Ciclos Biogeoquímicos (página 2)

Partes: 1, 2

¿Cómo afecta la acción
humana al ciclo del
agua?

Las acciones
humanas pueden agotar el suministro del agua
subterránea, causando una escasez de
ésta y el consecuente hundimiento de la tierra al
ser extraído el líquido. Al remover la vegetación, el agua fluye sobre el suelo más
rápidamente de modo que tiene menos tiempo para
absorberse en la superficie. Esto provoca un agotamiento del agua
subterránea y la erosión
acelerada del suelo.

Ciclo del Carbono

Es la sucesión de transformaciones que sufre el
carbono a lo
largo del tiempo. Es un
ciclo biogeoquímico de gran
importancia para la regulación del clima
de la Tierra, y en
él se ven implicadas actividades básicas para el
sostenimiento de la vida. El ciclo comprende dos ciclos que se
suceden a distintas velocidades:

Ciclo biológico: comprende los
intercambios de carbono (CO2)
entre los seres vivos y la atmósfera, es decir, la
fotosíntesis, proceso
mediante el cual el carbono queda retenido en las plantas y la
respiración que lo devuelve a la
atmósfera. Este ciclo es relativamente rápido,
estimándose que la renovación del carbono
atmosférico se produce cada 20 años.

Ciclo biogeoquímico: regula la
transferencia de carbono entre la atmósfera y la
litosfera
(océanos y suelo). El CO2
atmosférico se disuelve con facilidad en agua,
formando
ácido carbónico que ataca
los silicatos que constituyen las rocas,
resultando iones
bicarbonato. Estos iones disueltos en agua alcanzan el
mar, son asimilados por los animales para
formar sus tejidos, y tras
su muerte se
depositan en los sedimentos.
El retorno a la atmósfera se produce en las
erupciones volcánicas
tras la fusión
de las rocas que lo contienen. Este último ciclo es de
larga duración, al verse implicados los mecanismos
geológicos. Además, hay ocasiones en las que la
materia
orgánica queda sepultada sin contacto con el oxígeno que la descomponga,
produciéndose así la fermentación que lo transforma en
carbón, petróleo y gas
natural.

El almacenamiento
del carbono en los depósitos fósiles
supone en la práctica una rebaja de los niveles
atmosféricos de
dióxido de carbono. Si éstos
depósitos se liberan, como se viene haciendo desde tiempo
inmemorial con el carbón, o más recientemente con
el
petróleo y el gas natural; el
ciclo se desplaza hacia un nuevo equilibrio en
el que la cantidad de CO2 atmosférico es mayor;
más aún si las posibilidades de reciclado del mismo
se reducen al disminuir la masa boscosa y vegetal.

La explotación de combustibles fósiles
para sustentar las actividades industriales y de transporte
(junto con la deforestación) es hoy día una de las
mayores agresiones que sufre el planeta, con las consecuencias
por todos conocidas:
cambio climático (por el

efecto invernadero),
desertización, etc.

Los pasos más importantes del ciclo del
carbono son los siguientes:

El dióxido de carbono en la atmósfera
es absorbido por las plantas y convertido en azúcar, por el proceso de fotosíntesis.
Los animales comen plantas y al descomponer los
azúcares dejan salir carbono a la atmósfera, los
océanos o el suelo.
Otros organismos descomponen las plantas muertas y
las materias animales, devolviendo carbono al medio
ambiente.
El carbono también se intercambia entre los
océanos y la atmósfera. Esto sucede en ambos
sentidos en la interacción entre el aire y el
agua.

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 biogeoquímicos en que se basa el equilibrio
dinámico de composición de la biosfera.

Efectos

Los seres vivos cuentan con una caca en
proporción de nitrógeno en su composición.
Éste se encuentra en el aire en grandes cantidades (78% en
volumen) pero
en esta forma sólo es accesible a un conjunto muy
restringido de formas de vida, como las cianobacterias y las
azotobacteriáceas. Los organismos fotoautótrofos
(plantas o algas) requieren por lo general nitrato
(NO3–) como forma de ingresar su
nitrógeno; los heterótrofos (p. ej. los animales)
necesitan el nitrógeno ya reducido, en forma de radicales
amino, que es como principalmente se presenta en la materia viva.
Gracias a los múltiples procesos que conforman el ciclo,
todos los tipos metabólicos de organismos ven satisfecha
su necesidad de nitrógeno.

Procesos

Los organismos
autótrofos requieren típicamente
un suministro de nitrógeno en forma de nitrato
(NO3–), mientras que los
heterótrofos lo necesitan en forma de grupos amino
(-NH2), y lo toman formando parte de la
composición de distintas biomoléculas en sus
alimentos. Los
autótrofos reducen el nitrógeno oxidado que reciben
como nitrato (NO3–) a grupos amino,
reducidos (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. 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 origina
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).

Fijación de nitrógeno

La fijación de nitrógeno es la
conversión del nitrógeno del aire (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–); y también su
conversión a sustancias atmosféricas
químicamente activas, como el dióxido de
nitrógeno (NO2), que reaccionan
fácilmente para originar 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 diazotrofos en
relación a esta habilidad, para tomar N2 y
reducirlo a nitrógeno orgánico:

N2 + 8H+ + 8e−
+ 16 ATP → 2NH3 + H2 + 16ADP +
16
Pi

La fijación biológica la realizan tres
grupos de microorganismos diazotrofos:

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.
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
nitrogenada.

Amonificación

La amonificación es la conversión a ion
amonio del nitrógeno que 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.

Nitrificación

La nitrificación es la oxidación
biológica del amonio a nitrato por microorganismos
aerobios que usan el oxígeno molecular (O2)
como aceptor 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
Sergei Vinogradski y en realidad consiste
en dos procesos distintos, separados y consecutivos, realizados
por organismos diferentes:

Nitrosación. 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.

Desnitrificación

La desnitrificación es la reducción del
ion nitrato (NO3–), presente en el
suelo o el agua, a
nitrógeno molecular o biatómico (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
él la fijación de nitrógeno, abiótica
y biótica, habría terminado 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.

El ciclo del Oxígeno

El oxígeno molecular (O2) representa
el 20% de la atmósfera terrestre. Este patrimonio
abastece las necesidades de todos los organismos terrestres
respiradores y cuando se disuelve en el agua, las necesidades de
los organismos acuáticos. En el proceso de la
respiración, el oxígeno actúa como aceptor
final para los electrones retirados de los átomos de
carbono de los alimentos. El producto es
agua. El ciclo se completa en la
fotosíntesis cuando se captura la
energía de la luz
para alejar los electrones respecto de los átomos de
oxígeno de las moléculas de agua. Los electrones
reducen los átomos de carbono (de bióxido de
carbono) a carbohidratos.
Al final se produce oxígeno molecular y así el
ciclo se completa.

Por cada molécula de oxígeno utilizada en
la respiración celular, se libera una molécula de
bióxido de carbono. Inversamente, por cada molécula
de bióxido de carbono absorbida en la fotosíntesis, se libera una molécula
de oxígeno.

Conclusión

En los ciclos biogeoquímicos se pueden reconocer
dos partes o compartimientos: la biótica y la
abiótica.

· La parte biótica: Comprende la
inclusión de sustancias inorgánicas en el organismo
y la subsiguiente descomposición y
remineralización. El intercambio de elementos es
rápido, pero la cantidad de sustancias inorgánicas
no es mayor. El organismo vivo toma elementos inorgánicos
y al morir y descomponerse éstos son devueltos al ambiente para
ser nuevamente aprovechados.
· La parte abiótica: El medio contiene gran
cantidad de sustancias inorgánicas, que se descomponen con
lentitud y están a disposición del organismo en
forma abundante y fácil (agua, dióxido de carbono,
oxigeno) o
escasa y difícil (fósforo y nitrógeno, por
ejemplo). En el primer caso se trata de ciclos
atmosféricos con grandes reservas de materiales; en
el segundo se trata de materiales sedimentarlos (fósforo,
hierro,
azufre, magnesio, y elementos menores).
La deficiencia de alguno de estos elementos y sustancias en un
ecosistema
puede producir serios problemas en
el proceso de producción de las plantas
(producción primaria) y entre los consumidores (animales y
seres humanos). Por ejemplo, la deficiencia o falta de yodo en
ciertas zonas produce problemas como el bocio o coto en los seres
humanos y problemas en los animales, especialmente durante la
época de gestación.