El ciclo del carbono es uno de los más importantes, no únicamente en el aspecto cuantitativo – todas las moléculas orgánicas, las que forman a los seres vivos, tienen carbono en su formula – ,sino también desde el punto de vista de su influencia sobre el clima. Existe la posibilidad de que el clima, a nivel mundial, sufra cambios considerables debido a desequilibrios en el ciclo del carbono, propiciados, a su vez, por el estilo de vida de la sociedad moderna. En sus inicios, el planeta Tierra tenía una atmósfera muy rica en bióxido de carbono, que no hubiese permitido la vida aeróbica o demandante de oxígeno tal como la conocemos. Sin embargo, surgió la vida, y los primeros organismos fueron autótrofos que fabricaban su alimento precisamente a partir de moléculas de bióxido de carbono, que al unirse con agua hidrolizada producían azúcares y liberaban oxígeno. Esta liberación de oxígeno provocó un cambio gradual en la composición de la atmósfera de la Tierra, de manera que actualmente el oxígeno ha pasado a ser el segundo gas más abundante (20 por ciento), después del nitrógeno (79 por ciento). Mientras que el bióxido de carbono ahora se reduce tan sólo a aproximadamente 300 partes por millón, equivalentes al 0.003 por ciento. A través de un largo proceso evolutivo surgieron especies dependientes del oxígeno, y la atmósfera misma fue cambiando de reductora a oxidante, como lo es actualmente. Por otro lado, al eliminar, por ejemplo, un bosque para establecer algún cultivo como maíz, trigo, etc., o incluso una ciudad, se libera el carbono que formaba parte de la biomasa. Todos los seres vivos almacenan gran cantidad de carbón. Los cultivos como los mencionados, y las ciudades, poseen cantidades relativamente bajas de biomasa; mientras que los bosques la tienen en una cantidad mucho mayor. Esa diferencia entre la biomasa original y la posterior se disipa también a la atmósfera, ya sea que el bosque se queme o se pudra. El bióxido de carbono en la atmósfera forma una capa protectora a la que podríamos considerar como un "espejo" parcial, por su capacidad para absorber y reflejar luz. La luz que se refleja, también llamada albedo, nunca entra a la Tierra; y la que penetra lo hace en forma de ondas de diferente longitud, siendo una parte ultravioleta -la que nos produce las quemaduras de sol-, otra parte entra en forma de energía calorífica o como longitud de onda infrarroja o termal, y otra más como luz visible, una vez que incide sobre objetos que están sobre la superficie de la Tierra; además, otra gran parte se convierte en calor. Toda esta energía es la que mantiene la temperatura de la Tierra dentro de la banda de oscilación normal. Aproximadamente 70 por ciento de la energía solar que entra a la Tierra, interviene en el ciclo hidrológico para permitir la evaporación y, posteriormente, la precipitación. Del restante 30 por ciento, la mayor parte se queda en la Tierra en forma de calor, y un pequeño porcentaje, cerca de 0.1 por ciento, se utiliza para la fotosíntesis. El CO2 permite el paso de luz de cierta longitud de onda, pero al incidir esta luz sobre la superficie terrestre es reflejada en longitudes de onda un poco mayores, por lo que no le es posible atravesar la atmósfera hacia afuera, por lo que es regresada nuevamente hacia la Tierra; de esta manera, la energía queda "atrapada", por así decirlo. Este fenómeno se conoce como efecto invernadero, pues es similar a lo que sucede en los invernaderos, donde la luz que entra en forma de energía de luz visible, al incidir sobre los objetos dentro del invernadero, produce calor, y ese calor es una longitud de onda mayor que ya no se pude disipar. De esta manera, al aumentar la concentración del CO2 en la atmósfera, se reduce la posibilidad de que las longitudes de onda largas puedan salir de ella, 10 que podría provocar un calentamiento global mayor que el normal. Por ello, el efecto de invernadero no es realmente negativo, pues, de él depende, de hecho, que tengamos las condiciones adecuadas para la vida en el planeta; el problema es que un aumento rápido en dicho efecto nos causaría problemas. Se desconoce la tasa a la que ocurrirá este calentamiento, pero se ha estimado que si no reducimos la liberación de CO2 a la atmósfera (que actualmente está aumentando), en 100 años tendremos un aumento de temperatura de alrededor de 4° C. Éstas son las estimaciones más precisas que se han podido obtener, pero no garantizan que efectivamente vaya a ocurrir un cambio, o que esa sea su magnitud; en realidad, el cambio podría ser mayor, menor, o no darse. El término acuñado del griego “bios”, vida, “geos”, tierra y química. Hace referencia a la vinculación de la composición de la tierra (y sus elementos químicos orgánicos e inorgánicos) con la vida. El término Ciclo Biogeoquímico deriva del movimiento cíclico de los elementos que forman los organismos biológicos (bio) y el ambiente geológico (geo) e interviene un cambio químico. Pero mientras que el flujo de energía en el ecosistema es abierto, puesto que al ser utilizada en el seno de los niveles tróficos para el mantenimiento de las funciones vitales de los seres vivos se degrada y disipa en forma de calor, no sigue un ciclo y fluye en una sola dirección. El flujo de materia es cerrado ya que los nutrientes se reciclan. La energía solar que permanentemente incide sobre la corteza terrestre, permite mantener el ciclo de dichos nutrientes y el mantenimiento del ecosistema. Por tanto estos ciclos biogeoquímicos son activados directa o indirectamente por la energía que proviene del sol. Se refiere en resumen al estudio del intercambio de sustancias químicas entre formas bióticas y abióticas. Tipos de Ciclos Biogeoquímicos 1.- Sedimentarios: los nutrientes circulan principalmente en la corteza terrestre (suelo, rocas, sedimentos, etc) la hidrosfera y los organismos vivos. Los elementos en estos ciclos son generalmente reciclados mucho más lentamente que en el ciclo gaseoso, además el elemento se transforma de modo químico y con aportación biológica en un mismo lugar geográfico. Los elementos son retenidos en las rocas sedimentarias durante largo periodo de tiempo con frecuencias de miles a millones de años. Ejemplos de este tipo de ciclos son el FÓSFORO y el AZUFRE. 2.- Gaseoso: los nutrientes circulan principalmente entre la atmósfera y los organismos vivos. En la mayoría de estos ciclos los elementos son reciclados rápidamente, con frecuencia de horas o días. Este tipo de ciclo se refiere a que la transformación de la sustancia involucrada cambia de ubicación geográfica y que se fija a partir de una materia prima gaseosa. Ejemplos de ciclos gaseosos son el CARBONO, el NITRÓGENO y OXÍGENO. 3.- El Ciclo HIDROLÓGICO: el agua circula entre el océano, la atmósfera, la tierra y los organismos vivos, este ciclo además distribuye el calor solar sobre la superficie del planeta Relación de las industrias del proceso y el medio: Una industria y su medio están involucradas en un sistema, ambos subsistema interrelacionan para formar un único sistema. En esta relación se establece un contacto íntimo que tiene tanto entradas como salidas en ambos subsistemas. La industria del proceso se abastecerá pues del medio así como el medio recibirá las salidas de la industria, tanto productos, como desechos. Pero la industria como acto humano, produce desechos que alteran el medio que le rodea (emisión de SO2, SO3, NO2, NO, CO, CO2, etc). Si bien se consideran desechos, la naturaleza tiene la capacidad de eliminarlos en concentraciones razonables, pero cuando se afecta el equilibrio ecológico drásticamente el desecho pasa a ser contaminante. Otras veces el proceso es a la inversa, podemos llegar a agotar o desvirtuar los nutrientes que permiten y mantienen las cadenas tróficas y la vida. Se puede entonces acabar con el flujo correcto de biomasa, y eliminar seres vivos. Ciclos de la materia Ciclo del Nitrógeno Los seres vivos requieren átomos de nitrógeno para la síntesis de moléculas orgánicas esenciales como las proteínas, los ácidos nucleicos, el ADN, por lo tanto es otro elemento indispensable para el desarrollo de los seres vivos . El aire de la atmósfera contiene un 78% de nitrógeno, por lo tanto la atmósfera es un reservorio de este compuesto. A pesar de su abundancia, pocos son los organismos capaces de absorberlo directamente para utilizarlo en sus procesos vitales. Por ejemplo las plantas para sintetizar proteínas necesitan el nitrógeno en su forma fijada, es decir incorporado en compuestos. Fijación del Nitrógeno: tres procesos desempeñan un papel importante en la fijación del nitrógeno en la biosfera. Uno de estos es el relámpago. La energía contenida en un relámpago rompe las moléculas de nitrógeno y permite que se combine con el oxígeno del aire. Mediante un proceso industrial se fija el nitrógeno, en este proceso el hidrógeno y el nitrógeno reaccionan para formar amoniaco, NH3. Dicho proceso es utilizado por ejemplo para la fabricación de fertilizantes. Las bacterias nitrificantes son capaces de fijar el nitrógeno atmosférico que utilizan las plantas para llevar a cabo sus funciones. También algunas algas verde-azules son capaces de fijar el nitrógeno atmosférico. Descomposición: los animales obtienen nitrógeno al ingerir vegetales, en forma de proteínas. En cada nivel trófico se libera al ambiente nitrógeno en forma de excreciones, que son utilizadas por los organismos descomponedores para realizar sus funciones vitales. Nitrificación: es la transformación del amoniaco a nitrito, y luego a nitrato. Esto ocurre por la intervención de bacterias del género nitrosomonas, que oxidan el NH3 a NO2-. Los nitritos son oxidados a nitratos NO3- mediante bacterias del género nitrobacter. Desnitrificación: en este proceso los nitratos son reducidos a nitrógeno, el cual se incorpora nuevamente a la atmósfera, este proceso se produce por la acción catabólica de los organismos, estos viven en ambientes con escasez de oxígeno como sedimentos, suelos profundos, etc. Las bacterias utilizan los nitratos para sustituir al oxígeno como aceptor final de los electrones que se desprenden durante la respiración. De esta manera el ciclo se cierra. Ciclo del Oxígeno El oxígeno molecular (O2) representa el 20% de la atmósfera terrestre. Este oxígeno abastece las necesidades de todos los organismos terrestres que lo respiran para su metabolismo, además cuando se disuelve en agua, cubre 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 a los átomos de oxígeno de las moléculas de agua. Los electrones reducen los átomos de oxígeno de las moleculas de agua. Los electrones reducen los átomos de carbono (de dióxido de carbono) a carbohidrato. Al final se produce oxígeno molecular y así se completa el ciclo. Por cada molécula de oxígeno utilizada en la respiración celular, se libera una molécula de dióxido de carbono. Inversamente, por cada molécula de dióxido de carbono absorbida en la fotosíntesis, se libera una molécula de oxígeno. Ciclo del Fósforo La proporción de fósforo en la materia viva es relativamente pequeña, 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, incluyendo al ser humano. La mayor reserva de fósforo está en la corteza terrestre y en los depósitos de rocas marinas. 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 (PO4H2) 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. 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. Ciclo del Azufre 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 (H 2S) 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. Las bacterias desempeñan un papel crucial en el reciclaje del azufre. Cuando está presente en el aire, la descomposición de los compuestos del azufre (incluyendo la descomposición de las proteínas) produce sulfato (SO 4=). Bajo condiciones anaeróbicas, el ácido sulfúrico (gas de olor a huevos en putrefacción) y el sulfuro de dimetilo (CH3SCH3) son los productos principales. Cuando estos últimos gases llegan a la atmósfera, son oxidados y se convierten en bióxido de azufre. La oxidación posterior del bióxido de azufre y su disolución en el agua de lluvia produce ácido sulfhídrico y sulfatos, formas principalmente bajo las cuales regresa el azufre a los ecosistemas terrestres. El carbón mineral y el petróleo contienen también azufre y su combustión libera bióxido de azufre a la atmósfera. Como resumen podemos decir que durante el ciclo del azufre los principales eventos son los siguientes: El azufre, como sulfato, es aprovechado e incorporado por los vegetales para realizar sus funciones vitales. Los consumidores primarios adquieren el azufre cuando se alimentan de estas plantas. El azufre puede llegar a la atmósfera como sulfuro de hidrógeno (H2S) o dióxido de azufre (SO2), ambos gases provenientes de volcanes activos y por la descomposición de la materia orgánica. Cuando en la atmósfera se combinan compuestos del azufre con el agua, se forma ácido sulfúrico (H2SO4) y al precipitarse lo hace como lluvia ácida.