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ciclo biogeoquímico

Un ciclo biogeoquímico , o más generalmente un ciclo de la materia , [ 1 ] es el movimiento y la transformación de elementos y compuestos químicos entre los organismos vivos, la...

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Un ciclo biogeoquímico , o más generalmente un ciclo de la materia , [ 1 ] es el movimiento y la transformación de elementos y compuestos químicos entre los organismos vivos, la atmósfera y la corteza terrestre. Los principales ciclos biogeoquímicos incluyen el ciclo del carbono , el ciclo del nitrógeno y el ciclo del agua . En cada ciclo, el elemento o molécula química se transforma y circula por los organismos vivos y a través de diversas formas y reservorios geológicos, incluyendo la atmósfera, el suelo y los océanos. Puede considerarse como la vía por la cual una sustancia química circula (se renueva o se mueve a través de) los compartimentos bióticos y abióticos de la Tierra . El compartimento biótico es la biosfera y los compartimentos abióticos son la atmósfera , la litosfera y la hidrosfera .

Por ejemplo, en el ciclo del carbono, el dióxido de carbono atmosférico es absorbido por las plantas mediante la fotosíntesis , que lo convierte en compuestos orgánicos que los organismos utilizan para obtener energía y crecer. El carbono se libera de nuevo a la atmósfera mediante la respiración y la descomposición . Además, el carbono se almacena en los combustibles fósiles y se libera a la atmósfera a través de actividades humanas como la quema de combustibles fósiles . En el ciclo del nitrógeno, el nitrógeno atmosférico es convertido por las plantas en formas utilizables como el amoníaco y los nitratos mediante el proceso de fijación de nitrógeno . Estos compuestos pueden ser utilizados por otros organismos, y el nitrógeno regresa a la atmósfera mediante la desnitrificación y otros procesos. En el ciclo del agua, el agua , disolvente universal, se evapora de la tierra y los océanos para formar nubes en la atmósfera, y luego precipita de nuevo a diferentes partes del planeta. La precipitación puede filtrarse en el suelo y formar parte de los sistemas de aguas subterráneas utilizados por las plantas y otros organismos, o puede escurrirse por la superficie para formar lagos y ríos. El agua subterránea puede entonces filtrarse al océano junto con las descargas de los ríos , rica en materia orgánica disuelta y particulada y otros nutrientes.

Existen ciclos biogeoquímicos para muchos otros elementos, como el oxígeno , el hidrógeno , el fósforo , el calcio , el hierro , el azufre , el mercurio y el selenio . También existen ciclos para moléculas, como el agua y la sílice . Además, hay ciclos macroscópicos, como el ciclo de las rocas , y ciclos antropogénicos para compuestos sintéticos, como los bifenilos policlorados (PCB). En algunos ciclos, existen reservorios geológicos donde las sustancias pueden permanecer o quedar secuestradas durante largos periodos de tiempo.

Los ciclos biogeoquímicos implican la interacción de procesos biológicos, geológicos y químicos. Los procesos biológicos incluyen la influencia de los microorganismos , que son impulsores cruciales de los ciclos biogeoquímicos. Los microorganismos tienen la capacidad de llevar a cabo una amplia gama de procesos metabólicos esenciales para el ciclo de nutrientes ( macronutrientes y micronutrientes ) y sustancias químicas en los ecosistemas globales. Sin microorganismos, muchos de estos procesos no ocurrirían, con un impacto significativo en el funcionamiento de los ecosistemas terrestres y oceánicos y en los ciclos biogeoquímicos del planeta en su conjunto. Las alteraciones en los ciclos pueden afectar la salud humana. Los ciclos están interconectados y desempeñan funciones importantes en la regulación del clima, el apoyo al crecimiento de plantas , fitoplancton y otros organismos, y el mantenimiento de la salud de los ecosistemas en general. Las actividades humanas, como la quema de combustibles fósiles y el uso de grandes cantidades de fertilizantes, pueden alterar los ciclos, contribuyendo al cambio climático, la contaminación y otros problemas ambientales.

Descripción general

Ciclo biogeoquímico generalizado [ 2 ]
Versión simplificada del ciclo del nitrógeno

La energía fluye direccionalmente a través de los ecosistemas, entrando como luz solar (o moléculas inorgánicas para los quimioautótrofos ) y saliendo como calor durante las numerosas transferencias entre niveles tróficos . Sin embargo, la materia que compone los organismos vivos se conserva y recicla. Los seis elementos más comunes asociados con las moléculas orgánicas —carbono, nitrógeno, hidrógeno, oxígeno, fósforo y azufre— adoptan diversas formas químicas y pueden existir durante largos períodos en la atmósfera, en la tierra, en el agua o bajo la superficie terrestre. Los procesos geológicos, como la meteorización , la erosión , el drenaje del agua y la subducción de las placas continentales , desempeñan un papel en este reciclaje de materiales. Debido a que la geología y la química tienen un papel fundamental en el estudio de este proceso, el reciclaje de materia inorgánica entre los organismos vivos y su entorno se denomina ciclo biogeoquímico. [ 3 ]

Los seis elementos mencionados son utilizados por los organismos de diversas maneras. El hidrógeno y el oxígeno se encuentran en el agua y las moléculas orgánicas , ambos 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 la síntesis de ácidos nucleicos y los fosfolípidos que componen las membranas biológicas . El azufre es fundamental para la estructura tridimensional de las proteínas. El ciclo de estos elementos está interconectado. Por ejemplo, el movimiento del agua es crucial para la lixiviación de azufre y fósforo hacia los ríos, que luego desembocan en los océanos. Los minerales circulan por la biosfera entre los componentes bióticos y abióticos, y de un organismo a otro. [ 4 ]

Los sistemas ecológicos ( ecosistemas ) poseen numerosos ciclos biogeoquímicos que operan como parte integral del sistema, por ejemplo, el ciclo del agua, el ciclo del carbono, el ciclo del nitrógeno, etc. Todos los elementos químicos presentes en los organismos forman parte de ciclos biogeoquímicos. Además de estar presentes en los organismos vivos, estos elementos químicos también circulan a través de factores abióticos de los ecosistemas, como el agua ( hidrosfera ), la tierra ( litosfera ) y/o el aire ( atmósfera ). [ 5 ]

Los factores vivos del planeta pueden denominarse colectivamente biosfera . Todos los nutrientes —como el carbono , el nitrógeno , el oxígeno , el fósforo y el azufre— utilizados en los ecosistemas por los organismos vivos forman parte de un sistema cerrado ; por lo tanto, estos compuestos químicos se reciclan en lugar de perderse y reponerse constantemente como en un sistema abierto. [ 5 ]

Las principales partes de la biosfera están conectadas por el flujo de elementos y compuestos químicos en ciclos biogeoquímicos. En muchos de estos ciclos, la biota desempeña un papel importante. La materia del interior de la Tierra es liberada por los volcanes. La atmósfera intercambia rápidamente algunos compuestos y elementos con la biota y los océanos. Los intercambios de materiales entre rocas, suelos y océanos son, en general, más lentos en comparación. [ 2 ]

El flujo de energía en un ecosistema es un sistema abierto ; el Sol proporciona constantemente energía al planeta en forma de luz, la cual se utiliza y se pierde en forma de calor a lo largo de los niveles tróficos de la red alimentaria. El carbono se utiliza para producir carbohidratos, grasas y proteínas, las principales fuentes de energía alimentaria . Estos compuestos se oxidan liberando dióxido de carbono, que las plantas pueden capturar para producir compuestos orgánicos. La reacción química se impulsa mediante la energía lumínica del sol.

La luz solar es necesaria para combinar el carbono con el hidrógeno y el oxígeno y formar una fuente de energía, pero los ecosistemas de las profundidades marinas , donde no penetra la luz solar, obtienen energía del azufre. El sulfuro de hidrógeno cerca de las chimeneas hidrotermales puede ser utilizado por organismos como el gusano tubular gigante . En el ciclo del azufre , este elemento puede reciclarse indefinidamente como fuente de energía. La energía se libera mediante la oxidación y reducción de compuestos de azufre (por ejemplo, oxidando el azufre elemental a sulfito y luego a sulfato ).

Aunque la Tierra recibe energía del Sol de forma constante, su composición química es prácticamente fija, ya que solo ocasionalmente se le añade materia mediante meteoritos. Dado que esta composición química no se repone como la energía, todos los procesos que dependen de estos elementos químicos deben reciclarse. Estos ciclos incluyen tanto la biosfera (con seres vivos) como la litosfera , la atmósfera y la hidrosfera ( con seres no vivos) .

Los ciclos biogeoquímicos pueden contrastarse con los ciclos geoquímicos . Estos últimos se ocupan únicamente de los reservorios corticales y subcorticales, aunque algunos procesos de ambos se superponen.

Compartimentos

Los ciclos biogeoquímicos operan mediante el movimiento de sustancias, que también pueden sufrir reordenamientos químicos, a través de rutas en los compartimentos bióticos y abióticos de la Tierra. El compartimento biótico es la biosfera y los compartimentos abióticos son la atmósfera , la litosfera y la hidrosfera .

Compartimento biótico

Biosfera

Los microorganismos impulsan gran parte del ciclo biogeoquímico en el sistema terrestre. [ 7 ] [ 8 ]

Compartimentos abióticos

Escena de playa que muestra simultáneamente los tres compartimentos abióticos: la atmósfera (aire), la hidrosfera (océano) y la litosfera (suelo).

Atmósfera

Hidrosfera

Algunos roles de los organismos marinos en el ciclo biogeoquímico en el Océano Austral [ 9 ]

El océano global cubre más del 70% de la superficie terrestre y es notablemente heterogéneo. Las áreas marinas productivas y los ecosistemas costeros comprenden una fracción menor del océano en términos de superficie, pero tienen un impacto enorme en los ciclos biogeoquímicos globales llevados a cabo por las comunidades microbianas , que representan el 90% de la biomasa oceánica. [ 10 ] El trabajo en los últimos años se ha centrado principalmente en el ciclo del carbono y los macronutrientes como el nitrógeno, el fósforo y el silicato: otros elementos importantes como el azufre o los oligoelementos han sido menos estudiados, lo que refleja problemas técnicos y logísticos asociados. [ 11 ] Cada vez más, estas áreas marinas y los taxones que forman sus ecosistemas están sujetos a una presión antropogénica significativa, que impacta la vida marina y el reciclaje de energía y nutrientes. [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] Un ejemplo clave es el de la eutrofización cultural , donde la escorrentía agrícola conduce al enriquecimiento de nitrógeno y fósforo de los ecosistemas costeros, aumentando enormemente la productividad y dando lugar a floraciones de algas , desoxigenación de la columna de agua y el lecho marino, y un aumento de las emisiones de gases de efecto invernadero, [ 15 ] con impactos locales y globales directos en los ciclos de nitrógeno y carbono . Sin embargo, la escorrentía de materia orgánica desde el continente hacia los ecosistemas costeros es solo una de una serie de amenazas apremiantes que estresan a las comunidades microbianas debido al cambio global. El cambio climático también ha dado lugar a cambios en la criosfera , a medida que los glaciares y el permafrost se derriten, lo que resulta en una estratificación marina intensificada , mientras que los cambios del estado redox en diferentes biomas están remodelando rápidamente los conjuntos microbianos a un ritmo sin precedentes. [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 11 ]

Por lo tanto, el cambio global está afectando procesos clave como la productividad primaria , la fijación de CO₂ y N₂ , la respiración/ remineralización de la materia orgánica y el hundimiento y la deposición de CO₂ fijado . [ 19 ] Además , los océanos están experimentando un proceso de acidificación , con un cambio de aproximadamente 0,1 unidades de pH entre el período preindustrial y la actualidad, lo que afecta la química del tampón carbonato / bicarbonato . A su vez, se ha informado que la acidificación impacta a las comunidades planctónicas , principalmente a través de efectos en los taxones calcificadores. [ 20 ] También hay evidencia de cambios en la producción de productos volátiles intermedios clave, algunos de los cuales tienen marcados efectos invernadero (por ejemplo, N 2 O y CH 4 , revisado por Breitburg en 2018, [ 17 ] debido al aumento de la temperatura global, la estratificación oceánica y la desoxigenación, impulsando hasta un 25 a 50% de la pérdida de nitrógeno del océano a la atmósfera en las llamadas zonas de mínimo de oxígeno [ 21 ] o zonas marinas anóxicas , [ 22 ] impulsadas por procesos microbianos. Otros productos, que son típicamente tóxicos para el necton marino , incluidas las especies de azufre reducido como H 2 S, tienen un impacto negativo en los recursos marinos como la pesca y la acuicultura costera. Si bien el cambio global se ha acelerado, ha habido un aumento paralelo en la conciencia de la complejidad de los ecosistemas marinos, y especialmente del papel fundamental de los microbios como impulsores del funcionamiento del ecosistema. [ 18 ] [ 11 ]

Litosfera

Embalses

En ocasiones, los compuestos químicos se almacenan durante largos periodos de tiempo en un mismo lugar. Este lugar se denomina depósito , que incluye, por ejemplo, yacimientos de carbón que almacenan carbono durante un largo periodo de tiempo. [ 23 ] Cuando los compuestos químicos se almacenan solo durante periodos cortos de tiempo, se encuentran en reservorios de intercambio . Ejemplos de reservorios de intercambio incluyen plantas y animales. [ 23 ]

Las plantas y los animales utilizan el carbono para producir carbohidratos, grasas y proteínas, que luego pueden usar para construir sus estructuras internas u obtener energía. Las plantas y los animales utilizan temporalmente el carbono en sus sistemas y luego lo liberan al aire o al medio circundante. Generalmente, los reservorios son factores abióticos, mientras que los reservorios de intercambio son factores bióticos. El carbono se retiene durante un tiempo relativamente corto en plantas y animales en comparación con los depósitos de carbón. El tiempo que una sustancia química permanece en un lugar se denomina tiempo de residencia o tiempo de recambio (también llamado tiempo de renovación o edad de salida). [ 23 ]

Modelos de caja

Modelo básico de una sola caja

Los modelos de caja se utilizan ampliamente para modelar sistemas biogeoquímicos. [ 24 ] [ 25 ] Los modelos de caja son versiones simplificadas de sistemas complejos, reduciéndolos a cajas (o depósitos de almacenamiento ) para materiales químicos, conectados por flujos de materiales . Los modelos de caja simples tienen un número pequeño de cajas con propiedades, como el volumen, que no cambian con el tiempo. Se supone que las cajas se comportan como si estuvieran mezcladas homogéneamente. [ 25 ] Estos modelos se utilizan a menudo para derivar fórmulas analíticas que describen la dinámica y la abundancia en estado estacionario de las especies químicas involucradas.

El diagrama de la derecha muestra un modelo básico de una sola caja. El depósito contiene la cantidad de material M en consideración, definida por sus propiedades químicas, físicas o biológicas. La fuente Q es el flujo de material hacia el depósito, y el sumidero S es el flujo de material hacia fuera del depósito. El balance establece el control y equilibrio entre las fuentes y los sumideros que afectan la renovación del material en el depósito. El depósito se encuentra en estado estacionario si Q = S , es decir, si las fuentes equilibran los sumideros y no hay cambios a lo largo del tiempo. [ 25 ]

El tiempo de residencia o de recambio es el tiempo promedio que el material permanece en el depósito. Si el depósito se encuentra en estado estacionario, este tiempo es igual al tiempo que tarda en llenarse o vaciarse. Por lo tanto, si τ es el tiempo de recambio, entonces τ = M / S. [ 25 ] La ecuación que describe la tasa de cambio del contenido en un depósito es

dMETROdt=Q−S=Q−METROτ.{\displaystyle {\frac {dM}{dt}}=QS=Q-{\frac {M}{\tau }}.}

Cuando se conectan dos o más depósitos, el material puede considerarse que circula entre ellos, y pueden existir patrones predecibles en el flujo cíclico. [ 25 ] Los modelos multicaja más complejos suelen resolverse mediante técnicas numéricas.

Modelo simple de tres cajas. Presupuesto simplificado de los flujos de carbono oceánico [ 26 ]
Unidades de medida

Los modelos biogeoquímicos globales de caja suelen medir:

  • Masas de los yacimientos en petagramos (Pg)
  • flujos en petagramos por año (Pg año −1 )

El diagrama de la izquierda muestra un balance simplificado de los flujos de carbono oceánico. Está compuesto por tres modelos de caja interconectados: uno para la zona eufótica , otro para el interior del océano o el océano profundo, y otro para los sedimentos oceánicos . En la zona eufótica, la producción neta de fitoplancton es de aproximadamente 50 Pg C al año. Alrededor de 10 Pg se exportan al interior del océano, mientras que los otros 40 Pg se respiran. La degradación del carbono orgánico ocurre a medida que las partículas ( nieve marina ) se depositan en el interior del océano. Solo 2 Pg llegan finalmente al fondo marino, mientras que los otros 8 Pg se respiran en el océano profundo. En los sedimentos, la escala de tiempo disponible para la degradación aumenta en órdenes de magnitud, de modo que el 90 % del carbono orgánico entregado se degrada y solo 0,2 Pg C año⁻¹ se entierra y se transfiere de la biosfera a la geosfera. [ 26 ]

Modelo más complejo con muchas cajas que interactúan. Tasas de exportación y enterramiento de carbono orgánico terrestre en el océano [ 27 ]

El diagrama de la derecha muestra un modelo más complejo con muchas cajas que interactúan. Las masas de los reservorios representan las reservas de carbono , medidas en Pg C. Los flujos de intercambio de carbono, medidos en Pg C año⁻¹ , ocurren entre la atmósfera y sus dos principales sumideros: la tierra y el océano. Los números y flechas negros indican la masa de los reservorios y los flujos de intercambio estimados para el año 1750, justo antes de la Revolución Industrial . Las flechas rojas (y los números asociados) indican los cambios anuales en el flujo debido a las actividades antropogénicas, promediados durante el período 2000-2009. Representan cómo ha cambiado el ciclo del carbono desde 1750. Los números rojos en los reservorios representan los cambios acumulativos en el carbono antropogénico desde el inicio del Período Industrial, 1750-2011. [ 28 ] [ 29 ] [ 27 ]

Ciclos rápidos y lentos

El ciclo rápido opera a través de la biosfera, incluyendo intercambios entre la tierra, la atmósfera y los océanos. Los números amarillos representan los flujos naturales de carbono en miles de millones de toneladas (gigatoneladas) por año. El rojo representa las contribuciones humanas y el blanco, el carbono almacenado. [ 30 ]
El ciclo lento opera en la litosfera a través de las rocas, incluyendo la actividad volcánica y tectónica.

Existen ciclos biogeoquímicos rápidos y lentos. Los ciclos rápidos operan en la biosfera y los ciclos lentos en la litosfera , en las rocas . Los ciclos rápidos o biológicos pueden completarse en cuestión de años, transportando sustancias de la atmósfera a la biosfera y luego de vuelta a la atmósfera. Los ciclos lentos o geológicos pueden tardar millones de años en completarse, transportando sustancias a través de la corteza terrestre entre las rocas, el suelo, el océano y la atmósfera. [ 31 ]

Como ejemplo, el ciclo rápido del carbono se ilustra en el diagrama de la derecha. Este ciclo implica procesos biogeoquímicos relativamente cortos entre el medio ambiente y los organismos vivos de la biosfera. Incluye el movimiento del carbono entre la atmósfera y los ecosistemas terrestres y marinos, así como los suelos y los sedimentos del fondo marino . El ciclo rápido incluye ciclos anuales que involucran la fotosíntesis y ciclos decenales que involucran el crecimiento vegetativo y la descomposición. Las reacciones del ciclo rápido del carbono a las actividades humanas determinarán muchos de los impactos más inmediatos del cambio climático. [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ] [ 35 ]

El ciclo lento se ilustra en el otro diagrama. Implica procesos geoquímicos de mediano a largo plazo pertenecientes al ciclo de las rocas . El intercambio entre el océano y la atmósfera puede durar siglos, y la meteorización de las rocas puede tardar millones de años. El carbono en el océano precipita hacia el fondo marino, donde puede formar roca sedimentaria y ser subducido al manto terrestre . Los procesos de formación de montañas dan como resultado el retorno de este carbono geológico a la superficie terrestre. Allí, las rocas se meteorizan y el carbono regresa a la atmósfera por desgasificación y al océano a través de los ríos. Otro carbono geológico regresa al océano mediante la emisión hidrotermal de iones de calcio. En un año determinado, entre 10 y 100 millones de toneladas de carbono se mueven a través de este ciclo lento. Esto incluye los volcanes que devuelven carbono geológico directamente a la atmósfera en forma de dióxido de carbono. Sin embargo, esto representa menos del uno por ciento del dióxido de carbono emitido a la atmósfera por la quema de combustibles fósiles. [ 31 ] [ 32 ]

ciclos profundos

El subsuelo terrestre es el mayor reservorio de carbono de la Tierra, conteniendo entre 14 y 135 Pg de carbono [ 36 ] y entre el 2 y el 19 % de toda la biomasa [ 37 ] . Los microorganismos impulsan las transformaciones de compuestos orgánicos e inorgánicos en este entorno y, por lo tanto, controlan los ciclos biogeoquímicos. El conocimiento actual de la ecología microbiana del subsuelo se basa principalmente en secuencias del gen del ARN ribosomal 16S (ARNr). Estimaciones recientes muestran que menos del 8 % de las secuencias de ARNr 16S en bases de datos públicas provienen de organismos del subsuelo [ 38 ] y solo una pequeña fracción de ellas está representada por genomas o aislados. Por lo tanto, existe muy poca información fiable sobre el metabolismo microbiano en el subsuelo. Además, se sabe poco sobre cómo se interconectan metabólicamente los organismos en los ecosistemas del subsuelo. Algunos estudios basados ​​en el cultivo de consorcios sintróficos [ 39 ] [ 40 ] [ 41 ] y análisis metagenómicos a pequeña escala de comunidades naturales [ 42 ] [ 43 ] [ 44 ] sugieren que los organismos están vinculados mediante transferencias metabólicas: la transferencia de productos de reacciones redox de un organismo a otro. Sin embargo, ningún entorno complejo se ha analizado lo suficientemente a fondo como para dilucidar las redes de interacción metabólica que los sustentan. Esto limita la capacidad de los modelos biogeoquímicos para capturar aspectos clave de los ciclos del carbono y otros nutrientes. [ 45 ] Nuevos enfoques como la metagenómica con resolución genómica, un enfoque que puede generar un conjunto completo de genomas preliminares e incluso completos para organismos sin necesidad de aislamiento en laboratorio [ 42 ] [ 46 ] [ 47 ], tienen el potencial de proporcionar este nivel crítico de comprensión de los procesos biogeoquímicos. [ 48 ]

Algunos ejemplos

A continuación se muestran algunos de los ciclos biogeoquímicos más conocidos:

Muchos ciclos biogeoquímicos se están estudiando actualmente por primera vez. El cambio climático y los impactos humanos están alterando drásticamente la velocidad, la intensidad y el equilibrio de estos ciclos relativamente desconocidos, entre los que se incluyen:

Los ciclos biogeoquímicos siempre implican estados de equilibrio activo: un balance en el ciclo del elemento entre compartimentos. Sin embargo, el equilibrio general puede involucrar compartimentos distribuidos a escala global.

Dado que los ciclos biogeoquímicos describen los movimientos de sustancias en todo el planeta, su estudio es inherentemente multidisciplinario. El ciclo del carbono puede relacionarse con la investigación en ecología y ciencias atmosféricas . [ 53 ] La dinámica bioquímica también se relacionaría con los campos de la geología y la edafología . [ 54 ]

Véase también

  • Ciclo carbonato-silicato  : transformación geoquímica de las rocas silicatadas.
  • Reciclaje ecológico  : conjunto de procesos que intercambian nutrientes entre las partes de un sistema. Páginas que muestran breves descripciones de los destinos de redirección.
  • Gran Aceleración  – Época geológica propuesta Páginas que muestran breves descripciones de los objetivos de redireccionamiento
  • Ciclo del hidrógeno  : intercambio de hidrógeno entre el mundo vivo y el mundo no vivo.
  • Gradiente redox  : variación del potencial redox con la distancia (o profundidad).

Referencias

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