Introducción a las Ciencias Atmosféricas
Curso en línea
CCA-UNAM


XII   Interacción biósfera-atmósfera
12.1 Ciclos biogeoquímicos

Algunos elementos realizan recorridos en la naturaleza en procesos biogeoquímicos, donde pasan por distintos subsistemas (atmósfera, hidrosfera, geosfera) y seres vivos (biosfera), para regresar nuevamente al medio original. Por tanto, la circulación de la materia es cíclica.

El tiempo de residencia de los elementos en cada sistema varía y el lugar donde permanecen se llama reserva. Los ciclos no se desarrollan a una velocidad uniforme y algunas etapas requieren períodos más prolongados que otras. En general hay dos tipos de ciclos: a) gaseosos, donde el principal reservorio es la atmósfera y son ciclos relativamente rápidos (carbono, oxígeno y nitrógeno) y b) sedimentarios, donde el principal reservorio es el sedimento (geosfera). Éstos últimos son ciclos lentos por la dificultad de acceso a la reserva del elemento, como los ciclos del fósforo y del azufre.

Un ciclo biogeoquímico tiene una fase geoquímica, donde la materia fluye entre sistemas abióticos (atmósfera, hidrosfera, litosfera), otra biogeoquímica, donde ocurre el paso de la materia orgánica a inorgánica y viceversa, y una bioquímica, que comprende la transferencia de materia orgánica dentro de la biocenosis.

12.1.1 Ciclo del oxígeno

La principal fuente de oxígeno libre (O2) es la atmósfera. El oxígeno atmosférico proviene de la fotodisociación de la molécula de agua por la luz del sol y de la fotosíntesis, activa sólo desde la aparición de los organismos fotosintéticos que mediante fotolisis del agua liberan oxígeno a la atmósfera. Este oxígeno es capturado por los minerales de la superficie terrestre para su oxidación. Al oxidarse los minerales, el exceso de oxígeno comenzó a acumularse en la atmósfera y, en menor cantidad, en la hidrosfera (el O2 es poco soluble). A partir de este momento inició la evolución de seres vivos que utilizaban este elemento para obtener energía por la respiración, quedando compensado el nivel de oxígeno. Actualmente la cantidad de oxígeno en la atmósfera, un 21 %, se regula por la fotosíntesis y la respiración. El ciclo del oxígeno tiene dos posibles salidas que representan una pequeña pérdida: el oxígeno que sigue oxidando los minerales de la superficie terrestre y el que queda atrapado por los sedimentos orgánicos en los fondos marinos que puede volver a la atmósfera por procesos de meteorización.

ciclo del oxígeno

12.1.2 Ciclo del carbono

Este ciclo es importante para la regulación del clima terrestre. Los reservorios inorgánicos de carbono en la naturaleza son: CO2 en la atmósfera e hidrosfera, rocas carbonatadas y combustibles fósiles. El carbono se encuentra en la atmósfera en forma de CO2, CH4 y CO. Los organismos productores absorben el CO2 de la atmósfera o el disuelto en agua y mediante la fotosíntesis lo incorporan como carbono orgánico en las biomoléculas, que servirán posteriormente de alimento al resto de componentes de la cadena trófica. El CO2 se libera de nuevo a la atmósfera y la hidrosfera mediante la respiración en todos los niveles tróficos, casi al mismo ritmo con que es retirado de ellas.

La respiración y la fotosíntesis son los procesos vitales básicos que regulan el tránsito de carbono entre la biosfera y la atmósfera. La fotosíntesis moviliza cada año alrededor de 5% del CO2 atmosférico, lo que significa que en 20 años se renueva totalmente.

Entre atmósfera e hidrosfera se establece un intercambio continuo de CO2 por difusión directa. Entre la hidrosfera, la biosfera y la litosfera se dan dos salidas temporales del carbono por dos procesos:

a)A partir de restos orgánicos que caen a fangos y se fermentan en condiciones anaerobias por bacterias produciendo ácidos orgánicos, CO2, CH4 y H2. Más tarde estos compuestos alcanzan concentraciones que inhiben la acción bacteriana y los restos orgánicos se acumulan lentamente en el fango para dar lugar a depósitos de carbón en ambientes lacustres y petróleo en ambientes marinos. El carbono volverá a la atmósfera en forma de CO2 mediante su combustión.

b)En ambientes marinos el carbonato cálcico se incorpora a rocas sedimentarias carbonatadas procedentes de los caparazones de los organismos acuáticos y también por procesos puramente fisicoquímicos. Las rocas, en ciertas condiciones, pueden fundirse para formar magma que al salir a la superficie dejan escapar CO2 a la atmósfera.

ciclo del carbono

El hombre acelera el paso de CO2 desde los demás subsistemas a la atmósfera, lo libera de la biosfera mediante la quema de madera y la deforestación que disminuye la fijación de este gas por vía fotosintética. También lo libera de la hidrosfera mediante su influencia en el incremento de la temperatura que impide su almacenaje en los océanos y de la geosfera mediante la quema de combustibles fósiles. Las consecuencias de estas acciones son un incremento del efecto invernadero y el aumento de la temperatura.

12.1.3 Ciclo del fósforo

El fósforo se encuentra inmovilizado en sedimentos oceánicos formando parte de la litosfera (rocas sedimentarias fosfatadas). Su proceso de liberación es lento por depender de ciclos geológicos que constituyen el factor limitante de producción primaria.

Su movilización se produce por meteorización, erosión y extracción de minerales para usos agrícolas que lo ponen a disposición de los seres vivos como fosfatos (PO43-).

Los fosfatos disueltos en el agua de suelos se integran al ecosistema terrestre al ser absorbidos por los vegetales, que lo incorporan en sus ácidos nucleicos y en moléculas energéticas (ATP, ADP y AMP). De los vegetales pasan a organismos consumidores, donde además se depositan en los huesos.

La descomposición de los productos orgánicos de excreción animal que contienen fósforo o de la materia orgánica muerta reincorpora el fósforo al ciclo terrestre.

El fósforo meteorizado, así como el procedente de la descomposición de la materia orgánica muerta, puede moverse y transportarse por la lluvia y las corrientes de agua hasta los océanos, donde se incorpora a los ecosistemas marinos y pasa a los peces, y de ellos a las aves marinas, quienes depositan sus excrementos en las costas formando depósitos de guano, que son utilizados como abono, donde el fósforo marino regresa a los ecosistemas terrestres. Cuando los organismos marinos mueren sus restos sedimentan en las profundidades. Sobre estos restos actúan organismos descomponedores que liberan fósforo.

La mayor parte del fósforo que llega al mar, junto con el procedente de la descomposición de los restos de organismos marinos, sedimenta y su reincorporación al ciclo se asocia a procesos geológicos complejos en "trampas del fósforo", ya que al acumularse en los sedimentos marinos quedan fuera del alcance del hombre. Sin embargo, corrientes ascendentes ponen nuevamente en circulación algunos sedimentos, con lo que pueden utilizarse en el ecosistema marino. El hombre incorpora grandes cantidades de fósforo al ciclo por el vertido de sustancias químicas y la aplicación de fosfatos a las tierras de cultivo que, llevados a cuencas marinas y continentales, eutrofizan las aguas favoreciendo el desarrollo desmesurado de las comunidades de microorganismos en estos medios, agotando el oxígeno disuelto.

ciclo del fosforo

12.1.4 Ciclo del nitrógeno

El nitrógeno es fundamental para la vida ya que es un componente imprescindible de proteínas y ácidos nucleicos. El nitrógeno constituye 78% de la atmósfera y ésta es el principal reservorio. También contiene pequeñas cantidades de amoníaco (NH3) procedente de erupciones volcánicas y de putrefacción de restos orgánicos, así como de NOx (NO, NO2 y N2O), originados también en erupciones volcánicas y la oxidación del N2 atmosférico por descargas eléctricas en las tormentas (fijación atmosférica).

A diferencia del carbono, las plantas no pueden asimilar el nitrógeno directamente de la atmósfera. Así que deben tomarlo de suelos en forma de nitratos o iones amonio. Los organismos consumidores obtienen su nitrógeno a partir de los ácidos nucleicos y las proteínas de los productores. En el ciclo del nitrógeno hay cuatro procesos importantes: fijación, amonificación, nitrificación y desnitrificación.

La fijación del nitrógeno atmosférico consiste en incorporar N2 en moléculas orgánicas. Algunos microorganismos son capaces de combinarlo con H2 para formar NH3 en la fijación biológica del nitrógeno. Principalmente son bacterias que viven en el suelo (Azotobacter) o en simbiosis en las raíces de algunas plantas como las leguminosas (Rhizobium), algas cianoficeas (Nostoc, Anabaena) y hongos (Frankia). Las bacterias del género Rhizobium son simbiontes y se asocian con las raíces de leguminosas, a las que ceden parte del nitrógeno captado. Ello explica la conveniencia de realizar rotaciones con leguminosas en los campos de cultivo para fertilizarlos de forma natural.

Otras formas de conversión del N2 en nitrógeno asimilable por las plantas son las tormentas eléctricas (fijación atmosférica), ya que se combina con el oxígeno de la atmósfera formando óxidos de nitrógeno: NO, N2O y NO2. Éstos reaccionan con el vapor de agua de la atmósfera formando HNO3 que cae con la lluvia y al llegar al suelo reacciona con sus componentes formando nitratos asimilables.

La amonificación es la liberación de NH3 a partir de proteínas y ácidos nucleicos de los restos orgánicos. Aquí intervienen bacterias quimioheterótrofas (descomponedoras). La nitrificación es la oxidación del NH3 para obtener sales nitrogenadas. El NH3 del suelo se transforma en nitratros que necesitan las plantas con bacterias nitrificantes. Este proceso tiene lugar en dos fases: bacterias del género nitrosomonas transforman el amoniaco en ion nitrito (nitrosación); bacterias del género nitrobacter oxidan los nitritos para formar nitratos (nitratación).

La desnitrificación es un proceso contrario a la nitrificación y ocurre cuando hay condiciones anaerobias en el suelo, por encharcamiento, compactación o una disminución del pH. También es un proceso bacteriano, donde éstas devuelven el nitrógeno a la atmósfera. El proceso consiste en pasar nitratos a nitritos y de éstos a N2 y N2O que pasan al aire. Lo producen bacterias anaerobias del género pseudomonas. Este proceso es perjudicial para la agricultura, ya que reducen la cantidad de nitratos en el suelo.

El nitrógeno es uno de los nutrientes esenciales para la vida, sin embargo, debido a la intromisión humana en su ciclo se ha convertido en un contaminante. El hombre contamina la atmósfera con varios óxidos de nitrógeno, así como el agua con nitratos lixiviados de los suelos agrícolas.

El abonado excesivo a las tierras de cultivo perturba el equilibrio natural entre fijación y desnitrificación. Por un lado, la excesiva fertilización del suelo conduce al lixiviado de los nitratos que pasan a las aguas subterráneas y llegan a ecosistemas acuáticos donde producen eutrofización. Por otro lado, se incrementa la desnitrificación, aumentando así los niveles atmosféricos de N2O que contribuye al efecto invernadero y a la destrucción de la capa de ozono. También los procesos de combustión en los automóviles y las industrias liberan moléculas de NO2 a la atmósfera. Allí, con el vapor de agua atmosférico, dan lugar a ácido nítrico, uno de los causantes de la lluvia ácida.

ciclo del nitrógeno

12.1.5 Ciclo del azufre

La reserva principal de azufre se encuentra en sulfatos en la hidrosfera y en yesos y piritas de la litosfera. En la atmósfera, el azufre se encuentra en forma de ácido sulfhídrico (H2S) que proviene de la actividad volcánica, la descomposición de la materia orgánica y del océano por la acción de ciertas algas. El dióxido de azufre (SO2) y los sulfatos (SO42-) se originan por la actividad volcánica y el uso de combustibles fósiles. Los sulfatos provienen del espray marino (brisa) que el viento transporta desde el mar al interior de los continentes. Estos compuestos reaccionan con el vapor de agua de la atmósfera transformándose en ácido sulfúrico (H2SO4) que vuelve a la tierra como lluvia, formando parte de la lluvia ácida.

En la litosfera el azufre se encuentra en su mayoría como yeso y se forma por la evaporación de aguas marinas ricas en sulfatos. Otro acúmulo importante de azufre en el suelo son los sulfuros de hierro (piritas) que quedan en sedimentos arcillosos; estos pueden ser devueltos a la atmósfera por la actividad volcánica o mediante la quema de combustibles fósiles.

Los sulfatos depositados en suelos y agua constituyen la principal fuente de azufre para los seres vivos. Los vegetales (y otros organismos fotosintéticos) incorporan el azufre a partir de los sulfatos, y mediante la fotosíntesis los reducen a H2S para fabricar ciertas moléculas orgánicas como aminoácidos (proteínas) y acetilcoenzima A. De esta manera se transfiere a otros niveles tróficos. Al morir los organismos, sus restos proteicos son descompuestos y reducidos a H2S por la acción de bacterias descomponedoras anaerobias, como las aerobacter. El H2S del suelo o del agua puede oxidarse de nuevo a SO42- por la acción bacteriana, ya sea en condiciones aerobias por bacterias autótrofas quimiosintéticas (thiobacillus) o anaerobias por bacterias fotosintéticas (fotosíntesis anoxigénica). En los suelos existen otras bacterias, las sulfobacterias o bacterias sulfatorreductoras que en condiciones anaerobias devuelven los sulfatos a sulfuros (desulfovibrio).

Parte del H2S, tanto en medios terrestres como acuáticos puede quedar inmovilizado en forma de piritas o formar parte del petróleo o carbón. Este azufre puede ser devuelto a la atmósfera por las actividades volcánica o biológica, así como por la quema de combustibles fósiles.

De todos los gases atmosféricos, el SO2 es el más implicado en la contaminación del aire. Las principales fuentes son naturales y humanas. Las fuentes naturales incluyen la actividad microbiana, los volcanes, el aerosol marino y la erosión. Las emisiones de origen humano proceden de las centrales eléctricas, industria y transporte.

El SO2 produce una toxicidad aguda y daños graves a la vegetación y al combinarse con vapor de agua de la atmósfera forma lluvia ácida que produce efectos nocivos sobre la vegetación, el hombre y las construcciones. La presencia de H2S en las zonas anaerobias (sedimentos del fondo) de los ecosistemas acuáticos, en aguas residuales con una gran proporción de materia orgánica o en suelos inundados también ricos en materia orgánica, es nociva para la mayoría de los organismos.

ciclo del azufre

12.2 Contribuciones de los ecosistemas

El mar cubre aproximadamente 70% de la superficie del planeta; sin embargo, gran parte de ésta (~ 90%) corresponde a cuencas oceánicas intertropicales con una profundidad promedio de 1,500 m y una productividad primaria muy baja, equiparable a la de los desiertos y las tundras.

Los ecosistemas terrestres corresponden con el restante 30% de la superficie del planeta, donde los desiertos cubren 30%, las sabanas y pastizales tropicales 23%, selvas 22%, bosques templados y de coníferas 17% y zonas de cultivos 10%. Y una muy pequeña porción corresponde a la región Nerítica, los mares circumpolares y las zonas de surgencia.

La región Nerítica se localiza sobre la plataforma continental, en un intervalo de profundidades de 0 a 200 m. En esta región se lleva a cabo 80% de la captura pesquera. Su productividad promedio es tres veces más grande que la del océano abierto; además, 70% de las especies de importancia pesquera lo constituyen organismos asociados a manglares en zonas tropicales y a pantanos de macrófitas de regiones templadas.

Las lagunas costeras, los estuarios, los manglares y los humedales son ampliamente reconocidos como los ecosistemas más productivos de la biosfera. Manglares y estuarios están vinculados funcionalmente por las mareas que remueven materia orgánica (detritus) de los primeros para llevarla a los segundos, incrementando aún más su productividad primaria. La productividad de los manglares es mayor que las selvas de áreas lluviosas, similar al más eficiente de nuestros cultivos tropicales (la caña de azúcar), 20 veces superior a la productividad del mar y cinco veces superior a la de las zonas de surgencia.

12.3 Interconexiones de los ciclos biogeoquímicos

Los estuarios, manglares y pantanos, por su elevada productividad, generan mucha materia orgánica que se incorpora a la cadena alimenticia. También reciben descargas agrícolas y urbanas, por lo cual son sitios de eutrofización, donde hay un incremento de sustancias nutritivas que provoca un exceso de fitoplancton.

La materia orgánica que llega a las lagunas costeras se descompone por microbios aerobios y anaerobios. El proceso de reducción del sulfato en zonas costeras es inagotable porque es muy abundante en el ambiente marino, pero en ambientes dulceacuícolas una vez agotado el azufre continúa la reducción de CO2 a CH4.


Ambientes abundantes en materia orgánica y escasa sal de nitrógeno han permitido la evolución de plantas capaces de obtener su nitrógeno de fuentes orgánicas, como las plantas carnívoras. Estas plantas son fotosintéticas, pero capturan insectos que les aportan el nitrógeno necesario para la síntesis de sus proteínas.

Una gran cantidad de azufre (85 – 90%) del planeta está en la materia orgánica. El H2S producido por descomposición de materia orgánica y por respiración anaeróbica puede precipitar como sulfuro metálico y puede volver a oxidarse por bacterias quimiosintéticas o fotosintéticas, las cuales son los enlaces entre los ciclos de azufre y nitrógeno.

El fósforo y su interacción con los sulfuros, a diferencia de los ciclos del nitrógeno y azufre, prácticamente no sufre cambios en su estructura química, encontrándose casi en su totalidad como fosfato, por lo que la adición de fósforo a los suelos con los fertilizantes y detergentes  puede incrementar el crecimiento de algas y causar eutrofización.

Los compuestos o elementos que no forman parte de los ciclos suelen acumularse en la geosfera, la evidencia más clara es la variación en la composición de la atmósfera, particularmente en el incremento de concentraciones de algunos gases de larga vida emitidos por la actividad industrial.

Los hidrocarburos halogenados incluyen especies como los clorofluorocarbonos, metilcloroformo y los clorofluorocarbonos parcialmente halogenados. Todos son exclusivamente de origen antropogénico.

La mayoría de los hidrocarburos halogenados no tiene medios biológicos de remoción y son resistentes a la hidrólisis en sistemas acuáticos, por lo que su principal vía de remoción es la degradación fotoquímica en la atmósfera, la cual puede ser lenta.

 
12.4 Referencias

Kaprivin V. and Varotsos C., Biogeochemical Cycles in Globalization and Sustainable Development, Springer Praxis Books, 2008

http://www.springerlink.com/content/978-3-540-75440-4#section=147904&page=1

Bengtsson L. and Hammer C. (Eds.), Geosphere-biosphere interactions and climate, Cambridge University Press, 2001

 


12.5. CUESTIONARIO