Se denomina ciclo biogeoquímico al movimiento de cantidades masivas 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.
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El ciclo de nitrógeno es un conjunto
de procesos biogeoquímicos por los cuales el nitrógeno pasa por reacciones
químicas, cambia de forma y se mueve por diferentes embalses en la tierra,
incluyendo en organismos vivientes.
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El nitrógeno es requerido para que
todos los organismos se mantengan vivos y crezcan porque es un componente
esencial para ADN, ARN y proteína. Sin embargo, la mayoría de los organismos no
pueden utilizar nitrógeno atmosférico, el embalse más grande.
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Los cinco procesos en el ciclo de
nitrógeno – fijación, asimilación, mineralización (o amonificación),
nitrificación y desnitrificación.
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Los humanos influyen el sistema
global de nitrógeno principalmente por medio de la utilización de fertilizantes
basados en nitrógeno.
El
Nitrógeno (N), el ladrillo que construye la vida, es un componente esencial del ADN, del ARN, y de las proteínas. Todos los organismos requieren nitrógeno para vivir y crecer. A pesar que la
mayoría del aire que respiramos es N2, la mayoría del nitrógeno en
la atmósfera no está al alcance para el uso de los organismos. La razón reside
en que debido al fuerte enlace triple entre los átomos N en las moléculas de N2, el nitrógeno es relativamente inerte. En realidad, para que las plantas y los animales puedan
usar nitrógeno, el gas N2 tiene primero que ser convertido a
una forma química disponible como el amonio (NH4+), el
nitrato (NO3-), o el nitrógeno orgánico (e.g. urea - (NH3)2CO).
La naturaleza inerte del N2significa que el nitrógeno biológico
disponible es, a menudo, escasa en los ecosistemas naturales. Esto limita
el crecimiento de las plantas y la acumulación de biomasa.
El
Nitrógeno es un elemento increíblemente versátil que existe en forma inorgánica
y orgánica, a la vez que en muchos y diferentes estados de oxidación. El
movimiento del nitrógeno entre la atmósfera, la bioesfera y la geoesfera en sus diferentes formas está descrito en el ciclo del
nitrógeno (Figura 1). Éste es uno de los ciclos biogeoquímicos más importantes. Al igual que el ciclo carbónico, el ciclo del nitrógeno consiste en varios bancos o bolsas
de almacenamiento de nitrógeno y de procesos por los cuales las bolsas
intercambian nitrógeno (flechas).
1-Nitrógeno
atmosférico, 2-Entrada en la cadena alimentaria, 3-Descomposición de las
materias animales (amonificación), 4-Devolución a la atmósfera por
desnitrificación, 5-Ingreso en el medio acuático por lixiviación, 6-Humus,
7-Nitrificación. 8-Fijación del nitrógeno en las raíces por las bacterias
simbióticas, 9-Absorción del nitrógeno producido por la actividad eléctrica de
la atmósfera, 10-Descomposición de las materias vegetales (amonificación).
Los
procesos principales que componen el ciclo del nitrógeno que pasa por la bioesfera, la atmósfera y la geoesfera son cinco: la fijación del nitrógeno, la toma de
nitrógeno (crecimiento de organismos), la mineralización del nitrógeno (desintegración),
la nitrificación y la de nitrificación. Los microorganismos, particularmente las bacterias, juegan
un importante papel en todas las principales transformaciones del nitrógeno.
Como procesos de mediación microbiales, estas transformaciones de nitrógeno
ocurren generalmente más rápido que los procesos geológicos, tales como los
movimientos de placas que es un proceso puramente físico que hace parte del ciclo carbónico. En el caso de los procesos de
mediación microbianas, la velocidad se ve afectada por factores ambientales como la temperatura,
la humedad y la disponibilidad de recursos que influyen la actividad
microbiana.
El fósforo es un componente esencial
de los organismos. Forma parte de los ácidos nucleicos (ADN y ARN); del ATP y
de otras moléculas que tienen PO43- y que almacenan la energía química; de los fosfolípidos
que forman las membranas celulares; y de los huesos y dientes de los animales.
Está en pequeñas cantidades en las plantas, en proporciones de un 0,2%,
aproximadamente. En los animales hasta el 1% de su masa puede ser fósforo.
Su reserva fundamental en la
naturaleza es la corteza terrestre. Por meteorización de las rocas o sacado por
las cenizas volcánicas, queda disponible para que lo puedan tomar las plantas.
Con facilidad es arrastrado por las aguas y llega al mar. Parte del que es
arrastrado sedimenta al fondo del mar y forma rocas que tardarán millones de
años en volver a emerger y liberar de nuevo las sales de fósforo.
Otra parte es absorbida por el
plancton que, a su vez, es comido por organismos filtradores de plancton, como
algunas especies de peces. Cuando estos peces son comidos por aves que tienen
sus nidos en tierra, devuelven parte del fósforo en las heces (guano) a tierra.
Es el principal factor limitante en los
ecosistemas acuáticos y en los lugares en los que las corrientes marinas suben
del fondo, arrastrando fósforo del que se ha ido sedimentando, el plancton
prolifera en la superficie. Al haber tanto alimento se multiplican los bancos
de peces, formándose las grandes pesquerías del Gran Sol, costas occidentales
de África y América del Sur y otras.
Con los compuestos de fósforo que se
recogen directamente de los grandes depósitos acumulados en algunos lugares de
la tierra se abonan los terrenos de cultivo, a veces en cantidades
desmesuradas, originándose problemas de eutrofización.
Es menos importante que los otros
elementos que hemos visto, pero imprescindible porque forma parte de las
proteínas.
Su reserva fundamental es la corteza
terrestre y es usado por los seres vivos en pequeñas cantidades.
El azufre es un nutriente secundario
requerido por plantas y animales para realizar diversas funciones, además el
azufre está presente en prácticamente todas las proteínas y de esta manera es
un elemento absolutamente esencial para todos los seres vivos.
El azufre circula a través de la
biosfera de la siguiente manera, por una parte se comprende el paso desde el
suelo o bien desde el agua, si hablamos de un sistema acuático, a las plantas,
a los animales y regresa nuevamente al suelo o al agua.
Algunos de los compuestos sulfúricos
presentes en la tierra son llevados al mar por los ríos. Este azufre es
devuelto a la tierra por un mecanismo que consiste en convertirlo en compuestos
gaseosos tales como el ácido sulfhídrico (H2S) y el dióxido de azufre (SO2).
Estos penetran en la atmósfera y vuelven a tierra firme. Generalmente son
lavados por las lluvias, aunque parte del dióxido de azufre puede ser
directamente absorbido por las plantas desde la atmósfera.
La actividad industrial del hombre está
provocando exceso de emisiones de gases sulfurosos a la atmósfera y ocasionando
problemas como la lluvia ácida.
El
carbono es elemento básico en la formación de las moléculas de carbohidratos,
lípidos, proteínas y ácidos nucleicos, pues todas las moléculas orgánicas están
formadas por cadenas de carbonos enlazados entre sí.
La
reserva fundamental de carbono, en moléculas de CO2 que los seres vivos puedan
asimilar, es la atmósfera y la hidrosfera. Este gas está en la atmósfera en una
concentración de más del 0,03% y cada año aproximadamente un 5% de estas
reservas de CO2, se consumen en los procesos de fotosíntesis, es decir que todo
el anhídrido carbónico se renueva en la atmósfera cada 20 años.
La
vuelta de CO2 a la atmósfera se hace cuando en la respiración los seres vivos
oxidan los alimentos produciendo CO2. En el conjunto de la biosfera la mayor
parte de la respiración la hacen las raíces de las plantas y los organismos del
suelo y no, como podría parecer, los animales más visibles.
Los
seres vivos acuáticos toman el CO2 del agua. La solubilidad de este gas en el
agua es muy superior a la de otros gases, como el O2 o el N2, porque reacciona
con el agua formando ácido carbónico. En los ecosistemas marinos algunos
organismos convierten parte del CO2 que toman en CaCO3 que necesitan para
formar sus conchas, caparazones o masas rocosas en el caso de los arrecifes. Cuando
estos organismos mueren sus caparazones se depositan en el fondo formando rocas
sedimentarias calizas en el que el C queda retirado del ciclo durante miles y
millones de años. Este C volverá lentamente al ciclo cuando se van disolviendo
las rocas.
El
petróleo, carbón y la materia orgánica acumulados en el suelo son resultado de
épocas en las que se ha devuelto menos CO2 a la atmósfera del que se tomaba.
Así apareció el O2 en la atmósfera. Si hoy consumiéramos todos los combustibles
fósiles almacenados, el O2 desaparecería de la atmósfera. Como veremos el ritmo
creciente al que estamos devolviendo CO2 a la atmósfera, por la actividad
humana, es motivo de preocupación respecto al nivel de infecto invernadero que
puede estar provocando, con el cambio climático consiguiente.
Inicialmente
los minerales del suelo, como las micas
y feldespatos son las fuentes originales de potasio. Que enfrentaron a las
micas finas y otras arcillas de silicato en cual algunos de potasio de se
celebra en un no intercambiable, pero en
poca forma disponible. Potasio no intercambiable se libera lentamente a la forma intercambiable y más tarde a la solución del
suelo, de la que es absorbida por las raíces de las plantas, y finalmente se
recicla a través de los residuos vegetales y desechos en el suelo.
Al mismo
tiempo, la mayor parte del potasio se encuentra en los minerales primarios o en
forma no intercambiable o fija. Fertilizantes químicos son una fuente cada vez
más importantes de potasio
Es un error creer que en
suelos que por naturaleza son ricos en K, adicionar este elemento a los
cultivos es innecesario. El potasio extraído por los cultivos debe de
regresarse al suelo para no disminuir la fertilidad del mismo; cuando el
agricultor saca de la parcela o campo la cosecha, se está llevando consigo el K
fuera del sistema agrícola. La figura muestra como las vías de remoción
influyen en el reciclaje natural del potasio en el suelo. También, se puede
apreciar que se pierde potasio al sacar la cosecha, por lavado, especialmente
en suelos arenosos y lugares de alta precipitación pluvial, por escurrimiento
y/o erosión en sitios donde la pendiente y el manejo del agua y drenaje son
deficientes. Las plantas absorben el potasio que se encuentra
en la solución del suelo en forma del catión K+. La cantidad de K en la solución
del suelo está en función (controlada por) de la liberación del potasio
intercambiable, generalmente localizado alrededor de las partículas (micelas)
de arcilla.
El ciclo de calcio es un ciclo
sedimentario, sin fase gaseosa, se encuentra muy relacionado con los siglos del
fosforo y del carbono. En la tierra se acumulan unos 7 x 1015 millones de
toneladas de calcio, de los cuales 1013 toneladas están en la materia viva y
6x108 se depositan anualmente como carbonato en los fondos oceánicos. Esta
acumulación de material cacareo no implica la falta de calcio ionizado en el
agua del mar, lo que explica los depósitos de yeso en muchas lagunas litorales.
El calcio es desplazado de sus
combinaciones con cierta facilidad por otros metales Fe, Mg, Zn, Mn. El Fe y el
Mn se oxidan y liberan CO2. Cuando una precipitación aporta agua de lluvia
cargada de CO2, el gas transforma el carbonato insoluble en bicarbonato muy
soluble, con lo que se libera el calcio aparentemente bloqueado. Las aguas subterráneas
suelen ser así ricas en bicarbonato cálcico, y cuando afloran transforman el
compuesto a material soluble, que se deposita. El suelo calizo tiene su propia vegetación y unas características generales que todos
conocemos.
No todos los elementos químicos
tienen la misma movilidad a través del ecosistema. Algunos se desplazan muy
poco, mientras que otros viajan prácticamente alrededor de todo el planeta.
Esto ha permitido distinguir dos tipos de ciclos biogeoquímicos:
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Ciclos sedimentarios, también conocidos como ciclos locales, en los
que intervienen elementos que no pueden
moverse a través de la atmosfera, sino que se acumulan principalmente en el
suelo. Este es caso del calcio, fosforo y el potasio, entre otros.
·
Ciclos atmosféricos, también conocidos como ciclos gaseosos o globales, en
los que participan elementos y compuestos que, en estado gaseoso, se mueven por
todo el planeta gracias a las corrientes de aire en la atmosfera. El agua,
carbono y el nitrógeno se mueven en estos ciclos.
La dinámica del calcio es muy
similar a la del potasio, se diferencia únicamente en que no presenta calcio
fijado. Los procesos de meteorización de minerales cálcicos especialmente
anfíboles y piroxenos llevan a la liberación de Ca estructural. El Ca en la
solución del suelo se encuentra en equilibrio con el Ca intercambiable, la
magnitud de ambas formas varia constantemente a través de la absorción de Ca
por las plantas y las pérdidas por percolación. Encontrándose el Ca en
cantidades mayores en el complejo de cambio y en la solución del cuelo.
El calcio predomina
generalmente entre las bases cambiables en la cubierta iónica del complejo
coloidal del suelo. El contenido en Ca cambiable depende del material parental
y del grado de evolución de los suelos. A través de la meteorización y del
lavado del Ca este elemento disminuye bastante en los suelos.
Existen reservas de esta
sustancia en la roca calcárea. Es absorbido del suelo por las plantas; la
lluvia puede lavar algo de ese calcio; los insectos y en general los herbívoros
lo obtienen de las plantas; llega a los pájaros por los insectos; cuando los
animales y los pájaros mueren, el calcio regresa a la tierra por la
descomposición natural y la mineralización; los carnívoros lo obtienen al comer
los huesos de sus presas; el hombre lo ingiere por los productos lácteos,
legumbres y frutas. En el mar, el fitoplancton absorbe mucho calcio que pasa
luego al zooplancton, a los peces, al hombre y a las aves marinas; una vez
muertos los seres marinos, se forman los enormes depósitos calcáreos los que,
por la evolución geológica, emergerán al cabo de millones de años.
