EXPLICACIÓN DE LOS CICLOS BIOGEOQUÍMICOS DE LOS PRINCIPALES ELEMENTOS

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CICLOS BIOGEOQUÍMICOS
INTRODUCCIÓN
En el ecosistema el flujo de la energía es unidireccional. Sin embargo,
muchos elementos químicos y sustancias inorgánicas, circulan por los distintos niveles
tróficos y pasan por el biotopo reciclándose una y otra vez a través del sistema.
Estos movimientos de las sustancias inorgánicas constituyen lo que se
denominan ciclos biogeoquímicos, en estos ciclos los componentes del biotopo (entorno
geológico) son la atmósfera, la corteza sólida de la Tierra y los océanos, ríos y lagos.
Los componentes biológicos incluyen a los productores, consumidores,
descomponedores y transformadores.
La producción de materia viva y su funcionamiento requieren el concurso de
ciertos elementos (N, C, P, S, O e H). Estos 6 elementos constituyen el 99% del peso de
las células vivas, pero la biosfera no puede disponer de ellos de forma ilimitada. Su
relativa escasez en el planeta se compensa gracias a los ciclos biogeoquímicos, que
posibilitan la migración, la circulación y el reciclado de estos bioelementos desde el
medio físico al cuerpo de los organismos y nuevamente al medio.
Mediante los ciclos biogeoquímicos se asegura la continuidad de la vida en
el Planeta.
CICLOS BIOGEOQUIMICOS
Cualquier elemento que un organismo necesite para vivir, crecer y
reproducirse se llama nutrimento o nutriente. Los organismos vivos necesitan de 30 a 40
elementos químicos, aunque el número y tipos de estos elementos pueden variar con los
distintos organismos. En general, tales nutrientes se encuentran en diversos compuestos.
Los elementos requeridos por los organismos en grandes cantidades se
denominan macronutrientes. Son ejemplos: el carbono, oxígeno, hidrógeno, nitrógeno,
fósforo, azufre, calcio, magnesio y potasio. Estos elementos y sus compuestos
constituyen el 97% de la masa del cuerpo humano, y más de 95% de la masa de todos
los organismos. Los 30 o más elementos requeridos por los organismos en cantidades
pequeñas, se llaman micronutrientes. Son ejemplos el hierro, cobre, zinc, cloro y yodo.
La mayor parte de las sustancias químicas de la tierra no ocurren en formas
útiles para los organismos que viven en el planeta. Afortunadamente, los elementos y
sus compuestos necesarios como nutrientes para la vida sobre la tierra, son ciclados
continuamente en vías complejas a través de las partes vivas y no vivas de la ecosfera, y
convertidos en formas útiles por una combinación de procesos biológicos, geológicos y
químicos.
Esta ciclación de los nutrientes desde el ambiente no vivo (depósitos en la
atmósfera, la hidrosfera y la corteza de la tierra) hasta los organismos vivos, y de
regreso al ambiente no vivo, tiene lugar en los ciclos biogeoquímicos (literalmente, de
la vida (bio) en la tierra (geo), estos ciclos, activados directa o indirectamente, por la
energía que proviene del sol, incluyen los del carbono, oxígeno, nitrógeno, fósforo,
azufre y del agua (hidrológicos).
De este modo, una sustancia química puede ser parte de un organismo en un
momento y parte del ambiente del organismo en otro momento. Por ejemplo, una de las

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moléculas de oxígeno que usted acaba de inhalar, puede ser una inhalada anteriormente
por usted, o su abuela, o por un dinosaurio hace millones de años. En forma semejante,
alguno de los átomos de carbono de la piel que cubre su mano derecha puede haber sido
parte de la hoja de una planta, la piel de un dinosaurio o de una capa de roca caliza.
Estos elementos circulan a través del aire, el suelo, el agua y los seres vivos.
Gracias a los ciclos biogeoquímicos es posible que los elementos se
encuentres disponibles para ser usados una y otra vez por otros organismos; sin estos la
vida se extinguiría.
El término ciclo biogeoquímico se deriva del movimiento cíclico de los
elementos que forman los organismos biológicos (bio) y el ambiente geológico (geo) e
intervienen en un cambio químico.
En los ciclos gaseosos, los nutrientes circulan principalmente entre la
atmósfera (agua) y los organismos vivos. En la mayoría de estos ciclos los elementos
son reciclados rápidamente, con frecuencia en horas o días. Los principales ciclos
gaseosos son los del carbono, oxígeno y nitrógeno.
CICLO DEL CARBONO
El carbono es elemento básico en la formación de las moléculas de
carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos, pues todas las moléculas orgánicas
están formadas por cadenas de carbonos enlazados entre sí.
La reserva fundamental de carbono, en moléculas de CO2 que los seres
vivos puedan asimilar, se encuentra en la atmósfera y la hidrosfera. Este gas está en la
atmósfera en una concentración de más del 0,03% y cada año aproximadamente un 5%
de estas reservas de CO2, se consumen en los procesos de fotosíntesis, es decir que todo
el anhídrido carbónico se renueva en la atmósfera cada 20 años.
La vuelta de CO2 a la atmósfera se hace cuando en la respiración los seres
vivos oxidan los alimentos produciendo CO2. En el conjunto de la biosfera la mayor
parte de la respiración la hacen las raíces de las plantas y los organismos del suelo y no,
como podría parecer, los animales más visibles.
Los seres vivos acuáticos toman el CO2 del agua. La solubilidad de este gas
en el agua es muy superior a la de otros gases, como el O2 o el N2, porque reacciona con
el agua formando ácido carbónico. En los ecosistemas marinos algunos
organismos convierten parte del CO2 que toman en CaCO3 (carbonato cálcico) que
necesitan para formar sus conchas, caparazones o masas rocosas en el caso de los
arrecifes. Cuando estos organismos mueren sus caparazones se depositan en el fondo
formando rocas sedimentarias calizas en el que el C queda retirado del ciclo durante
miles y millones de años. Este C volverá lentamente al ciclo cuando se van disolviendo
las rocas.
El petróleo, carbón y la materia orgánica acumulados en el suelo son
resultado de épocas en las que se ha devuelto menos CO2 a la atmósfera del que se
tomaba. Así apareció el O2 en la atmósfera. Si hoy consumiéramos todos los
combustibles fósiles almacenados, el O2 desaparecería de la atmósfera. Como veremos
el ritmo creciente al que estamos devolviendo CO2 a la atmósfera, por la actividad
humana, es motivo de preocupación respecto al nivel de infecto invernadero que puede
estar provocando, con el cambio climático consiguiente.

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CICLO DEL NITROGENO
Los organismos emplean el nitrógeno en la síntesis de proteínas, ácidos
nucleicos (ADN y ARN) y otras moléculas fundamentales del metabolismo.
Su reserva fundamental es la atmósfera, en donde se encuentra en forma de
N2, pero esta molécula no puede ser utilizada directamente por la mayoría de los seres
vivos (exceptuando algunas bacterias).
Esas bacterias y algas cianofíceas que pueden usar el N2 del aire juegan un
papel muy importante en el ciclo de este elemento al hacer la fijación del nitrógeno. De
esta forma convierten el N2 en otras formas químicas (nitratos N03
-
y amonio NH4
+
)
asimilables por las plantas.
El amonio (NH4
+
) y el nitrato (NO3
-
) lo pueden tomar las plantas por las
raíces y usarlo en su metabolismo. Usan esos átomos de N para la síntesis de las
proteínas y ácidos nucleicos. Los animales obtienen su nitrógeno al comer a las plantas
o a otros animales.
En el metabolismo de los compuestos nitrogenados en los animales acaba
formándose ion amonio que es muy tóxico y debe ser eliminado. Esta eliminación se
hace en forma de amoniaco (algunos peces y organismos acuáticos), o en forma de urea
(el hombre y otros mamíferos) o en forma de ácido úrico (aves y otros animales de
zonas secas). Estos compuestos van a la tierra o al agua de donde pueden tomarlos de
nuevo las plantas o ser usados por algunas bacterias.
Algunas bacterias convierten amoniaco en nitrito y otras transforman este
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.
Donde existe un exceso de materia orgánica en el mantillo, en condiciones
anaerobias, hay otras bacterias que producen desnitrificación, convirtiendo los
compuestos de N en N2, lo que hace que se pierda de nuevo nitrógeno del ecosistema a
la atmósfera.
A pesar de este ciclo, el N suele ser uno de los elementos que escasean y
que es factor limitante de la productividad de muchos ecosistemas. Tradicionalmente se
han abonado los suelos con nitratos para mejorar los rendimientos agrícolas. Durante
muchos años se usaron productos naturales ricos en nitrógeno como el guano o el
nitrato de Chile. Desde que se consiguió la síntesis artificial de amoniaco por el proceso
Haber fue posible fabricar abonos nitrogenados que se emplean actualmente en grandes
cantidades en la agricultura. Como veremos su mal uso produce, a veces, problemas de
contaminación en las aguas: la eutrofización.

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CICLO DEL FÓSFORO
El fósforo es un componente esencial de los organismos. Forma parte de los
ácidos nucleicos (ADN y ARN); del ATP y de otras moléculas que tienen PO4
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y que
almacenan la energía química; de los fosfolípidos que forman las membranas celulares;
y de los huesos y dientes de los animales. Está en pequeñas cantidades en las plantas,
en proporciones de un 0,2%, aproximadamente. En los animales hasta el 1% de su masa
puede ser fósforo.
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 absorbida 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.
Es el principal factor limitante en los ecosistemas acuáticos y en los
lugares en los que las corrientes marinas suben del fondo, arrastrando fósforo del que se
ha ido sedimentando, el plancton prolifera en la superficie. Al haber tanto alimento se
multiplican los bancos de peces, formándose las grandes pesquerías del Gran Sol, costas
occidentales de África y América del Sur y otras.
Con los compuestos de fósforo que se recogen directamente de los grandes
depósitos acumulados en algunos lugares de la tierra se abonan los terrenos de cultivo, a
veces en cantidades desmesuradas, originándose problemas de eutrofización.

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CICLO DEL AGUA
Se puede admitir que la cantidad total de agua que existe en la Tierra, en sus
tres fases: sólida, líquida y gaseosa, se ha mantenido constante desde la aparición de la
Humanidad. El agua de la Tierra - que constituye la hidrósfera - se distribuye en tres
reservorios principales: los océanos, los continentes y la atmósfera, entre los cuales
existe una circulación continua - el ciclo del agua o ciclo hidrológico. El movimiento
del agua en el ciclo hidrológico es mantenido por la energía radiante del sol y por la
fuerza de la gravedad.
El ciclo hidrológico se define como la secuencia de fenómenos por medio
de los cuales el agua pasa de la superficie terrestre, en la fase de vapor, a la atmósfera y
regresa en sus fases líquida y sólida. La transferencia de agua desde la superficie de la
Tierra hacia la atmósfera, en forma de vapor de agua, se debe a la evaporación directa,
a la transpiración por las plantas y animales y por sublimación (paso directo del agua
sólida a vapor de agua).
La cantidad de agua movida, dentro del ciclo hidrológico, por el fenómeno
de sublimación es insignificante en relación a las cantidades movidas por evaporación y
por transpiración, cuyo proceso conjunto se denomina evapotranspiración.
El vapor de agua es transportado por la circulación atmosférica y se
condensa después de haber recorrido grandes distancias. El agua condensada da lugar a
la formación de nieblas y nubes y, posteriormente, a precipitación.
La precipitación puede ocurrir en la fase líquida (lluvia) o en la fase sólida
(nieve o granizo). El agua precipitada en la fase sólida se presenta con una estructura

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cristalina, en el caso de la nieve, y con estructura granular, regular en capas, en el caso
del granizo.
La precipitación también incluye el agua que pasa de la atmósfera a la
superficie terrestre por condensación del vapor de agua (rocío) o por congelación del
vapor (helada) y por intercepción de las gotas de agua de las nieblas (nubes que tocan el
suelo o el mar).
El agua que precipita en tierra puede tener varios destinos. Una parte es
devuelta directamente a la atmósfera por evaporación; otra parte escurre por la
superficie del terreno, escorrentía superficial, que se concentra en surcos y va a originar
las líneas de agua. El agua restante se infiltra, esto es penetra en el interior del suelo;
esta agua infiltrada puede volver a la atmósfera por evapotranspiración o profundizarse
hasta alcanzar las capas freáticas.
Tanto el escurrimiento superficial como el subterráneo van a alimentar los
cursos de agua que desaguan en lagos y en océanos.
La escorrentía superficial se presenta siempre que hay precipitación y
termina poco después de haber terminado la precipitación. Por otro lado, el
escurrimiento subterráneo, especialmente cuando se da a través de medios porosos,
ocurre con gran lentitud y sigue alimentando los cursos de agua mucho después de
haber terminado la precipitación que le dio origen.
Así, los cursos de agua alimentados por capas freáticas presentan unos
caudales más regulares.
Como se dijo arriba, los procesos del ciclo hidrológico discurren en la
atmósfera y en la superficie terrestre por lo que se puede admitir dividir el ciclo del agua
en dos ramas: aérea y terrestre.
El agua que precipita sobre los suelos va a repartirse, a su vez, en tres
grupos: una que es devuelta a la atmósfera por evapotranspiración y dos que producen
escurrimiento superficial y subterráneo. Esta división está condicionada por varios
factores, unos de orden climático y otros dependientes de las características físicas del
lugar donde ocurre la precipitación.
Así, la precipitación, al encontrar una zona impermeable, origina
escurrimiento superficial y la evaporación directa del agua que se acumula y queda en la
superficie. Si ocurre en un suelo permeable, poco espeso y localizado sobre una
formación geológica impermeable, se produce entonces escurrimiento superficial,
evaporación del agua que permanece en la superficie y aún evapotranspiración del agua
que fue retenida por la cubierta vegetal. En ambos casos, no hay escurrimiento
subterráneo; este ocurre en el caso de una formación geológica subyacente permeable y
espesa.
La energía solar es la fuente de energía térmica necesaria para el paso del
agua desde las fases líquida y sólida a la fase de vapor, y también es el origen de las
circulaciones atmosféricas que transportan el vapor de agua y mueven las nubes.
La fuerza de gravedad da lugar a la precipitación y al escurrimiento. El ciclo
hidrológico es un agente modelador de la corteza terrestre debido a la erosión y al
transporte y deposición de sedimentos por vía hidráulica. Condiciona la cobertura
vegetal y, de una forma más general, la vida en la Tierra.

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El ciclo hidrológico puede ser visto, en una escala planetaria, como un
gigantesco sistema de destilación, extendido por todo el Planeta. El calentamiento de las
regiones tropicales debido a la radiación solar provoca la evaporación continua del agua
de los océanos, la cual es transportada bajo forma de vapor de agua por la circulación
general de la atmósfera, a otras regiones. Durante la transferencia, parte del vapor de
agua se condensa debido al enfriamiento y forma nubes que originan la precipitación. El
regreso a las regiones de origen resulta de la acción combinada del escurrimiento
proveniente de los ríos y de las corrientes marinas.

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CICLO DEL OXÍGENO
El oxígeno es el elemento químico más abundante en los seres vivos. Forma
parte del agua y de todo tipo de moléculas orgánicas. Como molécula, en forma de O2,
su presencia en la atmósfera se debe a la actividad fotosintética de primitivos
organismos. Al principio debió ser una sustancia tóxica para la vida, por su gran poder
oxidante. Todavía ahora, una atmósfera de oxígeno puro produce daños irreparables en
las células. Pero el metabolismo celular se adaptó a usar la molécula de oxígeno como
agente oxidante de los alimentos abriendo así una nueva vía de obtención de energía
mucho más eficiente que la anaeróbica.
La reserva fundamental de oxígeno utilizable por los seres vivos está en la
atmósfera. Su ciclo está estrechamente vinculado al del carbono pues el proceso por el
que el C es asimilado por las plantas (fotosíntesis), supone también devolución del
oxígeno a la atmósfera, mientras que el proceso de respiración ocasiona el efecto
contrario.
Otra parte del ciclo natural del oxígeno que tiene un notable interés
indirecto para los seres vivos de la superficie de la Tierra es su conversión en ozono.
Las moléculas de O2, activadas por las radiaciones muy energéticas de onda corta, se
rompen en átomos libres de oxígeno que reaccionan con otras moléculas de O2,
formando O3 (ozono). Esta reacción es reversible, de forma que el ozono, absorbiendo
radiaciones ultravioletas vuelve a convertirse en O2.

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CICLO DEL AZUFRE
El azufre está incorporado prácticamente en todas las proteínas y de esta
manera es un elemento absolutamente esencial para todos los seres vivos. Se desplaza a
través de la biosfera en dos ciclos, uno interior y otro exterior. El ciclo interior
comprende el paso desde el suelo (o desde el agua en los ambientes acuáticos) a las
plantas, a los animales, y de regreso nuevamente al suelo o al agua. Sin embargo,
existen vacíos en este ciclo interno. Algunos de los compuestos sulfúricos presentes en
la tierra (por ejemplo, el suelo) son llevados al mar por los ríos. Este azufre se perdería
y escaparía del ciclo terrestre si no fuera por un mecanismo que lo devuelve a la tierra.
Tal mecanismo consiste en convertirlo en compuestos gaseosos tales como el ácido
sulfhídrico (H2S) y el dióxido de azufre (SO2). Estos penetran en la atmósfera y son
llevados a tierra firme. Generalmente son lavados por las lluvias, aunque parte del
dióxido de azufre puede ser directamente absorbido por las plantas desde la atmósfera.
Las bacterias desempeñan un papel crucial en el ciclo del azufre. Cuando
está presente en el aire, la descomposición de los compuestos del azufre (incluyendo la
descomposición de las proteínas) produce sulfato (SO4
=
). Bajo condiciones anaeróbicas,
el ácido sulfhídrico (gas de olor a huevos podridos) y el sulfuro de dimetilo (CH3SCH3)
son los productos principales. Cuando estos dos últimos gases llegan a la atmósfera, son
oxidados y se convierten en dióxido de azufre. La oxidación ulterior del dióxido de
azufre y su disolución en el agua lluvia produce ácido sulfhídrico y sulfatos, formas
principales bajo las cuales regresa el azufre a los ecosistemas terrestres.
El carbón mineral y el petróleo contienen también azufre y su combustión
por la actividad industrial del hombre está provocando exceso de emisiones de gases
sulfurosos a la atmósfera y ocasionando problemas como la lluvia ácida.