CIRCULACIÓN DE LA MATERIA. LOS CICLOS BIOGEOQUÍMICOS.

Los Ciclos Biogeoquímicos son los recorridos que realizan los elementos químicos en la naturaleza. En estos recorridos van pasando por los diferentes subsistemas: pasan desde el medio (atmósfera, hidrosfera, geosfera) a los seres vivos (biosfera), regresando nuevamente al medio. Por tanto la circulación de la materia es cíclica (cerrada). El tiempo de permanencia o de residencia de los elementos en los diferentes sistemas es muy variable, denominándose almacén o reserva aquel lugar donde dicha permanencia es máxima. Los ciclos no se desarrollan a una velocidad uniforme, sino que algunas etapas requieren períodos más prolongados que otras. Existen dos grandes tipos de ciclos: -

Gaseosos: el principal reservorio del elemento es la atmósfera. Son ciclos relativamente rápidos. Ciclos del carbono, oxígeno y del nitrógeno

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Sedimentarios: el principal reservorio se halla en los sedimentos (geosfera). Son ciclos lentos por la dificultad de acceso a la reserva del elemento. Ciclos del fósforo y del azufre.

En un ciclo biogeoquímico se pueden distinguir tres fases: -

Fase geoquímica: la materia fluye entre sistemas abióticos (atmósfera, hidrosfera, litosfera)

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Fase biogeoquímica: paso de la materia orgánica a inorgánica y viceversa.

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Fase bioquímica: comprende la transferencia de materia orgánica dentro de la biocenosis.

CICLO DEL OXÍGENO Está asociado al agua y al CO2. La principal fuente de oxígeno libre (O2) es la atmósfera. Hay dos procedencias importantes de oxígeno atmosférico: una es la fotodisociación de la molécula de agua por la luz del sol. Otra es la fotosíntesis, activa sólo desde la aparición de los organismos fotosintéticos, que mediante el proceso de fotolisis del agua liberan oxígeno a la atmósfera. Este oxígeno era rápidamente capturado por los minerales de la superficie terrestre para su oxidación. Una vez que los minerales se oxidaron, comenzó a acumularse el exceso de oxígeno en la atmósfera y, en menor cantidad, en la hidrosfera (el O2 es poco soluble) A partir de este momento comenzaron a evolucionar los seres vivos que utilizaban este elemento para obtener energía mediante el proceso respiratorio, quedando compensado el nivel de oxígeno. Actualmente la cantidad de oxígeno en la atmósfera, un 21 %, se regula por los procesos de fotosíntesis y respiración. El ciclo del oxígeno tiene dos posibles salidas que representan una pequeña pérdida: el oxígeno que sigue oxidando a los minerales de la superficie terrestre y el que queda atrapado por los sedimentos orgánicos en los fondos marinos, que puede volver a la atmósfera por procesos de meteorización.

CICLO DEL OXÍGENO

Oxidación MINERALES OXIDADOS EN LA LITOSFERA Vulcanismo

Meteorización SEDIMENTOS ORGÁNICOS EN LOS FONDOS OCEÁNICOS

Fotosíntesis O2 ATMOSFÉRICO

Respiración

Sedimentación PRODUCTORES

Alimentación

Respiración

CONSUMIDORES Y DESCOMPONEDORES

Sedimentación

CICLO DEL CARBONO Este ciclo es de gran importancia para la regulación del clima terrestre. Los reservorios inorgánicos de carbono en la naturaleza son: - Dióxido de carbono en la atmósfera e hidrosfera - Las rocas carbonatadas - Los combustibles fósiles. La forma asimilable para los seres vivos es el CO2. Circulación de C entre atmósfera-hidrosfera y biosfera: El carbono se encuentra en la atmósfera en forma de: CO2, CH4 (la principal fuente de metano atmosférico es biogénica: estómago de rumiantes, suelos inundados), CO. Los organismos productores absorben el CO2 de la atmósfera o el disuelto en agua y mediante la fotosíntesis se incorpora como carbono orgánico en las biomoléculas, que servirán posteriormente de alimento al resto de componentes de la cadena trófica. El CO2 se libera de nuevo a la atmósfera y la hidrosfera mediante los procesos de respiración que tienen lugar en todos los niveles tróficos casi al mismo ritmo con que es retirado de ellas. Respiración y fotosíntesis son los procesos vitales básicos que regulan el transito de carbono entre estos sistemas. La fotosíntesis moviliza cada año alrededor del 5 % del CO2 atmosférico, lo que significa que en 20 años se renueva totalmente.

Circulación entre el resto de sistemas: Entre atmósfera e hidrosfera se establece un continuo intercambio de CO2 por difusión directa. Entre hidrosfera-biosfera y litosfera: en ambientes acuáticos se dan dos salidas temporales del carbono por dos procesos: -

A partir de los restos orgánicos que caen a los fangos del fondo, en condiciones anaerobias, son fermentados por bacterias produciendo ácidos orgánicos, CO2, CH4 y H2, y más tarde cuando estos compuestos alcanzan una cierta concentración y se inhibe la acción bacteriana, los restos orgánicos se van acumulando lentamente en el fango para dar lugar a depósitos de carbón en ambientes lacustres, y petróleo en ambientes marinos. Este carbono volverá a la atmósfera en forma de CO2 mediante su combustión.

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En ambientes marinos el CO2, bajo la forma de carbonato cálcico se incorpora a rocas sedimentarias carbonatadas procedentes de los caparazones calcáreos de los organismos acuáticos, y también por procesos puramente físico-químicos. Estas rocas, en ciertas condiciones, pueden fundirse para dar lugar a un magma que, al salir a la superficie, deja escapar el CO2 a la atmósfera.

Intervenciones humanas en el ciclo del carbono: El hombre acelera el paso de CO2 desde los demás subsistemas a la atmósfera: -

Lo libera de la biosfera mediante la quema de madera y la deforestación, que disminuye la fijación de este gas por vía fotosintética.

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Lo libera de la hidrosfera mediante su influencia en el incremento de la temperatura que impide su almacenaje en los océanos

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Lo libera de la geosfera mediante la quema de combustibles fósiles

Las consecuencias de estas acciones son un incremento del efecto invernadero y el incremento de las temperaturas.

CICLO DEL CARBONO CO2 ATMÓSFERA Vulcanismo

HIDROSFERA

Fotosíntesis Combustión

Quimiosíntesis

Respiración

ROCAS CARBONATADAS CARBÓN Y PETRÓLEO Diagénesis

Sedimentación PRODUCTORES Respiración

SEDIMENTOS EN AMBIENTES ACUÁTICOS

Fermentación en ambientes acuáticos

Restos DESCOMPONEDORES Alimento Restos

Sedimentación CONSUMIDORES

Respiración

CICLO DEL FÓSFORO El fósforo se encuentra mayoritariamente inmovilizado en los sedimentos oceánicos formando parte de la litosfera (rocas sedimentarias fosfatadas). Su proceso de liberación es muy lento por depender del ciclo geológico, razón por la cual constituye el principal factor limitante de la producción primaria. Su movilización se produce por meteorización, erosión y extracción mineral para usos agrícolas, que lo ponen a disposición de los seres vivos bajo la forma de fosfatos ( PO43- ). Estos iones, disueltos en el agua del suelo, se incorporan al ecosistema terrestre al ser absorbidos por los vegetales, que lo incorporan en sus ácidos nucleicos y en moléculas energéticas (ATP, ADP, AMP). De los vegetales pasa a los consumidores, donde además se deposita en los huesos. La descomposición (bacterias fosfatizantes) de los productos orgánicos de excreción animal que contienen fósforo o de la materia orgánica muerta, animal o vegetal, reincorpora el fósforo al ciclo terrestre. El fósforo meteorizado, así como el procedente de la descomposición de la materia orgánica muerta, puede ser movilizado y transportado por las lluvias y corrientes de agua hasta los océanos. Parte del fósforo que llega a los océanos se incorpora a los ecosistemas marinos, donde pasa a los peces, y de éstos a aves marinas (pelícanos, cormoranes, gaviotas), los cuales depositan sus excrementos, ricos en fósforo, en las costas, formándose así depósitos de guano, que son utilizados como abono, con lo que parte del fósforo marino puede

regresar a los ecosistemas terrestres. Cuando los organismos marinos mueren sus restos sedimentan en las profundidades. Sobre estos restos actúan los descomponedores, liberándose así el fósforo. Sin embargo, la mayor parte de fósforo que llega al mar, junto con la procedente de la descomposición de los restos de organismos marinos sedimenta, con lo que su reincorporación al ciclo va asociada a procesos geológicos complejos. Son las llamadas "trampas del fósforo", porque al acumularse en los sedimentos marinos quedan fuera del alcance del hombre. Algunos de estos sedimentos son puestos de nuevo en circulación por corrientes ascendentes, afloramientos, con lo que puede ser utilizado en el ecosistema marino

Intervenciones humanas en el ciclo del fósforo: La acción del hombre puede incorporar porcentajes significativos de fósforo al ciclo, a través del vertido de sustancias químicas, como los detergentes, ricos en fosfatos, y el exceso en la aplicación de fosfatos a las tierras de cultivo, que llevados a cuencas marinas y continentales, tienen como principal efecto ambiental la eutrofización de las aguas, favoreciendo el desarrollo desmesurado de las comunidades de microorganismos en estos medios, agotando el oxígeno.

CICLO DEL FÓSFORO DESCOMPONEDORES Restos

Alimento

PRODUCTORES

Disolución Transporte FOSFATOS EN EL SUELO

diagénesis

Alimento GUANO

CONSUMIDORES Restos

Restos

Erosión Transporte

Absorción Abonado

Meteorización

Disolución y transporte

ROCAS FOSFATADAS

Absorción PRODUCTORES

PO4 3-

Afloramiento

Absorción

Restos

Mineralización CONSUMIDORES

DESCOMPONEDORES Mineralización Acumulación SEDIMENTOS MARINOS

CICLO DEL NITRÓGENO El nitrógeno es fundamental para la vida, ya que es un componente imprescindible de las proteínas y de los ácidos nucleicos. La principal reserva o almacén de este elemento es la atmósfera, que está constituida en un 78 % por nitrógeno molecular (N2). Además también contiene pequeñas cantidades de amoníaco (NH3) procedente de erupciones volcánicas y de la putrefacción de los restos

orgánicos, y de los denominados NOx (NO, NO2 y N2O), originados también en las erupciones volcánicas y en la oxidación del N2 atmosférico por las descargas eléctricas en las tormentas (fijación atmosférica). A diferencia del carbono, las plantas no pueden asimilar el N directamente de la atmósfera en forma gaseosa. Por esta razón deben tomarlo del suelo (donde no es abundante) en forma de nitratos o de iones amonio. Los consumidores obtienen su nitrógeno a partir de los ácidos nucleicos y proteínas de los productores. En el ciclo del nitrógeno hay cuatro procesos importantes: fijación, amonificación, nitrificación y desnitrificación. Fijación del nitrógeno atmosférico: Consiste en la incorporación del nitrógeno molecular gaseoso en moléculas orgánicas. Existen algunos microorganismos que son capaces de combinar el N2 con el H para formar amoníaco, NH3, proceso que se denomina fijación biológica del nitrógeno. Principalmente son bacterias que viven libres en el suelo (Azotobacter) o en simbiosis en las raíces de determinadas plantas como las leguminosas (Rhizobium), algas cianoficeas (Nostoc, Anabaena, que forman parte del fitoplancton) y hongos (Frankia, que forma nódulos radiculares en ciertos árboles). Las bacterias del género Rhizobium son simbiontes y se asocian con las raíces de leguminosas, a las que ceden parte del nitrógeno captado. Ello explica la conveniencia de realizar rotaciones con leguminosas en los campos de cultivo, ya que, de este modo, los fertilizan de forma natural. Otras formas de conversión del N2 en nitrógeno asimilable por las plantas son las tormentas eléctricas (fijación atmosférica) ya que el N2 se combina con el oxígeno de la atmósfera formando óxidos de nitrógeno: NO, N2O, NO2 (NOx). Éstos reaccionan con el vapor de agua que hay en la atmósfera formando ácido nítrico (HNO3) que cae con la lluvia; al llegar al suelo reaccionan con sus componentes formando nitratos que las plantas asimilan. La fijación industrial consiste en la fabricación de abonos nitrogenados y posterior abonado. Amonificación: Es la liberación de NH3 a partir de las proteínas y ácidos nucleicos de los restos orgánicos. Intervienen bacterias quimioheterótrofas (descomponedoras) Nitrificación: Es la oxidación del NH3 obteniéndose las sales nitrogenadas. El NH3 del suelo es transformado en los nitratros que necesitan las plantas por el proceso de nitrificación, en el que intervienen las bacterias nitrificantes (son bacterias quimiolitotrofas aerobias). Este proceso tiene lugar en dos fases: bacterias del género Nitrosomonas transforman el amoniaco en ión nitrito (nitrosación); bacterias del género Nitrobacter oxidan los nitritos para formar nitratos (nitratación). Desnitrificación: Es un proceso contrario a la nitrificación, que se produce cuando hay condiciones anaerobias en el suelo, bien por encharcamiento, por compactación o por una disminución del pH. También es un proceso bacteriano. Estas bacterias devuelven el nitrógeno a la atmósfera. El proceso consiste en el paso de nitratos a nitritos y de éstos a N2 y N2O que pasan al aire. Lo producen bacterias anaerobias del género Pseudomonas. Este proceso es muy perjudicial para la agricultura, ya que reducen la cantidad de nitratos en el suelo.

Intervenciones humanas en el ciclo del nitrógeno El nitrógeno es uno de los nutrientes esenciales para la vida, sin embargo, debido a la intromisión humana en su ciclo, se ha convertido en un contaminante. El hombre contamina la atmósfera con varios óxidos de nitrógeno y contamina el agua con nitratos lixiviados de los suelos agrícolas. •

El abonado excesivo a las tierras de cultivo perturba el equilibrio natural entre fijación y desnitrificación. Por un lado, la excesiva fertilización del suelo conduce al lixiviado de los nitratos que pasan a las aguas subterráneas, y a través de la escorrentía llegan a los ecosistemas acuáticos donde producen eutrofización. Por otro lado, se incrementa la desnitrificación, aumentando así los niveles atmosféricos de N2O; este gas contribuye al efecto invernadero y a la destrucción de la capa de ozono

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El exceso de riego y el pisoteo excesivo, favorecen condiciones de anaerobiosis en el suelo y con ello la desnitrificación. Esto conlleva un empobrecimiento del suelo en nitratos, además de los problemas del punto anterior.

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Los procesos de combustión a altas temperaturas que tienen lugar en los automóviles y en industrias, liberan moléculas de NO2 a la atmósfera. Allí, con el vapor de agua atmosférico, dan lugar a ácido nítrico, uno de los causantes de la lluvia ácida.

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Los nitratos en agua son perjudiciales para el hombre

CICLO DEL NITRÓGENO

N2 ATMOSFÉRICO

Fijación biológica (bacterias del suelo)

DESCOMPONEDORES

Nitrosación (bacterias del suelo)

Restos NO2 CONSUMIDORES Nitratación NO2

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Alimento

PRODUCTORES

(bacterias del suelo)

Fotosíntesis

Desnitrificación (bacterias del suelo)

NO3 -

(abonos)

N2 N2O

Fijación industrial

NH3

Fijación atmosférica

Amonificación (bacterias del suelo)

CICLO DEL AZUFRE

La reserva principal de azufre se encuentra, en forma de sulfatos en la hidrosfera y en los yesos y piritas de la litosfera. En la atmósfera, el azufre se encuentra en forma de: -

Sulfuro de hidrógeno (H2S), que proviene de la actividad volcánica, la descomposición de la materia orgánica y del océano por la acción de ciertas algas denominadas DMS Dióxido de azufre (SO2) y sulfatos (SO42-) originados por la actividad volcánica y, mayoritariamente, por el uso de combustibles fósiles por el hombre. Sulfatos contenidos en las microgotas de aerosol de agua marina que los vientos transportan desde el mar al interior de los continentes.

Estos compuestos reaccionan con el vapor de agua de la atmósfera transformándose en ácido sulfúrico (H2SO4) que vuelve a la tierra como lluvia, formando parte de la llamada lluvia ácida. En la litosfera, el azufre se encuentra en su mayoría como yeso (sulfato de calcio hidratado), que se forma debido a la evaporación de aguas marinas ricas en sulfatos (el mar es el principal reservorio de este bioelemento). Otro acúmulo importante de azufre en el suelo son los sulfuros de hierro (piritas), que quedan en sedimentos arcillosos; estos pueden ser devueltos a la atmósfera por la actividad volcánica o mediante la quema de combustibles fósiles. Los sulfatos (SO42-) depositados en el suelo y en el agua constituyen la principal fuente de azufre para los seres vivos. Los vegetales (y otros organismos fotosintéticos) incorporan el azufre a partir de los sulfatos, y mediante la fotosíntesis los reducen a sulfuro de hidrógeno (H2S) que utilizan para fabricar ciertas moléculas orgánicas como aminoácidos (proteínas) y acetil-coenzima A. De esta manera es transferido a los restantes niveles tróficos. Al morir los organismos, sus restos proteicos son descompuestos y reducidos a sulfuro de hidrógeno por la acción de bacterias descomponedoras anaerobias, como Aerobacter. El H2S del suelo o del agua puede oxidarse de nuevo a SO42- por la acción bacteriana: -

En condiciones aerobias es oxidado por bacterias autótrofas quimiosintéticas (Thiobacillus) En condiciones anaerobias puede ser aprovechado por bacterias fotosintéticas (fotosíntesis anoxigénica).

En el suelo existen otras bacterias, las sulfobacterias o bacterias sulfatorreductoras que, en condiciones anaerobias, devuelven los sulfatos a sulfuros (Desulfovibrio).

Parte del sulfuro de hidrógeno, tanto en medios terrestre como acuáticos puede quedar inmovilizado en forma de piritas o formando parte del petróleo o carbón. Este azufre puede ser devuelto a la atmósfera por la actividad volcánina, actividad biológica y la quema de combustibles fósiles.

Intervenciones humanas en el ciclo del azufre De todos los gases atmosféricos, el dióxido de azufre es el más implicado en la contaminación del aire. Las principales fuentes pertenecen a dos categorías: naturales y de

origen humano. Las fuentes naturales incluyen la actividad microbiana, los volcanes, el aerosol marino y y la erosión. Las emisiones de origen humano proceden de las centrales térmicas, la industria y la automoción.

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CICLO DEL AZUFRE

ATMÓSFERA H2S S02 SO42Alimentación

Vapor de agua PRODUCTORES

CONSUMIDORES

Absorción Restos

H2SO4

Restos DESCOMPONEDORES Lluvia

SO42SUELO

Bacterias quimiosintéticas y fotosintéticas

Combustión

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El SO2 produce una toxicidad aguda y daños graves a la vegetación en el área circundante a la fuente de emisión. Al combinarse con el vapor de agua de la atmósfera forma la lluvia ácida que produce efectos nocivos sobre la vegetación, el hombre y las construcciones La presencia de sulfuro de hidrógeno en las zonas anaerobias (sedimentos del fondo) de los ecosistemas acuáticos, en aguas residuales con una gran proporción de materia orgánica o en suelos inundados también ricos en materia orgánica, es nociva para la mayoría de los organismos

Meteorización, erosión, vulcanismo, minería

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Bacterias descomponedoras

H 2S Bacterias sulfatorreductoras Acumulación Sedimentación

SULFUROS DE HIERRO

PETRÓLEO, CARBÓN