Ciclos Biogeoquímicos

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Se denomina  ciclo biogeoquímico  al movimiento de cantidades masivas de carbono, nitrógeno, oxígeno, hidrógeno, calcio, sodio, azufre, fósforo, potasio, y otros elementos entre los seres vivos y el ambiente (atmósfera, biomasa y sistemas acuáticos) mediante una serie de procesos de producción y descomposición.

CICLO DEL NITROGENO

·     El ciclo de nitrógeno es un conjunto de procesos biogeoquímicos por los cuales el nitrógeno pasa por reacciones químicas, cambia de forma y se mueve por diferentes embalses en la tierra, incluyendo en organismos vivientes.

·     El nitrógeno es requerido para que todos los organismos se mantengan vivos y crezcan porque es un componente esencial para ADN, ARN y proteína. Sin embargo, la mayoría de los organismos no pueden utilizar nitrógeno atmosférico, el embalse más grande.

·    Los cinco procesos en el ciclo de nitrógeno – fijación, asimilación, mineralización (o amonificación), nitrificación y des nitrificación.

·    Los humanos influyen el sistema global de nitrógeno principalmente por medio de la utilización de fertilizantes basados en nitrógeno.

El Nitrógeno (N), el ladrillo que construye la vida, es un componente esencial del ADN, del ARN, y de las proteínas. Todos los organismos requieren nitrógeno para vivir y crecer. A pesar que la mayoría del aire que respiramos es N₂, la mayoría del nitrógeno en la atmósfera no está al alcance para el uso de los organismos. La razón reside en que debido al fuerte enlace triple entre los átomos N en las moléculas de N₂, el nitrógeno es relativamente inerte. En realidad, para que las plantas y los animales puedan usar nitrógeno, el gas N₂ tiene primero que ser convertido a una forma química disponible como el amonio (NH₄⁺), el nitrato (NO₃^-), o el nitrógeno orgánico (e.g. urea - (NH₃)₂CO). La naturaleza inerte del N₂significa que el nitrógeno biológico disponible es, a menudo, escasa en los ecosistemas naturales. Esto limita el crecimiento de las plantas y la acumulación de biomasa.

El Nitrógeno es un elemento increíblemente versátil que existe en forma inorgánica y orgánica, a la vez que en muchos y diferentes estados de oxidación. El movimiento del nitrógeno entre la atmósfera, la bioesfera y la geoesfera en sus diferentes formas está descrito en el ciclo del nitrógeno (Figura 1). Éste es uno de los ciclos biogeoquímicos más importantes. Al igual que el ciclo carbónico, el ciclo del nitrógeno consiste en varios bancos o bolsas de almacenamiento de nitrógeno y de procesos por los cuales las bolsas intercambian nitrógeno (flechas).

1-Nitrógeno atmosférico, 2-Entrada en la cadena alimentaria, 3-Descomposición de las materias animales (amonificación), 4-Devolución a la atmósfera por desnitrificación, 5-Ingreso en el medio acuático por lixiviación, 6-Humus, 7-Nitrificación. 8-Fijación del nitrógeno en las raíces por las bacterias simbióticas, 9-Absorción del nitrógeno producido por la actividad eléctrica de la atmósfera, 10-Descomposición de las materias vegetales (amonificación).

Los procesos principales que componen el ciclo del nitrógeno que pasa por la bioesfera, la atmósfera y la geoesfera son cinco: la fijación del nitrógeno, la toma de nitrógeno (crecimiento de organismos), la mineralización del nitrógeno (desintegración), la nitrificación y la de nitrificación. Los microorganismos, particularmente las bacterias, juegan un importante papel en todas las principales transformaciones del nitrógeno. Como procesos de mediación microbiales, estas transformaciones de nitrógeno ocurren generalmente más rápido que los procesos geológicos, tales como los movimientos de placas que es un proceso puramente físico que hace parte del ciclo carbónico. En el caso de los procesos de mediación microbianas, la velocidad se ve afectada por factores ambientales como la temperatura, la humedad y la disponibilidad de recursos que influyen la actividad microbiana.

CICLO DEL FÓSFORO

El fósforo es un componente esencial de los organismos. Forma parte de los ácidos nucleicos (ADN y ARN); del ATP y de otras moléculas que tienen PO43- y que almacenan la energía química; de los fosfolípidos que forman las membranas celulares; y de los huesos y dientes de los animales. Está en pequeñas cantidades en las plantas, en proporciones de un 0,2%, aproximadamente. En los animales hasta el 1% de su masa puede ser fósforo.

Su reserva fundamental en la naturaleza es la corteza terrestre. Por meteorización de las rocas o sacado por las cenizas volcánicas, queda disponible para que lo puedan tomar las plantas. Con facilidad es arrastrado por las aguas y llega al mar. Parte del que es arrastrado sedimenta al fondo del mar y forma rocas que tardarán millones de años en volver a emerger y liberar de nuevo las sales de fósforo.

Otra parte es absorbida por el plancton que, a su vez, es comido por organismos filtradores de plancton, como algunas especies de peces. Cuando estos peces son comidos por aves que tienen sus nidos en tierra, devuelven parte del fósforo en las heces (guano) a tierra.

Es el principal factor limitante en los ecosistemas acuáticos y en los lugares en los que las corrientes marinas suben del fondo, arrastrando fósforo del que se ha ido sedimentando, el plancton prolifera en la superficie. Al haber tanto alimento se multiplican los bancos de peces, formándose las grandes pesquerías del Gran Sol, costas occidentales de África y América del Sur y otras.

Con los compuestos de fósforo que se recogen directamente de los grandes depósitos acumulados en algunos lugares de la tierra se abonan los terrenos de cultivo, a veces en cantidades desmesuradas, originándose problemas de eutrofización.

CICLO DEL AZUFRE

Es menos importante que los otros elementos que hemos visto, pero imprescindible porque forma parte de las proteínas.

Su reserva fundamental es la corteza terrestre y es usado por los seres vivos en pequeñas cantidades.

El azufre es un nutriente secundario requerido por plantas y animales para realizar diversas funciones, además el azufre está presente en prácticamente todas las proteínas y de esta manera es un elemento absolutamente esencial para todos los seres vivos.

El azufre circula a través de la biosfera de la siguiente manera, por una parte se comprende el paso desde el suelo o bien desde el agua, si hablamos de un sistema acuático, a las plantas, a los animales y regresa nuevamente al suelo o al agua.

Algunos de los compuestos sulfúricos presentes en la tierra son llevados al mar por los ríos. Este azufre es devuelto a la tierra por un mecanismo que consiste en convertirlo en compuestos gaseosos tales como el ácido sulfhídrico (H2S) y el dióxido de azufre (SO2). Estos penetran en la atmósfera y vuelven a tierra firme. Generalmente son lavados por las lluvias, aunque parte del dióxido de azufre puede ser directamente absorbido por las plantas desde la atmósfera.

La actividad industrial del hombre está provocando exceso de emisiones de gases sulfurosos a la atmósfera y ocasionando problemas como la lluvia ácida.

CICLO DEL CARBONO

El carbono es elemento básico en la formación de las moléculas de carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos, pues todas las moléculas orgánicas están formadas por cadenas de carbonos enlazados entre sí.

La reserva fundamental de carbono, en moléculas de CO2 que los seres vivos puedan asimilar, es la atmósfera y la hidrosfera. Este gas está en la atmósfera en una concentración de más del 0,03% y cada año aproximadamente un 5% de estas reservas de CO2, se consumen en los procesos de fotosíntesis, es decir que todo el anhídrido carbónico se renueva en la atmósfera cada 20 años.

La vuelta de CO2 a la atmósfera se hace cuando en la respiración los seres vivos oxidan los alimentos produciendo CO2. En el conjunto de la biosfera la mayor parte de la respiración la hacen las raíces de las plantas y los organismos del suelo y no, como podría parecer, los animales más visibles.

Los seres vivos acuáticos toman el CO2 del agua. La solubilidad de este gas en el agua es muy superior a la de otros gases, como el O2 o el N2, porque reacciona con el agua formando ácido carbónico. En los ecosistemas marinos algunos organismos convierten parte del CO2 que toman en CaCO3 que necesitan para formar sus conchas, caparazones o masas rocosas en el caso de los arrecifes. Cuando estos organismos mueren sus caparazones se depositan en el fondo formando rocas sedimentarias calizas en el que el C queda retirado del ciclo durante miles y millones de años. Este C volverá lentamente al ciclo cuando se van disolviendo las rocas.

El petróleo, carbón y la materia orgánica acumulados en el suelo son resultado de épocas en las que se ha devuelto menos CO2 a la atmósfera del que se tomaba. Así apareció el O2 en la atmósfera. Si hoy consumiéramos todos los combustibles fósiles almacenados, el O2 desaparecería de la atmósfera. Como veremos el ritmo creciente al que estamos devolviendo CO2 a la atmósfera, por la actividad humana, es motivo de preocupación respecto al nivel de infecto invernadero que puede estar provocando, con el cambio climático consiguiente.

CICLO DEL POTASIO

Inicialmente los  minerales del suelo, como las micas y feldespatos son las fuentes originales de potasio. Que enfrentaron a las micas finas y otras arcillas de silicato en cual algunos de potasio de se celebra en un no intercambiable, pero en  poca forma disponible. Potasio no intercambiable se libera  lentamente a la forma  intercambiable y más tarde a la solución del suelo, de la que es absorbida por las raíces de las plantas, y finalmente se recicla a través de los residuos vegetales y desechos en el suelo.

Al mismo tiempo, la mayor parte del potasio se encuentra en los minerales primarios o en forma no intercambiable o fija. Fertilizantes químicos son una fuente cada vez más importantes de potasio

Es un error creer que en suelos que por naturaleza son ricos en K, adicionar este elemento a los cultivos es innecesario. El potasio extraído por los cultivos debe de regresarse al suelo para no disminuir la fertilidad del mismo; cuando el agricultor saca de la parcela o campo la cosecha, se está llevando consigo el K fuera del sistema agrícola. La figura muestra como las vías de remoción influyen en el reciclaje natural del potasio en el suelo. También, se puede apreciar que se pierde potasio al sacar la cosecha, por lavado, especialmente en suelos arenosos y lugares de alta precipitación pluvial, por escurrimiento y/o erosión en sitios donde la pendiente y el manejo del agua y drenaje son deficientes. Las plantas absorben el potasio que se encuentra en la solución del suelo en forma del catión K+. La cantidad de K en la solución del suelo está en función (controlada por) de la liberación del potasio intercambiable, generalmente localizado alrededor de las partículas (micelas) de arcilla.

CICLO DEL CALCIO

El ciclo de calcio es un ciclo sedimentario, sin fase gaseosa, se encuentra muy relacionado con los siglos del fosforo y del carbono. En la tierra se acumulan unos 7 x 1015 millones de toneladas de calcio, de los cuales 1013 toneladas están en la materia viva y 6x108 se depositan anualmente como carbonato en los fondos oceánicos. Esta acumulación de material cacareo no implica la falta de calcio ionizado en el agua del mar, lo que explica los depósitos de yeso en muchas lagunas litorales.

El calcio es desplazado de sus combinaciones con cierta facilidad por otros metales Fe, Mg, Zn, Mn. El Fe y el Mn se oxidan y liberan CO2. Cuando una precipitación aporta agua de lluvia cargada de CO2, el gas transforma el carbonato insoluble en bicarbonato muy soluble, con lo que se libera el calcio aparentemente bloqueado. Las aguas subterráneas suelen ser así ricas en bicarbonato cálcico, y cuando afloran transforman el compuesto a material soluble, que se deposita. El suelo  calizo tiene su propia vegetación  y unas características generales que todos conocemos.

No todos los elementos químicos tienen la misma movilidad a través del ecosistema. Algunos se desplazan muy poco, mientras que otros viajan prácticamente alrededor de todo el planeta. Esto ha permitido distinguir dos tipos de ciclos biogeoquímicos:

·        Ciclos sedimentarios, también conocidos como ciclos locales, en los que  intervienen elementos que no pueden moverse a través de la atmosfera, sino que se acumulan principalmente en el suelo. Este es caso del calcio, fosforo y el potasio, entre otros.

·        Ciclos atmosféricos, también conocidos como ciclos gaseosos o globales, en los que participan elementos y compuestos que, en estado gaseoso, se mueven por todo el planeta gracias a las corrientes de aire en la atmosfera. El agua, carbono y el nitrógeno se mueven en estos ciclos.

La dinámica del calcio es muy similar a la del potasio, se diferencia únicamente en que no presenta calcio fijado. Los procesos de meteorización de minerales cálcicos especialmente anfíboles y piroxenos llevan a la liberación de Ca estructural. El Ca en la solución del suelo se encuentra en equilibrio con el Ca intercambiable, la magnitud de ambas formas varia constantemente a través de la absorción de Ca por las plantas y las pérdidas por percolación. Encontrándose el Ca en cantidades mayores en el complejo de cambio y en la solución del cuelo.

El calcio predomina generalmente entre las bases cambiables en la cubierta iónica del complejo coloidal del suelo. El contenido en Ca cambiable depende del material parental y del grado de evolución de los suelos. A través de la meteorización y del lavado del Ca este elemento disminuye bastante en los suelos.

Existen reservas de esta sustancia en la roca calcárea. Es absorbido del suelo por las plantas; la lluvia puede lavar algo de ese calcio; los insectos y en general los herbívoros lo obtienen de las plantas; llega a los pájaros por los insectos; cuando los animales y los pájaros mueren, el calcio regresa a la tierra por la descomposición natural y la mineralización; los carnívoros lo obtienen al comer los huesos de sus presas; el hombre lo ingiere por los productos lácteos, legumbres y frutas. En el mar, el fitoplancton absorbe mucho calcio que pasa luego al zooplancton, a los peces, al hombre y a las aves marinas; una vez muertos los seres marinos, se forman los enormes depósitos calcáreos los que, por la evolución geológica, emergerán al cabo de millones de años.