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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO_INGENIERIA DE MINAS

Ciclo biogeoquímico

Los seres vivos necesitan alrededor de 40 elementos químicos para su desarrollo; entre ellos, los fundamentales son: carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, azufre y fósforo. La existencia de éstos en la naturaleza es limitada; por ello, deben reciclarse de manera constante. Así surgen los llamados ciclos biogeoquímicos, que permiten la disponibilidad de estos elementos una y otra vez, transformándose y recirculando a través de la atmósfera, hidrosfera, litosfera y biosfera, es decir la ecósfera.

Los ciclos biogeoquímicos pueden ser de dos tipos:

De nutrientes gaseosos. Cuya fuente de aporte es la atmósfera: Ej. carbono, oxígeno y nitrógeno.

De nutrientes sólidos. Proporcionados por la corteza terrestre; por ejemplo: Fósforo y azufre.

El agua desempeña un papel fundamental en los ciclos biogeoquímicos, ya que los nutrientes atmosféricos llegan a la superficie terrestre con la lluvia; los nutrientes sólidos provienen de minerales de rocas desgastadas y disueltas por el agua, además, las plantas absorben los nutrientes minerales disueltos en este líquido.

INTRODUCCIÓN AL MEDIO AMBIENTE


¿Los ciclos geoquímicos se interrelacionan?

Sí, los principales elementos químicos son: carbono, hidrógeno, nitrógeno, oxígeno, fósforo, azufre o los contaminantes, los ciclos de estos elementos se combinan de diferentes maneras e interrelacionan entre sí.

Hay tres tipos de ciclos biogeoquímicos interconectados.En los ciclos gaseosos, los nutrientes circulan principalmente entre la atmósfera (agua) y los organismos vivos. En la mayoría de estos ciclos los elementos son reciclados rápidamente, con frecuencia en horas o días. Los principales ciclos gaseosos son los del carbono, oxígeno y nitrógeno.

En los ciclos sedimentarios, los nutrientes circulan principalmente en la corteza terrestre (suelo, rocas y sedimentos) la hidrosfera y los organismos vivos. Los elementos en estos ciclos, generalmente reciclados mucho más lentamente que en los ciclos atmosféricos, porque los elementos son retenidos en las rocas sedimentarias durante largo tiempo, con frecuencia de miles a millones de años y no tienen una fase gaseosa. El fósforo y el azufre son dos de los 36 elementos reciclados de esta manera.En el ciclo hidrológico; el agua circula entre el océano, el aire, la tierra y los organismos vivos, este ciclo también distribuye el calor solar sobre la superficie del planeta.

Los ciclos biogeoquímicos constituyen un sistema regulador de la hidrosfera y la biosfera. Estos ciclos describen los movimientos y las interacciones de los elementos químicos esenciales para la vida, a través de procesos físicos, químicos y biológicos. Los flujos de los elementos pueden ser abiertos, como el flujo de energía o cerrados, como el ciclo de la materia.



Ciclo del agua:

Se define como el proceso de cambio en la ubicación y el estado físico del agua (solido, líquido y gaseoso) en el medio, incluyendo los seres vivos, aunque estos últimos tienen un papel “despreciable” en el ciclo del agua que se da de manera natural.

El ciclo hidrológico se basa en el permanente movimiento o transferencia de las masas de agua, tanto de un punto del planeta a otro, como entre sus diferentes estados (líquido, gaseoso y sólido). Está animado por dos causas: La energía solar y la gravedad, funcionando esencialmente gracias a la energía solar. La naturaleza ha creado una especie de máquina insuperable, regulando y gestionando las necesidades de cada uno de los seres vivos.

Esta sucesión de etapas que atraviesa el agua al pasar de la tierra a la atmósfera y volver a la tierra: evaporación desde el suelo, mar o aguas continentales, condensación de nubes, precipitación, acumulación en el suelo o masas de agua y re evaporación. Como apreciamos en la siguiente figura.

El ciclo hidrológico involucra un proceso de transporte recirculatorio e indefinido o permanente, este movimiento permanente del ciclo se debe fundamentalmente a dos causas: la primera, el sol que proporciona la energía para elevar el agua (evaporación); la segunda, la gravedad terrestre, que hace que el agua condensada descienda (precipitación y escurrimiento).



El ciclo hidrológico podría considerarse como un sistema, cuyos componentes son: precipitación, evaporación, escorrentía, y las otras fases del ciclo, tal como se muestra en la figura siguiente.

I. Precipitación

Se denomina precipitación, a toda agua meteórica que cae en la superficie de la tierra, tanto en forma líquida (llovizna, lluvia, etc.) y sólida (nieve, granizo, etc.) y las precipitaciones ocultas (rocío, la helada blanca, etc.). Ellas son provocadas por un cambio de la temperatura o de la presión. La precipitación constituye la única entrada principal al sistema hidrológico continental.

Para la formación de la precipitación se requiere la condensación del vapor de agua atmosférico. La saturación es una condición esencial para desbloquear la condensación. Los varios procesos termodinámicos son convenientes para realizar la saturación de las partículas atmosféricas inicialmente no saturadas y causar su condensación:

Saturación y condensación isobárica (a presión constante).

Saturación y condensación isobárica (a presión constante).

Saturación y condensación por presión de vapor de agua.

Saturación por mezcla y turbulencia.



Existen diferentes tipos de precipitación: precipitación convectiva, precipitación orográfica y precipitaciones frontales, tal como se puede apreciar en la figura.

Precipitación Convectiva. Resultan de una subida rápida de las masas del aire en la atmósfera. Se asocian a los cúmulos y cumulonimbos, desarrollo vertical significativo, y son generados así por el proceso de Bergeron. La precipitación que resulta de este proceso es generalmente tempestuosa, de corta duración (menos de una hora), de intensidad fuerte y de poca extensión espacia. Precipitación Orográfica. Como su nombre indica (del griego oros = montaña), este tipo de precipitación se relaciona con la presencia de una barrera topográfica. La característica de la precipitación orográfica depende de la altitud, de la pendiente y de su orientación, pero también de la distancia que separa el origen de la masa del aire caliente del lugar del levantamiento. En general, presentan una intensidad y una frecuencia regular.

Precipitación Frontal o del tipo ciclónico. Se asocian a las superficies de contacto entre la temperatura de la masa de aire, el gradiente térmico vertical, la humedad y de los diversos índices del recorrido, que uno nombra Frentes. Los frentes fríos crean precipitaciones cortas e intensas. Los Frentes calientes generan precipitaciones de larga duración pero no muy intensas.

II. Evaporación

Se define como el proceso mediante el cual se convierte el agua líquida en un estado gaseoso. La evaporación puede ocurrir solamente cuando el agua está disponible. También se requiere que la humedad de la atmósfera ser menor que la superficie de evaporación (a 100% de humedad relativa no hay evaporación más).



El proceso de evaporación requiere grandes cantidades de energía. Por ejemplo, la evaporación de un gramo de agua a una temperatura de 100 ° Celsius requiere 540 calorías de energía de calor (600 calorías a 0 ° C).

III. Condensación

El cambio en el estado de la materia de vapor a líquido que se produce con el enfriamiento. Normalmente se utiliza en meteorología cuando se habla de la formación de agua líquida en vapor. Este proceso libera energía de calor latente para el medio ambiente.



IV. Transpiración

Es la evaporación a través de las hojas. El proceso fisiológico de alimentación de las plantas se efectúa mediante el paso de ciertas cantidades de agua, portadoras de los alimentos, por el interior de ellas y ese tráfico solamente es posible gracias a la transpiración.

V. Intercepción

Es la parte de la precipitación que es interceptada por objetos superficiales como la cubierta vegetal o los tejados, en general, parte de esta agua interceptada nunca alcanza al suelo porque se adhiere y humedece estos objetos y se evapora.



VI. Escorrentía superficial

Es la porción de lluvia que no es infiltrada, interceptada o evaporada y que fluye sobre las laderas. En realidad la escorrentía superficial, la infiltración y la humedad del suelo son interactivas entre sí, por tal motivo se debe tener cuidado en seleccionar el modelo adecuado para cada caso



VII. Escorrentía subsuperficial

Es el agua que ha sido previamente infiltrada y no alcanza el almacenamiento subterráneo o acuífero, por lo tanto debe ser considerada como parte de la escorrentía.

Ciclo del oxígeno

El oxígeno es el elemento químico más abundante en los seres vivos. Forma parte del agua y de todo tipo de moléculas orgánicas. Como molécula, en forma de O2, su presencia en la atmósfera se debe a la actividad fotosintética de primitivos organismos. Al principio debió ser una sustancia tóxica para la vida, por su gran poder oxidante. Todavía ahora, una atmósfera de oxígeno puro produce daños irreparables en las células. Pero el metabolismo celular se adaptó a usar la molécula de oxígeno como agente oxidante de los alimentos abriendo así una nueva vía de obtención de energía mucho más eficiente que la anaeróbica.

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.

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).

Atmósfera

El O2 le confiere un carácter oxidante a la atmósfera. Se formó por fotólisis de H2O, formándose H2 y O2:

H 2O+hv=12O2

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.

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.

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. 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.



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.

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.

El ciclo del azufre es un proceso donde el azufre (S) sufre una serie de conversiones en su estado de oxidación, permitiéndole a ciertos microorganismos obtener energía de sustancias inorgánicas, es similar al del nitrógeno porque también pasa por varios estados de oxidación. La forma más reducida del azufre es sulfuro de hidrógeno (H2S), una fuente de energía para bacterias anaerobias autótrofas que lo convierten en azufre elemental (S0) o en sulfatos (SO4

-2), ver la figura 62. El azufre presente



mayoritariamente en los mares está en forma de sulfato inorgánico, en sedimentos y rocas (como el yeso, CaSO4 .2H2O) o en minerales de sulfuro (como la pirita FeS2).

El ciclo del azufre se presenta en condiciones aerobias y anaerobias. Primero el sulfuro de hidrógeno (H2S) un gas muy volátil es reducido a sulfato por bacterias reductoras de sulfato (Beggiatoa, Thiobacillus). Las bacterias reductoras usan compuestos con azufre o el azufre elemental como aceptor final de electrones en la cadena transportadora durante el proceso de respiración anaerobia para la obtención de ATP. Muchas de estas bacterias viven en ambientes anaeróbicos como los lodos, donde el H2S produce el color oscuro y el olor a huevo podrido.

H2S → S0 → SO4-2

La conversión del H2S a SO4-2 está mediada por dos tipos de bacterias. Las

quimioautótrofas, generan ATP oxidando los compuestos que contienen azufre para obtener como producto final el sulfato pero también un intermediario conocido como azufre elemental. Las bacterias fotótrofas realizan las mismas reacciones anaeróbicamente e incluso pueden oxidar también el azufre elemental.

Beggiatoa usa el sulfuro de hidrógeno para reducir el dióxido de carbono, mientras que Thiobacillus lo usa como fuente de energía para producir sulfato y ácido sulfúrico.

En condiciones anaerobias y preferiblemente en materia orgánica se produce la misma reacción pero por bacterias fototróficas rojas y verdes. La forma en la que está presente el sulfuro en la naturaleza depende del pH, es decir, en pH = 7.0 predomina H2S, mientras a pH > 7.0 predominan las formas HS- y S2-.



Estas reacciones están implicadas cuando se vierten al mar lodos, basuras y aguas residuales los cuales aumentan la cantidad de materia orgánica de los sedimentos favoreciendo la contaminación (Madigan et al. 2001).

El sulfato (SO4-2) puede ser utilizado por plantas y bacterias para incorporarlo a los

aminoácidos o proteínas que tienen los puentes disulfuro (asimilación), luego tras la muerte celular microorganismos descomponedores degradan las proteínas y permiten que el azufre se libere como H2S (desasimilación o desulfurilación) para

volver de nuevo al ciclo (figura 63). Estos procesos pueden darse en condiciones aerobias o anaerobias.

Luego el sulfato también puede reducirse por la acción de bacterias (Desulfovibrio o Desulfobacter) en condiciones anoxigénicas a sulfuro de hidrógeno. El azufre elemental se reduce u oxida por Desulfuromonas o archaeas en condiciones anaerobias o se usa como fuente de energía inorgánica por bacterias como Beggiatoa.

SO4-2

→ H2S

S0 → H2S

Todas las reacciones del ciclo del azufre son aprovechadas para el tratamiento de aguas residuales, lodos o incluso cultivos donde a suelos muy alcalinos se les añade azufre de tal manera que las bacterias puedan bajar el pH mediante la oxidación del azufre que genera ácido sulfúrico (H2SO4).

S + 11/2 O + H2O → H2SO4



El azufre elemental también es un producto con valor comercial usado como materia prima en la industria química para la producción de H2SO4.

Ciclo del fósforo

La proporción de fósforo en la materia viva es relativamente pequeña, el papel que desempeña es vital. Es componente de los ácidos nucleicos como el ADN, muchas sustancias intermedias en la fotosíntesis y en la respiración celular están combinadas con el fósforo, y los átomos de fósforo proporcionan la base para la formación de los enlaces de alto contenido de energía del ATP, se encuentra también en los huesos y los dientes de animales, incluyendo al ser humano.

La mayor reserva de fósforo está en la corteza terrestre y en los depósitos de rocas marinas.

Proceso:

De las rocas se libera fósforo y en el suelo, donde es utilizado por las plantas para realizar sus funciones vitales.

Los animales obtienen fósforo al alimentarse de las plantas o de otros animales que hayan ingerido.

En la descomposición bacteriana de los cadáveres, el fósforo se libera en forma de ortofosfatos (PO4H2) que pueden ser utilizados directamente por los vegetales verdes, formando fosfato orgánico (biomasa vegetal), la lluvia puede transportar este fosfato a los mantos acuíferos o a los océanos.

Las aves marinas recuperan un poco del fosfato depositado en el mar al consumir productos acuáticos, pero la mayor parte de este elemento no vuelve al ciclo, por lo que prácticamente todo el fósforo que circula es el producto de nuevas aportaciones del sustrato geológico.

El ciclo del fósforo difiere con respecto al del carbono, nitrógeno y azufre en un aspecto principal. El fósforo no forma compuestos volátiles que le permitan pasar de los océanos a la atmósfera y desde allí retornar a tierra firme. Una vez en el mar, solo existen dos mecanismos para el reciclaje del fósforo desde el océano hacia los ecosistemas terrestres. Uno es mediante las aves marinas que recogen el fósforo que pasa a través de las cadenas alimentarias marinas y que pueden devolverlo a la tierra firme en sus excrementos. Además de la actividad de estos animales, hay la posibilidad del levantamiento geológico de


http://www.lenntech.es/periodica/elementos/s.htm

http://www.lenntech.es/periodica/elementos/n.htm

http://www.lenntech.es/periodica/elementos/c.htm


los sedimentos del océano hacia tierra firme, un proceso medido en miles de años.

El hombre también moviliza el fósforo cuando explota rocas que contienen fosfato.



Ciclo del nitrógeno

Fijación del nitrógeno

Proceso de reducción del N2 atmosférico, no asimilable, a NH4+

asimilable por las plantas y, a través de ellas, por toda la cadena trófica.

La fijación de nitrógeno se produce únicamente por bacterias en condiciones anaerobias y requiere el consumo de una gran cantidad de energía.

La fijación de nitrógeno supone unos 2x108Tm al año (unas 8 veces la producción anual de abonos nitrogenados).

Amonificación

Consiste en la liberación del NH4+ de las moléculas inorgánicas.

Es un proceso microbiano producido por microorganismos ureolíticos y por especies que posean desaminasas.

Nitrificación



Proceso en el que ciertos quimiolitotrofos utilizan la energía liberada en la oxidación del NH4

+ para sus reacciones metabólicas. Este proceso es muy poco eficiente, por lo que es necesaria la oxidación de una gran cantidad de substrato para que pueda producirse un crecimiento apreciable de este tipo de microorganismos. Por otra parte, el proceso es obligadamente aerobio.

La nitrificación produce un cambio notable en el estado de oxidación del nitrógeno fijado al pasar de forma catiónica (NH4

+) a aniónica (NO3

-). En suelos arcillosos de gran carga negativa, el NH4

+ queda retenido con más facilidad, mientras que el NO3- no

se retiene y pasa a aguas subterráneas con lo que sale del sistema. Un efecto colateral negativo de la nitrificación es que los nitratos son tóxicos para animales ya que pueden dar lugar, entre otros efectos indeseables, a la producción de nitrosaminas y de otros agentes cancerígenos. En ciertas ocasiones, se han utilizado inhibidores de la nitrificación para reducir estos efectos en el suelo.

Desnitrificación

Se produce por la actividad de microorganismos que, en condiciones de anaerobiosis, son capaces de utilizar NO3

- y NO2-

como aceptores finales de electrones en procesos de respiración anaerobia. Los productos finales son diferentes estados de oxidación del nitrógeno (NO, N2O, N2) dependiendo de la disponibilidad de materia orgánica, de la concentración de nitratos y del pH del suelo.

Este proceso cierra el ciclo del nitrógeno: es una reducción desasimiladora.



BIBLIOGRAFÍA

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Madrid

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO

ESCUELA DE INGENIERIA DE MINAS


DOCENTE: ING. GUTIERREZ ARANDA, LUIS

ALUMNA: GIL CRESPIN, MAYRA YESENIA

TEMA: CICLOS BIOGENÉTICOS

CICLO: VIII

TRUJILLO-2015
