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20.2: Ciclos Biogeoquímicos

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    La energía fluye direccionalmente a través de los ecosistemas, entrando como luz solar (o moléculas inorgánicas para quimioautótrofos) y saliendo como calor durante las transferencias entre niveles tróficos. En lugar de fluir a través de un ecosistema, la materia que compone los organismos vivos se conserva y se recicla. Los seis elementos más comunes asociados con las moléculas orgánicas —carbono, nitrógeno, hidrógeno, oxígeno, fósforo y azufre— toman una variedad de formas químicas y pueden existir por largos períodos en la atmósfera, en la tierra, en el agua o debajo de la superficie de la Tierra. Los procesos geológicos, como la meteorización, la erosión, el drenaje de agua y la subducción de las placas continentales, juegan un papel en el ciclo de elementos en la Tierra. Debido a que la geología y la química tienen un papel importante en el estudio de este proceso, el reciclaje de la materia inorgánica entre los organismos vivos y su entorno no vivo se denomina ciclo biogeoquímico.

    El agua, que contiene hidrógeno y oxígeno, es esencial para todos los procesos vivos. La hidrosfera es el área de la Tierra donde se produce el movimiento y almacenamiento del agua: como agua líquida en la superficie (ríos, lagos, océanos) y debajo de la superficie (agua subterránea) o hielo, (casquetes polares y glaciares), y como vapor de agua en la atmósfera. El carbono se encuentra en todas las macromoléculas orgánicas y es un componente importante de los combustibles fósiles. El nitrógeno es un componente importante de nuestros ácidos nucleicos y proteínas y es crítico para la agricultura humana. El fósforo, un componente importante de los ácidos nucleicos, es uno de los ingredientes principales (junto con el nitrógeno) en los fertilizantes artificiales utilizados en la agricultura, lo que tiene impactos ambientales en nuestras aguas superficiales. El azufre, crítico para el plegamiento tridimensional de las proteínas (como en la unión de disulfuro), es liberado a la atmósfera por la quema de combustibles fósiles.

    El ciclo de estos elementos está interconectado. Por ejemplo, el movimiento del agua es crítico para la lixiviación de nitrógeno y fosfato en ríos, lagos y océanos. El océano es también un importante reservorio de carbono. Así, los nutrientes minerales son ciclados, ya sea rápida o lentamente, a través de toda la biosfera entre el mundo biótico y abiótico y de un organismo vivo a otro.

    El ciclo del agua

    El agua es esencial para todos los procesos vivos. El cuerpo humano es más de la mitad de agua y las células humanas son más del 70 por ciento de agua. Por lo tanto, la mayoría de los animales terrestres necesitan un suministro de agua dulce para sobrevivir. De las reservas de agua en la Tierra, 97.5 por ciento es agua salada (Figura\(\PageIndex{1}\)). Del agua restante, el 99 por ciento está encerrado como agua subterránea o hielo. Así, menos del uno por ciento del agua dulce está presente en lagos y ríos. Muchos seres vivos dependen de esta pequeña cantidad de suministro de agua dulce superficial, cuya falta puede tener importantes efectos en la dinámica de los ecosistemas. Los humanos, por supuesto, han desarrollado tecnologías para aumentar la disponibilidad de agua, como cavar pozos para cosechar agua subterránea, almacenar agua de lluvia y usar la desalinización para obtener agua potable del océano. Si bien esta búsqueda del agua potable ha estado en curso a lo largo de la historia de la humanidad, el suministro de agua dulce sigue siendo un tema importante en los tiempos modernos.

    El gráfico circular muestra que el 97.5 por ciento del agua en la Tierra, o 1,365,000,000 kilómetros cúbicos, es agua salada. El 2.5 por ciento restante, o 35,000,000 kilómetros en cubos, es agua dulce. Del agua dulce, 68.9 por ciento está congelada en glaciares o capa de nieve permanente, y 30.8 por ciento es agua subterránea (humedad del suelo, agua de pantano, permafrost). El 0.3 por ciento restante se encuentra en lagos y ríos.
    Figura\(\PageIndex{1}\): Solo 2.5 por ciento del agua en la Tierra es agua dulce, y menos del 1 por ciento del agua dulce es fácilmente accesible para los seres vivos.

    Los diversos procesos que ocurren durante el ciclo del agua se ilustran en la Figura\(\PageIndex{2}\). Los procesos incluyen los siguientes:

    • evaporación y sublimación
    • condensación y precipitación
    • flujo de agua subsuperficial
    • escurrimiento superficial y deshielo
    • flujo de corriente

    El ciclo del agua es impulsado por la energía del Sol ya que calienta los océanos y otras aguas superficiales. Esto conduce a la evaporación (agua a vapor de agua) del agua superficial líquida y la sublimación (hielo a vapor de agua) del agua congelada, moviendo así grandes cantidades de agua a la atmósfera como vapor de agua. Con el tiempo, este vapor de agua se condensa en nubes como gotas líquidas o congeladas y eventualmente conduce a la precipitación (lluvia o nieve), que devuelve el agua a la superficie de la Tierra. La lluvia que llega a la superficie de la Tierra puede evaporarse de nuevo, fluir sobre la superficie o filtrarse en el suelo. Lo más fácil de observar es la escorrentía superficial: el flujo de agua dulce ya sea de la lluvia o del hielo derretido. La escorrentía puede abrirse paso a través de arroyos y lagos hacia los océanos o fluir directamente a los océanos mismos.

    En la mayoría de los ambientes terrestres naturales la lluvia encuentra vegetación antes de que llegue a la superficie del suelo. Un porcentaje significativo de agua se evapora inmediatamente de las superficies de las plantas. Lo que queda llega al suelo y comienza a moverse hacia abajo. La escorrentía superficial ocurrirá solo si el suelo se satura de agua en una lluvia intensa. La mayor parte del agua del suelo será absorbido por las raíces de las plantas. La planta utilizará parte de esta agua para su propio metabolismo, y algo de eso encontrará su camino hacia los animales que se alimentan de las plantas, pero gran parte de ella se perderá de nuevo a la atmósfera a través de un proceso conocido como evapotranspiración. El agua ingresa al sistema vascular de la planta a través de las raíces y se evapora, o traspira, a través de los estomas de las hojas. El agua en el suelo que no es absorbida por una planta y que no se evapora es capaz de filtrarse en el subsuelo y lecho rocoso. Aquí forma agua subterránea.

    El agua subterránea es un importante reservorio de agua dulce. Existe en los poros entre partículas en arena y grava, o en las fisuras en rocas. El agua subterránea poco profunda fluye lentamente a través de estos poros y fisuras y finalmente encuentra su camino hacia un arroyo o lago donde vuelve a formar parte del agua superficial. Los arroyos no fluyen porque se repone directamente del agua de lluvia; fluyen porque hay un flujo constante de entrada desde el agua subterránea debajo. Algunas aguas subterráneas se encuentran muy profundas en el lecho rocoso y pueden persistir allí durante milenios. La mayoría de los reservorios de agua subterránea, o acuíferos, son la fuente de agua potable o de riego extraída a través de pozos. En muchos casos estos acuíferos se están agotando más rápido de lo que están siendo reabastecidos por el agua que se filtra desde arriba.

    La lluvia y la escorrentía superficial son las principales formas en que los minerales, incluidos el carbono, el nitrógeno, el fósforo y el azufre, se ciclan de la tierra al agua. Los efectos ambientales de la escorrentía se discutirán más adelante a medida que se describen estos ciclos.

    La ilustración muestra el ciclo del agua. El agua ingresa a la atmósfera a través de evaporación, evapotranspiración, sublimación y vapor volcánico. La condensación en la atmósfera convierte el vapor de agua en nubes. El agua de la atmósfera regresa a la tierra vía precipitación o dessublimación. Parte de esta agua se infiltra en el suelo para convertirse en agua subterránea. Las filtraciones, los manantiales de agua dulce y la absorción de plantas devuelven parte de esta agua a la superficie. El agua restante se filtra en los océanos. El agua superficial restante ingresa a arroyos y lagos de agua dulce, donde finalmente ingresa al océano a través de la escorrentía superficial. Parte del agua también ingresa al océano a través de respiraderos submarinos o volcanes.
    Figura\(\PageIndex{2}\): El agua de la tierra y los océanos ingresa a la atmósfera por evaporación o sublimación, donde se condensa en nubes y cae como lluvia o nieve. El agua precipitada puede entrar en cuerpos de agua dulce o infiltrarse en el suelo. El ciclo se completa cuando las aguas superficiales o subterráneas vuelven a entrar en el océano. (crédito: modificación de obra de John M. Evans y Howard Perlman, USGS)

    El ciclo del carbono

    El carbono es el cuarto elemento más abundante en los organismos vivos. El carbono está presente en todas las moléculas orgánicas, y su papel en la estructura de las macromoléculas es de primordial importancia para los organismos vivos. Los compuestos de carbono contienen energía, y muchos de estos compuestos de plantas y algas han permanecido almacenados como carbono fosilizado, que los humanos usan como combustible. Desde el siglo XIX, el uso de combustibles fósiles se ha acelerado. A medida que la demanda mundial de suministros limitados de combustibles fósiles de la Tierra ha aumentado desde el inicio de la Revolución Industrial, la cantidad de dióxido de carbono en nuestra atmósfera ha aumentado a medida que se queman los combustibles. Este aumento en el dióxido de carbono se ha asociado con el cambio climático y es una preocupación ambiental importante a nivel mundial.

    El ciclo del carbono se estudia más fácilmente como dos subciclos interconectados: uno que se ocupa del intercambio rápido de carbono entre organismos vivos y el otro se ocupa del ciclo a largo plazo del carbono a través de procesos geológicos. Todo el ciclo del carbono se muestra en la Figura\(\PageIndex{3}\).

    La ilustración muestra el ciclo del carbono. El carbono ingresa a la atmósfera como gas dióxido de carbono liberado de las emisiones humanas, la respiración y la descomposición, y las emisiones volcánicas. El dióxido de carbono se elimina de la atmósfera mediante la fotosíntesis marina y terrestre. El carbono de la meteorización de las rocas se convierte en carbono del suelo, que con el tiempo puede convertirse en carbono fósil. El carbono ingresa al océano desde tierra a través de lixiviación y escorrentía. La elevación de los sedimentos oceánicos puede devolver el carbono a la tierra.
    Figura\(\PageIndex{3}\): El gas dióxido de carbono existe en la atmósfera y se disuelve en agua. La fotosíntesis convierte el gas dióxido de carbono en carbono orgánico, y la respiración hace que el carbono orgánico vuelva a convertirse en gas dióxido de carbono. El almacenamiento a largo plazo de carbono orgánico ocurre cuando la materia de organismos vivos se entierra bajo tierra y se fosiliza. La actividad volcánica y, más recientemente, las emisiones humanas devuelven este carbono almacenado al ciclo del carbono. (crédito: modificación de obra de John M. Evans y Howard Perlman, USGS)

    El Ciclo Biológico del Carbono

    Los organismos vivos están conectados de muchas maneras, incluso entre ecosistemas. Un buen ejemplo de esta conexión es el intercambio de carbono entre heterótrofos y autótrofos dentro y entre ecosistemas a través del dióxido de carbono atmosférico. El dióxido de carbono es el componente básico que utilizan los autótrofos para construir compuestos multicarbonados y de alta energía, como la glucosa. La energía aprovechada del Sol es utilizada por estos organismos para formar los enlaces covalentes que unen los átomos de carbono entre sí. Estos enlaces químicos almacenan esta energía para su posterior uso en el proceso de respiración. La mayoría de los autótrofos terrestres obtienen su dióxido de carbono directamente de la atmósfera, mientras que los autótrofos marinos lo adquieren en forma disuelta (ácido carbónico, HCO 3 ). Sin embargo se adquiere el dióxido de carbono, un subproducto de la fijación del carbono en compuestos orgánicos es el oxígeno. Los organismos fotosintéticos son los encargados de mantener aproximadamente el 21 por ciento del contenido de oxígeno de la atmósfera que observamos hoy en día.

    Los socios en el intercambio biológico de carbono son los heterótrofos (especialmente los consumidores primarios, en gran parte herbívoros). Los heterótrofos adquieren los compuestos de carbono de alta energía de los autótrofos al consumirlos y descomponerlos por respiración para obtener energía celular, como el ATP. El tipo de respiración más eficiente, la respiración aeróbica, requiere oxígeno obtenido de la atmósfera o disuelto en agua. Así, existe un intercambio constante de oxígeno y dióxido de carbono entre los autótrofos (que necesitan el carbono) y los heterótrofos (que necesitan el oxígeno). Los autótrofos también respiran y consumen las moléculas orgánicas que forman: usando oxígeno y liberando dióxido de carbono. Liberan más gas oxígeno como producto de desecho de la fotosíntesis del que utilizan para su propia respiración; por lo tanto, hay exceso disponible para la respiración de otros organismos aeróbicos. El intercambio de gases a través de la atmósfera y el agua es una forma en que el ciclo del carbono conecta todos los organismos vivos de la Tierra.

    El Ciclo Biogeoquímico del Carbono

    El movimiento del carbono a través de la tierra, el agua y el aire es complejo y, en muchos casos, ocurre mucho más lentamente geológicamente que el movimiento entre organismos vivos. El carbono se almacena durante largos períodos en lo que se conoce como reservorios de carbono, que incluyen la atmósfera, cuerpos de agua líquida (en su mayoría océanos), sedimentos oceánicos, suelos, rocas (incluidos los combustibles fósiles) y el interior de la Tierra.

    Como se indicó, la atmósfera es un importante reservorio de carbono en forma de dióxido de carbono que es esencial para el proceso de fotosíntesis. El nivel de dióxido de carbono en la atmósfera está muy influenciado por el reservorio de carbono en los océanos. El intercambio de carbono entre la atmósfera y los reservorios de agua influye en la cantidad de carbono que se encuentra en cada uno, y cada uno afecta recíprocamente al otro. El dióxido de carbono (CO 2) de la atmósfera se disuelve en agua y, a diferencia del oxígeno y el gas nitrógeno, reacciona con las moléculas de agua para formar compuestos iónicos. Algunos de estos iones se combinan con iones de calcio en el agua de mar para formar carbonato de calcio (CaCo 3), un componente importante de las conchas de los organismos marinos. Estos organismos eventualmente forman sedimentos en el fondo oceánico. A lo largo del tiempo geológico, el carbonato de calcio forma piedra caliza, que comprende el mayor reservorio de carbono de la Tierra

    En tierra, el carbono se almacena en el suelo como carbono orgánico como resultado de la descomposición de organismos vivos o de la meteorización de rocas terrestres y minerales. Más profundo bajo el suelo, en tierra y en el mar, son los combustibles fósiles, los restos anaeróbicamente descompuestos de plantas que tardan millones de años en formarse. Los combustibles fósiles se consideran un recurso no renovable porque su uso excede con creces su tasa de formación. Un recurso no renovable o bien se regenera muy lentamente o no se regenera en absoluto. Otra forma para que el carbono ingrese a la atmósfera es desde la tierra (incluida la tierra debajo de la superficie del océano) por la erupción de volcanes y otros sistemas geotérmicos. Los sedimentos de carbono del fondo oceánico son capturados profundamente dentro de la Tierra por el proceso de subducción: el movimiento de una placa tectónica debajo de otra. El carbono se libera como dióxido de carbono cuando un volcán entra en erupción o desde respiraderos hidrotermales volcánicos.

    El dióxido de carbono también se agrega a la atmósfera por las prácticas de cría de animales de los humanos. La gran cantidad de animales terrestres criados para alimentar a la creciente población humana de la Tierra da como resultado un aumento de los niveles de dióxido de carbono en la atmósfera causado por su respiración. Este es otro ejemplo de cómo la actividad humana afecta indirectamente a los ciclos biogeoquímicos de manera significativa. Aunque gran parte del debate sobre los efectos futuros del aumento del carbono atmosférico sobre el cambio climático se centra en los combustibles fósiles, los científicos toman en cuenta los procesos naturales, como los volcanes, el crecimiento de las plantas, los niveles de carbono del suelo y la respiración, a medida que modelan y predicen el impacto futuro de este incremento.

    El Ciclo del Nitrógeno

    Llegar nitrógeno al mundo vivo es difícil. Las plantas y el fitoplancton no están equipados para incorporar nitrógeno de la atmósfera (que existe como N 2 covalente fuertemente unido, triple covalente) a pesar de que esta molécula comprende aproximadamente 78 por ciento de la atmósfera. El nitrógeno ingresa al mundo vivo a través de bacterias de vida libre y simbióticas, las cuales incorporan nitrógeno a sus macromoléculas a través de la fijación de nitrógeno (conversión de N 2). Las cianobacterias viven en la mayoría de los ecosistemas acuáticos donde la luz solar está presente; juegan un papel clave en la fijación de nitrógeno. Las cianobacterias son capaces de utilizar fuentes inorgánicas de nitrógeno para “fijar” el nitrógeno. Las bacterias Rhizobium viven simbióticamente en los nódulos radiculares de las leguminosas (como guisantes, frijoles y cacahuetes) y les proporcionan el nitrógeno orgánico que necesitan. Las bacterias de vida libre, como Azotobacter, también son importantes fijadores de nitrógeno.

    El nitrógeno orgánico es especialmente importante para el estudio de la dinámica de los ecosistemas, ya que muchos procesos ecosistémicos, como la producción primaria y la descomposición, están limitados por el suministro disponible de nitrógeno. Como se muestra en la Figura\(\PageIndex{4}\), el nitrógeno que ingresa a los sistemas vivos por fijación de nitrógeno es finalmente convertido del nitrógeno orgánico nuevamente en gas nitrógeno por las bacterias. Este proceso ocurre en tres etapas en los sistemas terrestres: amonificación, nitrificación y desnitrificación. Primero, el proceso de amonificación convierte los desechos nitrogenados de animales vivos o de los restos de animales muertos en amonio (NH 4 +) por ciertas bacterias y hongos. Segundo, este amonio se convierte luego en nitritos (NO 2 ) por bacterias nitrificantes, como las Nitrosomonas, a través de la nitrificación. Posteriormente, los nitritos son convertidos en nitratos (NO 3 ) por organismos similares. Por último, se produce el proceso de desnitrificación, mediante el cual bacterias, como Pseudomonas y Clostridium, convierten los nitratos en gas nitrógeno, permitiendo así que vuelva a entrar en la atmósfera.

    CONEXIÓN ARTE

    La ilustración muestra el ciclo del nitrógeno. El gas nitrógeno de la atmósfera se fija en nitrógeno orgánico mediante bacterias fijadoras de nitrógeno. Este nitrógeno orgánico entra en las redes alimentarias terrestres. Deja las redes alimenticias como desechos nitrogenados en el suelo. La amonificación de este residuo nitrogenado por bacterias y hongos en el suelo convierte el nitrógeno orgánico en ion amonio (NH4 plus). El amonio se convierte en nitrito (NO2 menos), luego en nitrato (NO3 menos) por bacterias nitrificantes. Las bacterias desnitrificantes convierten el nitrato de nuevo en gas nitrógeno, el cual vuelve a entrar en la atmósfera. El nitrógeno de la escorrentía y fertilizantes ingresa al océano, donde ingresa a las redes alimentarias marinas. Parte del nitrógeno orgánico cae al fondo oceánico como sedimento. Otro nitrógeno orgánico en el océano se convierte en iones nitrito y nitrato, que luego se convierte en gas nitrógeno en un proceso análogo al que ocurre en tierra.
    Figura\(\PageIndex{4}\): El nitrógeno ingresa al mundo vivo desde la atmósfera a través de bacterias fijadoras de nitrógeno. Este nitrógeno y desechos nitrogenados de los animales son luego procesados de nuevo en nitrógeno gaseoso por las bacterias del suelo, que también suministran a las redes alimentarias terrestres el nitrógeno orgánico que necesitan. (crédito: modificación de obra de John M. Evans y Howard Perlman, USGS)

    ¿Cuál de las siguientes afirmaciones sobre el ciclo del nitrógeno es falsa?

    1. La amonificación convierte la materia nitrogenada orgánica de organismos vivos en amonio (NH 4 +).
    2. La desnitrificación por bacterias convierte los nitratos (NO 3 ) en gas nitrógeno (N 2).
    3. La nitrificación por bacterias convierte los nitratos (NO 3 ) en nitritos (NO 2 ).
    4. Las bacterias fijadoras de nitrógeno convierten el gas nitrógeno (N 2) en compuestos orgánicos.

    La actividad humana puede liberar nitrógeno al medio ambiente por dos medios principales: la combustión de combustibles fósiles, que liberan diferentes óxidos de nitrógeno, y mediante el uso de fertilizantes artificiales (que contienen compuestos de nitrógeno y fósforo) en la agricultura, que luego se lavan en lagos, arroyos y ríos por escorrentía superficial. El nitrógeno atmosférico (distinto del N 2) está asociado con varios efectos en los ecosistemas de la Tierra, incluyendo la producción de lluvia ácida (como ácido nítrico, HNO 3) y efectos de gases de efecto invernadero (como óxido nitroso, N 2 O), potencialmente causando clima cambio. Un efecto importante de la escorrentía de fertilizantes es la eutrofización de agua salada y agua dulce, un proceso mediante el cual la escorrentía de nutrientes causa el crecimiento excesivo de algas y una serie de problemas consecuentes.

    Un proceso similar ocurre en el ciclo del nitrógeno marino, donde los procesos de amonificación, nitrificación y desnitrificación son realizados por bacterias marinas y arqueas. Parte de este nitrógeno cae al fondo oceánico como sedimento, que luego se puede mover a la tierra en tiempo geológico mediante la elevación de la superficie de la Tierra, y así incorporarse a la roca terrestre. Aunque el movimiento del nitrógeno de la roca directamente a los sistemas vivos se ha visto tradicionalmente como insignificante en comparación con el nitrógeno fijado desde la atmósfera, un estudio reciente demostró que este proceso puede ser significativo y debe incluirse en cualquier estudio del ciclo global del nitrógeno. 1

    El ciclo del fósforo

    El fósforo es un nutriente esencial para los procesos vivos; es un componente importante de los ácidos nucleicos y fosfolípidos, y, como fosfato de calcio, constituye los componentes de soporte de nuestros huesos. El fósforo es a menudo el nutriente limitante (necesario para el crecimiento) en ecosistemas acuáticos, particularmente de agua dulce.

    El fósforo se presenta en la naturaleza como el ion fosfato (PO 4 3-). Además de la escorrentía de fosfato como resultado de la actividad humana, la escorrentía natural de la superficie ocurre cuando se lixivia de rocas que contienen fosfato por medio de la intemperie, enviando así fosfatos a ríos, lagos y océanos. Esta roca tiene sus orígenes en el océano. Los sedimentos oceánicos que contienen fosfato se forman principalmente a partir de los cuerpos de los organismos oceánicos y de sus excreciones. Sin embargo, la ceniza volcánica, los aerosoles y el polvo mineral también pueden ser fuentes significativas de fosfato. Este sedimento luego es trasladado a la tierra a lo largo del tiempo geológico por la elevación de la superficie de la Tierra. (Figura\(\PageIndex{5}\))

    El fósforo también se intercambia recíprocamente entre el fosfato disuelto en el océano y los organismos marinos. El movimiento del fosfato del océano a la tierra y a través del suelo es extremadamente lento, teniendo el ion fosfato promedio un tiempo de residencia oceánica entre 20,000 y 100,000 años.

    La ilustración muestra el ciclo del fósforo. El fósforo ingresa a la atmósfera a partir de aerosoles volcánicos. A medida que este aerosol precipita a la tierra, entra en las redes alimentarias terrestres. Parte del fósforo de las redes alimentarias terrestres se disuelve en arroyos y lagos, y el resto ingresa al suelo. Otra fuente de fósforo son los fertilizantes. El fósforo ingresa al océano a través de la lixiviación y escorrentía, donde se disuelve en el agua del océano o ingresa a las redes alimentarias marinas. Algo de fósforo cae al fondo oceánico donde se convierte en sedimento. Si se produce edificante, este sedimento puede regresar a la tierra.
    Figura\(\PageIndex{5}\): En la naturaleza, el fósforo existe como el ion fosfato (PO 4 3-). La meteorización de las rocas y la actividad volcánica libera fosfato en el suelo, el agua y el aire, donde está disponible para las redes alimentarias terrestres. El fosfato ingresa a los océanos en la escorrentía superficial, el flujo de agua subterránea y el flujo del río El fosfato disuelto en el agua del océano se convierte en ciclos de redes alimentarias marinas. Algo de fosfato de las redes alimentarias marinas cae al fondo oceánico, donde forma sedimentos. (crédito: modificación de obra de John M. Evans y Howard Perlman, USGS)

    El exceso de fósforo y nitrógeno que ingresan a estos ecosistemas por la escorrentía de fertilizantes y de las aguas residuales provocan un crecimiento excesivo de algas La posterior muerte y descomposición de estos organismos agota el oxígeno disuelto, lo que lleva a la muerte de organismos acuáticos, como los mariscos y los peces. Este proceso es responsable de zonas muertas en lagos y en las desembocaduras de muchos ríos principales y de matanzas masivas de peces, que a menudo ocurren durante los meses de verano (ver Figura\(\PageIndex{6}\)).

    Mapa del mundo muestra áreas donde ocurren zonas muertas. Las zonas muertas están presentes a lo largo de la costa este y oeste de los Estados Unidos, en los mares Norte y Mediterráneo, y frente a la costa este de Asia.
    Figura\(\PageIndex{6}\): Las zonas muertas ocurren cuando el fósforo y el nitrógeno de los fertilizantes provocan un crecimiento excesivo de microorganismos, lo que agota el oxígeno y mata la fauna. A nivel mundial, grandes zonas muertas se encuentran en áreas de alta densidad poblacional. (crédito: Robert Simmon, Jesse Allen, Observatorio de la Tierra de la NASA)

    Una zona muerta es un área en lagos y océanos cerca de las desembocaduras de los ríos donde grandes áreas se agotan periódicamente de su flora y fauna normales; estas zonas pueden ser causadas por eutrofización, derrames de petróleo, vertimiento de productos químicos tóxicos y otras actividades humanas. El número de zonas muertas ha aumentado desde hace varios años, y más de 400 de estas zonas estaban presentes a partir de 2008. Una de las peores zonas muertas es frente a la costa de Estados Unidos en el Golfo de México: la escorrentía de fertilizantes de la cuenca del río Mississippi creó una zona muerta de más de 8,463 millas cuadradas. La escorrentía de fosfato y nitrato de fertilizantes también afecta negativamente a varios ecosistemas de lagos y bahías, incluida la bahía de Chesapeake en el este de Estados Unidos.

    CARRERAS EN ACCIÓN: Chesapeake Bay

    La imagen de satélite muestra la bahía de Chesapeake. El recuadro es una foto de un hombre sosteniendo un grupo de ostras.
    Figura\(\PageIndex{7}\): Esta (a) imagen satelital muestra la Bahía de Chesapeake, un ecosistema afectado por escorrentía de fosfatos y nitratos. Un (b) miembro del Cuerpo de Ingenieros del Ejército sostiene un grupo de ostras que se utilizan como parte del esfuerzo de restauración de ostras en la bahía. (crédito a: modificación de obra por NASA/MODIS; crédito b: modificación de obra por parte del Ejército de Estados Unidos)

    La Bahía de Chesapeake (Figura\(\PageIndex{7}\) a) es una de las áreas más pintorescas de la Tierra; ahora está en peligro y es reconocida como un estudio de caso de un ecosistema en declive. En la década de 1970, la bahía de Chesapeake fue uno de los primeros ecosistemas acuáticos en haber identificado zonas muertas, que continúan matando a muchos peces y especies que habitan en el fondo como almejas, ostras y gusanos. Varias especies han disminuido en la bahía de Chesapeake debido a que la escorrentía de agua superficial contiene nutrientes excesivos del uso de fertilizantes artificiales en la tierra. La fuente de los fertilizantes (con alto contenido de nitrógeno y fosfato) no se limita a las prácticas agrícolas. Hay muchas áreas urbanas cercanas y más de 150 ríos y arroyos vacíos en la bahía que están transportando escorrentía de fertilizantes de céspedes y jardines. Por lo tanto, el declive de la bahía de Chesapeake es un tema complejo y requiere la cooperación de la industria, la agricultura y los propietarios de viviendas individuales.

    De particular interés para los conservacionistas es la población de ostras (Figura\(\PageIndex{7}\) b); se estima que en la bahía existieron más de 200,000 acres de arrecifes de ostras en la bahía en el 1700, pero ese número ahora ha disminuido a solo 36 mil acres. La cosecha de ostras fue una vez una industria importante para la bahía de Chesapeake, pero disminuyó 88 por ciento entre 1982 y 2007. Esta disminución fue causada no sólo por la escorrentía de fertilizantes y las zonas muertas, sino también por la sobrecosecha. Las ostras requieren una cierta densidad mínima de población porque deben estar muy cerca para reproducirse. La actividad humana ha alterado la población y ubicación de las ostras, alterando así enormemente el ecosistema.

    La restauración de la población de ostras en la bahía de Chesapeake ha estado en curso desde hace varios años con éxito mixto. No sólo muchas personas encuentran buenas para comer las ostras, sino que las ostras también limpian la bahía. Son alimentadores filtrantes, y a medida que comen, limpian el agua a su alrededor. Los alimentadores filtrantes comen bombeando una corriente continua de agua sobre apéndices finamente divididos (agallas en el caso de las ostras) y capturando procariotas, plancton y partículas orgánicas finas en su moco. En el 1700, se estimó que la población de ostras tardó sólo unos días en filtrar todo el volumen de la bahía. Hoy, con las condiciones del agua cambiadas, se estima que la población actual tardaría casi un año en hacer el mismo trabajo.

    Los esfuerzos de restauración han estado en curso durante varios años por organizaciones sin fines de lucro como la Fundación Chesapeake Bay. El objetivo de la restauración es encontrar una manera de incrementar la densidad poblacional para que las ostras puedan reproducirse de manera más eficiente. Muchas variedades resistentes a enfermedades (desarrolladas en el Instituto de Ciencias Marinas de Virginia para el Colegio de William y Mary) ya están disponibles y se han utilizado en la construcción de arrecifes experimentales de ostras. Los esfuerzos de Virginia y Delaware para limpiar y restaurar la bahía se han visto obstaculizados porque gran parte de la contaminación que ingresa a la bahía proviene de otros estados, lo que enfatiza la necesidad de cooperación interestatal para lograr una restauración exitosa.

    Las nuevas y abundantes cepas de ostras también han generado una industria nueva y económicamente viable, la acuicultura de ostras, que no solo suministra ostras para alimentos y ganancias, sino que también tiene el beneficio agregado de limpiar la bahía.

    El Ciclo del Azufre

    El azufre es un elemento esencial para las macromoléculas de los seres vivos. Como parte del aminoácido cisteína, está involucrado en la formación de proteínas. Como se muestra en la Figura\(\PageIndex{8}\), los ciclos de azufre entre los océanos, la tierra y la atmósfera. El azufre atmosférico se encuentra en forma de dióxido de azufre (SO 2), que ingresa a la atmósfera de tres maneras: primero, a partir de la descomposición de moléculas orgánicas; segundo, por la actividad volcánica y respiraderos geotérmicos; y, tercero, por la quema de combustibles fósiles por parte de los humanos.

    La ilustración muestra el ciclo del azufre. El azufre ingresa a la atmósfera como dióxido de azufre (SO2) a través de emisiones humanas, descomposición de H2S y erupciones volcánicas. Las precipitaciones y las consecuencias de la atmósfera devuelven el azufre a la tierra, donde ingresa a los ecosistemas terrestres. El azufre ingresa a los océanos a través de la escorrentía, donde se incorpora a los ecosistemas marinos. Algo de azufre marino se convierte en pirita, la cual queda atrapada en los sedimentos. Si se produce edificante, la pirita ingresa al suelo y se convierte en sulfatos del suelo.
    Figura\(\PageIndex{8}\): El dióxido de azufre de la atmósfera se pone a disposición de los ecosistemas terrestres y marinos cuando se disuelve en precipitación como ácido sulfúrico débil o cuando cae directamente a la Tierra como lluvia. La meteorización de las rocas también hace que los sulfatos estén disponibles para los ecosistemas terrestres. La descomposición de los organismos vivos devuelve los sulfatos al océano, al suelo y a la atmósfera. (crédito: modificación de obra de John M. Evans y Howard Perlman, USGS)

    En tierra, el azufre se deposita de cuatro formas principales: precipitación, precipitación directa de la atmósfera, meteorización de rocas y respiraderos geotérmicos (Figura\(\PageIndex{9}\)). El azufre atmosférico se encuentra en forma de dióxido de azufre (SO 2), y a medida que la lluvia cae a través de la atmósfera, el azufre se disuelve en forma de ácido sulfúrico débil (H 2 SO 4). El azufre también puede caer directamente de la atmósfera en un proceso llamado lluvia. Además, a medida que las rocas que contienen azufre, el azufre se libera en el suelo. Estas rocas se originan a partir de sedimentos oceánicos que son trasladados a la tierra por la elevación geológica de los sedimentos oceánicos. Los ecosistemas terrestres pueden entonces hacer uso de estos sulfatos del suelo (SO 4 2-), que ingresan a la red alimentaria al ser absorbidos por las raíces de las plantas. Cuando estas plantas se descomponen y mueren, el azufre se libera de nuevo a la atmósfera como gas sulfuro de hidrógeno (H 2 S).

    En la foto se muestra un montículo blanco, en forma de pirámide, con vapor gris que se escapa de él.
    Figura\(\PageIndex{9}\): En este respiradero de azufre en el Parque Nacional Volcánico Lassen, en el noreste de California, los depósitos de azufre amarillentos son visibles cerca de la desembocadura del respiradero. (crédito: “Calbear22” /Wikimedia Commons)

    El azufre ingresa al océano en escorrentía de tierra, de lluvia atmosférica y de respiraderos geotérmicos submarinos. Algunos ecosistemas dependen de los quimioautótrofos que utilizan el azufre como fuente de energía biológica. Este azufre entonces soporta ecosistemas marinos en forma de sulfatos.

    Las actividades humanas han jugado un papel importante en la alteración del equilibrio del ciclo global del azufre. La quema de grandes cantidades de combustibles fósiles, especialmente del carbón, libera grandes cantidades de gas sulfuro de hidrógeno a la atmósfera. A medida que la lluvia cae a través de este gas, crea el fenómeno conocido como lluvia ácida, que daña el ambiente natural al bajar el pH de los lagos, matando así a muchas de las plantas y animales residentes. La lluvia ácida es la lluvia corrosiva causada por el agua de lluvia que cae al suelo a través del gas dióxido de azufre, convirtiéndola en ácido sulfúrico débil, que causa daños a los ecosistemas acuáticos. La lluvia ácida también afecta el ambiente artificial a través de la degradación química de los edificios. Por ejemplo, muchos monumentos de mármol, como el Lincoln Memorial en Washington, DC, han sufrido daños significativos por la lluvia ácida a lo largo de los años. Estos ejemplos muestran los amplios efectos de las actividades humanas en nuestro medio ambiente y los desafíos que quedan para nuestro futuro.

    Resumen de la Sección

    Los nutrientes minerales son ciclados a través de los ecosistemas y su entorno. De particular importancia son el agua, el carbono, el nitrógeno, el fósforo y el azufre. Todos estos ciclos tienen impactos importantes en la estructura y función de los ecosistemas. Como las actividades humanas han causado grandes perturbaciones a estos ciclos, su estudio y modelado es especialmente importante. Los ecosistemas han sido dañados por una variedad de actividades humanas que alteran los ciclos biogeoquímicos naturales debido a la contaminación, derrames de petróleo y eventos que causan el cambio climático global. La salud de la biosfera depende de entender estos ciclos y de cómo proteger al medio ambiente de daños irreversibles.

    Conexiones de arte

    Figura\(\PageIndex{4}\): ¿Cuál de las siguientes afirmaciones sobre el ciclo del nitrógeno es falsa?

    A. La amonificación convierte la materia nitrogenada orgánica de organismos vivos en amonio (NH 4 +).
    B. La desnitrificación por bacterias convierte los nitratos (NO 3 -) en gas nitrógeno (N 2).
    C. La nitrificación por bacterias convierte los nitratos (NO 3 -) en nitritos (NO 2 -).
    D. Las bacterias fijadoras de nitrógeno convierten el gas nitrógeno (N 2) en compuestos orgánicos.

    Contestar

    C: La nitrificación por bacterias convierte los nitratos (NO 3 -) en nitritos (NO 2 -).

    Notas al pie

    1. 1 Scott L. Morford, Benjamin Z. Houlton, y Randy A. Dahlgren, “Aumento del almacenamiento de carbono y nitrógeno del ecosistema forestal a partir del lecho rocoso rico en nitrógeno”, Nature 477, núm. 7362 (2011): 78—81.

    Glosario

    lluvia ácida
    una lluvia corrosiva causada por el agua de lluvia que se mezcla con gas dióxido de azufre a medida que cae a través de la atmósfera, convirtiéndola en ácido sulfúrico débil, causando daños a los ecosistemas acuáticos
    ciclo biogeoquímico
    el ciclo de minerales y nutrientes a través del mundo biótico y abiótico
    zona muerta
    un área en un lago y océano cerca de las desembocaduras de ríos donde grandes áreas están agotadas de su flora y fauna normales; estas zonas pueden ser causadas por eutrofización, derrames de petróleo, vertimiento de químicos tóxicos y otras actividades humanas
    eutrofización
    el proceso por el cual la escorrentía de nutrientes provoca el crecimiento excesivo de microorganismos y plantas en los sistemas acuáticos
    Fallout
    la deposición directa de minerales sólidos en tierra o en el océano desde la atmósfera
    hidrosfera
    la región del planeta en la que existe el agua, incluyendo la atmósfera que contiene vapor de agua y la región debajo del suelo que contiene agua subterránea
    recurso no renovable
    un recurso, como un combustible fósil, que o bien se regenera muy lentamente o nada
    subducción
    el movimiento de una placa tectónica debajo de otra

    Colaboradores y Atribuciones


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