Ciclos Biogeoquímicos

Ciclos Biogeoquímicos Jasif Aguilera – Camila Castro – 3ro medio plan diferenciado. Resumen El resumen debe ser breve. Indica los objetivos y/o la hipótesis de trabajo, los principales resultados y las principales conclusiones de la investigación.  Introducción Los ecosistemas corresponden al nivel de organización más amplio estudiado por la ecología, que incluye a las comunidades al contener una amplia diversidad de especies junto a los factores abióticos con los que están en contacto. Los materiales necesarios para la vida en los ecosistemas se transfieren en ciclos cerrados, que permiten a los organismos vivientes utilizarlos una y otra vez, ya que estos se reciclan constantemente. En un ecosistema y entre ecosistemas, la materia prima con circula desde los componentes inanimados (ambiente abiótico) a los organismos vivos, luego regresa a lo inerte, de ahí a los seres vivientes y así, sucesivamente. Este tipo de circulación se conoce como ciclo de la materia o biogeoquímico. Si bien la energía fluye de forma unidireccional por las cadenas y tramas tróficas, la materia lo hace de forma cíclica gracias a la incorporación constante de energía al sistema, para mantener la vida en la Tierra es necesario que se produzca esta movilización de materia. Los ciclos biogeoquímicos más importantes incluyen el ciclo del agua (H2O), carbono, azufre, fosforo y nitrógeno. Por lo que en la presente investigación se muestra los cinco ciclos nombrado anteriormente viendo la influencia que estos tienen en el ecosistema. Marco Teórico Como se ha nombrado de antemano los cinco ciclos biogeoquímicos más importantes son los del agua (H2O), carbono, nitrógeno, azufre y fosforo. El ciclo hidrológico se define como la secuencia de fenómenos por medio de los cuales el agua pasa de la superficie terrestre, en la fase de vapor, a la atmósfera y regresa en sus fases líquida y sólida. La transferencia de agua desde la superficie de la Tierra hacia la atmósfera, en forma de vapor de agua, se debe a la evaporación directa, a la transpiración por las plantas y animales y por sublimación (paso directo del agua sólida a vapor de agua). Este ciclo puede ser visto, en una escala planetaria, como un gigantesco sistema de destilación, extendido por todo el Planeta. El calentamiento de las regiones tropicales debido a la radiación solar provoca la evaporación que continúa del agua de los océanos, la cual es transportada bajo forma de vapor de agua por la circulación general de la atmósfera, a otras regiones. Durante la transferencia, parte del vapor de agua se condensa debido al enfriamiento y forma nubes que originan la precipitación. El regreso a las regiones de origen resulta de la acción combinada del escurrimiento proveniente de los ríos y de las corrientes marinas. El Ciclo hídrico tiene variadas fases (anexo n°1), en las que se encuentra la evaporación donde el agua se evapora en la superficie oceánica, sobre la superficie terrestre y también por los organismos, en el fenómeno de la transpiración en plantas y sudoración en animales, por otro lado encontramos la condensación donde el agua en forma de vapor sube y se condensa formando las nubes, constituida por gotitas de agua. Posteriormente encontramos la fase de precipitación en la cual las gotas de aguas que forman las nubes, se enfrían acelerándose la condensación y uniéndose las gotitas de agua para formar gotas mayores que terminan por precipitarse a la superficie terrestre en razón a su mayor peso. Luego, encontramos la infiltración la cual ocurre cuando el agua que alcanza el suelo, penetra a través de sus poros y pasa a ser subterránea. Parte del agua infiltrada vuelve a la atmosfera por evaporación o, más aun, por la transpiración de las plantas, que la extraen con raíces más o menos extensas y profundas. Otra fase es la escorrentía que es un término que se refiere a los diversos medios por los que el agua se desliza cuesta abajo por la superficie del terreno; y finalmente encontramos la circulación subterránea que se produce a favor de la gravedad, esta está presentada en dos modalidades; la primera corresponde a la que se da en zona vadosa, especialmente en rocas Karstificadas, como son a menudo las calizas, mientras que la segunda ocurre en los acuíferos en forma de agua intersticial que llena los poros de una roca permeable, de la cual puede incluso remontar por fenómenos en los que intervienen la presión y la capilaridad. Las últimas tres fases son producidas por la gravedad, ya que esta provoca que el agua alcance nuevamente los océanos y depresiones. El agua congelada atrapada en regiones heladas de la tierra ya sea como nieve o hielo, constituye reservorios que pueden permanecer largos períodos de tiempo. Lagos, lagunas, esteros y pantanos son reservorios temporales. Los océanos tienen agua salada por la presencia de minerales, los cuales no pueden llevarse con el vapor de agua. Así, la lluvia y la nieve contienen agua relativamente limpia, con la excepción de los contaminantes que el agua arrastra de la atmósfera. En el ciclo del agua la energía es provista por el sol, el cual produce la evaporación y, además, provee la energía para los sistemas climáticos que permiten el movimiento del vapor de agua (nubes) de un lugar a otro (de otro modo siempre llovería solo sobre los océanos). Por otro lado encontramos el carbono, el cual es parte fundamental y soporte de los organismos vivos, porque proteínas, ácidos nucleicos, carbohidratos, lípidos y otras moléculas esenciales para la vida contienen carbono. Se lo encuentra como dióxido de carbono en la atmósfera, en los océanos y en los combustibles fósiles almacenados bajo la superficie de la Tierra. El movimiento global del carbono entre el ambiente abiótico y los organismos se denomina ciclo del carbono. (Anexo n°2) El ciclo básico comienza cuando las plantas, a través de la fotosíntesis, hacen uso del dióxido de carbono (CO2) presente en la atmósfera o disuelto en el agua. El carbono (del CO2) pasa a formar parte de los tejidos vegetales en forma de hidratos de carbono, grasas y proteínas, y el oxígeno es devuelto a la atmósfera o al agua mediante la respiración. Así, el carbono pasa a los herbívoros que comen las plantas y de ese modo utilizan, reorganizan y degradan los compuestos de carbono. Gran parte de éste carbono es liberado en forma de CO2 por la respiración, o como producto secundario del metabolismo, pero parte se almacena en los tejidos animales y pasa a los carnívoros, que se alimentan de los herbívoros. En última instancia, todos los compuestos del carbono se degradan por descomposición, y el carbono que es liberado en forma de CO2, es utilizado de nuevo por las plantas. En resumen, las fases más importantes del ciclo del carbono (anexo n°3) son los siguientes: El dióxido de carbono de la atmósfera es absorbido por las plantas y convertido en azúcar, por el proceso de fotosíntesis. Los animales comen plantas y al descomponer los azúcares dejan salir carbono a la atmósfera, los océanos o el suelo. Bacterias y hongos descomponen las plantas muertas y la materia animal, devolviendo carbono al medio ambiente. El carbono también se intercambia entre los océanos y la atmósfera. Esto sucede en ambos sentidos en la interacción entre el aire y el agua. Pero en algunos casos el carbono presente en las moléculas biológicas no regresa inmediatamente al ambiente abiótico, por ejemplo el carbono presente en la madera de los árboles. O el que formó parte de los depósitos de hulla a partir de restos de árboles antiguos que quedaron sepultados en condiciones anaerobias antes de descomponerse. Hulla, petróleo y gas natural son llamados combustibles fósiles porque se formaron a partir de restos de organismos antiguos y contienen grandes cantidades de compuestos carbonados como resultado de la fotosíntesis ocurrida hace millones de años. Por otro lado, encontramos que a través de las actividades humanas se liberan grandes cantidades de carbono a la atmósfera a un ritmo mayor de aquel con que los productores y el océano pueden absorberlo, éstas actividades han perturbado el presupuesto global del carbono, aumentando, en forma lenta pero continua el CO2 en la atmósfera; propiciando cambios en el clima con consecuencias en el ascenso en el nivel del mar, cambios en las precipitaciones, desaparición de bosques , extinción de organismos y problemas para la agricultura. Gases como el CO2, ozono superficial (O3)4, óxido nitroso (N2O) y clorofluoralcanos se acumulan en la atmósfera como resultado de las actividades humanas, derivando en un aumento del calentamiento global, esto ocurre porque los gases acumulados frenan la pérdida de radiación infrarroja (calor) desde la atmósfera al espacio. Una parte del calor es transferida a los océanos, aumentando la temperatura de los mismos, lo que implica un aumento de la temperatura global del planeta. Como el CO2 y otros gases capturan la radiación solar de manera semejante al vidrio de un invernadero, el calentamiento global producido de este modo se conoce como efecto invernadero. La atmósfera es el principal reservorio de nitrógeno, donde constituye hasta un 78 % de los gases. Sin embargo, como la mayoría de los seres vivos no pueden utilizar el nitrógeno atmosférico para elaborar aminoácidos y otros compuestos nitrogenados, dependen del nitrógeno presente en los minerales del suelo. Por lo tanto, a pesar de la gran cantidad de nitrógeno en la atmósfera, la escasez de nitrógeno en el suelo constituye un factor limitante para el crecimiento de los vegetales. El proceso a través del cual circula nitrógeno a través del mundo orgánico y el mundo físico se denomina ciclo del nitrógeno. Este ciclo consta de las siguientes etapas (anexo n°4), la primera hace referencia a la fijación del nitrógeno la cual consiste en la conversión del nitrógeno gaseoso (N2) en amoníaco (NH3), forma utilizable para los organismos. En esta etapa intervienen bacterias (que actúan en ausencia de oxígeno), presentes en el suelo y en ambientes acuáticos, que emplean la enzima nitrogenasa para romper el nitrógeno molecular y combinarlo con hidrógeno. N2 ---------------------> NH3 nitrogenasa Ejemplos de bacterias fijadoras de nitrógeno: Las bacterias del género Rhizobium, viven en nódulos de las raíces de leguminosas y de algunas plantas leñosas. Las cianobacterias, realizan la mayor parte de la fijación del nitrógeno. Algunos helechos acuáticos tienen cavidades donde viven las cianobacterias. Una segunda etapa para este ciclo es la nitrificación que es un proceso de oxidación del amoníaco o ion amonio, realizado por dos tipos de bacterias: Nitrosomonas y Nitrobacter (comunes del suelo). Este proceso genera energía que es liberada y utilizada por estas bacterias como fuente de energía primaria. Este proceso ocurre en dos etapas: La primera es donde un grupo de bacterias, las Nitrosomonas y Nitrococcus, oxidan el amoníaco a nitrito (NO2-): 2 NH3 + 3 O2 g 2 NO2 - + 2 H+ + 2 H2O Mientras que la segunda consta de otro grupo de bacterias, Nitrobacter, que transforman el nitrito en nitrato, por este motivo no se encuentra nitrito en el suelo, que además es tóxico para las plantas. 2 NO2 - + O2 g 2 NO3 - La tercera etapa es la asimilación donde las raíces de las plantas absorben el amoníaco (NH3) o el nitrato (NO3-), e incorporan el nitrógeno en proteínas, ácidos nucleicos y clorofila. Cuando los animales se alimentan de vegetales consumen compuestos nitrogenados vegetales y los transforman en compuestos nitrogenados animales. La siguiente etapa es la amonificación que consiste en la conversión de compuestos nitrogenados orgánicos en amoníaco, el cual se inicia cuando los organismos producen desechos como urea (orina) y ácido úrico (excreta de las aves), sustancias que son degradadas para liberar como amoníaco el nitrógeno en el ambiente abiótico. El amoníaco queda disponible para los procesos de nitrificación y asimilación. El nitrógeno presente en el suelo es el resultado de la descomposición de materiales orgánicos y se encuentra en forma de compuestos orgánicos complejos, como proteínas, aminoácidos, ácidos nucleicos y nucleótidos, que son degradados a compuestos simples por microorganismos - bacterias y hongos - que se encuentran en el suelo. Estos microorganismos usan las proteínas y los aminoácidos para producir sus propias proteínas y liberan el exceso de nitrógeno en forma de amoníaco (NH3) o ion amonio (NH4+). Finalmente la última etapa es la desnitrificación la cual es el proceso que realizan algunas bacterias ante la ausencia de oxígeno, degradan nitratos (NO3-) liberando nitrógeno (N2) a la atmósfera a fin de utilizar el oxígeno para su propia respiración. Ocurre en suelos mal drenados. A pesar de las pérdidas de nitrógeno, el ciclo se mantiene gracias a la actividad de las bacterias fijadoras de nitrógeno, capaces de incorporar el nitrógeno gaseoso del aire a compuestos orgánicos nitrogenados. Actualmente el fósforo es un componente esencial de los organismos, que forma parte de los ácidos nucleicos (ADN y ARN); del ATP y de otras moléculas que tienen PO43- y que almacenan la energía química; de los fosfolípidos que forman las membranas celulares; y de los huesos y dientes de los animales. Está en pequeñas cantidades en las plantas, en proporciones de un 0,2%, aproximadamente. En los animales hasta el 1% de su masa puede ser fósforo. Su reserva fundamental en la naturaleza es la corteza terrestre. Por meteorización de las rocas o sacado por las cenizas volcánicas, queda disponible para que lo puedan tomar las plantas. Con facilidad es arrastrado por las aguas y llega al mar. Parte del que es arrastrado sedimenta al fondo del mar y forma rocas que tardarán millones de años en volver a emerger y liberar de nuevo las sales de fósforo. Otra parte es absorbida por el plancton que, a su vez, es comido por organismos filtradores de plancton, como algunas especies de peces. Cuando estos peces son comidos por aves que tienen sus nidos en tierra, devuelven parte del fósforo en las heces (guano) a tierra. Muchos de los fosfatos de la corteza terrestre son insolubles en agua lo que hace que su disponibilidad no sea la más óptima. Los fosfatos solubles pasan de la tierra al mar por los fenómenos de lixiviación que sufre el suelo, este proceso se produce en la dirección de la tierra al mar y no al revés (porcentaje mínimo). Se hace necesario que el fosforo que se encuentra insoluble pase a soluble. Por lo que pasa por diversas etapas cíclicas (anexo n°5), la primera de estas es la mineralización en la cual los seres vivos tienen fosforo inorgánico. El proceso de mineralización se encuentra en relación con la degradación de la materia orgánica por los microorganismos y las situaciones que favorecen esta degradación son los sustratos carbonados degradables y la presencia de nitrógeno. Una segunda parte abarca la solubilización donde el fósforo se encuentra en continuo movimiento desde su forma soluble a depósito de fósforo. Muchas bacterias autótrofas se encargan de llevar a cabo la solubilización. Las mismas bacterias que intervienen en el paso de ion amonio a ácido nítrico y el paso de azufre reducido a ácido sulfúrico intervienen también en la solubilidad del fósforo. Por último se encuentra la inmovilización por el cual el fósforo inorgánico se transforma en fósforo orgánico a través de diferentes seres vivos (en el agua las algas llevan a cabo se absorción, en el suelo las bacterias se encargan de su fijación). Finalmente se encuentra el ciclo del azufre (anexo n°6), el sulfato puede ser metabolizado por las plantas superiores y por microorganismos, en lo que se denomina reducción asimiladora de los sulfatos. Bacterias, levaduras, hongos y algas son capaces de utilizar los sulfatos como fuente de azufre, y producir sulfuro de hidrógeno (H2S).Las bacterias reductoras de sulfato realizan esta transformación en un medio anaerobio. En los lugares donde ocurre este proceso aparecen sedimentos y fangos de color negro, debido al sulfuro de hidrógeno, que les confiere ese color. Las plantas superiores absorben sulfatos por las raíces, incorporándolos directamente en los compuestos orgánicos o manteniéndolo en forma libre como ion, interviniendo en la regulación osmótica celular. Las plantas también pueden oxidar y reducir los sulfatos para incorporar el azufre a otros compuestos orgánicos (aminoácidos como la cisteína o la metionina). Así mismo, las plantas superiores absorben por las hojas el SO2 atmosférico que proviene delas emisiones, de origen antrópico, de óxidos de azufre procedentes de procesos de combustión y, en menor medida, de procesos naturales a través de la emisión de diversos gases sulfurados por volcanes, géiseres y fumarolas. Por otra parte, la reducción no asimiladora del sulfato es un proceso de transformación de éste a iones sulfuro, cuya finalidad es el suministro de energía a las células; es llevada a cabo por ciertas bacterias anaerobias, por ejemplo del género Desulfovibrio. Los compuestos orgánicos generados (algunos esenciales para los animales como la metionina) pasan a los animales a través de la cadena alimentaria, ya que no pueden ser sintetizados por ellos mismos. Continuando el ciclo, los procesos de descomposición de animales y plantas por parte de los microorganismos generan sulfuro de hidrógeno. Éste puede ser oxidado por bacterias oxidadoras de sulfuro, catalizando su oxidación a azufre elemental, inorgánico, tanto en medios aerobios como anaerobios. Pero también el sulfuro puede ser transformado por la acción microbiana en di metil sulfuro, que se difunde a la atmósfera. Por último, la oxidación de azufre elemental también puede ser realizada por bacterias oxidadoras del azufre, sobre todo del género Thiobacillus (originando ácido sulfhídrico para obtener energía), originando iones sulfato e hidrógeno, cerrando así el ciclo. S + H2O + 3/2 O2====== H2SO4 + ENERGIA La fase sedimentaria del ciclo, correspondiente a la precipitación del azufre, puede producirse bajo condiciones anaerobias y en presencia de hierro, a partir de sulfuro de hidrógeno, produciéndose una acumulación lenta y continua en los sedimentos profundos, originando sulfuros metálicos y carbones. El azufre también puede precipitar bajo condiciones aerobias pasando a formar parte de las denominadas rocas salinas o evaporitas, en forma de sulfato sódico. Discusión Los ciclos biogeoquímicos son importantes porque se refiere a la trayectoria de los elementos químicos entre los seres vivos y el ambiente en que viven, es decir, entre los componentes bióticos y abióticos de la biosfera. Toda la "materia prima" necesaria para el desarrollo de la vida en el planeta se encuentra dentro de nuestra biosfera. Pero todos estos elementos, Carbono, O2, Nitrógeno, Fósforo, Azufre, etc., son imprescindibles para el metabolismo de los seres vivos y necesarios en diferentes "formatos" según sus diferentes consumidores. Los productores primarios utilizan directamente la materia inorgánica para nutrirse, convirtiéndola en materia orgánica, utilizada a su vez por los productores secundarios para su desarrollo. Este continuo cambio de estado de la materia hace que ésta deba reciclarse continuamente, con la participación activa de organismos (Descomponedores) cuya función ecológica es reciclar la materia orgánica a su forma inorgánica, para poder comenzar de nuevo su ciclo de utilización en la naturaleza. Es importante mencionar que los ciclos de los elementos mantienen una estrecha relación con el flujo de energía en el ecosistema, ya que la energía utilizable por los organismos es la que se encuentra en enlaces químicos uniendo los elementos para formar las moléculas. Estos ciclos influyen directamente en los procesos de la cadena alimenticia, en donde el hombre está en la cima de la misma, como el máximo depredador de la raza biótica puesto que los procesos de energía que en él se llevan a cabo dan más porciones que cualquier otro ser vivo existente. Bibliografía A. P. I. (2008). Ecosistemas. 2014, de Scrib Sitio web: http://es.scribd.com/doc/6829717/3-Ecosistemas-cadena-trofica-ciclo-biogeoquimico-2008 Alejandra Carballo. (2009). Ciclos Biogeoquímicos. 2014, de Blogger Sitio web: http://ciclosbiogeoquimicos-ambiental.blogspot.com/2009/02/ciclos-biogeoquimicos.html Cesar Martínez Martínez. Ciclos Biogeoquímicos. 2014, de Ciencias de la tierra Sitio web: http://platea.pntic.mec.es/~cmarti3/CTMA/BIOSFERA/ciclos.htm Ciudad Autónoma de Buenos Aires, Argentina. (2009). Los Ciclos Biogeoquímicos. 2014, de Ciencias Biológicas y educación para la salud Sitio web: http://hnncbiol.blogspot.com/2008/01/los-ciclos-biogeoquimicos.html Lenntech B.V. (2012). 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