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3.2: Ciclos biogeoquímicos

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    52803
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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 la transformación energética entre niveles tróficos. En lugar de fluir a través de un ecosistema, la materia que compone los organismos es conservada y reciclada. 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 estos procesos, el reciclaje de la materia inorgánica entre los organismos vivos y su entorno no vivo se denominan ciclos biogeoquímicos.

    Los seis elementos mencionados son utilizados por organismos de diversas maneras. El hidrógeno y el oxígeno se encuentran en el agua y en las moléculas orgánicas, ambas esenciales para la vida. El carbono se encuentra en todas las moléculas orgánicas, mientras que el nitrógeno es un componente importante de los ácidos nucleicos y las proteínas. El fósforo se utiliza para elaborar ácidos nucleicos y los fosfolípidos que comprenden membranas biológicas. Por último, el azufre es crítico para la forma tridimensional de las proteínas.

    El ciclo de estos elementos está interconectado. Por ejemplo, el movimiento del agua es crítico para la lixiviación de azufre y fósforo en ríos, lagos y océanos. Los minerales circulan a través de la biosfera entre los componentes bióticos y abióticos y de un organismo a otro.

    El ciclo del agua

    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 cuerpo humano es alrededor del 60 por ciento de agua y humano las células son más del 70 por ciento de agua. De las reservas de agua en la Tierra, 97.5 por ciento es agua salada (ver Figura\(\PageIndex{1}\) a continuación). Del agua restante, más del 99 por ciento es agua subterránea o hielo. Así, menos del uno por ciento del agua dulce está presente en lagos y ríos. Muchos organismos dependen de este pequeño porcentaje, cuya falta puede tener efectos negativos en 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.

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

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

    El ciclo del agua es impulsado por la energía del Sol ya que calienta los océanos y otras aguas superficiales. Esto lleva a la evaporación (agua líquida 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, nieve, granizo), 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 sobre la tierra ya sea por la lluvia o el hielo derretido La escorrentía puede abrirse paso a través de arroyos y lagos hasta los océanos.

    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. El agua en el suelo puede ser 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 transpiración: el agua ingresa al sistema vascular de las plantas a través de las raíces y se evapora, o transpira, a través de los estomas (pequeñas aberturas microscópicas) de las hojas. Los ecologistas combinan transpiración y evaporación en un solo término que describe el agua devuelta a la atmósfera: la evapotranspiración. 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 donde forma el agua subterránea.

    El agua subterránea es un importante reservorio subsuperficial de agua dulce. Existe en los poros entre partículas en tierra, arena y grava o en las fisuras en las rocas. El agua subterránea puede fluir lentamente a través de estos poros y fisuras y eventualmente encuentra su camino hacia un arroyo o lago donde vuelve a formar parte del agua superficial. Muchos arroyos fluyen no porque se repongan directamente del agua de lluvia sino porque reciben una afluencia constante del agua subterránea de abajo. 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 percolaba desde arriba.

    La lluvia y la escorrentía superficial son las principales formas en que los minerales, incluidos 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.

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    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 segundo elemento más abundante en los organismos, en masa. El carbono está presente en todas las moléculas orgánicas (y algunas moléculas que no son orgánicas como el CO 2), y su papel en la estructura de las biomoléculas es de primordial importancia. Los compuestos de carbono contienen energía, y muchos de estos compuestos de plantas muertas y algas se han fosilizado durante millones de años y se conocen como combustibles fósiles. Desde el siglo XIX, el uso de combustibles fósiles se ha acelerado. Desde el inicio de la Revolución Industrial la demanda de suministros limitados de combustibles fósiles de la Tierra ha aumentado, provocando que la cantidad de dióxido de carbono en nuestra atmósfera aumente drásticamente. Este aumento en el dióxido de carbono está 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. El ciclo completo del carbono se muestra en la Figura\(\PageIndex{3}\) a continuación.

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    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 están conectados de muchas maneras, incluso entre diferentes ecosistemas. Un buen ejemplo de esta conexión es el intercambio de carbono entre heterótrofos y autótrofos a través del dióxido de carbono atmosférico. El dióxido de carbono (CO 2) es el componente básico que utilizan los autótrofos para construir compuestos 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 (bicarbonato, HCO 3 ).

    El carbono pasa de los productores a niveles tróficos más altos a través del consumo. Por ejemplo, cuando una vaca (consumidor primario) come pasto (productor), obtiene algunas de las moléculas orgánicas originalmente hechas por la fotosíntesis de la planta. Esos compuestos orgánicos pueden pasarse entonces a niveles tróficos más altos, como los humanos, cuando comemos a la vaca. En cada nivel, sin embargo, los organismos están realizando la respiración, proceso en el que las moléculas orgánicas se descomponen para liberar energía. A medida que estas moléculas orgánicas se descomponen, el carbono se elimina de las moléculas de los alimentos para formar CO 2, un gas que ingresa a la atmósfera. Así, el CO 2 es un subproducto de la respiración. Recordemos que el CO 2 es consumido por los productores durante la fotosíntesis para elaborar moléculas orgánicas. A medida que estas moléculas se descomponen durante la respiración, el carbono vuelve a entrar en la atmósfera como CO 2. El intercambio de carbono como este conecta potencialmente a todos los organismos de la Tierra. Piensa en esto: el carbono en tu ADN alguna vez fue parte de la planta; hace millones de años quizás era parte de dinosaurio.

    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 que el movimiento entre organismos. 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. El dióxido de carbono (CO 2) de la atmósfera se disuelve en agua y 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 finalmente mueren y sus conchas 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 o de la meteorización de rocas terrestres y minerales (los suelos del mundo contienen significativamente más carbono que la atmósfera, a modo de comparación). Más profundo bajo tierra son los combustibles fósiles, los restos descompuestos anaeróbicamente de plantas y algas que vivieron hace millones de años. 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 Ciclo del Nitrógeno

    Es difícil introducir nitrógeno en los organismos vivos. Las plantas y el fitoplancton no están equipados para incorporar nitrógeno de la atmósfera (donde existe como N 2 covalente fuertemente unido y triple) a pesar de que esta molécula comprende aproximadamente el 78 por ciento de la atmósfera. El nitrógeno ingresa al mundo vivo a través de bacterias simbióticas y de vida libre, las cuales incorporan nitrógeno a sus moléculas orgánicas a través de procesos bioquímicos especializados. Ciertas especies de bacterias son capaces de realizar la fijación de nitrógeno, el proceso de convertir gas nitrógeno en amoníaco (NH 3), que espontáneamente se convierte en amonio (NH 4 +). El amonio es convertido por las bacterias en nitritos (NO 2 ) y luego nitratos (NO 3 ). En este punto, las moléculas que contienen nitrógeno son utilizadas por plantas y otros productores para elaborar moléculas orgánicas como el ADN y las proteínas. Este nitrógeno ya está disponible para los consumidores.

    El nitrógeno orgánico es especialmente importante para el estudio de la dinámica de los ecosistemas porque muchos procesos ecosistémicos, como la producción primaria, están limitados por el suministro disponible de nitrógeno. Como se muestra en la Figura\(\PageIndex{4}\) a continuación, el nitrógeno que ingresa a los sistemas vivos es finalmente convertido del nitrógeno orgánico de nuevo en gas nitrógeno por las bacterias (Figura\(\PageIndex{4}\)). El proceso de desnitrificación es cuando las bacterias convierten los nitratos en gas nitrógeno, permitiendo así que vuelvan a entrar en la atmósfera.

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    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: “Ciclo de nitrógeno” de Johann Dréo & Raeky está licenciado bajo CC BY-SA 3.0)

    La actividad humana puede alterar el ciclo del nitrógeno por dos medios primarios: la combustión de combustibles fósiles, que liberan diferentes óxidos de nitrógeno, y por 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 superficie escurrimiento. 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 el cambio climático. 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, el agotamiento de oxígeno y la muerte de la fauna acuática.

    En los ecosistemas marinos, los compuestos nitrogenados creados por bacterias, o por descomposición, se acumulan en los sedimentos del fondo oceánico. Luego puede trasladarse a tierra en tiempo geológico mediante la elevación de la corteza terrestre 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.

    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 abajo)

    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.

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    Figura\(\PageIndex{5}\). En la naturaleza, el fósforo existe como el ion fosfato (PO43-). 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 escorrentía superficial, flujo de agua subterránea y flujo de 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 mariscos y 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\(\PageIndex{6}\) a continuación).

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    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, se encuentran grandes zonas muertas en zonas costeras de alta densidad poblacional. (crédito: 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 son causadas por la eutrofización aunada a otros factores como los derrames de petróleo, el 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.

    El Ciclo del Azufre

    El azufre es un elemento esencial para las moléculas de los seres vivos. Como parte del aminoácido cisteína, está involucrado en la formación de proteínas. Como se muestra en la Figura\(\PageIndex{7}\) a continuación, 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.

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    Figura\(\PageIndex{7}\). 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. 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 absorbidas 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).

    El azufre ingresa al océano en escorrentía de tierra, de lluvia atmosférica y de respiraderos geotérmicos submarinos. Algunos ecosistemas dependen de quimioautótrofos que utilizan 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.

    Lectura suplementaria sugerida

    Bruckner, M. 2018. La Zona Muerta del Golfo de México. [Sitio web] < https://serc.carleton.edu/microbelif...one/index.html >

    Colaboradores y Atribuciones

    • Ciclos Biogeoquímicos de OpenStax está licenciado bajo CC BY 4.0. Modificado del original por Matthew R. Fisher.

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