Ciclos Biogeoquímicos

Ciclos Biogeoquímicos involucran los flujos de elementos químicos entre diferentes partes de la Tierra: de vivos a no vivos, de la atmósfera a la tierra y al mar, y de los suelos a las plantas. Se llaman «ciclos» porque la materia siempre se conserva.

¿Qué es el Ciclo Biogeoquímico?

Los Ciclos Biogeoquímicos son varios ciclos naturales, en el que la materia conservada,que puede ser agua, oxigeno, nitrógeno, azufre, fósforo o carbono, se mueve a través de las partes bióticas y abióticas de un ecosistema.

Efectos de los Ciclos Biogeoquimicos

En biología, la materia conservada se refiere a la cantidad finita de materia, en forma de átomos, que está presente en la Tierra. Dado que, de acuerdo con la Ley de Conservación de la Masa, la materia no puede ser creada o destruida, todos los átomos de la materia se ciclan a través de los sistemas de la Tierra, aunque en diversas formas.

En otras palabras, la Tierra sólo recibe energía del sol, que se emite en forma de calor, mientras que todos los demás elementos químicos permanecen dentro de un sistema cerrado.

Los principales elementos químicos que se ciclan son: carbono (C), hidrógeno (H), nitrógeno (N), oxígeno (O), fósforo (P) y azufre (S). Estos son los componentes básicos de la vida y se utilizan en procesos esenciales, como el metabolismo, la formación de aminoácidos, la respiración celular y la construcción de tejidos.

Cada uno de estos elementos circula a través de los componentes bióticos, que son las partes vivas de un ecosistema, y los salicylate-meds.com, que son las partes no vivas.

Impactos en los Ciclos Biogeoquimicos

Las actividades humanas han movilizado elementos de la Tierra y acelerado sus ciclos – por ejemplo, más del doble de la cantidad de nitrógeno reactivo que se ha añadido a la biosfera desde tiempos preindustriales -.

El nitrógeno reactivo es cualquier compuesto de nitrógeno que es biológicamente, químicamente o radiativamente activo, como el óxido nitroso y el amoníaco, pero no el gas nitrógeno (N2).

Se están produciendo alteraciones a escala mundial de los ciclos biogeoquímicos, derivadas de las actividades humanas tanto en los EE.UU. como en otros lugares, con impactos e implicaciones ahora y en el futuro.

Las emisiones mundiales de dióxido de carbono son el factor más importante del cambio climático causado por el hombre. Pero los ciclos acelerados por el hombre de otros elementos, especialmente el nitrógeno, el fósforo y el azufre, también influyen en el clima.

Estos elementos pueden afectar directamente al clima o actuar como factores indirectos que alteran el ciclo del carbono, amplificando o reduciendo los impactos del cambio climático.

Características de los Ciclos Biogeoquímicos

La energía fluye direccionalmente a través de los ecosistemas, entrando como luz solar (o moléculas inorgánicas para quimioautotrófos) y saliendo como calor durante la transformación de energía entre niveles tróficos.

En lugar de fluir a través de un ecosistema, la materia que compone los organismos se conserva y se recicla. Los seis elementos más comunes asociados con las moléculas orgánicas -carbono, nitrógeno, hidrógeno, oxígeno, fósforo y azufre- toman una variedad de formas químicas y pueden existir por largos períodos en la atmósfera, en la tierra, en el agua o bajo la superficie de la Tierra.

Los procesos geológicos, como la erosión, la erosión, el drenaje de agua y la subducción de las placas continentales, todos juegan un papel en el ciclo de los elementos de la Tierra.

El ciclo de estos elementos está interconectado. Por ejemplo, el movimiento del agua es crítico para la lixiviación de azufre y fósforo en ríos, lagos y océanos. Los minerales circulan por la biosfera entre los componentes bióticos y abióticos y de un organismo a otro.

Tipos de Ciclos Biogeoquímicos

Existen diferentes tipos de ciclos biogeoquímicos dependiendo del compuesto del que se trate:

Ciclo Biogeoquímico del agua

La hidrosfera es el área de la Tierra donde se produce el movimiento y almacenamiento de agua: como agua líquida en la superficie (ríos, lagos, océanos) y debajo de la superficie (agua subterránea) o hielo, (casquetes polares y glaciares), y como vapor de agua en la atmósfera.

El cuerpo humano es aproximadamente 60 por ciento de agua y las células humanas son más del 70 por ciento de agua. De las reservas de agua en la Tierra, el 97,5 por ciento es agua salada. Del agua restante, más del 99 por ciento es agua subterránea o hielo.

Por lo tanto, menos del uno por ciento del agua dulce está presente en lagos y ríos. Muchos organismos dependen de este pequeño porcentaje, cuya falta puede tener efectos negativos en los ecosistemas.

Los seres humanos, por supuesto, han desarrollado tecnologías para aumentar la disponibilidad de agua, como la excavación de pozos para cosechar agua subterránea, el almacenamiento de agua de lluvia y el uso de la desalinización para obtener agua potable del océano.

Aunque esta búsqueda de agua potable ha sido constante a lo largo de la historia de la humanidad, el suministro de agua dulce sigue siendo un problema importante en los tiempos modernos.

Los diversos procesos que ocurren durante el ciclo del agua se enumeran a continuación:

  • Evaporación y sublimación
  • Condensación y precipitación
  • Flujo de agua subterránea
  • Escorrentía superficial y deshielo
  • Corrientes

Ciclo Biogeoquímico del Carbono

El carbono es el segundo elemento más abundante en los organismos, por masa. El carbono está presente en todas las moléculas orgánicas (y en algunas moléculas que no son orgánicas, como el CO2), y su papel en la estructura de las biomoléculas es de vital importancia.

Los compuestos de carbono contienen energía, y muchos de estos compuestos de plantas muertas y algas se han fosilizado durante millones de años y se conocen como combustibles fósiles. Desde el siglo XIX, el uso de combustibles fósiles se ha acelerado.

Desde el comienzo de la Revolución Industrial, la demanda de los limitados suministros de combustibles fósiles de la Tierra ha aumentado, haciendo que la cantidad de dióxido de carbono en nuestra atmósfera aumente drásticamente.

Este aumento del dióxido de carbono está asociado con el cambio climático y es una de las principales preocupaciones ambientales en todo el mundo.

El ciclo del carbono se estudia más fácilmente como dos subciclos interconectados: uno que trata del rápido intercambio de carbono entre organismos vivos y el otro que trata del ciclo a largo plazo del carbono a través de procesos geológicos.

Características del Ciclo  del Carbono

Los organismos están conectados de muchas maneras, incluso entre diferentes ecosistemas. Un buen ejemplo de esta conexión es el intercambio de carbono entre heterótropos y autotróficos por medio del dióxido de carbono atmosférico.

El dióxido de carbono (CO2) es el componente básico que los autótrofos utilizan para construir compuestos de alta energía como la glucosa. La energía aprovechada del Sol es utilizada por estos organismos para formar los enlaces covalentes que unen los átomos de carbono.

Estos enlaces químicos almacenan esta energía para su uso posterior en el proceso de respiración. La mayoría de los autotrófos terrestres obtienen su dióxido de carbono directamente de la atmósfera, mientras que los autotrófos marinos lo adquieren en forma disuelta (bicarbonato, HCO3-).

Evolución del ciclo biogeoquímico del carbono

El movimiento del carbono a través de la tierra, el agua y el aire es complejo y, en muchos casos, ocurre mucho más lentamente que el movimiento entre organismos.

El carbono se almacena durante largos períodos en lo que se conoce como depósitos de carbono, que incluyen la atmósfera, cuerpos de agua líquida (principalmente océanos), sedimentos oceánicos, suelo, rocas (incluidos los combustibles fósiles) y el interior de la Tierra.

Como se ha dicho, la atmósfera es un importante reservorio de carbono en forma de dióxido de carbono que es esencial para el proceso de fotosíntesis. El nivel de dióxido de carbono en la atmósfera está muy influenciado por el depósito de carbono en los océanos.

El intercambio de carbono entre la atmósfera y los depósitos de agua influye en la cantidad de carbono que se encuentra en cada uno. El dióxido de carbono (CO2) de la atmósfera se disuelve en el agua y reacciona con las moléculas de agua para formar compuestos iónicos.

El Ciclo Biogeoquímico del Nitrógeno

Llevar nitrógeno a los organismos vivos es difícil. Las plantas y el fitoplancton no están equipados para incorporar nitrógeno de la atmósfera (donde existe como N2 triple covalente fuertemente ligado) aunque esta molécula comprende aproximadamente el 78 por ciento de la atmósfera.

El nitrógeno entra en el mundo vivo a través de bacterias libres y simbióticas, que incorporan nitrógeno en sus moléculas orgánicas a través de procesos bioquímicos especializados. Ciertas especies de bacterias son capaces de realizar la fijación del nitrógeno, el proceso de convertir el gas nitrógeno en amoníaco (NH3), que se convierte espontáneamente en amonio (NH4+).

El nitrógeno orgánico es especialmente importante para el estudio de la dinámica de los ecosistemas porque muchos procesos de los ecosistemas, como la producción primaria, están limitados por el suministro disponible de nitrógeno.

Caracteristicas del Ciclo del nitrógeno

El nitrógeno entra al mundo viviente desde la atmósfera a través de bacterias fijadoras de nitrógeno. Este nitrógeno y los residuos nitrogenados de los animales son procesados de nuevo en nitrógeno gaseoso por las bacterias del suelo, que también suministran a las redes alimentarias terrestres el nitrógeno orgánico que necesitan.

La actividad humana puede alterar el ciclo del nitrógeno por dos medios principales: la combustión de combustibles fósiles, que libera diferentes óxidos de nitrógeno, y por el uso de fertilizantes artificiales (que contienen compuestos de nitrógeno y fósforo) en la agricultura, que luego son arrastrados a lagos, arroyos y ríos por escorrentía superficial.

El nitrógeno atmosférico (distinto del N2) está asociado con varios efectos sobre los ecosistemas de la Tierra, incluyendo la producción de lluvia ácida (como el ácido nítrico, HNO3) y los efectos de los gases de efecto invernadero (como el óxido nitroso, N2O), que potencialmente causan el cambio climático.

El Ciclo Biogeoquímico del Fósforo

El fósforo es un nutriente esencial para los procesos de la vida. Es un componente importante de los ácidos nucleicos y fosfolípidos y, como fosfato de calcio, constituye los componentes de soporte de nuestros huesos. El fósforo es a menudo el nutriente limitante (necesario para el crecimiento) en los ecosistemas acuáticos, especialmente de agua dulce.

El fósforo se encuentra en la naturaleza como ión fosfato (PO43-). Además de la escorrentía de fosfato como resultado de la actividad humana, la escorrentía natural superficial ocurre cuando se filtra de la roca que contiene fosfato por la acción de la intemperie, enviando así fosfatos a los ríos, lagos y al océano.

Esta roca tiene su origen en el océano. Los sedimentos oceánicos que contienen fosfato se forman principalmente a partir de los cuerpos de los organismos oceánicos y de sus excreciones. Sin embargo, las cenizas volcánicas, los aerosoles y el polvo mineral también pueden ser fuentes importantes de fosfato.

Este sedimento entonces es movido a la tierra sobre el tiempo geológico por el levantamiento de la superficie de la Tierra.

El Ciclo Biogeoquímico del Azufre

El azufre es un elemento esencial para las moléculas de los seres vivos. Como parte del aminoácido cisteína, participa en la formación de proteínas. Los ciclos de azufre entre los océanos, la tierra y la atmósfera.

El azufre atmosférico se encuentra en forma de dióxido de azufre (SO2), que entra en la atmósfera de tres maneras: primero, por la descomposición de moléculas orgánicas; segundo, por la actividad volcánica y los respiraderos geotérmicos; y, tercero, por la quema de combustibles fósiles por parte de los humanos.

El dióxido de azufre de la atmósfera está disponible para los ecosistemas terrestres y marinos cuando se disuelve en precipitaciones en forma de ácido sulfúrico débil o cuando cae directamente a la Tierra como lluvia radiactiva.

La erosión de las rocas también hace que los sulfatos estén disponibles para los ecosistemas terrestres. La descomposición de los organismos vivos devuelve los sulfatos al océano, al suelo y a la atmósfera.

En la tierra, el azufre se deposita de cuatro maneras principales: precipitación, precipitación directa de la atmósfera, erosión de las rocas y respiraderos geotérmicos. El azufre atmosférico se encuentra en forma de dióxido de azufre (SO2), y a medida que la lluvia cae a través de la atmósfera, el azufre se disuelve en forma de ácido sulfúrico débil (H2SO4).

Cambios en ciclos biogeoquimicos por el hombre

La movilización humana de carbono, nitrógeno y fósforo desde la corteza terrestre y la atmósfera hacia el medio ambiente ha aumentado 36, 9 y 13 veces, respectivamente, en comparación con las fuentes geológicas en tiempos preindustriales.

La quema de combustibles fósiles, el cambio de la cubierta terrestre, la producción de cemento y la extracción y producción de fertilizantes para apoyar la agricultura son las principales causas de estos aumentos.

El dióxido de carbono (CO2) es el más abundante de los gases de efecto invernadero que atrapan el calor y que están aumentando debido a las actividades humanas, y su producción domina el forzamiento atmosférico del cambio climático global.

Impactos de los seres humanos en los Ciclos Biogequimicos

Muchos factores se combinan para afectar los ciclos biogeoquímicos:

El cambio climático altera aspectos clave del ciclo biogeoquímico, creando el potencial de retroalimentación que altera tanto los procesos de calentamiento como los de enfriamiento en el futuro. Por ejemplo, a medida que los suelos se calientan, la velocidad de descomposición aumentará, añadiendo más CO2 a la atmósfera.

Además, tanto el clima como la biogeoquímica interactúan fuertemente con preocupaciones ambientales y ecológicas, tales como la pérdida de biodiversidad, la eutrofización marina y de agua dulce (fertilización no intencional de ecosistemas acuáticos que conduce a problemas de calidad del agua), la contaminación del aire, la salud humana, la seguridad alimentaria y los recursos hídricos.

Muchas de estas últimas conexiones se abordan en otras secciones de esta evaluación, pero resumimos algunas de ellas aquí porque la consideración de las opciones de mitigación y adaptación a los cambios en el clima y la biogeoquímica a menudo requiere este contexto más amplio.

Retroalimentación Clima-Biogeoquímica

Tanto el aumento de las temperaturas como los cambios en la disponibilidad de agua pueden alterar los procesos biogeoquímicos relevantes para el clima.

Por ejemplo, como se ha resumido anteriormente, la deposición de nitrógeno impulsa el almacenamiento de carbono en los bosques templados, tanto por el aumento del crecimiento de las plantas como por la desaceleración de la descomposición de la materia orgánica, las temperaturas más altas contrarrestarán el almacenamiento de carbono en el suelo al aumentar las tasas de descomposición y la subsiguiente emisión de CO2 a través de la respiración microbiana.

Sin embargo, ese mismo aumento en la descomposición acelera la liberación de nitrógeno reactivo (y fósforo) de la materia orgánica, lo que a su vez puede alimentar el crecimiento adicional de las plantas.

La temperatura también tiene efectos directos en la productividad primaria neta (la cantidad total de CO2 almacenada por una planta a través de la fotosíntesis menos la cantidad liberada a través de la respiración).

Biogeoquímica, clima e interacciones con otros factores

Las opciones de la sociedad para abordar los vínculos entre el clima y los ciclos biogeoquímicos a menudo deben basarse en conexiones con un contexto más amplio de cambios ambientales mundiales.

Por ejemplo, tanto el cambio climático como la deposición de nitrógeno pueden reducir la biodiversidad en los ecosistemas acuáticos y terrestres. Una carga crítica se define como la tasa de entrada de un contaminante por debajo de la cual no se producen efectos ecológicos perjudiciales a largo plazo, según los conocimientos actuales.

Aunque a menudo se demuestra que la biodiversidad disminuye cuando la deposición de nitrógeno es alta debido a la combustión de combustibles fósiles y a las emisiones agrícolas, es difícil predecir los efectos compuestos de los múltiples factores estresantes.

La aceleración inducida por el hombre de los ciclos del nitrógeno y el fósforo ya causa una eutrofización generalizada del agua dulce y del mar, un problema que se prevé que empeorará con el calentamiento del clima; sin esfuerzos para reducir el futuro cambio climático y frenar la aceleración de los ciclos biogeoquímicos, los cambios climáticos existentes se combinarán con el aumento de los aportes de nitrógeno y fósforo a los ecosistemas de agua dulce y estuarinos.

Se prevé que esta combinación de cambios tenga efectos negativos sustanciales en la calidad del agua, la salud humana, la pesca continental y costera, y las emisiones de gases de efecto invernadero.

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