Existen diferentes tipos de ciclos biogeoquímicos dependiendo del compuesto del que se trate:
El Ciclo Biogeoquímico del agua
La hidrosfera es el área de la Tierra donde se produce el movimiento y almacenamiento de agua: como agua líquida en la superficie (ríos, lagos, océanos) y debajo de la superficie (agua subterránea) o hielo, (casquetes polares y glaciares), y como vapor de agua en la atmósfera.
El cuerpo humano es aproximadamente 60 por ciento de agua y las células humanas son más del 70 por ciento de agua. De las reservas de agua en la Tierra, el 97,5 por ciento es agua salada. Del agua restante, más del 99 por ciento es agua subterránea o hielo.
Por lo tanto, menos del uno por ciento del agua dulce está presente en lagos y ríos. Muchos organismos dependen de este pequeño porcentaje, cuya falta puede tener efectos negativos en los ecosistemas.
Los seres humanos, por supuesto, han desarrollado tecnologías para aumentar la disponibilidad de agua, como la excavación de pozos para cosechar agua subterránea, el almacenamiento de agua de lluvia y el uso de la desalinización para obtener agua potable del océano.
Aunque esta búsqueda de agua potable ha sido constante a lo largo de la historia de la humanidad, el suministro de agua dulce sigue siendo un problema importante en los tiempos modernos.
Los diversos procesos que ocurren durante el ciclo del agua se enumeran a continuación:
El ciclo del agua es impulsado por la energía del Sol a medida que calienta los océanos y otras aguas superficiales. Esto lleva a la evaporación (agua líquida a vapor de agua) de las aguas superficiales líquidas y a la sublimación (hielo a vapor de agua) del agua congelada, moviendo así grandes cantidades de agua a la atmósfera en forma de vapor de agua.
Con el tiempo, este vapor de agua se condensa en nubes en forma de gotitas líquidas o congeladas y eventualmente conduce a la precipitación (lluvia, nieve, granizo), que devuelve el agua a la superficie de la Tierra.
La lluvia que llega a la superficie de la Tierra puede evaporarse de nuevo, fluir sobre la superficie o filtrarse en el suelo. Lo más fácil de observar es la escorrentía superficial: el flujo de agua dulce sobre la tierra, ya sea por la lluvia o por el derretimiento del hielo. La escorrentía puede llegar a los océanos a través de arroyos y lagos.
En la mayoría de los ambientes terrestres naturales, la lluvia se encuentra con la vegetación antes de llegar a la superficie del suelo. Un porcentaje significativo de agua se evapora inmediatamente de las superficies de las plantas.
Lo que queda llega al suelo y comienza a moverse hacia abajo. La escorrentía superficial se producirá sólo si el suelo se satura de agua en caso de fuertes lluvias. El agua del suelo puede ser absorbida por las raíces de las plantas.
La planta usará parte de esta agua para su propio metabolismo y parte de ella se introducirá en los animales que se la comen, pero gran parte de ella se perderá en la atmósfera a través de un proceso conocido como transpiración:
El agua entra en el sistema vascular de las plantas a través de las raíces y se evapora, o transpira, a través de los estomas (pequeñas aberturas del microscopio) de las hojas. Los ecologistas combinan transpiración y evaporación en un solo término que describe el agua devuelta a la atmósfera: evapotranspiración.
El agua del suelo que no es absorbida por una planta y que no se evapora es capaz de filtrarse al subsuelo y al lecho rocoso donde forma el agua subterránea.
La lluvia y la escorrentía superficial son las principales formas en que los minerales, incluidos el fósforo y el azufre, se desplazan de la tierra al agua. Los efectos ambientales de la escorrentía se discutirán más adelante al describir estos ciclos.
El agua de la tierra y los océanos entra en la atmósfera por evaporación o sublimación, donde se condensa en nubes y cae como lluvia o nieve. El agua precipitada puede entrar en cuerpos de agua dulce o infiltrarse en el suelo. El ciclo se completa cuando las aguas superficiales o subterráneas vuelven a entrar en el océano.
Por lo tanto, menos del uno por ciento del agua dulce está presente en lagos y ríos. Muchos organismos dependen de este pequeño porcentaje, cuya falta puede tener efectos negativos en los ecosistemas.
Los seres humanos, por supuesto, han desarrollado tecnologías para aumentar la disponibilidad de agua, como la excavación de pozos para cosechar agua subterránea, el almacenamiento de agua de lluvia y el uso de la desalinización para obtener agua potable del océano.
Aunque esta búsqueda de agua potable ha sido constante a lo largo de la historia de la humanidad, el suministro de agua dulce sigue siendo un problema importante en los tiempos modernos.
Los diversos procesos que ocurren durante el ciclo del agua se enumeran a continuación:
- ☢ Evaporación y sublimación
- ☢ Condensación y precipitación
- ☢ Flujo de agua subterránea
- ☢ Escorrentía superficial y deshielo
- ☢ Corrientes
El ciclo del agua es impulsado por la energía del Sol a medida que calienta los océanos y otras aguas superficiales. Esto lleva a la evaporación (agua líquida a vapor de agua) de las aguas superficiales líquidas y a la sublimación (hielo a vapor de agua) del agua congelada, moviendo así grandes cantidades de agua a la atmósfera en forma de vapor de agua.
Con el tiempo, este vapor de agua se condensa en nubes en forma de gotitas líquidas o congeladas y eventualmente conduce a la precipitación (lluvia, nieve, granizo), que devuelve el agua a la superficie de la Tierra.
La lluvia que llega a la superficie de la Tierra puede evaporarse de nuevo, fluir sobre la superficie o filtrarse en el suelo. Lo más fácil de observar es la escorrentía superficial: el flujo de agua dulce sobre la tierra, ya sea por la lluvia o por el derretimiento del hielo. La escorrentía puede llegar a los océanos a través de arroyos y lagos.
En la mayoría de los ambientes terrestres naturales, la lluvia se encuentra con la vegetación antes de llegar a la superficie del suelo. Un porcentaje significativo de agua se evapora inmediatamente de las superficies de las plantas.
Lo que queda llega al suelo y comienza a moverse hacia abajo. La escorrentía superficial se producirá sólo si el suelo se satura de agua en caso de fuertes lluvias. El agua del suelo puede ser absorbida por las raíces de las plantas.
La planta usará parte de esta agua para su propio metabolismo y parte de ella se introducirá en los animales que se la comen, pero gran parte de ella se perderá en la atmósfera a través de un proceso conocido como transpiración:
El agua entra en el sistema vascular de las plantas a través de las raíces y se evapora, o transpira, a través de los estomas (pequeñas aberturas del microscopio) de las hojas. Los ecologistas combinan transpiración y evaporación en un solo término que describe el agua devuelta a la atmósfera: evapotranspiración.
El agua del suelo que no es absorbida por una planta y que no se evapora es capaz de filtrarse al subsuelo y al lecho rocoso donde forma el agua subterránea.
La lluvia y la escorrentía superficial son las principales formas en que los minerales, incluidos el fósforo y el azufre, se desplazan de la tierra al agua. Los efectos ambientales de la escorrentía se discutirán más adelante al describir estos ciclos.
El agua de la tierra y los océanos entra en la atmósfera por evaporación o sublimación, donde se condensa en nubes y cae como lluvia o nieve. El agua precipitada puede entrar en cuerpos de agua dulce o infiltrarse en el suelo. El ciclo se completa cuando las aguas superficiales o subterráneas vuelven a entrar en el océano.
El Ciclo Biogeoquímico del Carbono
El carbono es el segundo elemento más abundante en los organismos, por masa. El carbono está presente en todas las moléculas orgánicas (y en algunas moléculas que no son orgánicas, como el CO2), y su papel en la estructura de las biomoléculas es de vital importancia.
Los compuestos de carbono contienen energía, y muchos de estos compuestos de plantas muertas y algas se han fosilizado durante millones de años y se conocen como combustibles fósiles. Desde el siglo XIX, el uso de combustibles fósiles se ha acelerado.
Desde el comienzo de la Revolución Industrial, la demanda de los limitados suministros de combustibles fósiles de la Tierra ha aumentado, haciendo que la cantidad de dióxido de carbono en nuestra atmósfera aumente drásticamente.
Este aumento del dióxido de carbono está asociado con el cambio climático y es una de las principales preocupaciones ambientales en todo el mundo.
El ciclo del carbono se estudia más fácilmente como dos subciclos interconectados: uno que trata del rápido intercambio de carbono entre organismos vivos y el otro que trata del ciclo a largo plazo del carbono a través de procesos geológicos.
El dióxido de carbono existe en la atmósfera y se disuelve en el agua. La fotosíntesis convierte el dióxido de carbono en carbono orgánico, y la respiración hace que el carbono orgánico vuelva a convertirse en gas de dióxido de carbono.
El almacenamiento a largo plazo de carbono orgánico ocurre cuando la materia de los organismos vivos es enterrada profundamente bajo tierra y se fosiliza. La actividad volcánica y, más recientemente, las emisiones humanas devuelven este carbono almacenado al ciclo del carbono.
Características del Ciclo del Carbono
Los organismos están conectados de muchas maneras, incluso entre diferentes ecosistemas. Un buen ejemplo de esta conexión es el intercambio de carbono entre heterótropos y autotróficos por medio del dióxido de carbono atmosférico.
El dióxido de carbono (CO2) es el componente básico que los autótrofos utilizan para construir compuestos de alta energía como la glucosa. La energía aprovechada del Sol es utilizada por estos organismos para formar los enlaces covalentes que unen los átomos de carbono.
Estos enlaces químicos almacenan esta energía para su uso posterior en el proceso de respiración. La mayoría de los autotrófos terrestres obtienen su dióxido de carbono directamente de la atmósfera, mientras que los autotrófos marinos lo adquieren en forma disuelta (bicarbonato, HCO3-).
El carbono pasa de los productores a niveles tróficos más altos a través del consumo. Por ejemplo, cuando una vaca (consumidor primario) come hierba (productor), obtiene algunas de las moléculas orgánicas originalmente producidas por la fotosíntesis de la planta.
Estos compuestos orgánicos pueden pasar a niveles tróficos más altos, como los humanos, cuando comemos la vaca. En cada nivel, sin embargo, los organismos están realizando la respiración, un proceso en el que las moléculas orgánicas se descomponen para liberar energía.
A medida que estas moléculas orgánicas se descomponen, el carbono se elimina de las moléculas de los alimentos para formar CO2, un gas que entra en la atmósfera. Por lo tanto, el CO2 es un subproducto de la respiración.
Recordemos que el CO2 es consumido por los productores durante la fotosíntesis para producir moléculas orgánicas. A medida que estas moléculas se descomponen durante la respiración, el carbono vuelve a entrar en la atmósfera en forma de CO2.
El intercambio de carbono de este tipo conecta potencialmente a todos los organismos de la Tierra. Piensa en esto: el carbono en tu ADN fue una vez parte de una planta; hace millones de años quizás fue parte de un dinosaurio.
Evolución del ciclo biogeoquímico del carbono
El movimiento del carbono a través de la tierra, el agua y el aire es complejo y, en muchos casos, ocurre mucho más lentamente que el movimiento entre organismos.
El carbono se almacena durante largos períodos en lo que se conoce como depósitos de carbono, que incluyen la atmósfera, cuerpos de agua líquida (principalmente océanos), sedimentos oceánicos, suelo, rocas (incluidos los combustibles fósiles) y el interior de la Tierra.
Como se ha dicho, la atmósfera es un importante reservorio de carbono en forma de dióxido de carbono que es esencial para el proceso de fotosíntesis. El nivel de dióxido de carbono en la atmósfera está muy influenciado por el depósito de carbono en los océanos.
El intercambio de carbono entre la atmósfera y los depósitos de agua influye en la cantidad de carbono que se encuentra en cada uno. El dióxido de carbono (CO2) de la atmósfera se disuelve en el agua y reacciona con las moléculas de agua para formar compuestos iónicos.
Algunos de estos iones se combinan con iones de calcio en el agua de mar para formar carbonato de calcio (CaCO3), un componente importante de las conchas de los organismos marinos. Estos organismos eventualmente mueren y sus conchas forman sedimentos en el fondo del océano.
A lo largo del tiempo geológico, el carbonato cálcico forma la piedra caliza, que constituye el mayor depósito de carbono de la Tierra.
En la tierra, el carbono se almacena en el suelo como carbono orgánico como resultado de la descomposición de organismos o de la erosión de rocas y minerales terrestres (los suelos del mundo contienen significativamente más carbono que la atmósfera, a modo de comparación).
En el subsuelo más profundo se encuentran los combustibles fósiles, los restos descompuestos anaeróbicamente de plantas y algas que vivieron hace millones de años. Los combustibles fósiles se consideran un recurso no renovable porque su uso supera con creces su ritmo de formación.
Un recurso no renovable se regenera muy lentamente o no se regenera en absoluto. Otra forma de que el carbono entre en la atmósfera es desde la tierra (incluida la tierra bajo la superficie del océano) por la erupción de volcanes y otros sistemas geotérmicos.
Los sedimentos de carbono del fondo del océano son llevados profundamente dentro de la Tierra por el proceso de subducción: el movimiento de una placa tectónica debajo de otra. El carbono se libera en forma de dióxido de carbono cuando un volcán entra en erupción o por los respiraderos hidrotérmicos volcánicos.
El nitrógeno entra en el mundo vivo a través de bacterias libres y simbióticas, que incorporan nitrógeno en sus moléculas orgánicas a través de procesos bioquímicos especializados. Ciertas especies de bacterias son capaces de realizar la fijación del nitrógeno, el proceso de convertir el gas nitrógeno en amoníaco (NH3), que se convierte espontáneamente en amonio (NH4+).
El amonio es convertido por las bacterias en nitritos (NO2-) y luego en nitratos (NO3-). En este punto, las moléculas que contienen nitrógeno son utilizadas por las plantas y otros productores para producir moléculas orgánicas como el ADN y las proteínas. Este nitrógeno ya está disponible para los consumidores.
El nitrógeno orgánico es especialmente importante para el estudio de la dinámica de los ecosistemas porque muchos procesos de los ecosistemas,
como la producción primaria, están limitados por el suministro disponible de nitrógeno.
El nitrógeno que entra a los sistemas vivos es eventualmente convertido de nitrógeno orgánico a gas nitrógeno por las bacterias. El proceso de desnitrificación es cuando las bacterias convierten los nitratos en gas nitrógeno, permitiéndole así volver a entrar en la atmósfera.
Caracteristicas del Ciclo del nitrógeno
El nitrógeno entra al mundo viviente desde la atmósfera a través de bacterias fijadoras de nitrógeno. Este nitrógeno y los residuos nitrogenados de los animales son procesados de nuevo en nitrógeno gaseoso por las bacterias del suelo, que también suministran a las redes alimentarias terrestres el nitrógeno orgánico que necesitan.
La actividad humana puede alterar el ciclo del nitrógeno por dos medios principales: la combustión de combustibles fósiles, que libera diferentes óxidos de nitrógeno, y por el uso de fertilizantes artificiales (que contienen compuestos de nitrógeno y fósforo) en la agricultura, que luego son arrastrados a lagos, arroyos y ríos por escorrentía superficial.
El nitrógeno atmosférico (distinto del N2) está asociado con varios efectos sobre los ecosistemas de la Tierra, incluyendo la producción de lluvia ácida (como el ácido nítrico, HNO3) y los efectos de los gases de efecto invernadero (como el óxido nitroso, N2O), que potencialmente causan el cambio climático.
Un efecto importante de la escorrentía de fertilizantes es la eutrofización del agua salada y dulce, un proceso por el cual la escorrentía de nutrientes causa el crecimiento excesivo de algas, el agotamiento del oxígeno y la muerte de la fauna acuática.
En los ecosistemas marinos, los compuestos de nitrógeno creados por bacterias, o por descomposición, se acumulan en los sedimentos del fondo marino. Luego puede ser trasladado a tierra en el tiempo geológico por el levantamiento de la corteza terrestre y por lo tanto incorporado en la roca terrestre.
Aunque el movimiento de nitrógeno de la roca directamente a los sistemas vivos ha sido tradicionalmente visto como insignificante en comparación con el nitrógeno fijado desde la atmósfera, un estudio reciente demostró que este proceso puede ser significativo y debe ser incluido en cualquier estudio del ciclo global del nitrógeno.
El fósforo se encuentra en la naturaleza como ión fosfato (PO43-). Además de la escorrentía de fosfato como resultado de la actividad humana, la escorrentía natural superficial ocurre cuando se filtra de la roca que contiene fosfato por la acción de la intemperie, enviando así fosfatos a los ríos, lagos y al océano.
Esta roca tiene su origen en el océano. Los sedimentos oceánicos que contienen fosfato se forman principalmente a partir de los cuerpos de los organismos oceánicos y de sus excreciones. Sin embargo, las cenizas volcánicas, los aerosoles y el polvo mineral también pueden ser fuentes importantes de fosfato.
Este sedimento entonces es movido a la tierra sobre el tiempo geológico por el levantamiento de la superficie de la Tierra.
El fósforo también se intercambia entre el fosfato disuelto en el océano y los organismos marinos. El movimiento de fosfato desde el océano hacia la tierra y a través del suelo es extremadamente lento, con un tiempo de residencia oceánico promedio de entre 20.000 y 100.000 años.
En la naturaleza, el fósforo existe como ión fosfato (PO43-). La erosión de las rocas y la actividad volcánica libera fosfato en el suelo, el agua y el aire, donde se pone a disposición de las redes alimentarias terrestres. El fosfato entra a los océanos en la escorrentía superficial, el flujo del agua subterránea y el flujo de los ríos.
El fosfato disuelto en los ciclos del agua del océano se convierte en redes alimenticias marinas. Parte del fosfato de las redes alimenticias marinas cae al fondo del océano, donde forma sedimentos.
El exceso de fósforo y nitrógeno que ingresa a estos ecosistemas por la escorrentía de fertilizantes y por las aguas residuales causa un crecimiento excesivo de algas. La subsiguiente muerte y descomposición de estos organismos agota el oxígeno disuelto, lo que lleva a la muerte de organismos acuáticos como los mariscos y los peces.
Este proceso es responsable de las zonas muertas en los lagos y en las desembocaduras de muchos ríos importantes y de la muerte masiva de peces, que suele ocurrir durante los meses de verano.
El mapa del mundo muestra las zonas donde se producen zonas muertas. Las zonas muertas están presentes a lo largo de la costa este y oeste de los Estados Unidos, en los mares norte y mediterráneo y frente a la costa este de Asia.
Las zonas muertas ocurren cuando el fósforo y el nitrógeno de los fertilizantes causan un crecimiento excesivo de microorganismos, lo que agota el oxígeno y mata a la fauna. En todo el mundo se encuentran grandes zonas muertas en las zonas costeras de alta densidad de población.
Una zona muerta es un área en lagos y océanos cerca de las desembocaduras de los ríos donde grandes áreas se agotan periódicamente de su flora y fauna normal. Estas zonas son causadas por la eutrofización junto con otros factores como los derrames de petróleo, el vertido de productos químicos tóxicos y otras actividades humanas.
El número de zonas muertas ha aumentado durante varios años, y más de 400 de estas zonas estaban presentes en 2008. Una de las peores zonas muertas está frente a las costas de Estados Unidos en el Golfo de México: la escorrentía de fertilizantes de la cuenca del río Mississippi creó una zona muerta de más de 8.463 millas cuadradas.
La escorrentía de fosfato y nitrato de los fertilizantes también afecta negativamente varios ecosistemas de lagos y bahías, incluyendo la Bahía de Chesapeake en el este de los Estados Unidos.
El azufre atmosférico se encuentra en forma de dióxido de azufre (SO2), que entra en la atmósfera de tres maneras: primero, por la descomposición de moléculas orgánicas; segundo, por la actividad volcánica y los respiraderos geotérmicos; y, tercero, por la quema de combustibles fósiles por parte de los humanos.
El dióxido de azufre de la atmósfera está disponible para los ecosistemas terrestres y marinos cuando se disuelve en precipitaciones en forma de ácido sulfúrico débil o cuando cae directamente a la Tierra como lluvia radiactiva.
La erosión de las rocas también hace que los sulfatos estén disponibles para los ecosistemas terrestres. La descomposición de los organismos vivos devuelve los sulfatos al océano, al suelo y a la atmósfera.
En la tierra, el azufre se deposita de cuatro maneras principales: precipitación, precipitación directa de la atmósfera, erosión de las rocas y respiraderos geotérmicos. El azufre atmosférico se encuentra en forma de dióxido de azufre (SO2), y a medida que la lluvia cae a través de la atmósfera, el azufre se disuelve en forma de ácido sulfúrico débil (H2SO4).
El azufre también puede caer directamente de la atmósfera en un proceso llamado lluvia radiactiva. Además, a medida que las rocas que contienen azufre se van acumulando, el azufre se libera en el suelo. Estas rocas se originan a partir de sedimentos oceánicos que se mueven hacia la tierra por el levantamiento geológico de los sedimentos oceánicos.
Los ecosistemas terrestres pueden entonces hacer uso de estos sulfatos del suelo (SO42-), que entran en la red alimenticia al ser absorbidos por las raíces de las plantas. Cuando estas plantas se descomponen y mueren, el azufre es liberado a la atmósfera como gas de sulfuro de hidrógeno (H2S).
El azufre entra al océano en la escorrentía de la tierra, de las precipitaciones atmosféricas y de los respiraderos geotérmicos submarinos. Algunos ecosistemas dependen de quimioautotrofos que utilizan azufre como fuente de energía biológica. Este azufre sostiene entonces los ecosistemas marinos en forma de sulfatos.
Las actividades humanas han desempeñado un papel importante en la alteración del equilibrio del ciclo mundial del azufre. La quema de grandes cantidades de combustibles fósiles, especialmente de carbón, libera grandes cantidades de gas de sulfuro de hidrógeno a la atmósfera.
A medida que la lluvia cae a través de este gas, crea el fenómeno conocido como lluvia ácida, que daña el medio ambiente natural al bajar el pH de los lagos, matando así a muchas de las plantas y animales residentes.
La lluvia ácida es la lluvia corrosiva causada por el agua de lluvia que cae al suelo a través del gas dióxido de azufre, convirtiéndola en ácido sulfúrico débil, que causa daños a los ecosistemas acuáticos. La lluvia ácida también afecta el ambiente creado por el hombre a través de la degradación química de los edificios.
Por ejemplo, muchos monumentos de mármol, como el Lincoln Memorial en Washington, DC, han sufrido daños significativos por la lluvia ácida a lo largo de los años. Estos ejemplos muestran los efectos de gran alcance de las actividades humanas sobre nuestro medio ambiente y los retos que quedan por delante para nuestro futuro.
Los compuestos de carbono contienen energía, y muchos de estos compuestos de plantas muertas y algas se han fosilizado durante millones de años y se conocen como combustibles fósiles. Desde el siglo XIX, el uso de combustibles fósiles se ha acelerado.
Desde el comienzo de la Revolución Industrial, la demanda de los limitados suministros de combustibles fósiles de la Tierra ha aumentado, haciendo que la cantidad de dióxido de carbono en nuestra atmósfera aumente drásticamente.
Este aumento del dióxido de carbono está asociado con el cambio climático y es una de las principales preocupaciones ambientales en todo el mundo.
El ciclo del carbono se estudia más fácilmente como dos subciclos interconectados: uno que trata del rápido intercambio de carbono entre organismos vivos y el otro que trata del ciclo a largo plazo del carbono a través de procesos geológicos.
El dióxido de carbono existe en la atmósfera y se disuelve en el agua. La fotosíntesis convierte el dióxido de carbono en carbono orgánico, y la respiración hace que el carbono orgánico vuelva a convertirse en gas de dióxido de carbono.
El almacenamiento a largo plazo de carbono orgánico ocurre cuando la materia de los organismos vivos es enterrada profundamente bajo tierra y se fosiliza. La actividad volcánica y, más recientemente, las emisiones humanas devuelven este carbono almacenado al ciclo del carbono.
Características del Ciclo del Carbono
Los organismos están conectados de muchas maneras, incluso entre diferentes ecosistemas. Un buen ejemplo de esta conexión es el intercambio de carbono entre heterótropos y autotróficos por medio del dióxido de carbono atmosférico.
El dióxido de carbono (CO2) es el componente básico que los autótrofos utilizan para construir compuestos de alta energía como la glucosa. La energía aprovechada del Sol es utilizada por estos organismos para formar los enlaces covalentes que unen los átomos de carbono.
Estos enlaces químicos almacenan esta energía para su uso posterior en el proceso de respiración. La mayoría de los autotrófos terrestres obtienen su dióxido de carbono directamente de la atmósfera, mientras que los autotrófos marinos lo adquieren en forma disuelta (bicarbonato, HCO3-).
El carbono pasa de los productores a niveles tróficos más altos a través del consumo. Por ejemplo, cuando una vaca (consumidor primario) come hierba (productor), obtiene algunas de las moléculas orgánicas originalmente producidas por la fotosíntesis de la planta.
Estos compuestos orgánicos pueden pasar a niveles tróficos más altos, como los humanos, cuando comemos la vaca. En cada nivel, sin embargo, los organismos están realizando la respiración, un proceso en el que las moléculas orgánicas se descomponen para liberar energía.
A medida que estas moléculas orgánicas se descomponen, el carbono se elimina de las moléculas de los alimentos para formar CO2, un gas que entra en la atmósfera. Por lo tanto, el CO2 es un subproducto de la respiración.
Recordemos que el CO2 es consumido por los productores durante la fotosíntesis para producir moléculas orgánicas. A medida que estas moléculas se descomponen durante la respiración, el carbono vuelve a entrar en la atmósfera en forma de CO2.
El intercambio de carbono de este tipo conecta potencialmente a todos los organismos de la Tierra. Piensa en esto: el carbono en tu ADN fue una vez parte de una planta; hace millones de años quizás fue parte de un dinosaurio.
Evolución del ciclo biogeoquímico del carbono
El movimiento del carbono a través de la tierra, el agua y el aire es complejo y, en muchos casos, ocurre mucho más lentamente que el movimiento entre organismos.
El carbono se almacena durante largos períodos en lo que se conoce como depósitos de carbono, que incluyen la atmósfera, cuerpos de agua líquida (principalmente océanos), sedimentos oceánicos, suelo, rocas (incluidos los combustibles fósiles) y el interior de la Tierra.
Como se ha dicho, la atmósfera es un importante reservorio de carbono en forma de dióxido de carbono que es esencial para el proceso de fotosíntesis. El nivel de dióxido de carbono en la atmósfera está muy influenciado por el depósito de carbono en los océanos.
El intercambio de carbono entre la atmósfera y los depósitos de agua influye en la cantidad de carbono que se encuentra en cada uno. El dióxido de carbono (CO2) de la atmósfera se disuelve en el agua y reacciona con las moléculas de agua para formar compuestos iónicos.
Algunos de estos iones se combinan con iones de calcio en el agua de mar para formar carbonato de calcio (CaCO3), un componente importante de las conchas de los organismos marinos. Estos organismos eventualmente mueren y sus conchas forman sedimentos en el fondo del océano.
A lo largo del tiempo geológico, el carbonato cálcico forma la piedra caliza, que constituye el mayor depósito de carbono de la Tierra.
En la tierra, el carbono se almacena en el suelo como carbono orgánico como resultado de la descomposición de organismos o de la erosión de rocas y minerales terrestres (los suelos del mundo contienen significativamente más carbono que la atmósfera, a modo de comparación).
En el subsuelo más profundo se encuentran los combustibles fósiles, los restos descompuestos anaeróbicamente de plantas y algas que vivieron hace millones de años. Los combustibles fósiles se consideran un recurso no renovable porque su uso supera con creces su ritmo de formación.
Un recurso no renovable se regenera muy lentamente o no se regenera en absoluto. Otra forma de que el carbono entre en la atmósfera es desde la tierra (incluida la tierra bajo la superficie del océano) por la erupción de volcanes y otros sistemas geotérmicos.
Los sedimentos de carbono del fondo del océano son llevados profundamente dentro de la Tierra por el proceso de subducción: el movimiento de una placa tectónica debajo de otra. El carbono se libera en forma de dióxido de carbono cuando un volcán entra en erupción o por los respiraderos hidrotérmicos volcánicos.
El Ciclo Biogeoquímico del Nitrógeno
Llevar nitrógeno a los organismos vivos es difícil. Las plantas y el fitoplancton no están equipados para incorporar nitrógeno de la atmósfera (donde existe como N2 triple covalente fuertemente ligado) aunque esta molécula comprende aproximadamente el 78 por ciento de la atmósfera.El nitrógeno entra en el mundo vivo a través de bacterias libres y simbióticas, que incorporan nitrógeno en sus moléculas orgánicas a través de procesos bioquímicos especializados. Ciertas especies de bacterias son capaces de realizar la fijación del nitrógeno, el proceso de convertir el gas nitrógeno en amoníaco (NH3), que se convierte espontáneamente en amonio (NH4+).
El amonio es convertido por las bacterias en nitritos (NO2-) y luego en nitratos (NO3-). En este punto, las moléculas que contienen nitrógeno son utilizadas por las plantas y otros productores para producir moléculas orgánicas como el ADN y las proteínas. Este nitrógeno ya está disponible para los consumidores.
El nitrógeno orgánico es especialmente importante para el estudio de la dinámica de los ecosistemas porque muchos procesos de los ecosistemas,
como la producción primaria, están limitados por el suministro disponible de nitrógeno.
El nitrógeno que entra a los sistemas vivos es eventualmente convertido de nitrógeno orgánico a gas nitrógeno por las bacterias. El proceso de desnitrificación es cuando las bacterias convierten los nitratos en gas nitrógeno, permitiéndole así volver a entrar en la atmósfera.
Caracteristicas del Ciclo del nitrógeno
El nitrógeno entra al mundo viviente desde la atmósfera a través de bacterias fijadoras de nitrógeno. Este nitrógeno y los residuos nitrogenados de los animales son procesados de nuevo en nitrógeno gaseoso por las bacterias del suelo, que también suministran a las redes alimentarias terrestres el nitrógeno orgánico que necesitan.
La actividad humana puede alterar el ciclo del nitrógeno por dos medios principales: la combustión de combustibles fósiles, que libera diferentes óxidos de nitrógeno, y por el uso de fertilizantes artificiales (que contienen compuestos de nitrógeno y fósforo) en la agricultura, que luego son arrastrados a lagos, arroyos y ríos por escorrentía superficial.
El nitrógeno atmosférico (distinto del N2) está asociado con varios efectos sobre los ecosistemas de la Tierra, incluyendo la producción de lluvia ácida (como el ácido nítrico, HNO3) y los efectos de los gases de efecto invernadero (como el óxido nitroso, N2O), que potencialmente causan el cambio climático.
Un efecto importante de la escorrentía de fertilizantes es la eutrofización del agua salada y dulce, un proceso por el cual la escorrentía de nutrientes causa el crecimiento excesivo de algas, el agotamiento del oxígeno y la muerte de la fauna acuática.
En los ecosistemas marinos, los compuestos de nitrógeno creados por bacterias, o por descomposición, se acumulan en los sedimentos del fondo marino. Luego puede ser trasladado a tierra en el tiempo geológico por el levantamiento de la corteza terrestre y por lo tanto incorporado en la roca terrestre.
Aunque el movimiento de nitrógeno de la roca directamente a los sistemas vivos ha sido tradicionalmente visto como insignificante en comparación con el nitrógeno fijado desde la atmósfera, un estudio reciente demostró que este proceso puede ser significativo y debe ser incluido en cualquier estudio del ciclo global del nitrógeno.
El Ciclo Biogeoquímico del Fósforo
El fósforo es un nutriente esencial para los procesos de la vida. Es un componente importante de los ácidos nucleicos y fosfolípidos y, como fosfato de calcio, constituye los componentes de soporte de nuestros huesos. El fósforo es a menudo el nutriente limitante (necesario para el crecimiento) en los ecosistemas acuáticos, especialmente de agua dulce.El fósforo se encuentra en la naturaleza como ión fosfato (PO43-). Además de la escorrentía de fosfato como resultado de la actividad humana, la escorrentía natural superficial ocurre cuando se filtra de la roca que contiene fosfato por la acción de la intemperie, enviando así fosfatos a los ríos, lagos y al océano.
Esta roca tiene su origen en el océano. Los sedimentos oceánicos que contienen fosfato se forman principalmente a partir de los cuerpos de los organismos oceánicos y de sus excreciones. Sin embargo, las cenizas volcánicas, los aerosoles y el polvo mineral también pueden ser fuentes importantes de fosfato.
Este sedimento entonces es movido a la tierra sobre el tiempo geológico por el levantamiento de la superficie de la Tierra.
El fósforo también se intercambia entre el fosfato disuelto en el océano y los organismos marinos. El movimiento de fosfato desde el océano hacia la tierra y a través del suelo es extremadamente lento, con un tiempo de residencia oceánico promedio de entre 20.000 y 100.000 años.
En la naturaleza, el fósforo existe como ión fosfato (PO43-). La erosión de las rocas y la actividad volcánica libera fosfato en el suelo, el agua y el aire, donde se pone a disposición de las redes alimentarias terrestres. El fosfato entra a los océanos en la escorrentía superficial, el flujo del agua subterránea y el flujo de los ríos.
El fosfato disuelto en los ciclos del agua del océano se convierte en redes alimenticias marinas. Parte del fosfato de las redes alimenticias marinas cae al fondo del océano, donde forma sedimentos.
El exceso de fósforo y nitrógeno que ingresa a estos ecosistemas por la escorrentía de fertilizantes y por las aguas residuales causa un crecimiento excesivo de algas. La subsiguiente muerte y descomposición de estos organismos agota el oxígeno disuelto, lo que lleva a la muerte de organismos acuáticos como los mariscos y los peces.
Este proceso es responsable de las zonas muertas en los lagos y en las desembocaduras de muchos ríos importantes y de la muerte masiva de peces, que suele ocurrir durante los meses de verano.
El mapa del mundo muestra las zonas donde se producen zonas muertas. Las zonas muertas están presentes a lo largo de la costa este y oeste de los Estados Unidos, en los mares norte y mediterráneo y frente a la costa este de Asia.
Las zonas muertas ocurren cuando el fósforo y el nitrógeno de los fertilizantes causan un crecimiento excesivo de microorganismos, lo que agota el oxígeno y mata a la fauna. En todo el mundo se encuentran grandes zonas muertas en las zonas costeras de alta densidad de población.
Una zona muerta es un área en lagos y océanos cerca de las desembocaduras de los ríos donde grandes áreas se agotan periódicamente de su flora y fauna normal. Estas zonas son causadas por la eutrofización junto con otros factores como los derrames de petróleo, el vertido de productos químicos tóxicos y otras actividades humanas.
El número de zonas muertas ha aumentado durante varios años, y más de 400 de estas zonas estaban presentes en 2008. Una de las peores zonas muertas está frente a las costas de Estados Unidos en el Golfo de México: la escorrentía de fertilizantes de la cuenca del río Mississippi creó una zona muerta de más de 8.463 millas cuadradas.
La escorrentía de fosfato y nitrato de los fertilizantes también afecta negativamente varios ecosistemas de lagos y bahías, incluyendo la Bahía de Chesapeake en el este de los Estados Unidos.
El Ciclo Biogeoquímico del Azufre
El azufre es un elemento esencial para las moléculas de los seres vivos. Como parte del aminoácido cisteína, participa en la formación de proteínas. Los ciclos de azufre entre los océanos, la tierra y la atmósfera.El azufre atmosférico se encuentra en forma de dióxido de azufre (SO2), que entra en la atmósfera de tres maneras: primero, por la descomposición de moléculas orgánicas; segundo, por la actividad volcánica y los respiraderos geotérmicos; y, tercero, por la quema de combustibles fósiles por parte de los humanos.
El dióxido de azufre de la atmósfera está disponible para los ecosistemas terrestres y marinos cuando se disuelve en precipitaciones en forma de ácido sulfúrico débil o cuando cae directamente a la Tierra como lluvia radiactiva.
La erosión de las rocas también hace que los sulfatos estén disponibles para los ecosistemas terrestres. La descomposición de los organismos vivos devuelve los sulfatos al océano, al suelo y a la atmósfera.
En la tierra, el azufre se deposita de cuatro maneras principales: precipitación, precipitación directa de la atmósfera, erosión de las rocas y respiraderos geotérmicos. El azufre atmosférico se encuentra en forma de dióxido de azufre (SO2), y a medida que la lluvia cae a través de la atmósfera, el azufre se disuelve en forma de ácido sulfúrico débil (H2SO4).
El azufre también puede caer directamente de la atmósfera en un proceso llamado lluvia radiactiva. Además, a medida que las rocas que contienen azufre se van acumulando, el azufre se libera en el suelo. Estas rocas se originan a partir de sedimentos oceánicos que se mueven hacia la tierra por el levantamiento geológico de los sedimentos oceánicos.
Los ecosistemas terrestres pueden entonces hacer uso de estos sulfatos del suelo (SO42-), que entran en la red alimenticia al ser absorbidos por las raíces de las plantas. Cuando estas plantas se descomponen y mueren, el azufre es liberado a la atmósfera como gas de sulfuro de hidrógeno (H2S).
El azufre entra al océano en la escorrentía de la tierra, de las precipitaciones atmosféricas y de los respiraderos geotérmicos submarinos. Algunos ecosistemas dependen de quimioautotrofos que utilizan azufre como fuente de energía biológica. Este azufre sostiene entonces los ecosistemas marinos en forma de sulfatos.
Las actividades humanas han desempeñado un papel importante en la alteración del equilibrio del ciclo mundial del azufre. La quema de grandes cantidades de combustibles fósiles, especialmente de carbón, libera grandes cantidades de gas de sulfuro de hidrógeno a la atmósfera.
A medida que la lluvia cae a través de este gas, crea el fenómeno conocido como lluvia ácida, que daña el medio ambiente natural al bajar el pH de los lagos, matando así a muchas de las plantas y animales residentes.
La lluvia ácida es la lluvia corrosiva causada por el agua de lluvia que cae al suelo a través del gas dióxido de azufre, convirtiéndola en ácido sulfúrico débil, que causa daños a los ecosistemas acuáticos. La lluvia ácida también afecta el ambiente creado por el hombre a través de la degradación química de los edificios.
Por ejemplo, muchos monumentos de mármol, como el Lincoln Memorial en Washington, DC, han sufrido daños significativos por la lluvia ácida a lo largo de los años. Estos ejemplos muestran los efectos de gran alcance de las actividades humanas sobre nuestro medio ambiente y los retos que quedan por delante para nuestro futuro.
FUENTES CONSULTADAS
Ciclos Biogeoquímicos (s.f). clorurosodio. Recuperado de: https://clorurosodio.com/ciclos-biogeoquimicos/#Caracteristicas-de-los Ciclos-Biogeoquimicos
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