ciclos biogeoquimicos

CICLOS BIOGEOQUIMICOS
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. 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.
Un elemento químico o molécula necesario para la vida de un organismo, se llama nutriente
o nutrimento. Los organismos vivos necesitan de 30 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:
1. 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.
2. Micronutrientes. Son los 30 ó más elementos requeridos en cantidades pequeñas
(hasta trazas): hierro, cobre, zinc, cloro, yodo
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 convertidas 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.
Dra. FLOR TERESA GARCÍA HUAMAN
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CICLO DEL AGUA
Se pudiera admitir que la cantidad total de agua que existe en la Tierra, en sus tres fases:
sólida, líquida y gaseosa, se ha mantenido constante desde la aparición de la Humanidad. El
agua de la Tierra que constituye la hidrósfera se distribuye en tres reservorios principales:
Los océanos, los continentes y la atmósfera, entre los cuales existe una circulación continua
el ciclo del agua o ciclo hidrológico. El movimiento del agua en el ciclo hidrológico es
mantenido por la energía radiante del sol y por la fuerza de la gravedad.
El ciclo hidrológico se define como la secuencia de fenómenos por medio de los cuales el
agua pasa de la superficie terrestre, en la fase de vapor, a la atmósfera y regresa en sus fases
líquida y sólida. La transferencia de agua desde la superficie de la Tierra hacia la atmósfera,
en forma de vapor de agua, se debe a la evaporación directa, a la transpiración por las
plantas y animales y por sublimación (paso directo del agua sólida a vapor de agua
La cantidad de agua movida, dentro del ciclo hidrológico, por el fenómeno de sublimación
es insignificante en relación a las cantidades movidas por evaporación y por transpiración,
cuyo proceso conjunto se denomina evapotranspiración.
El vapor de agua es transportado por la circulación atmosférica y se condensa luego de
haber recorrido distancias que pueden sobrepasar 1,000 km. El agua condensada da lugar a
la formación de nieblas y nubes y, posteriormente, a precipitación.
La precipitación puede ocurrir en la fase líquida (lluvia) o en la fase sólida (nieve o
granizo). El agua precipitada en la fase sólida se presenta con una estructura cristalina, en
el caso de la nieve, y con estructura granular, regular en capas, en el caso del granizo.
La precipitación incluye también incluye el agua que pasa de la atmósfera a la superficie
terrestre por condensación del vapor de agua (rocío) o por congelación del vapor (helada) y
por intercepción de las gotas de agua de las nieblas (nubes que tocan el suelo o el mar).
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El agua que precipita en tierra puede tener varios destinos. Una parte es devuelta
directamente a la atmósfera por evaporación; otra parte escurre por la superficie del terreno,
escorrentía superficial, que se concentra en surcos y va a originar las líneas de agua. El
agua restante se infiltra, esto es penetra en el interior del suelo; esta agua infiltrada puede
volver a la atmósfera por evapotranspiración o profundizarse hasta alcanzar las capas
freáticas.
Tanto el escurrimiento superficial como el subterráneo van a alimentar los cursos de agua
que desaguan en lagos y en océanos.
La escorrentía superficial se presenta siempre que hay precipitación y termina poco después
de haber terminado la precipitación. Por otro lado, el escurrimiento subterráneo,
especialmente cuando se da a través de medios porosos, ocurre con gran lentitud y sigue
alimentando los cursos de agua mucho después de haber terminado la precipitación que le
dio origen.
Así, los cursos de agua alimentados por capas freáticas presentan unos caudales más
regulares.
Como se dijo arriba, los procesos del ciclo hidrológico decurren en la atmósfera y en la
superficie terrestre por lo que se puede admitir dividir el ciclo del agua en dos ramas: aérea
y terrestre.
El agua que precipita sobre los suelos va a repartirse, a su vez, en tres grupos: una que es
devuelta a la atmósfera por evapotranspiración y dos que producen escurrimiento
superficial y subterráneo. Esta división está condicionada por varios factores, unos de orden
climático y otros dependientes de las características físicas del lugar donde ocurre la
precipitación.
Así, la precipitación, al encontrar una zona impermeable, origina escurrimiento superficial
y la evaporación directa del agua que se acumula y queda en la superficie. Si ocurre en un
suelo permeable, poco espeso y localizado sobre una formación geológica impermeable, se
produce entonces escurrimiento superficial, evaporación del agua que permanece en la
superficie y aún evapotranspiración del agua que fue retenida por la cubierta vegetal. En
ambos casos, no hay escurrimiento subterráneo; este ocurre en el caso de una formación
geológica subyacente permeable y espesa.
La energía solar es la fuente de energía térmica necesaria para el paso del agua desde las
fases líquida y sólida a la fase de vapor, y también es el origen de las circulaciones
atmosféricas que transportan el vapor de agua y mueven las nubes.
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CICLO DEL OXIGENO
La reserva fundamental de oxígeno utilizable por los seres vivos está en la atmósfera. Su
ciclo está estrechamente vinculado al del carbono pues el proceso por el que el C es
asimilado por las plantas (fotosíntesis), supone también devolución del oxígeno a la
atmósfera, mientras que el proceso de respiración ocasiona el efecto contrario.
Otra parte del ciclo natural del oxígeno que tiene un notable interés indirecto para los seres
vivos de la superficie de la Tierra es su conversión en ozono. Las moléculas de O2,
activadas por las radiaciones muy energéticas de onda corta, se rompen en átomos libres de
oxígeno que reaccionan con otras moléculas de O2, formando O3 (ozono). Esta reacción es
reversible, de forma que el ozono, absorbiendo radiaciones ultravioletas vuelve a
convertirse en O2.
El ciclo del oxígeno es la cadena de reacciones y procesos que describen la circulación del
oxígeno en la biosfera terrestre.
Abundancia en la Tierra
El oxígeno es el elemento más abundante en masa en la corteza terrestre y en los océanos, y
el segundo en la atmósfera.
En la corteza terrestre la mayor parte del oxígeno se encuentra formando parte de silicatos y
en los océanos se encuentra formando por parte de la molécula de agua, H2O.
En la atmósfera se encuentra como oxígeno molecular (O2), dióxido de carbono(CO2), y en
menor proporción en otras moléculas como monóxido de carbono (CO),ozono (O3),
dióxido de nitrógeno (NO2), monóxido de nitrógeno (NO) o dióxido de azufre (SO2).
Atmósfera
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El O2 le confiere un carácter oxidante a la atmósfera. Se formó por fotólisis de H2O,
formándose H2 y O2:
H2O + hν → 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 oxígeno para la
producción de energía y generándose dióxido de carbono, y en el proceso de fotosíntesis se
origina oxígeno y glucosa a partir de agua, dióxido de carbono (CO2) y radiación solar.
Corteza terrestre
El carácter oxidante del oxígeno provoca que algunos elementos estén más o menos
disponibles. La oxidación de sulfuros para dar sulfatos los hace más solubles, al igual que
la oxidación de iones amonio a nitratos. Asimismo disminuye la solubilidad de algunos
elementos metálicos como el hierro al formarse óxidos insolubles.
Hidrósfera y atmósfera química básica estructura lítica
El oxígeno es ligeramente soluble en agua, aumentando su solubilidad con la temperatura.
Condiciona las propiedades rédox de los sistemas acuáticos. Oxida materia bioorgánica
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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CICLO DEL CARBONO
El ciclo del carbono es el sistema de las transformaciones químicas de compuestos que
contienen carbono en los intercambios entre biosfera, atmósfera, hidrosfera y litosfera. 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 carbono es un componente esencial para los vegetales y animales. Forma parte de
compuestos como: la glucosa, carbohidrato importantes para la realización de procesos
como: la respiración; también interviene en la fotosíntesis bajo la forma de CO2 (dióxido de
carbono) tal como se encuentra en la atmósfera.
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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 productos finales de la combustión son CO2 y vapor de agua. El equilibrio en la
producción y consumo de cada uno de ellos por medio de la fotosíntesis hace posible la
vida.
Los vegetales verdes que contienen clorofila toman el CO2 del aire y durante la fotosíntesis
liberan oxígeno, además producen el material nutritivo indispensable para los seres vivos.
Como todas las plantas verdes de la tierra ejecutan ese mismo proceso diariamente, no es
posible siquiera imaginar la cantidad de CO2 empleada en la fotosíntesis.
En la medida de que el CO2 es consumido por las plantas, también es remplazado por
medio de la respiración de los seres vivos, por la descomposición de la materia orgánica y
como producto final de combustión del petróleo, hulla, gasolina, etc.
En el ciclo del carbono participan los seres vivos y muchos fenómenos naturales como los
incendios.
Los seres vivos acuáticos toman el CO2 del agua. La solubilidad de este gas en el agua es
muy superior a la que tiene en el aire.
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CICLO DEL NITROGENO
El ciclo del nitrógeno es cada uno de los procesos biológicos y abióticos en que se basa el
suministro de este elemento a los seres vivos. Es uno de los ciclos biogeoquímicos
importantes en que se basa el equilibrio dinámico de composición de la biosfera.
Efectos
Los seres vivos cuentan con una gran proporción de nitrógeno en su composición química.
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).
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Fijación y asimilación de nitrógeno
El primer paso en el ciclo es la fijación (reducción) del nitrógeno atmosférico( 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
ser usado por la mayoría de los organismos vivos, las 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 originar alguna de las anteriores.
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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
La fijación biológica la realizan tres grupos de microorganismos diazotrofos:
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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
endo simbiótica 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 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
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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.
CICLO: Algunas bacterias convierten amoniaco en nitrito y otras transforman este en
nitrato. Una de estas bacterias (Rhizobium) se aloja en nódulos de las raíces de las
leguminosas (alfalfa, alubia, etc.) 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.
Nitrificación
La nitrificación es la oxidación biológica del amonio al nitrato 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 Sergéi Vinogradski y en realidad consiste en dos procesos distintos,
separados y consecutivos, realizados por organismos diferentes:
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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.
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.
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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.
Reducción desasimilatoria
Es la respiración anaerobia 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 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.
CICLO DEL AZUFRE:
El azufre forma parte de proteínas. Las plantas y otros productores primarios lo obtienen
principalmente en su forma de ion sulfato (SO4 -2). Los organismos que ingieren estas
plantas lo incorporan a las moléculas de proteína, y de esta forma pasa a los organismos del
nivel trófico superior. Al morir los organismos, el azufre derivado de sus proteínas entra en
el ciclo del azufre y llega a transformarse para que las plantas puedan utilizarlos de nuevo
como ion sulfato.
Los intercambios de azufre, principalmente en su forma de dióxido de azufre (SO2),
realizan entre las comunidades acuáticas y terrestres, de una manera y de otra en la
atmósfera, en las rocas y en los sedimentos oceánicos, 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, se lleva a
cabo en ambos casos. Una parte del sulfuro de hidrógeno (H2S), producido durante el
reciclaje local del sulfuro, se oxida y se forma SO2.
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CICLO DEL FOSFORO:
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.
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