El ciclo del carbono es ... – todas las moléculas orgánicas, ...

El ciclo del carbono es uno de los más importantes, no únicamente en el
aspecto cuantitativo – todas las moléculas orgánicas, las que forman a los
seres vivos, tienen carbono en su formula – ,sino también desde el punto de
vista de su influencia sobre el clima. Existe la posibilidad de que el clima, a
nivel mundial, sufra cambios considerables debido a desequilibrios en el ciclo
del carbono, propiciados, a su vez, por el estilo de vida de la sociedad
moderna.
En sus inicios, el planeta Tierra tenía una atmósfera muy rica en bióxido de
carbono, que no hubiese permitido la vida aeróbica o demandante de oxígeno
tal como la conocemos. Sin embargo, surgió la vida, y los primeros organismos
fueron autótrofos que fabricaban su alimento precisamente a partir de
moléculas de bióxido de carbono, que al unirse con agua hidrolizada producían
azúcares y liberaban oxígeno.
Esta liberación de oxígeno provocó un cambio gradual en la composición de la
atmósfera de la Tierra, de manera que actualmente el oxígeno ha pasado a ser
el segundo gas más abundante (20 por ciento), después del nitrógeno (79 por
ciento). Mientras que el bióxido de carbono ahora se reduce tan sólo a
aproximadamente 300 partes por millón, equivalentes al 0.003 por ciento.
A través de un largo proceso evolutivo surgieron especies dependientes del
oxígeno, y la atmósfera misma fue cambiando de reductora a oxidante, como lo
es actualmente.
Por otro lado, al eliminar, por ejemplo, un bosque para establecer algún cultivo
como maíz, trigo, etc., o incluso una ciudad, se libera el carbono que formaba
parte de la biomasa. Todos los seres vivos almacenan gran cantidad de
carbón. Los cultivos como los mencionados, y las ciudades, poseen cantidades
relativamente bajas de biomasa; mientras que los bosques la tienen en una
cantidad mucho mayor. Esa diferencia entre la biomasa original y la posterior
se disipa también a la atmósfera, ya sea que el bosque se queme o se pudra.
El bióxido de carbono en la atmósfera forma una capa protectora a la que
podríamos considerar como un "espejo" parcial, por su capacidad para
absorber y reflejar luz.
La luz que se refleja, también llamada albedo, nunca entra a la Tierra; y la que
penetra lo hace en forma de ondas de diferente longitud, siendo una parte
ultravioleta -la que nos produce las quemaduras de sol-, otra parte entra en
forma de energía calorífica o como longitud de onda infrarroja o termal, y otra
más como luz visible, una vez que incide sobre objetos que están sobre la
superficie de la Tierra; además, otra gran parte se convierte en calor.
Toda esta energía es la que mantiene la temperatura de la Tierra dentro de la
banda de oscilación normal. Aproximadamente 70 por ciento de la energía
solar que entra a la Tierra, interviene en el ciclo hidrológico para permitir la
evaporación y, posteriormente, la precipitación.
Del restante 30 por ciento, la mayor parte se queda en la Tierra en forma de
calor, y un pequeño porcentaje, cerca de 0.1 por ciento, se utiliza para la
fotosíntesis. El CO2 permite el paso de luz de cierta longitud de onda, pero al
incidir esta luz sobre la superficie terrestre es reflejada en longitudes de onda
un poco mayores, por lo que no le es posible atravesar la atmósfera hacia
afuera, por lo que es regresada nuevamente hacia la Tierra; de esta manera, la
energía queda "atrapada", por así decirlo.
Este fenómeno se conoce como efecto invernadero, pues es similar a lo que
sucede en los invernaderos, donde la luz que entra en forma de energía de luz
visible, al incidir sobre los objetos dentro del invernadero, produce calor, y ese
calor es una longitud de onda mayor que ya no se pude disipar. De esta
manera, al aumentar la concentración del CO2 en la atmósfera, se reduce la
posibilidad de que las longitudes de onda largas puedan salir de ella, 10 que
podría provocar un calentamiento global mayor que el normal.
Por ello, el efecto de invernadero no es realmente negativo, pues, de él
depende, de hecho, que tengamos las condiciones adecuadas para la vida en
el planeta; el problema es que un aumento rápido en dicho efecto nos causaría
problemas.
Se desconoce la tasa a la que ocurrirá este calentamiento, pero se ha estimado
que si no reducimos la liberación de CO2 a la atmósfera (que actualmente está
aumentando), en 100 años tendremos un aumento de temperatura de
alrededor de 4° C. Éstas son las estimaciones más precisas que se han podido
obtener, pero no garantizan que efectivamente vaya a ocurrir un cambio, o que
esa sea su magnitud; en realidad, el cambio podría ser mayor, menor, o no
darse.
El término acuñado del griego “bios”, vida, “geos”, tierra y química. Hace
referencia a la vinculación de la composición de la tierra (y sus elementos
químicos orgánicos e inorgánicos) con la vida.
El término Ciclo Biogeoquímico deriva del movimiento cíclico de los elementos
que forman los organismos biológicos (bio) y el ambiente geológico (geo) e
interviene un cambio químico.
Pero mientras que el flujo de energía en el ecosistema es abierto, puesto que al
ser utilizada en el seno de los niveles tróficos para el mantenimiento de las
funciones vitales de los seres vivos se degrada y disipa en forma de calor, no
sigue un ciclo y fluye en una sola dirección. El flujo de materia es cerrado ya
que los nutrientes se reciclan. La energía solar que permanentemente incide
sobre la corteza terrestre, permite mantener el ciclo de dichos nutrientes y el
mantenimiento del ecosistema. Por tanto estos ciclos biogeoquímicos son
activados directa o indirectamente por la energía que proviene del sol.
Se refiere en resumen al estudio del intercambio de sustancias químicas entre
formas bióticas y abióticas.
Tipos de Ciclos Biogeoquímicos
1.- Sedimentarios: los nutrientes circulan principalmente en la corteza terrestre
(suelo, rocas, sedimentos, etc) la hidrosfera y los organismos vivos. Los
elementos en estos ciclos son generalmente reciclados mucho más lentamente
que en el ciclo gaseoso, además el elemento se transforma de modo químico y
con aportación biológica en un mismo lugar geográfico. Los elementos son
retenidos en las rocas sedimentarias durante largo periodo de tiempo con
frecuencias de miles a millones de años. Ejemplos de este tipo de ciclos son el
FÓSFORO y el AZUFRE.
2.- Gaseoso: los nutrientes circulan principalmente entre la atmósfera y los
organismos vivos. En la mayoría de estos ciclos los elementos son reciclados
rápidamente, con frecuencia de horas o días. Este tipo de ciclo se refiere a que
la transformación de la sustancia involucrada cambia de ubicación geográfica y
que se fija a partir de una materia prima gaseosa. Ejemplos de ciclos gaseosos
son el CARBONO, el NITRÓGENO y OXÍGENO.
3.- El Ciclo HIDROLÓGICO: el agua circula entre el océano, la atmósfera, la
tierra y los organismos vivos, este ciclo además distribuye el calor solar sobre
la superficie del planeta
Relación de las industrias del proceso y el medio:
Una industria y su medio están involucradas en un sistema, ambos subsistema
interrelacionan para formar un único sistema. En esta relación se establece un
contacto íntimo que tiene tanto entradas como salidas en ambos subsistemas.
La industria del proceso se abastecerá pues del medio así como el medio
recibirá las salidas de la industria, tanto productos, como desechos.
Pero la industria como acto humano, produce desechos que alteran el medio
que le rodea (emisión de SO2, SO3, NO2, NO, CO, CO2, etc). Si bien se
consideran desechos, la naturaleza tiene la capacidad de eliminarlos en
concentraciones razonables, pero cuando se afecta el equilibrio ecológico
drásticamente el desecho pasa a ser contaminante. Otras veces el proceso es
a la inversa, podemos llegar a agotar o desvirtuar los nutrientes que permiten y
mantienen las cadenas tróficas y la vida. Se puede entonces acabar con el flujo
correcto de biomasa, y eliminar seres vivos.
Ciclos de la materia
Ciclo del Nitrógeno
Los seres vivos requieren átomos de nitrógeno para la síntesis de moléculas
orgánicas esenciales como las proteínas, los ácidos nucleicos, el ADN, por lo
tanto es otro elemento indispensable para el desarrollo de los seres vivos .
El aire de la atmósfera contiene un 78% de nitrógeno, por lo tanto la atmósfera
es un reservorio de este compuesto. A pesar de su abundancia, pocos son los
organismos capaces de absorberlo directamente para utilizarlo en sus procesos
vitales. Por ejemplo las plantas para sintetizar proteínas necesitan el nitrógeno
en su forma fijada, es decir incorporado en compuestos.

Fijación del Nitrógeno: tres procesos desempeñan un papel importante
en la fijación del nitrógeno en la biosfera. Uno de estos es el relámpago.
La energía contenida en un relámpago rompe las moléculas de
nitrógeno y permite que se combine con el oxígeno del aire.
Mediante un proceso industrial se fija el nitrógeno, en este proceso el
hidrógeno y el nitrógeno reaccionan para formar amoniaco, NH3. Dicho proceso
es utilizado por ejemplo para la fabricación de fertilizantes.
Las bacterias nitrificantes son capaces de fijar el nitrógeno atmosférico que
utilizan las plantas para llevar a cabo sus funciones. También algunas algas
verde-azules son capaces de fijar el nitrógeno atmosférico.

Descomposición: los animales obtienen nitrógeno al ingerir vegetales, en
forma de proteínas. En cada nivel trófico se libera al ambiente nitrógeno
en forma de excreciones, que son utilizadas por los organismos
descomponedores para realizar sus funciones vitales.

Nitrificación: es la transformación del amoniaco a nitrito, y luego a
nitrato. Esto ocurre por la intervención de bacterias del género
nitrosomonas, que oxidan el NH3 a NO2-. Los nitritos son oxidados a
nitratos NO3- mediante bacterias del género nitrobacter.

Desnitrificación: en este proceso los nitratos son reducidos a nitrógeno,
el cual se incorpora nuevamente a la atmósfera, este proceso se
produce por la acción catabólica de los organismos, estos viven en
ambientes con escasez de oxígeno como sedimentos, suelos profundos,
etc. Las bacterias utilizan los nitratos para sustituir al oxígeno como
aceptor final de los electrones que se desprenden durante la respiración.
De esta manera el ciclo se cierra.
Ciclo del Oxígeno
El oxígeno molecular (O2) representa el 20% de la atmósfera terrestre. Este
oxígeno abastece las necesidades de todos los organismos terrestres que lo
respiran para su metabolismo, además cuando se disuelve en agua, cubre las
necesidades de los organismos acuáticos. En el proceso de la respiración, el
oxígeno actúa como aceptor final para los electrones retirados de los átomos
de carbono de los alimentos. El producto es agua. El ciclo se completa en la
fotosíntesis cuando se captura la energía de la luz para alejar los electrones
respecto a los átomos de oxígeno de las moléculas de agua. Los electrones
reducen los átomos de oxígeno de las moleculas de agua. Los electrones
reducen los átomos de carbono (de dióxido de carbono) a carbohidrato. Al final
se produce oxígeno molecular y así se completa el ciclo.
Por cada molécula de oxígeno utilizada en la respiración celular, se libera una
molécula de dióxido de carbono. Inversamente, por cada molécula de dióxido
de carbono absorbida en la fotosíntesis, se libera una molécula de oxígeno.
Ciclo del Fósforo
La proporción de fósforo en la materia viva es relativamente pequeña, el papel
que desempeña es vital. Es componente de los ácidos nucleicos como el ADN,
muchas sustancias intermedias en la fotosíntesis y en la respiración celular
están combinadas con el fósforo, y los átomos de fósforo proporcionan la base
para la formación de los enlaces de alto contenido de energía del ATP, se
encuentra también en los huesos y los dientes de animales, incluyendo al ser
humano.
La mayor reserva de fósforo está en la corteza terrestre y en los depósitos de
rocas marinas.

De las rocas se libera fósforo y en el suelo, donde es utilizado por las
plantas para realizar sus funciones vitales.

Los animales obtienen fósforo al alimentarse de las plantas o de otros
animales que hayan ingerido.

En la descomposición bacteriana de los cadáveres, el fósforo se libera
en forma de ortofosfatos (PO4H2) que pueden ser utilizados directamente
por los vegetales verdes, formando fosfato orgánico (biomasa vegetal),
la lluvia puede transportar este fosfato a los mantos acuíferos o a los
océanos.
El ciclo del fósforo difiere con respecto al del carbono, nitrógeno y azufre en un
aspecto principal. El fósforo no forma compuestos volátiles que le permitan
pasar de los océanos a la atmósfera y desde allí retornar a tierra firme. Una vez
en el mar, solo existen dos mecanismos para el reciclaje del fósforo desde el
océano hacia los ecosistemas terrestres. Uno es mediante las aves marinas
que recogen el fósforo que pasa a través de las cadenas alimentarias marinas
y que pueden devolverlo a la tierra firme en sus excrementos. Además de la
actividad de estos animales, hay la posibilidad del levantamiento geológico de
los sedimentos del océano hacia tierra firme, un proceso medido en miles de
años.
El hombre también moviliza el fósforo cuando explota rocas que contienen
fosfato.
Ciclo del Azufre
El azufre es un nutriente secundario requerido por plantas y animales para
realizar diversas funciones, además el azufre está presente en prácticamente
todas las proteínas y de esta manera es un elemento absolutamente esencial
para todos los seres vivos.
El azufre circula a través de la biosfera de la siguiente manera, por una parte
se comprende el paso desde el suelo o bien desde el agua, si hablamos de un
sistema acuático, a las plantas, a los animales y regresa nuevamente al suelo o
al agua.
Algunos de los compuestos sulfúricos presentes en la tierra son llevados al mar
por los ríos. Este azufre es devuelto a la tierra por un mecanismo que consiste
en convertirlo en compuestos gaseosos tales como el ácido sulfhídrico (H 2S) y
el dióxido de azufre (SO2). Estos penetran en la atmósfera y vuelven a tierra
firme. Generalmente son lavados por las lluvias, aunque parte del dióxido de
azufre puede ser directamente absorbido por las plantas desde la atmósfera.
Las bacterias desempeñan un papel crucial en el reciclaje del azufre. Cuando
está presente en el aire, la descomposición de los compuestos del azufre
(incluyendo la descomposición de las proteínas) produce sulfato (SO 4=). Bajo
condiciones anaeróbicas, el ácido sulfúrico (gas de olor a huevos en
putrefacción) y el sulfuro de dimetilo (CH3SCH3) son los productos principales.
Cuando estos últimos gases llegan a la atmósfera, son oxidados y se
convierten en bióxido de azufre. La oxidación posterior del bióxido de azufre y
su disolución en el agua de lluvia produce ácido sulfhídrico y sulfatos, formas
principalmente bajo las cuales regresa el azufre a los ecosistemas terrestres. El
carbón mineral y el petróleo contienen también azufre y su combustión libera
bióxido de azufre a la atmósfera.
Como resumen podemos decir que durante el ciclo del azufre los principales
eventos son los siguientes:
El azufre, como sulfato, es aprovechado e incorporado por los vegetales para
realizar sus funciones vitales.
Los consumidores primarios adquieren el azufre cuando se alimentan de estas
plantas.
El azufre puede llegar a la atmósfera como sulfuro de hidrógeno (H2S) o
dióxido de azufre (SO2), ambos gases provenientes de volcanes activos y por
la descomposición de la materia orgánica.
Cuando en la atmósfera se combinan compuestos del azufre con el agua, se
forma ácido sulfúrico (H2SO4) y al precipitarse lo hace como lluvia ácida.