DEFINICIONESCiclo: Secuencia de cambios que, una vez

completados, produce un estado final idéntico al original.

Material: Sustancia(s) de la(s) cual(es) esta compuesto un objeto. Sustancia: Materia cuya composición química es

conocida.

Elemento: una de las 116 sustancias conocidas que no pueden separarse en sustancias mas simples mediante métodos químicos.

CICLO DE LA MATERIA

Los distintos elementos químicos pasan de estarconstituyendo materia inorgánica a constituir parte de un servivo, y posteriormente vuelven al medio inorgánico, y asísucesivamente.

Sólo algunos elementos, como, por ejemplo, el fósforo, pasana depositarse en lugares inaccesibles para volver a sercaptados por los seres vivos, y prácticamente no siguen unflujo cíclico. Debemos pues matizar que el ciclo de la materiatiende a ser cerrado. Utilizamos la palabra tiende, ya que concierta frecuencia los nutrientes escapan de la biosfera porgasificación o lixiviado, pudiendo ser exportados lejos de sulugar de origen.

Además, algunos restos orgánicos escapan al reciclado encondiciones anaerobias, siendo transformados encombustibles fósiles, carbón y petróleo, y almacenándose enla litosfera.

Los principales ciclos biogeoquímicos son el delcarbono, nitrógeno, fósforo y azufre.

CICLOS DE LA MATERIALos átomos de fósforo (P), carbono (C), nitrógeno (N) y el restode los elementos químicos que forman los seres vivos, son losmismos átomos que han existido en la Tierra desde su origen.

Una elemento químico puede ser parte de un organismo en unmomento y parte del ambiente del organismo en otro momento.

La producción de materia viva y su funcionamiento requiere deciertos elementos( N, C, P, S, O e H).

Su relativa escasez en el planeta se compensa gracias a losciclos biogeoquímicos, que posibilitan la migración, la circulacióny el reciclado de estos bioelementos desde el medio ambiente alos seres vivos y de estos nuevamente al medio.

Estos elementos circulan a través del aire, el suelo, el agua y losseres vivos.

Gracias a los ciclos es posible que los elementos se encuentrendisponibles para ser usados una y otra vez por los organismos;sin estos la vida se extinguiría.

Elementos en la biósfera

• Los tres principales(99.47%)

– Hidrógeno 47.74%

– Carbono 24.90%

– Oxígeno 24.93%

• Otros minerales

– Nitrógeno 0.272%

– Calcio 0.072%

– Potasio 0.044%

– Silicio 0.033%

– Magnesio 0.031%

– Azufre 0.017%

– Aluminio 0.016%

– Fósforo 0.013%

– Cloro 0.011%

– Sodio 0.006%

– Hierro 0.005%

– Manganeso 0.003%

carbohidratos = “CH2O”

celulosa, almidón, etc.

Figura 2. Esquema idealizado de los dos tipos de ciclos biogeoquímicos:

(A) ciclos globales del C, N, O e H; (B) ciclos locales del P, S, K, Ca y elementos traza.

Fotosíntesis bruta

Fotosíntesis neta

PRODUCTIVIDAD PRIMARIA NETA

Respiración de hojas

Respiración de plantas

PRODUCTIVIDAD SECUNDARIANETA

Asimilación

Consumo de herbivoros

Acumulación de biomasa viva

Producción de broza

Acumulación de broza y materia orgánica

Acumulación de biomasa viva

PRODUCTIVIDAD NETA DELECOSISTEMA

Excreción

Respiración

Depredación

Respiración dedescomponodores

Aber y Melillo 1991

Flujos de Energía y Carbono en los Ecosistemas Terrestres

TIEMPO

DESCOMPOSICIÓN

Adaptado de Swift et al. 1979

R1

HU

BM

RL

Rf

C

F

L

IN

HU

BM

RL

Rf

Humus

Biomasa microbiana

Recursos fraccionados

Recursos lavados

C = CATABOLISMO

F = FRACCIONAMIENTO

L = LAVADO

vegetales

CARBONO FÓSFORO

animales

org inorg

suelo

atmósfera

NITRÓGENO

vegetales

animales

org inorg

suelo

atmósfera

vegetalesanimales

org inorg

suelo

atmósfera

Ciclos biogeoquímicos

CICLO DEL CARBONO

El carbono es uno de los elementos más

abundantes de la materia viva, formando

la base estructural de las moléculas

orgánicas:

glúcidos

Lípidos

Proteínas

Ácidos nucleicos

El Carbono se puede encontrar en la

naturaleza de muchas formas:

En la atmósfera en forma de dióxido de

carbono (CO2).

Disuelto en el agua de los océanos.

En las rocas carbonatadas, como las

calizas.

En los combustibles fósiles como el

petróleo, el carbón y el gas natural.

1 Los organismos productores, tanto

terrestres como acuáticos, incorporan

el carbono en forma de CO2

mediante la fotosíntesis, formando

moléculas orgánicas glúcidos,

proteínas...).

2 Los consumidores incorporan el

carbono mediante los alimentos.

3 Mediante la respiración se desprende

CO2 de nuevo a la atmósfera.

4 La descomposición de la materia

orgánica muerta por los

descomponedores también libera

CO2 a la atmósfera.

5 Restos orgánicos pueden quedarenterrados en condicionesanaeróbicas y formar con el tiempocarbón, petróleo o gas natural.

La quema de los combustiblesfósiles por el ser humano devuelvea la atmósfera el CO2 enterradohace millones de años.

El carbono es incorporado en forma de CO2 por los

productores mediante la fotosíntesis. Los consumidores

incorporan el carbono al alimentarse de los productores, y los

descomponedores lo hacen al actuar sobre los cadáveres y

los descomponedores devuelven la mayor parte del carbono

al medio en forma de CO2. Algunos organismos marinos

utilizan el CO2 disuelto en el agua para formar sus conchas y

esqueletos (CaCO3). Cuando estos organismos mueren caen

al fondo, reintegrando el C muy lentamente al ciclo cuando los

sedimentos se disuelvan o queden expuestos a la intemperie

por algún fenómeno geológico.

Parte del carbono de la Tierra es retenido en la corteza

terrestre durante largos períodos en forma de combustibles

fósiles -carbón, petróleo y gas natural- hasta que es liberado a

la atmósfera como CO2 cuando estos son quemados. Las

erupciones volcánicas también liberan parte de este C a la

atmósfera en forma de CO2 y CO.

CICLO DEL NITRÓGENO

El nitrógeno es un elementoesencial para los seres vivos yaque forma parte de las proteínas yde los ácidos nucleicos.

El nitrógeno se encuentra en laatmósfera como gas (N2)constituyendo el 78% de los gasesdel aire.

En el suelo en cambio es muy

escaso.

El nitrógeno atmosférico (N2), no

es utilizable por la mayoría de los

seres vivos, ya que sólo

determinadas bacterias tienen la

capacidad de usarlo.

Los productores deben tomarlo en

forma de nitratos (NO3).

1 En el suelo existen bacterias

fijadoras de nitrógeno atmosférico

(N2) que producen compuestos

inorgánicos como el amoníaco

(NH3).

2 Otras bacterias transforman el

amoníaco (NH3) en nitrato (NO3)

que pueden ser utilizado

directamente por las plantas.

NITRIFICACIÓN.

3 El resto de los seres vivos

incorporan el nitrógeno a través de

las cadenas tróficas.

4 Los restos nitrogenados que

excretan los seres vivos, como la

urea y los restos de organismos

muertos, pueden ser de nuevo

utilizados por las plantas.

AMONIFICACIÓN.

5 Otras bacterias del

suelo, devuelven el nitrógeno de

nuevo a la atmósfera.

DESNITRIFICACIÓN.

En este ciclo intervienen bacterias, que son las que

permiten la circulación del Nitrógeno.

* Bacterias que fijan nitrógeno atmosférico (N2) y lo

convierten en amoníaco (NH3).

N2 NH3

* Bacterias nitrificantes que transforman el amoníaco

(NH3)en nitrato (NO3).

NH3 NO3

* Bacterias amonificantes que partiendo de restos orgánicos

(orines y cadáveres de animales) devuelven amoníaco al

suelo.

* Bacterias desnitrificantes que transforman el nitrato (NO3) a

nitrógeno atmosférico (N2).

NO3 N2

En la fijación de nitrógeno intervienen bacterias simbióticas queviven en las raíces de las plantas, sobre todo en leguminosascomo el guisante, el haba, la judía, el garbanzo…

El género Rhizobium realiza una simbiosis con las leguminosas,en la que las bacterias penetran en las células de las raíces de lasplantas y forman unos abultamientos llamados nódulos donde sefija el nitrógeno.

Estas bacterias son capaces de fijar el N2 del aire ytransformarlo en nitrato (NO3), que es la forma en que losvegetales incorporan el nitrógeno que necesitan.

N2 NO3

La bacteria proporciona nitrógeno al vegetal y éste le proporcionaa la bacteria materia orgánica obtenida mediante la fotosíntesis.

El nitrógeno se encuentra en la troposfera en una proporción de un

78 %, sin embargo, en esta forma no puede ser utilizado

directamente como nutriente por los vegetales o animales, por lo que

debe convertirse en otras formas útiles para las plantas; estos

procesos se denominan fijación del nitrógeno . Procariotas como

las cianofíceas y algunas bacterias (Clostridium, Rhizobium...)

reducen el N2 atmosférico en forma de amoníaco (NH3). Algunas

bacterias acumulan el NH3 formado en el suelo. Otras, como es el

caso de Rhizobium vive en simbiosis formando nódulos en las raíces

de las leguminosas, a las que transfiere el NH3 directamente.

El NH3 fijado es transformado por otro grupo especializado de

bacterias que lo oxidan formando el ión nitrito NO2- , son bacterias

del género Nitrosomonas y este proceso se denomina nitrosación;

las bacterias del género Nitrobacter oxidan el ión nitrito

convirtiéndolo en nitrato (NO3-) (nitración), que constituye la fuente

principal de nitrógeno para las plantas superiores. Existen una serie

de bacterias, llamadas desnitrificantes (Pseudomonas) que realiza el

proceso inverso, liberando N2 a la atmósfera.

La iluminación también tiene un papel en la fijación delN2, ya que lo combina con el oxígeno de la atmósferaformando NO2. Estos gases reaccionan con el vapor de agua dela atmósfera que los transforma en ión nitrato, que vuelve a latierra como ácido nítrico (HNO3) disuelto en las precipitaciones.

Las bacterias del género Rhizobiumm fijadoras del nitrógenoatmosférico, suelen encontrarse en simbiosis con determinadasplantas, principalmente leguminosas(trébol, alfalfa, judía, guisante, etc.). Las bacterias se localizanen los nódulos radiculares, pequeños abultamientos de lasraíces de las plantas. En dichos nódulos, las bacterias realizan lafijación del nitrógeno, que es aprovechado por las plantas parasu metabolismo.

La presencia de nitratos en el agua potable produceenfermedades, a veces mortales, en animales y en el hombre. Alser transformados a nitritos en el tubo digestivo, provocandiarreas, gastroenteritis y en los bebés la piel adquiere un colorazulado muy característico por falta deO2.

Ciclo gaseoso: el ciclo del nitrógeno

Curtis y Barnes, 1995

2NH3 + 3 O2 2 NO2- + 2 H+ + 2H2O

NO2- + O2 2 NO3-

NH4 Ó NH3

Amonificación

Nitrificación

Desnitrificación

Fijación biológica

Asimilación.

CICLO DEL FÓSFORO

El fósforo es un componente de los

ácidos nucleicos y de la molécula

donante de energía, el ATP.

Se encuentra también en huesos y

dientes de animales.

En la naturaleza la principal reservade fósforo se encuentra en las rocasde tipo apatito (fosfato tricálcico) enla corteza terrestre, por lo que no esuna forma accesible para los seresvivos.

Por meteorización se liberalentamente entrando en losecosistemas terrestres en forma desales disueltas (fosfatos).

1 Las plantas toman del suelo el fósforo en forma de sales minerales, los fosfatos, y lo incorporan a sus estructuras.

2 Los consumidores incorporan el fósforo a través de las cadenas tróficas.

3 Cuando los organismos mueren sus esqueletos ricos en fosfatos se liberan y se incorporan de nuevo al suelo.

1 En el medio marino el fósforo

se acumula en el fondo

oceánico y con el tiempo da

lugar a rocas fosfatadas.2 Estas rocas por acción del agua

van desprendiendo fósforolentamente.

El fósforo liberado puede serutilizado por las algas e iniciar elciclo.

3 Una fuente importante de fósforoson los excrementos de avesmarinas, el guano, que puedeacumularse en algunos lugares engrandes cantidades.

El fósforo es un nutriente esencial para vegetales y animalesprincipalmente en sus formas de iones fosfato (PO4 3- , HPO4 2-).

Este elemento se mueve desde los depósitos de fosfato en la tierra ylos sedimentos marinos a los organismos vivos, y luego de regreso atierra y al océano.

El fósforo liberado de los depósitos de fosfato de las rocas porprocesos de meteorización, es disuelto en el agua del suelo dedonde es tomado por las raíces de los vegetales y de estos pasa alresto de la cadena alimentaria; cuando estos seres vivos muerenson descompuestos por la acción de los organismosdescomponedores, liberándose así el fósforo .

Estos restos de animales ricos en fósforo también llegan al mar, dedonde pasan a los peces y de estos a las aves acuáticas(pelícanos, cormoranes...), las cuales depositan susexcrementos, ricos en fósforo, en las costas, formándose depósitosde guano, que son utilizados como abono.

El resto del fósforo queda depositado en los sedimentosmarinos, que en el transcurso de millones de años pueden serexpuestos a la intemperie por los fenómenos geológicos entrandonuevamente en el ciclo. Este proceso de liberación es pues muylento (105 - 108 años), razón por la que constituye el principal factorlimitante de los organismos fotosintéticos.

Ciclo sedimentario: el ciclo del fósforo

Curtis y Barnes, 1995

CICLO DEL AZUFRE

Los sulfatos son abundantes en general en los suelos, pues, aunque se

pierden por el lixiviado de las tierras, son repuestos por las lluvias de forma

natural. Sólo las plantas, bacterias y hongos son capaces de incorporarlos

directamente en forma de SO42- para reducirlos en primer lugar a SO3 y

posteriormente a H2S, utilizable en la biosíntesis vegetal. De esta manera el

azufre puede ser transferido a los demás niveles tróficos. Los seres vivos al

morir liberan H2S a la atmósfera y otros sistemas terrestres .

Cuando los seres vivos mueren sus restos son utilizados por bacterias como

Neurospora transformando el H2S en SO42- . Las sulfobacterias

quimiosintéticas oxidan H2S para obtener la energía necesaria para la

fijación del carbono liberando SO4 2- que podrá ser nuevamente utilizado

por vegetales y animales.

En los océanos profundos y lugares pantanosos, en ausencia de O2, el

sulfato es reducido a H2S mediante la acción de ciertas bacterias

sulfatorreductoras. Durante el proceso se libera oxígeno, que es

aprovechado por otros microorganismos para la respiración.

El H2S así formado puede seguir dos caminos:

Uno descendente, combinándose con hierro y precipitando en formade piritas.

Otro ascendente, hasta alcanzar lugares oxigenados, donde seoxida de nuevo a SO42- mediante un proceso foto oquimiosintético, en función de presencia o ausencia de luz.

El paso de H2S del océano a la atmósfera, que sirve paracompensar las pérdidas de SO42- hacia el mar, es llevado acabo, de forma mayoritaria, por las algas denominadasDimetilsulfuro (DMS). Éstas poseen betaína, compuestosulfurado que las libera del exceso de sal.

Las elevadas concentraciones de H2S producen el típico olor ahuevos podridos, mas en pequeñas dosis provocan unagradable olor a mar.

En la atmósfera el H2S se oxida rápidamente con los OH-, formando H2SO4, que, haciendo el papel de “núcleos decondensación”, favorecen las lluvias, que devuelven el azufre almar o al continente, con lo que el ciclo se cierra.

Los volcanes de forma natural, las industrias y la quema decombustibles fósiles incrementan en la atmósfera la cantidad deSO2, y por tanto la de H2SO4, originando el problema de la“lluvia ácida”.

Ciclo Global del Agua

111.000

385.000

Atmósfera

13.000

Océanos

1.350.000.000

Agua subterránea

15.300.000

Escorrentía

40.000

Evapotranspiración 71.000

33.000.000

Hielo

Precipitación

Precipitación

Unidades km3 y km3/año

Schlesinger 1997

Biogeochemistry of Global Change

Evaporación

425.000

Aguas de suelos

122.000

PPT = Ev + Tr.+ Dr. + Esc. + Sue. + Veg.