INDICE INTRODUCCION ............................................................................................. 5 ...................................................................................................... 6 1.1.
¿Qué son los Ciclos Biogeoquímicos? .................................................................................... 6 a)
Macronutrientes: ................................................................................................................ 7
b)
Micronutrientes. ................................................................................................................. 7
c)
Puntos más importantes ..................................................................................................... 8
d)
La energía fluye, pero la materia se recicla. ....................................................................... 9
................................................................................................... 12 2.1. El ciclo del agua .......................................................................................................................... 12 a)
Puntos más importantes ................................................................................................... 12
b)
El agua: ¿por qué es importante? ..................................................................................... 12
c)
El ciclo del agua ................................................................................................................. 14
d)
El ciclo del agua impulsa otros ciclos. ............................................................................... 15
1.2.
Fases del ciclo hidrológico .................................................................................................... 16
12.1. Los principales procesos implicados en el ciclo del agua son: ............................................. 16
1.3.
–
Evaporación: ................................................................................................................. 16
–
Condensación: .............................................................................................................. 16
–
Precipitación:................................................................................................................16
–
Infiltración: ................................................................................................................... 17
–
Escorrentía:........................................................................................................ ........... 17
–
Circulación subterránea: .............................................................................................. 17
–
Fusión:....................................................................................... .................................... 17
–
Solidificación:................................................................................................................ 18
Energía del agua .................................................................................................................... 18
.................................................................................................. 19 3.1. El ciclo del carbono .................................................................................................................... 19 a)
Puntos más importantes ................................................................................................... 19
b)
El carbono: elemento constitutivo y fuente de energía ................................................... 19
c)
El ciclo del carbono ........................................................................................................... 20
d)
El ciclo biológico del carbono ............................................................................................ 21
1
e)
El ciclo geológico del carbono ........................................................................................... 22
f)
El impacto humano sobre el ciclo del carbono ................................................................. 23
3.2. Componentes principales .......................................................................................................... 25 a) Atmósfera ............................................................................................................................. 26 b) Biosfera terrestre .................................................................................................................. 27 c) Océanos ................................................................................................................................. 28 3.3. Ciclo de carbono geológico ........................................................................................................ 29
.................................................................................................. 30 4.1. El ciclo del nitrógeno .................................................................................................................. 30 a)Puntos más importantes ........................................................................................................ 30 a)
Introducción ...................................................................................................................... 30
b)
Las bacterias juegan un papel fundamental en el ciclo del nitrógeno.............................. 31
c)
El ciclo del nitrógeno en los ecosistemas marinos ............................................................ 32
d)
El nitrógeno es un nutriente limitante .............................................................................. 32
e)
La actividad humana afecta el ciclo del nitrógeno............................................................ 33
4.1.1 Efectos .................................................................................................................................. 35 4.1.2. Fijación de nitrógeno .......................................................................................................... 36
– –
Fijación abiótica: ........................................................................................................... 36
–
Fijación biológica de nitrógeno :.................................................................................... 36
–
La fijación biológica la realizan tres grupos de microorganismos diazótrofos: ............ 37
–
La fijación biológica depende del complejo enzimático de la nitrogenasa . ................. 37
Fijación del nitrógeno ................................................................................................... 36
4.1.3. Ciclos ............................................................................................................................... 38 4.1.4. Nitrificación ..................................................................................................................... 38 4.1.5. Desnitrificación ............................................................................................................... 39 4.1.6. Reducción desasimilatoria .............................................................................................. 40
................................................................................................... 41 5.1. El ciclo del fósforo ...................................................................................................................... 41 a)
Puntos más importantes ................................................................................................... 42 ¿Es importante el fósforo?................................................................................................... 43
5.1.1. El ciclo natural del fósforo .................................................................................................. 43 5.1.2. La eutrofización y las zonas muertas .................................................................................. 44
2
.................................................................................................. 46 6.1. Ciclo del azufre ........................................................................................................................... 46 6.2. ¿En Qué Consiste?...................................................................................................................... 47 6.3. Importancia ................................................................................................................................ 48 6.4. Características: ........................................................................................................................... 48 6.5. Aplicaciones: .............................................................................................................................. 49 6.6. Deficiencias del Azufre ............................................................................................................... 49 a) Deficiencias del Azufre en el Suelo ....................................................................................... 49 b) Deficiencias del Azufre en la Planta ...................................................................................... 49 c) Síntomas de Deficiencia de Azufre ....................................................................................... 49
................................................................................................. 50 7.2. Atmósfera .................................................................................................................................. 51 7.3. Hidrósfera y atmósfera .............................................................................................................. 51
................................................................................................ 52 8.1. Importancia del Ciclo Biogeoquímico ........................................................................................ 52 8.2. Tipos de ciclos biogeoquímicos.................................................................................................. 53 Las vías de entrada de nutrientes son: ......................................................................................... 53
– Meteorización de la roca madre: ........................................................................................... 53 – Fijación biológica: ................................................................................................................... 53 – Deposición atmosférica:......................................................................................................... 53 – Agua de escorrentía: .............................................................................................................. 54 Las salidas de nutrientes de un ecosistema se producen por: ..................................................... 54
– Actividad biológica: ................................................................................................................ 54 – Alteraciones: .......................................................................................................................... 54 – Agua de escorrentía: .............................................................................................................. 54 – Agua de lixiviación:................................................................................................................. 54 – Sedimentación en lagos y océanos: ....................................................................................... 54 8.3. Los ciclos biogeoquímicos pueden ser gaseosos, sedimentarios y mixtos. ............................... 55 -Ciclos gaseosos ........................................................................................................................ 55 -Ciclos sedimentarios ................................................................................................................ 55 -Ciclos mixtos ............................................................................................................................ 55
3
GLOSARIO ........................................................................................................................................... 56
................................................................................................. 57 ................................................................................................ 58 ........................................................................................................... 59
4
INTRODUCCION Este trabajo está elaborado con la finalidad de analizar el tema. Está dedicado a procesos naturales que reciclan elementos en diferentes formas químicas desde el medio ambiente hacia los organismos, y luego a la inversa. Los Ciclos Biogeoquímicos Durante su estudio, los estudiantes no solo reafirman y enriquecen conceptos y habilidades desarrollados en asignaturas precedentes, sino que amplían su visión del medio ambiente. Desde que la tierra se conoce como planeta, siempre ha existido una serie de elementos que sostienen la vida de los seres vivos. Son nutrientes inorgánicos tales como: El Oxígeno, el Carbo, el Hidrogeno y el Nitrógeno, entre otros. Si estos elementos son traídos de la tierra sin posibilidad de recuperarlos, llegaría un momento en que ocurriría un desequilibrio en la biosfera; para que esto no ocurra, existen un considerable número de microorganismos, llamados descomponedores que al morir los seres vivos, rompen las moléculas orgánicas de éstos y forman moléculas inorgánicas sencillas, que envuelven al medio ambiente estableciéndose así un ciclo cerrado de elementos inorgánicos Así como los animales y demás seres vivos se aprovechan y se benefician alimentándose de la materia orgánica, del mismo modo, estas satisfacen las suyas extrayendo los nutrientes inorgánicos del sustrato o medio ambiente. Ciertamente que estos ciclos no se desarrollan siempre con velocidad uniforme. A veces hay elementos que son retenidos mucho tiempo por un organismo y tardan en regresar al medio. A todo este ciclo que va desde la materia orgánica y se incorpora a los organismos desde el suelo, siendo aprovechado por los seres autótrofos y luego por los heterótrofos, se les conoce como ciclos biogeoquímicos. El propósito del trabajo monográfico es que se alcancen un nivel de integración de conocimientos, procedimientos, actitudes y valores, que les permita desempeñarse eficazmente en la vida social y en sus estudios. Finalmente comentaremos sobre el tema estudiado con nuestras respectivas conclusiones.
5
1.1. ¿Qué son los Ciclos Biogeoquímicos?
Son procesos naturales que reciclan elementos en diferentes formas químicas desde el medio ambiente hacia los organismos, y luego a la inversa. Agua, carbón, oxígeno, nitrógeno, fósforo y otros elementos recorren estos ciclos, conectando los componentes vivos y no vivos de la Tierra.
Un ciclo biogeoquímico, término que deriva del griego bio', vida, geo, tierra y química se refiere al movimiento de los elementos de nitrógeno, oxígeno, hidrógeno, calcio, sodio, azufre, fósforo, potasio, carbono y otros elementos entre los seres vivos y el ambiente (atmósfera, biomasa y sistemas acuáticos) mediante una serie de procesos: producción y descomposición. En la biosfera, la materia es limitada de manera que su reciclaje es un punto clave en el mantenimiento de la vida en la Tierra; de otro modo, los nutrientes se agotarían y la vida desaparecería.
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Un elemento químico o molécula que es necesario para la vida de un organismo, se le llama nutriente o nutrimento. Los organismos vivos necesitan de 31 a 40 elementos químicos, donde el número y tipos de estos elementos varía en cada especie.
Los elementos requeridos por los organismos en grandes cantidades se denominan:
a) Macronutrientes: Carbono, oxígeno, hidrógeno, nitrógeno, fósforo, azufre, calcio, magnesio y potasio. Estos elementos y sus compuestos constituyen el 97 % de la masa del cuerpo humano, y más de 95 % de la masa de todos los organismos.
b) Micronutrientes. Son los 132 o más elementos requeridos en cantidades pequeñas (hasta trazas): hierro, cobre, zinc, cloro, yodo, (véase también oligoelementos). La mayor parte de las sustancias químicas de la tierra no están en formas útiles para los organismos. Pero, los elementos y sus compuestos necesarios como nutrientes, son reciclados continuamente en formas complejas a través de las partes vivas y no vivas de la biosfera, y convertidos en formas útiles por una combinación de procesos biológicos, geológicos y químicos. El ciclo de los nutrientes desde el biotopo (en la atmósfera, la hidrosfera y la corteza de la tierra) hasta la biota, y viceversa, tiene lugar en los ciclos biogeoquímicos (de bio: vida, geo: en la tierra), ciclos, activados directa o indirectamente por la energía solar, incluyen los del carbono, oxígeno, nitrógeno, fósforo, azufre y del agua (hidrológico). Así, una sustancia química puede ser parte de un organismo en un momento y parte del ambiente del organismo en otro momento. Por ejemplo, una molécula de agua ingresada a un vegetal, puede ser la misma que pasó por el organismo de un dinosaurio hace millones de años. Gracias a los ciclos biogeoquímicos, los elementos se encuentran disponibles para ser usados una y otra vez por otros organismos; sin estos ciclos los seres vivos se extinguirían, punto en el cual reside su gran importancia.
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El término ciclo biogeoquímico se deriva del movimiento cíclico de los elementos que forman los organismos biológicos (bio) y el ambiente geológico (geo) e intervienen en un cambio químico. Sedimentario. También se estudian los cambios de estado producidos de la materia que los contamina. Hidrológico. Proceso de circulación del agua entre los distintos compartimentos de la hidrósfera. Se trata de un ciclo biogeoquímico en el que hay una intervención mínima de reacciones químicas, y el agua solamente se traslada de unos lugares a otros o cambia de estado físico.
c) Puntos más importantes La energía fluye a través del ecosistema y se disipa como calor, pero los elementos químicos se reciclan. La manera como un elemento, o un compuesto como el agua, se mueve entre sus diversas formas vivas y no vivas y los lugares en la biósfera se llama ciclo biogeoquímico. Los ciclos biogeoquímicos importantes para los seres vivos son el del agua, el carbono, el nitrógeno, el fósforo y el azufre.
¿De qué está hecho tu cuerpo? Para decirlo de una manera directa: de átomos. Muchísimos de ellos; unos 7, 000,000,000,000,000,000,000,000,000 para ser precisos.
¿De dónde salieron todos esos átomos? Si nos vamos realmente hacia atrás, la mayoría de los elementos que conforman nuestros cuerpos -y aquellos de todos los demás seres vivos- nacieron dentro de estrellas que estaban muriendo hace miles de millones de años. Eso está genial, pero no pinta el panorama completo. ¿Qué han estado haciendo los átomos de tu cuerpo más recientemente durante su tiempo en la Tierra.
8
d) La energía fluye, pero la materia se recicla. La energía fluye direccionalmente a través de los ecosistemas de la Tierra; generalmente entra en forma de luz solar y sale en forma de calor. Sin embargo, los componentes químicos que forman a los seres vivos son diferentes: se reciclan.
E n esta imagen, el flujo de la energía se muestr a con flechas amarillas y rojas. El amarillo indica energía utilizable, y el rojo energía perdida en la forma de calor no utilizable. Las flechas verdes muestran el reciclaje continuo de los nutri entes químicos. Cr édito de la imagen: Ciclos biogeoquímicos: Figura
9
¿Qué significa eso? Por una parte, que los átomos de tu cuerpo no son nuevecitos. Por el contrario, han estado reciclándose a través de la biósfera por mucho, mucho tiempo, y han formado parte de muchos organismos y compuestos no vivos en el trayecto. Puedes creer o no en la reencarnación como concepto espiritual, ¡pero no hay duda que los átomos de tu cuerpo han sido parte de una enorme cantidad de cosas vivas y no vivas a lo largo de los años! Los seis elementos más comunes en las moléculas orgánicas -carbono, nitrógeno, hidrógeno, oxígeno, fósforo y azufre- toman una variedad de formas químicas. Se pueden almacenar por periodos largos o cortos en la atmósfera, en la tierra, en el agua o por debajo de la superficie terrestre, así como en los cuerpos de los seres vivos. Los procesos geológicos, como el desgaste de las rocas, la erosión, el escurrimiento de agua y la subducción de las placas continentales, juegan un papel en este reciclaje de materiales, así como la interacción entre los organismos. La forma como un elemento, o en algunos casos un compuesto como el agua, se mueve entre sus diversas formas y lugares vivos y no vivos, se conoce como un ciclo biogeoquímico. Este nombre refleja la importancia de la química y la geología, así como la biología en ayudarnos a entender estos ciclos.
¿Por qué los ciclos biogeoquímicos son fundamentales para la vida? El agua, que contiene hidrógeno y oxígeno, es esencial para los seres vivos. ¡Eso pone al ciclo del agua muy alto en la lista de los ciclos que nos interesan! La hidrósfera, el conjunto de lugares donde se puede encontrar el agua conforme sigue su ciclo en la Tierra, es grande y diversa. El agua se presenta como un líquido en la superficie terrestre y por debajo de ella, como hielo en los casquetes polares y glaciares, y como vapor de agua en la atmósfera.
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Para más información sobre cómo el agua se mueve entre estas formas, revisa el artículo sobre el ciclo del agua.
1) El agua compone más de la mitad de nuestros cuerpos, pero los humanos no podemos vivir solo de agua. Hay otros elementos esenciales que mantienen en funcionamiento a nuestros cuerpos y son parte de los ciclos biogeoquímicos:
2) El carbono se encuentra en todas las macromoléculas orgánicas y es también un componente fundamental de los combustibles fósiles. Consulta el artículo sobre el ciclo del carbono para más información.
3) El nitrógeno es necesario para nuestro ADN, ARN, y nuestras proteínas, y es fundamental para la agricultura humana. Consulta el artículo sobre el ciclo del nitrógeno para más información.
4) El fósforo es un componente clave para el ADN, ARN y es uno de los ingredientes principales, junto con el nitrógeno, en los fertilizantes artificiales que se usan en la agricultura. Consulta el artículo sobre el ciclo del fósforo para más información.
5) El azufre es fundamental en la estructura de las proteínas y se libera a la atmósfera al quemar combustibles fósiles. Estos ciclos no suceden de forma aislada, y el ciclo del agua es un promotor particularmente importante de los demás ciclos biogeoquímicos. Por ejemplo, el movimiento del agua es esencial para la filtración del nitrógeno y los fosfatos hacia los ríos, lagos y océanos. El océano además es un depósito importante de carbono. Aunque cada elemento o compuesto tiene su propia ruta, todos estos nutrientes químicos esenciales circulan a través de la biósfera, y se mueven entre el mundo biótico (vivo) y el abiótico (sin vida), y de un ser vivo a otro.
11
CAPITULO II
2.1. El ciclo del agua Aprende cómo se mueve el agua a través de los ecosistemas de la tierra.
a) Puntos más importantes La mayor parte del agua de la Tierra es el agua salada de los océanos, solo una pequeña fracción es agua dulce de fácil acceso, que es lo que necesitamos los humanos. El agua que se encuentra en la superficie de la tierra circula rápidamente, pero mucha del agua del planeta se encuentra en el hielo, los océanos y los depósitos subterráneos, y esta circula lentamente. El ciclo del agua es complejo. Involucra cambios en el estado físico del agua así como el movimiento de la misma a través de los ecosistemas y entre ellos. El agua subterránea se encuentra entre las partículas del suelo y en las grietas de las rocas. Los mantos acuíferos son depósitos de agua subterránea que a menudo se aprovechan por medio de pozos.
b) E l agua: ¿por qué es importante? El agua es extremadamente importante para los seres vivos. Más de la mitad de tu cuerpo es agua y, si analizáramos tus células, ¡encontraríamos que están compuestas por más del 70% de agua! Así que tú, como la mayoría de los animales terrestres, necesitas una fuente confiable de agua dulce para sobrevivir. El 97.5% del agua de la Tierra es salada. Más del 99% del agua restante está en depósitos subterráneos o en forma de hielo. Así que menos del 1% del agua dulce se encuentra en lagos, ríos y otras formas superficiales disponibles.
12
E sta gráfica no menciona los pequeños depósitos de agua como la atmósfera y los cuerpos de los organismos vivos. Crédito de imagen: Ciclos biogeoquímicos:
Muchos seres vivos dependen de este pequeño suministro de agua dulce superficial y la falta de agua puede tener efectos severos en los ecosistemas. Por supuesto, los humanos han desarrollado tecnologías que aumentan la disponibilidad de agua, entre ellas se encuentran la construcción de pozos para llegar al agua subterránea, el acopio de agua de lluvia y la desalinación —remover la sal— para obtener agua dulce del océano. Aun así, hoy en día no siempre hay agua potable y segura disponible en muchas partes del mundo. La mayor parte del agua de la tierra no circula —se mueve de un lugar a otro— muy rápido. Podemos verlo en la imagen siguiente, en la que se muestra el tiempo promedio que pasa una molécula de agua en cada uno de los principales depósitos de agua
del
conocida
planeta,
una
como
tiempo
medida de
residencia. El agua de los océanos, el agua subterránea y la que se encuentra en forma de hielo tiende a circular muy lentamente. Solo el agua superficial circula con rapidez.
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c) E l ciclo del agua El ciclo del agua es impulsado por la energía solar. El sol calienta la superficie del océano y otras aguas superficiales, lo que evapora el agua líquida y sublima el hielo, convirtiéndolo directamente de sólido a gas. Estos procesos impulsados por el sol mueven el agua hacia la atmósfera en forma de vapor de agua. Con el tiempo, el vapor de agua en la atmósfera se condensa en nubes y finalmente cae como precipitación, en forma de lluvia o nieve. Cuando la precipitación llega a la superficie de la tierra, tiene pocas opciones: puede evaporarse de nuevo, fluir sobre la superficie o percolarse, filtrarse, en el suelo. En los ecosistemas terrestres —que se encuentran sobre la tierra — en su estado natural, la lluvia generalmente golpea las hojas y otras superficies de las plantas antes de caer al suelo. Parte de esa agua se evapora rápidamente de la superficie de las plantas. El agua restante cae al suelo y, en la mayoría de los casos, es absorbida por este. En general, el agua se mueve sobre la superficie de la tierra como escurrimiento solo cuando el suelo está saturado con agua, cuando la lluvia es muy fuerte o cuando la superficie no puede absorber mucha agua. Una superficie que no absorbe el agua podría ser la roca en un ecosistema natural o el asfalto y el cemento en un ecosistema urbano o suburbano.
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El agua en los niveles superiores del suelo puede ser absorbida por las raíces de las plantas. Estas usan una parte del agua para su propio metabolismo y el agua que se encuentra sus tejidos puede pasar al cuerpo de los animales cuando estos se comen a las plantas. Sin embargo, la mayor parte del agua que entra en el cuerpo de una planta se pierde hacia la atmósfera mediante un proceso llamado transpiración. En la transpiración, el agua entra a través de las raíces, viaja hacia arriba por tubos vasculares formados por células muertas y se evapora a través de poros llamados estomas, que se encuentran en las hojas.
¿Por qué una planta absorbería agua que no va a utilizar? Si el agua no es absorbida por las raíces de las plantas, puede percolarse hacia el subsuelo y el lecho de roca, convirtiéndose en agua subterránea. El agua subterránea es la que se encuentra en los poros entre las partículas de arena y grava o en las grietas de las rocas, y es un depósito importante de agua dulce. El agua subterránea poco profunda fluye lentamente a través de los poros y fisuras, y puede encontrar su camino hasta un arroyo o lago, donde se convierte nuevamente en agua superficial. Parte del agua subterránea se encuentra muy profundo en el lecho de roca y puede permanecer ahí durante milenios. Estos depósitos de agua o acuíferos, generalmente se explotan como fuente de agua potable o de riego mediante la excavación de pozos. Hoy en día, muchos acuíferos están siendo utilizados más rápido de lo que pueden renovarse por la filtración de agua superficial.
d) E l ciclo del agua impulsa otros ciclos. El ciclo del agua es importante por sí mismo y los patrones de circulación del agua y la precipitación tienen grandes efectos en los ecosistemas de la tierra. Sin embargo, la lluvia y el escurrimiento superficial también tienen una función en la circulación de varios elementos, entre estos el carbono, el nitrógeno, el fósforo y el azufre. En particular, el escurrimiento superficial ayuda a estos elementos a moverse de los ecosistemas terrestres a los acuáticos. Veremos con más detalle cómo funciona esto en los siguientes artículos, donde examinaremos los ciclos biogeoquímicos de los distintos elementos.
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El ciclo hidrológico o ciclo del agua es el proceso de circulación del agua entre los distintos compartimentos que forman la hidrosfera. Se trata de un ciclo biogeoquímico en el que hay una intervención mínima de reacciones químicas, porque el agua casi sólo se traslada de unos lugares a otros o cambia de estado físico.
1.2. Fases del ciclo hidrológico El ciclo del agua tiene una interacción constante con el ecosistema ya que los seres vivos dependen de esta para sobrevivir, y a su vez ayudan al funcionamiento del mismo. Por su parte, el ciclo hidrológico presenta cierta dependencia de una atmósfera poco contaminada y de un grado de pureza del agua para su desarrollo convencional, y de otra manera el ciclo se entorpecería por el cambio en los tiempos de evaporación y condensación.
12.1. Los principales procesos implicados en el ciclo del agua son: – E vaporación: El agua se evapora en la superficie oceánica, sobre la superficie terrestre y también por los organismos, en el fenómeno de la transpiración en plantas y sudoración en animales. Los seres vivos, especialmente las plantas, contribuyen con un 10 % al agua que se incorpora a la atmósfera. En el mismo capítulo podemos situar la sublimación, cuantitativamente muy poco importante, que ocurre en la superficie helada de los glaciares o la banquisa.
– Condensación: El agua en forma de vapor sube y se condensa formando las nubes, constituidas por agua en gotas minúsculas.
– Precipitación: Se produce cuando las gotas de agua, que forman las nubes, se enfrían acelerándose la condensación y uniéndose las gotas de agua para formar gotas mayores que terminan por precipitarse a la superficie terrestre en razón a su mayor peso. La precipitación puede ser sólida (nieve o granizo) o líquida (lluvia).
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– I nfiltración: Ocurre cuando el agua que alcanza el suelo, penetra a través de sus poros y pasa a ser subterránea. La proporción de agua que se infiltra y la que circula en superficie (escorrentía) depende de la permeabilidad del sustrato, de la pendiente y de la cobertura vegetal. Parte del agua infiltrada vuelve a la atmósfera por evaporación o, más aún, por la transpiración de las plantas, que la extraen con raíces más o menos extensas y profundas. Otra parte se incorpora a los acuíferos, niveles que contienen agua estancada o circulante. Parte del agua subterránea alcanza la superficie allí donde los acuíferos, por las circunstancias topográficas, intersecan (es decir, cortan) la superficie del terreno.
– E scorrentía: Este término se refiere a los diversos medios por los que el agua líquida se desliza cuesta abajo por la superficie del terreno. En los climas no excepcionalmente secos, incluidos la mayoría de los llamados desérticos, la escorrentía es el principal agente geológico de erosión y de transporte de sedimentos.
–
Circulación subterránea:
Se produce a favor de la gravedad, como la escorrentía superficial, de la que se puede considerar una versión. Se presenta en dos modalidades: Primero, la que se da en la zona vadosa, especialmente en rocas karstificadas, como son a menudo las calizas, y es una circulación siempre pendiente abajo. Segundo, la que ocurre en los acuíferos en forma de agua intersticial que llena los poros de una roca permeable, de la cual puede incluso remontar por fenómenos en los que intervienen la presión y la capilaridad.
–
Fusión:
Este cambio de estado se produce cuando la nieve pasa a estado líquido al producirse el deshielo.
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– Solidificación: Al disminuir la temperatura en el interior de una nube por debajo de 0 °C, el vapor de agua o el agua misma se congelan, precipitándose en forma de nieve o granizo, siendo la principal diferencia entre los dos conceptos que en el caso de la nieve se trata de una solidificación del agua de la nube que se presenta por lo general a baja altura. Al irse congelando la humedad y las pequeñas gotas de agua de la nube, se forman copos de nieve, cristales de hielo polimórficos (es decir, que adoptan numerosas formas visibles al microscopio), mientras que en el caso del granizo, es el ascenso rápido de las gotas de agua que forman una nube lo que da srcen a la formación de hielo, el cual va formando el granizo y aumentando de tamaño con ese ascenso. Y cuando sobre la superficie del mar se produce una manga de agua (especie de tornado que se produce sobre la superficie del mar cuando está muy caldeada por el sol) este hielo se srcina en el ascenso de agua por adherencia del vapor y agua al núcleo congelado de las grandes gotas de agua. El proceso se repite desde el inicio, consecutivamente por lo que nunca se termina, ni se agota el agua.
1.3. Energía del agua El ciclo del agua disipa es decir, consume y degrada una gran cantidad de energía, la cual es aportada casi por completo por la insolación. La evaporación es debida al calentamiento solar y animada por la circulación atmosférica, que renueva las masas de aire, y que es a su vez debida a diferencias de temperatura igualmente dependientes de la insolación. Los cambios de estado del agua requieren o disipan mucha energía, por el elevado valor que toman el calor latente de fusión y el calor latente de vaporización. Así, esos cambios de estado contribuyen al calentamiento o enfriamiento de las masas de aire, y al transporte neto de calor desde las latitudes tropicales o templadas hacia las frías y polares, gracias al cual es más suave en conjunto el clima de la Tierra.
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CAPITULO III
3.1. El ciclo del carbono Aprende cómo se mueve el carbono a través de los ecosistemas de la tierra y cómo la actividad humana altera el ciclo del carbono.
a) Puntos más importantes El carbono es un elemento esencial en los cuerpos de los seres vivos. También es económicamente importante para los humanos modernos, en la forma de combustibles fósiles. El dióxido de carbono —CO2 de la atmósfera es absorbido por los organismos fotosintéticos que lo usan para producir moléculas orgánicas, las cuales viajan a través de las cadenas alimenticias. Al final, los átomos de carbono son liberados como CO 2 durante la respiración. Los procesos geológicos lentos, entre los que están la formación de rocas sedimentarias y combustibles fósiles, contribuyen al ciclo del carbono a lo largo de escalas prolongadas de tiempo. Algunas actividades humanas, como la quema de combustibles fósiles y la deforestación, aumentan el CO2 atmosférico y afectan el clima y los océanos de la tierra.
b) E l carbono: elemento constitutivo y fuente de energía Alrededor del 18% de tu cuerpo, en masa, está compuesto por átomos de carbono, ¡y esos átomos son fundamentales para tu existencia! Sin el carbono, no tendrías las membranas plasmáticas de tus células, ni las moléculas de azúcar que usas como combustible, ni siquiera ADNA que porta las instrucciones para construir y poner en funcionamiento tu cuerpo.
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El carbono es parte de nuestros cuerpos, pero también es parte de nuestras industrias modernas. Los compuestos de carbono de plantas y algas que existieron hace mucho tiempo forman los combustibles fósiles, como el carbón y el gas natural, que usamos actualmente como fuentes de energía. Cuando estos combustibles fósiles se queman, se libera dióxido de carbono CO2— en el aire, lo que resulta en niveles cada vez mayores CO 2. Este aumento en los niveles de CO2 afecta el clima de la tierra y es una preocupación ambiental importante en todo el mundo. Echemos un vistazo al ciclo del carbono y veamos cómo el CO 2 atmosférico y el uso que los organismos vivos hacen del carbono encajan en este ciclo.
c) E l ciclo del carbono El ciclo del carbono se estudia con más facilidad como dos ciclos más pequeños interconectados:
Uno que comprende el intercambio rápido de carbono entre los organismos vivos
Y otro que se encarga del ciclo del carbono a través de los procesos geológicos a largo plazo
Aunque los veremos de manera separada, es importante tomar en cuenta que estos ciclos están enlazados entre sí. Por ejemplo, las reservas de CO 2 atmosférico y oceánico que son utilizadas por los organismos vivos son las mismas que los procesos geológicos reciclan. Como una breve descripción, el carbono existe en el aire mayoritariamente como dióxido de carbono —CO2— gaseoso, el cual se disuelve en el agua y reacciona con las moléculas de esta para producir bicarbonato: HCO3. La fotosíntesis que llevan a cabo las plantas terrestres, las bacterias y las algas, convierte el dióxido de carbono o el bicarbonato en moléculas orgánicas. Las moléculas orgánicas producidas por los organismos fotosintetizadores pasan a través de las cadenas alimenticias, y la respiración celular convierte nuevamente el carbono orgánico en dióxido de carbono gaseoso.
20
El almacenamiento de carbono orgánico a largo plazo ocurre cuando la materia que proviene de los organismos vivos es enterrada profundamente bajo la tierra o cuando se hunde hasta el fondo del océano y forma rocas sedimentarias. La actividad volcánica y, en tiempos más recientes, la quema de combustibles fósiles devuelven este carbono orgánico al ciclo. Aunque la formación de combustibles fósiles sucede en una escala de tiempo geológico lento, la liberación que hacen los humanos del carbono que contienen, en forma de CO 2 sucede en una escala de tiempo extremadamente rápida.
d) E l ciclo biológico del carbono El carbono entra en todas las redes tróficas, tanto terrestres como acuáticas, a través de los autótrofos, organismos que producen su propio alimento. Casi todos estos autótrofos son fotosintetizadores, como las plantas o las algas.
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Los autótrofos capturan el dióxido de carbono del aire o los iones de bicarbonato del agua y lo usan para producir compuestos orgánicos como la glucosa. Los heterótrofos, que se alimentan de otros seres, como los humanos, consumen las moléculas orgánicas y así el carbono orgánico pasa a través de las cadenas y redes tróficas. ¿Cómo regresa el carbono a la atmósfera o al océano? Para liberar la energía almacenada en las moléculas que contienen carbono, como los azúcares, los autótrofos y heterótrofos las degradan mediante un proceso llamado respiración celular. En este proceso, el carbono de la molécula se libera en forma de dióxido de carbono. Los descomponedores también liberan compuestos orgánicos y dióxido de carbono cuando degradan organismos muertos y productos de desecho. El carbono circula rápidamente a través de esta ruta biológica, especialmente en los ecosistemas acuáticos. En general, se estima que se mueven entre 1,000 y 100,000 millones de toneladas métricas de carbono a través de la ruta biológica cada año. Para que te des una idea, ¡una tonelada métrica es casi el mismo peso que el de un elefante o un coche pequeño!
e) E l ciclo geológico del carbono La ruta geológica del ciclo del carbono es mucho más lenta que la ruta biológica que acabamos de describir. De hecho, el carbono usualmente tarda millones de años en recorrer la ruta geológica. El carbono puede quedar almacenado durante largos periodos de tiempo en la atmósfera, en los cuerpos de agua líquida —océanos en su mayoría— en los sedimentos oceánicos, en el suelo, en las rocas, en los combustibles fósiles y en el interior de la Tierra. El nivel de dióxido de carbono en la atmósfera se ve afectado por la reserva de carbono en los océanos y viceversa. El dióxido de carbono atmosférico se disuelve en agua y reacciona con las moléculas de agua en las siguientes reacciones:
CO2+H2O⇌H2CO3⇌HCO3−+H+⇌CO32−+2H+
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El carbonato − CO32que se libera en este proceso se combina con los iones Ca2+ para formar carbonato de calcio CaCO3— un componente clave de las conchas de los organismos marinos. Cuando los organismos mueren, sus restos se hunden y finalmente se convierten en parte del sedimento del suelo oceánico. A lo largo del tiempo geológico, el sedimento se convierte en piedra caliza, que es la reserva de carbono más grande de la Tierra. En la tierra, el carbono se almacena en el suelo en forma de carbono orgánico proveniente de la descomposición de los organismos o como carbono inorgánico producto de la meteorización de las rocas y los minerales. Más profundo en el subsuelo se encuentran los combustibles fósiles como el petróleo, el carbón y el gas natural, que son los restos de plantas descompuestas bajo condiciones anaeróbicas, sin oxígeno. Los combustibles fósiles tardan millones de años en formarse; cuando los humanos los queman, el carbono es liberado a la atmósfera en forma de dióxido de carbono. Otra forma en la que el carbono entra a la atmósfera es la erupción volcánica. Los sedimentos carbonatados del fondo oceánico se hunden profundamente en la Tierra mediante un proceso llamado subducción, en el que una placa tectónica se mueve por debajo de otra. Este proceso produce dióxido de carbono, el cual puede ser liberado hacia la atmósfera por erupciones volcánicas o respiraderos hidrotermales.
f) E l impacto humanosobre el ciclo del carbono La demanda mundial por las limitadas reservas de combustibles fósiles de la Tierra ha aumentado desde el inicio de la revolución industrial. Los combustibles fósiles se consideran como un
recurso no renovable porque se agotan mucho más rápido de lo que los procesos
geológicos pueden producirlos. Cuando se queman combustibles fósiles, se libera dióxido de carbono — CO2 — al aire. El aumento en el uso de los combustibles fósiles ha provocado niveles elevados CO 2 atmosférico. La deforestación, la tala de bosques, también contribuye de manera importante a elevar los niveles de CO2 . Los árboles y otras partes de los ecosistemas boscosos secuestran el carbono y buena parte de ese carbono se libera en forma de CO 2 talar el bosque
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Parte del CO2 adicional producido por la actividad humana es absorbido por las plantas o el océano, pero estos procesos no contrarrestan completamente el aumento, por lo que los niveles de CO2 se elevan cada vez más. Los niveles de CO 2 suben y bajan cíclicamente de manera natural durante largos periodos de tiempo, pero hoy en día son mucho más altos de lo que han sido en los últimos 400,000 años, como se muestra en la gráfica siguiente:
"Amenazas para la biodiversidad
¿Por qué es importante si hay mucho CO2 en la atmósfera? El CO2 es un gas de efecto invernadero. Cuando se encuentra en la atmósfera, atrapa el calor y evita que irradie hacia el espacio. Basados en gran cantidad de pruebas, los científicos piensan que los niveles elevados de CO2 y otros gases de efecto invernadero provocan cambios pronunciados en el clima de la Tierra. Si no se realizan cambios decisivos en la reducción de emisiones, se pronostica que la temperatura de la Tierra aumentará entre 1 y 5ºC para el año 2100. Del mismo modo, aunque pueda parecer que la absorción que hace el océano del dióxido de carbono excedente es buena para reducir los gases de efecto invernadero, no es en absoluto benéfica para la vida marina. Como vimos anteriormente, el CO2 disuelto en el agua de mar puede reaccionar con las moléculas de agua para liberar iones H+. Así que, mientras más CO2 disuelve en el agua, más ácida será el agua.
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Una mayor acidez en el agua reduce las concentraciones de CO32, lo que les dificulta a los organismos marinos formar y mantener sus conchas de CaCO3 . Tanto el aumento de temperatura como el incremento en la acidez del agua pueden perjudicar a la vida marina y ambos procesos se han relacionado con el blanqueamiento del coral. Un coral blanqueado aparece en primer plano, con un coral sano al fondo.
3.2. Componentes principales El ciclo de carbono global ahora normalmente se divide en los siguientes depósitos principales interconectados por rutas de intercambio:
a) La atmósfera. b) La biosfera terrestre. c) Los océanos, incluido el carbono inorgánico disuelto y la biota marina viva e inerte.
d) Los sedimentos, incluido los combustibles fósiles, los sistemas de agua fresca y el material orgánico inerte.
e) El interior de la Tierra, carbono del manto y la corteza terrestre. Estos almacenes de carbono interaccionan con los otros componentes a través de procesos geológicos. Los intercambios de carbono entre reservas ocurren como resultado de varios procesos químicos, físicos, geológicos y biológicos. El océano contiene el depósito activo más grande de carbono cerca la superficie de la Tierra.
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Los flujos naturales de carbono entre la atmósfera, océano, ecosistemas terrestres y sedimentos están bastante equilibrados, de modo que los niveles de carbono serían relativamente estables sin la influencia humana.
a) Atmósfera Epifitas en cables eléctricos. Este tipo de planta toma CO2 y agua de la atmósfera para vivir y crecer y expulsa, también a la atmósfera, parte del oxígeno libre que no utiliza procedente del CO2. El carbono en la atmósfera terrestre existe en dos formas principales: dióxido de carbono y metano. Ambos gases absorben y retienen calor en la atmósfera y son parcialmente responsables del efecto invernadero. El metano produce un gran efecto invernadero al compararse con el mismo volumen de dióxido de carbono, pero existe en concentraciones mucho más bajas y tiene una vida atmosférica más corta que el dióxido de carbono, haciendo de este último el gas de efecto invernadero más importante.
El dióxido de carbono abandona la atmósfera a través de la fotosíntesis, introduciendo a las biosferas terrestres y oceánicas. El dióxido de carbono también se disuelve directamente de la atmósfera a los cuerpos de agua (océanos, lagos, etc.), además de disolverse en la precipitación al caer las gotas de la atmósfera. Cuando está disuelto en el agua, el dióxido de carbono reacciona con las moléculas de agua y forma ácido carbónico, el cual contribuye a la acidez oceánica. Entonces puede absorberse por las rocas a través de la erosión. También puede acidificar otras superficies en contacto o fluir al océano. La actividad humana durante los dos últimos siglos ha aumentado significativamente la cantidad de carbono en la atmósfera, principalmente en la forma de dióxido de carbono, tanto por la modificación de la capacidad de los ecosistemas para extraer el dióxido de carbono de la atmósfera y por emitirlo directamente. Por ejemplo, la quema de combustibles fósiles y la fabricación de hormigón.
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b) Biosfera terrestre Un sistema portátil que mide el flujo de CO2 de la respiración de suelo . La biosfera terrestre incluye el carbono orgánico en todos los organismos vivientes en tierra, ambos vivos y muertos, además del carbono almacenado en los suelos. Aproximadamente 500 gigatones de carbono están almacenados sobre la tierra en plantas y otros organismos vivientes, mientras que la tierra guarda aproximadamente 1500 gigatones de carbono. La mayoría de carbono en la biosfera terrestre es carbono orgánico, mientras que alrededor de un tercio del carbono en tierra está almacenado en formas inorgánicas, como el carbonato de calcio. El carbono orgánico es un componente importante de todos los organismos que viven en el planeta. Los autótrofos lo extraen del aire en la forma de dióxido de carbono, convirtiendo en carbono orgánico, mientras que los heterótrofos reciben el carbono al consumir a otros organismos. Dado que la absorción de carbono en la biosfera terrestre depende de factores bióticos, sigue un ciclo diurno y estacional. En las mediciones de CO2, esta característica es aparente en la curva de Keeling. Es más fuerte en el hemisferio del norte, porque este hemisferio tiene más masa de tierra que el hemisferio del sur y por ello más espacio para los ecosistemas para absorber y emitir carbono. El carbono deja la biosfera terrestre de varias maneras y en escalas de tiempo diferentes. La combustión o la respiración de carbono orgánico lo liberan rápidamente a la atmósfera. También puede ser exportado a los océanos a través de los ríos o permanecer retenido en el suelo en la forma de carbono inerte. El carbono almacenado en el suelo puede quedar allí por hasta miles de años antes de ser arrastrado a los ríos por la erosión o liberado a la atmósfera a través de la respiración del suelo. Entre 1989 y 2008 la respiración del suelo aumentó en aproximadamente 0,1 por año.10 En 2008, el total global de CO2 liberado del suelo alcanzó aproximadamente las 98 000 millones toneladas, cerca de 10 veces más carbono que los humanos estaban poniendo a la atmósfera cada año al quemar combustible fósiles.
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Existen unas cuantas explicaciones plausibles para esta tendencia, pero la explicación más probable es que las temperaturas crecientes han aumentado los índices de descomposición de la materia orgánica del suelo, lo que ha incrementado el flujo de CO2. La magnitud de la retención de carbono en el suelo es dependiente de las condiciones climáticas locales y por ello de cambios en el curso del cambio climático. Desde la era preindustrial a 2010, la biosfera terrestre representó una fuente neta de CO2 atmosférico con anterioridad a 1940, cambiando posteriormente a un sumidero neto.
c) Océanos Los océanos contienen la cantidad más grande de carbono activamente circulante del planeta y son solo superados por la litosfera en la cantidad de carbono que almacenan. La capa superficial del océano guarda grandes cantidades de carbono orgánico disuelto que se intercambia rápidamente con la atmósfera. La concentración de la capa profunda de carbono inorgánico disuelto (CID) es aproximadamente 15% mayor que la de la capa superficial. El CID está almacenado en la capa profunda por periodos mucho más largos. La circulación termosalina intercambia carbono entre estas dos capas. El carbono ingresa al océano principalmente a través de la disolución de dióxido de carbono atmosférico, el cual se convierte en carbonato. También puede introducirse a través de los ríos como carbono orgánico disuelto. Es convertido por los organismos a carbono orgánico a través de la fotosíntesis y puede intercambiarse mediante la cadena alimentaria o precipitarse a las capas más profundas y ricas en carbono del océano como tejido blando muerto o en conchas como carbonato de calcio. Circula en esta capa por periodos largos del tiempo antes de depositarse como sedimento o, finalmente, regresar a las aguas superficiales a través de la circulación termohalina. La absorción oceánica de CO2 es una de las formas más importantes de secuestro de carbono que limita el aumento antrópico de dióxido de carbono en la atmósfera. Aun así, este proceso está limitado por varios de factores.
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Porque el índice de disolución de CO2 en el océano es dependiente de la erosión de las rocas y este proceso ocurre más lento que los índices actuales de las emisiones antrópicas de gases de efecto invernadero, la absorción oceánica de CO2 disminuirá en el futuro. La absorción de CO2 también hace a las aguas más ácidas, lo que afecta a los biosistemas oceánicos. El índice proyectado del aumento de la acidez oceánica podría retrasar la precipitación biológica de los carbonatos de calcio y así disminuir la capacidad oceánica de absorber el dióxido de carbono.
3.3. Ciclo de carbono geológico El componente geológico del ciclo del carbono opera más despacio en comparación a otras partes del ciclo global. Es uno de los determinantes más importantes de la cantidad de carbono en la atmósfera y por ende de las temperaturas globales. La mayoría del carbono de la tierra está almacenado en forma inerte en la litosfera. Mucho del carbono almacenado en el manto de la Tierra fue almacenado allí cuando la Tierra se formó. Parte de él fue depositado en la forma de carbono orgánico por la biosfera. Del carbono almacenado en el geosfera, aproximadamente el 80% es caliza y sus derivados, los cuales se forman por la sedimentación del carbonato de calcio almacenado en las conchas de los organismos marinos. El 20% restante está almacenado en querógenos formado a través de la sedimentación y entierro de organismos terrestres bajo condiciones de altas presión y temperatura. El carbono orgánico almacenado en el geosfera puede permanecer allí por millones de años. El carbono puede abandonar la geosfera de varias formas. El dióxido de carbono es liberado durante la metamorfosis de rocas carbonatadas cuando estas se deslizan en el manto terrestre. Este dióxido de carbono puede liberarse a la atmósfera y océano a través de volcanes y puntos calientes. También puede ser removido por el hombre a través de la extracción directa de querógenos en la forma de combustibles fósiles. Después de la extracción, los combustibles fósiles son quemados para liberar energía, liberando a la atmósfera el carbono que almacenan.
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CAPITULO IV
4.1. El ciclo del nitrógeno El papel fundamental de los microorganismos en la fijación del nitrógeno. Cómo el uso excesivo de fertilizantes nitrogenados puede provocar la floración de algas.
a)Puntos más importantes
El nitrógeno es un componente esencial de los cuerpos de los seres vivos. Los átomos de nitrógeno se encuentran en todas las proteínas y en el ADN.
El nitrógeno existe en la atmósfera como N2. Durante la fijación del nitrógeno, las bacterias convierten el N2 en amoníaco, una forma de nitrógeno que puede ser utilizada por las plantas. Cuando los animales comen plantas, adquieren compuestos nitrogenados que pueden utilizar.
El nitrógeno es un nutriente limitante común en la naturaleza y la agricultura. Un nutriente limitante es aquel que está disponible en una cantidad mínima y por lo tanto limita el crecimiento.
Cuando los fertilizantes que contienen nitrógeno y fósforo llegan a los ríos y lagos, pueden provocar florecimientos de algas, proceso conocido como eutrofización.
a) I ntroducción ¡El nitrógeno está en todas partes! De hecho el N2 , gaseoso compone alrededor del 78% del volumen de la atmósfera de la tierra, sobrepasando con mucho al O 2 que consideramos “aire” Pero tener nitrógeno a nuestro alrededor y ser capaz de aprovecharlo son dos cosas muy distintas. Tu cuerpo, y el de las plantas y animales, no tienen la capacidad de convertir el N 2 a una forma utilizable. Nosotros los animales, y nuestras amigas las plantas, no tenemos las enzimas para capturar o fijar el nitrógeno atmosférico.
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Aun así, tu ADN y tus proteínas tienen una buena cantidad de nitrógeno. ¿De dónde viene ese nitrógeno? En el mundo natural ¡proviene de las bacterias!
b) Las bacterias juegan un papel fundamental en el ciclo del nitrógeno. El nitrógeno ingresa al mundo de lo vivo por medio de las bacterias y otros procariontes unicelulares que convierten el nitrógeno atmosférico, N2, en formas biológicamente utilizables mediante un proceso llamado fijación del nitrógeno. Algunas especies de bacterias fijadoras de nitrógeno viven libremente en el suelo o el agua, mientras que otras son simbiontes benéficos que viven dentro de las plantas. Los microorganismos fijadores de nitrógeno capturan el nitrógeno atmosférico al convertirlo en amoníaco, NH3 , el cual puede ser absorbido y utilizado por las plantas para producir moléculas orgánicas. Las moléculas nitrogenadas pasan a los animales cuando estos consumen plantas, y una vez dentro del cuerpo, pueden ser incorporadas al mismo o pueden ser degradadas y excretadas como desecho, como la urea de la orina.
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El nitrógeno no permanece por siempre en el cuerpo de los seres vivos, por el contrario, las bacterias lo convierten de nitrógeno orgánico a N2 gaseoso. Este proceso a menudo implica varios pasos en los ecosistemas terrestres. Las bacterias convierten los compuestos nitrogenados de los organismos muertos o sus desechos, en amoníaco —NH3—, el cual es convertido después en nitratos y nitritos. Finalmente, los procariontes desnitrificantes convierten los nitratos en N 2 gaseoso.
c) E l ciclo del nitrógenoen los ecosistemas marinos Hasta ahora, nos hemos enfocado en cómo ocurre el ciclo natural del nitrógeno en los ecosistemas terrestres. Sin embargo, los pasos son similares en el ciclo del nitrógeno marino; ahí, los procesos de amonificación, nitrificación y desnitrificación son realizados por bacterias y arqueas marinas. Algunos compuestos nitrogenados caen al suelo oceánico en forma de sedimento. A lo largo de periodos de tiempo prolongados, los sedimentos son comprimidos hasta formar rocas sedimentarias. Finalmente, el levantamiento geológico puede mover las rocas sedimentarias de nuevo a la tierra. En el pasado, los científicos no creían que estas rocas sedimentarias ricas en nitrógeno eran una fuente importante de nitrógeno para los ecosistemas terrestres. Sin embargo, un nuevo estudio sugiere que pueden ser bastante importantes, ya que el nitrógeno se libera gradualmente a medida que las rocas se desgastan, o meteorizan, quedando disponible para las plantas.
d) E l nitrógenoes un nutriente limitante En los ecosistemas naturales, muchos procesos, como la producción primaria y la descomposición, están limitados por la cantidad disponible de nitrógeno. En otras palabras, el nitrógeno a menudo es el nutriente limitante, el nutriente que se encuentra en menor cantidad y que por lo tanto restringe el crecimiento de los organismos o las poblaciones.
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¿Cómo sabemos si un nutriente es li mitante? A menudo, esto se comprueba de la siguiente manera:
Cuando un nutriente es limitante, añadir más aumentará el crecimiento, esto es, hará que las plantas crezcan más altas que si no se hubiera añadido nada.
Si se añade un nutriente no limitante, no habrá ningún efecto, es decir, las plantas crecerán a la misma altura tanto si el nutriente está presente como si no.
Por ejemplo, si se añade nitrógeno a la mitad de las plantas de frijol en una huerta y se observa que crecieron más altas que las plantas sin tratamiento, eso sugeriría que el nitrógeno es limitante. Si en cambio, no vemos una diferencia en el crecimiento durante nuestro experimento, eso sugeriría que otro nutriente distinto del nitrógeno es el limitante. El nitrógeno y el fósforo son los dos nutrientes limitantes más comunes tanto en los ecosistemas naturales como en la agricultura. Esta es la razón por la que verás que la etiqueta de la bolsa del fertilizante dice que contiene un montón de nitrógeno y fósforo.
e) La actividad humana afecta el ciclo del nitrógeno. Nosotros los humanos no podemos fijar el nitrógeno biológicamente, ¡pero vaya que lo fijamos de manera industrial! Se producen alrededor de 450 millones de toneladas métricas de nitrógeno fijo cada año usando un método químico llamado proceso de Haber-Bosch, en el que se hace reaccionar el N2 con hidrógeno H2— a altas temperaturas. La mayor parte de este nitrógeno fijo se usa para producir fertilizantes que utilizamos en nuestros huertos, jardines y cultivos agrícolas.
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Además, cuando se usan los fertilizantes que contienen nitrógeno y fósforo en la agricultura, el fertilizante excedente puede llegar a los ríos, lagos y arroyos mediante escurrimiento superficial. Uno de los efectos principales del escurrimiento de fertilizantes es la eutrofización del agua dulce y salada. En este proceso, el escurrimiento de nutrientes produce
una
proliferación
excesiva,
"florecimiento",
de
algas
u
microorganismos,
cuyo
crecimiento
o
otros estaba
limitado por la disponibilidad del nitrógeno o el fósforo.
La eutrofización en una salida de aguas residuales en el río Potomac, Washington, D.C.)
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La eutrofización puede reducir la disponibilidad de oxígeno en el agua durante la noche porque las algas y los microorganismos que se alimentan de ellas usan grandes cantidades de oxígeno en la respiración celular. Esto puede provocar la muerte de otros organismos que habiten en los ecosistemas afectados, como los peces y camarones, y resulta en la formación de áreas con poco oxígeno y sin especies, conocidas como zonas muertas. El ciclo del nitrógeno es el conjunto cerrado de procesos biológicos y abióticos
en
que
se
basa
el
suministro de este elemento a los seres
vivos.
Es
uno
de
los
importantes ciclos biogeoquímico de
que
depende
el
equilibrio
dinámico de composición de la biosfera.
4.1.1 Efectos Los seres vivos cuentan con una gran proporción de nitrógeno en su composición química. El nitrógeno oxidado que reciben como nitrato (NO3 –) es transformado a grupos aminoácidos (asimilación). Para volver a contar con nitrato hace falta que los descomponedores lo extraigan de la biomasa dejándolo en la forma reducida de ion amonio (NH4+), proceso que se llama amonificación; y que luego el amonio sea oxidado a nitrato, proceso llamado nitrificación. Así parece que se cierra el ciclo biológico esencial. Pero el amonio y el nitrato son sustancias extremadamente solubles, que son arrastradas fácilmente por la escorrentía y la infiltración, lo que tiende a llevarlas al mar. Al final todo el nitrógeno atmosférico habría terminado, tras su conversión, disuelto en el mar.
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Los océanos serían ricos en nitrógeno, pero los continentes estarían prácticamente desprovistos de él, convertidos en desiertos biológicos, si no existieran otros dos procesos, mutuamente simétricos, en los que está implicado el nitrógeno atmosférico (N2). Se trata de la fijación de nitrógeno, que srcina compuestos solubles a partir del N2, y la desnitrificación, una forma de respiración anaerobia que devuelve N2 a la atmósfera. De esta manera se mantiene un importante depósito de nitrógeno en el aire (donde representa un 78 % en volumen).
4.1.2. Fijación de nit rógeno – Fijación del nitrógeno El primer paso en el ciclo es la fijación del nitrógeno de la atmósfera (N2) a formas distintas susceptibles de incorporarse a la composición del suelo o de los seres vivos, como el ion amonio (NH4+) o los iones nitrito (NO2 –) o nitrato (NO3–) (aunque el amonio puede usarse por la mayoría de los seres vivos, ciertas bacterias del suelo derivan la energía de la oxidación de dicho compuesto a nitrito y últimamente a nitrato), y también su conversión a sustancias atmosféricas químicamente activas, como el dióxido de nitrógeno (NO2), que reaccionan fácilmente para srcinar alguna de las anteriores.
– Fijación abiótica: La fijación natural puede ocurrir por procesos químicos espontáneos, como la oxidación que se produce por la acción de los rayos, que forma óxidos de nitrógeno a partir del nitrógeno atmosférico.
– Fijación biológica de nitrógeno: Es un fenómeno fundamental que depende de la habilidad metabólica de unos pocos organismos, llamados diazótrofos en relación a esta habilidad, para tomar N2 y reducirlo a nitrógeno orgánico: N2 + 8H+ + 8e− + 16 ATP → 2NH3 + H2 + 16ADP + 16 Pi
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– La fijación biológica la realizan tres grupos de microorganismos diazótrofos: Bacterias gramnegativas de vida libre en el suelo, de géneros como Azotobacter, Klebsiella o el fotosintetizador Rhodospirillum, una bacteria purpúrea. Bacterias simbióticas de algunas plantas, en las que viven de manera generalmente endosimbiótica en nódulos, principalmente localizados en las raíces. Hay multitud de especies encuadradas en el género Rhizobium, que guardan una relación muy específica con el hospedador, de manera que cada especie alberga la suya, aunque hay excepciones. Cianobacterias de vida libre o simbiótica. Las cianobacterias de vida libre son muy abundantes en el plancton marino y son los principales fijadores en el mar. Además hay casos de simbiosis, como el de la cianobacteria Anabaena en cavidades subestomáticas de helechos acuáticos del género Azolla, o el de algunas especies de Nostoc que crecen dentro de antoceros y otras plantas.
– La fijación biológica depende del complejo enzimático de la nitrogenasa. Amonificación La amonificación es la conversión a ion amonio del nitrógeno,en la materia viva aparece principalmente como grupos amino (-NH2) o imino (-NH-). Los animales, que no oxidan el nitrógeno, se deshacen del que tienen en exceso en forma de distintos compuestos. Los acuáticos producen directamente amoníaco (NH3), que en disolución se convierte en ion amonio. Los terrestres producen urea, (NH2)2CO, que es muy soluble y se concentra fácilmente en la orina; o compuestos nitrogenados insolubles como la guanina y el ácido úrico, que son purinas, y ésta es la forma común en aves o en insectos y, en general, en animales que no disponen de un suministro garantizado de agua. El nitrógeno biológico que no llega ya como amonio al sustrato, la mayor parte en ecosistemas continentales, es convertido a esa forma por la acción de microorganismos descomponedores. El ion amonio del nitrógeno es considerado una parte esencial de este proceso.
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4.1.3. Ciclos Algunas bacterias convierten amoníaco en nitrito y otras transforman éste en nitrato. Una de estas bacterias (Rhizobium) se aloja en nódulos de las raíces de las leguminosas (alfalfa, alubia, entre otros.) y por eso esta clase de plantas son tan interesantes para hacer un abonado natural de los suelos. Donde existe un exceso de materia orgánica en el mantillo, en condiciones anaerobias, hay otras bacterias que producen desnitrificación, convirtiendo los compuestos de N en N2, lo que hace que se pierda de nuevo nitrógeno del ecosistema a la atmósfera.
4.1.4. Nitrificación La nitrificación es la oxidación biológica del amonio al nitrito por microorganismos aerobios que usan el oxígeno molecular (O2) como receptor de electrones, es decir, como oxidante. A estos organismos el proceso les sirve para obtener energía, al modo en que los heterótrofos la consiguen oxidando alimentos orgánicos a través de la respiración celular. El C lo consiguen del CO2 atmosférico, así que son organismos autótrofos. El proceso fue descubierto por Serguéi Vinogradski y en realidad consiste en dos procesos distintos, separados y consecutivos, realizados por organismos diferentes:
– Nitritación. Partiendo de amonio se obtiene nitrito (NO2–). Lo realizan bacterias de, entre otros, los géneros Nitrosomonas y Nitrosococcus.
– Nitratación. Partiendo de nitrito se produce nitrato (NO3–). Lo realizan bacterias del género Nitrobacter.
– La combinación de amonificación y nitrificación devuelve a una forma asimilable por las plantas, el nitrógeno que ellas tomaron del suelo y pusieron en circulación por la cadena trófica.
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4.1.5. Desnitrificación La desnitrificación es la reducción del ion nitrato (NO3–), presente en el suelo o el agua, a nitrógeno molecular o diatómico (N2), la sustancia más abundante en la composición del aire. Por su lugar en el ciclo del nitrógeno este proceso es el opuesto a la fijación del nitrógeno. Lo realizan ciertas bacterias heterótrofas, como Pseudomonas fluorescens, para obtener energía. El proceso es parte de un metabolismo degradativo de la clase llamada respiración anaerobia, en la que distintas sustancias, en este caso el nitrato, toman el papel de oxidante (aceptor de electrones) que en la respiración celular normal o aerobia corresponde al oxígeno (O2). El proceso se produce en condiciones anaerobias por bacterias que normalmente prefieren utilizar el oxígeno si está disponible. El proceso sigue unos pasos en los que el átomo de nitrógeno se encuentra sucesivamente bajo las siguientes formas: nitrato → nitrito → óxido nítrico → óxido nitroso → nitrógeno molecular
Expresado como reacción redox:
2NO3- + 10e- + 12H+ → N2 + 6H2O Como se ha dicho más arriba, la desnitrificación es fundamental para que el nitrógeno vuelva a la atmósfera, la única manera de que no termine disuelto íntegramente en los mares, dejando sin nutrientes a la vida continental. Sin la desnitrificación la fijación de nitrógeno, abiótica y biótica, terminaría por provocar la depleción (eliminación) del N2 atmosférico. La desnitrificación es empleada, en los procesos técnicos de depuración controlada de aguas residuales, para eliminar el nitrato, cuya presencia favorece la eutrofización y reduce la potabilidad del agua, porque se reduce a nitrito por la flora intestinal, y éste es cancerígeno.
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4.1.6. Reducción desasimilatoria Es la conversión del nitrato y nitrito a la forma gaseosa N2O y a la forma ion amonio. Se produce en estercoleros y turberas donde residen bacterias del género Citrobacter sp. Este género es típico de las coliformes enterofecales, por lo que también forma parte de la flora intestinal de mamíferos, ya que procesan parte de la lactosa que ingieren. En principio se estudió esta bacteria en las turberas debido a que son productoras de óxido de nitrógeno NO2, un gas de efecto invernadero, en la actualidad se realizan estudios de las baterías enzimáticas relacionadas con el retorno de amonio al suelo y su inhibición en presencia de sulfatos.
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CAPITULO V
5.1. El ciclo del fósforo El lento ciclo del fósforo a través de
la
biósfera.
Cómo
los
fertilizantes que contienen fósforo pueden producir zonas acuáticas muertas.
El ciclo del fósforo es un ciclo biogeoquímico que describe el movimiento de este elemento químico en un ecosistema. Los seres vivos toman el fósforo en forma de fosfatos a partir de las rocas fosfatadas, que mediante meteorización se descomponen y liberan los fosfatos. Estos pasan a los vegetales por el suelo y, seguidamente, pasan a los animales. Cuando éstos excretan, los descomponedores actúan volviendo a producir fosfatos. Una parte de estos fosfatos son arrastrados por las aguas al mar, en el cual lo toman las algas, peces y aves marinas, las cuales producen guano, el cual se usa como abono en la agricultura ya que libera grandes cantidades de fosfatos. Los restos de los animales marinos dan lugar en el fondo del mar a rocas fosfatadas, que afloran por movimientos orogénicos. De las rocas se libera fósforo y en el suelo, donde es utilizado por las plantas para realizar sus funciones vitales. Los animales obtienen fósforo al alimentarse de las plantas o de otros animales que hayan ingerido. En la descomposición bacteriana de los cadáveres, el fósforo se libera en forma de ortofosfatos (H3PO4) que pueden ser utilizados directamente por los vegetales verdes, formando fosfato orgánico (biomasa vegetal), la lluvia puede transportar este fosfato a los mantos acuíferos o a los océanos.
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El ciclo del fósforo difiere con respecto al del carbono, nitrógeno y azufre en un aspecto principal. El fósforo no forma compuestos volátiles que le permitan pasar de los océanos a la atmósfera y desde allí retornar a tierra firme. Una vez en el mar, solo existen dos mecanismos para el reciclaje del fósforo desde el océano hacia los ecosistemas terrestres. Uno es mediante las aves marinas que recogen el fósforo que pasa a través de las cadenas alimentarias marinas y que pueden devolverlo a la tierra firme en sus excrementos. Además de la actividad de estos animales, hay la posibilidad del levantamiento geológico de los sedimentos del océano hacia tierra firme, un proceso medido en miles de años. El hombre también moviliza el fósforo cuando explota rocas que contienen fosfato. La proporción de fósforo en la materia viva es relativamente pequeña, pero el papel que desempeña es vital. Es componente de los ácidos nucleicos como el ADN. Muchas sustancias intermedias en la fotosíntesis y en la respiración celular están combinadas con el fósforo, y los átomos de fósforo proporcionan la base para la formación de los enlaces de alto contenido de energía del ATP, se encuentra también en los huesos y los dientes de animales. Este elemento en la tabla periódica se denomina como "P".
a) Puntos más importantes
El fósforo es un nutriente esencial que se encuentra en las macromoléculas, incluyendo el ADN de los humanos y otros organismos.
El ciclo del fósforo es lento. La mayor parte del fósforo que existe en la naturaleza se encuentra en forma de ion fosfato, PO43.
A menudo, el fósforo es el nutriente limitante, es el más escaso por lo que restringe el crecimiento en los ecosistemas acuáticos.
Cuándo el nitrógeno y el fósforo de los fertilizantes son acarreados por los escurrimientos hasta los lagos y océanos, producen eutrofización: el crecimiento excesivo de algas. Las algas pueden agotar el oxígeno del agua y crear una zona muerta.
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¿E s importante el fósforo? Eso depende, ¿te gusta tener ADN, membranas celulares o huesos en tu cuerpo? Pista: ¡la respuesta probablemente es sí! El fósforo es un nutriente esencial para los seres vivos. Es una parte fundamental de los ácidos nucleicos, como el ADN y de los fosfolípidos que conforman nuestras membranas celulares. En la forma de fosfato de calcio, también es el componente de soporte de nuestros huesos. En la naturaleza, el fósforo a menudo es el nutriente limitante en otras palabras, es el nutriente que se encuentra en menor cantidad y por lo tanto limita el crecimiento especialmente en los ecosistemas acuáticos de agua dulce.
5.1.1. El ciclo natural del fósforo El ciclo del fósforo es lento en comparación con otros ciclos biogeoquímicos como el del agua, el carbono y el nitrógeno. En la naturaleza, el fósforo se encuentra sobretodo en forma de iones fosfato, PO43. Los compuestos fosfatados se encuentran en las rocas sedimentarias y, a medida que estas se meteorizan se desgastan a lo largo del tiempo el fósforo que contienen se filtra lentamente hacia el suelo y las aguas superficiales. La ceniza volcánica, los aerosoles y el polvo mineral también pueden ser fuentes significativas de fosfatos, aunque el fósforo no tiene realmente una fase gaseosa como el carbono, el nitrógeno y el azufre. Las plantas pueden absorber los compuestos fosfatados del suelo y transferirlos a los animales que se las comen. Cuando las plantas y los animales excretan desechos o mueren, los fosfatos pueden ser absorbidos por los organismos detritívoros o regresar al suelo. Los compuestos fosfatados también pueden ser transportados en los escurrimientos hacia los ríos, lagos y océanos, donde son absorbidos por los organismos acuáticos. Cuando los compuestos fosfatados de los cuerpos o desechos de los organismos marinos se hunden hasta el suelo oceánico, forman nuevas capas sedimentarias.
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Con el transcurso de largos periodos de tiempo, la roca sedimentaria fosfatada puede moverse del océano a la tierra mediante un proceso geológico llamado levantamiento. Sin embargo, este proceso es muy lento y el ion fosfato promedio tiene un tiempo de residencia oceánica tiempo que pasa en el océano de 20,000 a 100,000 años.
5.1.2. La eutrofización y las zonas muertas La mayoría de los fertilizantes que se usan en la agricultura, y en los huertos y jardines, contienen tanto nitrógeno como fósforo, los cuales pueden llegar hasta los ecosistemas acuáticos mediante escurrimientos superficiales. El fertilizante en los escurrimientos puede provocar el crecimiento excesivo de algas y otros microbios que estaban previamente limitados por la cantidad de nitrógeno o fósforo. Este fenómeno se conoce como eutrofización. En algunos casos, parece que el agente principal de la eutrofización es el fósforo y no el nitrógeno. ¿Por qué es perjudicial la eutrofización? Algunas algas hacen que el agua huela o sepa mal o producen compuestos tóxicos. Además, cuando todas esas algas mueren y son descompuestas por microbios, se usan grandes cantidades de oxígeno en el proceso. Este aumento en el uso de oxígeno puede disminuir fuertemente los niveles de oxígeno disuelto en el agua y conducir a la muerte por hipoxia falta de oxígeno de otros organismos acuáticos como los peces y moluscos. Las regiones de los lagos y océanos que quedan sin oxígeno debido a la afluencia de nutrientes se llaman zonas muertas. El número de zonas muertas se ha ido incrementando durante varios años y para el 2008 existían 400 de estas zonas. Una de las peores zonas muertas se encuentra en las costas de los Estados Unidos que dan hacia el Golfo de México. El escurrimiento de fertilizantes de la cuenca del río Misisipi creó una zona muerta de 21,919 kilómetros cuadrados. Como puedes ver en la figura siguiente, las zonas muertas se encuentran en áreas muy industrializadas y con alta densidad poblacional alrededor del mundo.
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Zonas muertas acuáticas
¿Cómo puede reducirse o evitarse la eutrofización? Los fertilizantes, los detergentes que contienen fósforo y las aguas residuales eliminadas de forma inadecuada son fuentes de nitrógeno y fósforo que causan eutrofización. Reducir el uso de fertilizantes, eliminar los detergentes que contienen fósforo y asegurar que el drenaje no entre en los ríos —por fugas en el sistema séptico, por ejemplo — son formas en las que los individuos, las empresas y los gobiernos pueden ayudar a reducir la eutrofización.
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CAPITULO VI
6.1. Ciclo del azufre
El
azufre forma parte de aminas y de otras moléculas clave como la coenzima A, donde se
halla en forma reducida (principalmente como grupo sulfhidrilo) y el NADPH. Las plantas y otros
productores
primarios
lo
obtienen
en
su
forma
líquida,
principalmente
2-
como ion sulfato (SO4 ) que, tras ser reducido se incorpora a sus proteínas en forma sólida. Los organismos que ingieren estas plantas lo incorporan a su vez a sus proteínas, y de esta forma pasa a los organismos del nivel trófico superior. Al morir, el azufre reducido de las proteínas entra en el ciclo del azufre y es oxidado por bacterias a forma que las plantas puedan asimilar (sulfato) y los animales puedan digerir. Los intercambios de azufre, principalmente en su forma de dióxido de azufre SO 2, se realizan entre las comunidades acuáticas, terrestres y marinos, de una manera y de otra en la atmósfera, en las rocas y en los sedimentos oceánicos o pavimentos, en donde el azufre se encuentra almacenado. El SO2 atmosférico se disuelve en el agua de lluvia o se deposita en forma de vapor seco. El reciclaje local del azufre, principalmente en forma de ion sulfato y sulfuro, se lleva a cabo en ambos casos. Una parte del sulfuro de hidrógeno (H 2SOC), producido durante el reciclaje local del sulfuro, se oxida y se forma SOL69.
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6.2. ¿En Qué Consiste? -Descrito de forma simple, el ciclo del azufre comienza en la litosfera: la corteza superficial del planeta Tierra. Los sulfatos son sales o ésteres que están presentes en el suelo. Los sulfatos también están disueltos en las aguas. -Las plantas absorben los sulfatos del suelo a través de sus raíces y los incorporan a su sustancia vegetal. Ellas reducen los sulfatos a sulfuros. -Una vez en la estructura vegetal, el azufre puede pasar a través de los seres vivos en las cadenas alimentarias de la naturaleza. -Los animales herbívoros se alimentan de las plantas e incorporan el azufre en su cuerpo. -Los carnívoros se alimentan de los herbívoros, así que la carne de estos, que ya contiene azufre, pasa a su propio cuerpo para contribuir a su funcionamiento. -Cuando los animales mueren, los cuerpos echados en el suelo son aprovechados por organismos descomponedores, tales como bacterias y hongos. Estos desintegran los cadáveres y la materia queda reducida a partículas orgánicas. Como el azufre está presente en algunos aminoácidos del cuerpo, las bacterias del suelo lo convierten en sulfuro de hidrógeno que se oxida para producir sulfato; así, los sulfatos vuelven al suelo y el ciclo se completa para volver a empezar. Lo mismo ocurre con las heces de los animales, pues también son descompuestas. Parte del azufre elemental puede incorporarse a las rocas. El sulfuro de hidrógeno (H2S) es un compuesto gaseoso que es liberado durante poco tiempo a la atmósfera como resultado de la actividad de bacterias que viven en el suelo y en el agua. Las erupciones volcánicas, los incendios y la quema de combustibles fósiles son otras fuentes de sulfuro de hidrógeno que se eleva a la atmósfera. Justo en la atmósfera el sulfuro de hidrógeno entra en contacto con el oxígeno y se oxida, lo que produce sulfatos que caen al suelo y al agua por acción de la lluvia.
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6.3. Importancia El azufre es un elemento esencial en los seres vivos al ser un importante componente de los aminoácidos que forman parte de las proteínas, la coenzima A, la tiamina, el glutatión y otros compuestos básicos en el cuerpo. Gracias al azufre, las proteínas mantienen su forma y cumplen sus tareas de forma óptima. El azufre elemental es muy valioso comercialmente, y a partir de él se produce el mundialmente conocido ácido sulfúrico, usado en hogares e industrias. A pesar de lo anterior, el planeta requiere que haya un balance entre el azufre y los demás elementos químicos, de forma que el S no aumente hasta niveles anormales. Si el azufre se acumula en la atmósfera y el viento lo transporta, cuando llueve puede caer en forma de lluvia ácida: lluvia + azufre. La lluvia ácida daña las estructuras de las ciudades, afecta las plantas y contribuye a la acidificación de los océanos.
GRACIAS AL AZUFRE, LAS PROTEÍNAS MANTIENEN SU FORMA Y CUMPLEN SUS TAREAS DE FORMA ÓPTIMA.
6.4. Características: Tiene un color amarillento fuerte, amarronado o anaranjado
y
arde
con
llama
de
color
azul,
desprendiendo dióxido de azufre. Es insoluble en agua pero se disuelve endisulfuro de carbono. Es multivalente, y son comunes los estados de oxidación -2, +2, +4 y +6.. Sin embargo, si se calienta, el color se torna marrón algo rojizo, y se incrementa laviscosidad.
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6.5. Aplicaciones: El azufre se usa en multitud de procesos industriales como: -En producción de ácido sulfúrico para baterías -En la fabricación de pólvora -En el vulcanizado de caucho -Se usa como fungicida -Manufactura de fosfatos fertilizantes -Los sulfitosseseusa usan parafijador blanquear papel y fotográfica en cerillas -El amonio como en laelindustria -El sulfato de magnesio se utiliza como laxante y exfoliante, también como suplemento alimenticio para las plantas.
6.6. Deficiencias del Azufre a) Deficiencias del Azufre en el Suelo La deficiencia de azufre se observa en suelos pobres en materia orgánica, suelos arenosos y franco arenosos. Una deficiencia de azufre en el suelo puede ocasionar una disminución de la fijación de nitrógeno atmosférico que realizan las bacterias, trayendo consecuentemente una disminución de los nitratos en el contenido de aquél.
b) Deficiencias del Azufre en la Planta Cuando el azufre se encuentra en escasa concentración en las plantas, se alteran los procesos metabólicos y la síntesis de proteínas. La insuficiencia del azufre influye en le desarrollo de las plantas.
c) Síntomas de Deficiencia de Azufre Los síntomas de deficiencia de azufre son debidos a los trastornos fisiológicos, manifestándose en los siguientes puntos:
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CAPITULO VII
7.1. Ciclo del oxígeno El ciclo del oxígeno es la cadena de reacciones y procesos que describen la circulación del oxígeno en la biosfera terrestre.
Al respirar los animales y los seres humanos tomamos del aire el dioxígeno, O2 que las plantas producen y luego exhalamos gas carbónico. Las plantas, a su vez, toman el gas carbónico que los animales y los seres humanos exhalamos, para utilizarlo en el proceso de la fotosíntesis. Las plantas son las únicas capaces de convertir el dióxido de carbono (CO2) en dioxígeno. Plantas, animales y seres humanos intercambian dioxígeno y gas carbónico todo el tiempo, los vuelven a usar y los reciclan. A esto se le llama el ‘ciclo del oxígeno’. El oxígeno molecular, O2, presente en la atmósfera y el disuelto en el agua interviene en muchas reacciones de los seres vivos. En la respiración celular se reduce dioxígeno para la producción de energía generándose dióxido de carbono, y en el proceso de fotosíntesis se srcinan dioxígeno y glucosa a partir de agua, dióxido de carbono (CO2) y radiación solar.
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7.2. Atmósfera El O2 le confiere un carácter oxidante a la atmósfera. Se formó por fotólisis de H2O, formándose H2 y O2: H2O + h
→ 1/2O2.
El oxígeno molecular presente en la atmósfera y el disuelto en el agua interviene en muchas reacciones de los seres vivos. En la respiración celular se reduce dioxígeno para la producción de energía generándose dióxido de carbono, y en el proceso de fotosíntesis se srcina oxígeno y glucosa a partir de agua, dióxido de carbono (CO2) y radiación solar.
7.3. Hidrósfera y atmósfera El oxígeno es ligeramente soluble en agua, disminuyendo su solubilidad con la temperatura. Condiciona las propiedades rédox de los sistemas acuáticos. Oxida materia biorgánica dando el dióxido de carbono y agua. El dióxido de carbono también es ligeramente soluble en agua dando carbonatos; condiciona las propiedades ácido-base de los sistemas acuáticos. Una parte importante del dióxido de carbono atmosférico es captado por los océanos quedando en los fondos marinos como carbonato de calcio.
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CAPITULO VIII
8.1. Importancia del Ciclo Biogeoquímico El ciclo biogeoquímico es el proceso mediante el cual existe una circulación de elementos entre los seres vivos y el medio ambiente.
En efecto, lo seres vivos se componen de materia y requieren de la misma para mantenerse con vida; por otro lado, cuando mueren, existe un proceso que hace que las estructuras químicas formadas se descompongan y la materia vuelva a formar parte del medio ambiente. El ciclo biogeoquímico puede llegar a ser muy complejo de analizar por la gran cantidad de elementos que intervienen en el mismo, pero en términos generales puede decirse que se sostiene fundamentalmente sobre el trabajo que realizan los vegetales. Existen varios elementos químicos a la hora de considerar el mentado ciclo. Uno de los más importantes es el carbono, que es un componente fundamental de los seres vivos. Son precisamente los vegetales los encargados de posibilitar que el carbono integre parte de la vida de una gran cantidad de organismos. En efecto, las plantas toman el dióxido de carbono de la atmosfera y de esta manera obtienen carbono, carbono que combinan con el hidrógeno que obtienen del agua. Los vegetales crean de esta manera su propio alimento y van dando forma a su propio organismo. Luego, otros seres vivos se alimentarán de los vegetales y obtendrán de esta manera el carbono que requieren para desarrollarse. Por otro lado, cabe señalarse que este proceso de formación de materia orgánica tiene como contrapartida la eliminación del oxígeno como desecho, oxígeno que utilizan los seres vivos para sus procesos metabólicos, emitiendo dióxido de carbono. Los vegetales además proporcionan otros elementos de gran importancia para la vida, como por ejemplo sales minerales. No obstante, una vez que los seres vivos perecen, toda la materia que han aglutinado pasa de nuevo al medio ambiente. Este tipo de pasaje se lleva a cabo por organismos que reciben el nombre de descomponedores y que agrupan a distintos hongos y bacterias. Así, los descomponedores se encargan de que los elementos químicos vuelvan nuevamente al medio ambiente.
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El ciclo biogeoquímico es de extraordinaria importancia porque gracias al mismo es posible la vida en el planeta. El mismo da pie al comienzo de la vida y cuando esta se hace más compleja y floreciente en organismos, podemos hacer referencia a un incremento en la complejidad del ciclo. De esta manera, la importancia del fenómeno estriba en el hecho de dar cuenta de la manera en que los organismos se vinculan con el medio ambiente a un nivel elemental.
8.2. Tipos de ciclos biogeoquímicos Hay dos tipos de ciclos biogeoquímicos: con fase gaseosa y con fase sedimentaria. En los que tienen fase gaseosa, los principales reservorios del nutriente están en la atmósfera, o en disolución en el agua de los océanos. Un ejemplo es el ciclo del nitrógeno o el del oxígeno. En los ciclos de fase sedimentaria, los principales reservorios están en el suelo, rocas y minerales. Son adquiridos por los organismos cuando se encuentran como sales disueltas en las aguas del suelo, ríos, lagos, mar, etc. Un ejemplo es el fósforo. Por otro lado, hay elementos que presentan las dos fases, por ejemplo el carbono y el azufre. En un ecosistema en equilibrio las entradas de nutrientes son iguales a las salidas. Si las entradas super an a las salidas se produce almacenamiento, y si las salidas superan a las entradas se produce pérdida.
Las vías de entrada de nutrientes son: – Meteorización de la roca madre: Es la principal vía de entrada del calcio, hierro, magnesio, fósforo y potasio en los ecosistemas. La meteorización puede ser mecánica, causada por la congelación del agua o el crecimiento de las raíces en las fisuras de las rocas; o química, que viene determinada por el intercambio de iones entre las partículas del suelo. Suele aportar más nutrientes.
– F ijación biológica: Importante para adquirir dióxido de carbono por fotosíntesis y nitrógeno por medio de los mutualismos.
– D eposición atmosférica: Puede ser húmeda, por arrastre por la lluvia, nieve e incluso niebla; o seca, que se produce cuando las partículas se asientan durante los periodos sin lluvia.
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– Agua de escorrentía: Es el agua de lluvia que no es ni filtrada ni absorbida por las plantas. Fluye de forma paralela al suelo y termina en ríos, arroyos y lagos.
Las salidas de nutrientes de un ecosistema se producen por: – Actividad biológica: Pérdida de nutrientes, fundamentalmente hacia la atmósfera. Incluye muchos procesos: respiración aeróbica, respiración anaeróbica, desnitrificación y producción de compuestos orgánicos volátiles por parte de las plantas.
– Alteraciones: Incendios que liberan dióxido de carbono y nitrógeno en forma de gas a la atmósfera.
– Agua de escorrentía: Posiblemente la vía de salida más importante de nutrientes en muchos ecosistemas terrestres. Es muy rica en materia orgánica muerta y en partículas inorgánicas que son lavadas de los ecosistemas terrestres y exportadas por ríos y arroyos.
– A gua de lixiviación: Fundamentalmente en ecosistemas asentados sobre roca madre permeable y que permite que el agua de lluvia se filtre hacia capas más profundas.
– Sedimentación en lagos y océanos: La mayor parte de la materia orgánica muerta que llega al fondo es descompuesta, los nutrientes se liberan y las mezclas de aguas y los afloramientos los llevan de nuevo a la superficie. Pero una pequeña parte se incorpora a los sedimentos oceánicos, donde pueden permanecer millones de años hasta que el suelo del océano es levantado por la actividad geológica y emerge a la atmósfera.
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8.3. Los ciclos biogeoquímicos pueden ser gaseosos, sedimentarios y mixtos. -Ciclos gaseosos Los elementos casi siempre se distribuyen tanto en la atmósfera como en el agua y de ahí a los organismos, y así sucesivamente.
Los elementos que cumplen ciclos gaseosos son el carbono, el oxígeno y el nitrógeno. La transformación de elementos de un estado a otro es relativamente rápida.
-Ciclos sedimentarios Son aquellos donde los elementos permanecen formando parte de la tierra, ya sea en las rocas o en el fondo marino, y de ahí a los organismos. En estos, la transformación y recuperación de estos elementos es mucho más lenta. Ejemplos de ciclos sedimentarios son el del fósforo y el del azufre.
-Ciclos mixtos El ciclo del agua es una combinación de los ciclos gaseoso y sedimentario, ya que esa sustancia permanece tanto en la atmósfera como en la corteza terrestre. Los ciclos biogeoquímicos más importantes corresponden al agua, oxígeno, carbono y nitrógeno.
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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
de casa gas natural. – calefacción Hulla: mineral fósilfunciona negro y con 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 am onio 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.
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CONCLUSIÓN 1. Primero, La materia circula desde el mundo vivo hacia el ambiente abiótico y de regreso; esa circulación constituye los ciclos biogeoquímicos.
2. 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. 3. 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. 4. Todos los nutrientes, ya sean macro o micro elementos, son necesarios para un correcto balance en la nutrición de la planta. 5. La ausencia de un macro o micro elemento, provocaría una descompensación, no sólo en el sistema fisiológico de la planta, sino también en el sistema del suelo y el medio ambiente. 6. Gracias a los ciclos biogeoquímicos, los elementos se encuentran disponibles para ser usados una y otra vez por otros organismos; sin estos ciclos los seres vivos se extinguirían por esto son muy importantes. 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.
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BIBLIOGRAFÍA – Audesirk, T.Y Audesirk, G. Biología. La Vida en la Tierra. Prentice Hall. – Campbell, Neil A., Mitchell, Lawrence G., Reece, Jane B. Biología. Conceptos y Relaciones. Tercera Edición. Pearson Educación.
– G. Tyler Miller, Jr. Ecología y Medio Ambiente. Grupo Editorial Iberoamérica. – Solomon, Eldra P., Berg, Linda, Martín, Diana. Biología. Mc Graw Hill Interamericana.
– Ciclos biogeoquímicos: http://www.lenntech.com/espanol/ciclos-biogeoquimicos.htm
– Ciclo del nitrógeno: http://www.lenntech.com/espanol/ciclo-nitrogeno.htm
http://www.equipoweb.com.ar/eduteca/contenidos/curricular/pdf/33011310.pdf http://faq.thekrib.com/es/empezar-ciclo-nitrogeno.html
– Ciencias de la Tierra y del Medio Ambiente: http://www.tecnun.es/asignaturas/ecologia/Hipertexto/indice.html
– Ciclo del Agua http://jmarcano.vr9.com/nociones/ciclo1.html
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ANEXO
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Reservas de carbono en los depósitos más importantes de la Tierra Reserva
Cantidad (gigatones)
Atmósfera
720
Océanos (total)
38 400
Total inorgánico
37 400
Total orgánico
1000
Capa superficial
670
Capa profunda
36 730
Litosfera Carbonatos sedimentarios
> 60 000 000
Querógenos
15 000 000
Biosfera terrestre (total)
2000
Biomasa viva
600 - 1000
Biomasa muerta
1200
Biosfera acuática
1-2
Combustibles fósiles (total)
4130
Carbón
3510
Aceite
230
Gas
140
Otros (turba)
250
61
Compartimentos e intercambios de agua El agua se distribuye desigualmente entre los distintos compartimentos, y los procesos por los que éstos intercambian el agua se dan a ritmos heterogéneos. El mayor volumen corresponde al océano, seguido del hielo glaciar y después por el agua subterránea. El agua dulce superficial representa sólo una pequeña fracción y aún menor el agua atmosférica (vapor y nubes).
Depósito
Volumen
Porcentaje
(en millones de km³)
Océanos
1 370
97,25
Casquetes y glaciares
29
2,05
Agua subterránea
9,5
0,68
Lagos
0,125
0,01
Humedad del suelo
0,065
0,005
Atmósfera
0,013
0,001
Arroyos y ríos
0,0017
0,0001
Biomasa
0,0006
0,00004
62
63
64
65
66
