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CICLO DEL NITROGENO
El ciclo del nitrógeno es cada uno de los procesos biológicos y abióticos en que se
basa el suministro de este elemento de los seres vivos. Es uno de los ciclos
biogeoquímicos importantes en que se basa el equilibrio dinámico de composición
de la biosfera terrestre.
Fijación y asimilación de nitrógeno
El primer paso en el ciclo es la fijación del nitrógeno de la atmósfera (N2) a formas
distintas susceptibles de incorporarse a la composición del suelo o de los seres
vivos, como elion amonio (NH4+) o los iones nitrito (NO2
–) o nitrato (NO3–) (aunque
el amonio puede usarse por la mayoría de los seres vivos, las bacterias del suelo
derivan la energía de la oxidación de dicho compuesto a nitrito y últimamente a
nitrato), y también su conversión a sustancias atmosféricas químicamente activas,
como el dióxido de nitrógeno (NO2), que reaccionan fácilmente para originar
alguna de las anteriores.
Fijación abiótica:
La fijación natural puede ocurrir por procesos químicos espontáneos, como la
oxidación que se produce por la acción de los rayos, que forma óxidos de
nitrógeno a partir del nitrógeno atmosférico.
Fijación biológica de nitrógeno :
Es un fenómeno fundamental que depende de la habilidad metabólica de unos
pocos organismos, llamados diazótrofos en relación a esta habilidad, para tomar
N2 y reducirlo a nitrógeno orgánico:
N2 + 8H+ + 8e− + 16 ATP → 2NH3 + H2 + 16ADP + 16 Pi
Amonificación
La amonificación es la conversión a ion amonio del nitrógeno, en la materia viva
aparece principalmente como grupos amino (-NH2) o imino (-NH-). Los animales,
que no oxidan el nitrógeno, se deshacen del que tienen en exceso en forma de
distintos compuestos. El nitrógeno biológico que no llega ya como amonio al
sustrato, la mayor parte en ecosistemas continentales, es convertido a esa forma
por la acción de microorganismos descomponedores. El ion amonio del nitrógeno
es considerado una parte esencial de este proceso.
CICLO
Algunas bacterias convierten amoníaco en nitrito y otras transforman éste en
nitrato. Una de estas bacterias (Rhizobium) se aloja en nódulos de las raíces de
las leguminosas(alfalfa, alubia, etc.) y por eso esta clase de plantas son tan
interesantes para hacer un abonado natural de los suelos.
Nitrificación
La nitrificación es la oxidación biológica del amonio al nitrato
por microorganismos aerobios que usan el oxígeno molecular (O2) como receptor
de electrones, es decir, como oxidante. A estos organismos el proceso les sirve
para obtener energía, al modo en que los heterótrofos la consiguen oxidando
alimentos orgánicos a través de la respiración celular. El C lo consiguen del
CO2 atmosférico, así que son organismos autótrofos.
El proceso consiste en dos procesos distintos, separados y consecutivos,
realizados por organismos diferentes:
Nitritación.
Partiendo de amonio se obtiene nitrito (NO2–). Lo realizan bacterias de, entre otros,
los géneros Nitrosomonas y Nitrosococcus.
Nitratación.
Partiendo de nitrito se produce nitrato (NO3–). Lo realizan bacterias del
género Nitrobacter.
La combinación de amonificación y nitrificación devuelve a una forma asimilable
por las plantas, el nitrógeno que ellas tomaron del suelo y pusieron en circulación
por la cadena trófica.
Desnitrificación
La desnitrificación es la reducción del ion nitrato (NO3–), presente en el suelo o el
agua, a nitrógeno molecular (N2), la sustancia más abundante en la composición
del aire. Por su lugar en el ciclo del nitrógeno este proceso es el opuesto a la
fijación del nitrógeno.
El proceso es parte de un metabolismo degradativo de la clase
llamada respiración anaerobia, en la que distintas sustancias, en este caso el
nitrato, toman el papel de oxidante (aceptor de electrones) que en la respiración
celular normal o aerobia corresponde al oxígeno (O2). El proceso se produce en
condiciones anaerobias por bacterias que normalmente prefieren utilizar el
oxígeno si está disponible.
El proceso sigue unos pasos en los que el átomo de nitrógeno se encuentra
sucesivamente bajo las siguientes formas:
Nitrato → nitrito → óxido nítrico → óxido nitroso → nitrógeno molecular
Expresado como reacción redox:
2NO3- + 10e- + 12H+ → N2 + 6H2O
Como se ha dicho más arriba, la desnitrificación es fundamental para que el
nitrógeno vuelva a la atmósfera, la única manera de que no termine disuelto
íntegramente en los mares, dejando sin nutrientes a la vida continental. Sin la
desnitrificación la fijación de nitrógeno, abiótica y biótica, terminaría por provocar
la depleción (eliminación) del N2atmosférico.
La desnitrificación es empleada, en los procesos técnicos de depuración
controlada de aguas residuales, para eliminar el nitrato, cuya presencia favorece la
eutrofización y reduce la potabilidad del agua, porque se reduce a nitrito por
la flora intestinal, y éste es cancerígeno.
Reducción desasimilatoria
Es la conversión del nitrato y nitrito a la forma gaseosa N2O y a la forma
ion amonio. Se produce en estercoleros y turberas donde residen bacterias del
género Citrobacter sp. Este género es típico de las coliformes enterofecales, por lo
que también forma parte de la flora intestinal de mamíferos, ya que procesan parte
de la lactosa que ingieren. En principio se estudió esta bacteria en las turberas
debido a que son productoras de óxido de nitrógeno NO2, un gas de efecto
invernadero, en la actualidad se realizan estudios de las baterías enzimáticas
relacionadas con el retorno de amonio al suelo y su inhibición en presencia de
sulfatos.
CICLO DEL CARBONO
Este ciclo describe los intercambios de carbono entre las cuatro reservas naturales
de este elemento, que son: la atmósfera, los océanos, los sedimentos fósiles y la
biosfera terrestre, de los cuales depende la regulación del clima en el planeta.
El carbono es el cuarto elemento químico más abundante en el universo y forma
parte de todas las moléculas orgánicas como la glucosa, las proteínas y los ácidos
nucleicos. Este elemento se renueva en la atmósfera cada 20 años gracias a los
mecanismos de respiración de las plantas y a la actividad de los microorganismos
del suelo. Gracias a la clorofila contenida en las plantas verdes, éstas toman el
CO2del aire durante la fotosíntesis y posteriormente liberan el oxígeno que lo
reemplazará.
Existen dos tipos de carbono: el inorgánico y el orgánico
Carbono inorgánico
Se forma cuando los organismos marinos emplean parte del CO2del agua para
formar caparazones o arrecifes ricos en carbonato cálcico (CaCO3). Al morir,
estos residuos quedan depositados en el fondo oceánico formando rocas
sedimentarias en las que el carbono queda excluido del ciclo durante millones de
años. Este carbono vuelve al ciclo cuando las rocas quedan expuestas por
movimientos geológicos (p. ej. erupciones volcánicas) y se disuelven por el calor y
los diferenciales de humedad.
En algunas ocasiones la materia orgánica queda sepultada a grandes
profundidades sin contacto con el oxígeno que la descompone, produciéndose así
la fermentación que generará el carbón, petróleo y gas natural. La actual
explotación de estos recursos fósiles es una de las principales causas del cambio
climático
Carbono orgánico
Es de intercambio rápido y está presente en todos los compuestos orgánicos,
incluyendo el suelo. Existen cinco rutas naturales de transformación en las que los
humanos tienen intervención directa.
1. De la atmósfera a las plantas, mediante la generación de azúcar por la
fotosíntesis. Un solo árbol absorbe como promedio una tonelada de CO2del aire a
lo largo de su vida.
2. De las plantas a los animales, mediante las cadenas alimenticias.
3. De los seres vivos a la atmósfera, mediante la respiración.
4. De las plantas y animales al suelo, donde al morir, son descompuestos e
integrados en las moléculas de arcilla, limo o arenas mediante procesos como la
humificación, la translocación o la mineralización.
5. De la atmósfera a los cuerpos de agua, mediante la disolución del carbono y de
la transformación de CO2a carbonatos por los organismos marinos.
Almacenes y sumideros
Existen tres tipos de almacenes para el carbono orgánico de ciclo rápido o
biológico, de acuerdo con su ubicación respecto a la superficie del suelo: i) el
almacén aéreo es la vegetación, ii) el almacén superficial es el mantillo (hojarasca
y capa de fermentación) y iii) el almacén subterráneo lo constituyen el suelo y las
raíces de las plantas.
Los bosques primarios (nativos) son buenos almacenes de carbono, mas no
sumideros, ya que su flujo de carbono con la atmósfera es mínimo; lo contrario
ocurre con los bosques secundarios (modificados por el hombre), en los que existe
mayor capacidad de conversión de CO2 atmosférico a biomasa, por encontrarse
en crecimiento. El almacén más estable después del océano es el suelo pero
también es el más difícil de incrementar ya que se requiere un tiempo prolongado
para conseguirlo.
Los factores que determinan el potencial como sumidero del suelo son la
profundidad, el peso del suelo, la textura, los tipos y combinaciones de arcillas
presentes, el grado de humedad y el volumen ocupado por fragmentos gruesos
donde el carbono orgánico no puede enlazarse fácilmente.
Los almacenes de carbono inorgánico más importantes, constituidos
principalmente por carbonatos de calcio se encuentran en las zonas de origen
sedimentario ubicadas en Argentina, Bolivia, el norte de México y el norte de Chile.
FUENTES ANTROPOGENICAS DEL CARBONO
A las vías de transformación del carbono ya mencionadas se debe añadir la
intervención humana como principal fuente de perturbación del ciclo natural del
carbono por medio de cuatro mecanismos principales:
1. Quema de combustibles fósiles
El carbono contenido originalmente en los combustibles fósiles -carbón, gas
natural y petróleo- se transforma en CO2 atmosférico durante la generación de
electricidad, el transporte, el uso residencial, la pesca y la minería. De estos
combustibles, el gas es la opción menos contaminante pero sólo Venezuela lo usa
en forma importante. Otros países como Argentina ya han legislado sobre la
obligatoriedad de su uso en los próximos años. El carbón por su parte, es barato y
abundante, pero es el más contaminante de todos ellos
2. Extracción y procesamiento de minerales del suelo y subsuelo
Cuando se fabrica cemento, cal y dolomita, se transloca el carbono contenido en
el suelo y subsuelo hacia el exterior donde es más fácilmente transformado por
calor o disolución directa con otras sustancias químicas. México tiene por ejemplo
la fábrica cementera más grande del mundo (CEMEX), donde se producen
alrededor de 2,8 Tg de cal y cemento que equivalen a la extracción y movimiento
directo de 1,2 Gg de carbono directamente.
3. Cambio de cobertura y uso del suelo
En los países latinoamericanos se da una enorme cantidad y variantes en los usos
del suelo. El Panel Intergubernamental de Cambio Climático (IPCC) contempla al
menos 225 transiciones. Las que destacan, por su mayor liberación de carbono a
la atmósfera, son los cambios de bosque a pastizal, de bosque a agricultura, de
bosque a zona sin cobertura vegetal y de bosque conservado a bosque
degradado. Por el contrario, los cambios con mayor absorción de carbono son de
agricultura a terreno en descanso y de pastizal a bosque. Según World Wide Fund
for Nature, en América Latina y el Caribe cerca del 44% de la superficie es bosque
húmedo tropical y subtropical, el 18% pastizales y el 11% son desiertos y
matorrales xerófilos. Los sistemas boscosos sin intervención humana tienen un
aparente equilibrio entre síntesis y liberación de carbono hacia la atmósfera
4. Agricultura y ganadería
La producción primaria tiene múltiples efectos en el movimiento del carbono del
suelo hacia la atmósfera. Cuando los agricultores preparan sus tierras literalmente
están aireando el suelo y con ello incrementando la velocidad de descomposición
del carbono orgánico (proceso llamado mineralización). En contraste con la
humificación, la mineralización causa pérdida de volumen y masa de la parte
orgánica del suelo, disminuyendo paulatinamente sus propiedades de absorción
de agua y capacidad de intercambio de nutrientes con las raíces de las plantas.
Otro efecto sucede durante la fertilización: si es orgánica se redistribuye
directamente el flujo del carbono de los animales o plantas al suelo, pero si en
cambio es artificial, el aumento en la mineralización del carbono será mucho
mayor. En el caso de las quemas de caña de azúcar el hombre elimina
directamente los organismos responsables de la humificación, afectando
directamente la estructura física de la materia orgánica que aún queda después de
la incineración. La ganadería también contribuye considerablemente a la emisión
de los GEI. Globalmente este sector produce un 18% (en equivalentes de CO2) de
las emisiones antropogénicas de GEI.
5. Desechos humanosLos residuos sólidos, tratados o no, son la materia prima para los procesos microbiológicos de degradación anaeróbica, que liberan carbono a la atmósfera. Además, se genera óxido nitroso por descomposición de los excrementos humanos y el tratamiento anaeróbico de aguas residuales domésticas e industriales en fase líquida y sólida (lodos)El ciclo del carbono es un ciclo biogeoquímico por el cual el carbono se intercambia entre la biosfera, la litosfera, la hidrosfera y la atmósfera de la Tierra. Los conocimientos sobre esta circulación de carbono posibilitan apreciar la intervención humana en el clima y sus efectos sobre el cambio climático.
El carbono (C) es el cuarto elemento más abundante en el Universo, después del
hidrógeno, el helio y el oxígeno (O). Es el pilar de la vida que conocemos. Existen
básicamente dos formas de carbono: orgánica (presente en los organismos vivos y
muertos, y en los descompuestos) y otra inorgánica, presente en las rocas.
En el planeta Tierra, el carbono circula a través de los océanos, de la atmósfera y
de la superficie y el interior terrestre, en un gran ciclo biogeoquímico. Este ciclo
puede ser dividido en dos: el ciclo
lento o geológico y el ciclo rápido o
biológico.
Suele considerarse que este ciclo
está constituido por cuatro
reservorios principales de carbono
interconectados por rutas de
intercambio. Los reservorios son la
atmósfera, la biosfera terrestre (que,
por lo general, incluye sistemas de
agua dulce y material orgánico no vivo, como el carbono del suelo), los océanos
(que incluyen el carbono inorgánico disuelto, los organismos marítimos y la
materia no viva), y los sedimentos (que incluyen los combustibles fósiles). Los
movimientos anuales de carbono entre reservorios ocurren debido a varios
procesos químicos, físicos, geológicos y biológicos. El océano contiene el fondo
activo más grande de carbono cerca de la superficie de la Tierra, pero la parte del
océano profundo no se intercambia rápidamente con la atmósfera.
El balance global es el equilibrio entre intercambios (ingresos y pérdidas) de
carbono entre los reservorios o entre una ruta del ciclo específica (por ejemplo,
atmósfera - biosfera). Un examen del balance de carbono de un fondo o reservorio
puede proporcionar información sobre si funcionan como una fuente o un almacén
para el dióxido de carbono.
Ciclo del Fósforo
El fósforo (P4) es un elemento esencial para los seres vivos, y los procesos de la
fotosíntesis de las plantas, como otros procesos químicos de los seres vivos, no
se pueden realizar sin ciertos compuestos en base a fósforo. Sin la intervención
del fósforo no es posible que un ser vivo pueda sobrevivir.
Su reserva fundamental en la naturaleza es la corteza terrestre. Por meteorización
de las rocas o sacado por las cenizas volcánicas, queda disponible para que lo
puedan tomar las plantas. Con facilidad es arrastrado por las aguas y llega al mar.
Parte del que es arrastrado sedimenta al fondo del mar y forma rocas que tardarán
millones de años en volver a emerger y liberar de nuevo las sales de fósforo.
Otra parte es absorbido por el plancton que, a su vez, es comido por organismos
filtradores de plancton, como algunas especies de peces. Cuando estos peces son
comidos por aves que tienen sus nidos en tierra, devuelven parte del fósforo en las
heces (guano) a tierra.
El ciclo del fósforo se reduce a los siguientes procesos:
· El fósforo se encuentra en la naturaleza en forma de compuestos de calcio
(apatita), fierro, manganeso y aluminio conocidos como fosfatos, que son poco
solubles en el agua. En los buenos suelos agrícolas el fósforo está disponible en
forma de iones de fosfato (P2 O5).
· Las plantas absorben los iones de fosfato y los integran a su estructura en
diversos compuestos. Sin fósforo las plantas no logran desarrollarse
adecuadamente.
· Los animales herbívoros toman los compuestos de fósforo de las plantas y los
absorben mediante el proceso de la digestión, y los integran a su organismo,
donde juegan un rol decisivo en el metabolismo.
· Los carnívoros toman el fósforo de la materia viva que consumen y lo integran a
su estructura orgánica
.El fósforo interviene en la composición del ATP, ácidos nucleicos y fosfolipidos.
Durante el ciclo del fosforo se produce la mineralización del fósforo, se solubilizan
las formas insolubles así como la asimilación de los fosfatos inorganicos.
Muchos de los fosfatos de la corteza terrestre son insolubles en agua lo que hace
que su disponibilidad no sea la más óptima. Los fosfatos solubles pasan de la
tierra al mar por los fenomenos de lixiviación que sufre el suelo, este proceso se
produce en la dirección de la tierra al mar y no al reves (porcentaje mínimo). Se
hace necesario que el fosforo que se encuentra insoluble pase a soluble.
Mineralización. Los seres vivos tienen fosforo inorganico. El proceso de
mineralización se encuentra en relación con la degradación de la materia
orgánica por los microorganismos. Las situaciones que favorecen esta
degradación: un sustrato carbonado degradable y la presencia de nitrogeno.
Solubilización: El fósforo se encuentra en continuo movimiento desde su forma
soluble a deposito de fósforo. Muchas bacterias autótrofas se encargan de
llevar a cabo la solubilización. Las mismas bacterias que intervienen en el paso
de ion amonio a ácido nitrico y el paso de azufre reducido a ácido sulfurico
intervienen también en la solubilidad del fósforo.
Inmovilización: El fósforo inorgánico se transforma en fósforo orgánico a través
de diferentes seres vivos (en el agua las algas llevan a cabo se absorcion, en
el suelo las bacterias se encargan de su fijación)
