¿Qué son los Ciclos Biogeoquímicos?
Son
procesos naturales que reciclan elementos en diferentes formas químicas desde el medio ambiente hacia los organismos, y luego a la inversa.
Agua, carbón,
oxígeno, nitrógeno, fósforo y otros elementos recorren estos ciclos, conectando los componentes vivos y no vivos de la Tierra.
Ciclo del Agua
Es el
proceso de circulación del agua entre los distintos compartimentos de la
hidrosfera. Se trata de un
ciclo biogeoquímico en el que hay una intervención mínima de
reacciones químicas, y
el agua solamente se traslada de unos lugares a otros o cambia de
estado físico.
El agua de la hidrosfera procede de la desgasificación del manto, donde tiene una presencia significativa, por los procesos del
vulcanismo. Una parte del agua puede reincorporarse al manto con los sedimentos oceánicos cuando éstos forman parte de litosfera en
subducción.
La mayor parte de la masa del agua se encuentra en forma líquida, sobre todo en los océanos y mares y en menor medida en forma de
agua subterránea o de agua superficial (en ríos y arroyos). El segundo compartimiento por su importancia es el del agua acumulada como hielo sobre todo en los
casquetes glaciares antártico y
groenlandés, con una participación pequeña de los
glaciares de montaña, sobre todo de las latitudes altas y medias.
Por último, una fracción menor está presente en la
atmósfera como vapor o, en estado líquido, como nubes. Esta fracción atmosférica es sin embargo muy importante para el intercambio entre compartimentos y para la circulación horizontal del agua, de manera que se asegura un suministro permanente a las regiones de la superficie continental alejadas de los depósitos principales.
El
ciclo del agua disipa una gran cantidad de energía, la cual procede de la que aporta la insolación. La evaporación es debida al calentamiento solar y animada por la circulación atmosférica, que renueva las masas de
aire y que es a su vez debida a diferencias de
temperatura igualmente dependientes de la insolación. Los cambios de estado del agua requieren o disipan mucha energía, por el elevado
valor que toman el
calor latente de
fusión y el calor latente de vaporización. Así, esos cambios de estado contribuyen al calentamiento o enfriamiento de las masas de aire, y al
transporte neto de calor desde las latitudes tropicales o templadas hacia las frías y polares, gracias al cual es más suave en conjunto el
clima planetario.
El Ciclo del Agua comprende los siguientes pasos:
Evaporación por la
acción del sol y la formación de las nubes.
Las nubes, por los vientos, se desplazan hacia la tierra; estas se forman cunado se enfrían lo suficiente para que se produzcan góticas muy pequeñas que quedan suspendidas en la atmósfera a través de la condensación.
La precipitación ocurre cuando las gotas de agua suspendidas caen en forma liquida como lluvia, o en forma sólida como granizo o nieve.
Parte de esta agua se filtra en el suelo, otra corre por la superficie formando ríos hasta que regresa de nuevo al mar.
Parte de esta agua regresa de nuevo a la atmósfera por medio de la evaporación.
Ciclo del Carbono
Es la sucesión de transformaciones que sufre el
carbono a lo largo del tiempo. Es un
ciclo biogeoquímico de gran importancia para la regulación del
clima de la
Tierra, y en él se ven implicadas actividades básicas para el sostenimiento de la vida. El ciclo comprende dos ciclos que se suceden a distintas velocidades:
Ciclo biológico: comprende los intercambios de carbono (
CO2) entre los seres vivos y la
atmósfera, es decir, la
fotosíntesis,
proceso mediante el cual el carbono queda retenido en las
plantas y la
respiración que lo devuelve a la atmósfera. Este ciclo es relativamente rápido, estimándose que la renovación del carbono atmosférico se produce cada 20 años.
Ciclo biogeoquímico: regula la transferencia de carbono entre la atmósfera y la
litosfera (océanos y suelo). El CO2 atmosférico se disuelve con facilidad en agua, formando
ácido carbónico que ataca los silicatos que constituyen las
rocas, resultando
iones bicarbonato. Estos iones disueltos en agua alcanzan el mar, son asimilados por los
animales para formar sus
tejidos, y tras su
muerte se depositan en los
sedimentos. El retorno a la atmósfera se produce en las erupciones
volcánicas tras la
fusión de las rocas que lo contienen. Este último ciclo es de larga duración, al verse implicados los mecanismos geológicos. Además, hay ocasiones en las que la
materia orgánica queda sepultada sin contacto con el
oxígeno que la descomponga, produciéndose así la
fermentación que lo transforma en carbón,
petróleo y
gas natural.
El
almacenamiento del carbono en los depósitos
fósiles supone en la práctica una rebaja de los niveles atmosféricos de
dióxido de carbono. Si éstos depósitos se liberan, como se viene haciendo desde tiempo inmemorial con el carbón, o más recientemente con
el petróleo y el
gas natural; el ciclo se desplaza hacia un nuevo
equilibrio en el que la cantidad de CO2 atmosférico es mayor; más aún si las posibilidades de reciclado del mismo se reducen al disminuir la masa boscosa y vegetal.
La explotación de combustibles fósiles para sustentar las actividades industriales y de
transporte (junto con la
deforestación) es hoy día una de las mayores agresiones que
sufre el planeta, con las consecuencias por todos conocidas:
cambio climático (por el
efecto invernadero),
desertización, etc.
Los pasos más importantes del ciclo del carbono son los siguientes:
El dióxido de carbono en la atmósfera es absorbido por las plantas y convertido en
azúcar, por el proceso de
fotosíntesis.
Los animales comen plantas y al descomponer los azúcares dejan salir carbono a la atmósfera, los océanos o el suelo.
Otros organismos descomponen las plantas muertas y las materias animales, devolviendo carbono al
medio ambiente.
El carbono también se intercambia entre los océanos y la atmósfera. Esto sucede en ambos sentidos en la
interacción entre el
aire y el agua.
Ciclo del Nitrógeno
Es el conjunto cerrado de procesos biológicos y abióticos en que se basa el suministro de este elemento a los seres vivos. Es uno de los importantes ciclos biogeoquímicos en que se basa el equilibrio dinámico de composición de la biosfera.
Efectos
Los seres vivos cuentan con una caca en proporción de nitrógeno en su composición. Éste se encuentra en el aire en grandes cantidades (78% en volumen) pero en esta forma sólo es accesible a un conjunto muy restringido de formas de vida, como las cianobacterias y las azotobacteriáceas. Los organismos fotoautótrofos (plantas o algas) requieren por lo general nitrato (NO3–) como forma de ingresar su nitrógeno; los heterótrofos (p. ej. los animales) necesitan el nitrógeno ya reducido, en forma de radicales amino, que es como principalmente se presenta en la materia viva. Gracias a los múltiples procesos que conforman el ciclo, todos los tipos metabólicos de organismos ven satisfecha su necesidad de nitrógeno.
Procesos
Los organismos autótrofos requieren típicamente un suministro de nitrógeno en forma de nitrato (NO3–), mientras que los heterótrofos lo necesitan en forma de grupos amino (-NH2), y lo toman formando parte de la composición de distintas biomoléculas en sus alimentos. Los autótrofos reducen el nitrógeno oxidado que reciben como nitrato (NO3–) a grupos amino, reducidos (asimilación). Para volver a contar con nitrato hace falta que los descomponedores lo extraigan de la biomasa dejándolo en la forma reducida de ion amonio (NH4+), proceso que se llama amonificación; y que luego el amonio sea oxidado a nitrato, proceso llamado nitrificación.
Así parece que se cierra el ciclo biológico esencial. Pero el amonio y el nitrato son sustancias extremadamente solubles, que son arrastradas fácilmente por la escorrentía y la infiltración, lo que tiende a llevarlas al mar. Al final todo el nitrógeno atmosférico habría terminado, tras su conversión, disuelto en el mar. Los océanos serían ricos en nitrógeno, pero los continentes estarían prácticamente desprovistos de él, convertidos en desiertos biológicos, si no existieran otros dos procesos, mutuamente simétricos, en los que está implicado el nitrógeno atmosférico (N2). Se trata de la fijación de nitrógeno, que origina compuestos solubles a partir del N2, y la desnitrificación, una forma de respiración anaerobia que devuelve N2 a la atmósfera. De esta manera se mantiene un importante depósito de nitrógeno en el aire (donde representa un 78% en volumen).
Fijación de nitrógeno
La fijación de nitrógeno es la conversión del nitrógeno del aire (N2) a formas distintas susceptibles de incorporarse a la composición del suelo o de los seres vivos, como el ion amonio (NH4+) o los iones nitrito (NO2–) o nitrato (NO3–); y también su conversión a sustancias atmosféricas químicamente activas, como el dióxido de nitrógeno (NO2), que reaccionan fácilmente para originar alguna de las anteriores.
Fijación abiótica. La fijación natural puede ocurrir por procesos químicos espontáneos, como la oxidación que se produce por la acción de los rayos, que forma óxidos de nitrógeno a partir del nitrógeno atmosférico.
Fijación biológica de nitrógeno. Es un fenómeno fundamental que depende de la habilidad metabólica de unos pocos organismos, llamados diazotrofos en relación a esta habilidad, para tomar N2 y reducirlo a nitrógeno orgánico:
N2 + 8H+ + 8e− + 16 ATP → 2NH3 + H2 + 16ADP + 16 Pi
La fijación biológica la realizan tres grupos de microorganismos diazotrofos:
Bacterias gramnegativas de vida libre en el suelo, de géneros como Azotobacter, Klebsiella o el fotosintetizador Rhodospirillum, una bacteria purpúrea.
Bacterias simbióticas de algunas plantas, en las que viven de manera generalmente endosimbiótica en nódulos, principalmente localizados en las raíces. Hay multitud de especies encuadradas en el género Rhizobium, que guardan una relación muy específica con el hospedador, de manera que cada especie alberga la suya.
Cianobacterias de vida libre o simbiótica. Las cianobacterias de vida libre son muy abundantes en el plancton marino y son los principales fijadores en el mar. Además hay casos de simbiosis, como el de la cianobacteria Anabaena en cavidades subestomáticas de helechos acuáticos del género Azolla, o el de algunas especies de Nostoc que crecen dentro de antoceros y otras plantas.
La fijació
n biológica depende del complejo enzimático de la nitrogenada.
Amonificación
La amonificación es la conversión a ion amonio del nitrógeno que en la materia viva aparece principalmente como grupos amino (-NH2) o imino (-NH-). Los animales, que no oxidan el nitrógeno, se deshacen del que tienen en exceso en forma de distintos compuestos. Los acuáticos producen directamente amoníaco (NH3), que en disolución se convierte en ion amonio. Los terrestres producen urea, (NH2)2CO, que es muy soluble y se concentra fácilmente en la orina; o compuestos nitrogenados insolubles como la guanina y el ácido úrico, que son purinas, y ésta es la forma común en aves o en insectos y, en general, en animales que no disponen de un suministro garantizado de agua. El nitrógeno biológico que no llega ya como amonio al sustrato, la mayor parte en ecosistemas continentales, es convertido a esa forma por la acción de microorganismos descomponedores.
Nitrificación
La nitrificación es la oxidación biológica del amonio a nitrato por microorganismos aerobios que usan el oxígeno molecular (O2) como aceptor de electrones, es decir, como oxidante. A estos organismos el proceso les sirve para obtener energía, al modo en que los heterótrofos la consiguen oxidando alimentos orgánicos a través de la respiración celular. El C lo consiguen del CO2 atmosférico, así que son organismos autótrofos. El proceso fue descubierto por Sergei Vinogradski y en realidad consiste en dos procesos distintos, separados y consecutivos, realizados por organismos diferentes:
Nitrosación. Partiendo de amonio se obtiene nitrito (NO2–). Lo realizan bacterias de, entre otros, los géneros Nitrosomonas y Nitrosococcus.
Nitratación. Partiendo de nitrito se produce nitrato (NO3–). Lo realizan bacterias del género Nitrobacter.
La combinación de amonificación y nitrificación devuelve a una forma asimilable por las plantas, el nitrógeno que ellas tomaron del suelo y pusieron en circulación por la cadena trófica.
Desnitrificación
La desnitrificación es la reducción del ion nitrato (NO3–), presente en el suelo o el agua, a nitrógeno molecular o biatómico (N2) la sustancia más abundante en la composición del aire. Por su lugar en el ciclo del nitrógeno este proceso es el opuesto a la fijación del nitrógeno.
Lo realizan ciertas bacterias heterótrofas, como Pseudomonas fluorescens, para obtener energía. El proceso es parte de un metabolismo degradativo de la clase llamada respiración anaerobia, en la que distintas sustancias, en este caso el nitrato, toman el papel de oxidante (aceptor de electrones) que en la respiración celular normal o aerobia corresponde al oxígeno (O2). El proceso se produce en condiciones anaerobias por bacterias que normalmente prefieren utilizar el oxígeno si está disponible.
El proceso sigue unos pasos en los que el átomo de nitrógeno se encuentra sucesivamente bajo las siguientes formas:
nitrato → nitrito → óxido nítrico → óxido nitroso → nitrógeno molecular
Expresado como reacción redox:
2NO3- + 10e- + 12H+ → N2 + 6H2O
Como se ha dicho más arriba, la desnitrificación es fundamental para que el nitrógeno vuelva a la atmósfera, la única manera de que no termine disuelto íntegramente en los mares, dejando sin nutrientes a la vida continental. Sin él la fijación de nitrógeno, abiótica y biótica, habría terminado por provocar la depleción (eliminación) del N2 atmosférico.
La desnitrificación es empleada, en los procesos técnicos de depuración controlada de aguas residuales, para eliminar el nitrato, cuya presencia favorece la eutrofización y reduce la potabilidad del agua, porque se reduce a nitrito por la flora intestinal, y éste es cancerígeno.
El ciclo del Oxígeno
El oxígeno molecular (O2) representa el 20% de la atmósfera terrestre. Este patrimonio abastece las necesidades de todos los organismos terrestres respiradores y cuando se disuelve en el agua, las necesidades de los organismos acuáticos. En el proceso de la respiración, el oxígeno actúa como aceptor final para los electrones retirados de los átomos de carbono de los alimentos. El producto es agua. El ciclo se completa en la fotosíntesis cuando se captura la energía de la luz para alejar los electrones respecto de los átomos de oxígeno de las moléculas de agua. Los electrones reducen los átomos de carbono (de bióxido de carbono) a carbohidratos. Al final se produce oxígeno molecular y así el ciclo se completa.
Por cada molécula de oxígeno utilizada en la respiración celular, se libera una molécula de bióxido de carbono. Inversamente, por cada molécula de bióxido de carbono absorbida en la fotosíntesis, se libera una molécula de oxígeno.
CICLO DEL AZUFRE.
El azufre esta incorporado prácticamente en todas las proteínas y de esta manera es un elemento absolutamente esencial para todos los seres vivos. Se desplaza a través de la biosfera en dos ciclos, uno interior y otro exterior. El ciclo interior comprende el paso desde el suelo (o desde el agua en los ambientes acuáticos) a las plantas, a los animales, y de regreso nuevamente al suelo o al agua. Sin embargo, existen vacíos en este ciclo interno. Algunos de los compuestos sulfúricos presentes en la tierra (por ejemplo, el suelo) son llevados al mar por los ríos. Este azufre se perdería y escaparía del ciclo terrestre si no fuera por un mecanismo que lo devuelve a la tierra. Tal mecanismo consiste en convertirlo en compuestos gaseosos tales como el ácido sulfhidrico (H2
S) y el bióxido de azufre (SO2). Estos penetran en la atmósfera y son llevados a tierra firme. Generalmente son lavados por las lluvias, aunque parte del bióxido de azufre puede ser directamente absorbido por las plantas desde la atmósfera.
Las bacterias desempeñan un papel crucial en el ciclaje del azufre. Cuando está presente en el aire, la descomposición de los compuestos del azufre (incluyendo la descomposición de las proteínas) produce sulfato (SO4=). Bajo condiciones anaeróbicas, el ácido sulfhidrico (gas de olor a huevos podridos) y el sulfuro de dimetilo (CH3SCH3) son los
productos principales. Cuando estos dos últimos
gases llegan a la atmósfera, son oxidadas y se convierten en bióxido de azufre. La oxidación ulterior del bióxido de azufre y su disolución en el agua lluvia produce ácido sulfhidrico y sulfatos, formas principales bajo las cuales regresa el azufre a los
ecosistemas terrestres.
El carbón mineral y
el petróleo contienen también azufre y su
combustión libera bióxido de azufre en la atmósfera.
EL CICLO DEL FOSFORO.
Aunque la proporción de fósforo en la materia viva es relativamente pequeña, el papel que desempeña es absolutamente indispensable. Los
ácidos nucleicos, sustancias que almacenan y traducen el
código genético, son ricos en fósforo. Muchas sustancias intermedias en la
fotosíntesis y en la respiración celular están combinadas con fósforo, y los átomos de fósforo proporcionan la base para la formación de los enlaces de alto contenido de energía del ATP, que a su vez desempeña el papel de intercambiador de la energía, tanto en la
fotosíntesis como en la respiración celular.
El fósforo es un elemento más bien escaso del mundo no viviente. La
productividad de la mayoría de los ecosistemas terrestres pueden aumentarse si se aumenta la cantidad de fósforo disponible en el suelo. Como los rendimientos agrícolas están también limitados por la disponibilidad de nitrógeno y potasio, los
programas de fertilización incluyen estos nutrientes. En efecto, la composición de la mayoría de los fertilizantes se expresa mediante tres cifras. La primera expresa el porcentaje de nitrógeno en el fertilizante; la segunda, el contenido de fósforo (como sí estuviese presente en forma de P2O5); y la tercera, el contenido de potasio (expresada sí estuviera en forma de óxido K2O).
El fósforo, al igual que el nitrógeno y el azufre, participa en un ciclo interno, como también en un ciclo global, geológico. En el ciclo menor, la materia orgánica que contiene fósforo (por ejemplo: restos de vegetales, excrementos animales) es descompuesta y el fósforo queda disponible para ser absorbido por las raíces de la planta, en donde se unirá a compuestos orgánicos. Después de atravesar las cadenas alimentarias, vuelve otra vez a los descomponedores, con lo cual se cierra el ciclo. Hay algunos vacíos entre el ciclo interno y el ciclo externo. El agua lava el fósforo no solamente de las rocas que contienen fosfato sino también del suelo. Parte de este fósforo es interceptado por los organismos acuáticos, pero finalmente sale hacia el mar.
El ciclaje global del fósforo difiere con respecto de los del carbón, del nitrógeno y del azufre en un aspecto principal. El fósforo no forma compuestos volátiles que le permitan pasar de los océanos a la atmósfera y desde allí retornar a tierra firme. Una vez en el mar, solo existen dos mecanismos para el
reciclaje del fósforo desde el océano hacia los ecosistemas terrestres. El uno es mediante las
aves marinas que recogen el fósforo que p
asa a través de las cadenas alimentarias marinas y que pueden devolverlo a la tierra firme en sus excrementos. Además de la actividad de estos animales, hay la posibilidad del levantamiento geológico lento de los sedimentos del océano para formar tierra firme, un proceso medido en millones de años.
El
hombre moviliza el ciclaje del fósforo cuando explota rocas que contienen fosfato.
