Unidad 5 – Los ciclos biogeoquímicos

• Interpretar las reacciones químicas que ocurren en los ciclos del carbono, nitrógeno y del agua.
• Diagramar los ciclos biogeoquímicos.

Contenidos

Ciclos biogeoquímicos 

La materia circula desde el mundo vivo hacia el ambiente abiótico y de regreso; esa circulación constituye los ciclos biogeoquímicos.

Estos son procesos naturales que reciclan elementos en diferentes formas químicas desde el medio ambiente hacia los organismos, y luego a la inversa. Agua, carbono, oxígeno, nitrógeno, fósforo y otros elementos recorren estos ciclos, conectando los componentes vivos y no vivos de la Tierra.

La tierra es un sistema cerrado donde no entra ni sale materia. Las sustancias utilizadas por los organismos no se “pierden” aunque pueden llegar a sitios donde resultan inaccesibles para los organismos por un largo período. Sin embargo, casi siempre la materia se reutiliza y a menudo circula varias veces, tanto dentro de los ecosistemas como fuera de ellos.

Se conocen los siguientes ciclos biogeoquímicos:

1. Ciclo del carbono

El carbono es parte fundamental y soporte de los organismos vivos, porque proteínas, ácidos nucleicos, carbohidratos, lípidos y otras moléculas esenciales para la vida contienen carbono. 
Se lo encuentra como dióxido de carbono en la atmósfera, en los océanos y en los combustibles fósiles almacenados bajo la superficie de la Tierra. 
El movimiento global del carbono entre el ambiente abiótico y los organismos se denomina ciclo del carbono.

El ciclo básico comienza cuando las plantas, a través de la fotosíntesis, hacen uso del dióxido de carbono (CO₂) presente en la atmósfera o disuelto en el agua. El carbono (del CO₂) pasa a formar parte de los tejidos vegetales en forma de hidratos de carbono, grasas y proteínas, y el oxígeno es devuelto a la atmósfera o al agua mediante la respiración. Así, el carbono pasa a los herbívoros que comen las plantas y de ese modo utilizan, reorganizan y degradan los compuestos de carbono. Gran parte de éste carbono es liberado:

• en forma de CO₂ por la respiración, o
• como producto secundario del metabolismo,

pero parte se almacena en los tejidos animales y pasa a los carnívoros, que se alimentan de los herbívoros.  
En última instancia, todos los compuestos del carbono se degradan por descomposición, y el carbono que es liberado en forma de CO₂, es utilizado de nuevo por las plantas.

En resumen, los pasos más importantes del ciclo del carbono son los siguientes:

• El dióxido de carbono de 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.
• Bacterias y hongos descomponen las plantas muertas y la materia animal, 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.

Combustibles fósiles:
En algunos casos el carbono presente en las moléculas biológicas no regresa inmediatamente al ambiente abiótico, por ejemplo el carbono presente en la madera de los árboles. O el que formó parte de los depósitos de hulla a partir de restos de árboles antiguos  que quedaron sepultados en condiciones anaerobias antes de descomponerse. Hulla, petróleo y gas natural son llamados combustibles fósiles porque se formaron a partir de restos de organismos antiguos y contienen grandes cantidades de compuestos carbonados como resultado de la fotosíntesis ocurrida hace millones de años.

Efecto invernadero:
A través de las actividades humanas  se liberan grandes cantidades de carbono a la atmósfera a un ritmo mayor de aquel con que los productores y el océano pueden absorberlo, éstas actividades han perturbado el presupuesto global del carbono, aumentando, en forma lenta pero continua el CO₂ en la atmósfera; propiciando cambios en el clima con consecuencias en el ascenso en el nivel del mar, cambios en las precipitaciones, desaparición de bosques , extinción de organismos y problemas par la agricultura.
Gases como el CO_2, ozono superficial (O₃)⁴, óxido nitroso (N₂O) y clorofluoralcanos se acumulan en la atmósfera como resultado de las actividades humanas, derivando en un aumento del calentamiento global, esto ocurre porque los gases acumulados frenan la pérdida de radiación infrarroja (calor) desde la atmósfera al espacio. Una parte del calor es transferida a los océanos, aumentando la temperatura de los mismos, lo que implica un aumento de la temperatura global del planeta. Como el CO₂ y otros gases capturan la radiación solar de manera semejante al vidrio de un invernadero, el calentamiento global producido de este modo se conoce como efecto invernadero.

2. Ciclo del nitrógeno
La atmósfera es el principal reservorio de nitrógeno, donde constituye hasta un 78 %  de los gases. Sin embargo, como la mayoría de los seres vivos no pueden utilizar el nitrógeno atmosférico para elaborar aminoácidos y otros compuestos nitrogenados, dependen del nitrógeno presente en los minerales del suelo. Por lo tanto, a pesar de la gran cantidad de nitrógeno en la atmósfera, la escasez de nitrógeno en el suelo constituye un factor limitante para el crecimiento de los vegetales.
El proceso a través del cual circula nitrógeno a través del mundo orgánico y el mundo físico se denomina ciclo del nitrógeno.

Este ciclo consta de las siguientes etapas:

1. Fijación del nitrógeno: consiste e la conversión del nitrógeno gaseoso (N₂) en amoníaco (NH₃), forma utilizable para los organismos. En esta etapa intervienen bacterias (que actúan en ausencia de oxígeno), presentes en el suelo y en ambientes acuáticos, que emplean la enzima nitrogenasa para romper el nitrógeno molecular y combinarlo con hidrógeno.

   N₂ ^{——————–>} NH_{3
   nitrogenasa}

   Ejemplos de bacterias fijadoras de nitrógeno:

   • Las bacterias del género Rhizobium, viven en nódulos de las raíces de leguminosas y de algunas plantas leñosas.
      

   

    

   • Las cianobacterias, realizan la mayor parte de la fijación del nitrógeno. Algunos helechos acuáticos tiene cavidades donde viven las cianobacterias.
      

2. Nitrificación: proceso de oxidación del amoníaco o ion amonio, realizado por dos tipos de bacterias: Nitrosomonas y Nitrobacter (comunes del suelo). Este proceso genera energía que es liberada y utilizada por estas bacterias como fuente de energía primaria.     
   Este proceso ocurre en dos etapas:      

   • Un grupo de bacterias, las Nitrosomonas y Nitrococcus, oxidan el amoníaco a nitrito (NO₂^–): 
                  2 NH₃  +  3 O₂   g    2 NO₂ ^–  +  2 H⁺  + 2 H₂O

   • Otro grupo de bacterias, Nitrobacter,  transforman el nitrito en nitrato, por este motivo no se encuentra nitrito en el suelo, que además es tóxico para las plantas. 
                               2 NO₂ ^–  +  O₂  g 2 NO₃ ^–

3. Asimilación: las raíces de las plantas absorben el amoníaco (NH₃)  o el nitrato (NO₃ ^–), e incorporan el nitrógeno en proteínas, ácidos nucleicos y clorofila. Cuando los animales se alimentan de vegetales consumen compuestos nitrogenados vegetales y los transforman en compuestos nitrogenados animales.

4. Amonificación:  consiste en la conversión de compuestos nitrogenados orgánicos en amoníaco, se inicia cuando los organismos producen desechos como urea (orina) y ácido úrico (excreta de las aves), sustancias que son degradadas para liberar como amoníaco el nitrógeno en el ambiente abiótico. El amoníaco queda disponible para los procesos de nitrificación y asimilación. El nitrógeno presente en el suelo es el resultado de la descomposición de materiales orgánicos y se encuentra en forma de compuestos orgánicos complejos, como proteínas, aminoácidos, ácidos nucleicos y nucleótidos, que son degradados a compuestos simples por microorganismos – bacterias y hongos – que se encuentran en el suelo. Estos microorganismos usan las proteínas y los aminoácidos para producir sus propias proteínas y liberan el exceso de nitrógeno en forma de amoníaco (NH₃) o ion amonio (NH₄⁺).

5. Desnitrificación: es el proceso que realizan algunas bacterias ante la ausencia de oxígeno, degradan nitratos (NO₃ ^–) liberando nitrógeno (N₂) a la atmósfera a fin de utilizar el oxígeno para su propia respiración.  Ocurre en suelos mal drenados. A pesar de las pérdidas de nitrógeno, el ciclo se mantiene gracias a la actividad de las bacterias fijadoras de nitrógeno, capaces de incorporar el nitrógeno gaseoso del aire a compuestos orgánicos nitrogenados.

3. Ciclo del agua

El ciclo del agua (o ciclo hidrológico) es la circulación del agua de la tierra: el agua fresca de los lagos y ríos, los mares y océanos salados y la atmósfera. Comprende el proceso que recoge, purifica y distribuye el suministro fijo del agua en la superficie terrestre, abarcando algunos pasos importantes:

• A través de la evaporación, el agua que está sobre la tierra y en los océanos se convierte en vapor de agua.
• A través de la condensación, el vapor de agua se convierte en gotas del líquido, las cuales forman las nubes o la niebla.
• En el proceso de precipitación, el agua regresa a la Tierra bajo la forma de rocío, de lluvia, granizo o nieve.
• A través de la transpiración, el agua es absorbida por las raíces de las plantas, pasa a través de los tallos y de otras estructuras y es liberada a través de sus hojas como vapor de agua.
• El agua se mueve desde la tierra hacia el mar, o bien desde la tierra hacia el suelo donde es almacenada y de donde regresa eventualmente a la superficie o a lagos, arroyos y océanos.
• Con la condensación del agua, la gravedad provoca la caída al suelo.
• La gravedad continúa operando empujando al agua a través del suelo (infiltración) y sobre el mismo en el sentido de las pendientes del terrenos (escurrimiento).

La gravedad provoca que el agua alcance nuevamente los océanos y depresiones. El agua congelada atrapada en regiones heladas de la tierra ya sea como nieve o hielo, constituye reservorios que pueden permanecer largos períodos de tiempo. Lagos, lagunas, esteros y pantanos son reservorios temporales. Los océanos tienen agua salada por la presencia de minerales, los cuales no pueden llevarse con el vapor de agua. Así, la lluvia y la nieve contienen agua relativamente limpia, con la excepción de los contaminantes que el agua arrastra de la atmósfera.

En el ciclo del agua la energía es provista por el sol, el cual produce la evaporación y, además, provee la energía para los sistemas climáticos que permiten el movimiento del vapor de agua (nubes) de un lugar a otro (de otro modo siempre llovería solo sobre los océanos).

Los organismos juegan un rol muy importante en el ciclo del agua, la mayoría contienen importantes cantidades de agua (hasta un 90% en peso). Animales y plantas pierden agua de sus cuerpos por evaporación. En las plantas el agua tomada por las raíces se mueve hacia las hojas donde se pierde por transpiración. Tanto en plantas como en animales, la ruptura de los carbohidratos (azúcares) para producir energía (respiración) produce CO₂ y agua como productos de desecho. La fotosíntesis invierte esta reacción, el agua y el CO₂ se combinan para formar carbohidratos

Curiosidad:
¿Cómo afecta la acción humana al ciclo del agua?
Las acciones humanas pueden agotar el suministro del agua subterránea, causando una escasez de ésta y el consecuente hundimiento de la tierra al ser extraído el líquido. Al remover la vegetación, el agua fluye sobre el suelo más rápidamente de modo que tiene menos tiempo para absorberse en la superficie. Esto provoca un agotamiento del agua subterránea y la erosión acelerada del suelo.

Glosario

• Amonificación: proceso por el cual los descomponedores degradan las proteínas y los aminoácidos, liberando el exceso de nitrógeno en forma de amoníaco (NH₃) o ion amonio (NH₄⁺)
• Asimilación (de nitrógeno): conversión de nitrógeno inorgánico a moléculas inorgánicas de los seres vivos.
• Carbohidrato: compuesto que contiene carbono, hidrógeno y oxígeno en la proporción aproximada de C:2H:O; por ejemplo: azúcares, almidón y celulosa.
• Condensación: cambio físico en el que el agua en estado de vapor o gaseoso pasa al estado líquido.
• Desnitrificación: proceso por el cual ciertas bacterias que viven en suelos pobremente aireados degradan nitratos utilizando el oxígeno para su propia respiración y devolviendo el nitrógeno a la atmósfera.
• Evaporación: cambio físico en el que un líquido pasa al estado gaseoso o de vapor.
• Fijación del nitrógeno: conversión de nitrógeno atmosférico en amoníaco.
• Fotosíntesis: serie completa de reacciones químicas en las que se utiliza la energía de la luz para sintetizar moléculas orgánicas energéticas, por lo general carbohidratos, a partir de moléculas inorgánicas poco energéticas, generalmente dióxido de carbono y agua.
• Gas natural:  El que procede de formaciones geológicas o aceites naturales. Ej.: la calefacción de casa funciona con gas natural.
• Hulla: mineral fósil negro y brillante, muy rico en carbono (entre 75 y 90 %), se usa como combustible, y un contenido en volátiles que oscila  entre 20 y 35 %. Tiene un poder calorífico
• Nitrificación: la oxidación del amoníaco o del amonio a nitritos y nitratos, como ocurre por la acción de las bacterias nitrificantes.
• Nitrogenasa: enzima utilizada por las bacterias fijadoras de nirógeno.
• Petróleo: Líquido natural oleaginoso e inflamable, constituido por una mezcla de hidrocarburos, que se extrae de lechos geológicos continentales y marítimos y tiene múltiples aplicaciones químicas e industriales: el gasoil y la nafta se obtienen del petróleo.
• Precipitación: agua en forma de lluvia, granizo o nieve que cae desde la atmósfera sobre la tierra y cuerpos de agua. 
• Transpiración: evaporación de agua a través de los estomas de una hoja.