespread soil bacterium that oxidizes atmospheric methane. Proceedings of the National Academy of Sciences, 116(17), 8515–8524. https://doi.org/10.1073/pnas.1817812116