PRACTICA PROCESOS 2 Fin

 

 

MODELACIÓN AMBIENTAL UTILIZANDO HERRAMIENTAS DE BALANCE DE MATERIA EN RÉGIMEN NO ESTACIONARIO (ENE) Caso: Fotosíntesis y productividad primaria en E lod lodea ea sp. RESUMEN El presente informe pretende en en práctica la interpretación, análisis y evaluación del comportamiento de un factor poner biótico un sistema ambiental cerrado, diferenciando el  proceso en una primera fase la cual será luminosa esta depende de la luz solar y convierte esta energía lumínica en energía química en forma de ATP y NADH, en la segunda fase denominada fase oscura utiliza la energía química obtenida en la fase luminosa y el CO2 obtenido del aire; también se describirá el comportamiento de un sistema ambiental en el fenómeno de la fotosíntesis de plantas acuáticas fototroficas en un sistema ambiental cerrado. El uso de balance de materia medirá la capacidad, habilidad y destreza de modelar matemáticamente un sistema en estado no estacionario (ENE) además de la habilidad en la utilización de herramientas computacionales como la hoja de cálculo MSExcel. Palabras clave: Balance de materia, fotosíntesis, productividad, dióxido de carbono, radiación electromagnética, análisis.

ABSTRACT The present report intends to put into practice the interpretation, analysis and evaluation of the behavior of a biotic factor in a closed environmental system, differentiating the process in a first phase which will be luminous this depends on sunlight and converts this light energy into chemical energy In the form of ATP and NADH, in the second phase called the dark  phase uses the chemical energy obtained ob tained in the luminous phase and the CO2 obtained o btained from the air; The behavior of an environmental system in the phenomenon of photosynthesis of  phototrophic aquatic plants in a closed environmental sy system stem will also be described. The use of material balance will measure the ability, ability and ability to mathematically model a non-steady state (ENE) system in addition to the ability to use computational tools such as the MS-Excel spreadsheet.

Keywords: Balance of matter, photosynthesis, productivity, carbon dioxide, luminous phase, dark phase.

 

 

INTRODUCCIÓN La tierra y los ecosistemas son la principal fuente de materia aprovechada por el hombre. El sol es la fuente principal de energía para que esos ecosistemas sean productivos, es así que con la ayuda de la fotosíntesis se puede lograr esto. La fotosíntesis es definida como un  proceso en virtud del cual los organismos o rganismos con clorofila, como las plantas verdes, las algas y algunas energía se en trata forma y la transforman energía química decir es bacterias, un procesocapturan físico-químico, dede unluz proceso fundamentalenpara la vida sobre es la tierra y tiene un profundo impacto sobre la atmósfera y el clima terrestres: cada año los organismos con capacidad fotosintética convierten en carbohidratos más del 10% del dióxido de carbono atmosférico. El conocimiento básico de este proceso es esencial para entender las relaciones entre los seres vivos y la atmósfera, así como el balance de la vida sobre la tierra. Este proceso consta de dos fases importantes; la fase luminosa también llamada foto dependiente, porque se da sólo en presencia de luz, ocurren dos procesos bioquímicos necesarios para la síntesis de glucosa: la reducción de NADP a NADPH.H con los hidrógenos de la molécula de agua y la síntesis de ATP y en la fase oscura también llamada fase de fijación de CO2 se trata de un conjunto de reacciones que se denominan reacciones del carbono o metabolismo del carbono en la fotosíntesis. Para llevar a cabo este proceso se ocupa alguna planta acuática, como ejemplo ejemplo la Elodea sp., planta de agua dulce que llibera ibera grandes cantidades de oxígeno, posee hojas pequeñas pequeñ as y delgadas, los cloroplastos de la elodea  presentan una forma esférica observándolos al microscopio, y su característico color verde generado por la presencia de clorofila. Los balances de masa se basan en la ley de la conservación de la materia, que establece que la materia no se crea ni se destruye. Los  balances de masa son utilizados u tilizados en el diseño de un nuevo proceso o en el análisis de uno ya existente. Los procesos químicos pueden clasificarse en intermitentes, continuos o semi intermitentes y como estacionarios (en régimen permanente) o transitorios.

OBJETIVOS  Objet Ob jetii vo P r i ncipa ncipal: l:   Modelar matemáticamente el sistema ambiental utilizando herramientas de balance 

de materia en estado estacionario (ENE).

Objetivos específicos:   Analizar el sistema ambiental cerrado cuando se generan dos condiciones de trabajo 

utilizando luz del espectro electromagnético VIS y completa oscuridad.   Elaborar perfiles de variación gráficos utilizando la hoja de cálculo c álculo MS-Excel.   Hallar la glucosa neta producida





 

 

MARCO TEORICO Es importante recordar que los modelos matemáticos son como otros tipos de modelos. El objetivo no es producir una copia exacta del objeto "real", sino más bien representar algunas características de la cosa real. real. Por ejemplo, un retrato de una persona, un maniquí y un cerdo  pueden ser modelos de un ser humano. Y aunque aunqu e ninguno es una copia perfecta pe rfecta de este, si  poseen ciertos aspectos en común con un ser humano. La La pintura describe la apariencia física física de un individuo en particular; el maniquí porta ropa tal como una persona y el cerdo está vivo. Cuál de los tres modelos es "mejor" depende de cómo usemos el modelo: para recordar viejos amigos, para comprar ropa o para estudiar biología. De hecho, los sistemas del mundo real pueden ser notoriamente complicados; la población de conejos en la pradera depende del número de coyotes, del número de linces, del número de pumas, del número de ratones (alimento alternativo para los depredadores), de las  prácticas usuales agrícolas, del clima, de varias enfermedades típicas de los conejos, etc. Podemos elaborar un modelo de la población de conejos suficientemente simple para que sea entendible, solo haciendo hipótesis simplificadoras y englobando los efectos que puedan o no ser comunes. Una vez elaborado el modelo, debemos comparar las predicciones de este con los datos del sistema. Si el modelo y el sistema concuerdan, tendremos confianza en que las hipótesis hechas a1 crear el modelo son razonables y que podemos usarlo para hacer predicciones; si no concuerdan, entonces debemos estudiar y mejorar nuestras suposiciones. En todo caso, aprendemos más acerca del sistema al compararlo con el modelo. Los tipos de predicciones que son razonables dependen de nuestras hipótesis. Si nuestro modelo se basa en reglas precisas como las leyes de Newton sobre el movimiento o las reglas del interés compuesto, entonces podemos usarlo para hacer predicciones cuantitativas muy exactas. Si las hipótesis son menos precisas o si el modelo es una versión simplificada del sistema, entonces sería absurdo tratar de obtener predicciones cuantitativas exactas. En este caso, deberíamos usar el modelo para hacer predicciones cualitativas, tales como "la  población de conejos en la pradera aumentará…". La línea divisoria entre predicciones cualitativas y cuantitativas es en si misma imprecisa, pero veremos que con frecuencia es mejor y más fáci1 usar cualitativamente aun el más m ás preciso de los modelos. En el proceso de elaboración de un modelo de un sistema complejo, se pueden establecer las siguientes fases: 1. Adquisición de información y conocimientos previos sobre el sistema. En esta fase es importante la identificación de los componentes internos y externos del sistema y las relaciones entre ellos. 2. Reconocimiento de las características del entorno que afectan a fectan al sistema (p. ej. condiciones ambientales) y delimitación del intervalo de valores de éstas dentro del cual puede operar el modelo. 3. Especificación del objeto y alcance del modelo: identificación del problema y delimitación del marco espacial y temporal.

 

 

4. Asignación de los elementos modelo que caracterizan el estado del sistema. 5. Descripción matemática de la estructura del modelo. En definitiva, el modelo no es más que un conjunto de reglas o artificio matemático que nos permite predecir el estado futuro de un sistema a partir del conocimiento de su estado actual. Básicamente la estructura matemática del modelo está constituida por el conjunto de reglas o ecuaciones que ligan los diferentes elementos del modelo, reproduciendo la relaciones observadas entre los componentes internos (y externos) del sistema. 6. Verificación del modelo, ajuste a las mediciones preliminares de que se dispone y estimación de parámetros. 7. Validación del modelo a partir de nuevas observaciones del sistema y estimación de la incertidumbre de las predicciones. Con todo esto, podemos agrupar los elementos de un modelo matemático en las cinco categorías siguientes: • Variables internas: representan a los componentes internos del sistema. • Variables externas: representan a los componentes externos del sistema. • Ecuaciones matemáticas: representan las relaciones entre los componentes del sistema. • Parámetros: términos numéricos de las ecuaciones matemáticas cuyo valor puede variar dependiendo del ámbito de aplicación del modelo. • Constantes: términos numéricos de las ecuaciones matemáticas cuyo valor es invariable dentro del marco espacial y temporal de aplicación del modelo.

MODELIZACIÓN EN BASE A DATOS EXPERIMENTALES Es frecuente el problema de tener un conjunto de mediciones y desear ajustar los datos observados a funciones que describan la relación entre la variable dependiente y la variable independiente. El problema original parece estar asociado al nombre de Gauss G auss quien trató de ajustar curvas a datos experimentales obtenidos en observaciones astronómicas. En nuestros nu estros días el planteamiento permite establecer un modelo matemático basado en optimización, para dar solución al problema de calcular los coeficientes que satisfacen el criterio de mínimos cuadrados. En el presente capítulo mostraremos de forma sencilla la solución matricial del  problema, ilustrando la forma de llegar a una expresión cerrada de la solución. Con ejemplos ejemplos sencillos se tiene una comprobación al aplicar en forma directa la solución presentada. Estos mismos ejemplos ejemplos se resuelven con la ayuda de un paquete de cálculo para ilustra ilustrarr la importancia del uso de estas herramientas en la solución de modelos, obteniendo respuestas exactas con el consiguiente ahorro de tiempo.

EL BALANCE DE MATERIALES El balance de materiales (también conocido como balance de masa), es un método utilizado  para estimar las emisiones de algunas categorías de fuentes, en donde dond e se conoce el volumen y la composición química de los insumos o materias primas utilizadas. El método de balance de materiales puede usarse en los casos en que no hay datos disponibles de muestreos en la fuente o factores de emisión aplicables. El uso de un balance de materiales implica el análisis de un proceso para determinar si las emisiones pueden ser estimadas conociendo únicamente los parámetros específicos de operación y la composición de los materiales. Si bien el balance de materiales es una herramienta valiosa para estimar las emisiones de muchas fuentes, su aplicación requiere que se conozca cierta información sobre el material estudiado en cada punto a lo largo del

 

 

 proceso. El uso del balance de materiales es adecuado en los casos en que pueden conocerse los componentes del proceso. Por medio del balance de materiales podemos evaluar la eficiencia de un proceso y calcular emisiones contaminantes al hacer una comparación entre las cantidades que entran y salen del mismo. Por ejemplo, si sabemos que en un proceso utilizamos un litro de thinner y en el  producto resultante solamente encontramos 100ml, podemos asumir que los 900ml restantes se vaporizaron convirtiéndose en emisiones de las sustancias que lo componen.

MODELOS AL ESTADO NO ESTACIONARIO Los sistemas dinámicos tuvieron sus inicios en sistemas de diferencias y en ecuaciones diferenciales (Forrester 1980). Un sistema objetivo, es descrito usando un sistema de ecuaciones, de las cuales se derivan los estados futuros de ese sistema desde el estado actual. Son representados por atributos llamados “Niveles y Tasas” actuando como ecuaciones en diferencia con puntos equidistantes en el tiempo.

FOTOSÍNTESIS A partir de las moléculas sencillas de dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O), la fotosíntesis convierte la energía de la luz solar en energía química que se almacena en los enlaces de la glucosa (C6H12O6) y libera oxígeno (O2). La reacción química general más sencilla para la fotosíntesis es: 6 CO2 + H2O + energía luminosa = C6H12O6 + 6 O2 La fotosíntesis se efectúa en las plantas y algas eucarióticas, y en ciertos tipos de procariotas, los cuales se describen como autótrofos (literalmente, “que se alimentan por sí mismos”).  mismos”). 

PAPEL DEL DIÓXIDO DE CARBONO EN LA FOTOSÍNTESIS En plantas, algas y en algunos tipos de bacterias fotosintéticas el proceso conlleva la liberación de oxígeno molecular y la utilización de dióxido de carbono atmosférico para la síntesis de compuestos orgánicos. A este proceso se le denomina fotosíntesis oxigénica. En  plantas la fijación y reducción de dióxido de carbono tiene lugar en el estroma del cloroplasto. cloroplasto. Esto ocurre en la fase en la que el ATP y el NADPH son utilizados para fijar CO2 atmosférico y reducirlo para sintetizar carbohidratos (CH2On). Fijación de carbono. Durante la fijación de carbono, las plantas captan el dióxido dióx ido de carbono e incorporan (fijan) los átomos de carbono a una molécula orgánica más grande para formar la glucosa.

LA UTILIZACIÓN DE BICARBONATO DE SODIO COMO FUENTE DEDIÓXIDO DE CARBONO Debido a la capacidad del bicarbonato de sodio de liberar dióxido de carbono (bioqespecializad, 2013), se podría utilizar el bicarbonato de sodio como una un a fuente artificial de dióxido de carbono que evaluará los distintos niveles de dióxido en la fotosíntesis

 

 

MATERIAL Y REACTIVOS:   Material



Balanza analítica Termómetro Oxímetro Tanque de fotosíntesis Agitador magnético Lampara de 100 W Paño negro Probeta

  Reactivos:



Elodea sp. (ramas) Bicarbonato de sodio Agua destilada

MÉTODOS Para la simulación de un sistema ambiental cerrado se utilizó un recipiente de vidrio con agua y se pesó 7.5 gr de Bicarbonato de sodio para agregarlo al recipiente, se colocó la planta adentro con el multiparámetro para medir el porcentaje de OD y finalmente se cerró el recipiente con la cinta, cuando ya estaba listo se inició con la recolección de datos, seguidamente se encendió el agitador magnético para que se dé un mezclado perfecto en la cámara interna del tanque de fotosíntesis, se encendió la lámpara y se hizo el registro de datos por cada dos o 3 minutos, con los datos obtenidos se realizará una gráfica de OD en función al tiempo. Cuando finalizó este proceso se realizó el siguiente, en el cual se procedió a cubrir el tanque y apagar la lámpara para simular un ambiente oscuro, de igual manera se registró datos de OD por cada dos o 3 min. Al final de todos los datos se realizaron los cálculos para hallar la producción primaria bruta (PPB), producción primaria neta (PPN) y respiración (R), para ello se toman los datos al inicio, tope to pe y final.

 

 

RESULTADOS TABLA N°1: DATOS DE LA FASE LUMINOSA DE LA FOTOSINTENSIS LECTURA

TIEMPO(minutos) TIEMPO(minutos )

PORCENTAJE DE OD

1

0

53,5%

2 3 4 5

3 6 9 12

54,1% 55.8% 54,2% 55,6%

En 850 ml de agua

FASE LUMINOSA 58

    D     O     E56     D     E     J     A54     T     N     E     C52     R     O     P

50 0

3

6

9

12

TIEMPO(MIN) FASE LUMINOSA

Grafica 1 Fase luminosa

TABLA N°2: DATOS DE LA FASE OSCURA DE LA FOTOSINTESIS LECTURA

TIEMPO(minutos) TIEMPO(minutos )

PORCENTAJE DE OD

1 2 3 4

0 3 6 9

51.9% 51.6% 48.9% 49.2%

5

12

49.5%

FASE OSCURA 52     D51.5     O     E 51     D 50.5     E     J     A 50     T     N     E49.5     C     R 49     O     P48.5

48 0 Grafica 2 Fase Oscura

3

6 TIEMPO(MIN)

9

12

 

 

OBTENCION DE LA CANTIDAD NETA DE LA PRODUCCION PRIMARIA OD INICIAL= 53.5 OD TOPE= 55.6 OD FINAL= 49.5 OBTENCIÓN DEL PPN PPN= PPB – PPB – R  R PPN= (55.6-53.5)-(56.6-49.5) PPN= 4.8% OD

DISCUSIÓN En la fase lumínica, se produce la transformación no sólo de materia inorgánica en orgánica, sino también de energía luminosa en energía química de enlace. En esta etapa el organismo autótrofo  produce oxígeno oxígeno (O2) y glucosa (C6H12O6) a través través del proceso de de fotosíntesis fotosíntesis que se realiza realiza en los cloroplastos, donde se encuentran los pigmentos capaces de captar y absorber la energía luminosa  procedente del sol. Estos pigmentos son: clorofila (verde), xantofila (amarillo) y carotenoides carotenoides (anaranjados). Se trata de uno de los procesos anabólicos más importantes de la naturaleza, ya que la materia orgánica sintetizada en su transcurso permite la realización del mismo.

Ilustración 1 fotosintesis

 

 

Como resultado se obtuvo un incremento de O2 disuelto de 5mg/L, este aumento esta  proporcionalmente  proporciona lmente relacionado relacionado con la Productividad Productividad Primaria B Bruta ruta del organismo organismo vegetal vegetal (elodea), (elodea), ya que en el proceso de fotosíntesis la producción producci ón oxígeno significa también la producción pro ducción de glucosa; este método fue introducido por Gaarder y Gran (1927) también conocido como “método de las  botellas claras claras y oscuras” oscuras” teniendo teniendo como como principal ventaja su fácil eejecución, jecución, sin em bargo una de las desventajas más grandes del método de O2, la que limita bastante su aplicación, es su reducida sensibilidad. Tanto en mar abierto como en zonas costeras y aguas continentales oligotróficas las diferencias entre las concentraciones de oxígeno de las botellas claras, oscuras e iniciales (incluso después de una incubación prolongada durante todo el día) son tan pequeñas que el método usual de la determinación de O2 no permite determinarlas con suficiente exactitud (Vollenweider, 1974). Otra desventaja es el problema de convertir las cantidades de oxígeno liberado en cantidades de carbono fijado. Para hacer esto se aplica normalmente un cociente fotosintético (CF) de 1.2 o sea una incorporación de 1000 moléculas de CO2 lleva consigo una liberación de 1200 moléculas de O2 (Parsons et al., 1984; Margalef, 1986). El CF de 1.2 toma en consideración que la biomasa de las algas es más reducida que glucosa, lo que significa que el CF no puede ser 1 como en la ecuación de la fotosíntesis sino tiene que ser más alto. Entonces para la conversión de masa de O2 en masa de carbono orgánico aplicamos un cociente fotosintético de 1.2 y un cociente respiratorio de 0.84, lo que significa que 1 mg de O2 liberado o consumido es igual a 0.313 mg de carbono producido o respirado.

5    = 5

2 

2.75 2.7 5 2 2 ∗ 0.313 0.313

∗ 0.55 0.55  = 2.75 2.75 2 2 

 2

= 0.86 .8608   =  

Durante la fase oscura, la mayoría de los organismos autótrofos realizan la función de respiración, durante este proceso toman el oxígeno de la atmósfera y expulsan el dióxido de carbono, además del agua dicho, en otros términos en la transformación de la molécula de azúcar y oxígeno,  producto de la fotosíntesis en dióxido de carbono, agua y ATP. Por tanto, durante este proceso la  planta utilizara utilizara parte del del oxígeno oxígeno producido en la fase luminosa luminosa dando dando lugar lugar a la siguiente expresión:

Productividad Primaria Neta = Productividad Primaria Bruta –  Bruta  –  Respiración   Respiración Entonces el resultado de la diferencia de oxígeno disuelto en la fase oscura será el oxígeno utilizado en la respiración, al igual que en el caso anterior para p ara la conversión de masa de O2 en masa de carbono orgánico aplicamos un cociente fotosintético fot osintético de 1.2 y un cociente respiratori respiratorio o de 0.84, lo que significa que 1 mg de O2 liberado o consumido es igual a 0.313 mg de carbono producido o respirado (Gocke & Hernandez, 1994).

7.1 7.1    = 7,1 7,1

2 

∗ 0.55 0.55  = 3.90 3.905 5  2 2 

3.905 3.9 05 2 2 ∗ 0.313 0.313  = 1.2 1.222 222 2       =   ó ó  2

 

 

En comparación, podemos observar que la productividad primaria bruta es menor que la respiración, es decir el organismo consume más de lo que produce dando lugar a una Productividad Primaria Neta de -0.3615; este fenómeno podría darse porque este método es poco sensitivo por lo que se recomienda utilizarse solo en lugares donde la productividad esperada es alta y llevando a cabo largas incubaciones de 6 horas como mínimo.

CONCLUSIONES PRIMERA. El proceso de fotosíntesis con mayor producción de biomasa y oxígeno se da en la fase luminosa, donde gracias al aprovechamiento de nutrientes, agua, dióxido de carbono y luz, el organismo autótrofo produce oxígeno y glucosa en proporción a su coeficiente fotosintético, al tratarse de algas este coeficiente aumentará tomando en consideración que la biomasa de las algas es más reducida que glucosa. SEGUNDA. El proceso de respiración de los organismos autótrofos se da en la fase oscura, donde  por falta de luz, estos toman parte del oxígeno producido producido en la fase luminosa y expulsan el dióxido dióxido de carbono. TERCERA. El método de la botella clara y oscura, tiene como desventaja ser muy poco sensitivo,  por lo que es ideal para ser utilizado en lugares donde la productividad productividad es alta y llevando a cabo incubaciones de mínimo 6 horas de duración.

 

 

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1.  Morgan, M. (2010). Procesos energéticos de la vida: Fotosíntesis. Ed.Trillas S.A. Div. Física Biológica Superior. México D.F. 2.  Mancera, J.E.; Peña, E.J. y Santos-Martínez, A. (2003). Introducción a la modelación ecológica. Principios y aplicaciones. Universidad Nacional de Colombia. Sede San Andrés. Santa Fé de Bogotá-Colombia 3.  CAMILA RODRIGUEZ. (2016). experimento demostrando cómo las plantas liberan oxígeno al hacer fotosíntesis.. 5/04/2019, de camieveflor 4.  UIS MONCADA. (2011). MODELIZACION AMBIENTAL. 05/04/2019, de UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO 5.  Dr. Víctor H. Lallana . (2008). Métodos para medir fotosíntesis . 05/04/2019, de FCA UNER 6.  Gaarder, T., & Gran, H. H. (1927). Investigations Investigations on the primary production of plankton in the Oso Fjord. Rapp. Cons. Explor. Mar, 144, 56-60. 7.  Gocke, K., Hernández, J., & Carlos, A. (1994). Determinación comparativa de la producción  primaria con las técnicas técnicas de 14C y O2 en aguas salobres con diferentes grados de Eutroficación. Boletín de Investigaciones Marinas y Costeras-INVEMAR, 23(1), 45-58. 8.  Margalef, R. 1986. Ecología. Edit. Omega, Barcelona, España, 951 p. 9.  Parsons, T.R.; M. Takahashi y B. Hargrave. 1984. Biological océanographie processes. 3rd. edit. Pergamon Press, Londres, 330 p. 10.  Vollenweider, R. A., Talling, J. F., & Westlake, D. F. (1974). A manual on methods for measuring primary production in aquatic environments. Blackwell Scientific Pub..