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CICLOS BIOGEOQUÍMICOS Dra. Flor Teresa García Huamán

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CICLOS BIOGEOQUÍMICOS

Dra. Flor Teresa García Huamán

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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 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.2Dra. Flor Teresa García Huamán

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Un elemento químico o molécula necesaria 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:

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• 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.

• MICRONUTRIENTES: Son los 30 ó más elementos requeridos

en cantidades pequeñas: Hierro, cobre, zinc, cloro, yodo.

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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.

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El ciclo de los nutrientes desde el biotopo (en la atmosfera, 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).

Una sustancia química puede ser parte de un organismo en un

momento y parte del ambiente del organismo en otro

momento.

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CICLO DEL AGUA

Se pudiera 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.

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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).8Dra. Flor Teresa García Huamán

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• 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 luego de haber recorrido distancias

que pueden sobrepasar 1,000 km. El agua condensada da

lugar a la formación de nieblas y nubes y, posteriormente, a

precipitación.

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• 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 cristalina, en el caso de la nieve, y

con estructura granular, regular en capas, en el caso del granizo.

• La precipitación incluye también 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).

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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.

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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.

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Así, los cursos de agua alimentados por capas freáticas

presentan unos caudales más regulares.

Los procesos del ciclo hidrológico decurren 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.

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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.

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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.

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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.

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CICLO DEL OXIGENO

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.

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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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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 parte de la molécula de agua.

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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).

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Atmósfera

El O2 le confiere un carácter oxidante a la atmósfera. Se formó por

fotólisis de H20, 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.

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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.

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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 bioorgánica

dando el dióxido de carbono y agua.

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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.

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CICLO DEL CARBONO

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.

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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.

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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.

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• 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.

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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.

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• 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.

• 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.33Dra. Flor Teresa García Huamán

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CICLO DEL NITROGENO

El ciclo del nitrógeno es cada uno de los procesos biológicos y

abióticos en que se basa el suministro de este elemento a los

seres vivos. Es uno de los ciclos biogeoquímicos importantes

en que se basa el equilibrio dinámico de composición de la

biosfera.

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Efectos

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.

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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.

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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).

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Fijación y asimilación de nitrógenoEl 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.

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• 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 del 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

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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.

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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.

La fijación biológica depende del complejo enzimático de la nitrogenasa.

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AmonificaciónLa 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.

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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 en ecosistemas

continentales, es convertido a esa forma por la acción de

microorganismos descomponedores.

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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.

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NitrificaciónLa 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.

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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.

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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.

DesnitrificaciónLa 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.

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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

50Dra. Flor Teresa García Huamán

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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.

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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.

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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.

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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.

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CICLO DEL AZUFRE:

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.

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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.

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CICLO DEL FOSFORO:

El fósforo es un componente esencial de los organismos. Forma

parte de los ácidos nucleícos (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.

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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.

59Dra. Flor Teresa García Huamán

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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.

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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.

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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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