Ciclos Biogeoquímicos

• Los ciclos biogeoquímicos son los procesos que circulan elementos y compuestos esenciales para la vida entre los organismos vivos y el medio abiótico.
• La materia no se pierde, sino que se reutiliza y circula dentro y fuera de los ecosistemas.
• El planeta actúa como sistema cerrado con cantidad constante de materia.
• La materia experimenta cambios químicos continuos, dando lugar a compuestos simples y complejos

Componentes y Funcionamiento

• Los productores usan componentes inorgánicos, mientras que los consumidores requieren componentes orgánicos más complejos.
• Los ciclos biogeoquímicos inician con elementos en estado elemental, que forman compuestos inorgánicos y luego orgánicos, para finalmente regresar a su estado elemental.

Tipos de Ciclos Biogeoquímicos

• Los ciclos biogeoquímicos se clasifican en gaseosos, sedimentarios y mixtos.

Ciclos Gaseosos

• Los elementos se distribuyen en la atmósfera y el agua, pasando luego a los organismos en ciclos continuos.
• El carbono, el oxígeno y el nitrógeno cumplen ciclos gaseosos.
• La transformación de los elementos es rápida.

Ciclos Sedimentarios

• Los elementos permanecen en el suelo, rocas o fondos marinos antes de llegar a los organismos.
• La transformación y recuperación de los elementos es lenta.
• El fósforo y el azufre son ejemplos elementos que cumplen ciclos sedimentarios.

Ciclos Mixtos

• El ciclo del agua es una combinación de procesos gaseosos y sedimentarios.
• La sustancia (agua) permanece tanto en la atmósfera como en la corteza terrestre.

Ciclo del Carbono

• El carbono es un elemento básico de las biomoléculas como carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos.
• En el medio abiótico, el carbono está presente en sales como carbonatos, óxidos como el dióxido de carbono, y ácidos como el ácido carbónico.

Reservorios del ciclo del carbono

• La atmósfera, los océanos, la biosfera terrestre y los sedimentos.
• Los reservorios están interconectados por rutas de intercambio.

Carbono en la Atmósfera

• La atmósfera almacena 750 gigatoneladas de carbono; es el reservorio más pequeño y sensible a los cambios.
• La concentración en la atmósfera de CO2 es de 381 ml/m³.
• El carbono en la atmósfera es aproximadamente el 0.001% del total global, correspondiente a unas 800 gigatoneladas.

Captación de Carbono de la Atmósfera por Fotosíntesis

• Los autótrofos usan energía solar para convertir el dióxido de carbono atmosférico en carbohidratos, liberando oxígeno.
• Cada molécula de CO2 se convierte en un átomo de carbono orgánico integrado al carbohidrato, liberando una molécula de oxígeno a la atmósfera.
• La ecuación es: CO2 + luz solar = Corg + O2.

Disolución Marina de CO2 y Ventilación Oceánica

• En la superficie oceánica, especialmente cerca de los polos, el agua del mar actúa enfriando el CO2, convirtiéndolo en ácido carbónico.
• La circulación termohalina transporta el agua superficial densa al interior del océano.

Bombeo Biológico Marino

• En las áreas superiores de alta productividad biológica, los organismos transforman el carbono reducido en tejidos y carbonatos en conchas.
• Los compuestos se oxidan como bomba de tejidos o se disuelven como bomba de carbonato en niveles inferiores del océano.

Erosión de Roca de Silicato

• La lluvia absorbe dióxido de carbono e inicia el proceso de erosión.
• El ácido carbónico reacciona con la roca erosionada, produciendo iones de bicarbonato.
• Los iones de bicarbonato se transportan al océano y se usan para hacer carbonatos marinos.
• A diferencia del CO2 disuelto, la erosión moviliza el carbono a reservorios de los cuales no regresa fácilmente a la atmósfera.

Liberación de Carbono a la Atmósfera

• La respiración de plantas y animales es una reacción exotérmica que rompe la glucosa en dióxido de carbono y agua.
• La descomposición de tejidos animales y vegetales libera dióxido de carbono gracias a la acción de hongos y bacteria.

Erupciones Volcánicas y Metamorfismo

• Liberan gases como vapor de agua, dióxido de carbono y dióxido de azufre.
• El dióxido de carbono liberado por los volcanes es aproximadamente igual a la cantidad de silicato eliminada por erosión, equilibrando el nivel de dióxido de carbono atmosférico en escalas de tiempo mayores a 100.000 años.

Carbono en el Océano

• Los océanos contienen aproximadamente 36000 gigatoneladas de carbono, principalmente en forma de ion bicarbonato.
• En disolución, el mar contiene 50 veces más carbono que el CO2 en el aire, correspondiendo al 0.05% del carbono total terrestre.

Procesos Químicos en el Océano

• Cuando el CO2 entra al océano, se forma ácido carbónico a través de la reacción: CO2 + H2O = H2CO3.
• La reacción establece un equilibrio químico.
• El ácido carbónico se disocia en iones de bicarbonato: H2CO3 ⇌ H+ + HCO3-.
• El bicarbonato se combina con el calcio para formar piedra caliza (carbonato de calcio, CaCO3), que precipita al suelo oceánico.
• La piedra caliza es el reservorio más grande de carbono y controla los cambios de pH oceánicos.

Distribución del Carbono Disuelto

• El 85% del carbono disuelto está en forma de bicarbonato.
• El 5% está en forma de carbonato.
• El 0.5% del carbono inorgánico en el mar se encuentra en forma de CO2 gaseoso.

Carbono en la Biosfera

• Desempeña un papel en la estructura, bioquímica y nutrición de las células vivas.
• Se moviliza por las redes tróficas.
• Alrededor de 1900 gigatoneladas de carbono se encuentran en la biosfera.

Clasificación de Organismos Según el Ciclo del Carbono

• Autótrofos: Producen materia orgánica a partir de materia inorgánica del ambiente.
• Heterótrofos: Ingieren materia orgánica para obtener energía.
• Fotosintéticas: Utilizan energía luminosa.
• Quimiosintéticas: Utilizan la energía desprendida por ciertos compuestos.

Tipos de Organismos en Detalle

• Fotolitótrofos: fotosintéticos que obtienen energía de la luz y usan CO2 como fuente de carbono.
• Quimiolitótrofos: Obtienen energía química de la oxidación de sustancias inorgánicas, usando CO2.
• Fotoorganótrofos/Fotoheterótrofos: Organismos fotosintéticos que obtienen carbono de sustancias orgánicas.
• Quimioorganótrofos/Quimioheterótrofos: Obtienen energía química de la oxidación de compuestos orgánicos mediante procesos catabólicos.

El Ciclo del Carbono

• El ciclo del carbono se divide en lento (geológico) y rápido (biológico).

Ciclo Lento

• El 99% del carbono terrestre está en la litosfera, principalmente en forma inorgánica almacenado en rocas sedimentarias como las calizas.
• El carbono orgánico en la litosfera se encuentra en depósitos de combustibles fósiles.

Proceso del Ciclo Lento

• El dióxido de carbono atmosférico se combina con agua formando ácido carbónico.
• El ácido carbónico reacciona con calcio y magnesio de la corteza formando carbonatos.
• Los carbonatos se arrastran a los océanos mediante la erosión y se acumulan en el lecho marino.
• Los sedimentos calcáreos se arrastran hacia el manto terrestre por subducción.
• Las rocas sedimentarias sometidas a altas presiones y temperaturas se derriten y liberan CO2.
• El CO2 se devuelve a la atmósfera mediante erupciones volcánicas.

Desintegración Química y Física

• El proceso de formación de sedimentos calcáreos inicia con la meteorización continental, i.e., la desintegración física y química de minerales como el CaSiO3 por el CO2 disuelto.
• La ecuación de este proceso : CaSiO3 + 2CO2 + 3H2O -> 2HCO3- + Ca 2+.
• El CO2 proviene de la reacción del agua del suelo con el CO2 de la pudrición orgánica del humus.
• El CO2 es atmosférico, transformado gracias a la fotosíntesis de las plantas y devuelto al suelo por descomposición microbiana.

Ciclo Biológico

• El ciclo biológico es relativamente rápido.
• La renovación del carbono atmosférico ocurre cada 20 años.
• El ciclo biológico tiene tres reservas: terrestre (20000 Gt), atmósfera (750 Gt) y océanos (40000 Gt.)
• El ciclo juega un papel importante en los flujos de carbono entre las diversas reservas a través de la fotosíntesis y la respiración.

Ecuaciones Químicas del Ciclo Biológico

• Fotosíntesis: 6CO2 + 6H2O + energía (luz solar) -> C6H12O6 + 6O2.
• Respiración: C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6H2O + energía.

Dinámica del Ciclo Biológico

• Los organismos productores absorben CO2 durante la fotosíntesis y lo transforman en compuestos orgánicos.
• Los consumidores se alimentan de los productores, utilizando y degradando los elementos de carbono en la materia orgánica.
• Una parte del carbono se libera como CO2 por respiración, otra se almacena en la biomasa y pasa a los consumidores secundarios.

Ciclo del Nitrógeno

• La atmósfera es la reserva fundamental; está compuesta de un 78% de nitrógeno.
• La mayoría de los organismos vivos no pueden utilizar el nitrógeno en forma directa.
• El nitrógeno ingresa en forma de nitratos en los organismos productores y como grupos amino en los consumidores.

Nitrógeno Como Nutriente

• El nitrógeno es un nutriente esencial para el crecimiento y es un constituyente de todas las proteínas..
• El nitrógeno se absorbe por las raíces en forma de NO3 y NH4+.
• El catión nitrato se encuentra disuelto en la solución del suelo, y el catión amonio se absorbe sobre las superficies de las arcillas.

Usos del Nitrógeno

• Las platas toman el amonio y el nitrato por las raíces para usarlos en su metabolismo
• Los organismos usan los átomos de nitrógeno para la síntesis de las proteínas y de los ácidos nucleicos.
• Los consumidores lo obtienen al comer platas o animales

Eliminación de Nitrógeno

• En animales, el metabolismo de componentes nitrogenados da lugar a amonio, el cual es muy tóxico.
• El amoniaco es eliminado por la orina como urea (humanos y otros mamíferos), amoníaco (algunos peces y organismos acuáticos) y ácido úrico (aves e insectos)
• El nitrógeno se usa para bacterias o platas si se encuentra en la tierra o agua.

Fijación del Nitrógeno Molecular

• Fijación biológica simbiótica: El N2 es transformado a NO3- por bacterias rhizobium
• Fijación biológica asimbiótica: Bacterias heterótrofas, bacterias fotosintéticas y algas azules-verdes
• Fijación no biológica: El nitrógeno es arrastrado directamente al suelo por las aguas de lluvia

Nitrificación

• Ocurre la oxidación del ión amonio a nitrato.
• El ión amonio se oxida a nitrito (bacterias nitrosomas) en la nitrosación.
• Nitratación: El nitrito pasa a nitrato (bacteria nitrobacter)

Reducción del Ión Nitrato

• En ausencia de O2, el nitrato evoluciona a amonio (bacterias nitrato-reductasa)

Desnitrificación

• Reduce el ión catión nitrato a nitrógeno molecular.
• Organismos anaeróbicos pueden tomar el oxígeno de los iones nitratos y nitritos, y liberar simultáneamente nitógeno y oxido nitroso.

Amonificación

• Los descomponedores transforman el nitrógeno (desechos orgánicos) en amonio

Ciclo del Fósforo

• La proporción de fósforo en la materia viva es pequeña, pero juega un papel vital.
• El fósforo es un componente del ADN.
• El fósforo se encuentra en huesos y piezas dentarias.
• En la fotosíntesis y en la respiración celular, muchas sustancias intermedias están combinadas con el fósforo (ATP).

El Fósforo y los Ecosistemas

• El fósforo es el principal factor limitante del crecimiento de los ecosistemas.
• La mayor reserva de fósforo está en la corteza terrestre y en los depósitos de rocas marinas, en forma de fosfatos (sales) de calcio, hierro, aluminio y manganeso.

El Fósforo y las Plantas

• La lluvia disuelve los fosfatos presentes en los suelos y los pone a disposición de los vegetales.
• El lavado de los suelos y el arrastre de los organismos vivos fertilizan los océanos y mares.
• Parte del fósforo que se incorpora en los peces es sacado por aves acuáticas por medio de la defecación, llamada guano.
• Otra parte del fósforo va al fondo de la roca en forma de cadáveres de animales acuáticos
• Las bacterias fosfatizantes que están en los suelos transforman el fósforo presente en cadáveres y excrementos en fosfatos disueltos que son absorbidos por las raíces de los vegetales.

Ciclo del Azufre

• El azufre está presente dentro de todos los organismos en pequeñas cantidades, principalmente en los aminoácidos (sustancias que dan lugar a la formación de proteínas).
• Es esencial para que tanto vegetales como animales puedan realizar diversas funciones.
• Las mayores reservas de azufre están en el agua del mar y en rocas sedimentarias, y pasa a la atmósfera por los vientos y el oleaje.
• Gran parte del azufre que llega a la atmósfera proviene de las erupciones volcánicas, de las industrias y de vehículos.
• Los sulfatos y sulfitos producidos se combinan con el vapor de agua y forman ácido sulfúrico
• El azufre llega al suele por que el agua de las lluvia se mezcla con los sulfatos y sulfitos solubles
• Los vegetales lo incorporan a través de las raíces en forma de sulfatos solubles.
• Parte del azufre presente en los organismos vivos queda en los suelos cuando éstos mueren.
• La descomposición de la materia orgánica produce ácido sulfhídrico, de mal olor, devolviendo azufre a la atmósfera.