GRUPO ACADÉMICO DE DOCENCIA:
CICLOS BIOGEOQUÍMICOS
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA METROPOLITANA-XOCHIMILCO DIVISIÓN DE CIENCIAS BIOLÓGICAS Y DE LA SALUD DEPARTAMENTO EL HOMBRE Y SU AMBIENTE LICENCIATURA EN BIOLOGÍA
GUÍA MODULAR DE LA UEA “CICLOS BIOGEOQUÍMICOS”
Universidad Autónoma Metropolitana-Xochimilco Rector M. en C. Norberto Manjarrez Álvarez Secretario Dr. Cuauhtémoc Pérez Llanas
División de Ciencias Biológicas y de la Salud Directora M.U. Rosa María Nájera Nájera Secretario Académico Fís. Marco Antonio Zepeda Zepeda Departamento El Hombre y su Ambiente Jefa M. en C. Aurora Chimal Hernández
Licenciatura en Biología Coordinador Dr. Roberto T. Pérez Rodríguez
Universidad Autónoma Metropolitana-Xochimilco División de Ciencias Biológicas y de la Salud
Departamento El Hombre y su Ambiente Licenciatura en Biología
GUÍA MODULAR DE LA UEA “PRODUCCIÓN SECUNDARIA”
GRUPO ACADÉMICO DE DOCENCIA M EN C. JAVIER ALDECO RAMÍREZ DRA. MARÍA ELENA CASTELLANOS PÁEZ DRA. MARÍA DE JESÚS FERRARA GUERRERO (COORDINADORA) DRA. MARÍA TERESA NÚÑEZ CARDONA BIÓL. RUTH SOTO CASTOR M EN C. ROSARIO VARGAS SOLÍS M EN C. GILBERTO VELA CORREA
ÍNDICE Pág. Introducción ….......................................................................................................................................... 5 Unidad de proceso I…….......................................................................................................................... 7 Unidad de proceso II .............................................................................................................................. 10 Unidad de proceso III ............................................................................................................................. 14 1.
Proyecto de investigación modular …………………………………………………………… 19
2.
Objetivos de la investigación modular ……………………………………………………….. 19
3.
Áreas de estudio ………………………………………………………………………………….. 20
Unidad de proceso 4 .............................................................................................................................. 21 1.
Reporte de Investigación modular …………………………………………………………….. 26
2.
Modalidades de evaluación ……………………………………………………………………… 26
GUÍA MODULAR
Clave: 333004
Trimestre: VII (Obligatorio)
Horas teoría: 15
Créditos: 47
Horas prácticas: 17 Seriación: 333002 y 333003
En este módulo se pretende que el alumno comprenda que los ciclos biogeoquímicos están determinados por el estado actual y los procesos evolutivos de los componentes ambientales, como base para el diagnóstico y manejo de los recursos naturales bióticos. El módulo forma parte al segundo nivel de la carrera: TRONCO BÁSICO PROFESIONAL, correspondiente a los Procesos Biológicos y Ecológicos que comprende tres UEAS seriadas entre sí: CICLOS BIOGEOQUÍMICOS, PRODUCCIÓN PRIMARIA Y PRODUCCIÓN SECUNDARIA
INTRODUCCIÓN Los elementos químicos que integran el medio natural, se han creado a través de una serie de transformaciones acumulativas y evolutivas, proceso que comenzó mucho antes de que el hombre apareciera sobre la Tierra, influyendo sobre la naturaleza y creación de su medio geográfico actual. Los elementos del ambiente que integran la biota, circulan en forma más o menos continua dentro del ecosistema y permiten cumplir con el flujo energético que da permanencia a la biosfera.
El medio natural se compone de diversos fenómenos, que las ciencias geográficas han ordenado de la siguiente manera: relieve, minerales y rocas, clima, agua, atmósfera, tiempo, corteza terrestre y seres vivos. Todos estos factores interactúan simultáneamente, influyendo directa o indirectamente sobre los demás, formando parte de un todo complejo.
Una forma de conocer el ecosistema, es analizando la transferencia de los elementos entre lo vivo y lo inanimado, mediante los procesos conocidos como CICLOS BIOGEOQUÍMICOS. La biogeoquímica es una disciplina científica que pertenece a las Ciencias de la Tierra. El vasto y complejo ordenamiento de los procesos biológicos, geológicos y químicos que comprenden los ciclos biogeoquímicos, que transforman y transportan los elementos a través de varios componentes o esferas de nuestro planeta, mantienen el sistema químico terrestre con un orden de trabajo y determinan la mayor parte de las propiedades químicas y físicas de nuestro medio ambiente global.
Así la biogeoquímica puede definirse como el estudio de la forma en que los seres vivos transforman la superficie de la tierra por una serie de reacciones químicas catalizadas en el contexto de un ciclo, con énfasis en las transferencias de masa y de energía dentro del medio natural. Ésta incluye no solamente aspectos globales, sino también la formación de ciertos depósitos como el carbón, la lignita, el petróleo mineral y ciertos depósitos de azufre y guano. Muchos de los inusuales (pero muy importantes) procesos cualitativos (tales como la transformación de los compuestos del azufre y nitrógeno) son principalmente o exclusivamente mediados por los procariontes. En lo que se refiere a la reducción de dióxido de carbono en carbón orgánico y a los ciclos de los nutrimentos minerales, las plantas tienen una importancia cuantitativa significativa. La biogeoquímica es una parte integral de la ecología que integra los procesos microbianos del suelo, sedimentos y agua. Es la parte de la ecología que interacciona con la mayoría de los aspectos aplicados como son: la ecotoxicología, eutrofización de aguas y productividad del ecosistema desde el punto de vista de su explotación.
Las bacterias no son los únicos organismos involucrados en los procesos de mineralización, pero juegan un papel cuantitativamente dominante y ciertos procesos claves son realizados exclusivamente por tipos bacterianos específicos. Todos los tipos metabólicos conocidos se encuentran representados dentro de las bacterias, igualmente, en completa ausencia de eucariontes (una situación que tal vez prevaleció durante un gran parte de la historia de la Tierra).
El módulo CICLOS BIOGEOQUÍMICOS representa una etapa importante en la formación del biólogo, ya que comprenderá los efectos de la dinámica y evolución de los componentes ambientales, determinados por su naturaleza biogeoquímica, y podrá manejar y optimizar los recursos naturales renovables. Por lo que, es necesario que el alumno que ingrese a este módulo, cuente con conocimientos básicos de química y bioquímica, necesarios para comprender los procesos metabólicos que intervienen en la producción y reciclamiento del carbono y la energía dentro de los ecosistemas. Así como las herramientas estadísticas básicas, conceptos teóricos y prácticos que le permitan distinguir entre las variables bióticas y abióticas, los estadios de los recursos naturales y su evolución.
El lograr alcanzar el objetivo general de esta unidad de enseñanza-aprendizaje, permite que el alumno adquiera los conocimientos para comprender los módulos relacionados con el estudio del flujo energético del ecosistema como son: PRODUCCIÓN PRIMARIA, PRODUCCIÓN SECUNDARIA Y ANÁLISIS DE COMUNIDADES.
Por otra parte, desde el punto de vista práctico para su actividad profesional, el alumno estará capacitado para
realizar estudios sobre la calidad química y biológica de suelos y aguas, ya sea para usos agrícolas, acuícola, forestales, etc.
OBJETO DE TRANSFORMACIÓN: El manejo de los ciclos biogeoquímicos en la optimización de los recursos naturales bióticos. PROBLEMA EJE: ¿Cuáles son los efectos que la alteración del ecosistema causa a la dinámica y evolución de los Ciclos Biogeoquímicos? OBJETIVO GENERAL : Comprender a los Ciclos Biogeoquímicos en función de la evolución de los componentes ambientales que determinan su naturaleza, para el conocimiento y uso optimo de los Recursos Naturales UNIDAD DE PROCESO I
INTRODUCCIÓN
Teniendo en cuenta que la edad aproximada de la Tierra como cuerpo celeste es de unos 4500 millones de años y que las edades de las rocas más antiguas de la corteza terrestre oscilan alrededor de unos 3500 millones de años, la duración del período pregeológico de la evolución de la Tierra se estima en unos 1000 millones de años.
Durante el período pregeológico de la evolución de la Tierra se debieron producir reacciones entre los átomos para producir los primeros elementos químicos como el amoniaco, el metano, los silicatos y los sulfuros. Como consecuencia de estos procesos, el protoplaneta terrestre debió de estar formado por una atmósfera muy distinta a la actual. La hidrosfera se originó a partir del agua desprendida de las rocas del interior de la Tierra, y que
alcanzaba la superficie a través de fenómenos volcánicos. Actualmente, se admite que la hidrosfera ha aumentado progresivamente a través de los tiempos geológicos, pero más que por un incremento de la superficie de los océanos por un aumento de la profundidad de sus cuencas. Respecto al contenido salino de las aguas oceánicas, los geoquímicos sostienen que la mayor parte proviene del interior de la Tierra, llegando a la superficie a través de las erupciones volcánicas. Al principio del período pregeológico de la Tierra, se produjo una diferenciación general de la materia terrestre acumulándose los elementos o sus compuestos más estables, según sus afinidades químicas y según las condiciones de presión y temperatura existentes. Como consecuencia de la diferenciación geoquímica, el planeta adquirió una estructura en capas concéntricas, con los materiales más densos acumulados en las zonas más profundas y los más ligeros progresivamente en capas más externas. La fase final de dicha diferenciación estuvo constituida por la formación de la atmósfera y de la hidrosfera. La presencia de agua líquida a su vez, significa que las condiciones de la Tierra en ese tiempo eran compatibles con la vida que ahora conocemos. Hay evidencias fósiles semejantes a las bacterias, en rocas de 3500 millones de años de edad. Pero en ciertas rocas de esta edad se encuentran abundantes microfósiles estromatolíticos que constan de capas de procariotes filamentosos con sedimentos atrapados. PREGUNTAS CLAVE
¿Qué condiciones tuvieron que prevalecer en la tierra primitiva para favorecer la síntesis orgánica y la evolución biológica? ¿Qué metabolismo pudieron tener los primeros organismos vivos? ¿Cómo se llevó a cabo la evolución de los catalizadores proteicos para obtener una mayor eficiencia celular?
RUTA TEMÁTICA Objetivos parciales
Que el alumno comprenda la evolución de los elementos como parte de la geoquímica y la interrelación de los ciclos biogeoquímicos dentro de la evolución del ecosistema.
Contenidos sintéticos
Estrategias de enseñanza-aprendizaje
Origen de los elementos: teorías sobre
el origen del Universo
Evolución
de
Apoyo de taller de química (una semana).
los
de
transformación de los elementos y
Visita al planetario del IPN
causas que lo originan
Proyección de la película sobre el Big-
Teorías del origen de la vida; evolución orgánicas
y
su
integración
Bang
para
vivos
Elaboración de un diagrama sobre los eventos evolutivos discutidos en clase,
constituir la diversidad de los seres
en la escala de tiempo.
Seminarios y discusión de los mismos, en clase.
CONTENIDOS ACADÉMICOS
básicos
química.
elementos;
de las moléculas de inorgánicas a
Tiempo dedicado a esta Unidad: 1 semana
Conceptos
1.
Historia de la Tierra y origen de la vida 1.1.
Geoquímica histórica 1.1.2.
Origen de la Tierra. Teoría del Big-Bang.
1.1.3.
Composición de la Tierra. Evolución de los elementos y causas que los originan.
1.1.3.1.
Origen de los elementos, diversidad de los elementos.
1.1.3.2.
Evolución de los elementos a moléculas
1.1.4.
Historia antigua
1.1.4.1.
1.2.
Eras geológicas.
1.1.5.
Historia moderna de la geoquímica
1.1.6.
Historia de la atmósfera
1.1.7.
Historia del agua de mar
Origen de la vida y su primera etapa de evolución 1.2.1. Evolución de las moléculas inorgánicas e inorgánicas 1.2.1.1. Los primeros procariotes 1.2.1.2. Los primeros fermentadores 1.2.1.3. El oxígeno producido por los fotótrofos.
LECTURAS OBLIGATORIAS PROPUESTAS:
Dickerson, R.E. 1978. La evolución química y el origen de la vida. p. 29-48. En Evolución . Scientific American. Prensa Científica, New York. Gill, R. 1994. Los elementos en el universo. p. 253-255. En Chemical fundaments of geology. Ed. Unwind Hyman Ltd. Ingmanson, D.E. y W.J. Walace. 1994. Oceanography. 5ª. Ed. International Thomson, Pub. Co. New York. p. 35-108; 225-258. The origen of the earth, ocean, life. Kraukopf, K.B. y D.K. Berd. 1995. Historical Geochemestry. p. 559-584. En Introduction to geochemistry. 3th. Ed. McGraw-Hill Inc., New York, Toronto.
Lemley, B. 2000. La gran adivinanza de Guth. ¿De dónde partió todo lo que existe?. Discover en español. pag. 25-31 Maden, E;H. 1995. No soup de starts? Autotrophy and the origins of metabolism. TIBS 20: 337-341; 532-783
LECTURAS COMPLEMENTARIAS Artis, M., M. Casanueva y N. Chávez. 1983. El Origen del Universo. p. 15-37. En Homenaje a Oparin. Serie Correspondencia, UNAM, México. Bremen M.H. y G. Cano-Cano. 1997. El Universo y la Tierra. Orígenes y Estructura. p. 3-21. En Enkerlin, E. C., G. Cano, R.A. Garza y E. Vogel (eds). Ciencia Ambiental y Desarrollo Sostenible. Internacional Thomson Editores. México, Cambridge. Herrera, M. 1990. El futuro del Universo. Información Científica y Tecnológica. Vol. 12. Núm. 162. p. 42-46. Mendoza, B. 1990. El Origen del Sistema Solar. Rev. Universo, Inst. Geofisica UNAM. 31-51 Negron-Mendoza, A. 1983. Tierra Primitiva y Síntesis Abiótica. P. 63-72. En Homenaje a Oparin. Serie Correspondencia, UNAM, México.
Cohen-Fleischmann, H. 1990. Síntesis Prebiótica de Polímeros: Un Posible Mecanismo. P.73-89 En Homenaje a Oparin. Serie Correspondencia, UNAM, México. Hopkin, M. 2004. Did volcanoes help create life?. News Nature, Octubre 2004:1-3
UNIDAD DE PROCESO II
INTRODUCCIÓN La geomicrobiología estudia el papel que jugaron y que juegan los microorganismos en un número de procesos geológicos fundamentales: por ejemplo en la transformación de las rocas, en la formación de los suelos y sedimentos, en la génesis y degradación de los minerales y en la génesis y degradación de los energéticos fósiles.
Algunas de las contribuciones de la geomicrobiología es el estudio de la intervención de las bacterias en la formación de depósitos minerales , por ejemplo Gallionella ferruginea con los depósitos profundos ocres de hierro, la acción de Beggiotoa sobre la oxidación del H2S para la formación de azufre elemental, Leptothryx ochrocea sobre la oxidación del FeCO3 hasta óxido férrico, y ambos organismos ganan energía a través de este proceso. Igual que la participación microbiana se hace evidente en los depósitos de azufre, esta existe en los de carbonatos de calcio, en la oxidación y precipitación del manganeso.
Generalmente, la atención se fija en los cambios químicos que se están llevando a cabo en la corteza terrestre ya que ésta es la parte en la cual los procesos geológicos más comunes se llevan a cabo y se llevaron a cabo en el pasado. Pero desde un punto de vista global, la corteza terrestre parece ser poco significativa. A una escala cósmica, ésta no es más que una capa delgada de un planeta pequeño, uno de los múltiples planetas que rodean a una estrella, la cual a su turno, es uno de los billones de objetos que se encuentran en el Universo.
Es necesario que se dirijan los esfuerzos al estudio de los fluidos, rocas y materia orgánica de la corteza terrestre y considerar la química a una amplia escala, por lo que en esta Unidad se observarán las relaciones químicas entre la corteza y el total de la masa situada por debajo de la corteza, del planeta. Muchos de los hechos pertinentes serán extraídos de la geología clásica y la química. Para responder todas las preguntas que podrían ser de interés sobre las partes oscuras de la geoquímica de la corteza, se necesita depender de las especulaciones imaginativas para llenar esos enormes huecos que existen entre los hechos bien establecidos, por lo que la cosmoquímica nos permitirá hacer un buen ejercicio de imaginación. Hay también procesos geofísicos, atmosféricos e hidrosféricos que causan el movimiento de los elementos de una localidad física a otra. En la mayoría de los casos estos dos tipos de transformaciones – químicas y físicas – están muy acoplados. Para ayudarnos a entender estos acoplamientos cercanos entre las transformaciones químicas y la transportación físicas en los ciclos biogeoquímicos, se necesita primero desarrollar un trabajo sobre el conocimiento de los varios tipos de ambientes físicos y químicos que se encuentran en la tierra.
Es posible observar, que la tierra no es un cuerpo homogéneo, sino que está compuesto de diferentes dominios que se distinguen por sus diferentes propiedades físicas y químicas. En un nivel muy obvio, la tierra se puede dividir en tres dominios: la atmósfera, el océano y la parte sólida de la tierra. En el caso específico de este módulo, se dividirá al planeta en 4 dominios o esferas: la atmósfera, la hidrosfera, la litosfera y la biosfera.
PREGUNTAS CLAVE ¿Los cambios de la naturaleza química de las rocas están relacionados con los cambios a largo plazo de la atmósfera y de los océanos? ¿Influye en algo la distribución desigual de la superficie oceánica y continental?
¿Cómo se ubica la posición de un ecosistema sobre la corteza terrestre? ¿Está siempre la corteza terrestre en la misma posición?, ¿Cuáles son las consecuencias de su desplazamiento?
RUTA TEMÁTICA Objetivos parciales -Que el alumno identifique la relación de los ciclos con las variantes espacio temporales de los componentes abióticos del ecosistema - Que el alumno identifique las diferentes dinámicas de los ciclos biogeoquímicos en el funcionamiento de los ecosistemas
Contenidos sintéticos
Estrategias de enseñanza-aprendizaje
Origen y distribución de los compuestos químicos
asimilables
para
los
cartografía, percepción remota y
organismos en la litosfera, hidrosfera y atmósfera (orgánicos e inorgánicos)
Apoyo de taller Análisis espacial: sistemas de información geográfica.
Conferencia de apoyo sobre tectónica de placas y clima
Seminarios y discusión de los mismos, en clase.
Seminario de investigación sobre los fenómenos del Niño y la Niña.
Visita a los Institutos de Geología y de Ciencias de la Atmósfera de la UNAM
Tiempo dedicado a esta Unidad: 2 semanas
CONTENIDOS ACADÉMICOS
2.1. Fases ambientales 2.1.1 La litosfera. Composición de rocas y minerales que intervienen en la nutrición vegetal y animal. 2.1.1.1 Sedimentos carbonatados. 2.1.1.2. Sedimentos silicios 2.1.1.3. Sedimentos ferrosos. 2.1.1.4. Sedimentos fosfatados. 2.1.1.5. Sedimentos manganosos 3. Diagénesis 2.2. Deriva continental y tectónica de placas. 2.3 La hidrosfera (composición y flujos de materia y energía) 2.3.1 Ríos, lagos, lagunas costeras, mares. (ambientes oceánicos y neríticos), fosas. 2.4. La atmósfera (composición, flujo de materia y energía) 2.4.1. El clima, fenómenos del Niño y de la Niña. 2.4.2. Circulación de los océanos.
LECTURAS OBLIGATORIAS PROPUESTAS:
Aguirre-Gómez, R. 2002. Los mares mexicanos a través de la percepción remota III.I. Ed. del Instituto de Geografía, UNAM. 95 pp. Becerra, M. A., 1997. Erosión de suelos. Apuntes de la 1ra. parte del curso "Conservación de Suelos". Ed. Depto. de Suelos, Universidad Autónoma Chapingo. México. 110p. Chameides, W. L. y Perdue E. M. 1997. Biogeochemical cycles. An computer-interactive study of earth system science and global change. Cap. 3, pag .4155; Cap. 3, incisos 3.4, 3.5 y 3.6 (pag 55-75) Duchaufour, P. H., 1984. "Edafología/1. Edafogénesis y Clasificación". Ed. Masson, S.A. Barcelona, España. 493 p. Eller, J.M., P. Schiano, N. Kitchen y E.M. Stolper. 2000. Oxygen-isotope evidence for recycled crust in the sources of mid-ocean-ridges basalts. Nature 403:530-534 FitzPatrick, E. A., 1993. Suelos: su formación, clasificación y distribución. Ed. CECSA México. 430 p. Krauskop, K. B. y D. Bird, D. 1995. Sedimentation and Diagenesis Inorganic Geochemistry. p. 356-383. .En Introduction to geochemestry. Cap. 14. McGraw-Hill Intetrnational Edition. New York Ingmanson, D.E. y W.J. Wallace W.J. 1994. Oceanography. Cap. 7, The Chemical Properties of Water. p. 95-108; Cap. 4: Ocean Basins and Sediments, p. 52-67; Cap. 5: Plate Tectonics, p. 68-81; Cap. 30: Coastal Processes and Estuaries, p. 228-266;
LECTURAS COMPLEMENTARIAS:
Gavande, A. S., 1987 .Física de suelos: principios y aplicaciones. Ed. Trillas. México. p. 245-256. Lira, J. 1997. La percepción remota. Nuestros ojos desde el espacio. Serie Ciencia para todos. No. 33. Fondo de Cultura Económica, México, D.F. 152 pp. Paul, E.A. y F.E. Clark. 1989. Soil microbiology and biochemestry . Acedemic Press, New York (cap. 13, pag. 233-249) Riley, J.P. y R. Chester. 1989. Introducción a la química marina. AGT Editor, S.A. México.459 pp. Spiro G.T. y W.M. Stigliani. 2003. Química medioambiental. Pearson, Prantice may. Madrid, México. (cap. 10, pag. 259-271)
PROYECTO DE INVESTIGACIÓN MODULAR
Esta Unidad permite iniciar al estudiante en el manejo de algunos de los conceptos que serán necesarios para la identificación y análisis de los sedimentos o suelos que serán analizados en los diferentes ecosistemas de estudiados, durante su investigación modular. Identificar los desechos del intemperismo, la clasificación de los materiales que constituyen los suelos y los sedimentos y su relación con procesos vitales de plantas y animales. Se enfatizará sobre los procesos químicos y bioquímicos que intervienen en la formación los sedimentos y los suelos
UNIDAD DE PROCESO III INTRODUCCIÓN
El ambiente en que vivimos está determinado en gran medida, por la actividad de los microorganismos que interactúan entre sí y con su entorno. Es obvio, que la actividad de los microorganismos tiene un papel muy importante en el mantenimiento de las condiciones adecuadas para otras formas de vida en el planeta. Por lo que es de gran interés, entender la reacción de los microorganismos en el ambiente. El papel de los microorganismos en el suministro de nutrimentos inorgánicos con una equivalencia química apropiada para que sean asimilados por las plantas superiores, a través del ciclo del nitrógeno y del azufre, es bien conocido.
De hecho en la mayoría de los ecosistemas, gran parte de la producción orgánica no es consumida y utilizada por los herbívoros o por los carnívoros, sino que se integra en un depósito de materia orgánica muerta (detritus).Para el equilibrio continuo de la biosfera, es necesario que dichos depósitos se mantengan en estado de equilibrio. Los animales de todos los niveles tróficos necesitan que la proporción C:N en su dieta sea inferior a 17, mientras que los tejidos leñosos de las macrofitas poseen una relación C:N muy superior (≈200:1) a la del fitoplancton (≈20:1). La descomposición bacteriana de estos materiales perdurables es menos limitada por el tipo de nitrógeno disponible y, por lo tanto, es esencial para un ciclo del carbono equilibrado. Otra ventaja de la actividad microbiana, es que ésta se convierte en parte de los detritus (C:N ≈ 6:1 – 12:1), incrementando el valor nutritivo para los herbívoros. La respiración vía ciclo del azufre, es responsable de aproximadamente el 50% de la oxidación total de la materia orgánica en algunos ecosistemas marinos, y la utilización del CO2 como receptor de electrones por parte de las bacterias metanogénicas, determina un efecto intenso en la oxidación global del material orgánico en ambientes anóxicos.
Por consiguiente, varias rutas de transformación mediadas por microorganismos se integran a las rutas complicadas y a veces no son muy evidentes, para el tratamiento del ambiente
PREGUNTAS CLAVE
¿Cuáles son los efectos de los seres vivos sobre la química de la Tierra? ¿Por qué se necesita el poder reductor para el crecimiento autótrofo? ¿Cuáles son las estrategias de producción de energía en los organismos heterótrofos y quimiolitótrofos? ¿Cómo intervienen los microorganismos en la recirculación de los nutrimentos a través de la atmósfera, litosfera e hidrosfera? ¿Cómo impacta la actividad antropogénica la química global del ambiente?
RUTA TEMÁTICA Objetivos parciales -Que el alumno comprenda la intervención de los microorganismos como agentes determinantes de los procesos de óxidoreducción como mecanismos responsables
Contenidos sintéticos
Estrategias de enseñanza-aprendizaje
Bioenergética:
relación
entre
los
potenciales
REDOX
y
las
Seminarios a partir de las lecturas básicas y discusión de los mismos, en
de los ciclos biogeoquímicos.
transformaciones microbianas por las
- Que el alumno comprenda a los ciclos biogeoquímicos como un enfoque del estudio de los ecosistemas y como herramienta para su manejo
que
se
dan
los
fenómenos
clase.
concatenados que determinan a los
y de la energía a través de la trama
ciclos
trófica en un ecosistema estratificado.
biogeoquímicos,
bajo
las
características particulares de cada
Apoyo de bioestadística
ambiente
Organización
Análisis
de
biogeoquímicos, características
modelos
de
ciclos
considerando distintivas
sus
físicas,
Composición y flujo de materia en la Flujo de los nutrimentos a través de la
con
Revisión por internet de los conceptos estudiados
Exposición sobre flujo de la materia en los tres ambientes estudiados
trama trófica
Recopilación y revisión bibliográfica actualizada sobre un tema de interés.
Visita al Acuario de Veracruz
Tiempo dedicado a esta Unidad: 4 semanas CONTENIDOS ACADÉMICOS
3.1 Procesos de producción de energía 3.1.1
seminarios
la licenciatura.
litosfera, hidrosfera y atmósfera
de
profesores invitados y/o exalumnos de
químicas y biológicas.
Realizar un modelo de flujo del carbono
Membranas celulares. Estructura, función y tipo.
3.1.2. Transporte de moléculas, osmosis, difusión, transporte activo, quimio-osmosis, transporte de grupo.
3.2. Reacciones fotótrofas de óxido-reducción 3.2.1. La fotosíntesis oxigénica 3.2.2. La fotosíntesis anoxigénica 3.3. Reacciones quimiotrófas de óxido-reducción 3.3.1. La fermentación 3.3.2. La respiración aeróbica y anaeróbica 3.3.2.1 Respiración del O2 3.3.2.2 Respiración del NO3 3.3.2.3 Respiración del SO4 3.3.2.4 Respiración del CO2
3.4. El papel de los microorganismos en los ciclos de transformación de la materia. 3.4.1. Ciclo del Carbono 3.4.1.1. Ciclo del Carbono en un ambiente aeróbico 3.4.1.2. Ciclo del Carbono en un ambiente anaerobio 3.4.2. Ciclo de los nutrimentos minerales 3.4.3. Ciclo del Nitrógeno 3.4.3.1. Liberación y reincorporación de amonio.
3.4.3.2. Nitrificación 3.4.3.3. Nitratorreducción disimilatoria 3.4.3.4. Fijación del nitrógeno. 3.4.4. Ciclo del Azufre 3.4.4.1. Reducción asimilativa y disimilatoria 3.4.4.2. Oxidación fotótrofa del Azufre 3.4.4.3. Oxidación quimiotrofa del Azufre 3.4.4.4. Reciclamiento del Azufre. 3.5. Ciclo del Fósforo 3.6. Otros elementos 3.6.2. Ciclo del Hierro 3.6.3. Ciclo del Manganeso 3.6.4. Ciclo del Sílice 3.6.5. Ciclo del Calcio Distribución de los elementos en los ambientes terrestres y acuáticos. Estratificación 3.7. Flujo de nutrimentos a través de la rama trófica 3.8. Impacto ambiental Trabajo de investigación bibliográfica actualizada (últimos 5 años)
LECTURAS OBLIGATORIAS PROPUESTAS:
Atlas, R. M. y R. Bartha. 1992. Chemical Cycling : Nitrogen, sulfur, phosphorus, iron and other elements. p. 314-341. En Microbial Ecology. Fundamentals and applications. The Benjamin/Cummings Publishing Co. Inc. London, New York Bohn, L. H., 1993. Química del suelo. Ed. Limusa. México. Dubroeucq, D., Geissert, D and Quantin, P., 1998. Weathering and soil forming processes under semi-arid conditions in two mexican volcanic ash soils. Ed. Elseivier. Geoderma (86) p. 99-122. Madigan, M.T., J.M. Martenko y J. Parker. 2000. Biología de los microorganismos. Prentice Hall, Madrid, México. p.121-161 ;474-529 ; 561-603 ; 606-618 Paul, E.A. y F:E: Clark. 1989. Soil Microbiology and Biochemistry: Academic Press. New York. 273 pp. Capítulo 13, pag. 233-249 Randall, D., W. Burgren y K, French. 1998. Eckert, Fisiología Animal. Mecanismos y Adaptaciones. 4° ed. Mc Graw-Hill-Interamericana, Madrid. p. 101-135 Riley, J.P. y R. Chester. 1989. Introducción a la Química Marina. AGT. Editores, S.A. p. 154-180. Torres-Alvarado, R., F. Gutiérrez-Mendieta y F. Contreras-Espinosa. 2001. Degradación microbiana del detritus en ecosistemas estuarino-lagunares. Contactos 39:43-54 Zehr, J.P. y B.B. Ward. 2002. Nitrogen cycling in the ocean: New perspectives on processes and paradigms. Appl. envirn. Microbiol. 68 (3):1015-1024
LECTURAS COMPLEMENTARIAS
De las Salas, G., 1987. Suelos y ecosistemas forestales/con énfasis en América tropical. Ed. IICA. San José de Costa Rica. 387p. Dinel H., Mehuyus, G.R. and Lévesque, M., 1991. Influence of humic and fibrics materials on the aggregation and aggregate stability of lacustrine silty clay. Soil Science 151: p: 146-158. Hochachka, P. W. y G. N. Somero. 1973. Strategies of biochemical adaptation. W.B. Saunders Co. Philadelphia, London. 357 pp. Gordon, R.G. 2000. The Antartic connection. Nature 409:139-140 Le Gal. Y. 1988. Biochimie Marine. Masson, Paris. pag. 16-22 Pelmont, J. 1993. Conversions énergétiques. Ch. 8. p.177-261. En Bacteries et environment adaptations physiologiques. Editions de l’Université Joseph Fourie. Grenoble, Francia. Peplow, M. 2004. Hydrogen economy looks out of reach. News Nature, 7 octubre 2004, 1-3 pp. Schlesinger, W.H. 1992. Processes and reactions. p. 4-17. En Biogeochemistry. An analysis of global change. 2a. ed. Academic Press. New York. Spiro G.T. y W.M. Stigliani. 2003. Química medioambiental. Pearson, Prantice may. Madrid, México. (cap. 12, pag. 289-312)
PROYECTO DE INVESTIGACIÓN MODULAR
Durante el desarrollo de esta Unidad se discutirán los fundamentos de la investigación modular y el alumno será introducido a los procesos biogeoquímicos de los elementos mayores, responsables de los procesos de nutrición del suelo o columna de agua de los diferentes ecosistemas estudiados, así como la influencia de algunas variables ambientales sobre la distribución y actividad de la flora y fauna responsables del reciclamiento de la materia y energía en los ecosistemas, de manera que sea capaz de plantear los objetivos e hipótesis de trabajo de su investigación modular.
El estudiante desarrollará cada uno de los objetivos planteados para la investigación modular. Objetivos de la Investigación modular
- Determinar el papel que juegan los diferentes grupos funcionales de bacterias en los ciclos biogeoquímicos de Carbono, Nitrógeno y Azufre, en los diferentes biotopos de ecosistemas acuáticos.
- Cuantificar los recursos edáficos respecto a los nutrimentos disponibles, a la incorporación de la materia orgánica y su reciclamiento en los sistemas modificados, con el fin de caracterizar, diagnosticar y manejar las áreas forestales y agrícolas sujetas a degradación y contaminación}
- Dinámica del proceso erosivo, erodabilidad, rehabilitación y conservación de suelos. - Caracterización de unidades de suelo y su relación ecológica con la vegetación. - Caracterización edafoecológica de las diferentes fases de los procesos de génesis, morfología y clasificación de suelos.
Áreas de estudio
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Canales de la zona Chinampera del Lago de Xochimilco, D. F. (CIBAC)
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Lago de Catemaco, Veracruz
-
Laguna de Mandinga, veracruz
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Laguna de Chautengo, Guerrero
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Laguna de Coyuca de Benítez, Guerrero
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Laguna de Tampamachoco, Veracruz
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Laguna de Mandinga, Veracruz
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Laguna de Sontecomapan, Veracruz
-
Sierra de Guadalupe, Edo. de Méxido
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Sierra del Chichinautzin, D.F.
-
San Juan Tetla, Pue. (Sierra Nevada)
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Minas y formaciones geológicas del Estado de Hidalgo, Pachuca,
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San Miguel Regla etc.
UNIDAD DE PROCESO IV INTRODUCCIÓN
Esta unidad está dedicada esencialmente, a la descripción físico-química del medio acuático o terrestre, a la química y a la biogeoquímica del carbono, nitrógeno y azufre, en interacción con el sedimento y la biosfera acuática y terrestre.
En un primer momento se tratarán nociones generales de la estructura del agua y de los suelos, así como su composición química, (Unidad de Proceso II) , sobre el concepto y medida de la salinidad y el oxígeno disuelto; y en un segundo momento, se revisarán las reacciones clásicas de óxido-reducción, ya que el hecho de que muchos de los sistemas oxido-reductores del medio natural no son reversibles, nos obliga a tener prudencia en cuanto a las predicciones que pueden hacerse sobre la progresión de las reacciones que se están llevando acabo en ellos.
Una gran parte de esta Unidad está consagrada a la determinación del oxígeno disuelto, ya que éste es considerado, tanto para las aguas marinas como para las continentales, una de las variables ecológicas de mayor importancia. Finalmente, se examinarán las formas químicas bajo las cuales están presentes el nitrógeno, el azufre, el fósforo y el sílice en los cuerpos de agua, sedimentos y en los suelos, su abundancia, sus interacciones con la biosfera, su equilibrio y sus transformaciones por mediación bacteriana, entre las diferentes formas.
Igualmente, se introducirá al estudiante en la utilización de las herramientas estadísticas, matemáticas y paqueterias necesarias para el análisis e integración de los resultados obtenidos durante su investigación modular.
PREGUNTAS CLAVE ¿Cuáles son las técnicas y métodos más adecuados para caracterizar los diferentes suelos y sedimentos? ¿Cuáles son las técnicas, métodos y modelos para la interpretación de distintas áreas geográficas y/o biotopos naturales? ¿Cuáles son las técnicas y métodos que permiten identificar los procesos y transformaciones geoquímicas que realizan las diferentes comunidades microbianas y cuál es su relación con las variables bióticas y abióticas en el ecosistema? ¿Cuáles son los métodos estadísticos adecuados para el análisis de los ciclos biogeoquímicos, considerando sus características particulares físicas, químicas y biológicas?.
RUTA TEMÁTICA Objetivos parciales
Contenidos sintéticos
Estrategias de enseñanza-aprendizaje
-Que el alumno diseñe muestreos y aplique herramientas y métodos para medir las características que presentan los ciclos biogeoquímicos en los ecosistemas.
-Que el alumno organice y procese información para describir, representar e interpretar los ciclos biogeoquímicos en el área de estudio.
básicas y discusión de los mismos, en
ecosistema
clase.
Métodos de análisis estadístico: análisis
Manejo de paqueterías para el análisis estadístico.
espacial:
Salida al área de estudio
cartografía, aerofotografía y sistemas
Sesiones
Métodos
de
análisis
de información geográfica.
Seminarios a partir de las lecturas
los elementos que conforman el
de correlación y análisis multivariado.
-Que el alumno maneje la estadística descriptiva, así como el análisis de correlación y multivariado. -Que el alumno fundamente propuestas alternativas para el manejo de los recursos naturales renovables, a través de la manipulación de los ciclos biogeoquímicos.
Métodos de análisis y diagnóstico de
Deterioro
ambiental:
laboratorio
para
el
aprendizaje y aplicación de técnicas de causas
ambientales, antrópicas y su prevención
análisis químicos y biológicos.
y control a través del manejo de los ciclos biogeoquímicos.
de
Visita al museo de vulcanología de Amecameca.
Utilizar una carta topográfica escala 1:50,000 de cualquier sitio de la Republica Mexicana. Una regla o escalímetro y calculadora. Esto es con el objeto de realizar algunos ejercicios en el salón de clases.
Uso de diversas técnicas fotográficas, cartográficas y de laboratorio para el análisis, interpretación y cuantificación de las interacciones entre las variables abióticas y bióticas.
Tiempo dedicado a esta Unidad: 1 semana de campo, 3 semanas alternando horas de laboratorio y de teoría.
CONTENIDOS ACADÉMICOS
4.
Análisis espacial: cartografía, percepción remota y sistemas de información geográfica. 4.1 Introducción al análisis espacial 4.2 Fuentes de información 4.3 Cartografía 4.4 Elementos básicos para la elaboración de mapas 4.4.1 Escalas 4.4.2. Proyecciones cartográficas 4.4.3 Sistemas de coordenadas 4.5 Percepción remota 4.5.1 Conceptos y fundamentos de percepción remota 4.5.2 Fotografía aérea 4.6 Sistemas de información geográfica 4.6.1 Conceptos básicos
4.6.2 Componentes de los SIG 4.6.3 Análisis espacial 4.6.4 Análisis de redes 4.6.5 Interpolación espacial 4.7 Métodos y técnicas para estimar las concentraciones de los principales nutrimentos en los ecosistemas acuáticos y terrestres. 4.7.1 Métodos y técnicas para estimar la concentración de nutrimentos inorgánicos (O2, NO3-, NO2-, NH4+, PO42-, SiO3, entre otros) y orgánicos (carbón orgánico), en la columna de agua, en los sedimentos y en los suelos. 4.7.2 Métodos para estimar la actividad microbiana autótrofa, heterótrofa y quimiolitotrófa. 4.7.3 Fundamentos, ventajas y desventajas de los diferentes métodos y técnicas utilizados. 4.8. Métodos estadísticos de análisis de los resultados generados en la investigación modular. 4.8.1
Organización y procesamiento de la información para describir, representar e interpretar llos ciclos biogeoquímicos en el área de estudio.
4.9
Manejo de la estadística descriptiva, así como el análisis de correlación y multivariado. 4.9.1
Análisis de modelos de ciclos biogeoquímicos, considerando sus características distintivas, físicas, químicas y biológicas (modelos de caja y coeficiente de transferencia).
4.9.2
Métodos de análisis estadístico: análisis de correlación y análisis multivariado.
LECTURAS OBLIGATORIAS PROPUESTAS:
APHA, WEF y WWA. 1995. Standards methods for the examination of water and wastewater. 19 ed. American Public Health Association, Inc. Washington. 110 pp. Aminot, A. Y M. Chaussepied. 1983. Manual des analices chimiques en milieu marin. CNEXO, Brest, Francia. 395 pp. Chuvieco, E. y Salas, J. 1993. Los SIG en el análisis y gestión del medio ambiente. Catastro, octubre: 61 – 72. FAO, 1989. Mapa mundial de suelos, leyenda revisada. UNESCO, Roma Informe sobre Recursos Naturales de Suelos 60. Gomarasca, M. A. y Lechi, G. M. 1990. Fundamentals of Remote Sensing. En FAO. Remote Sensing Applications to Land Resources. Rome, Italy. Gutiérrez, J. y Gould, M. 1994. SIG, sistema de información geográfica. Ed. Síntesis, 13 – 19. Madrid, España. Jackson, L. M. Análisis químico de suelos. Ed. Omega. Madrid, España. Klute, A. (ed), 1986. Physical and mineralogical methods. American Society of Agronomy and Soil Science Society of America. Madison, Wis. 1188 pp. Lira, J. 1997. La percepción remota. Nuestros ojos desde el espacio. Serie Ciencia para todos. No. 33. Fondo de Cultura Económica, México, D.F. 152 pp. Navarro B. S. y Gines N. G., 2000. Química agrícola: El suelo y los elementos químicos esenciales para la vida vegetal. Ediciones Mundi-Prensa. Madrid, España. 488pp. Pietro D. 1990. Photointerpretation Criteria for Land – Resources Studies. En FAO. Remote Sensing Applications to Land Resources. Rome, Italy. Quirino-Barreda, C.T. 1989. Introducción al manejo estadístico de datos, la práctica de análisis farmacéutico. Serie de cuadernos de formación de profesores. No. 7. UAM-X, México, D.F. 704 pp. Rodríguez F. H. y Rodríguez A. J., 2002. Métodos de análisis de suelos y plantas: Criterios de Interpretación. Ed. Trilas. México196p
Roldán, A. I. E., Binqüist, C. G. S., Bernal, B. A. Chávez, C. M. M. y Ortega, H. M. S. 2001. Sistemas de información geográfica aplicados al manejo de los recursos naturales. (manuscrito). Siebe C., Jahn R y Stahr K., 1996. Manual para la descripción y evaluación ecológica de suelos en el campo. Publicación Especial No. 4. Ed. Sociedad Mexicana de la Ciencia del Suelo, A.C. Chapingo, México. 55p. Snedecor, G.W. y W.G. Cochran, 1971. Métodos estadísticos. Ed. CECSA, México, D.F. 704 pp. Strickland, J.D.H. y T.R. Parson. 1990. Practical handbook of seawater analysis. Fisheries Research Board. Ottawa, Canada.
LECTURAS COMPLEMENTARIAS Contreras, E.F. 1990. Manual de técnicas hidrobiológicas. Ed. Porrua, México. Cornellius, S., Heywood, I. y Trod, N. 2001. Modulo 4: Operaciones de Análisis Espacial. Master Internacional a Distancia en Sistemas de Información Geográfica. UNIGÍS – Universidad de Girona, España. 3ª ed. Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación (FAO), 1999. Base referencial mundial del recurso suelo. Informes sobre recursos mundiales de suelos No. 84. Ed. Sociedad Internacional de las Ciencias del Suelo (SICS), Centro Internacional de Referencia e Información en Suelos (ISRIC) y la Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación (FAO). Roma, Italia. 94 p. Gama, C. J. E., Palacios, M. S. y Villegas, S. M., 1990. Evaluación de la hidroerosión en la provincia de la Sierra Madre del Sur-Sistema Terrestre Tepetzingo, Estado de Morelos. p. 65-91. En Contribuciones a la Edafología Mexicana. Ed. Instituto de Geología, UNAM. México.
Gomarasca, M. A. y Lechi, G. M. 1990. Fundamentals of remote sensing. En: FAO. remote sensing applications to land resources. Rome, Italy. Johnson, A.C. 1998. Geographic informations systems in ecology. Blackwell Sciences. Ltd., Amsterdam, 318 pp. Lal, R., 1988. Erodibility and erosivity. In Soil erosion research methods. Ed. R. Lal. Netherlands. p.141-162. Lillesand, M. T y Kiefer, W. R. 1979. Remote Sensing And Image Interpretation. John Wiley & Sons. New York, USA. Madrigal, H. S. y Ramírez, M. H., 1996. Las propiedades edáficas en la determinación del índice de sitio para dos especies de pino en Uruapan, Michoacán. Ed. INIFAP. Ciencia Forestal en México Vol. 21 (Enero-Junio) Núm. 79 p. 3-14. Shoji S, Nanzyo M and Dahlgren R.A.., 1993 Volcanic ash soils/genesis, propierties and utilization. Developments in Soil Science 21. Ed. Elseivier, Netherlands. 263 p. Soil Survey Staff, 1990. Keys to soil taxonomy. SMSS, New York, USA. Tricart, J. y Kilian, J., 1982. "La Eco-geografía y la Ordenación del Medio Natural". Ed. Editorial Anagrama, Barcelona, España. 288
REPORTE DE INVESTIGACIÓN MODULAR
En esta Unidad que no necesariamente es la última en ser revisada, ya que por sus contenidos académicos está relacionada estrechamente con las Unidades II y III, se discuten los principios de los métodos y técnicas químicas y biológicas, así como las herramientas estadísticas que serán utilizadas para la evaluación del ecosistema que será estudiado. Se elaborará un cartel y/o un reporte con los resultados de la investigación modular y el análisis del estado del recurso estudiado; se hará una presentación oral de los resultados ante el grupo y profesores invitados.
MODALIDADES DE EVALUACIÓN
GLOBAL: se llevará a cabo a través de evaluaciones periódicas y terminales tomando en cuenta: -
Participación en grupo
5%
-
Trabajo de campo y laboratorio
15%
-
Informe final de investigación
35%
-
Contenidos teóricos
45%
Para acreditar la u.e.a. el alumno deberá tener calificación aprobatoria en todos los rubros
RECUPERACIÓN: Haber acreditado el trabajo de investigación modular. Examen escrito sobre los contenidos del módulo y el trabajo de investigación modular (100%). Si la calificación es menor a 6.0, ésta será NA.
