Ciclos biogeoquímicos y sus alteraciones

Desde cero: reservorios y caminos de la materia

Un ciclo biogeoquímico describe transferencias y transformaciones de materia entre organismos y componentes del ambiente. Un reservorio almacena una cantidad, como carbono en vegetación o agua en un lago; un flujo expresa cuánto se transfiere por unidad de tiempo. Los átomos pueden reutilizarse, pero los organismos no reciclan indefinidamente la misma energía útil: requieren entradas y disipan energía como calor.

En el ciclo del agua, la evaporación pasa agua líquida a vapor; la transpiración vegetal libera vapor; la condensación forma gotas y la precipitación devuelve agua desde la atmósfera. La infiltración lleva agua al suelo y subsuelo; la escorrentía la desplaza sobre la superficie. Estos movimientos no destruyen ni crean moléculas de agua por sí mismos: sobre todo cambian su ubicación o estado.

En el ciclo del carbono, la fotosíntesis incorpora carbono de CO₂ a materia orgánica. Respiración celular, descomposición y combustión pueden devolverlo como CO₂. Los océanos intercambian CO₂ con la atmósfera y almacenan carbono disuelto; rocas y combustibles fósiles constituyen reservorios de duración muy distinta. El ciclo del oxígeno se relaciona con estos procesos: la fotosíntesis oxigénica libera O₂ a partir del agua y la respiración aerobia y muchas combustiones consumen O₂. No todos los intercambios de carbono ocurren a la misma velocidad.

Aplicación: las transformaciones del nitrógeno

El nitrógeno forma parte de proteínas y ácidos nucleicos. Aunque el N₂ atmosférico es abundante, la mayoría de plantas y animales no puede incorporarlo directamente así a sus biomoléculas. La fijación biológica convierte N₂ en amoniaco, que en muchos medios acuosos se encuentra principalmente como amonio, NH₄⁺. La realizan ciertos microorganismos; algunos viven asociados a raíces de leguminosas. La planta se beneficia de esa asociación, pero no fija N₂ por tener raíces sin esos microorganismos.

La amonificación libera amoniaco o amonio al degradarse nitrógeno orgánico de restos y excreciones. La nitrificación, realizada por microorganismos, oxida amonio a nitrito, NO₂⁻, y después a nitrato, NO₃⁻; no es lo mismo que fijar N₂. La asimilación incorpora formas disponibles, como nitrato o amonio, a moléculas orgánicas de los organismos.

La desnitrificación transforma nitrato en productos gaseosos, incluido N₂, y devuelve nitrógeno a la atmósfera, frecuentemente en condiciones pobres en oxígeno. El alimento transfiere nitrógeno orgánico entre niveles tróficos. Rayos y procesos industriales también pueden introducir nitrógeno reactivo; no todo proviene de fijación biológica. Los nombres de etapas se identifican por sustancias iniciales y finales, no por su parecido.

Reto: fósforo, azufre y balances ambientales

El fósforo se encuentra en ATP, ácidos nucleicos y fosfolípidos. Su ciclo tiene importantes reservas en rocas y sedimentos: meteorización y erosión liberan fosfatos, los productores los incorporan y la alimentación los transfiere. Excreción y descomposición los devuelven al medio; parte se sedimenta. A escala introductoria no tiene una gran fase atmosférica gaseosa comparable a la del N₂, aunque polvo y aerosoles pueden transportar fósforo.

El azufre forma parte de ciertos aminoácidos. Posee depósitos en rocas, agua y organismos, además de intercambios atmosféricos de compuestos gaseosos. Plantas incorporan sulfato y microorganismos transforman formas de azufre durante descomposición y otros metabolismos. Emisiones de SO₂, por ejemplo al quemar combustibles que contienen azufre, pueden contribuir a deposición ácida tras reacciones atmosféricas. El ciclo combina componentes sedimentarios y gaseosos; no se reduce a una sola dirección.

Un exceso de nitrógeno o fósforo que llega a un lago puede estimular crecimiento de algas. Cuando mucha biomasa muere, su descomposición microbiana aumenta la demanda de oxígeno y puede causar hipoxia: es una consecuencia de eutrofización. No significa que el fertilizante consuma siempre todo el oxígeno directamente ni que todo florecimiento tenga una única causa.

Para analizar un reservorio usa balance de materia: cantidad final = cantidad inicial + entradas−salidas, incluyendo todos los flujos relevantes y el mismo intervalo. Transferir fósforo desde agua a sedimentos cambia disponibilidad y ubicación; no destruye el elemento. Un balance total de fósforo no dice por sí solo qué fracción es asimilable.

Sigue el razonamiento

Una molécula de agua de un lago puede evaporarse, formar parte de una nube por condensación, caer como lluvia e infiltrarse en el suelo. La ruta cambia reservorios y estados.

Un átomo de carbono de CO₂ puede incorporarse a una hoja por fotosíntesis, pasar a un herbívoro al alimentarse y volver como CO₂ por respiración. El átomo se reutiliza; la energía usada en cada etapa no retorna íntegra al productor como energía útil.

Sigue el razonamiento

En un suelo, restos de proteínas se degradan y liberan amonio: amonificación. Después, microorganismos convierten amonio en nitrito y nitrato: nitrificación. Una raíz incorpora ese nitrato a compuestos orgánicos: asimilación.

Si otros microorganismos transforman nitrato en N₂ que sale al aire, ocurre desnitrificación. La fijación biológica recorre una entrada diferente, desde N₂ hacia amoniaco, y no debe confundirse con estas etapas.

1. Agua líquida de un lago pasa a vapor y después forma gotas de una nube. ¿Qué secuencia de procesos ocurrió?

1. Infiltración y escorrentía
2. Evaporación y condensación
3. Condensación y evaporación
4. Precipitación y fotosíntesis

2. Ciertos microorganismos convierten N₂ atmosférico en amoniaco. ¿Cómo se llama esa transformación?

1. Nitrificación
2. Fijación biológica del nitrógeno
3. Desnitrificación
4. Transpiración

3. ¿Qué rasgo distingue al ciclo del fósforo frente al del nitrógeno en un esquema introductorio?

1. No puede entrar en ácidos nucleicos
2. Su mayor reserva biológica es siempre N₂ gaseoso
3. Los fosfatos se destruyen como elemento cada vez que un animal come
4. No tiene una gran reserva atmosférica gaseosa comparable al N₂ y destaca su reserva en rocas y sedimentos