Ecología y medio ambiente

Ciclos biogeoquímicos y flujo de materia

Introducción

Ya hemos dicho que todo en la naturaleza está interconectado, podrás ver entonces que esta interconexión se origina en el flujo constante de energía –como acabas de revisar– y materia entre los diferentes compartimientos. Estos procesos se llaman ciclos biogeoquímicos, porque los elementos y moléculas químicas esenciales para la vida, como nitrógeno, fósforo, azufre, oxígeno, y moléculas como el agua, se mueven entre los seres vivos, el suelo, la corteza terrestre, la hidrosfera y la atmósfera.

Estos movimientos se realizan mediante procesos que permiten los cambios de estado físico, como es el caso del ciclo del agua, o transformaciones químicas que involucran cambios en el estado de oxidación de un elemento y la proporción o tipos de átomos a los cuales se encuentran enlazados. Estas características les permiten a las moléculas de cada ciclo encontrarse en diferentes estados físicos y transitar entre los diferentes compartimientos de la biosfera (atmósfera, litosfera e hidrosfera).

El transporte en la biosfera facilita el paso de un nivel trófico a otro; por ejemplo, las plantas toman gases como CO2 del aire a través de sus estomas y absorben diferentes minerales a través de la raíz; todas estas moléculas y elementos químicos son necesarios para su metabolismo, de esta manera es posible que las plantas sinteticen moléculas orgánicas como carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos.

Los animales herbívoros, al consumir estas plantas asimilan los nutrientes para poder sintetizar otras moléculas orgánicas más complejas y fundamentales para sus diferentes actividades metabólicas. Los carnívoros posteriormente transfieren estos elementos a otro nivel al morir o simplemente liberando sustancias químicas por medio de la respiración, el sudor, la orina o las heces, devolviendo al suelo y a la atmósfera lo que tomaron antes.

La relación entre materia y energía en cada ciclo está asociada a la formación o ruptura de los enlaces que constituyen una molécula o que se presentan entre diferentes moléculas.

Revisemos con detalle los ciclos biogeoquímicos más importantes.

Ciclo del fósforo

El fósforo es el onceavo elemento más abundante en la corteza terrestre, constituyendo el 0.11% de su masa. Su principal fuente son los minerales denominados apatitas, como el fluorapatita, [Ca5PO4)3F] y el hidroxipatita [Ca5PO4)3OH]. En el cuerpo humano el fósforo es el segundo mineral más abundante, después del calcio, y puede encontrarse en forma inorgánica, combinado con otros minerales, o en compuestos orgánicos. Aproximadamente entre el 80 y el 90% del fósforo del organismo se combina para formar fosfato cálcico [Ca3PO4)2] utilizado para el desarrollo de los huesos y dientes. Al igual que con el calcio, los huesos son las principales reservas de sales de fosfato del organismo. Otras sales de fosfato como el fosfato disódico/ monosódico, intervienen en el equilibrio ácido-base de fluidos corporales como la sangre y en el pH al interior de las células. Los fosfatos restantes de nuestro organismo se encuentran en diversas formas orgánicas entre ellas:

  1. Los fosfolípidos, parte de la membrana celular.
  2. El Ácido Desoxirribonucleico (ADN), el Ácido Ribonucleico (ARN), moléculas fundamentales en la transferencia de la información hereditaria.
  3. En otros nucleótidos que cumplen un papel preponderante en la producción de energía, como son el Adenosín Trifosfato, (ATP), Adenosin Difosfato (ADP) y Adenosin Monofosfato (AMP).
  4. Los fosfágenos, que participan en la contracción muscular.

La cantidad diaria recomendada de fósforo en la dieta de un hombre o una mujer adultos es de 800 mg, mientras que algunos cultivos, bacterias y virus necesitan contenidos aún mayores para su actividad normal.

El ciclo del fósforo tiene como principal característica que no tiene ninguna etapa atmosférica, químicamente el fósforo está unido al oxígeno formando el anión fosfato (PO4-3) en rocas, suelos o en el agua. El contenido de fósforo en la mayoría de las rocas sedimentarias, –como el mineral de las rocas magmáticas–, es más alto que en el promedio de la corteza.

El fósforo contenido en las rocas y suelos se disuelve por la acción de la lluvia y es arrastrado a lagos, ríos o al mar, donde es utilizado por los organismos, sobre todo por los productores. El fósforo pasa de un organismo a otro cuando el segundo se alimenta del primero y el organismo consumidor lo almacena en sus células, desechando el excedente. Una parte llega al mar, donde se deposita en los lechos marinos. Los organismos descomponedores facilitan la reincorporación del fósforo al ciclo.

Imagen 1. Representación del ciclo del fósforo

Como se mencionó anteriormente, el fósforo es muy importante para todos los organismos, pero es relativamente escaso en la corteza terrestre, por lo cual se considera un elemento biolimitante, de ahí que sea necesario agregarlo a los fertilizantes para asegurar el adecuado crecimiento de las plantas y organismos que consumimos.

El estilo de vida actual del ser humano tiene una incidencia directa en los ciclos biogeoquímicos. En el caso del ciclo del fósforo, éste es alterado al extraer minerales que contienen fosfato para utilizarlo como materia prima en la fabricación de fertilizantes que serán utilizados sobre los suelos de cultivo. Una vez liberado al ambiente, es transportado por el agua de riego, lluvia o escorrentía hasta cuerpos de agua, como lagos y ríos, donde en combinación con iones nitrato y amonio y en presencia de luz solar promueve la sobrepoblación de algas unicelulares y el crecimiento desmedido de plantas silvestres acuáticas, en un proceso conocido como eutrofización. Durante este proceso, los ecosistemas acuáticos ven reducida la concentración de oxígeno disuelto, lo cual hace poco factible la existencia de la mayoría de las especies que previamente formaban el ecosistema.

Ciclo del nitrógeno

La atmosfera contiene alrededor de 78% de nitrógeno gaseoso (N2) y, por lo tanto, constituye la principal reserva de este importante elemento. El nitrógeno es un componente fundamental de biomoléculas, como las proteínas, muchas vitaminas y los ácidos nucleicos (ADN y ARN). Ni las plantas ni los animales poseen los mecanismos que les permitan tomar el nitrógeno de la atmosfera y utilizarlo, para ello se requiere una transformación de éste a compuestos solubles para que sea asimilable por los organismos.

Este primer paso de gas a compuestos solubles es realizado durante la fijación, donde las plantas establecen una relación simbiótica, con las bacterias fijadoras de nitrógeno que se encargan de absorber el mismo y transformarlo a amonio. Luego entran en acción las bacterias nitrificantes, que se dividen en dos grupos, uno de ellos transforma el catión amonio en el anión nitrito y el otro grupo transforma el anión nitrito en anión nitrato, que puede así ser asimilado por la planta.

Las tormentas eléctricas, los incendios forestales y la quema de combustibles fósiles combinan el nitrógeno con el oxígeno mediante procesos no biológicos, y producen óxidos de nitrógeno. Los fertilizantes sintéticos a menudo contienen amoniaco, nitrato o ambos. Las plantas incorporan el nitrógeno del amoniaco y del nitrato en sus aminoácidos, proteínas, ácidos nucleicos y vitaminas. Estas moléculas nitrogenadas de la planta son consumidas tarde o temprano, ya sea por consumidores primarios, por detritívoros o por descomponedores. A medida que corre la red alimenticia, parte del nitrógeno queda en libertad en los desechos y cadáveres, donde las bacterias descomponedoras presentes en el suelo y el agua lo convierten de nuevo en nitrato y amoniaco.

Esta forma de nitrógeno queda disponible para las plantas; los nitratos y el amoniaco en el suelo y el agua constituyen una segunda reserva. El ciclo del nitrógeno se completa por el continuo retorno del nitrógeno a la atmosfera gracias a bacterias desnitrificantes. Estos habitantes de los suelos húmedos, pantanos y estuarios descomponen el nitrato y devuelven óxido nitroso o nitrógeno –ambos en estado gaseoso– a la atmósfera.

Imagen 2. Representación del ciclo del nitrógeno

La actividad humana ha alterado profundamente el ciclo del nitrógeno a través de la adición de fertilizantes nitrogenados a los cultivos para incrementar su productividad. Como acabas de revisar, este elemento es muy móvil entre la atmósfera, la hidrosfera y el suelo, dado que a través de los procesos de fijación, nitrificación y desnitrificación NOx y óxido nitroso o N2O.

Ciclo del carbono

El átomo de carbono es uno de los elementos de mayor versatilidad química, lo que le permite asociarse mediante enlaces covalentes polares o apolares con diferentes elementos, por esta razón es el principal elemento estructural de las biomoléculas, –carbohidratos, lípidos, proteínas, ácidos nucleicos– que constituyen todos los seres vivos.

En la naturaleza el carbono se encuentra distribuido en grandes depósitos en rocas y sedimentos (75 x 1015 T), aguas saladas (38×1012T), combustibles fósiles (4×1012T), hidratos de metano del manto (1013T) y las biomoléculas, que contienen alrededor de 2×1012T (0.003% del total del carbono total del planeta, el 99.99% en la biomasa terrestre, especialmente en forma de humus o materia orgánica muerta).

Los principales reservorios de carbono por orden de importancia son:

  1. Los océanos.
  2. La vegetación, los organismos y los suelos.
  3. La atmósfera, donde se encuentra en forma de dióxido de carbono.
  4. Otra fracción del carbono se fija como petróleo y gas natural.

El ciclo comienza con el CO2 atmosférico en estado gaseoso, que constituye una porción relativamente pequeña pero muy significativa del carbono global.

El carbono contenido en el dióxido de carbono es removido de la atmósfera por los organismos fotosintéticos (plantas, fitoplancton, algas y bacterias), para construir biomoléculas con ayuda de la energía solar. Estas moléculas ricas en carbono se almacenan en los tejidos de estos organismos, pero una pequeña fracción del carbono se libera de nuevo a la atmósfera como CO2 como resultado de la respiración.

El carbono almacenado en los tejidos se transfiere entre las cadenas tróficas en forma de alimento: de las plantas pasa a los animales consumidores cuando estos se alimentan. Sin embargo, la mayor parte pasa a través de tejidos muertos (cadáveres, heces, pelo, plumas, uñas, escamas o exuvias, es decir, los exoesqueletos que abandonan los artrópodos luego de la muda) al suelo, en el caso de los ecosistemas terrestres, o bien, al bentos, o queda suspendido en el agua, en el caso de los ecosistemas acuáticos; los organismos saprófagos toman carbono del suelo.

En el suelo, otra porción del carbono se integra a la formación de las rocas calizas, compuestas por carbonato de calcio (CaCO3), y una más se almacena en los arrecifes, ya que los pólipos de coral utilizan el CO2 para formar sus cubiertas de carbonato de calcio.

Es importante tomar en cuenta que la actividad humana emite grandes cantidades de CO2 a la atmósfera, producto de la quema de combustibles de origen fósil, tales como el petróleo y el carbón, así como la emisión de gases por las industrias. Este exceso de CO2 ha provocado una acumulación de este gas en la atmósfera que ha sido asociado al cambio climático global.

Imagen 3. El ciclo del carbono

Ciclo del azufre

Es un nutriente secundario que se requiere para la formación de las proteínas, por lo cual se vuelve esencial para los organismos. Se encuentra principalmente en la corteza terrestre y es emitido a la atmósfera de forma natural a través de las erupciones volcánicas.

El ciclo comienza con la disolución del azufre de la corteza terrestre o del azufre atmosférico, a través del agua de lluvia o de los ríos. Al llegar al suelo es transformado por diversos grupos de bacterias que lo convierten de nuevo a formas gaseosas, como el ácido sulfhídrico –o sulfuro de hidrógeno– (H2S) y el dióxido de azufre (SO2). Estos se emiten a la atmósfera y vuelven a ser disueltos para regresar a la superficie terrestre.

Imagen 4. El ciclo del azufre

Las principales fuentes de azufre atmosférico son la quema de carbón, petróleo y los procesos metalúrgicos, que lo emiten principalmente como dióxido de azufre (SO2). Este compuesto, que es muy higroscópico, al combinarse con agua forma lluvia ácida.

Ciclo del agua

Otro ciclo que implica el flujo de materia y energía entre los compartimientos es el hidrológico, o ciclo del agua. En éste predominan los cambios de estado, donde el agua se mueve por la energía que absorbe del medio para cambiar de estado de agregación. Así el agua en la atmósfera se encuentra en forma de vapor, luego se condensa en las nubes para precipitarse en forma líquida, e incluso sólida en forma de nieve o granizo, hacia la superficie terrestre. Es bajo la forma líquida que la encontramos en los océanos, ríos, lagos, lagunas y acuíferos. Una vez que se precipita, el agua se mueve verticalmente a través de los poros del suelo, en un proceso conocido como infiltración, con lo cual enriquece los acuíferos o aguas subterráneas. Otro movimiento del agua de lluvia es el horizontal, a través de las laderas de los montes; a este movimiento se le conoce como escorrentía, y en general, el destino final son los océanos, lagos y lagunas. Parte del volumen de agua de los suelos es absorbida por las plantas, que la emiten a la atmósfera en forma de vapor a través de la transpiración.

Cuando la temperatura disminuye –ya sea por un cambio de estación o porque se asciende en altitud o latitud–, el agua se solidifica, como en los casquetes polares, las puntas de los cerros o durante las nevadas de invierno o el granizo. Esta agua congelada puede pasar directamente al estado de vapor, a través de un proceso conocido como sublimación, donde la altitud juega un papel importante por las condiciones de presión atmosférica a las que se somete al agua. Así, este proceso es más común en las puntas nevadas de las cadenas montañosas.

Cuando se cambia de estación, o por efectos de la actividad humana, como el Calentamiento Global, el agua que se encontraba en estado sólido se funde y retorna al estado líquido, en un proceso denominado fusión.

Imagen 5. Ciclo del agua

Ciclo del oxígeno

El oxígeno es un elemento químico de gran abundancia en los seres vivos. Forma parte del agua y de todas las biomoléculas. Su presencia en la atmósfera se debe a la actividad fotosintética de organismos primitivos que paulatinamente convirtieron la atmósfera, que era reductora, a una atmósfera oxidante como la que conocemos hoy.

El ciclo del oxígeno se encuentra estrechamente ligado a los del carbono y el nitrógeno, dado que tiene una gran afinidad para formar enlaces con estos elementos. En consecuencia, el oxígeno se mueve junto con el carbono y el nitrógeno a través de los procesos de fotosíntesis, respiración, nitrificación y desnitrificación.

Imagen 6. Ciclo del oxígeno

En la atmósfera el oxígeno molecular puede transformarse en ozono (O3) por la acción catalítica de la radiación solar. Este proceso es el responsable de la formación de la capa de ozono estratosférico, así como de la formación del ozono troposférico, cuyas consecuencias ambientales las revisaremos también en el siguiente bloque.

Si analizas con detalle los ciclos biogeoquímicos, puedes ver que cumplen de forma perfecta la ley de la conservación de la materia, dado que los diferentes elementos nunca se destruyen, solo se van transformando a diferentes combinaciones químicas y estados de agregación para moverse entre todos los compartimientos de nuestro planeta.

Por lo tanto todos los nutrientes que soportan la vida en la Tierra, son los mismos que han estado presentes desde el origen del planeta. ¿No te parece fabuloso cómo funciona la Tierra?

Fuente: Secretaría de Educación Pública. (2016). Ecología y medio ambiente. Ciudad de México.