ANEXO N 7

Ingeniera de Control Ambiental

Ciclos de Nutrientes

Cualquier elemento que un organismo necesite para vivir, crecer y reproducirse se llamanutrimentoonutriente. Los organismos vivos necesitan de 30 a 40 elementos qumicos, aunque el nmero y tipos de estos elementos pueden variar con los distintos organismos.

El trmino ciclo biogeoqumico se deriva delmovimientocclico de los elementos que forman los organismos biolgicos (bio) y el ambiente geolgico (geo) e intervienen en uncambioqumico. El abastecimiento de nutrientes distintos del CO2 para un ecosistema procede principalmente del suelo, pero tambin en menor medida del aire, la lluvia y la nieve, y en forma de polvo. La provisin de muchos nutrientes es imitada porque son escasos en el suelo y en otras fuentes.

Los nutrientes se reciclan de tal manera que se incorporan en plantas y animales, o bien quedan disponibles para que los productores los asimilen por la descomposicin de restos de organismos muertos. Las rutas de Ias fuentes a los sumideros y de regreso a las fuentes se llaman ciclos elementales, y difieren para los diversos elementos.

Tipos de Ciclos Biogeoqumicos:

1. Ciclos de nutrientesGaseoso:los nutrientes circulan principalmente entre la atmsfera y los organismos vivos. Ejemplos de ciclos gaseosos son el CARBONO, elNITROGENOy OXIGENO.

2. Ciclos de nutrientes Sedimentarios:los nutrientes circulan principalmente en la corteza terrestre (suelo,rocas, sedimentos, etc. Ejemplos de este tipo de ciclos son elFOSFOROy elAZUFRE.

Ciclos de Nutrientes Gaseosos:

Ciclo de Carbono:

El carbono es necesario en grandes cantidades como bloque bsico de construccin de toda la materia orgnica. La fuente ltima de carbono es el dixido de carbono, el cual se transforma en compuestos orgnicos por la fotosntesis. En la naturaleza, el movimiento del carbono es de la reserva de y dixido de carbono atmosfrico a las plantas verdes y de ah a los consumidores, y contina a los organismos microbianos que descomponen la materia orgnica.

Las algas y Ias bacterias auttrofas tambin incorporan o fijan carbono del CO2 atmosfrico para producir carbohidratos y otras sustancias orgnicas complejas. stas se distribuyen a travs de la cadena alimenticia y constituyen los tejidos de la materia viva.

Los combustibles fsiles, las rocas de carbonatos y el dixido de carbono disuelto en los ocanos son importantes reservas adicionales de carbono, aunque los dos primeros no son accesibles de manera natural para las plantas y los animales. Estas fuentes ligadas de carbono quedan disponibles cuando el CO2 se libera durante la quema de combustible fsiles y por la accin de CO2 (producto de la descomposicin microbiana) que transforma los carbonatos insolubles en bicarbonatos solubles.

El retorno del dixido de carbono a la reserva atmosfrica se verifica de diversas maneras. Quiz la ms conocida es a travs de los procesos respiratorios de los humanos y los animales. Sin embargo, las cantidades ms grandes de dixido de carbono regresan a la atmsfera por la actividad de grupos de bacterias y hongos, los cuales utilizan materia orgnica muerta como fuente de alimento. Estos microorganismos oxidan la materia muerta, ya sea de forma directa o en varias etapas, obteniendo CO2 y HO2 como productos finales, con lo cual completan el ciclo.

Otras fuentes que devuelven CO2 a la atmosfera son los incendios forestales y la que de combustibles fsiles y otra materia orgnica. La quema de turba seca, carbono o petrleo es un ejemplo de la utilizacin de una biomasa fotosinttica antigua como fuente de energa trmica. El carbono se oxida a dixido de carbono en cada caso.

El componente geolgico del ciclo del carbono comprende (1) la acumulacin, descomposicin lenta y compactacin del material vegetal para formar turba, carbn y petrleo y (2) la acumulacin y compactacin de conchas de animales y esqueletos microscpicos de diatomeas para formar rocas de carbonatos.

El carbonato de calcio tambin se precipita en aguas dulces cuando las algas extraen CO2 del agua, con lo cual aumenta su pH. Cuando se mezcla la arcilla, estos depsitos forman margas, que con el tiempo se compactan y forman piedra caliza. Enormes depsitos de carbn y gran parte de la piedra caliza se sedimentaron durante el periodo carbonfero, cuando predominaban en la Tierra aguas poco profundas y climas clidos.

La descarga de aguas residuales domsticas y desechos industriales orgnicos aporta grandes cantidades de carbono a las aguas receptoras. La necesidad de reducir la materia orgnica en ellas es una de las razones principales por las que se hace el tratamiento de aguas residuales.

Figura N1: Ciclo de Carbono

Ciclo del Nitrgeno:

Otro ciclo de nutriente importante es el del nitrgeno, el cual se muetra de forma esquematizada en la figura N2. El nitrgeno es un elemento de importancia crtica para todas las formas de vida. Las protenas, que son componentes de todas las clulas, en promedio contienen 16% de nitrgeno en peso.

Otras sustancias nitrogenadas complejas de importancia para la vida son los cidos nucleicos y los aminoazcares. Sin un suministro continuo de nitrgeno, la vida en la Tierra dejara de existir.El ciclo de nitrgeno se parece un poco al ciclo del carbono, aunque con algunas diferencias crticas. No obstante que el 79% de la atmsfera del planeta es nitrgeno elemental (N2), este gas inerte no est disponible en absoluto para ser asimilado por los microbios capaces de fijar el nitrgeno atmosfrico inorgnico en la forma orgnica. Esta fijacin microbiolgica alcanza en promedio de 140 a 700 mg/m2 ao. En reas agrcolas muy frtiles puede ser de ms de 20.000 mg/m2 ao.

Se sabe de diversas bacterias, hongos y algas azules capaces de fijar nitrgeno. Este proceso implica incorporacin directa de nitrgeno atmosfrico en el cuerpo" orgnico del organismo fijador. Los fijadores de nitrgeno tan solo constituyen una proporcin muy pequea de estos grupos en conjunto, y se les puede dividir en (1) fijadores de nitrgeno simbiticos, que son principalmente bacterias y estn asociadas a las races de las leguminosas (miembros de la familia del guisante y el frijol) y algunas otras plantas fanergamas, y (2) fijadores de nitrgeno de vida libre.

El gnero Rhizobium incluye las bacterias que habitan los ndulos que se forman en las races de los miembros de la familia del guisante y el frijol. Estas bacterias estn presentes en el suelo infectando las finas races a medida que las plantas recin nacidas crecen.

Figura N2: Ciclo del Nitrgeno

Las bacterias desnitrificantes del suelo tambin pueden convertir el nitrito en amoniaco, en especial las bacterias y los hongos de los suelos anegados. Esta conversin tambin se produce en condiciones de escasez de oxgeno en los lagos. El proceso se llama desnitrificacin. Las bateras nitrificantes utilizan el nitrgeno amoniacal como fuente de energa para sintetizar su protoplasma.

Muchas bateras y hongos hetertrofos del suelo y del agua utilizan este material rico en nitrgeno, lo transforman y lo liberan como amoniaco inorgnico en un proceso llamado amonificacin. Otras partes del ciclo implican la emisin, de vuelta en la atmsfera, de nitrgeno y xidos ntricos gaseosos, aunque la importancia de las mismas es limitada.

Ciclo del Oxgeno:

El oxgeno es el elemento qumico ms abundante en masa en la corteza terrestre y en los ocanos y el segundo en la atmsfera:

En la corteza terrestre la mayor parte del oxgeno se encuentra formando parte de silicatos. En los ocanos se encuentra formando por parte de la molcula de agua (H2O).

En la atmsfera se encuentra como oxgeno molecular (O2), dixido de carbono (CO2), y en menor proporcin en otras molculas como monxido de carbono (CO), ozono (O3), dixido de nitrgeno (NO2), monxido de nitrgeno (NO) o dixido de azufre (SO2).

Como molcula, en forma de O2, su presencia en la atmsfera se debe a la actividadfotosintticade primitivos organismos. Al principio debi ser una sustancia txica para la vida, por su gran poder oxidante. Todava ahora, una atmsfera de oxgeno puro produce daos irreparables en las clulas. Pero el metabolismo celular se adapt a usar la molcula de oxgeno como agente oxidante de los alimentos abriendo as una nueva va de obtencin de energa mucho ms eficiente que laanaerbica.

En la respiracin celular se reduce oxgeno para la produccin de energa y generndose dixido de carbono.

En la fotosntesis se origina oxgeno y glucosa a partir de agua, dixido de carbono (CO2) y radiacin solar.

Figura N3: Ciclo del Oxgeno

Lareservafundamental de oxgeno utilizable por los seres vivos est en la atmsfera. Su ciclo est estrechamente vinculado al del carbono pues el proceso por el que el C es asimilado por las plantas (fotosntesis), supone tambin devolucin del oxgeno a la atmsfera, mientras que el proceso de respiracin ocasiona el efecto contrario.

Otra parte del ciclo natural del oxgeno que tiene un notable inters indirecto para los seres vivos de la superficie de la Tierra es su conversin enozono. Las molculas de O2, activadas por las radiaciones muy energticas de onda corta, se rompen en tomos libres de oxgeno que reaccionan con otras molculas de O2, formando O3(ozono). Esta reaccin es reversible, de forma que el ozono, absorbiendo radiaciones ultravioletas vuelve a convertirse en O2.

Ciclos de Nutrientes Sedimentarios:

Ciclo del Fsforo:

El ciclo el fsforo, en particular en el sistema acutico, es de especial inters para los cientficos e ingenieros ambientalistas. El fsforo, es un elemento indispensable para el crecimiento, con mucha frecuencia se encuentra en cantidades limitadas en ros y lagos, en tanto que el carbono y el nitrgeno estn disponibles en mayor abundancia. Por consiguiente, el crecimiento excesivo de algas y hierbas acuticas en ros y lagos en muchos casos se puede reducir o impedir limitando slo la provisin de fsforo. Por tanto, el fsforo es un factor limitante.La aportacin de fsforo por actividades humanas puede ser mayor que la de fuentes naturales. Las aguas negras domesticas contienen fsforo de las heces y de los detergentes comerciales, en los cuales se utilizan fosfatos (como agentes humectantes), aunque en gran medida esta ltima contribucin se ha reducido en muchos lugares a causa de la legislacin. El desage de reas agrcolas que han recibido fertilizantes (que normalmente contienen nitrgeno, fsforo y potasio) pueden ser otra fuente importante.El fsforo es un componente de los cidos nucleicos, los fosfolpidos y tambin de numerosos compuestos fosforilados. Se ha observado que la proporcin de fsforo respecto a otros elementos en los organismos tiende a ser considerablemente mayor que en fuentes externas como el suelo o el agua, lo cual indica que la provisin de fsforo es de importancia crtica para el crecimiento biolgico en los lagos.La lluvia disuelve los fosfatos presentes en los suelos y los pone a disposicin de los vegetales. El lavado de los suelos y el arrastre de losorganismosvivos fertilizan los ocanos y mares. Parte del fsforo incorporado a los peces es extrado por aves acuticas que lo llevan a la tierra por medio de la defecacin (guano).

Figura N4: Ciclo del Fsforo Ciclo del Azufre:

Gran parte del azufre que llega a la atmsfera proviene de las erupciones volcnicas, de las industrias, vehculos, etc. Parte del azufre presente en losorganismosvivos queda en los suelos cuando stos mueren. La descomposicin de la materia orgnica produce cido sulfhdrico, de mal olor, devolviendo azufre a la atmsfera.Depsitos de azufre en la naturaleza

Su principal depsito son sedimentos y rocas en forma de minerales sulfatados, principalmente el yeso (CaSO4) y la pirita de hierro (FeS2).

Tambin se encuentra en el ocano en forma de sulfato inorgnico, y en la atmsfera en forma de sulfuro de hidrgeno (H2S) y dixido de azufre. El vulcanismo y procesos industriales humanos liberan gran concentracin de azufre a la atmsfera, el cual reacciona con el agua y forma cido sulfhdrico (H2S acuoso), que al precipitarse provoca la lluvia cida.

INGENIERA AGROINDUSTRIAL