El documento describe los ciclos biogeoquímicos del carbono y el nitrógeno. Estos ciclos implican la circulación de estos elementos entre los seres vivos y el medio ambiente a través de procesos como la fotosíntesis, respiración, descomposición y fijación de nitrógeno. El ciclo del carbono es crucial para la regulación del clima, mientras que el ciclo del nitrógeno mantiene niveles adecuados de este nutriente esencial en los ecosistemas.

1. UNIVERSDAD PERUANA LOS ANDES
ING. DE SISTEMAS Y COMPUTO
ROJAS SANABRIA CARLOS ALBERTO

2. Se denomina ciclo biogeoquímico al movimiento de cantidades masivas de carbono, nitrógeno,
oxígeno, hidrógeno, calcio, sodio, azufre, fósforo, potasio, y otros elementos entre los seres vivos y el
ambiente (atmósfera, biomasa y sistemas acuáticos) mediante una serie de procesos de producción y
descomposición. En la biosfera la materia es limitada de manera que su reciclaje es un punto clave en
el mantenimiento de la vida en la Tierra; de otro modo, los nutrientes se agotarían y la vida
desaparecería.
Un elemento químico o molécula necesario para la vida de un organismo, se llama nutriente o
nutrimento. Los organismos vivos necesitan de 30 a 40 elementos químicos, donde el número y tipos
de estos elementos varía en cada especie. Los elementos requeridos por los organismos en grandes
cantidades se denominan:
1. Macronutrientes: 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.
2. Micronutrientes. Son los 30 o más elementos requeridos en cantidades pequeñas (hasta trazas):
hierro, cobre, zinc, cloro, yodo
La mayor parte de las sustancias químicas de la tierra no están en formas útiles para los organismos.
Pero, los elementos y sus compuestos necesarios como nutrientes, son reciclados continuamente en
formas complejas a través de las partes vivas y no vivas de la biosfera, y convertidas en formas útiles
por una combinación de procesos biológicos, geológicos y químicos.
El ciclo de los nutrientes desde el biotopo (en la atmósfera, la hidrosfera y la corteza de la tierra) hasta
la biota, y viceversa, tiene lugar en los ciclos biogeoquímicos (de bio: vida, geo: en la tierra), ciclos,
activados directa o indirectamente por la energía solar, incluyen los del carbono, oxígeno, nitrógeno,
fósforo, azufre y del agua (hidrológico). Así, una sustancia química puede ser parte de un organismo

3.  El ciclo del carbono es el sistema de las transformaciones químicas de compuestos que
contienen carbono en los intercambios entre biosfera, atmósfera, hidrosfera y litosfera.
Es un ciclo biogeoquímico de gran importancia para la regulación del clima de la
Tierra, y en él se ven implicadas actividades básicas para el sostenimiento de la vida.
 El carbono es un componente esencial para los vegetales y animales. Forma parte de
compuestos como: la glucosa, carbohidrato importantes para la realización de procesos
como: la respiración; también interviene en la fotosíntesis bajo la forma de CO2
(dióxido de carbono) tal como se encuentra en la atmósfera.

4. La reserva fundamental de carbono, en moléculas de CO2 que los seres
vivos puedan asimilar, es 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 reserva fundamental de carbono, en
moléculas de CO2 que los seres vivos puedan asimilar, es 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.

5. 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 productos finales de la combustión son
CO2 y vapor de agua. El equilibrio en la
producción y consumo de cada uno de ellos
por medio de la fotosíntesis hace posible la
vida.

6. Los vegetales verdes que contienen clorofila
toman el CO2 del aire y durante la fotosíntesis
liberan oxígeno, además producen el material
nutritivo indispensable para los seres vivos.
Como todas las plantas verdes de la tierra
ejecutan ese mismo proceso diariamente, no
es posible siquiera imaginar la cantidad de
CO2 empleada en la fotosíntesis.
En la medida de que el CO2 es consumido por
las plantas, también es remplazado por medio
de la respiración de los seres vivos, por la
descomposición de la materia orgánica y
como producto final de combustión del
petróleo, hulla, gasolina, etc.

7. En el ciclo del carbono participan los seres vivos y muchos
fenómenos naturales como los incendios.
Los seres vivos acuáticos toman el CO2 del agua. La solubilidad
de este gas en el agua es muy superior a la que tiene en el aire.

8. 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. El
ciclo del oxígeno es la cadena de reacciones y procesos que describen
la circulación del oxígeno en la biosfera terrestre.

9. Abundancia en la Tierra
El oxígeno es el elemento más abundante en masa en la corteza
terrestre y en los océanos, y el segundo en la atmósfera.
En la corteza terrestre la mayor parte del oxígeno se encuentra
formando parte de silicatos y en los océanos se encuentra
formando por parte de la molécula de agua, H2O.
En la atmósfera se encuentra como oxígeno molecular (O2),
dióxido de carbono(CO2), y en menor proporción en otras
moléculas como monóxido de carbono (CO),ozono (O3), dióxido
de nitrógeno (NO2), monóxido de nitrógeno (NO) o dióxido de
azufre (SO2).

10. Atmósfera
El O2 le confiere un carácter oxidante a la atmósfera. Se formó por fotólisis
de H2O, formándose H2 y O2:
H2O + hν → 1/2O2.
El oxígeno molecular presente en la atmósfera y el disuelto en el agua
interviene en muchas reacciones de los seres vivos. En la respiración celular
se reduce oxígeno para la producción de energía y generándose dióxido de
carbono, y en el proceso de fotosíntesis se origina oxígeno y glucosa a partir
de agua, dióxido de carbono (CO2) y radiación solar.

11. Corteza terrestre
El carácter oxidante del oxígeno provoca que algunos elementos
estén más o menos disponibles. La oxidación de sulfuros para dar
sulfatos los hace más solubles, al igual que la oxidación de iones
amonio a nitratos. Asimismo disminuye la solubilidad de
algunos elementos metálicos como el hierro al formarse óxidos
insolubles.

12. Hidrósfera y atmósfera química básica estructura lítica
El oxígeno es ligeramente soluble en agua, aumentando su solubilidad con la temperatura.
Condiciona las propiedades rédox de los sistemas acuáticos. Oxida materia biorgánica
dando el dióxido de carbono y agua.
El dióxido de carbono también es ligeramente soluble en agua dando carbonatos;
condiciona las propiedades ácido-base de los sistemas acuáticos. Una parte importante del
dióxido de carbono atmosférico es captado por los océanos quedando en los fondos
marinos como carbonato de calcio.

13. CICLO DEL
NITROGENO

14. Los seres vivos cuentan con una gran proporción de nitrógeno en su composición química.
El nitrógeno oxidado que reciben como nitrato (NO3–) a grupos amino, reducidos
(asimilación). Para volver a contar con nitrato hace falta que los descomponedores lo
extraigan de la biomasa dejándolo en la forma reducida de ion amonio (NH4+), proceso que
se llama amonificación; y que luego el amonio sea oxidado a nitrato, proceso llamado
nitrificación.
Así parece que se cierra el ciclo biológico esencial. Pero el amonio y el nitrato son sustancias
extremadamente solubles, que son arrastradas fácilmente por la escorrentía y la infiltración,
lo que tiende a llevarlas al mar. Al final todo el nitrógeno atmosférico habría terminado, tras
su conversión, disuelto en el mar. Los océanos serían ricos en nitrógeno, pero los
continentes estarían prácticamente desprovistos de él, convertidos en desiertos biológicos,
si no existieran otros dos procesos, mutuamente simétricos, en los que está implicado el
nitrógeno atmosférico (N2). Se trata de la fijación de nitrógeno, que origina compuestos
solubles a partir del N2, y la desnitrificación, una forma de respiración anaerobia que
devuelve N2 a la atmósfera. De esta manera se mantiene un importante depósito de
nitrógeno en el aire (donde representa un 78% en volumen).

15.  Fijación y asimilación de nitrógeno
 El primer paso en el ciclo es la fijación (reducción) del nitrógeno atmosférico( N2) a formas distintas susceptibles de
incorporarse a la composición del suelo o de los seres vivos, como el ion amonio (NH4+) o los iones nitrito (NO2–) o
nitrato (NO3–) (aunque el amonio puede ser usado por la mayoría de los organismos 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
 La fijación biológica la realizan tres grupos de microorganismos diazotrofos:
 • Bacterias gramnegativas de vida libre en el suelo, de géneros como Azotobacter, Klebsiella o el fotosintetizador
Rhodospirillum, una bacteria purpúrea.
 • Bacterias simbióticas de algunas plantas, en las que viven de manera generalmente endo simbiótica en nódulos,
principalmente localizados en las raíces. Hay multitud de especies encuadradas en el género Rhizobium, que
guardan una relación muy específica con el hospedador, de manera que cada especie alberga la suya, aunque hay
excepciones.
 • Cianobacterias de vida libre o simbiótica. Las cianobacterias de vida libre son muy abundantes en el plancton
marino y son los principales fijadores en el mar. Además hay casos de simbiosis, como el de la cianobacteria
Anabaena en cavidades subestomáticas de helechos acuáticos del género Azolla, o el de algunas especies de Nostoc
que crecen dentro de antoceros y otras plantas.
 La fijación biológica depende del complejo enzimático de la nitrogenasa.

16. La amonificación es la conversión a ion amonio del nitrógeno que 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. Los acuáticos producen directamente amoníaco
(NH3), que en disolución se convierte en ion amonio. Los terrestres producen urea,
(NH2)2CO, que es muy soluble y se concentra fácilmente en la orina; o compuestos
nitrogenados insolubles como la guanina y el ácido úrico, que son purinas, y ésta es
la forma común en aves o en insectos y, en general, en animales que no disponen
de un suministro garantizado de agua. El nitrógeno biológico que no llega ya como
amonio al sustrato, la mayor parte enecosistemas continentales, es convertido a esa
forma por la acción de microorganismos descomponedores.
CICLO: 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.

17. 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 fue
descubierto por Sergéi Vinogradski y en realidad 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.

18.  La desnitrificación es la reducción del ion nitrato (NO3–), presente en el suelo o el agua, a
nitrógeno molecular o diatómico (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.
 Lo realizan ciertas bacterias heterótrofas, como Pseudomonas fluorescens, para obtener energía. 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 él la fijación de nitrógeno, abiótica y biótica, habría
terminado por provocar la depleción (eliminación) del N2 atmosférico.
 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.

19. Reducción desasimilatoria
Es la respiración anaerobia 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 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.

20. 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
PO43- 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.

21. 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.

22. 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.

23. 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.

24. El azufre forma parte de proteínas. Las plantas y otros
productores primarios lo obtienen principalmente en su forma de
ion sulfato (SO4 -2). Los organismos que ingieren estas plantas lo
incorporan a las moléculas de proteína, y de esta forma pasa a los
organismos del nivel trófico superior. Al morir los organismos, el
azufre derivado de sus proteínas entra en el ciclo del azufre y
llega a transformarse para que las plantas puedan utilizarlos de
nuevo como ion sulfato.

25. Los intercambios de azufre, principalmente en su forma de
dióxido de azufre (SO2), realizan entre las comunidades acuáticas
y terrestres, de una manera y de otra en la atmósfera, en las rocas
y en los sedimentos oceánicos, en donde el azufre se encuentra
almacenado. El SO2 atmosférico se disuelve en el agua de lluvia o
se deposita en forma de vapor seco. El reciclaje local del azufre,
principalmente en forma de ion sulfato, se lleva a cabo en ambos
casos. Una parte del sulfuro de hidrógeno (H2S), producido
durante el reciclaje local del sulfuro, se oxida y se forma SO2.

26. El azufre, como sulfato, es aprovechado e incorporado por los
vegetales para realizar sus funciones vitales.

27. Los consumidores primarios adquieren el azufre cuando se
alimentan de estas plantas.

28. El azufre puede llegar a la atmósfera como sulfuro
de hidrógeno (H2S) o dióxido de azufre (SO2), ambos gases
provenientes de volcanes activos y por la descomposición de la
materia orgánica.
Cuando en la atmósfera se combinan compuestos del azufre con
el agua, se forma ácido sulfúrico (H2SO4) y al precipitarse lo hace
como lluvia ácida.