Ciclos de la Materia en los Ecosistemas
Este documento explora los **ciclos de la materia** en los ecosistemas, los **elementos biolimitantes** y los **ciclos biogeoquímicos** clave, como el del **carbono**, el **nitrógeno** y el **fósforo**.
Conceptos Básicos
Para comprender los ciclos, es fundamental familiarizarse con términos como: **materia inorgánica**, **materia orgánica**, **productores**, **descomponedores**, **dióxido de carbono**, **carbonatos**, **combustibles fósiles**, **nitrógeno atmosférico**, **amoniaco**, **nitritos**, **nitratos**, **nitrificación**, **desnitrificación** y **fosfatos**.
Es crucial recordar que los **ciclos materiales son cerrados** (en el planeta no se gana ni se pierde materia), mientras que los **ciclos de energía son abiertos** (la energía llega al planeta del sol y, después de transformarse, se disipa al espacio en forma de calor).
Elementos Biolimitantes
Son aquellos **nutrientes esenciales** para el desarrollo de un organismo que, al estar presentes en **cantidades mínimas**, limitan su crecimiento o cualquier otra respuesta del mismo.
Ciclos de Nutrientes Gaseosos (O, C, N)
La **atmósfera** es la principal reserva. El proceso de circulación es relativamente **cerrado y rápido**, y no suele acarrear pérdidas de elementos.
Ciclos de Nutrientes Sedimentarios (S, P)
El depósito principal es la **litosfera**. Los procesos de **meteorización** liberan lenta, pero continuamente, los elementos presentes en las rocas y los incorporan al suelo. Estos ciclos son mucho **más lentos** y tienden a **estancarse** al incorporarse el elemento a los sedimentos profundos del océano o de lagos profundos, quedando **inaccesible** tanto para los organismos como para el reciclaje continuo.
La Ley del Mínimo de Liebig
Liebig descubrió que el **rendimiento de las plantas** suele estar **limitado** no solo por los **nutrientes necesarios en grandes cantidades** (CO2 y H2O), que suelen abundar en el medio, sino por algunos **elementos que se necesitan en cantidades mínimas pero que escasean** en el suelo (P, K, Mg,…).
La «**Ley del Mínimo de Liebig**» establece que el **nutriente disponible solo en cantidades mínimas es el que limita la producción**, aun cuando los demás estén en cantidades suficientes.
Ciclos Biogeoquímicos
Es el **recorrido que sigue un elemento químico en la naturaleza**; es captado en el medio ambiente por los seres vivos, pasa de un ser vivo a otro y vuelve de nuevo al medio. Los **organismos descomponedores** contribuyen de forma decisiva en el **reciclaje** de estos elementos; gracias a estos ciclos, los seres vivos **interaccionan con la atmósfera, geosfera e hidrosfera**.
La **velocidad** a la que se producen estos ciclos depende de la naturaleza del elemento en cuestión; la **lignina y madera** se conservan durante mucho tiempo en el sotobosque formando el **humus**. A veces, los **elementos quedan secuestrados** durante mucho tiempo; este es el caso del **carbono** o el **fósforo** (carbón o sedimentos marinos, respectivamente).
Ciclo del Carbono
Este ciclo **controla las transferencias** entre los demás subsistemas.
Carbono en la Hidrosfera
En la **hidrosfera**, el carbono se encuentra disuelto en el agua marina en forma de **CO2**, **bicarbonatos** y **carbonatos**, en una proporción entre ellos que se mantiene en **equilibrio**. De la atmósfera se absorbe CO2 y los ríos aportan iones calcio y bicarbonatos.
Carbono en la Atmósfera
En la **atmósfera**, el carbono se encuentra en forma de: **CO2** (358 ppm), **CO** (0,1 ppm) y **CH4** (1,6 ppm).
Carbono en la Litosfera
En la **litosfera** lo podemos encontrar formando **rocas carbonatadas** y **combustibles fósiles**.
Interacciones y Transformaciones
El **CO2 atmosférico** se disuelve con facilidad en agua para formar **ácido carbónico** que ataca a los carbonatos según la reacción:
CO2 + H2O + CaCO3 → Ca2+ + 2HCO3–
Al llegar al mar, parte del carbono precipita en el fondo en forma de **carbono orgánico** y en forma de **carbono inorgánico** (caliza de las conchas y corales), aunque solo por encima de la **lisoclina** (profundidad de las aguas marinas a partir de la cual son disueltos los restos carbonatados).
A la atmósfera pasa **oxígeno** (no consumido en la respiración) y también parte del **CO2**.
Los **seres fotosintetizadores** (algas y metafitas) son los que **retiran CO2 de la atmósfera** y todos los **seres aerobios**, mediante la **respiración celular**, oxidando la materia orgánica, **devuelven el CO2 a la atmósfera**.
Ciclo del Nitrógeno
Los principales componentes nitrogenados atmosféricos son:
- N2: forma mayoritaria de presentación de este elemento en la atmósfera; es una molécula **inerte e inaccesible** para casi todos los seres vivos.
- NH3: procedente de las **erupciones volcánicas** o de la **putrefacción** de los organismos vivos.
- NO, N2O y NO2 (denominados **NOx**): compuestos que pueden difundir hacia los otros sistemas terrestres. Proceden del suelo, de las emisiones volcánicas, así como de la oxidación espontánea del N2 durante las tormentas eléctricas.
El **ser humano ha incrementado dichas emisiones** como resultado del **abonado excesivo** y de los procesos de **combustión a altas temperaturas**, provocadas por el paso de aire por la cámara de combustión de los motores.
Fases del Ciclo del Nitrógeno
Las fases principales son: **Fijación** (Atmosférica y Biológica), **Amonificación**, **Nitrificación** y **Desnitrificación**.
Fijación
Los organismos capaces de fijar el **nitrógeno atmosférico** pueden ser:
- Fijadores simbióticos: como las bacterias y hongos (ejemplo: asociación de las bacterias Rhizobium con las raíces de leguminosas).
- Fijadores de nitrógeno de vida libre: entre ellos están las bacterias del género Azotobacter (aerobias) y Clostridium (anaerobias).
Gracias al **uso indiscriminado de fertilizantes**, hay un 10% más de nitrógeno fijado anualmente que el que habría naturalmente. Esto puede provocar la **eutrofización de las aguas continentales**.
Amonificación
Cuando se incorpora el nitrógeno como nitrato en el seno de los organismos mediante **asimilación y anabolismo**, estos son desechados por su metabolismo (ejemplo: **urea**, **ácido úrico**). En el ambiente, estos elementos son transformados por **organismos descomponedores** a una **forma inorgánica** (**NH3**, amoniaco).
Nitrificación
El **amoniaco se transforma en nitrato** mediante el proceso de nitrificación. Son responsables **bacterias quimiosintéticas** del suelo. El proceso se suele hacer en dos fases: las del género Nitrosomonas, que convierten el amoniaco en **nitrito**, y las del género Nitrosobacter, que pasan el nitrito a **nitrato**. En los océanos no se sabe muy exactamente cómo es este proceso.
Desnitrificación
Consiste en la **conversión del anión nitrato en nitrógeno molecular o gaseoso**. La realizan hongos y bacterias como las Pseudomonas en **anaerobiosis** de suelos encharcados con materia orgánica.