1.2.8 CICLOS BIOGEOQUÍMICOS


Estos ciclos estudian la forma en que recirculan en la biosfera los elementos básicos de la materia viva, con los cuales se conforman los nutrientes, con los que se alimentan los organismos, es por ello que también se les conoce como ciclos de nutrientes.

A estos ciclos se les denomina biogeoquímicos, porque durante un tiempo se encuentran formando parte de los seres vivos a los que llegan por los vegetales generalmente y en otro momento, son parte de la materia inerte en el planeta y además se trasladan de unos a otros por medio de reacciones químicas.

En general el reciclaje de nutrientes reúne las siguientes características:

a) Los elementos circulan del medio ambiente a los seres vivos; y regresan al medio ambiente.

b) Pasan por diferentes seres vivos, iniciando en vegetales.

c) Hay un depósito de nutrientes en el planeta, o un almacén donde el elemento permanece.

d) Incluyen fenómenos químicos (reacciones) Estos ciclos se dividen en 1) gaseosos y 2) sedimentarios, y para clasificarlos será necesario considerar el estado físico, que adopte el elemento, durante la mayor parte del tiempo que permanece fuera de los seres vivos. De esta forma el elemento puede encontrarse en forma de un gas en su paso por la materia inerte, como es el caso de nitrógeno, por ejemplo, el cual fuera de los seres vivos forma parte de la atmósfera como nitrógeno molecular (N2) en forma de gas o bien un sólido en sus formas inertes, como es el caso del fósforo que forma parte del guano o excremento de aves marinas que se utiliza como fertilizante para los cultivos.

1) Los ciclos gaseosos; tienen como depósito principal o almacén principal del elemento a la atmósfera y se caracterizan porque no existen pérdidas de los elementos, en las diferentes transformaciones químicas que realizan durante su reciclaje, se consideran ciclos cerrados y algunos autores los llaman ciclos perfectos, son ciclos rápidos y casi todo el elemento que hay en el planeta se recicla porque está disponible.

Los ciclos gaseosos, son el del C,H, O y N que son debido a que durante su etapa como materia inerte formen gases, el C, como CO2 y el H, O y N como H2, O2, N2 y se encuentran formando parte de la atmósfera en proporciones que se mantuvieron en más o menos constantes, como debiste estudiar en geografía. El hombre latera los ciclos de estos elementos, al producir substancias tóxicas diversas, como resultado de diversos procesos tecnológicos. Estas substancias intervienen en diferentes etapas de los ciclos gaseosos alterándolos y en ocasiones deteniendo los ciclos perjudicando diferentes formas de vida, inclusive la del mismo ser humano.

2) Los ciclos sedimentarios; estos tienen como depósito principal o almacén principal las rocas sedimentarias, los elementos, por la acción de las lluvias, que erosionan las rocas, llegan al suelo y de ahí a los vegetales, pero el inconveniente es que el elemento se va con el agua hacia el fondo del mar y ahí ya no es utilizable por los seres vivos. Estos ciclos son lentos y al no estar disponibles siempre para que ingresen nuevamente a los organismos se considera agentes limitantes de la vida.

Los ciclos sedimentarios; son el S y el P pues la mayor parte de su etapa como materia inerte fuera de los seres vivos. Además también en este caso la actividad del hombre altera estos ciclos.

Así los ciclos biogeoquímicos de nutrientes son los siguientes:

del nitrógeno
1 Ciclos gaseosos del carbono
Ciclos nutrientes del oxígeno
del hidrógeno
2 Ciclos sedimentarios del fósforo

del azufre

Ciclo del nitrógeno: El nitrógeno se encuentra abundantemente en la atmósfera en forma diatómica como uno de los gases que forman parte de ella y constituye el 79% de los gases que se encuentran en el aire; es decir, el depósito principal del nitrógeno lo

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constituye la atmósfera por lo que la circulación de este elemento se considera un ciclo de tipo gaseoso.

El nitrógeno es un constituyente importante de los aminoácidos que formen proteínas en las seres vivos y son los vegetales, los que integran el nitrógeno a los ecosistemas al absorberlo por las raíces como nitratos, pero se requiere de transformaciones previas para ser transformado en nitratos. Los vegetales lo absorben y lo fijan en los aminoácidos por medio de procesos bioquímicos, para que posteriormente los animales lo obtengan fundamentalmente como aminoácidos al consumir vegetales y fabriquen proteínas. Al eliminar productos de desecho, estos llevan compuestos nitrogenados como urea, amoniaco, ácido úrico que liberan nitrógeno por acción bacteriana. Al morir vegetales y animales los descomponedores lo liberan de la materia orgánica en forma de amoniaco que nuevamente se transforma en nitratos por acción bacteriana o bien en nitrógeno libre que vuelve a la atmósfera.

1) Depósito de N2

2) Tipos de fijación de N2

3) Absorción de N2 por vegetales y animales

4) Descomposición de productos nitrogenados que eliminan los seres vivos

5) Descomposición de nitrógeno

En resumen, el ciclo del nitrógeno pasa por las siguientes etapas:

a) Fijación del nitrógeno: Es la transformación de nitrógeno atmosférico en nitratos, a través de dos mecanismos: biológico y atmosférico. El primero ocurre por la acción de bacterias rhzobim y acetobacter, y el segundo por las descargas eléctricas que se producen durante los relámpagos, en ambos casos llega a los seres vivos a través de las raíces de los vegetales, después de ahí a los herbívoros y luego los carnívoros en donde forma proteínas.

b) Amonificación. En los seres vivos los compuestos nitrogenados, proteínas y aminoácidos, se descomponen formando amoniaco y otros derivados de él, como urea o ácido úrico a través de los procesos metabólicos y se eliminan como productos de desecho o bien al morir el organismo. Al llegar al exterior, fuera del organismo estos derivados son procesados por bacterias y hongos constituyendo la siguiente etapa del ciclo.

c) Nitrificación: Los compuestos nitrogenados como el amoniaco se transforman en nitratos, también por acción de bacterias como nitrobacter y nitrosomas.

d) Desnitrificación: Los nitratos se transforman en nitrógeno atmosférico. Participan bacterias desnitrificantes como pseudomonas.

El ser humano interviene en el ciclo al quemar diferentes combustibles que producen óxido nítrico (NO) que puede capturar oxígeno y producir NO2 dióxido de nitrógeno que al combinarse a su vez con H2O forma HN3 ácido nítrico que es un componente de la lluvia ácida.

Además se forman N2O durante la combustión y este atrapa radiaciones y no deja que se liberen aumentando el calor de la tierra, también hay utilización no controlada de fertilizantes los que contiene el nitrógeno como nitratos y el exceso de ellos va el agua provocando crecimiento desmesurado de algas y otros vegetales, que al morir incrementan bacterias y degradadores en general los que disminuyen el O2 presente en el agua provocando la muerte de los peces.

Ciclo de carbono: El carbono es el elemento más importante en la formación de la materia orgánica, ya que todo el fenómeno bioquímico de la vida se basa en el reciclaje de este elemento. La mayor parte del carbono que se encuentra en el planeta, en forma de gas, está en la atmósfera en forma de bióxido de carbono (CO2), el que es un gas y la forma sólida está en los depósitos de petróleo o de carbón natural.

El carbono llega a los seres vivos por medio de los vegetales que capturan CO2, y mediante la fotosíntesis, utilizando también agua; transforman estas moléculas en carbohidratos con los que las plantas realizan sus funciones vitales.

Posteriormente, los vegetales sirven de alimento a los consumidores y el carbono pasa a los animales. Después, al respirar los organismos liberan nuevamente CO2. Al analizar las reacciones de la fotosíntesis y la respiración puede apreciarse este proceso.

Energía

imagen1

Fotosíntesis: 6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2

Respiración: C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + E

El carbono además se encuentra, en el planeta en los diferentes estratos formando parte de restos fósiles y de combustibles fósiles como carbón, petróleo y gas natural. Cuando el hombre extrae y quema estos combustibles, generando otros procesos que también produce CO2, aumenta considerablemente la cantidad de CO2 en el ambiente de forma que este gas no se fija ya por los vegetales queda en el ambiente, incrementando la temperatura del planeta provocando lo que se conoce como “efecto invernadero”. De forma natural se incrementa la producción de CO2 por la actividad volcánica, y por la actividad humana los principales procesos que lo producen son la combustión de madera, de carbón vegetal y de petróleo, así como de sus derivados como la gasolina.

El CO2, puede encontrarse disuelto en el agua, cuando la lluvia lo disuelve formando gas carbónico que ya en el agua puede adoptar otras formas químicas, como el clión bicarbonato, o el carbonato proporcionando la acidez o alcalinidad del agua, es decir de su pH. Como carbonato se combina con metales y se deposita como sedimento.

Las reacciones son las siguientes:

CO2 atmosférico + H2O

H2CO3

imagen1 H+ + HCO3

imagen1 2H+ + CO3 + Metales

imagen1

Carbonatos sólidos (depósitos-sedimentos)

Estos carbonatos en el agua son utilizados también para formar Carbonato de Calcio CaCO3 para elaborar conchas, rochas y el esqueleto de organismos marinos, estos al morir lleva el Carbono C hacia el fondo formando parte del sedimento del fondo del mar.

En los últimos 50 años el hombre ha incrementado el uso de recursos y ha intervenido en el ciclo del carbono primero talando bosques, disminuyendo con ello la captación del CO2 por la eliminación de vegetales y después la mayor utilización de combustibles fósiles generando grandes cantidades de CO2 hacia la atmósfera incrementando el efecto “invernadero” por el que estas moléculas con las de otros gases atrapan radiación solar y la proyectan sobre la tierra aumentando su temperatura.

1) Depósito atmosférico de CO2

2) Fijación por los vegetales para formar glucosa.

3) Formación de CO2 por respiración.

4) Desprendimiento industrial de CO2

5) Desprendimiento de CO2 por emanaciones volcánicas.

6) Formación de petróleo que contiene hidrocarburos utilizados como combustibles después.

7) Disolución en agua cornobi.

El ciclo del carbono puede resumirse en los siguientes pasos:

a) El carbono se encuentra como gas en la atmósfera (CO2)

b) El CO2 es absorbido por los vegetales para realizar fotosíntesis

c) Por medio de la fotosíntesis los vegetales usan CO2 para formar carbohidratos y otras moléculas orgánicas.

d) Al respirar los vegetales degradan carbohidratos o moléculas orgánicas para producir energía y con ella realizar funciones vitales, formar tejidos y crecer.

e) Los tejidos de los vegetales sirven de alimento a los animales.

f) Debido a la respiración de ambos y de todos los organismos acrobios vuelve a formarse CO2.

g) La combustión de carbono, madera, petróleo y sus derivados produce CO2 también.

h) El CO2 puede disolverse y formar bicarbonatos y carbonatos.

i) Los carbonatos se combinan con metales y se depositan como sedimentos.

Ciclo de oxígeno. El oxígeno es el elemento primordial para la vida de los seres vivos que lo utilizan para respirar. El depósito principal de este elemento es la atmósfera, donde se encuentra como oxígeno molecular (O2) y es así como es utilizado por los organismos al respirar.

Asimismo, se encuentra disuelto en las aguas continentales y marinas de donde lo obtienen los seres con vida acuática. El oxígeno disuelto forma diferentes compuestos sólidos al combinarse con minerales y producir óxidos que se integran a la parte sólida del planeta. El producto de la respiración en el que se encuentra el oxígeno es el agua, que entra al ciclo hidrológico.

Los vegetales liberan oxígeno durante la fotosíntesis (de la molécula del agua que obtienen a través de sus raíces), y lo vuelven a la atmósfera para reciclarse. Así nuevamente son los procesos de respiración y fotosíntesis los procesos que reciclan este elemento en mayor porcentaje.

1) Depósito de O2 en la atmósfera

2) Consumo de O2 por los organismos al respirar

3) Desprendimiento de O2 por

fotosíntesis en los

vegetales.

4) Disolución de O2 en agua

5) Depósito de sólidos

formados por oxidación de

minerales

6) Consumo de oxígeno en las combustiones industriales.

Por otro lado, una parte del oxígeno se separa del ciclo general para transformarse en ozono por efecto de las descargas eléctricas. El ozono detiene el paso de las radiaciones ionizantes del Sol, por ejemplo, los rayos ultravioleta.

Los pasos del ciclo del oxígeno son, en resumen, los siguientes:

a) El oxígeno atmosférico es utilizado por los organismos aerobios para respirar produciendo H2O y por fotosíntesis lo desintegran formando nuevamente O2.

b) Los vegetales captura H2O y por fotosíntesis la desintegran formando nuevamente O2 que va a la atmósfera.

c) Parte del oxígeno se combina con minerales para formar óxidos sólidos que se depositan.

d) Parte del oxígeno molecular atmosférico, se transforma en ozono por efecto de descargas eléctricas.

Ciclo del hidrógeno: El reciclaje de este elemento se observa en los ciclos del carbono y del oxígeno ya que forma con ellos moléculas orgánicos y agua durante los procesos de fotosíntesis y respiración a los que ya se hizo referencia.

Ciclo de fósforo: El fósforo en los seres vivos forma parte de los ácidos nucleicos, ADN y ARN, compuestos muy importantes porque son moléculas transmisoras de la información genética. Asimismo, forma parte de las moléculas que transfieren energía en las reacciones celulares (ATP y ADP). Casi todas las reacciones celulares necesitan fósforo.

El ciclo del fósforo inicia cuando éste es disuelto, de los sedimentos, por el agua arrastrándolo hacia el mar, donde puede quedar disuelto o puede sedimentarse en los fondos marinos. El fósforo disuelto que no llega al mar es absorbido por las raíces de los vegetales incorporándose a su organismo. Posteriormente, el fósforo llega a los animales cuando estos ingieren vegetales. Al morir vegetales y animales, o al excretar productos de desecho, las bacterias fosfatizantes degradan la materia orgánica y la transforman en fosfatos inorgánicos que pueden volver a diluirse para, de esta manera cerrar el ciclo.

El fósforo que se disuelve y va al mar puede devolverse al ciclo por medio de aves marinas y por los peces que lo eliminan como productos de desecho. Son conocidos los depósitos de guano del Perú, que es el excremento de aves marinas y que el ser humano utiliza para fertilizar; por consiguiente, decimos que las aves marinas desempeñan un papel importante en el reciclaje del fósforo; sin embargo, actualmente la participación de las aves es cada vez menor, tal vez por la alarmante desaparición de éstas, causada por la contaminación en los litorales, frecuentados por el hombre.

En cuanto a los peces, a pesar de que el hombre pesca grandes cantidades de ellos, se calcula que ya poca cantidad de este nutriente regresa al ciclo por este medio. De esta manera, la posibilidad de reciclar el fósforo disminuye continuamente y se sabe que la agricultura intensa disminuye los depósitos disponibles de fosfato disueltos.

El fósforo presenta en los fertilizantes agrícolas y en los detergentes, llegan a los ríos, a través de los desagües y causan incremento en el proceso de utroficación. Este fenómeno consiste en el incremento de poblaciones de microorganismos, los cuales utilizan el O2 disponible, que utilizarían, de forma equilibrada las poblaciones habituales de la zona. Este proceso se ha descrito también en el ciclo de nitrógeno, pues los nitratos generan el mismo problema. La reproducción de vegetales de manera explosiva se produce como consecuencia de la elevación de estos dos ciclos. Ejemplos de estas alteraciones es el crecimiento del lirio acuático en Xochimilco y en el Lago de Chapala en Guadalajara.

1) Depósito principal en rocas, huesos o guano.

2) Erosión por aire o lluvia para formar fosfatos disueltos.

3) Absorción por vegetales de fosfatos disueltos.

4) Consumo de vegetales por animales, el fosfato se ha transformado en DNA y otros compuestos orgánicos.

5) Descomposición de organismos muertos por medio de bacterias fosfatizantes.

6) Arrastre hacia el mar de organismos muertos o sus desperdicios formando depósitos.

7) Fijación en peces y aves marinas.

8) Utilización de excremento

(guano) de animales como

fertilizantes (por el hombre).

Las etapas del ciclo del fósforo son las siguientes:

  1. Los fosfatos componen la corteza terrestre
  2. Los fosfatos son separados de la corteza por disolución
  3. Los fosfatos disueltos son absorbidos por los vegetales o llevados al mar.
  4. Los fosfatos llegan a los animales por la ingestión de vegetales.
  5. En el mar los fosfatos pueden sedimentarse y unirse a la corteza que se encuentra en el fondo marino poco profundo.
  6. Los peces adquieren el fósforo disuelto y lo llevan a las aves que se alimentan de ellos.
  7. Las aves marinas excretan el fósforo formando el guano que es abundante sobre todo en las costas de Perú.
  8. Las bacterias fosfatizantes degradan los tejidos de vegetales o animales, así como los desechos de ellos.
  9. Hay pequeñas cantidades de fosfatos que llegan a la superficie por medio de procesos geológicos lentos, por tal motivo estos fosfatos no se consideran como parte del ciclo.
  10. Los depósitos que hay en el fondo del mar pueden llegar a la superficie por medio de procesos geológicos lentos, por tal motivo estos fosfatos no se consideran como parte del ciclo.
  11. El ser humano extrae fosfatos del pescado y guano y los utiliza como fertilizantes, acelerando el reciclaje.

Ciclo del azufre: Este elemento es importante bioquímicamente puesto que forma parte de las proteínas, y es parte de la molécula de algunos aminoácidos. Ecológicamente hay compuestos de azufre que actúan combinándose con otros y que tienen gran repercusión ecológica.

Asimismo, el azufre circula por el ecosistema siguiendo las redes tróficas y al llegar a los descomponedores éstos los liberan al medio en forma de sulfatos (SO= 4) principalmente, y de ahí es absorbido por los vegetales para llegar después a todos los seres vivos. Sin embargo, hay microorganismos, generalmente bacterias, que usan y lo transforman primero en azufre sin combinar y luego en sulfuro de hidrógeno (H2S), que es sumamente tóxico para los seres vivos y de olor desagradable.

Este fenómeno se produce en ausencia de oxígeno, por ejemplo, en zonas fangosas. Este compuesto, sulfuro de hidrógeno, puede combinarse con fierro y formar un sólido (FeS o Pirita) que va al fondo de los fangos anaerobios y permanece ahí hasta que por fenómenos químicos se descomponen y vuelve a formarse al azufre. El bióxido de azufre (SO2) y trióxido de azufre (SO3) se producen por la acción del ozono sobre el sulfuro de hidrógeno que se oxida. También puede producirse el bióxido de azufre por la combustión de petróleo de baja calidad. Los óxidos se combinan con agua en forma de vapor o en forma de lluvia para producir hasta ácidos sulfúrico que es uno de los componentes corrosivos de la lluvia ácida.

La forma en que el azufre regresa al medio es por la excreción animal y por descomposición orgánica.

Resumiendo, decimos que el ciclo del azufre se establece en las siguientes etapas:

  1. Formación de sulfatos a partir de los descomponedores, como tiobacilos, que actúan sobre el sedimento.
  2. Disolución de sulfatos
  3. Absorción por los vegetales de sulfatos disueltos y/o formación de azufre y sulfuro de hidrógeno, a partir de microorganismos anaerobios en zonas fangosas.
  4. Ingestión de vegetales por animales y formación de sulfuro de fierro que se deposita en el fondo de los fangos.
  5. Formación de SO2 y SO3 en la atmósfera que se combina con agua para formar H2SO3 en la atmósfera que se combina con agua para formar H2SO4 en pequeñas cantidades.
  6. Acción de tiobacilos sobre desechos y sobre materia orgánica en descomposición y desintegración de sulfuro de fierro para formar en ambos casos sulfatos nuevamente

1) Acción de tiobacilos transformando sedimentos en sulfatos.

2) Absorción de sulfatos por los vegetales.

3) Consumo de vegetales por animales.

4) Acción de descomponedores sobre desechos de organismos para formar nuevamente sulfatos.

5) Formación de azufre y sulfuro de hidrógeno y de fierro.

6) Depósitos en fondos marinas.

7) Oxidación del H2S para formar bióxido y trióxido de azufre.

8) Combinación de agua y óxidos para formar ácidos sulfuroso y sulfúrico produciendo lluvia ácida.

9) Combustión industrial formando bióxido y trióxido de azufre.

imagen1

Realiza la siguiente actividad considerando los elementos que pertenecen a cada uno de los ciclos.

  1. Elabora un cuadro sinóptico del ciclo del nitrógeno.
  2. Menciona tres tipos de alimentos proteicos para ser humano e identifica a qué etapa del ciclo corresponden
  3. En lugares con poca higiene puedes captar el olor a orina, ya que ésta incluye compuestos nitrogenados de desecho. Identifica a que etapa del ciclo corresponde la eliminación de orina.

4. Completa el siguiente cuadro:

Etapa

Características

Organismos

  1. Menciona a que etapa del ciclo corresponde la formación de CO2 por automóviles. ___________________________________________________________________
    1. Diseña un esquema con los elementos del ciclo de carbono. La producción del azúcar en los cañaverales corresponde a una etapa del ciclo. Menciona a cual y argumenta tu respuesta.
    2. ___________________________________________________________________
  2. Elabora un cuadro sinóptico del ciclo del oxígeno.
  3. Analiza las reacciones de la fotosíntesis y respiración y enlista las moléculas que contienen hidrógeno anotando el nombre de cada una de ellas.
  4. Explica la relación que existe entre las campañas de reforestación y los ciclos de carbono hidrógeno y el oxígeno.
  5. Elabora un cuadro sinóptico del ciclo del azufre.
  6. Describe en qué etapa del ciclo del fósforo se produce DNA y RNA. ___________________________________________________________________
  7. Elabora un cuadro sinóptico del ciclo del azufre.
  8. ¿Con qué etapa del ciclo del azufre se relaciona el olor de los alimentos en

descomposición? ___________________________________________________________________

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