8.7: Ciclos de la Materia

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Las conexiones físicas entre las esferas ambientales son en gran parte a través de ciclos de materia. Involucrando procesos físicos, reacciones químicas y procesos bioquímicos, se denominan ciclos biogeoquímicos. Se denominan comúnmente por el elemento principal involucrado en cada uno, generalmente un nutriente de organismo esencial que incluye carbono, nitrógeno, oxígeno, azufre y fósforo. Un ciclo particularmente importante es el ciclo hidrológico del agua que se muestra en la Figura 8.1. En la Figura 8.5 se muestran aspectos del ciclo de la roca en los que la roca fundida se solidifica, sufre meteorización, tal vez transportada por el agua y depositada como roca sedimentaria, se convierte en roca metamórfica por calor y presión, y finalmente se entierra a grandes profundidades y se funde a producir roca fundida de nuevo. Los procesos antrosféricos también están muy involucrados en los ciclos importantes de la materia como el aporte de nitrógeno químicamente fijado sintetizado a partir de N ₂ atmosférico en el ciclo del nitrógeno.

Las dos partes principales de los ciclos biogeoquímicos son los reservorios en los que la materia está contenida durante algún tiempo y los conductos a través de los cuales se mueve la materia y la energía. Los océanos, la atmósfera, partes de la corteza terrestre y los organismos son reservorios de materia. La atmósfera actúa como un conducto para transportar vapor de agua en el ciclo hidrológico y las corrientes transportan materia sedimentaria en el ciclo de la roca. Los ciclos endógenos, de los cuales el ciclo del fósforo es un ejemplo, son aquellos que ocurren debajo o directamente sobre la superficie de la geosfera sin un componente atmosférico significativo; la mayoría de los ciclos biogeoquímicos son ciclos exógenos en los que la atmósfera sirve de conducto y a menudo como embalse.

La Figura 8.8 ilustra uno de los ciclos biogeoquímicos clave, el ciclo del carbono. Un importante reservorio de carbono se encuentra en la atmósfera como dióxido de carbono. Los procesos fotosintéticos de las plantas extraen cantidades significativas de carbono de la atmósfera y lo fijan como carbono biológico en la biosfera. A su vez, los animales y otros organismos de la biosfera liberan dióxido de carbono de regreso a la atmósfera a través de los procesos respiratorios mediante los cuales utilizan oxígeno y alimentos para la producción de energía. Más dióxido de carbono es liberado a la atmósfera por la combustión de materiales biológicos como la madera y combustibles fósiles incluyendo carbón y petróleo. El dióxido de carbono de la atmósfera se disuelve en agua para producir dióxido de carbono disuelto y carbonatos inorgánicos. Los carbonatos sólidos, particularmente la piedra caliza, se disuelven en cuerpos de agua para producir también carbono inorgánico disuelto. Respiración de materia orgánica por organismos en agua y sedimentos también

Figura 8.8. El ciclo del carbono muestra los diversos reservorios y conductos de especies de carbono en el ambiente. Debido a que algunos compuestos de carbono importantes contienen oxígeno y el oxígeno elemental es liberado a la atmósfera por el proceso fotosintético que fija el carbono del carbono atmosférico como biomasa, el ciclo del carbono está estrechamente relacionado con el ciclo del oxígeno.

produce especies de carbono inorgánico disueltas en agua. Grandes cantidades de carbono se mantienen en la geosfera. Las principales formas de este carbono son el carbono fósil de origen vegetal antiguo en poder de combustibles fósiles, como el carbón y el petróleo, y el carbono inorgánico en rocas carbonatadas, especialmente la piedra caliza. El carbono orgánico de material vegetal parcialmente degradado está presente como material húmico en el suelo, una fuente que se agrega a los organismos que descomponen la biomasa vegetal de la biosfera.

El ciclo del carbono es extraordinariamente importante para mantener la sustentabilidad porque una parte importante de él es la fijación del carbono del dióxido de carbono atmosférico altamente diluido a la biomasa mediante la fotosíntesis realizada por plantas verdes. La biomasa es una fuente de alimentos, energía química y materias primas y el ciclo del carbono contiene la vía principal por la cual la energía solar es capturada y convertida en una forma de energía que puede ser utilizada por los organismos y como combustible.

Otros ciclos importantes de la materia están vinculados al ciclo del carbono. El ciclo del oxígeno describe el movimiento del oxígeno en diversas formas químicas a través de las cinco esferas ambientales. Con 21% de oxígeno elemental por volumen, la atmósfera es un vasto reservorio de este elemento. Este oxígeno se une químicamente como dióxido de carbono por los procesos respiratorios de los organismos y por la combustión. El reservorio de oxígeno atmosférico se agrega por fotosíntesis. El oxígeno es un componente de la biomasa en la biosfera y la mayoría de las rocas en la corteza terrestre están compuestas por compuestos que contienen oxígeno. Con su fórmula química de H ₂ O, el agua en la hidrosfera es predominantemente oxígeno.

Además de los ciclos de carbono y oxígeno descritos anteriormente, otros tres ciclos importantes de elementos vitales son los de nitrógeno, azufre y fósforo:

• Ciclo del nitrógeno: El nitrógeno unido bioquímicamente es esencial para las moléculas de vida, incluyendo proteínas y ácidos nucleicos. Aunque la atmósfera es de aproximadamente 80% en volumen elemental N ₂, esta molécula es tan estable que es difícil dividirla para que el N pueda combinarse con otros elementos. Este proceso se realiza en la antrosfera mediante la síntesis de NH ₃, a partir de N ₂ y H ₂ sobre un catalizador a altas temperaturas y presiones muy altas. Además, los contaminantes del aire NO y NO ₂ se forman a partir de la reacción de N ₂ y O ₂ en condiciones extremas en motores de combustión interna. En contraste, algunas bacterias, entre ellas las bacterias Rhizobium que crecen en las raíces de las leguminosas, convierten el nitrógeno atmosférico en compuestos nitrogenados bajo condiciones muy suaves justo debajo de la superficie del suelo. Las plantas convierten nitrógeno en NH ₄ ⁺ y NO ₃ ^- en N. unido bioquímicamente Como parte del ciclo del nitrógeno, el nitrógeno unido bioquímicamente se libera como NH ₄ ⁺ por la biodegradación de compuestos orgánicos. El ciclo del nitrógeno es completado por microorganismos que utilizan NO ₃ ^- como sustituto del O ₂ en los procesos metabólicos que producen energía y liberan gas N ₂ molecular a la atmósfera. Aparte de la fijación de nitrógeno en la antrosfera y la formación de óxidos de nitrógeno en la atmósfera a partir de descargas de rayos, la mayoría de las transiciones en el ciclo del nitrógeno son realizadas por organismos, especialmente microorganismos.

• Ciclo del azufre: El ciclo del azufre incluye procesos químicos y bioquímicos e involucra todas las esferas del ambiente. El azufre químicamente combinado ingresa a la atmósfera como contaminantes H ₂ S y SO ₂ gases, los cuales también son emitidos por fuentes naturales incluyendo volcanes. Grandes cantidades de H ₂ S son producidas por microorganismos anóxicos que degradan compuestos orgánicos de azufre y utilizan sulfato, SO ₄ ^2-, como agente oxidante y descargados a la atmósfera. Globalmente, un flujo importante de azufre a la atmósfera es en forma de sulfuro de dimetilo volátil, (CH ₃ S), producido por microorganismos marinos. El principal compuesto contaminante de azufre atmosférico es el SO ₂ liberado en la combustión de combustibles que contienen azufre, especialmente carbón. En la atmósfera, los compuestos gaseosos de azufre se oxidan a sulfato, principalmente en forma de H ₂ SO ₄ (lluvia ácida contaminante) y sales de amonio corrosivas (NH ₄ HSO ₄) que se asientan de la atmósfera o se lavan con precipitación. La geosfera es un vasto reservorio de minerales de azufre que incluyen sales de sulfato (_{CaSO 4}), sales de sulfuro (FeS) e incluso azufre elemental. El azufre es un constituyente relativamente menor de las biomoléculas, que se presenta en dos aminoácidos esenciales, pero diversos compuestos de azufre son procesados por reacciones bioquímicas de oxidación-reducción de microorganismos.

• Ciclo del fósforo: A diferencia de todos los ciclos exógenos con un componente atmosférico discutidos anteriormente, el ciclo del fósforo es endógeno sin participación significativa en la atmósfera. Es un elemento vital esencial e ingrediente del ADN así como ATP y ADP a través del cual se transfiere energía en los organismos. El fosfato disuelto en la hidrosfera es un nutriente esencial para los organismos acuáticos, aunque el fosfato excesivo puede resultar en un crecimiento excesivo de algas causando una condición poco saludable llamada eutrofización. El fósforo es abundante en la geosfera, especialmente como el mineral hidroxiapatita, fórmula química Ca ₅ OH (PO ₄) ₃. Se han formado depósitos significativos de material rico en fósforo a partir de las heces de aves y murciélagos (guano).