1. 5. Cicles biogeoquímics 
- 1.5.1 Cicle del Carboni
- 1.5.2 Cicle del Nitrogen
- 1.5.2 Cicle del Fòsfor.
- 1.5.3. Cicle del Sofre
L'energia flueix
unidireccionalment en els ecosistemes perquè és captada inicialment
pels productors i es dissipa finalment en forma de calor; no obstant això,
els elements químics que es comporten com a elements biogènics
a partir dels quals es nodreixen els diferents components de l'ecosistema,
formen un sistema tancat en el qual flueixen de manera cíclica, ja
que la quantitat de matèria existent al planeta sempre és la
mateixa (sense considerar l'aportació exígua dels meteòrits).
Aquests elements estan disponibles a la biosfera, en més o menys quantitat,
i poden formar part de la matèria viva o de la matèria inerta
(roques, gasos de l'atmosfera, substàncies dissoltes en aigua, etc),
segons la forma química sota la qual es presenten. Les diferents espècies
químiques que contenen cada element concret es transformen unes en
altres. Aquestes transformacions es coneixen amb el nom de cicles biogeoquímics.
Els cicles biogeoquímics, per tant, comprenen un seguit de camins realitzats
per la matèria que s'escapa de la biosfera i viatgen pelr altres sistemes
(atmosfera, hidrosfera i litosfera) abans de tornar-hi. El temps de permanència
dels elements en els diferents medis és molt variable. S'anomena magatzem
o reserva, el lloc on aquesta permanència és màxima.
Els cicles biogeoquímics es troben perfectament regulats per diferents
tipus de retroalimentacions on es troben implicats el cicle de l'aigua, el
cicle geològic i els processos biològics de respiració
i fotosíntesi. Les activitats humanes tendeixen a accelerar els cicles
biogeològics, per la qual cosa posen en perill els seus delicats mecanismes
d'autoregulació
Es distingeixen dos tipus de cicles biogeoquímics: els cicles de nutrients gasosos i els cicles de nutrients sedimentaris.
En els cicles d’elements gasosos, l’atmosfera és la principal reserva de l’element. El procés de circulació és relativament tancat i ràpid i no implica pèrdues de l’element. Els cicles gasosos més importants són el cicle del carboni, del nitrogen i de l’oxigen.
Els cicles d’elements sedimentaris tenen la principal reserva en la litosfera. Els processos de meteorització els alliberen lentament i contínua. Són cicles molt més lents i tenen una tendència a estancar-se, ja que, en incorporar-se al sediments profunds de l’oceà, queden inaccesibles als organismes i al reciclatge continu. Aquesta és la causa de que actuen més sovint com a factors limitants sobre els desenvolupament dels éssers vius. Els cicles més importants són el cicle del fòsfor i del sofre
1.5.1 Cicle del carboni
El carboni és l'element bàsic en la formació de les molècules de carbohidrats, lípids, proteïnes i àcids nucleics. La reserva fonamental de carboni, en molèculas de CO2 que els éssers vius poden assimilar, és l'atmosfera i la hidrosfera. Aquest gas està en l'atmosfera en una concentració de més del 0,03% i cada any aproximadament un 5% d'aquestes reserves de CO2, es consumeixen en els processos de fotosíntesi, és a dir, que tot anhídrid carbònic es renova en l'atmosfera cada 20 anys. El procés fotosintètic incorpora el C del CO2 en les diferents biololècules que formen l'organismes autòtrof. Des d'ací passarà en forma orgànica a la resta de nivells tròfics
El CO2 torna
de nou a l'atmosfera mitjançant els processos de respiració
de tots els nivells tròfics, i també durant la descomposició
bacteriana dels excrements i els cadàvers dels éssers vius.
Altres vies per les quals el carboni torna a l'atmosfera en forma oxidada
són les erupcions volcàniques, la combustió de la biomassa
(incendis forestals) i també de carburants fòssils, formats
per la sedimentació en condicions d'anaerobiosi, de residus orgànics
en un llarg procés de miliers d'anys de durada
Cicle del carboni
Altres esquemes del cicle del carboni
Independentment
del cicle del carboni terrestre, es produeix també un altre cicle similar
en l'oceà. Cal tenir present que l'oceà conté CO2
dissolt en una quantitat cinquanta vegades superior a la que hi ha a l'atmosfera.
En el cicle del carboni marí, el fitoplàncton és el que
realitza la fotosíntesi, assimilant el CO2 dissolt
en la part superficial del mar i allibera O2, que resta
en dissolució. El zooplàncton i els peixos consumeixen el fitoplàncton
i utilitzen l'O2 dissolt per respirar. La quantitat
del CO2 assimilat en el cicle terrestre és major
que el corresponent al cicle marí.
Els mecanismes fins ara esmentats conformen els processos principals que intervenen
en el cicle del carboni. Tanmateix, hi ha d'altres processos, quantitativament
menys importants, que participen en el cicle del carboni, tot i que (en conjunt
aquests processos només representen el 0,1% del carboni transformat
a través de la fotosíntesi.)
En els ecosistemes marins alguns organismes transformen part del CO2
que absorbeixen en CaCO3 que necessiten per formar
les seues closques, esquelets o masses rocoses en el cas dels esculls
de coralls.
2CO3- + Ca 2+ ---- CaCO3 + CO2 + H2O
En morir aquests
organismes les seues estructures esquelètiques calcàries es
dipositen per formar posteriorment roques sedimentàries calcàries
on el C queda retirat del cicle durant milers i milions d'anys. Aquest C tornarà
lentament al cicle en anar dissolent-se les roques.
CO2 + H2O + CaCO3 --- Ca 2+ + 2HCO3-
Aquestes roques
sedimentàries, després de milions d'anys poden acabar formant
magma i tornar a l'atmosfera mitjançant un alliberament de CO2
per part de l'activitat volcànica.
SiO2 + CaCO3 --- CaSiO3 + CO2
En altres ocasions,
la matèria orgànica pot quedar soterrada en unes condicions
d'anaerobiosi (en absència d'oxigen) i el resultat és l'aparició
dels combustibles fòssils: petroli i carbó.
Lignina (C6H12O5)2n --------Bacteris anaeròbics -------- 5n CO2 + 5n CH4 + 2n C (Carbó)
El petroli, carbó i la presència de roques carbonatades són resultat d'èpoques en les quals s'ha tornat menys CO2 a l'atmosfera del que se'n prenia. A hores d'ara, el ritme creixent de totnada del CO2 a l'atmosfera, provocat per l'activitat humana és responsable de l'efecte hivernacle, ja que el CO2 és un gas més pesant que l'aireen el seu conjunt i té tendència a concentrar-se a les zones baixes de l'atmosfera, on forma un embolcall gasós. Durant el dia aquesta capa de CO2 deixa passar la radiació infrarroja procedent del Sol, però a la nit, quan hi ha radiació nocturna, no la deixa eixir. Tot això produeix un fenomen de reflexió de la radiació infraroja per la capa de CO2, i això contribueix a un augment progressiu de la temperatura del planeta que pot estar provocant un canvi climàtic global.
Pàgina dedicada al cicle del C
3.5.2- Cicle de l'oxigen (veure imatge)
L'oxigen és l'element químic més abundant en els éssers vius. Forma part de l'aigua i de tot tipus de molècules orgàniques. Com a molècula, en forma d'O2, la seua presència en l'atmosfera es deu a l'activitat fotosintètica dels primitius éssers vius. Tot i que és potencialment una substància tóxica per a la vida, atés el seu gran poder oxidant, el metabolisme cel·lular s'adaptà a utilitzar aquesta molècula com agent oxidant dels aliments , obrint una nova via molt més eficient d'obtenció d'energia
La reserva fonamental d'oxigen utilitzable pels éssers vius està en l'atmosfera. El seu cicle està vinculat estretament amb el del carboni ja que el procés mitjançant el qual el C és assimilat per les plantes (fotosíntesi), suposa també la devolució de l'oxigen a l'atmosfera, mentre que el procés de respiració té l'efecte contrari. Una petita part de l'O2 pot quedar atrapat en la matèria orgànica que sedimenta i passar a formar part dels components minerals de la litosfera.
Altra part del cicle natural de l'oxigen que té un notable interès indirecte per als éssers vius de la superfície de la Terra és la seua conversió en ozò. Les molècules d'02, activades per les radiacions energètiques d'ona curta, es trenquen en àtoms lliures d'oxigen els quals reaccionen amb altres molècules d'O2 i formen O3 (ozò). L'ozò situat en les zones altes de l'atmosfera és imprescindible per a que tinga lloc la vida terrestre, ja que filtra la radiació solar. Aquesta reacció és reversible, de forma que l'ozò, absorbent radiacions ultraviolades torna a convertir-se en O2
1.5.3- Cicle del Nitrogen
Altres esquemes del cicle del nitrogen La reserva fonamental de nitrogen és l’atmosfera, on es troba en forma de N2 (79% de l’aire), però aquesta molècula gasosa no pot ser utilitzada directament per la majoria dels éssers vius. Així, les plantes no poden assimilar el nitrogen directament en forma de gas sinó han d’incorporar-lo des del sòl, on no hi és massa abundant, en forma de ions nitrat o amoni.
Malgrat la gran estabilitat del nitrogen gasós, existeixen processos naturals que n'aconsegueixen la fixació, és a dir, que són capaços de trencar el fort enllaç que manté units els dos àtoms de nitrogen en la molècula i combinar-los amb altres elements, a fi que el compost nitrogenat siga més assimilable per part dels éssers vius.
El N2 és fixat a través de processos que transcorren a elevada temperatura, com ara la combustió dels vehicles motoritzats, o les descàrregues elèctriques de les tempestes. En aquests processos es formen òxids de nitrogen (NO i NO2) que s'oxiden en l'atmosfera produint nitrats. Aquests darrers es precipiten sobre la superfície terrestre en forma de partícules sòlides o incorporant-se a l'aigua de la pluja, encara que en quantitats prou insignificants.
Encara té major importància la fixació biològica del nitrogen; s'estima que a través d'aquest procés es fixen 4000 milions de tones de nitrogen a l'any. Els principals agents biològics d'aquesta fixació són determinats bacteris que viuen en el sòl com l'Azotobacter i el Rhizobium (aquest últim viu en simbiosi amb les plantes lleguminoses) i, en l’aigua, alguns cianobacteris com el Nostoc. L'assimilació biològica del N2 és catalitzada per l'enzim nitrogenasa. La fixació és un procés reductor que consumeix energia; l'amoníac (NH3) n'és el primer producte detectable:
N2 __nitrogenasa_____ 2 NH3 _______ Aminoàcids
Les plantes solen incorporar el nitrogen del sòl que es troba en forma de nitrats (NO3) i en menor mesura en forma d'amoni (NH4+); El metabolisme dels productors tranforma aquesta forma de nitrogen en matèria orgànica (proteïnes i àcids nucleics, fonamentalment), mentre que els organismes heteròtrofs assimilen el nitrogen orgànic, previament elaborat pels autòtrofs, en alimentar-se d'aquests. Tots aquests organismes tornen el nitrogen al sòl amb els seus excements o després de la seua mort mitjançant la putrefacció bacteriana dels seus cadàvers, que origina amoníac (NH3). Altres bacteris, els nitrificants com Nitrosomonas, oxiden NH3 i el transformen en nitrits (NO2-) i, posteriorment, altres com Nitrobacter continuen la seua oxidació a nitrats (NO3-). El nitrat del sòl es dissol fàcilment i circula per aigües subterrànies. Hi ha un tercer tipus de bacteris, anomenats desnitrificants com Pseudomonas, que converteixen sota condicions anaeròbies els nitrats i nitrits en nitrògen atmosfèric (N2), component majoritari de l'aire i empobreixen el sòl on es desenvolupen.Aquesta desnitrificació pot fer desaparèixer entre un 20 i un 80% del nitrogen total de sòl, així que és una pràctica habitual en agricultura airejar els camps, desfer els terrossos per impedir les condicions d’anaerobiosi. Tanmateix, aquest procés de desnitrificació és molt positiu en les aigües, ja que impedeix que s’acumule massa N en les aigües, detenenit el cicle o, també, manté potables les aigües dolces, ja que una alta concentració de nitrats faria tòxica l’aigua.
