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DEFINICIONESCiclo: Secuencia de cambios que, una vez
completados, produce un estado final idéntico al original.
Material: Sustancia(s) de la(s) cual(es) esta compuesto un objeto. Sustancia: Materia cuya composición química es
conocida.
Elemento: una de las 116 sustancias conocidas que no pueden separarse en sustancias mas simples mediante métodos químicos.
CICLO DE LA MATERIA
Los distintos elementos químicos pasan de estarconstituyendo materia inorgánica a constituir parte de un servivo, y posteriormente vuelven al medio inorgánico, y asísucesivamente.
Sólo algunos elementos, como, por ejemplo, el fósforo, pasana depositarse en lugares inaccesibles para volver a sercaptados por los seres vivos, y prácticamente no siguen unflujo cíclico. Debemos pues matizar que el ciclo de la materiatiende a ser cerrado. Utilizamos la palabra tiende, ya que concierta frecuencia los nutrientes escapan de la biosfera porgasificación o lixiviado, pudiendo ser exportados lejos de sulugar de origen.
Además, algunos restos orgánicos escapan al reciclado encondiciones anaerobias, siendo transformados encombustibles fósiles, carbón y petróleo, y almacenándose enla litosfera.
Los principales ciclos biogeoquímicos son el delcarbono, nitrógeno, fósforo y azufre.
CICLOS DE LA MATERIALos átomos de fósforo (P), carbono (C), nitrógeno (N) y el restode los elementos químicos que forman los seres vivos, son losmismos átomos que han existido en la Tierra desde su origen.
Una elemento químico puede ser parte de un organismo en unmomento y parte del ambiente del organismo en otro momento.
La producción de materia viva y su funcionamiento requiere deciertos elementos( N, C, P, S, O e H).
Su relativa escasez en el planeta se compensa gracias a losciclos biogeoquímicos, que posibilitan la migración, la circulacióny el reciclado de estos bioelementos desde el medio ambiente alos seres vivos y de estos nuevamente al medio.
Estos elementos circulan a través del aire, el suelo, el agua y losseres vivos.
Gracias a los ciclos es posible que los elementos se encuentrendisponibles para ser usados una y otra vez por los organismos;sin estos la vida se extinguiría.
Elementos en la biósfera
• Los tres principales(99.47%)
– Hidrógeno 47.74%
– Carbono 24.90%
– Oxígeno 24.93%
• Otros minerales
– Nitrógeno 0.272%
– Calcio 0.072%
– Potasio 0.044%
– Silicio 0.033%
– Magnesio 0.031%
– Azufre 0.017%
– Aluminio 0.016%
– Fósforo 0.013%
– Cloro 0.011%
– Sodio 0.006%
– Hierro 0.005%
– Manganeso 0.003%
carbohidratos = “CH2O”
celulosa, almidón, etc.
Figura 2. Esquema idealizado de los dos tipos de ciclos biogeoquímicos:
(A) ciclos globales del C, N, O e H; (B) ciclos locales del P, S, K, Ca y elementos traza.
Fotosíntesis bruta
Fotosíntesis neta
PRODUCTIVIDAD PRIMARIA NETA
Respiración de hojas
Respiración de plantas
PRODUCTIVIDAD SECUNDARIANETA
Asimilación
Consumo de herbivoros
Acumulación de biomasa viva
Producción de broza
Acumulación de broza y materia orgánica
Acumulación de biomasa viva
PRODUCTIVIDAD NETA DELECOSISTEMA
Excreción
Respiración
Depredación
Respiración dedescomponodores
Aber y Melillo 1991
Flujos de Energía y Carbono en los Ecosistemas Terrestres
TIEMPO
DESCOMPOSICIÓN
Adaptado de Swift et al. 1979
R1
HU
BM
RL
Rf
C
F
L
IN
HU
BM
RL
Rf
Humus
Biomasa microbiana
Recursos fraccionados
Recursos lavados
C = CATABOLISMO
F = FRACCIONAMIENTO
L = LAVADO
vegetales
CARBONO FÓSFORO
animales
org inorg
suelo
atmósfera
NITRÓGENO
vegetales
animales
org inorg
suelo
atmósfera
vegetalesanimales
org inorg
suelo
atmósfera
Ciclos biogeoquímicos
CICLO DEL CARBONO
El carbono es uno de los elementos más
abundantes de la materia viva, formando
la base estructural de las moléculas
orgánicas:
glúcidos
Lípidos
Proteínas
Ácidos nucleicos
El Carbono se puede encontrar en la
naturaleza de muchas formas:
En la atmósfera en forma de dióxido de
carbono (CO2).
Disuelto en el agua de los océanos.
En las rocas carbonatadas, como las
calizas.
En los combustibles fósiles como el
petróleo, el carbón y el gas natural.
1 Los organismos productores, tanto
terrestres como acuáticos, incorporan
el carbono en forma de CO2
mediante la fotosíntesis, formando
moléculas orgánicas glúcidos,
proteínas...).
2 Los consumidores incorporan el
carbono mediante los alimentos.
3 Mediante la respiración se desprende
CO2 de nuevo a la atmósfera.
4 La descomposición de la materia
orgánica muerta por los
descomponedores también libera
CO2 a la atmósfera.
5 Restos orgánicos pueden quedarenterrados en condicionesanaeróbicas y formar con el tiempocarbón, petróleo o gas natural.
La quema de los combustiblesfósiles por el ser humano devuelvea la atmósfera el CO2 enterradohace millones de años.
El carbono es incorporado en forma de CO2 por los
productores mediante la fotosíntesis. Los consumidores
incorporan el carbono al alimentarse de los productores, y los
descomponedores lo hacen al actuar sobre los cadáveres y
los descomponedores devuelven la mayor parte del carbono
al medio en forma de CO2. Algunos organismos marinos
utilizan el CO2 disuelto en el agua para formar sus conchas y
esqueletos (CaCO3). Cuando estos organismos mueren caen
al fondo, reintegrando el C muy lentamente al ciclo cuando los
sedimentos se disuelvan o queden expuestos a la intemperie
por algún fenómeno geológico.
Parte del carbono de la Tierra es retenido en la corteza
terrestre durante largos períodos en forma de combustibles
fósiles -carbón, petróleo y gas natural- hasta que es liberado a
la atmósfera como CO2 cuando estos son quemados. Las
erupciones volcánicas también liberan parte de este C a la
atmósfera en forma de CO2 y CO.
CICLO DEL NITRÓGENO
El nitrógeno es un elementoesencial para los seres vivos yaque forma parte de las proteínas yde los ácidos nucleicos.
El nitrógeno se encuentra en laatmósfera como gas (N2)constituyendo el 78% de los gasesdel aire.
En el suelo en cambio es muy
escaso.
El nitrógeno atmosférico (N2), no
es utilizable por la mayoría de los
seres vivos, ya que sólo
determinadas bacterias tienen la
capacidad de usarlo.
Los productores deben tomarlo en
forma de nitratos (NO3).
1 En el suelo existen bacterias
fijadoras de nitrógeno atmosférico
(N2) que producen compuestos
inorgánicos como el amoníaco
(NH3).
2 Otras bacterias transforman el
amoníaco (NH3) en nitrato (NO3)
que pueden ser utilizado
directamente por las plantas.
NITRIFICACIÓN.
3 El resto de los seres vivos
incorporan el nitrógeno a través de
las cadenas tróficas.
4 Los restos nitrogenados que
excretan los seres vivos, como la
urea y los restos de organismos
muertos, pueden ser de nuevo
utilizados por las plantas.
AMONIFICACIÓN.
5 Otras bacterias del
suelo, devuelven el nitrógeno de
nuevo a la atmósfera.
DESNITRIFICACIÓN.
En este ciclo intervienen bacterias, que son las que
permiten la circulación del Nitrógeno.
* Bacterias que fijan nitrógeno atmosférico (N2) y lo
convierten en amoníaco (NH3).
N2 NH3
* Bacterias nitrificantes que transforman el amoníaco
(NH3)en nitrato (NO3).
NH3 NO3
* Bacterias amonificantes que partiendo de restos orgánicos
(orines y cadáveres de animales) devuelven amoníaco al
suelo.
* Bacterias desnitrificantes que transforman el nitrato (NO3) a
nitrógeno atmosférico (N2).
NO3 N2
En la fijación de nitrógeno intervienen bacterias simbióticas queviven en las raíces de las plantas, sobre todo en leguminosascomo el guisante, el haba, la judía, el garbanzo…
El género Rhizobium realiza una simbiosis con las leguminosas,en la que las bacterias penetran en las células de las raíces de lasplantas y forman unos abultamientos llamados nódulos donde sefija el nitrógeno.
Estas bacterias son capaces de fijar el N2 del aire ytransformarlo en nitrato (NO3), que es la forma en que losvegetales incorporan el nitrógeno que necesitan.
N2 NO3
La bacteria proporciona nitrógeno al vegetal y éste le proporcionaa la bacteria materia orgánica obtenida mediante la fotosíntesis.
El nitrógeno se encuentra en la troposfera en una proporción de un
78 %, sin embargo, en esta forma no puede ser utilizado
directamente como nutriente por los vegetales o animales, por lo que
debe convertirse en otras formas útiles para las plantas; estos
procesos se denominan fijación del nitrógeno . Procariotas como
las cianofíceas y algunas bacterias (Clostridium, Rhizobium...)
reducen el N2 atmosférico en forma de amoníaco (NH3). Algunas
bacterias acumulan el NH3 formado en el suelo. Otras, como es el
caso de Rhizobium vive en simbiosis formando nódulos en las raíces
de las leguminosas, a las que transfiere el NH3 directamente.
El NH3 fijado es transformado por otro grupo especializado de
bacterias que lo oxidan formando el ión nitrito NO2- , son bacterias
del género Nitrosomonas y este proceso se denomina nitrosación;
las bacterias del género Nitrobacter oxidan el ión nitrito
convirtiéndolo en nitrato (NO3-) (nitración), que constituye la fuente
principal de nitrógeno para las plantas superiores. Existen una serie
de bacterias, llamadas desnitrificantes (Pseudomonas) que realiza el
proceso inverso, liberando N2 a la atmósfera.
La iluminación también tiene un papel en la fijación delN2, ya que lo combina con el oxígeno de la atmósferaformando NO2. Estos gases reaccionan con el vapor de agua dela atmósfera que los transforma en ión nitrato, que vuelve a latierra como ácido nítrico (HNO3) disuelto en las precipitaciones.
Las bacterias del género Rhizobiumm fijadoras del nitrógenoatmosférico, suelen encontrarse en simbiosis con determinadasplantas, principalmente leguminosas(trébol, alfalfa, judía, guisante, etc.). Las bacterias se localizanen los nódulos radiculares, pequeños abultamientos de lasraíces de las plantas. En dichos nódulos, las bacterias realizan lafijación del nitrógeno, que es aprovechado por las plantas parasu metabolismo.
La presencia de nitratos en el agua potable produceenfermedades, a veces mortales, en animales y en el hombre. Alser transformados a nitritos en el tubo digestivo, provocandiarreas, gastroenteritis y en los bebés la piel adquiere un colorazulado muy característico por falta deO2.
Ciclo gaseoso: el ciclo del nitrógeno
Curtis y Barnes, 1995
2NH3 + 3 O2 2 NO2- + 2 H+ + 2H2O
NO2- + O2 2 NO3-
NH4 Ó NH3
Amonificación
Nitrificación
Desnitrificación
Fijación biológica
Asimilación.
CICLO DEL FÓSFORO
El fósforo es un componente de los
ácidos nucleicos y de la molécula
donante de energía, el ATP.
Se encuentra también en huesos y
dientes de animales.
En la naturaleza la principal reservade fósforo se encuentra en las rocasde tipo apatito (fosfato tricálcico) enla corteza terrestre, por lo que no esuna forma accesible para los seresvivos.
Por meteorización se liberalentamente entrando en losecosistemas terrestres en forma desales disueltas (fosfatos).
1 Las plantas toman del suelo el fósforo en forma de sales minerales, los fosfatos, y lo incorporan a sus estructuras.
2 Los consumidores incorporan el fósforo a través de las cadenas tróficas.
3 Cuando los organismos mueren sus esqueletos ricos en fosfatos se liberan y se incorporan de nuevo al suelo.
1 En el medio marino el fósforo
se acumula en el fondo
oceánico y con el tiempo da
lugar a rocas fosfatadas.2 Estas rocas por acción del agua
van desprendiendo fósforolentamente.
El fósforo liberado puede serutilizado por las algas e iniciar elciclo.
3 Una fuente importante de fósforoson los excrementos de avesmarinas, el guano, que puedeacumularse en algunos lugares engrandes cantidades.
El fósforo es un nutriente esencial para vegetales y animalesprincipalmente en sus formas de iones fosfato (PO4 3- , HPO4 2-).
Este elemento se mueve desde los depósitos de fosfato en la tierra ylos sedimentos marinos a los organismos vivos, y luego de regreso atierra y al océano.
El fósforo liberado de los depósitos de fosfato de las rocas porprocesos de meteorización, es disuelto en el agua del suelo dedonde es tomado por las raíces de los vegetales y de estos pasa alresto de la cadena alimentaria; cuando estos seres vivos muerenson descompuestos por la acción de los organismosdescomponedores, liberándose así el fósforo .
Estos restos de animales ricos en fósforo también llegan al mar, dedonde pasan a los peces y de estos a las aves acuáticas(pelícanos, cormoranes...), las cuales depositan susexcrementos, ricos en fósforo, en las costas, formándose depósitosde guano, que son utilizados como abono.
El resto del fósforo queda depositado en los sedimentosmarinos, que en el transcurso de millones de años pueden serexpuestos a la intemperie por los fenómenos geológicos entrandonuevamente en el ciclo. Este proceso de liberación es pues muylento (105 - 108 años), razón por la que constituye el principal factorlimitante de los organismos fotosintéticos.
Ciclo sedimentario: el ciclo del fósforo
Curtis y Barnes, 1995
CICLO DEL AZUFRE
Los sulfatos son abundantes en general en los suelos, pues, aunque se
pierden por el lixiviado de las tierras, son repuestos por las lluvias de forma
natural. Sólo las plantas, bacterias y hongos son capaces de incorporarlos
directamente en forma de SO42- para reducirlos en primer lugar a SO3 y
posteriormente a H2S, utilizable en la biosíntesis vegetal. De esta manera el
azufre puede ser transferido a los demás niveles tróficos. Los seres vivos al
morir liberan H2S a la atmósfera y otros sistemas terrestres .
Cuando los seres vivos mueren sus restos son utilizados por bacterias como
Neurospora transformando el H2S en SO42- . Las sulfobacterias
quimiosintéticas oxidan H2S para obtener la energía necesaria para la
fijación del carbono liberando SO4 2- que podrá ser nuevamente utilizado
por vegetales y animales.
En los océanos profundos y lugares pantanosos, en ausencia de O2, el
sulfato es reducido a H2S mediante la acción de ciertas bacterias
sulfatorreductoras. Durante el proceso se libera oxígeno, que es
aprovechado por otros microorganismos para la respiración.
El H2S así formado puede seguir dos caminos:
Uno descendente, combinándose con hierro y precipitando en formade piritas.
Otro ascendente, hasta alcanzar lugares oxigenados, donde seoxida de nuevo a SO42- mediante un proceso foto oquimiosintético, en función de presencia o ausencia de luz.
El paso de H2S del océano a la atmósfera, que sirve paracompensar las pérdidas de SO42- hacia el mar, es llevado acabo, de forma mayoritaria, por las algas denominadasDimetilsulfuro (DMS). Éstas poseen betaína, compuestosulfurado que las libera del exceso de sal.
Las elevadas concentraciones de H2S producen el típico olor ahuevos podridos, mas en pequeñas dosis provocan unagradable olor a mar.
En la atmósfera el H2S se oxida rápidamente con los OH-, formando H2SO4, que, haciendo el papel de “núcleos decondensación”, favorecen las lluvias, que devuelven el azufre almar o al continente, con lo que el ciclo se cierra.
Los volcanes de forma natural, las industrias y la quema decombustibles fósiles incrementan en la atmósfera la cantidad deSO2, y por tanto la de H2SO4, originando el problema de la“lluvia ácida”.
Ciclo Global del Agua
111.000
385.000
Atmósfera
13.000
Océanos
1.350.000.000
Agua subterránea
15.300.000
Escorrentía
40.000
Evapotranspiración 71.000
33.000.000
Hielo
Precipitación
Precipitación
Unidades km3 y km3/año
Schlesinger 1997
Biogeochemistry of Global Change
Evaporación
425.000
Aguas de suelos
122.000
PPT = Ev + Tr.+ Dr. + Esc. + Sue. + Veg.
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