Ciclos de materiales: ciclo de nutrientes, carbono, nitrógeno y azufre
Ciclos de materiales: Ciclo de nutrientes, carbono, nitrógeno y azufre.
Ciclo de nutrientes:
El suministro de nutrientes distintos del dióxido de carbono a un ecosistema proviene principalmente del suelo, pero también, en menor medida, del aire, en la lluvia y la nieve, y como polvo.
El suministro de muchos nutrientes es bastante limitado porque escasean en el suelo y en otras fuentes. Los nutrientes se ciclan de tal manera que ambos se incorporan en plantas y animales, o se ponen a disposición de la planta por la descomposición de restos de plantas y animales muertos.
Las vías de las fuentes a los sumideros y de vuelta a las fuentes, se denominan ciclos elementales y difieren entre los diversos elementos. Consideramos brevemente los tres ciclos más importantes, los de carbono, nitrógeno y azufre.
Ciclo del carbono:
El carbono es la base de todas las moléculas orgánicas. Constituye nuestro material genético (ADN y ARN) y proteínas, que son esenciales para la vida. El carbono es tan especial debido a su capacidad para unirse a casi cualquier otra molécula. El elemento principal dentro de nuestros cuerpos es el carbono.
El ciclo del carbono es el proceso a través del cual el carbono pasa por el aire, el suelo, las plantas, los animales y los combustibles fósiles. Grandes cantidades de carbono existen en la atmósfera como dióxido de carbono (CO 2 ). El dióxido de carbono es ciclado por las plantas verdes durante el proceso conocido como fotosíntesis para producir moléculas orgánicas (glucosa, que es un alimento).
De aquí es de donde proviene la nutrición de cada organismo heterótrofo. Los animales hacen lo contrario de las plantas: liberan dióxido de carbono en el aire como un producto de desecho de la respiración. (Nota: las plantas también se someten a la respiración para producir alimentos, pero la mayor parte del dióxido de carbono en el aire proviene de la respiración heterotrófica). Los descomponedores, cuando descomponen la materia orgánica muerta, también liberan dióxido de carbono en el aire.
Los descomponedores son esenciales porque sin ellos, todo el carbono del planeta eventualmente se quedaría encerrado en cadáveres muertos y otra basura. La descomposición permite que el carbono se libere de nuevo en la red alimenticia. El carbono también se almacena en combustibles fósiles, como el carbón, el petróleo y el gas natural.
Cuando se queman, el dióxido de carbono también se libera de nuevo en el aire. Los volcanes y los incendios también liberan grandes cantidades de CO2 a la atmósfera. El dióxido de carbono se puede disolver en el agua, donde parte del mismo se devuelve a la atmósfera. El resto puede tomarse para formar carbonato de calcio, que acumula conchas, rocas y esqueletos de protozoos y corales.
El ciclo del carbono es una serie compleja de procesos a través de los cuales giran todos los átomos de carbono existentes. Los mismos átomos de carbono en su cuerpo hoy en día se han utilizado en muchas otras moléculas desde que comenzó el tiempo. La madera que se quemó hace unas pocas décadas podría haber producido dióxido de carbono, que a través de la fotosíntesis se convirtió en parte de una planta.
Cuando comes esa planta, el mismo carbono de la madera quemada puede convertirse en parte de ti. El ciclo del carbono es el gran reciclador natural de los átomos de carbono. Desafortunadamente, el alcance de su importancia rara vez se enfatiza lo suficiente. Sin el correcto funcionamiento del ciclo del carbono, todos los aspectos de la vida podrían cambiar drásticamente.
Usando la energía del sol, el ciclo de carbono de la naturaleza circula, desde la atmósfera hasta el bosque y de regreso. Así es como funciona. Los árboles absorben el dióxido de carbono del aire a medida que crecen. De hecho, aproximadamente la mitad de su peso seco es este carbono absorbido. A medida que los árboles viejos mueren y se descomponen, o se consumen en un incendio forestal, su carbono se libera nuevamente al aire como dióxido de carbono. Este es el ciclo de carbono de la naturaleza.
Cuando la leña se utiliza como fuente de energía, parte del ciclo del carbono natural se introduce en nuestros hogares para calentarlos. Un fuego en el hogar libera la energía solar almacenada por el árbol a medida que crece. Si se considera el ciclo de combustible completo, una chimenea de combustión limpia calentará su hogar de manera más eficiente y con un menor impacto ambiental que cualquier otra opción de combustible.
Las otras opciones de combustible, el petróleo, el gas y el carbón, son combustibles fósiles, y cuando se queman, el carbono viejo que estaba enterrado profundamente en la tierra se libera a la atmósfera. La creciente concentración de dióxido de carbono proveniente del uso de combustibles fósiles está relacionada con el calentamiento global, el cambio climático y el inusual clima que hemos visto en los últimos años.
Un incendio de leña no contribuye al calentamiento global porque no se libera más dióxido de carbono del que liberaría el bosque natural si no se toca. El uso de la madera para el calor significa que se queman menos combustibles fósiles, menos emisiones de gases de efecto invernadero y un medio ambiente más saludable.
Ciclo del nitrógeno:
Otro ciclo importante de nutrientes es el del nitrógeno. El nitrógeno es un elemento de importancia crítica para toda la vida. Las proteínas, que son constituyentes de todas las células vivas, contienen un promedio de 16% de nitrógeno en peso. Otras sustancias nitrogenadas complejas importantes para la vida son los ácidos nucleicos y los amino azúcares. Sin un suministro continuo de nitrógeno, la vida en la tierra cesaría.
El ciclo del nitrógeno es algo parecido al ciclo del carbono, pero con una serie de diferencias críticas. A pesar de que el 79% de la atmósfera terrestre está compuesta de nitrógeno elemental (N 2 ), este gas inerte no está completamente disponible para la absorción por parte de la mayoría de las plantas y animales. Esto está en marcado contraste con la pequeña cantidad de dióxido de carbono (0, 03%) en la atmósfera, que está disponible para la absorción de la planta.
Unos relativamente pocos microbios son capaces de fijar nitrógeno atmosférico de la forma inorgánica a la orgánica. Dicha fijación microbiológica promedia 140 a 700 mg / m 2 año. En zonas agrícolas muy fértiles puede superar los 20000 mg / m 2 año.
Se sabe que varias bacterias, hongos y algas verde-azuladas pueden fijar nitrógeno. La fijación de nitrógeno implica la incorporación directa de nitrógeno atmosférico en el cuerpo orgánico de los organismos fijadores. Los fijadores de nitrógeno, constituyen solo una porción muy pequeña de estos grupos en general.
Se pueden dividir en:
1. fijadores de nitrógeno simbióticos, que son en su mayoría bacterias, y que están asociados con las raíces de las leguminosas (miembros de la familia de los guisantes y frijoles) y algunas otras plantas con flores, y
2. Libre de fijadores de nitrógeno vivos. El género Rhizobium incluye aquellas bacterias que habitan los nódulos que se desarrollan en las raíces de los miembros de la familia de los guisantes y frijoles. Están presentes en el suelo e infectan las raíces finas a medida que crecen las plántulas. Las raíces producen un nódulo especial que aloja a los rizobios, en los cuales las bacterias convierten el nitrógeno atmosférico en los constituyentes orgánicos del nitrógeno de sus propias células.
Como las células bacterianas mueren muy rápidamente, este nitrógeno se vuelve disponible para las plantas superiores. Los cultivos de trébol y frijoles en realidad agregan nitrógeno a los suelos en los que crecen y eliminan la necesidad de fertilizantes costosos. Se está realizando un gran esfuerzo científico en muchos países para encontrar bacterias que puedan formar una asociación similar con los cultivos de cereales.
Los fijadores simbióticos de nitrógeno parecen estar confinados a los ecosistemas terrestres y no se han encontrado en hábitats acuáticos, la única excepción es un gusano marino que ataca la madera sumergida. Entre los fijadores de nitrógeno no simbióticos se encuentran tanto las bacterias vivas aerobias como las anaeróbicas libres, así como las cianobacterias.
Estos ocurren en suelos y en aguas tanto marinas como frescas y pueden aumentar sustancialmente el contenido de nitrógeno de estos ambientes. Una fuente adicional pero generalmente menor de nitrógeno atmosférico para los suelos y las aguas son las tormentas eléctricas en las que se producen conversiones electroquímicas de nitrógeno.
El nitrógeno ingresa en la cadena alimentaria del productor - consumidor cuando las plantas lo extraen de la solución del suelo, ya sea como nitratos o como el ion amonio. El nitrato también se puede convertir en amoníaco al desnitrificar las bacterias en el suelo, especialmente por las bacterias y los hongos en los suelos con registro de agua. Dicha conversión también se produce en condiciones de bajo oxígeno en los lagos. El proceso se llama desnitrificación. Las bacterias nitrificantes, a su vez, pueden usar nitrógeno amoniaco como fuente de energía para sintetizar su propio protoplasma.
Este proceso ocurre solo lentamente, en todo caso, bajo condiciones ácidas. Primero, el amoníaco se convierte en nitrito por el género bacteriano Nitrosomonas, y el nitrito se convierte luego en nitrato por otro género, Nitrobacter. Este proceso de dos pasos se llama nitrificación. Ambos grupos bacterianos obtienen su energía de este proceso de oxidación y luego utilizan parte de la energía para convertir el dióxido de carbono en carbono celular.
Finalmente, una vez que el nitrato ha sido absorbido y convertido por proteínas y microbios superiores en proteínas y ácidos nucleicos, se metaboliza y devuelve a la mayor parte del ciclo como productos de desecho de ese metabolismo (nitrógeno orgánico inanimado).
Muchas bacterias y hongos heterótrofos, tanto en el suelo como en el agua, utilizan este material rico en nitrógeno orgánico, convirtiéndolo y liberándolo como amoníaco inorgánico en un proceso llamado amonificación. Otras partes del ciclo involucran la liberación de nitrógeno gaseoso y óxidos nítricos, nuevamente a la atmósfera, aunque estos tienen un significado limitado.
Ciclo del azufre:
El azufre es un nutriente importante para los organismos, ya que es un componente clave de ciertos aminoácidos, proteínas y otros productos bioquímicos. Las plantas satisfacen sus necesidades nutricionales de azufre asimilando compuestos minerales simples del medio ambiente.
Esto ocurre principalmente cuando el sulfato se disuelve en el agua del suelo que es absorbida por las raíces o como el dióxido de azufre gaseoso que es absorbido por el follaje en ambientes donde la atmósfera está algo contaminada con este gas. Los animales obtienen el azufre que necesitan al comer plantas u otros animales, y al digerir y asimilar sus formas orgánicas de azufre, que luego se usan para sintetizar el bioquímico necesario que contiene azufre.
En ciertas situaciones, particularmente en la agricultura de manejo intensivo, la disponibilidad de formas biológicamente útiles de azufre puede ser un factor limitante para la productividad de las plantas, y la aplicación de un fertilizante que contiene sulfato puede resultar beneficiosa. Los compuestos de azufre también pueden estar asociados con daños ambientales importantes, como cuando el dióxido de azufre daña la vegetación o cuando los drenajes ácidos asociados con los minerales de sulfuro degradan los ecosistemas.
El azufre (S) puede ocurrir en muchas formas químicas en el ambiente. Estas incluyen formas orgánicas y minerales, que pueden transformarse químicamente mediante procesos biológicos e inorgánicos. El dióxido de azufre es un gas que puede ser tóxico para las plantas en concentraciones mucho más pequeñas que una parte por millón en la atmósfera, y para los animales en concentraciones más grandes.
Existen muchas fuentes naturales de emisión de SO2 a la atmósfera, tales como erupciones volcánicas e incendios forestales. Las grandes emisiones de SO2 también están asociadas con las actividades humanas, especialmente la quema de carbón y el procesamiento de ciertos minerales metálicos.
En la atmósfera, el SO2 se oxida a sulfato, un anión que se produce como una pequeña partícula en la cual las cargas negativas se equilibran electroquímicamente por las cargas positivas de los cationes, como el amonio (NH + 4), el calcio (Ca 2+ ), o ion hidrógeno (H + ). Estas partículas finas pueden servir como núcleos de condensación para la formación de cristales de hielo, que pueden asentarse en la atmósfera.
El material básico más importante de la vida es el agua, una de las jive panchabltutas. Esto está en oferta limitada. Las formas de vida en áreas terrestres dependen del agua libre de sales de agua dulce. Debido al calor solar, el agua se evapora de los océanos y asciende en forma de vapor de agua, y mientras viaja a través de las regiones terrestres, ganando una altura considerable, el vapor se enfría para precipitarse como agua o nieve. Del total estimado de agua en la tierra y su atmósfera.
