1 Tipos Básicos de Ciclos Biogeoquímicos

Declaración

Los elementos químicos, incluyendo todos los elementos esenciales para la vida, tienden a circular en la biosfera a través de vías características que van desde el entorno a los organismos y de regreso otra vez al entorno. Estas vías más o menos cíclicas se denominan ciclos biogeoquímicos. El desplazamiento de estos elementos y compuestos inorgánicos, fundamentales para la vida, puede designarse de manera conveniente como reciclado de nutrientes. Cada ciclo de nutrientes puede además dividirse de manera conveniente en dos compartimientos o acervos: 1) el acervo de reserva, que es un componente generalmente no biológico, amplio y de movimiento lento y 2) el acervo cíclico, constituye una porción más pequeña, pero más activa que efectúa un intercambio rápido (lleva y recoge) entre los organismos y su entorno inmediato. Muchos elementos tienen acervos de acumulación múltiples y algunos (como el nitrógeno) tienen acervos adaptables múltiples. Desde el punto de vista de la ecosfe-ra considerada como un todo, los ciclos biogeoquímicos se dividen en dos grupos fundamentales: 1) los tipos gaseosos, para los cuales la reserva está en la atmósfera o en la hidrosfera (océano) y 2) los de tipo sedimentario para los cuales la reserva se encuentra en la corteza terrestre. Siempre se requiere disipación de energía de algún tipo para impulsar los ciclos de materiales.

Explicación

En ecología es fundamental estudiar no sólo los organismos y sus relaciones con el entorno, sino también el entorno en relación con dichos organismos. Hemos visto la manera en que dos divisiones del ecosistema (la biótica y la abiótica) coevolucionan y se influyen mutuamente en el comportamiento. De los elementos naturales, se sabe que los organismos vivos requieren de 30 a 40 elementos esenciales. Algunos elementos como el carbono, el hidrógeno, el oxígeno y el nitrógeno, son necesarios en grandes cantidades; otros se requieren en cantidades pequeñas o inclusive mínimas. Sin importar cuál sea la necesidad cuantitativa, los elementos esenciales presentan ciclos biogeoquímicos definidos. Los elementos no esenciales (que no se requieren para la vida) aunque están acoplados de manera menos cercana a los organismos, también tienen ciclos y a menudo fluyen junto con los elementos esenciales ya sea en el ciclo del agua o por alguna afinidad química con ellos.

El prefijo bio- se refiere a organismos vivos y geo- a tierra. La geoquímica estudia la composición química de la Tierra y el intercambio de elementos entre las diferentes partes de la corteza terrestre, la atmósfera, los océanos, los ríos y otros cuerpos de agua. El concepto de geoquímica se acredita al ruso Polynov (1937) y se define como el papel de los elementos químicos en la síntesis y descomposición de todo tipo de materiales con particular énfasis en la erosión por la intemperie. La biogeoquímica, es una ciencia fundada en 1926 por el ruso V. I. Vernadskij (1998) y que alcanzó prominencia gracias a las primeras monografías de G. E. Hutchinson (1944, 1948, 1950) e incluye, por tanto, el estudio del intercambio de materiales entre los componentes vivos y sin vida de la ecosfera. Fortescue (1980) revisó la geoquímica desde una perspectiva ecológica y holista en términos de geoquímica del paisaje. Butcher et al (1992) y Schlesinger (1997) presentan extractos de artículos clave en el desarrollo del campo de la biogeoquímica.

En la figura 4-1, se superpone un ciclo bioquímico sobre un diagrama simplificado de flujo de energía, para demostrar que el flujo unilateral de energía impulsa el reciclado

de materia. Es importante hacer énfasis en que siempre debe realizarse una inversión energética

  Figura 4-1. Ciclo biogeoquímico (círculo negro) superpuesto a un diagrama simplificado de flujo

de energía donde se contrasta el ciclo de materiales con el flujo unilateral de energía. PB = producción primaria bruta; PN = producción primaria neta; P = producción secundaria; R=

respiración (según E. P. Odum, 1963).

de algún tipo para el reciclado de materiales, un hecho que conviene tener presente por lo que se refiere a las necesidades humanas cada vez mayores de reciclar agua, metales, papel y otros materiales. Por tanto, la ciencia de la ecología humana (el estudio del impacto de la humanidad sobre los sistemas naturales y su integración con ellos) ha pasado a formar parte vital de los sistemas de administración natural y de aquellos construidos por el hombre.

Los elementos de la naturaleza casi nunca tienen distribución homogénea ni están presentes en una misma forma química dentro del ecosistema. En la figura 4-1, el acervo de reserva (la porción del ciclo que se encuentra remota desde el punto de vista químico o físico respecto a los organismos) se indica mediante el recuadro “acervo de nutrientes”, mientras que la porción cíclica se designa por el círculo que va de los autótrofos a los heterótrofos y regresa nuevamente. En ocasiones, la porción de reserva se denomina acervo no disponible y el acervo que experimenta un reciclado activo se denomina acervo disponible o intercambiable. Por ejemplo, los agrónomos miden de manera rutinaria la fertilidad del suelo estimando la concentración de nutrientes intercambiables: esa parte generalmente pequeña del contenido total de nutrientes del suelo que se encuentra disponible para las plantas. Este tipo de asignaciones está permitido, siempre y cuando se entienda con claridad que los términos son relativos. Un átomo que se encuentra en el acervo de reserva no queda necesariamente “no disponible” para los organismos en forma permanente, pues siempre se producen lentos flujos entre los componentes disponibles y no disponibles. Los métodos que se emplean para estimar los nutrientes intercambiables en el examen de suelos (generalmente extracción con ácidos y bases débiles) constituyen cuando mucho indicadores aproximados. El tamaño relativo de los acervos de reserva es importante para evaluar el efecto de la actividad humana sobre los ciclos biogeoquímicos. En general, los acervos de reserva más pequeños se ven afectados en primer término por los cambios en los flujos de elementos. Por ejemplo, la cantidad de carbono en la atmósfera (principalmente en forma de CO2) constituye una parte

muy pequeña del contenido total de carbono en la biosfera, pero un cambio muy pequeño en esta reserva ejerce un efecto de considerables proporciones sobre la temperatura de la Tierra.

Los seres humanos son singulares, pues no sólo requieren de los 40 elementos esenciales sino que también usan casi todos los demás elementos, incluyendo los más nuevos de tipo sintético. La humanidad ha acelerado tanto el desplazamiento de diversos materiales, que los procesos de autorregulación que tienden a mantener la homeorresis, se ven abrumados y los ciclos de nutrientes tienden a hacerse imperfectos o acíclicos, dando como resultado la situación paradójica de “muy poco aquí y mucho allá”. Por ejemplo, los humanos obtienen de las minas roca fosfatada y la procesan con poco cuidado, ocasionando con esto contaminación local severa cerca aguda, los humanos aumentan el suministro de fertilizantes para los sistemas agrícolas teniendo muy poca consideración con el aumento inevitable de lixiviación, lo cual provoca graves tensiones en los ríos y reduce la calidad del agua.

La contaminación frecuentemente ha sido definida como recursos mal ubicados. El objetivo de la conservación de los recursos naturales en un sentido más amplio, es hacer que los procesos acíclicos se hagan más cíclicos. El concepto de reciclado debe transformarse en una meta cada vez más importante para la sociedad. El reciclado del agua es un buen inicio, ya que si se logra mantener y reparar el ciclo hidrológico, habrá más oportunidad de controlar los nutrientes que se desplazan a través del agua.

Ejemplos

Cinco ejemplos ilustrarán el principio de reciclado. El ciclo del nitrógeno constituye un ejemplo de ciclo gaseoso bien amortiguado y sumamente complejo; el ciclo del fósforo es un ejemplo de ciclo con regulación sedimentaria, menos amortiguado y más sencillo. Estos dos elementos a menudo constituyen factores de suma importancia que limitan o controlan la abundancia de los organismos y a últimas fechas el exceso de fertilización, usando estos dos elementos, ha ocasionado efectos adversos muy severos a escala mundial.

El ciclo del azufre fue elegido para ilustrar 1) los enlaces entre el aire, el agua y la corteza de la Tierra, ya que existe un reciclado activo dentro de estos acervos; 2) el papel fundamental desempeñado por los microorganismos y 3) las complicaciones causadas por la contaminación ambiental e industrial. El tamaño de las reservas y los tiempos de recambio de cuatro elementos con actividad biológica se presentan en la tabla 4-1. El ciclo del carbono (tabla 4-1) y el ciclo hidrológico (tabla 4-2) son cruciales para la vida y están siendo afectados cada vez más por las actividades humanas. Al discutir los ciclos biogeoquímicos, también es importante diferenciar entre los límites de un ecosistema (límites tanto de tipo natural como los fijados por ecólogos con fines de estudio y para elaboración de modelos) y lo que se denomina huella o región de influencia.

"Tipos Básicos de Ciclos Biogeoquímicos." Fundamentos de ecología. Eugene P. Odum and Gary W. Barrett. Ed. Álvaro Chaos Cador. 5th ed. Mexico City: Cengage