26.3: 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 múltiples transferencias entre niveles tróficos. Sin embargo, la materia que conforma los organismos vivos 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 este reciclaje de materiales. 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 se denomina ciclo biogeoquímico.

El agua contiene hidrógeno y oxígeno, que 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 y debajo de la superficie o congelada (ríos, lagos, océanos, aguas subterráneas, 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 del ácido nucleico (junto con el nitrógeno), es uno de los principales ingredientes en los fertilizantes artificiales utilizados en la agricultura y sus impactos ambientales asociados en nuestras aguas superficiales. El azufre, crítico para el plegamiento 3—D de las proteínas (como en la unión disulfuro), es liberado a la atmósfera por la quema de combustibles fósiles, como el carbón.

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. Además, el océano en sí es un importante reservorio de carbono. Así, los nutrientes minerales son ciclados, ya sea rápida o lentamente, a través de toda la biosfera, de un organismo vivo a otro, y entre el mundo biótico y abiótico.

El ciclo del agua (hidrológico)

El agua es la base de todos los procesos vivos. El cuerpo humano es más de 1/2 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. No obstante, al examinar las reservas de agua en la Tierra, 97.5 por ciento de ella es agua salada no potable (Figura$\PageIndex{1}$). Del agua restante, el 99 por ciento está encerrado bajo tierra como agua o como hielo. Así, menos del 1 por ciento del agua dulce es fácilmente accesible desde lagos y ríos. Muchos seres vivos, como plantas, animales y hongos, dependen de la pequeña cantidad de suministro de agua dulce superficial, una falta de la cual puede tener efectos masivos 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 problema importante en los tiempos modernos.

El gráfico circular muestra que 97.5 por ciento del agua en la Tierra, o 1,365,000,000 km3, 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. 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. (crédito: “agua dulce” de OpenStax está licenciado bajo CC BY 4.0)

El ciclismo acuático es extremadamente importante para la dinámica de los ecosistemas. El agua tiene una gran influencia en el clima y, por lo tanto, en los ambientes de los ecosistemas, algunos ubicados en partes distantes de la Tierra. La mayor parte del agua en la Tierra se almacena durante largos períodos en los océanos, bajo tierra y como hielo. La figura$\PageIndex{2}$ ilustra el tiempo promedio que una molécula de agua individual puede pasar en los principales reservorios de agua de la Tierra. El tiempo de residencia es una medida del tiempo promedio que una molécula de agua individual permanece en un reservorio particular. Una gran cantidad del agua de la Tierra está bloqueada en su lugar en estos embalses como hielo, debajo del suelo, y en el océano, y, por lo tanto, no está disponible para ciclos a corto plazo (solo las aguas superficiales pueden evaporarse).

Las barras de la gráfica muestran el tiempo promedio de residencia de las moléculas de agua en diversos embalses. El tiempo de residencia de los glaciares y el permafrost es de 1,000 a 10,000 años. El tiempo de residencia para las aguas subterráneas es de 2 semanas a 10,000 años. El tiempo de residencia para océanos y mares es de 4,000 años. El tiempo de residencia para lagos y embalses es de 10 años. El tiempo de residencia para los pantanos es de 1 a diez años. El tiempo de residencia para la humedad del suelo es de 2 semanas a 1 año. El tiempo de residencia para los ríos es de 2 semanas. El tiempo de residencia atmosférico es de 1.5 semanas. El tiempo de residencia biosférica, o el tiempo de residencia en organismos vivos, es de 1 semana. — **Figura$\PageIndex{2}$:** Esta gráfica muestra el tiempo promedio de residencia de las moléculas de agua en los reservorios de agua de la Tierra. (crédito: “molécula de agua del tiempo” de OpenStax está licenciado bajo CC BY 4.0)

Existen diversos procesos que ocurren durante el ciclo del agua, que se muestran en la Figura$\PageIndex{3}$. Estos procesos incluyen los siguientes:

evaporación/sublimación
condensación/precipitación
flujo de agua subsuperficial
escurrimiento superficial/derretimiento de nieve
flujo de corriente

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 a vapor de agua) del agua superficial líquida y la sublimación (hielo a vapor de agua) del agua congelada, que deposita grandes cantidades de vapor de agua en la atmósfera. Con el tiempo, este vapor de agua se condensa en nubes como gotas líquidas o congeladas y eventualmente es seguido por la precipitación (lluvia o nieve), que devuelve el agua a la superficie de la Tierra. La lluvia eventualmente impregna el suelo, donde puede evaporarse nuevamente si está cerca de la superficie, fluye debajo de la superficie o se almacena durante largos períodos. Se observa más fácilmente la escorrentía superficial: el flujo de agua dulce ya sea de la lluvia o del hielo derretido. La escorrentía puede entonces abrirse paso a través de arroyos y lagos hasta los océanos o fluir directamente a los océanos mismos.

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 por 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$\PageIndex{3}$:** 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 agua” de OpenStax está licenciado bajo CC BY 4.0)

El ciclo del carbono

El carbono es el segundo 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 especialmente alta energía, particularmente aquellos derivados de organismos fosilizados, principalmente plantas, que los humanos usan como combustible. Desde el siglo XIX, el número de países que utilizan cantidades masivas de combustibles fósiles ha aumentado. Desde el inicio de la Revolución Industrial, la demanda global de los limitados suministros de combustibles fósiles de la Tierra ha aumentado; por lo tanto, la cantidad de dióxido de carbono en nuestra atmósfera ha aumentado. Este aumento en el dióxido de carbono se ha asociado con el cambio climático y otras perturbaciones de los ecosistemas de la Tierra y es una preocupación ambiental importante a nivel mundial. Así, la “huella de carbono” se basa en la cantidad de dióxido de carbono que se produce y la cantidad de combustibles fósiles que consumen los países.

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$\PageIndex{4}$.

La ilustración muestra el ciclo del carbono. El carbono ingresa a la atmósfera como gas dióxido de carbono que se libera 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$\PageIndex{4}$:** 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 del carbono” de OpenStax está licenciado bajo CC BY 4.0)

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 autótrofos y heterótrofos dentro y entre ecosistemas a través del dióxido de carbono atmosférico. El dióxido de carbono es el componente básico que la mayoría de los autótrofos utilizan 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 así 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, H ₂ CO ₃ ⁻). Sin embargo se adquiere dióxido de carbono, un subproducto del proceso es el oxígeno. Los organismos fotosintéticos son los encargados de depositar aproximadamente el 21 por ciento de contenido de oxígeno de la atmósfera que observamos hoy en día.

Los heterótrofos y autótrofos son socios en el intercambio biológico de carbono (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). 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 como se ve 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, sedimentos terrestres (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 y 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 ubicación, y cada uno afecta recíprocamente al otro. El dióxido de carbono (CO ₂) de la atmósfera se disuelve en agua y se combina con moléculas de agua para formar ácido carbónico, y luego se ioniza a iones carbonato y bicarbonato (Figura$\PageIndex{5}$)

En el paso 1, el dióxido de carbono atmosférico se disuelve en agua. En la etapa 2 el dióxido de carbono disuelto (CO2) reacciona con agua (H2O) para formar ácido carbónico (H2CO3). En la etapa 3, el ácido carbónico se disocia en un protón (H plus) y un ion bicarbonato (HCO3 menos). En la etapa 4 el ion bicarbonato se disocia en otro protón y un ion carbonato (CO3 menos dos). — **Figura$\PageIndex{5}$:** El dióxido de carbono reacciona con el agua para formar iones bicarbonato y carbonato. (crédito: “Ciclo de Carbono Biogeoquímico” de OpenStax está licenciado bajo CC BY 4.0)

Los coeficientes de equilibrio son tales que más del 90 por ciento del carbono en el océano se encuentra como iones bicarbonato. Algunos de estos iones se combinan con calcio de agua de mar para formar carbonato de calcio (CaCo ₃), un componente importante de las conchas de 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 resultado de la descomposición de organismos vivos (por descomponedores) o de la meteorización de rocas terrestres y minerales. Este carbono puede ser lixiviado en los depósitos de agua por escorrentía superficial. Más profundo bajo tierra, 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, como el combustible fósil, 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 tomados en lo profundo 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. El gran número de animales terrestres criados para alimentar a la creciente población de la Tierra da como resultado un aumento de los niveles de dióxido de carbono en la atmósfera debido a las prácticas agrícolas, la respiración y la producción de metano. Este es otro ejemplo de cómo la actividad humana afecta indirectamente a los ciclos biogeoquímicos de manera significativa. Si bien 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 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$\PageIndex{6}$, el nitrógeno que ingresa a los sistemas vivos por fijación de nitrógeno es convertido sucesivamente de nitrógeno orgánico nuevamente en gas nitrógeno por 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, el amonio se convierte 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. En tercer lugar, se produce el proceso de desnitrificación, mediante el cual bacterias, como Pseudomonas y Clostridium, convierten los nitratos en gas nitrógeno, lo que le permite reingresar a la atmósfera.

Esta ilustración muestra el ciclo del nitrógeno. El gas nitrógeno de la atmósfera se fija en nitrógeno orgánico por bacterias fijadoras de nitrógeno. Este nitrógeno orgánico ingresa a las redes alimentarias terrestres, y 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, que vuelve a ingresar a 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$\PageIndex{6}$:** 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. “Ciclo de Nitrógeno” de OpenStax está licenciado bajo CC BY 4.0)

La actividad humana puede liberar nitrógeno al ambiente por dos medios primarios: la combustión de combustibles fósiles, que libera diferentes óxidos de nitrógeno, y por el uso de fertilizantes artificiales en la agricultura, que luego son lavados en lagos, arroyos y ríos por escorrentía superficial. El nitrógeno atmosférico está asociado con varios efectos en los ecosistemas de la Tierra, incluyendo la producción de lluvia ácida (como ácido nítrico, HNO ₃) y gases de efecto invernadero (como óxido nitroso, N ₂ O) potencialmente causantes del 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 microorganismos, agotando los niveles de oxígeno disuelto y matando la fauna del ecosistema.

Un proceso similar ocurre en el ciclo del nitrógeno marino, donde los procesos de amonificación, nitrificación y desnitrificación son realizados por bacterias marinas. Parte de este nitrógeno cae al fondo oceánico como sedimento, que luego puede trasladarse a tierra en tiempo geológico por 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 ( Morford, Houlton y Dahlgren, 2011).

El ciclo del fósforo

El fósforo es un nutriente esencial para los procesos vivos; es un componente importante del ácido nucleico y los fosfolípidos, y, como fosfato de calcio, constituye los componentes de soporte de nuestros huesos. El fósforo suele ser el nutriente limitante (necesario para el crecimiento) en los ecosistemas acuáticos (Figura$\PageIndex{7}$).

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, en regiones remotas, las cenizas volcánicas, 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 áreas de la superficie terrestre.

El fósforo también se intercambia recíprocamente entre el fosfato disuelto en el océano y los ecosistemas 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 fosfato 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 fosfato de las redes alimentarias terrestres se disuelve en arroyos y lagos, y el resto ingresa al suelo. Otra fuente de fosfato son los fertilizantes. El fosfato 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 fosfato cae al fondo del océano donde se convierte en sedimento. Si se produce edificante, este sedimento puede regresar a la tierra. — **Figura$\PageIndex{7}$:** 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 a través de 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. “ciclo de fósforo” de OpenStax está licenciado bajo CC BY 4.0)

El exceso de fósforo y nitrógeno que ingresa a estos ecosistemas a partir de la escorrentía de fertilizantes y de las aguas residuales provoca un crecimiento excesivo de microorganismos y agota el oxígeno disuelto, lo que lleva a la muerte de muchas fauna ecosistémicas, como los mariscos y los peces. Este proceso es responsable de zonas muertas en lagos y en las desembocaduras de muchos ríos principales (Figura$\PageIndex{8}$).

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$\PageIndex{8}$:** 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. “zonas muertas” de OpenStax está licenciado bajo CC BY 4.0)

Una zona muerta es un área dentro de un ecosistema de agua dulce o marino donde grandes áreas están agotadas de su flora y fauna normales; estas zonas pueden ser causadas por derrames de petróleo, vertimiento de químicos tóxicos y otras actividades humanas. El número de zonas muertas ha ido en aumento 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, donde la escorrentía de fertilizantes de la cuenca del río Mississippi ha creado una zona muerta de más de 8463 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.

Conexión diaria - Bahía de Chesapeake

La bahía de Chesapeake ha sido valorada durante mucho tiempo como una de las zonas más pintorescas de la Tierra. Ahora está en apuros y es reconocido como un ecosistema en declive. En la década de 1970, la bahía de Chesapeake fue uno de los primeros ecosistemas 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 la escorrentía de agua superficial que contiene nutrientes excesivos de fertilizantes artificiales utilizados 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. Así, 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 cotidianas.

De particular interés para los conservacionistas es la población de ostras; se estima que más de 200,000 acres de arrecifes de ostras existieron en la bahía en el siglo 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 se debió no sólo a la escorrentía de fertilizantes y a las zonas muertas sino también a 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 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 también limpian la bahía. Las ostras son comederos filtrantes, y a medida que comen, limpian el agua que las rodea. En la década de 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 para limpiar y restaurar la bahía por parte de Virginia y Delaware 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 enlaces disulfuro dentro de las proteínas, que ayudan a determinar sus patrones de plegamiento 3-D, y de ahí sus funciones. Como se muestra en la Figura$\PageIndex{9}$, 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) y entra a la atmósfera de tres maneras: a partir de la descomposición de moléculas orgánicas, de la actividad volcánica y de los respiraderos geotérmicos, y de la quema de combustibles fósiles por parte de los humanos.

En tierra, el azufre se deposita de cuatro formas principales: precipitación, precipitación directa de la atmósfera, meteorización de rocas y respiraderos geotérmicos (Figura$\PageIndex{10}$). 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, la meteorización de rocas que contienen azufre libera azufre 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 ( $SO 4 - " id="MathJax-Element-20-Frame" role="presentation"> SO 4 2-$ ), y tras la muerte y descomposición de estos organismos, liberan el azufre de nuevo a la atmósfera como gas sulfuro de hidrógeno (H ₂ S).

Esta foto muestra un montículo blanco en forma de pirámide con vapor gris escapando de él. — **Figura$\PageIndex{10}$:** 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: “ventilación de azufre” de OpenStax está licenciado bajo CC BY 4.0)

El azufre ingresa al océano a través de la escorrentía de la tierra, las consecuencias atmosféricas y los 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 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. 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 daña el ambiente natural al disminuir el pH de los lagos, lo que mata a gran parte de la fauna residente; 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

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. Una variedad de actividades humanas, como la contaminación, los derrames de petróleo y otros eventos han dañado los ecosistemas, potencialmente causando el cambio climático global. La salud de la Tierra depende de entender estos ciclos y de cómo proteger al medio ambiente de daños irreversibles.

Referencias

Morford, S., Houlton, B. y Dahlgren, R. 2011. “Aumento del almacenamiento de carbono y nitrógeno del ecosistema forestal a partir de roca rocosa rica en nitrógeno”, Nature 477, núm. 7362:78—81.

OpenStax, Biología. OpenStax CNX. 26 de junio de 2020. https://cnx.org/contents/GFy_h8cu@10.137:noBcfThl@7/Understanding-Evolution.