El ciclo de la materia en los ecosistemas
Se denomina así al recorrido que realizan los elementos químicos constituyentes de la materia orgánica (C, O, H, N, S y P) a través de los subsistemas terrestres: Atmósfera, Biosfera, Hidrosfera y Geosfera. El tiempo de permanencia de los elementos en los distintos medios es muy variable, denominándose almacén o reserva aquel lugar donde dicha permanencia es máxima.
Como cualquier ciclo de la materia, los ciclos biogeoquímicos tienden a ser cerrados, sin embargo, las actividades humanas producen la apertura y aceleración de los mismos, de ahí la necesidad de reciclar al máximo la materia de forma que se obtengan nutrientes y que no se produzcan desechos.
2.1. ELEMENTOS BIOLIMITANTES
Son aquellos nutrientes esenciales para el desarrollo de un organismo que, al estar presentes en cantidades mínimas, limitan su crecimiento. Son por ello los recursos más escasos y siguen la ley del mínimo de Liebig, que dice que el nutriente disponible sólo en cantidades mínimas es el que limita la producción, aún cuando los demás estén en cantidades suficientes.
Liebig descubrió que el rendimiento de las plantas suele estar limitado no solo por los nutrientes necesarios en grandes cantidades (CO2 y H2O), que suelen abundar en el medio, sino por algunos elementos que se necesitan en cantidades mínimas pero que escasean en el suelo (P, K, Mg…).
2.2.LOS CICLOS BIOGEOQUIMICOS
Ciclos de los nutrientes gaseosos (O, H, C y N). La atmósfera es la principal reserva. El proceso de circulación es relativamente cerrado y rápido y no suele acarrear pérdidas de elementos.
Ciclos de los nutrientes sedimentarios (S y P). El depósito principal es la litosfera. Los procesos de meteorización liberan lenta pero continuamente los elementos presentes en las rocas sedimentarias y los incorporan al suelo. Estos ciclos son mucho más lentos y tienden a estancarse al incorporarse el elemento a los sedimentos profundos del océano o de lagos profundos, quedando inaccesible tanto para los organismos como para el reciclaje continuo.
Debido a ello, los nutrientes sedimentarios ejercen una influencia limitante sobre los seres vivos mucho mayor que los nutrientes gaseosos. Por eso, las deficiencias son mucho más importantes en los nutrientes sedimentarios que en los gaseosos.
2.2.1 EL CICLO DEL CARBONO
Es fundamental para la regulación del clima de la Tierra y lo podemos dividir en cuatro fases:
a) Ciclo biológico. Mediante la fotosíntesis el carbono se fija por medio de los organismos fotosintéticos en forma de CO2. Este se incorpora como carbono orgánico para producir materia orgánica (glúcidos) que servirá posteriormente de alimento al resto de la cadena trófica. El CO2 se libera de nuevo mediante la respiración y durante la descomposición bacteriana de excrementos y cadáveres.
b) Ciclo biogeoquímico. En ambientes marinos, hay organismos que utilizan iones solubles formados a partir del CO2 disuelto en el agua para producir estructuras duras (caparazones, conchas, coral...). Cuando mueren, forman sedimentos que originaran rocas sedimentarias carbonatadas (reservorios de CO2). Cuando estas rocas se funden para dar lugar a un magma que sale a la superficie, de nuevo el CO2 escapa a la atmósfera.
A la atmósfera llegan el oxígeno (no consumido en la respiración) y parte del CO2. En el conjunto de las reacciones químicas y de los intercambios, el mar resulta ser a la larga un sumidero de CO2 atmosférico y un emisor de oxígeno.
c) Retorno de CO2 a la atmósfera. El enterramiento de las rocas carbonatadas (calizas, dolomías...) acaba produciendo una fusión parcial de dichas rocas. En otros casos estos materiales afloran a la superficie quedando bajo la acción de los agentes de meteorización. El resultado final es la liberación del CO2, que escapa hacia la atmósfera durante las erupciones volcánicas o las reacciones de meteorización química.
d) Sumideros fósiles de C orgánico. En ciertas ocasiones la materia orgánica de la biosfera puede quedar sepultada fuera del contacto con el O2, por lo que sufre un proceso biológico de fermentación. Este proceso la transformara posteriormente en carbón y petróleo que se acumulará en la Geosfera. El almacenaje litosférico de CO2 en forma de carbón y petróleo supone una rebaja neta de sus niveles atmosféricos. El retorno a la atmósfera del carbono retenido en estos sumideros se produce por la combustión del carbón y petróleo inducida por el hombre.
2.2.2 CICLO DEL NITRÓGENO
Este ciclo es el más rápido y el más complejo de los que existen en la ecosfera. La atmósfera actúa como sistema de reserva de este elemento pues está constituida en un 78 % por el mismo, sin embargo, los organismos encuentran gran dificultad para conseguirlo.
Los principales componentes nitrogenados atmosféricos son:
N2. Forma mayoritaria de presentación de este elemento en la atmósfera. Es una molécula inerte e inaccesible para casi todos los seres vivos.
NH3. Procede de las erupciones volcánicas o de la putrefacción de los organismos vivos.
NO, N2O y NO2 (NOx). Son compuestos que pueden difundir hacia los otros sistemas terrestres. Proceden del suelo, de las emisiones volcánicas, así como de la oxidación espontánea del N2 durante las tormentas eléctricas. El hombre ha incrementado dichas emisiones como resultado del abonado excesivo y de los procesos de combustión a altas temperaturas provocadas por el paso de aire por la cámara de combustión de los motores.
El ciclo consta de cuatro procesos: fijación, amonificación, nitrificación y desnitrificación.
1. Fijación del nitrógeno atmosférico. Consiste en la transformación del nitrógeno gaseoso en moléculas orgánicas. Lo realizan bacterias como el Azotobacter, (de vida libre en el suelo) y el Rhizobium (en simbiosis con las leguminosas). Por este motivo la alternancia de cultivos con las leguminosas ha sido una práctica agrícola tradicional para enriquecer el suelo en nitrógeno sin necesidad de abonado.
Aunque la fuente primaria está en la atmósfera, la reserva más accesible es el nitrógeno almacenado en forma orgánica (proteínas, ácidos nucléicos y urea) o inorgánica (nitritos, nitratos y amoniaco).
2. Amonificación. Consiste en la transformación de las moléculas orgánicas procedentes de los seres vivos y que contienen nitrógeno (proteínas y ácidos nucléicos) en amoniaco (NH3) o ión amonio (NH4+). En condiciones anaerobias, las bacterias del género Clostridium producen putrefacciones en las que se libera como producto final el amoniaco.
3. Nitrificación. Se produce la oxidación del amoniaco transformándose en sales nitrogenadas. En este proceso intervienen bacterias quimiolitótrofas que utilizan estas reacciones de oxido-reducción para obtener energía. La oxidación completa se realiza en dos etapas:
- Nitrosación. Realizada por bacterias del género Nitrosomonas.
2NH3 + 3O2 —> 2HNO2 + 2H2O
- Nitratación. Realizada por bacterias del género Nitrobacter.
2HNO2 + O2 —> 2HNO3
4. Desnitrificación. En condiciones anaerobias del suelo actúan las bacterias desnitrificantes (Pseudomonas, Bacillus) que transforman el ión nitrato (NO3-) en nitrógeno gaseoso (N2), que escapa hacia la atmósfera. De esta manera, a partir de los nitratos, se forman dos gases: el N2 y el NO2 que se liberan a la atmósfera reduciéndose así la cantidad de nitratos del suelo.
NO3- —> N2
Para evitar la pérdida de nitrógeno en los suelos, es por lo que conviene airearlos mediante el arado después de la cosecha y antes de la siembra.
2.2.2.1 ALGUNAS INTERVENCIONES HUMANAS EN EL CICLO DEL NITRÓGENO
a) Procesos de combustión a altas temperaturas. En ellos entran el oxígeno del aire y el nitrógeno en la cámara de combustión de los motores, reaccionando ambos y formando NO2 que se liberan a la atmósfera. Allí, con el vapor de agua atmosférico forma ácido nítrico que cae con la lluvia, dando lugar a la "lluvia ácida" que, al caer al suelo, eleva la cantidad de nitratos.
b) Fijación industrial del nitrógeno atmosférico. Se convierte en amoniaco y fertilizantes por el método Haber-Bosch. Este método consiste en pasar el N2 a formas activas de manera parecida a la fijación atmosférica o a la combustión a altas temperaturas.
c) Abonado excesivo de los cultivos. Provoca una liberación de N2O hacia la atmósfera. Este gas, además de contribuir al efecto invernadero, da lugar a una excesiva fertilización del suelo que acaba disminuyendo la fertilidad. Esto es debido a que, al incrementar el crecimiento de las plantas, pronto comienzan a escasear otros nutrientes esenciales como el calcio, el magnesio... Esto origina un grave deterioro de la composición química del suelo. Además, las aguas arrastran una gran cantidad de nitratos sobrantes, que producen su eutrofización y la disminución de su calidad.
2.2.3 CICLO DEL FÓSFORO
El fósforo se encuentra mayoritariamente inmovilizado en los sedimentos oceánicos formando parte de la litosfera. Su proceso de liberación es muy lento por depender del ciclo geológico (105-108 años), razón por la que constituye el principal factor limitante, y por lo que se considera un recurso no renovable.
Se trata de un constituyente importante de las biomoléculas que, además, forma parte de estructuras rígidas, como caparazones y huesos.
El ciclo comienza a partir de los fosfatos disueltos (1) que los productores incorporan a sus células. A través de ellos llega el fósforo a los consumidores (2). Cuando los organismos mueren o a partir de sus desechos y excrementos, las bacterias degradan los compuestos orgánicos de fósforo, transformándolos en fosfato inorgánico y completando así el ciclo (3).
Gran parte de los fosfatos del suelo son arrastrados por las aguas superficiales y llegan al mar (4), donde constituyen sedimentos poco profundos que actúan como fuente de fósforo. Una pequeña cantidad de fósforo vuelve a la superficie de la Tierra a través del pescado o por el guano (excremento de aves marinas piscívoras) (5). Sin embargo, de esta forma no se recupera la cantidad de fósforo que sería necesaria para equilibrar la que se pierde hacia las profundidades del océano en forma de sedimentos. En la práctica, el fósforo depositado en el fondo oceánico se considera perdido para el ciclo. Por ello, el agotamiento de las reservas es un grave problema.
Al explotarse los yacimientos de fosfatos y utilizarse restos de pescado y guano como fertilizantes, se acelera el proceso natural (al aumentar la cantidad de fósforo en circulación) y la velocidad del ciclo (6).
Ciclo del fósforo
Las prácticas agrícolas intensivas agotan rápidamente las disponibilidades de fósforo del suelo. En un suelo agrícola de la zona templada, se estima que en 50 años se puede reducir en más de 1/3 la cantidad disponible de este elemento.
El tiempo de permanencia en los ecosistemas terrestres es de 102 -104 años, variando en función de la eficacia del sistema de almacenamiento o de reciclado que tengan los organismos (existen bacterias especializadas en este reciclado). En los ecosistemas acuáticos la permanencia es de uno a diez años.
