Ciclos Biogeoquímicos Prof. Olla Ortega 2015 Ciclos BGQ: • Definición • Clasificación • Alteración por actividad Humana Ciclos biogeoquímicos Todos los nutrientes fluyen desde los componentes no vivos hasta los vivos, y luego vuelven a los componentes no vivos del ecosistema siguiendo una vía más o menos cíclica conocida como Ciclo Biogeoquímico (bio de vivo, geo de rocas y suelo, y químico por los procesos implicados). De esta forma, se establece una conexión entre elementos biológicos o vivos imprescindibles para que el milagro de la vida ocurra, entre la Tierra y la atmósfera, con los no vivos o elementos naturales químicos. Esta conexión se traduce en una serie de movimientos cíclicos que permiten que la energía fluya constantemente en los ecosistemas. Ciclos biogeoquímicos Definición Una definición más sencilla señala que los ciclos biogeoquímicos son una cadena de procesos donde se produce una circulación constante de materia inorgánica entre organismos vivos y el medioambiente. Es una forma de reciclaje constante de los materiales existentes en la Tierra, que opera en la sabia Naturaleza de la siguiente manera: cuando un ser vivo muere, los elementos o sustancias producidas durante el proceso de descomposición que sufre, serán aprovechados por nuevos organismos, con lo que se garantiza la continuidad de la vida en el planeta. Del mismo modo, las plantas son capaces d e absorber el dióxido de carbono con el objetivo de liberar oxígeno para la vida. Pero las plantas, a su vez, extraen nutrientes de los sedimentos formados tras la muerte otras plantas y animales que hicieron antes exactamente lo mismo para sobrevivir. De esta forma, constantemente existe una reserva energética disponible una y otra vez para la producción de un aire respirable para todos los seres vivos. En el caso del agua de los océanos, esta se evapora, después se condensa en forma de nubes y luego se precipita como lluvia que nuevamente devuelve el agua a la Tierra, en un ciclo perfecto que beneficia a todos los seres vivos del planeta. ¿Cómo ocurren los ciclos biogeoquímicos? Cuando una sustancia química es capaz de moverse o circular por todos los vericuetos o laberintos bióticos alojados en la biosfera y los abióticos, repartidos entre la litosfera, la atmósfera e hidrosfera de la Tierra. Como bien sabemos, los factores vivos de la Tierra vistos como un todo, en conjunto, son los bióticos. Y todos los nutrientes que usan están integrados en un sistema cerrado donde jamás se pierden, siempre están recirculando y reponiéndose. Los ecosistemas anidan muchos VBGQ integrados en comunión perfecta, formando parte de los seres vivos y circulando entre esos factores abióticos indispensables para que todo funcione una y otra vez a favor de la vida sobre el planeta. Por lo que tenemos que los elementos químicos como el calcio, carbono, hidrógeno, nitrógeno, mercurio, oxígeno, fósforo, selenio y azufre, tienen su ciclo biogeoquímico muy bien determinado. Y existen los llamados ciclos moleculares para el agua y sílice. El ciclo de la roca, en cambio, opera con los llamados ciclos macroscópicos. Ciclos biogeoquímicos Los elementos más importantes en todos los ciclos de nutrientes son: • las plantas verdes, organizan a los nutrientes en componentes biológicamente útiles; • los descomponedores, que los devuelven a su estado inicial más simple; • y el aire y agua que transportan nutrientes entre los componentes abióticos y los • componentes vivos del ecosistema. Ciclos biogeoquímicos Los ciclos biogeoquímicos contienen reservas o acumulaciones biológicas u orgánicas, como geológicas, marinas y atmosféricas, o inorgánicas. 1. Procesos de desgaste, erosion, movimiento de las aguas y de las placas tectónicas conforman el componente geológico de estos ciclos biogeoquímicos. 2. El oxígeno, el carbono, el hidrógeno, nitrógeno, azufre, fósforo, silicio, calcio y hierro son los elementos fundamentales que usan los seres vivos. 3. Todos estos elementos son vitales igualmente en océanos, atmósfera y corteza terrestre. En otras palabras, la materia que constituye a los seres vivos siempre se conserva y recicla gracias a los ciclos biogeoquímicos interconectados y potenciados por la energía solar, a través de un proceso de fijación de carbono que opera en la fotosíntesis que ejecutan las plantas. Clasificación de los ciclos biogeoquímicos La clasificación de los ciclos biogeoquímicos puede establecerse según la complejidad y la movilidad de los mismos. Atendiendo a la complejidad de los ciclos BGQ, estos pueden ser: – Ciclos simples: donde los elementos están más influenciados por las fuerzas físico-químicas que por las biológicas. P.ej.: sales y oligoelementos. – Ciclos intermedios: constituidos por elementos de la materia orgánica (MO) que pueden liberarse fácilmente (C, H, O, P). – Ciclos complejos: asociados a elementos de la MO que requieren de microorganismos especializados en sus complejas transformaciones (N y S). Clasificación de los ciclos biogeoquímicos En función de su movilidad, podemos distinguir: – Ciclos globales: son aquellos que cuentan con fases gaseosas, lo que permite su distribución a escala global. – Ciclos locales: son ciclos menos móviles, más sedimentarios, que acaban siendo transportados por el agua, acumulándose en sedimentos, lo que da lugar a una distribución más regional o local (P, K, Ca). Clasificación de los ciclos biogeoquímicos También hay tipos de ciclos biogeoquímicos interconectados: – Gaseoso: macro y micronutrientes se reciclan rápidamente y circulan entre la atmósfera y los seres vivos. • Destacan el ciclo del oxígeno, del carbono y del nitrógeno. – Sedimentario: los elementos (por ejemplo, fósforo y azufre) circulan entre la corteza terrestre, la hidrosfera y los organismos y se reciclan a un ritmo más lento que los del ciclo gaseoso. – Hidrológico o ciclo del agua. – Mixtos: la combinación de los procesos anteriores Conexiones y relaciones entre los ciclos biogeoquímicos Como hemos comentado hacia el principio, los ciclos biogeoquímicos no se dan de forma aislada, sino que están relacionados o interconectados los unos de los otros. • Así, el ciclo del oxígeno y carbono o ciclo del oxígeno y dióxido de carbono, están muy ligados mediante procesos en común: el intercambio de carbono y oxígeno entre el medioambiente y los seres vivos, se realiza mediante los procesos de fotosíntesis y respiración, los cuales constituyen la base de estos ciclos. • El dióxido de carbono desechado durante la respiración animal, es absorbido por las plantas para producir carbohidratos mediante la fotosíntesis, liberando oxígeno como producto de desecho, el cual es tomado de nuevo por los organismos (incluidas las propias plantas) para respirar. Conexiones y relaciones entre los ciclos biogeoquímicos • Asimismo, los organismos obtienen el carbono a partir del consumo de moléculas orgánicas, como la glucosa, que forma parte de otros seres vivos, para obtener energía mediante el proceso de respiración celular. Producto de estas reacciones, se libera CO2 que es de nuevo captado por organismos fotosintéticos. • Además, plantas y animales muertos, restos de hojas, excrementos y otros desechos orgánicos, son consumidos por organismos descomponedores. Durante las reacciones de descomposición, parte del carbono se incorpora al suelo y otra parte es liberada a la atmósfera en forma de CO2. Conexiones y relaciones entre los ciclos biogeoquímicos • Por otra parte, el ciclo del agua es esencial para el resto de ciclos, ya que el agua (en sus diferentes estados) al pasar de un lugar a otro, moviliza también elementos de los otros ciclos bioquímicos. Por ejemplo, el movimiento del agua es esencial para la filtración del nitrógeno y los fosfatos hacia los ríos, lagos y océanos, los cuales, además, son un depósito importante de carbono. Además, cabe indicar que la propia molécula de agua (H2O), lleva hidrógeno y oxígeno, elementos de otros ciclos. Características de los Ciclos biogeoquímicos 1. Presentan reservas o depósitos y acumulaciones tanto biológicas (orgánicas) como geológicas, marinas o atmosféricas (inorgánicas). 2. Presentan flujos dinámicos de los elementos entre los diferentes depósitos. 3. Los elementos cambian su composición química (excepto el agua), bien por reacciones químicas espontáneas o por procesos biológicos. 4. Se encuentran en fase sólida, líquida o gaseosa. 5. La velocidad de recambio es mayor en los ecosistemas terrestres que en los marinos. Importancia de los Ciclos biogeoquímicos 1. A través de los ciclos biogeoquímicos, la materia circula por los ecosistemas, desde el ambiente a los seres vivos y de vuelta al ambiente. Los organismos vivos captan elementos químicos de forma selectiva según sus necesidades fisiológicas. La captación de estos elementos conlleva a transformaciones químicas dirigidas por los organismos vivos. 2. Los flujos de cada elemento entre reservas procede cíclicamente por reacciones químicas y bioquímicas espontáneas así como por la intervención biológica y geológica. Estas conversiones forman parte de los ciclos biogeoquímicos. 3. Por otro lado, mantienen dinámica la composición de la materia viva y los otros componentes de la biósfera. Esto es, cuando los organismos mueren, sus componentes son renovados por procesos químicos y geológicos para poder ser usados por otros organismos vivos. Ciclos biogeoquímicos Como mencione Hay dos tipos básicos de ciclos biogeoquímicos: gaseoso y sedimentario. Tanto los ciclos gaseosos como los sedimentarios implican agentes biológicos y no biológicos; ambos son impulsados por el flujo de energía a través del ecosistema, y ambos están vinculados al ciclo del agua. En los ciclos gaseosos los principales reservorios de nutrientes están en la atmósfera y en disolución en el agua de los océanos. Por tanto, estos ciclos son de carácter global. Ciclos atmosféricos o globales: C, H, O, N, S Ciclos biogeoquímicos En los ciclos sedimentarios el principal reservorio del elemento está en el suelo, las rocas y los minerales. Pero además, cuando estos elementos están en formas disueltas entran en el ciclo del agua ya sea en el agua del suelo, en lagos, cursos de agua y mares. Otros ciclos como el del fósforo es completamente sedimentario, el elemento se libera desde la roca y se deposita tanto en los sedimentos superficiales como en los sedimentos profundos del mar. Ciclos sedimentarios o locales: P, K, Ca, Mg, Cu, Zn, B, Cl, Mo, Mn y Fe Ciclos biogeoquímicos El agua es el medio en el cual los elementos y otros materiales se desplazan a través del ecosistema. Sin la circulación del agua y la de los fluidos gaseosos, cesarían los ciclos biogeoquímicos. El movimiento de los nutrientes se produce a través de los ecosistemas mediante una serie de reservorios vinculados. Estos reservorios, son los componentes principales de los ecosistemas. Un intercambio entre dos reservorios constituye un flujo. Ciclo del agua Las actividades humanas han modificado los ciclos biogeoquímicos La actividad contaminante produce desequilibrios en los ciclos biogeoquímicos, lo que provoca consecuencias impredecibles para la biosfera. Una atmósfera contaminada puede dañar la salud de los individuos y afectar la vida de plantas y animales. Pueden modificar el clima y producir lluvia ácida o destruir el ozono. La deforestación altera el ciclo del agua conduciendo a la desertificación de los ecosistemas. Los vertidos de aguas residuales, la agricultura intensiva y el empleo de fertilizantes (eutrofización) modifican el ciclo del nitrógeno y el del azufre favoreciendo la lluvia ácida. Las actividades pesqueras a gran escala alteran el bacterioplancton, pudiendo modificarse los ciclos de C, N, O y P, de los que se encarga de regular. Las actividades industriales y la quema de combustibles fósiles modifican entre otros (como el S) el ciclo del carbono, provocando el calentamiento global. Alteración de los ciclos biogeoquímicos por las actividades humanas El Cambio Medioambiental Global y las actividades humanas alteran los ecosistemas y los ciclos, los cuales son cruciales para la habitabilidad de nuestro planeta Impacto en el estado natural o normal del Ciclo del carbono, sobre todo las emisiones del dióxido de carbono a la atmósfera y que alteran los patrones meteorológicos o efectos sobre el clima global. Las actividades humanas están aumentando las emisiones de gases de C a la atmósfera al consumir reservas fósiles y reducir las reservas orgánicas e inorgánicas de los ecosistemas Los humanos también influyen en el ciclo de carbono indirectamente al cambiar la biosfera terrestre y oceánica. Ciclo de Carbono Alteración de los ciclos biogeoquímicos por las actividades humanas Alteraciones en el Ciclo del nitrógeno Impacto en el Ciclo del nitrógeno son: por medio del proceso de Haber-Bosch, cultivo intensivo, exceso de fertilizantes al suelo, tala de árboles, derrame o quema de combustibles fósiles, centrales térmicas, muchas otras que disminuyen su estado natural y generando contaminación, la lluvia acida o efecto invernadero. Los cambios en el ciclo del N han superado en mucho un límite planetario aceptable, con consecuencias perjudiciales o incluso catastróficas en muchas zonas del planeta Impacto en el Ciclo de Azufre desde la quema de combustibles fósiles que liberan gases de sulfuro de hidrógeno a la atmósfera, y generando la lluvia ácida por el dióxido de azufre; que se convierte en ácido sulfúrico afectando los diferentes ecosistemas acuáticos Ciclo de Nitrógeno https://youtu.be/e0UkOb15RAA Alteración de los ciclos biogeoquímicos por las actividades humanas Alteraciones en el Ciclo del Azufre Impacto en el Ciclo de Azufre desde la quema de combustibles fósiles que liberan gases de sulfuro de hidrógeno a la atmósfera, y generando la lluvia ácida por el dióxido de azufre; que se convierte en ácido sulfúrico afectando los diferentes ecosistemas acuáticos. • El ser humano emite el doble de dióxido de azufre que los volcanes Los procesos atmosféricos convierten el gas en aerosoles de sulfato --pequeñas partículas en suspensión en la atmósfera-que reflejan la luz del sol de nuevo en el espacio, causando un efecto refrescante sobre el clima. • Los aerosoles de sulfato cerca de la superficie del suelo son dañinos al respirar. Ciclo del azufre Alteración de los ciclos biogeoquímicos por las actividades humanas Alteraciones en el ciclo del fósforo • La liberación de fósforo por la acción minera puede aumentar la presencia de este material en la superficie terrestre - su extracción por vías naturales erosivas habría tomado miles de años más. • La acción de los fertilizantes empleados en la Agricultura (sean de origen natural o artificial) supone la inyección al suelo de muchos más fosfatos de los que normalmente recibiría. Semejante exceso es lavado por las aguas de lluvia o de riego, escurriéndose hacia los depósitos de agua, los ríos o al mar, aumentan también las algas y microorganismos que lo aprovechan. Este proceso se llama eutrofización, que consiste en el aumento excesivo de nutrientes en un ecosistema acuatico y que provoca el desbalancea la dinámica trófica, lo que genera una superpoblación de algas que compiten entre ellas hasta morir masivamente en la orilla. • Al descomponerse generan contaminación y además aumentan las cantidades de fósforo circulantes en el agua marina. Ciclo de Fosforo Alteración de los ciclos biogeoquímicos por las actividades humanas • Sin duda alguna, Ciclo de agua afectado por diversas actividades insostenibles del ser humano como la contaminación ambiental, la sedimentación, el cambio climático, los cambios en el paisaje y el crecimiento urbano • Además de la minería ilegal, la sobreexplotación de los recursos naturales, la deforestación y los incendios forestales. • Asimismo residuos sólidos pueden contaminar el aire, la tierra y los recursos hídricos, provocan alteración del fenómeno de efecto invernadero, calentamiento global y cambios en los patrones del clima que se convierten en fenómenos naturales extremos y desequilibrios ecológicos. • Estos residuos afectan a la calidad del agua de lluvia y de los recursos hídricos tanto superficiales como subterráneos, además tienen repercusiones negativas sobre los sistemas naturales. Nuevo Ciclo del Agua Ciclo del Calcio • Es la circulación del calcio entre los organismos vivos y el medio • El ciclo del calcio es un ciclo sedimentario • El calcio es un mineral que se encuentra en, mayor proporción en la litosfera. • Es la capa más externa de un planeta sólido, formado por rocas y el suelo • Variaciones de su solubilidad debido a la formación de compuestos carbonatados más (Ca(CO3H)2) o menos (CaCO3) como consecuencia de la liberación por microorganismos de ácidos orgánicos que desplacen el equilibrio entre ambas formas. • La contaminación de los ríos es susceptible de limitar la cantidad de calcio que termina en el lecho marino, comprometiendo la cantidad disponible de este mineral en el futuro • Los problemas surgidos en torno a la absorción de calcio por parte de los organismos, retrasan y entorpecen el ciclo del Ca, originando algunas enfermedades graves de Hueso y cardiacas CICLO BIOGEOQUÍMICO DEL CALCIO Descomponedores liberan el calcio Agentes Atmosféricos FORMACIÓN DE ROCAS CALIZAS Cuando mueren plantas y animales SUELO Cadena alimenticia Plantas Consumo de animales acuáticos SUELO FONDO DEL OCÉANO LITOSFERA Cuando mueren plantas y animales ERUPCIONES VOLCÁNICAS • • • • • • • • • La vida comenzó en el agua, y aunque los organismos vivos han conquistado desde hace tiempo la tierra firme, la mayor proporción de la biosfera consiste en ambientes acuáticos y sus habitantes. Los ecosistemas acuáticos se encuentran entre los ecosistemas más ricos y productivos del planeta, ya que son centro de un elevada diversidad biológica. Sistemas acuáticos importancia • Cumplen diversas funciones • esenciales, como la regulación del ciclo hidrológico y actuar de filtro para la contaminación, • además de ser elementos de gran belleza paisajística y ofrecer hábitats para cientos de especies de fauna y flora. • Los procesos e interacciones entre los componentes de estos ecosistemas (agua, suelo, topografía, microorganismos, plantas y animales) generan además, una serie de valores y beneficios socioeconómicos de gran importancia para la sociedad. Vías de entrada y salida de materia Vía de entrada Vía de salida •Entrada de ríos •Salida de ríos •Precipitación •Inmigración •Liberación a la atmósfera •Fijación de la atmósfera •Emigración •Liberación de sedimentos de roca madre •Pérdida de sedimentos •Contaminación •Cosecha por humanos Mecanismos de movimiento de materia • Movimientos de masas de aire (viento y movimiento vertical). • Corrientes marinas y mareas • Surgencias • Ríos • Migración animal • Cadenas alimentarias • Dispersión biótica (esporas, semillas, quistes, polen, gametos nadadores, foresia, etc.)
