Ciclos de los materiales

Definiciones• Ciclo: 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

Principales 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.

Componente de algunos aminoácidos, proteínas y coenzima A

SO42-0,05-1%Azufre (S)

Parte de la molécula de clorofila; activador de numerosas enzimas

Mg2+0,1-0,8%Magnesio (Mg)

Componente de las paredes celulares; cofactor enzimático; involucrado en la permeabilidad de la membrana celular y en el transporte de iones y hormonas. Importante como segundo mensajero

Ca2+0,2-3,5%Calcio (Ca)

Involucrado en el mantenimiento del potencial hídrico y, por lo tanto, en la apertura y cierre de los estomas; importante en el mantenimiento del balance iónico; activador de muchas enzimas. Involucrado también en el movimiento de las plantas

K+0,5-6%Potasio (K)

Componente de los compuestos de fosfato que llevan energía (ATP y ADP), fosfolípidos, ácidos nucleicos y varias coenzimas esenciales

H2PO4-

o HPO4

2-

0,1-0,8%Fósforo (P)

Componente de aminoácidos, proteínas, nucleótidos, ácidos nucleicos, clorofila y coenzimas

NO3- (o NH4

+) 1-4%Nitrógeno (N)

FunciónForma absorción

Concentración (s/peso seco)

Elemento“N

, P,

K”

Macronutrientes minerales en las plantas

casi todos los nutrientes se absorben como iones

... y aun a favor de gradiente requieren canales o transportadores

Ciclos biogeoquímicos

Reservorios (limitados) vinculados a través de flujos.

Que un compartimento represente la mayor cantidad almacenada no significa necesariamente que constituya la porción más activa.

Procesos asimiladores y desasimiladores

Tundra

SueloSobre el SueloRaices

Sabana

Bosque ecuatorial

Bosque caducifolio

Prado

Swift et al. 1979

Taiga

Disponibilidad de nitrógeno en los tres compartimentos de la materia orgánica

La velocidad del ciclado depende de la tasa de absorción y de la de descomposición

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.

Ciclos sedimentarios y localesP, S, Ca, K

Ciclos gaseosos y globalesN, C, O, H2O

Ciclo del carbono

Valores expresados en Gigatoneladas (1x10 12 kilos) Curtis y Barnes, 1995

Ecosistemas terrestres Ecosistemas acuáticos

atmósfera

Biomasa vegetal y animal

Detritosy materia orgánica del suelo

Smith y Smith, 2001

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 Global del Nitrógeno

1200

PlantasActividades humanas 100

Fijación por relámpagos

< 3

Fijación biológica

140

Denitrificación<200

Atmósfera

Océanos

Enterrado permanente 10

N-orgánico del suelo

Reciclado in situ

Agua subterránea

Escorrentía 36

Reciclado8000

Denitrificación110

Fijación biológica

1530

Schlesinger 1997

Unidades = 1012 g N/año

ATMOSFERA

RAICES

9.83

SOLUCION DELSUELO

4.22amonio: 3.10

nitrato: 1.12

VASTAGOS

1.09

VACUNOS

1.79

23MATERIA

ORGANICA

360

BROZA

0.06

De n

itrifi

caci

ó n 0

.0

Fijación0.0

Precipitación2.05

Absorción

50.44

Translocación

10.66

Consumo

6.01

Descomposición21.14 Absición

1.65

Descomposición

1.45

Excreción 4.261.09

Exp

o rta

ción

0. 7

4

Volatilización 0.55

Mineralización47.89

Figura 4. Ciclo el N en un pastizal de la depresión del Salado, según estimaciones de Chaneton et.al. (1993).

Variables de estado en g m-2, variables de flujo en mg m-2 día-1.

Tilman et al. 2001

Ciclo sedimentario: el ciclo del fósforo

Curtis y Barnes, 1995

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.

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.

Ciclos sedimentarios y localesP, S, Ca, K

Ciclos gaseosos y globalesN, C, O, H2O

Perturbaciones

• Nutrientes en general: Deforestación. • Fósforo (principalmente): Eutroficación• Nitrógeno: Acidificación y Lluvia ácida• Carbono: Efecto Invernadero

o

Figura 7. Magnificación

biológica a lo largo de una

cadena trófica acuática para

el caso de un insecticida

órgano-clorado (DDT).

Efecto Invernadero• Causa : aumento en concentración de

gases con efecto invernadero (CO2, NOx,CH4 etc.) a partir de la quema de combustibles fósiles, del cambio en el uso de la tierra etc.

• Acción : Estos gases absorben radiación infrarroja y contribuyen al aumento de la temperatura.

• Consecuencia : Aumento en la temperatura, cambios en la tasa de fotosíntesis, cambios en la distribución y abundancia de plantas y herbívoros etc.

• Ejemplos : Principalmente el marcado aumento de la temperatura experimentado en los últimos 30 años. Sin embargo estas conclusiones deben tomarse con precaución debido al alto grado de incerteza producto del escaso período de análisis.

Deforestación

• Causa : tala de árboles en sistemas boscosos/selváticos.

• Acción : al eliminarse el componente vegetal del sistema disminuye la transpiración y se desacopla la oferta y demanda de nutrientes.

• Consecuencias : Aumento en la pérdida de nutrientes en comparación con la cuenca intacta.

• Ejemplos : Pérdidas de Nitrógeno 60 veces mayor que la situación de referencia, Potasio 14 veces, Calcio 7, Sodio 2.5 veces. Cambios de díficil reversión debido a la magnitud de las pérdidas en relación con las tasas de ingreso de materiales (meteorización principalmente)

Deforestación

Eutroficación• Causa : aumento en la

disponibilidad de nutrientes en ecosistemas acuaticos.

• Acción : al ingresar deshechos urbanos o efluyentes agrícolas aumenta la concentracion de nutrientes en sistemas acuaticos.

• Consecuencias : Aumento en la productividad de primaria y por ende de detritos. Al ser utilizados por los descomponedores se reduce la concentracion de Oxigeno pudiendo llegar a la anaerobiosis total.

• Ejemplos : Muerte de poblaciones enteras de peces. Especialmente en lagos poco profundos, en invierno – lagos de EEUU)

Acidificación y Lluvia Acida• Causa : aumento en la liberación a

la atmósfera de óxidos de Azufre y de Nitrógeno producto de la quema de combustibles fósiles.

• Acción : Al combinarse con el agua de lluvia forman ácidos fuertes acidificándola (pH 4 o menos).

• Consecuencias : Cambios en la disponibilidad de nutrientes (aumento de elementos tóxicos como el aluminio). Aumentos en la lixiviación de elementos (N). Daños a las membranas celulares y a microorganismos del suelo (e.j. micorrizas). En ambientes acuáticos afectan la osmorregulación y la actividad enzimática. Disminucion de la diversidad

• Ejemplos : Pesca del salmón en los ríos de Canadá, 13.000 km2 de lagos sin peces en Noruega etc.

Los rendimientos son altamente dependientes de la oferta de nutrientes

Evans, 1980

Ricklefs, 1998