CICLOS BIOGEOQUIMICOS CLASE 2

CICLOS BIOGEOQUIMICOS 

Para mayor comprensión de la naturaleza podemos mencionar que en la tierra interactuan muchos ciclos entre si- 

Los ciclos biogeoquímicos son el conjunto de procesos donde se produce la circulación de materia inorgánica entre los organismos vivos y el medio ambiente. Se trata del reciclaje de nutrientes minerales entre la biósfera, la atmósfera, la hidrósfera y la litosfera.

LOS CICLOS MAS AFECTADOS POR EL CAMBIO CLIMATICO SON EL DE CARBONO Y AGUA

El carbono, el hidrógeno, el nitrógeno, el oxígeno, el fósforo, el azufre, el silicio, el calcio y el hierro son los principales elementos que utilizan los seres vivos. Estos elementos también son importantes en el océano, la atmósfera y la corteza terrestre. La materia que constituye a los seres vivos se conserva y recicla a traves de los ciclos biogeoquímicos.

Características de los ciclos biogeoquímicos

• Presentan reservas o depósitos y acumulaciones tanto biológicas (orgánicas) como geológicas, marinas o atmosféricas (inorgánicas).
• Presentan flujos dinámicos de los elementos entre los diferentes depósitos.
• Los elementos cambian su composición química (excepto el agua), bien por reacciones químicas espontáneas o por procesos biológicos.
• Se encuentran en fase sólida, líquida o gaseosa.
• La velocidad de recambio es mayor en los ecosistemas terrestres que en los marinos.

Importancia de los ciclos biogeoquímicos

A través de los ciclos biogeoquímicos, la materia circula por los ecosistemas, desde el ambiente a los seres vivos y de vuelta al ambiente. Los organismos vivos captan elementos químicos de forma selectiva según sus necesidades fisiológicas. La captación de estos elementos conlleva a transformaciones químicas dirigidas por los organismos vivos.

Los flujos de cada elemento entre reservas procede cíclicamente por reacciones químicas y bioquímicas espontáneas asi como por la intervención biológica y geológica. Estas conversiones forman parte de los ciclos biogeoquímicos.

Por otro lado, mantienen dinámica la composición de la materia viva y los otros componentes de la biósfera. Esto es, cuando los organismos mueren, sus componentes son renovados por procesos químicos y geológicos para poder ser usados por otros organismos vivos.

Tipos de ciclos biogeoquímicos

Los ciclos biogeoquímicos pueden ser de dos tipos principales:

• ciclos globales: cuando los elementos se distribuyen ampliamente en la atmósfera, como por ejemplo, los ciclos del carbono, nitrógeno y oxígeno.
• ciclos locales: es en el suelo donde se reciclan elementos como fósforo y calcio.

Ciclo biogeoquímico del Azufre

El azufre forma parte de los aminoácidos metionina y cisteina y de otros compuestos orgánicos e inorgánicos. La mayor parte del azufre se encuentra en la litósfera, mientras su transporte se lleva a cabo en la atmósfera, hidrósfera y biósfera.

En la biósfera, la formación de compuestos azufrados solubles en agua está asociado con la transformación en ácido sulfúrico (H₂SO₄) y en iones sulfato solubles (SO₄^2-) a partir de sulfuros de metales insolubles .

El azufre se encuentra en la atmósfera en forma de dióxido de azufre (SO₂) o sulfuro de hidrógeno (H₂). Llega aquí a través de tres vías:

1. Descomposición de las moléculas orgánicas.
2. Actividad volcánica y fuentes geotérmicas.
3. Actividades humanas y empleo de combustibles fósiles.

Ciclo biogeoquímico del carbono

Este es un ciclo más lento e involucra el movimiento del carbono por la tierra, el agua y el aire. El carbono se almacena por períodos largos en reservas de carbono:

• la atmósfera,
• los océanos y cuerpos de agua,
• los sedimentos oceánicos,
• el suelo,
• los sedimentos terrestres que incluyen los combustibles fósiles, y,
• el interior de la Tierra.

El CO₂ de la atmósfera se combina con el agua para formar ácido carbónico, que luego se ioniza para dar iones carbonato (CO₃^-2) y bicarbonato (HCO₃^-):

Mas del 90% del carbono en el océano se encuentra como iones bicarbonato. Parte de estos iones reaccionan con calcio para formar carbonato de calcio (CaCO₃), componente de las conchas de los organismos marinos. Con el tiempo, estas conchas marinas se sedimentan en el fondo oceánico y se transforman en cal o piedra caliza, la reserva más grande de carbono sobre la Tierra.

El carbono que se encuentra en el suelo es el resultado de la descomposición de los organismos o por el desgaste de las rocas y minerales.

Los combustibles fósiles son los restos de vegetación descompuestos hace millones de años depositados en estratos profundos. Al quemar estos combustibles, el CO₂ regresa a la atmósfera.

Las erupciones volcánicas y otros sistemas geotérmicos también liberan CO₂ a la atmósfera, que llegaron allí por el movimiento de las placas tectónicas.

El dióxido de carbono también llega a la atmósfera por la respiración de los animales, las prácticas agrícolas y la producción de metano.

Ciclo biogeoquímico del agua o ciclo hidrológico comprende los procesos de circulación del agua por las distintas capas terrestres. La hidrósfera es el área de la tierra donde se almacena y mueve el agua.

El agua está en constante circulación en la naturaleza. Llega a la atmósfera como vapor de agua a través de la evaporación de las aguas superficiales de océanos, lagos y ríos. Por el proceso de condensación este vapor de agua se transforma en nubes, que luego por precipitación regresa en forma de lluvia, granizo o nieve.

Por infiltración, el agua en la Tierra penetra en las capas subterráneas del suelo. Las plantas, a través de la transpiración, participa en la circulación del agua al absorberla por las raíces y liberarla a la atmósfera.

Agua en estado sólido: esto incluye el agua contenida en los polos y en nieves y glaciares alpinos. Las superficies de hielo flotantes se conocen como "banquisas", y el conjunto del agua en estado sólido recibe el nombre de "criosfera".

Agua en estado líquido: aquí podemos distinguir fundamentalmente dos categorías, agua dulce y agua salada. Dentro de la categoría de agua dulce encontramos ríos, lagos, lagunas, estanques, escorrentías, agua canalizada y, no menos importante, el agua almacenada bajo el nivel freático en forma de aguas subterráneas. El agua salada la encontramos en mares y océanos. Aunque supone un porcentaje residual, el agua en estado líquido también está contenida dentro de los seres vivos.

Agua en estado gaseoso: la atmósfera tiene siempre una cierta composición de agua, que varía según la localización, la época del año, etc.

El 97% en mares y océanos.

El 2.5% en forma de agua dulce.

El 0.5% restante se distribuye entre el resto de localizaciones.

Contaminación de la hidrosfera

La hidrosfera puede ser contaminada por muy diversos componentes como:

Compuestos químicos como aceites y otros disolventes.

Metales pesados.

Plásticos y MICROPLASTICOS 

Compuestos con acciones biológicas.

Materia orgánica.

Ciclo biogeoquímico del fósforo

El fósforo forma parte de las membranas celulares en los fosfolípidos, de la molécula energética ATP, de los ácidos nucleicos, del metabolismo celular y de la estructura ósea de muchos organismos. Se encuentra predominantemente en forma de ión fosfato (PO₄^3-).

El mineral más abundante en fósforo es la apatita, que se usa como material para la producción de fertilizantes. El desgaste de las rocas y la actividad volcánica libera fosfato al suelo, el agua y el aire, donde está disponible para ingresar a la cadena alimenticia.

El ciclo biogeoquímico del fósforo es único en que no presenta un componente gaseoso y no es dinamizado por los microorganismos. Casi todo el fósforo en el ciclo deriva del desgaste temporal de los minerales que contienen el elemento. El P disuelto en el suelo o en el agua puede ser captado por las plantas o bacterias. Al morir estos, el P orgánico se descompone y regresa a la reserva mineral.

El fósforo se usa en la agricultura como fertilizante. Las lluvias y regadíos provocan fugas y filtraciones de este elemento hacia lagos, ríos y zonas costeras, promoviendo la eutroficación de los ecosistemas acuáticos.

Ciclo biogeoquímico del magnesio

El ciclo del magnesio abarca varios procesos naturales en el ambiente libre, y también en algunos procesos metabólicos de las membranas de las células vivas, tanto en organismos unicelulares, como en pluricelulares.

Compuesto orgánico o molécula orgánica es un compuesto químico que contiene carbono1​, formando enlaces carbono-carbono y carbono-hidrógeno. En muchos casos contienen oxígeno, nitrógeno, azufre, fósforo, boro, halógenos y otros elementos menos frecuentes en su estado natural. Estos compuestos se denominan moléculas orgánicas. Algunos compuestos del carbono, carburos, los carbonatos y los óxidos de carbono, no son moléculas orgánicas. La principal característica de estas sustancias es que arden y pueden ser quemadas (son compuestos Etapas del ciclo del magnesio

● Etapa medio ambiental: Se halla en forma de compuestos solubles depositados en el suelo y aprovechados por las plantas. Igualmente en los cuerpos de agua.

● Etapa de aprovechamiento vegetal: Es absorbido por las plantas a través del suelo, incorporándose a los procesos celulares vegetales. Un ejemplo de ello se halla en la clorofila, por lo que se puede inferir que la fotosíntesis se da en parte, gracias al magnesio.

● Etapas metabólicas intracelulares en seres vivos: Los animales consumen las plantas ricas en magnesio aprovechándolo en procesos de estabilización del sistema nervioso, así como el muscular. Solo una parte de ese magnesio es utilizado al depositarse en el intestino delgado, y el resto es descartado por vía de las excretas. De igual forma, mantiene el equilibrio hormonal en seres humanos. Los ciclos vitales en donde participa el magnesio mantienen el equilibrio y homeostasis de los procesos y tejidos.

Etapas auxiliares: El magnesio, como parte de su propio ciclo, participa dentro del ciclo del calcio y el ciclo del fósforo, en los procesos de fortalecimiento y fijación de estos elementos.

Importancia del ciclo del magnesio

El ciclo del magnesio es parte de procesos esenciales en la biosfera, tanto a nivel ambiental con otros ciclos, como dentro de los seres vivos en diversos procesos metabólicos y de equilibrio, por lo que resulta importante para la homeostasis, fijación de otras moléculas y tejidos del cuerpo humano u otros organismos. El ciclo que cumple el magnesio en los seres humanos ha sido aprovechado por el hombre para lograr algunos efectos benéficos en el mismo, a nivel de tejidos nerviosos y óseos, sobre todo en la parte articular; también mantiene en equilibrio la flora bacteriana en el intestino de las personas, así como mantiene la relajación muscular.Por su participación metabólica, el magnesio en su viaje metabólico estabiliza el sistema hormonal del cuerpo. Sus ciclos metabólicos participan también en la regulación del ritmo cardíaco, protegiendo venas y arterias en el sistema circulatorio, y ayudando a prevenir enfermedades cardiovasculares.

Si el ciclo del magnesio no se lleva a cabo correctamente en el interior del organismo humano, se producen problemas de tipo muscular, deficiencias óseas, en los dientes, y en el funcionamiento del sistema músculo esquelético.

En el medio natural, los procesos de combustión, fijación de otras moléculas como el calcio y el potasio, no se realizan de forma eficiente cuando hay carencia de magnesio; el magnesio es un elemento que mantiene el equilibrio bioquímico, tanto en su propio ciclo, como al intervenir en otros ciclos de moléculas relacionadas.

Ciclo biogeoquímico del Nitrógeno 

El nitrógeno (N₂) es el gas más abundante en la atmósfera. Es un elemento importante en la construcción de proteinas, ácidos nucleicos, fosfolípidos y carbohidratos.

El nitrógeno entra en el ciclo de la vida a través de bacterias que fijan el nitrógeno atmosférico y lo incorporan en sus macromoléculas. Las bacterias Rhizobium viven de forma simbiótica en nódulos en las raíces de las leguminosas (como los frijoles y el maní o cacahuete). Los Azotobacter también son fijadores de nitrógeno.

El nitrógeno de los compuestos orgánicos regresa a la atmósfera en tres pasos:

1. amonificación: la descomposición de los tejidos de animales y vegetales muertos por bacterias y hongos libera el nitrógeno en forma de amoníaco (NH₃) o amonio (NH₄⁺).
2. Nitrificación: el amonio y el amoniaco son transformados en nitritos (NO₂^-) por bacterias nitrosantes (como las Nitrosomonas). Luego, los nitritos se transforman en nitratos (NO₂^-) por acción de las bacterias nitrificantes.
3. Asimilación: los nitratos son el compuesto nitrogenado que los vegetales absorben a través de las raíces. Dentro de las células vegetales, el nitrato se transforma en amonio y es utilizado en la síntesis de aminoácidos. Los aminoácidos forman parte de las proteinas que luego son consumidas por los animales herbívoros y otros consumidores de vegetales. Las bacterias desnitrificantes (como Pseudomonas y Clostridium) en el suelo descomponen los nitratos liberando el nitrógeno gaseoso a la atmósfera.

Las actividades humanas pueden liberar el nitrógeno al ambiente a través de:

• la combustión de combustibles fósiles que liberan diferentes óxidos de nitrógeno: el nitrógeno atmosférico se asocia con la producción de lluvia ácida (como ácido nítrico, HNO₃) y gas de estufa (como óxido nitroso, N₂O).
• Por el uso de fertilizantes artificiales en la agricultura: el principal efecto del escurrimiento de los fertilizantes es la eutrofiZación (exceso de crecimiento de organismos en la superficie de cuerpos de agua).

Ciclo biogeoquímico del calcio

El calcio es un elemento clave en la formación de las estructuras de soporte de los seres vivos y de procesos fisiológicos, como la coagulación y el movimiento muscular. Los compuestos de calcio inorgánico solubles, comúnmente bicarbonato de calcio (Ca(HCO₃)₂), permean constantemente en los ríos y migra hasta los océanos:

Esta reacción es la responsable por la formación de las cuevas en áreas de caliza, ya que el agua de lluvia cargada de dióxido de carbono poco a poco va disolviendo la roca

Ciclo biogeoquímico del del oxígeno

El oxígeno es el elemento más abundante en la superficie de la Tierra. Representa el 21% de los gases en la atmósfera y forma parte de varios óxidos con el hierro, el aluminio y el silicio. La mayoría de los seres vivos heterótrofos necesitan de oxígeno para procesar los compuestos orgánicos y obtener energía a partir de ello

En la atmósfera no existía oxígeno libre hasta que aparecieron las primeras bacterias fotosintéticas hace 2500 millones de años. de aquí que la fuente principal de oxígeno en la atmósfera es la fotosíntesis.

El oxígeno se extrae de la atmósfera cuando los minerales de la corteza terrestre quedan expuestos y son oxidados durante el proceso de desgaste químico.

A través de la respiración, los seres aerobios captan el oxígeno atmosférico (o disuelto en el agua) y lo incorporan en sus procesos metabólicos. El resultado es la expulsión de dióxido de carbono. Por eso los ciclos del oxígeno y del carbono están interconectados a través de los procesos de fotosíntesis y respiración.

Ciclo de calcio

Interconexión de los ciclos biogeoquímicos

Los principales ciclos biogeoquímicos están íntimamente interconectados y son potenciados por la energía solar a través de la fijación de carbono en el proceso de fotosíntesis. Las principales reacciones químicas son de oxidación y reducción. Los procesos de desgaste, la erosión, el movimiento del agua y de las placas tectónicas representan el componente geológico.

El reciclaje de todos estos materiales está interconectado. Por ejemplo, el ciclo del agua participa en la disolución y transporte de nitrógeno y fósforo en ríos, lagos, y océanos. Además, los océanos son la reserva principal de carbono.

El ciclo del oxígeno y el carbono están interconectados en el proceso de fotosíntesis y en el de respiración. En el primero, el dióxido de carbono es transformado en carbohidratos con la liberación de oxígeno, que luego es usado en el proceso de respiración.

Los microorganismos gobiernan prácticamente todos los ciclos biogeoquímicos en el agua. Mientras en el suelo, las bacterias y los hongos son responsables principales de la transformación de materia orgánica en los ciclos biogeoquímicos.

La atmósfera, la hidrósfera y la litósfera son los reservorios principales de los elementos de la Tierra pero es en la biósfera donde se produce la interacción.

Referencias

Bashkin, V.N. Modern Biogeochemistry. Kluwer Academic publishers. 2003

Instructora de Medio ambiente Yarelys Gómez