Ciclos Biogeoquímicos Se denom denomina ina ciclo ciclo biogeo biogeoquí quími mico co al movim movimien iento to de cantid cantidade adess masiv masivas as de carbono, nitrógeno, oxígeno, hidrógeno, calcio, sodio, azufre, fósforo, potasio, y otros elementos entre los seres vivos y el ambiente (atmósfera, biomasa y sistemas acuáticos) mediante una serie de procesos de producción y descomposición !n la biosfera la materia es limitada de manera que su recicla"e es un punto clave en el mantenimiento de la vida en la #ierra$ de otro modo, los nutrientes se agotarían y la vida desaparecería desaparecería %n elemento químico o mol&cula necesaria para la vida de un organismo, se llama nutriente o nutrimento 'os organismos vivos necesitan de a * elementos químicos, donde el n+mero y tipos de estos elementos varía en cada especie 'os elementos requeridos por los organismos en grandes cantidades se denominan 1. Macronu Macronutrien trientes: tes: -arbono, -arbono, oxígeno, oxígeno, hidrógeno hidrógeno,, nitrógeno nitrógeno,, fósforo, fósforo, azufre, azufre, calcio, magnesio y potasio !stos elementos y sus compuestos constituyen el ./0 de la masa del cuerpo humano, y más de .10 de la masa de todos los organismos 2. Micronutrientes Micronutrientes Son Son los los o más más elem elemen ento toss requ requer erid idos os en cant cantid idad ades es peque2as (hasta trazas) hierro, cobre, zinc, cloro, yodo 'a mayor parte de las sustancias químicas de la tierra no están en formas +tiles para los organismos 3ero, los elementos y sus compuestos necesarios como nutrientes, son reciclados continuamente en formas comple"as a trav&s de las partes vivas y no vivas de la biosfera, y convertidas convertidas en formas +tiles por una combinación combinación de procesos biológicos, geológicos geológicos y químicos químicos !l ciclo de los nutrientes desde el biotopo (en la atmósfera, la hidrosfera y la cort cortez eza a de la tier tierra ra)) hast hasta a la biot biota, a, y vice viceve vers rsa, a, tien tienee luga lugarr en los los cicl ciclos os 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) 4sí, una sustancia química puede ser parte de un organismo en un momento y parte del ambiente del organismo en otro momento
'os ciclos biogeoquímicos pueden ser gaseosos, sedimentarios y mixtos -Ciclos gaseosos 'os elementos casi siempre se distribuyen tanto en la atmósfera como en el agua y de ahí a los organismos, y así sucesivamente 'os elementos que cumplen ciclos gaseosos son el carbono, el oxígeno y el nitrógeno 'a 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 !n estos, la transformación y recuperación de estos elementos es mucho más lenta !"emplos de ciclos sedimentarios son el del fósforo y el del azufre -Ciclos mixtos !l 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
Ciclo del Nitrógeno !l ciclo del nitrógeno al igual que los demás ciclos biogeoquímicos, tiene una trayectoria definida, pero quizá a+n más complicada que los demás, el nitrógeno está considerado como el elemento más abundante en la atmósfera Sin embargo, dada su estabilidad, es muy difícil que reaccione con otros elementos y, por tanto, se tiene un ba"o aprovechamiento 4 pesar de esto, gracias al proceso biológico de algunas bacterias y cianobacterias, el nitrógeno que se encuentra en la atmósfera puede ser asimilable, al 5romper6 la unión de sus enlaces por medios enzimáticos y así poder producir compuestos nitrogenados, que pueden ser aprovechados por la mayoría de los seres vivos, en especial las plantas, que forman relaciones simbióticas con este tipo de bacterias !se nitrógeno fi"ado se transforma en aminoácidos y proteínas vegetales, que son aprovechadas a su vez por los herbívoros, quienes los van almacenando para finalmente pasarlos al +ltimo eslabón de la cadena alimenticia, es decir a los carnívoros -abe mencionar, que el nitrógeno regresa de nuevo al ciclo por medio
de los desechos (tanto restos orgánicos, como productos finales del metabolismo) Sin embargo, hay p&rdidas de nitrógeno por medio de otras bacterias que lo liberan a la atmósfera 7e esta forma se logra un equilibrio en el ciclo del nitrógeno !l nitrógeno (89) es el elemento que se encuentra en forma libre (estado gaseoso) y en mayor abundancia en la atmósfera (/: 0) Se coloca entre los principales elementos biogeoquímicos$ sin embargo, es tan estable, que apenas se combina con otros elementos y, por tanto, es difícil que los organismos lo asimilen, ya que primero necesitan desdoblarlo y emplearlo en la síntesis de aminoácidos, proteínas, ácidos nucleicos (478 y 4;8) y otras mol&culas fundamentales para su metabolismo 3or lo tanto, teniendo esto en cuenta, es fácil notar su importancia en la vida de cientos de organismos !n este sentido, se necesita de una gran cantidad de energía para desdoblarlo y combinarlo con otros elementos como el carbono y el oxígeno !sta ruptura puede hacerse por dos mecanismos descargas el&ctricas y fi"ación fotoquímica, que proveen suficiente energía como para formar nitratos (8<) !ste +ltimo procedimiento es reproducido en las plantas productoras de fertilizantes Sin embargo, existe una tercera forma de fi"ación del nitrógeno que es llevada a cabo por bacterias que usan enzimas en lugar de la luz solar o descargas el&ctricas !stas bacterias pueden ser las que viven libres en el suelo o aquellas que en simbiosis, forman nódulos con las raíces de ciertas plantas ('eguminosas) para fi"ar el nitrógeno, destacando los g&neros Rhizobium o Azotbacter, las cuales tambi&n act+an libremente ) 4sí mismo, los animales herbívoros sintetizan sus proteínas a partir de los vegetales, mientras que los carnívoros la obtienen a partir de los
herbívoros -abe mencionar que todos los seres vivos almacenan grandes cantidades de nitrógeno orgánico en forma de proteínas, y que vuelve nuevamente al suelo con los excrementos o al descomponerse los cadáveres 3or lo que en el metabolismo de los compuestos nitrogenados, los animales acaban formando iones amonio, que resultan muy tóxicos y que deben ser eliminados !sta eliminación se hace en forma de amoniaco (algunos peces y organismos acuáticos), en forma de urea (el hombre y otros mamíferos) o en forma de ácido +rico (aves y otros animales de zonas secas), para que posteriormente, las bacterias nitrificantes se encarguen de transformarlo !xisten ciertas bacterias llamadas desnitrificantes (entre ellas Pseudomonas desnitrificans), que devuelven parte del nitrógeno inorgánico del suelo a la atmósfera en forma gaseosa, produciendo así una 5p&rdida6 de este elemento para los ecosistemas y la biosfera !stas bacterias habitan en los pantanos y en los fondos carentes de oxígeno, asimismo, estas bacterias pertenecen al g&nero hiobacillus, quienes utilizan los nitratos en su proceso metabólico, que al final reintegran a la atmósfera como nitrógeno en forma gaseosa 4 pesar de que la mayor parte del nitrógeno se encuentra en la atmósfera, la reserva realmente activa de este elemento se encuentra en el suelo, ya que aquí van a parar los desechos orgánicos de los organismos vivos y los restos de &stos ? es así, como las bacterias fi"adoras de nitrógeno concluyen el proceso de descomposición de estos materiales, convirtiendo el nitrógeno orgánico en inorgánico (nitratos) 'os nitratos son la +nica forma en la cual las plantas pueden absorber este elemento para poder sintetizar sus propias proteínas, por medio de la fotosíntesis 'a fábrica de abonos nitrogenados, los cuales se emplean actualmente en grandes cantidades en la agricultura Su mal uso produce, a veces, problemas de contaminación en las aguas, como la eutroficación 'a fi"ación del nitrógeno cumple un papel muy importante en la producción de cultivos, ya que los agricultores de"an 5descansar6 sus tierras despu&s de cierto
n+mero de cultivos !sta vie"a práctica da oportunidad a que las bacterias nitrificantes transformen el nitrógeno atmosf&rico en compuestos nitrogenados aprovechables para las plantas Fases del ciclo !l ciclo del nitrógeno tiene seis etapas, de las cuales sólo la asimilación no es realizada por bacterias @ !i"aci#n 'a fi"ación biológica del nitrógeno consiste en la incorporación del nitrógeno atmosf&rico, a las plantas, gracias a algunos microorganismos, principalmente bacterias y cianobacterias que se encuentran presentes en el suelo y en ambientes acuáticos !sta fi"ación se da por medio de la conversión de nitrógeno gaseoso (89) en amoniaco (8>) o nitratos (8<=) !stos organismos usan la enzima nitrogenasa para su descomposición Sin embargo, como la nitrogenasa sólo funciona en ausencia de oxígeno, las bacterias deben de alguna forma aislar la enzima de su contacto 4lgunas estrategias utilizadas por las bacterias para aislarse del oxígeno son vivir deba"o de las capas de moco que cubren a las raíces de ciertas plantas, o bien, vivir dentro de engrosamientos especiales de las raíces, llamados nódulos, en leguminosas como los porotos (parecidas a las alubias), las arve"as y árboles como el tamarugo ( Rhizobium) 'a relación entre Rhizobium y sus plantas hu&spedes es mutualista las bacterias reciben carbohidratos elaborados por la planta, y la planta recibe nitrógeno en una forma asimilable !n el medio acuático la fi"ación de nitrógeno es realizada por cianobacterias 4lgunas especies de helechos de agua, como la 4zorella, tienen cavidades en las cuales viven cianobacterias en una manera comparable a la asociación de Rhizobium con las leguminosas 'a cantidad de nitrógeno fi"ado por estas bacterias es impresionante 9 millones de toneladas anuales 9 Nitrificaci#n o mineralizaci#n Solamente existen dos formas de nitrógeno que son asimilables por las plantas, el nitrato (8<=) y el amonio (8>*A) 'as raíces pueden absorber ambas formas, aunque pocas especies prefieren absorber nitratos que amoniaco !l amonio es convertido a nitrato gracias a los microorganismos por medio de la nitrificación 'a modificación de 8>*A a 8<= depende de la
temperatura del suelo 'a transformación, es decir, la conversión se da más rápida cuando la temperatura está arriba de los @B - y el p> está entre los 11=C1$ asimismo, este proceso se ve completado entre dos a cuatro semanas !sta fase es realizada en dos pasos por diferentes bacterias primero, las bacterias del suelo 8itrosomonas y 8itrococcus convierten el amonio en nitrito (8<9=), luego otra bacteria del suelo, 8itrobacter, oxida el nitrito en nitrato 'a nitrificación les entrega energía a las bacterias Asimilaci#n 'a asimilación ocurre cuando las plantas absorben a trav&s de sus raíces, nitrato (8<=) o amoniaco (8>), elementos formados por la fi"ación de nitrógeno o por la nitrificación 'uego, estas mol&culas son incorporadas tanto a las proteínas, como a los ácidos nucleicos de las plantas -uando los animales consumen los te"idos de las plantas, tambi&n asimilan nitrógeno y lo convierten en compuestos animales * Amonificaci#n 'os compuestos proteicos y otros similares, que son los constitutivos en mayor medida de la materia nitrogenada aportada al suelo, son de poco valor para las plantas cuando se a2aden de manera directa 4sí, cuando los organismos producen desechos que contienen nitrógeno como la orina (urea), los desechos de las aves (ácido +rico), así como de los organismos muertos, &stos son descompuestos por bacterias presentes en el suelo y en el agua, liberando el nitrógeno al medio, ba"o la forma de amonio (8>) !n este nuevo proceso de integración de nitrógeno al ciclo, las bacterias fi"adoras llevan a cabo la digestión enzimática, por lo que el amonio se degrada a compuestos aminados, como proteosas, peptonas y al final, en aminoácidos !s por esta razón que el proceso se llama aminificación o aminización 1 $nmo%ilizaci#n !s el proceso contrario a la mineralización, por medio del cual las formas inorgánicas (8>*A y 8<=) son convertidas a nitrógeno orgánico y, por tanto, no asimilables C &esnitrificaci#n 'a reducción de los nitratos (8<=) a nitrógeno gaseoso (89), y amonio (8>*A) a amoniaco (8>), se llama desnitrificación, y es llevado a cabo por las bacterias desnitrificadoras que revierten la acción de las fi"adoras de
nitrógeno, regresando el nitrógeno a la atmósfera en forma gaseosa !ste proceso ocasiona una perdida de nitrógeno para el ecosistema$ ocurre donde existe un exceso de materia orgánica y las condiciones son anaerobias, además de que hay poca disponibilidad de agua y un alto p>, aunado a los escurrimientos de los fertilizantes al suelo !l fenómeno de la desnitrificación se debe, a que en condiciones de mucha humedad en el suelo, la falta de oxígeno obliga a ciertos microorganismos a emplear nitrato en vez de oxígeno en su respiración =4portaciones por lluvia 'a lluvia contiene cantidades variables de nitrógeno en forma de amonio, nitrato y óxidos de nitrógeno, y constituye una fuente importante de nitrógeno en los sistemas naturales !ste aporte oscila entre 1 y @1 Dg 8EhaEa2o Sin embargo, para los sistemas agrícolas, este valor es peque2o en comparación con el que hacen los fertilizantes químicos
Problemática %n incremento artificial de la cantidad de nitrógeno amoniacal en un sistema puede producir F %n incremento de la p&rdida de 8 amoniacal por volatilizaciónF %na eliminación de la capacidad fi"a dora de 89 del sistemaF %n aumento de las tasas de nitrificación, con p&rdida de 8 combinado del sistema por su gran solubilidad %n incremento de la cantidad de 8itrato en el sistema puede producir =7esencadenar procesos de eutrofización en aguas superficiales (por escorrentía o previa contaminación de aguas subterráneas) =%na percolación de 8< = a capas profundas, fuera de la zona de influencia de la raíz (p&rdida de fertilidad del sistema y p&rdida económica) =%na contaminación de las aguas de consumo (superficiales o subterráneas) provocando cianosis (unión irreversible del 8itrito a Gethemoglobina subterráneas), provocando cianosis (unión irreversible del 8itrito a la hemoglobinaH methemoglobina) en rumiantes y ni2os de pocos meses) yEo unión a aminas secundarias produciendo nitrosaminas carcinog&nicas ( legislación, max @ mgE') carcinog&nicas ( legislación, max @ mgE') =Su desplazamiento a zonas anóxicas, donde es sometido a desnitrificación %n incremento de la tasa de desnitrificación puede afectar al ecosistema y al medio ambiente por =%n incremento en la producción y liberación de óxidos de nitrógeno que escapan a la atmósfera incidiendo en el efecto invernadero y en la destrucción de la capa de ozono =%na p&rdida de nitrógeno combinado en forma de 8 9 atmosf&rico
Iactores que potencian el desequilibrio del ciclo del nitrógeno Jncremento de la temperatura 7escomposición !stratificación (anoxia) !stratificación (anoxia) 4porte de nutrientes nitrogenados Iertilizantes (amonio, urea 8> 9=-<=8> 9, nitratos) 4guas residuales sin tratamiento terciario Kanadería intensiva Gateria orgánica 4guas residuales Jncremento zonas anóxicas 4rrozales !stratificación !utrofización Sobrecarga G< httpEELLLciceanaorgmxErecursosEciclo09del09nitrogenopdf httpsEELLLuamesEpersonalMpdiEcienciasEalarchilEG4S#!; 09!-
Ciclo del Carbono %n @:0 de la materia orgánica viva está constituida por carbono, la capacidad de dichos átomos de unirse unos con otros, proporciona la base de la diversidad molecular así como el tama2o molecular 3or tanto el carbono es un elemento
esencial en todos los seres vivientes 4 parte de la materia orgánica, el carbono se combina con el oxígeno para formar monóxido de carbono (-<), dióxido de carbono (-<9), tambi&n forma sales como el carbonato de sodio (8a9-<) y el carbonato de calcio (en rocas carbonatadas, como calizas y estructuras de corales 4unque la mayor parte del carbono se halla inmovilizado en la corteza terrestre en forma de rocas (sobre todo rocas calizas), otra porción se encuentra en los combustibles fósiles, principalmente carbón y petróleo, formados hace millones de a2os y es devuelto a la atmósfera a trav&s de la combustión que se realiza por medio de la oxidación de mol&culas de carbono, o sea, la combinación del carbono con mol&culas de oxigeno formando dióxido de carbono y agua y liberando luz y energía t&rmica 4 lo largo de la historia del planeta, ha existido una acumulación de dióxido de carbono que no se ha podido incorporar al ciclo !sto se observa a trav&s de la formación de rocas carbonadas llamadas calizas o de combustibles fósiles tales como el carbón, el gas natural y el petróleo !mpero, la actividad del hombre ha determinado la vuelta de importantes cantidades de ese carbono, que durante tanto tiempo habían permanecido separado, lo cual, seg+n parece, esta ocasionando severos problemas a la biosfera !l movimiento del carbono a trav&s del medio biótico y abiótico se conoce como el ciclo del carbono, y está directamente relacionado al dióxido de carbono 7epende de procesos tanto naturales como antropog&nicos que implican su absorción y transformación en el suelo !l ciclo comienza cuando las plantas, a trav&s de la fotosíntesis y utilizando la clorofila como catalizador, emplean el dióxido de carbono que esta presente en la atmósfera o disuelto en el agua$ al descomponerse el dióxido de carbono, el carbono pasa a ser parte de los te"idos vegetales en forma de hidratos de carbono (glucosa), grasas y proteínas, pues todas las mol&culas orgánicas están formadas por cadenas de carbono, mientras que el oxígeno es reintegrado a la atmósfera o al agua mediante la respiración Iotosíntesis
4sí, el carbono pasa a los herbívoros que consumen plantas y de ese modo, lo utilizan y degradan en compuestos de carbono %na parte de estos, se almacena en los te"idos animales de los herbívoros y por medio de la depredación llega a los carnívoros, sin embargo parte de este carbono es liberado en forma de gas, mediante la respiración de los seres vivos, produciendo de este modo dióxido de carbono 4unque tambi&n cabe mencionar que las actividades volcánicas y los incendios forestales espontáneos, son considerados como emisores de dióxido de carbono a la atmósfera 'os seres vivos que habitan en el medio acuático toman el dióxido de carbono del agua, ya que la solubilidad de este gas en el agua es muy superior a la de otros gases, tales como el oxígeno o el nitrógeno !n los ecosistemas marinos algunos organismos convierten parte del dióxido de carbono que toman, en carbonato de calcio (-a-<) que necesitan para formar sus conchas, caparazones o sus esqueletos como en el caso de los arrecifes -uando estos organismos mueren, sus estructuras se depositan en el fondo formando rocas sedimentarias calizas en las que el carbono queda retirado del ciclo durante miles y hasta millones de a2os, regresando lentamente de nuevo al ciclo, cuando las rocas se van disolviendo !n +ltima instancia, todos los compuestos del carbono se degradan por medio de la descomposición, y el carbono es liberado en forma de dióxido de carbono, que es a su vez es utilizado de nuevo por las plantas, continuando así su permanencia en el ciclo !n una escala mayor, el ciclo del carbono implica un intercambio de dióxido de carbono entre las dos grandes reservas la atmósfera y las aguas del planeta Siendo retenido en este ultimo, en las aguas continentales, marinas, y especialmente, en las aguas superficiales !l dióxido de carbono atmosf&rico pasa al agua por medio de la difusión, a trav&s de la interfase aireagua Si la concentración de dióxido de carbono en el agua es inferior a la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera, &ste se difunde en la primera, pero si la concentración de dióxido de carbono es mayor en el agua que en la atmósfera, el agua libera dióxido de carbono al aire