I.E.S. Flavio Irnitano El Saucejo (Sevilla)

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1 I.E.S. Flavio Irnitano El Saucejo (Sevilla) Departamento de Ciencias Naturales ASIGNATURA: CIENCIAS DE LA TIERRA Y MEDIOAMBIENTALES Curso NIVEL: 2º Bachillerato 2. EL CICLO DE LA MATERIA EN LOS ECOSISTEMAS. Elementos biolimitantes. Ciclos biogeoquímicos: Carbono, Nitrógeno y Fósforo. Conceptos básicos: materia inorgánica, materia orgánica, productores, consumidores, descomponedores, dióxido de carbono, carbonatos, combustibles fósiles, nitrógeno atmosférico, amoniaco, nitritos, nitratos, nitrificación, desnitrificación, fosfatos. 1. Los dos procesos ecológicos esenciales en la dinámica de todo ecosistema son el flujo de la energía y el ciclo de la materia. Debido a las pérdidas de energía que se producen en los sucesivos niveles tróficos del ecosistema, resulta mucho más eficaz explotar los niveles inferiores y, en especial, el de los productores, con el objetivo de satisfacer la demanda de alimentos de una población humana en continuo crecimiento. 2. Los productores son los organismos que transforman la materia inorgánica como el agua, el CO2, el ion nitrato, etc., en moléculas orgánicas. Para ello utilizan energía que toman de su entorno, y que puede ser de dos tipos: Energía lumínica mediante el proceso de la fotosíntesis. En este proceso se utiliza un pigmento fotosensible, la clorofila, que pierde electrones al recibir luz. Esta pequeña corriente eléctrica se utiliza en la biosíntesis de moléculas orgánicas. Los organismos fotosintéticos son los vegetales, las algas (tanto unicelulares como pluricelulares) y las bacterias fotosintéticas. Energía química mediante el proceso de la quimiosíntesis. Lo realizan únicamente las bacterias quimiosintéticas. En este proceso producen la oxidación de compuestos que se encuentran reducidos en el entorno, como el H2S. Esta oxidación libera la energía que ellas utilizan. 3. Un ecosistema no podría mantenerse sin el nivel de productores de forma autosuficiente, sólo si importa nutrientes orgánicos procedentes de los ecosistemas vecinos. Un ejemplo de esto lo constituye la comunidad de organismos que se desarrolla en el seno de las aguas residuales urbanas y fosas sépticas, muy ricas en materia orgánica. Otros ambientes similares son los sedimentos del fondo de los ecosistemas acuáticos y el suelo del bosque. Un ecosistema podría mantenerse sin consumidores a condición de que sí estuviesen presentes productores y descomponedores. De hecho, tanto en los ecosistemas acuáticos como terrestres, la mayor parte de la materia orgánica producida por los productores (en torno al 90%) no la utilizan los consumidores, de manera que se acumula en el ecosistema y es degradada de nuevo a forma inorgánica por los descomponedores. 4. Mediante su actividad metabólica, los organismos descomponedores transforman los nutrientes orgánicos del ecosistema a forma inorgánica, quedando así disponibles de nuevo para los productores. Aunque se encuentran muy distribuidos en todo tipo de ambientes, son mucho más abundantes donde el depósito de materia orgánica resulta más elevado. Estos ambientes son los sedimentos del fondo de los ecosistemas acuáticos y las capas superficiales del suelo en los ecosistemas terrestres. 5. Los ciclos de los elementos químicos como el C, H, O, N, P y S constituyen el 99% en peso del total de la materia viva y afectan tanto a los organismos como a su ambiente geológico (atmósfera, hidrosfera y litosfera), por lo que se denominan ciclos biogeoquímicos. La interacción de las actividades humanas puede modificar de manera significativa la movilidad de los elementos químicos en los ecosistemas en particular y en la biosfera en general. Por ejemplo, el hecho de que la proporción de CO2 en la atmósfera a lo largo del siglo xx se haya elevado en un 30%, provocará, sin duda, un aumento de la temperatura media del planeta. A fecha de hoy se desconocen las consecuencias exactas que esto puede tener sobre la biosfera y sobre el clima global. 6. Ciclo del carbono: microorganismos descomponedores. Ciclo del nitrógenos: microorganismos fijadoras de nitrógeno (bacterias simbiontes: Rhizobium; bacterias de vida libre: Azotobacter; cianobacterias: Anabaena). Bacterias nitrificantes (Nitrosomonas, Nitrobacter). Bacterias desnitrificantes (Pseudomonas). Microorganismos descomponedores (hongos y bacterias). Ciclo del fósforo: micorganismos descomponedores. Ciclo del Carbono Página 1 de 7

2 7. Hay diversas actividades humanas que producen alteraciones en el ciclo del carbono; por ejemplo: La utilización de combustibles fósiles vierte grandes cantidades de CO2 a la atmósfera extrayéndolo de la litosfera, donde estaba almacenado en forma de carbón y petróleo. Los incendios forestales de origen antrópico extraen carbono de la biosfera, donde se encuentra en forma de biomasa, y lo vierte a la atmósfera en forma de CO2. 8. c 9. a) El proceso A. b) El proceso B. c) El proceso C representa el paso del carbono a los herbívoros al alimentarse de las plantas. El proceso D representa la liberación de CO2 a la atmósfera principalmente por la quema de combustibles fósiles, principalmente por acción humana. 10. a) El CO2 llega a la atmósfera procedente de las siguientes fuentes naturales: Respiración aerobia de los seres vivos eucariotas (protoctistas, hongos, vegetales y animales). Procesos anaerobios realizados por bacterias (fermentaciones), especialmente en el suelo y en los sedimentos de medios acuáticos ricos en materia orgánica. Carbonización de materia vegetal en las turberas. Meteorización química de rocas carbonatadas por la lluvia ácida. El ácido sulfúrico disuelto en la lluvia ácida reacciona con el carbonato de calcio formando sulfato de calcio soluble y liberando CO2. Actividad volcánica. Agitación, descompresión o calentamiento de agua saturada en CO2, lo que puede ocurrir en el interior de una cueva, en el vuelco convectivo de un lago profundo, en el calentamiento de una corriente oceánica fría, etc. b) El CO2 es evacuado desde la atmósfera hacia otros subsistemas (biosfera, hidrosfera, litosfera), mediante los siguientes procesos: Disolución en las masas de agua. El CO2 es muy soluble en agua fría. En las zonas en que el oleaje bate contra las rocas, o en las cataratas y cascadas, este gas se disuelve en el agua pulverizada. Entrada en la biosfera mediante la fotosíntesis que realizan los productores para elaborar hidratos de carbono. Disolución en el agua de lluvia. Meteorización de las rocas por carbonatación de sus minerales. c) Las actividades antrópicas que vierten dióxido de carbono a la atmósfera son: La utilización de combustibles fósiles (carbón y derivados del petróleo), ya sea en vehículos (coches, camiones, trenes, barcos, aeronaves), como en centrales térmicas, en industrias contenga carbono reducido produce CO2. El uso de la biomasa como combustible para producir energía eléctrica. La incineración de residuos. Página 2 de 7

3 La acumulación de residuos orgánicos en vertederos (VRSU), con la consiguiente descomposición realizada por bacterias y hongos. 11. a) A: Fijación del CO2 atmosférico en los seres vivos por fotosíntesis. B: Liberación de CO2 a la atmosfera por respiración de los seres vivos. C: Liberación de CO2 a la atmosfera por incendios forestales. D: Liberación de CO2 a la atmosfera por quema de combustibles fósiles. b) En este proceso el CO2 es reducido y el carbono es incorporado, por los organismos productores, en forma de compuestos orgánicos a la materia viva. A partir de los productores, irá pasando por los distintos tipos de consumidor al alimentarse unos de otros, terminando el proceso con los descomponedores. c) La actividad humana está aumentando la velocidad de entrada de carbono en la atmósfera mediante la quema de ingentes cantidades de combustibles fósiles, principalmente. Asimismo es responsable de un porcentaje significativo de liberación de CO2 a la atmósfera por causa de incendios forestales provocados o inducidos. Ambos procesos están provocando un aumento significativo de la concentración de CO2 atmosférico, lo que puede provocar desequilibrios en el balance térmico de la atmósfera (incremento del efecto invernadero y acentuación de cambio climático). 12. Ver pregunta anterior. 13. La concentración de CO2 en la atmósfera se sitúa en torno al 0,037% en volumen. Sin embargo, en el océano es unas 50 veces mayor. El intercambio entre ambos medios se produce por difusión, y el sentido en que esta se realiza depende de las concentraciones relativas según las reacciones químicas. Como éstas son reversibles, el sentido en que se producen viene determinado por la concentración de sus componentes. 14. Procesos naturales de salida de CO2 de la atmósfera: fotosíntesis de los productores de los ecosistemas terrestres y acuáticos; fijación química y bioquímica en rocas calizas, caparazones y esqueletos calizos de organismos acuáticos, en función de las condiciones fisicoquímicas del medio acuático según las reacciones químicas reversibles. En cuencas sedimentarias adecuadas, en condiciones anaerobias, y mediante la acción de los microorganismos, puede fijarse como carbones y petróleo. Procesos naturales de liberación de CO2 a la atmósfera: respiración celular aerobia de la comunidad de organismos de los ecosistemas; combustión (incendios) de las masas forestales; meteorización química por carbonatación en climas templado-húmedos y ecuatoriales que liberan el CO2 contenido en las rocas calizas a la atmósfera; erupciones volcánicas. Ver pregunta 15b 15. a) Los números asociados a las flechas representan los siguientes procesos: Fijación de CO2 en la fotosíntesis por parte de los productores (pasto y encina). Conjunto de procesos respiratorios (plantas, animales, organismos del suelo) que devuelven el carbono a la atmósfera también en forma de CO2. ƒ Paso del carbono fijado por los productores hacia los consumidores primarios a través de la alimentación. Paso del carbono contenido en la materia orgánica muerta y las deyecciones o restos de seres vivos hacia el suelo, donde los descomponedores utilizarán esa materia orgánica. b) Las actividades humanas interfieren en el ciclo del carbono con un aumento del contenido de CO2 en la atmósfera, causado, sobre todo, por la quema de los combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural) y por la de los residuos orgánicos de las incineradoras y de la materia orgánica de los ecosistemas, consecuencia de los incendios forestales. 16. El CO2 sale de la atmósfera a través de una serie de procesos naturales, como la fotosíntesis de los productores de los ecosistemas terrestres y acuáticos, la fijación química y bioquímica en rocas calizas, caparazones y esqueletos calizos de organismos acuáticos, y la fijación como carbones y petróleo en cuencas sedimentarias adecuadas, en condiciones anaerobias, y mediante la acción de los microorganismos. Página 3 de 7

4 La liberación de CO2 a la atmósfera se produce sobre todo gracias a una serie de procesos naturales, como la respiración celular aerobia de la comunidad de organismos de los ecosistemas, la combustión (incendios) de las masas forestales, la meteorización química por carbonatación en climas templado-húmedos y ecuatoriales (que liberan el CO2 contenido en las rocas calizas a la atmósfera) y las erupciones volcánicas. El contenido de CO2 en la atmósfera está aumentando, básicamente, como consecuencia de la acción humana, centrada en dos actividades: la quema de los combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural) y los incendios forestales, que provocan la combustión de la materia orgánica de los ecosistemas 17. a) El CO2 es retirado de la atmósfera por los siguientes procesos: Producción primaria mediante la fotosíntesis, que lo utiliza para producir hidratos de carbono. Disolución en el agua de lluvia o en las masas de agua, donde queda disuelto en forma de ión carbonato (CO32-) o bicarbonato (HCO3-). El CO2 es aportado a la atmósfera desde diversos subsistemas, mediante diferentes procesos: Desde la litosfera a la atmósfera: por la extracción y uso de los combustibles fósiles (carbón y petróleo); por la meteorización química de rocas calizas. Desde la hidrosfera: en zonas donde el agua está caliente o se agita, ya que ambos procesos (calentamiento y agitación) producen la expulsión de este gas. Desde la biosfera: producido en la respiración y en las fermentaciones. Pasa también en los incendios y al utilizar biomasa como combustible. b) El ser humano interviene de forma significativa en el ciclo del carbono de dos formas principalmente: Vertiendo CO2 a la atmósfera. Las combustiones antropogénicas aportan CO2 a la atmósfera procedente del carbono de la litosfera con la utilización de combustibles fósiles, y procedente del carbono de la biosfera cuando se quema biomasa, en los incendios (incluyendo la quema de rastrojos), en la incineración de residuos, etc. La respiración, tanto de la biomasa humana como de todos los seres vivos criados y cultivados en las actividades agrícolas, ganaderas y de acuicultura. La descomposición de residuos en vertederos y en plantas depuradoras. Las actividades industriales como la fabricación de cemento. Retirando CO2 de la atmósfera. Los cultivos intensivos logran producciones primarias muy altas en las que se extrae carbono de la atmósfera para fijarlo en forma de biomasa. Los cultivos de algas extraen el carbono disuelto en el agua. Las tecnologías de captura y enterramiento del carbono tienen previsto extraer importantes volúmenes de CO2 de la atmósfera, comprimir y licuar este gas e inyectarlo en formaciones geológicas profundas que tengan una buena aptitud para retener este residuo. Ciclo del Nitrógeno 18. Página 4 de 7

5 19. a 20. La fijación biológica del nitrógeno (FBN) es la reducción del nitrógeno molecular atmosférico a amonio, realizada por las bacterias fijadoras. El amonio es posteriormente oxidado a nitrito y este a nitrato. El nitrato (y en menor proporción también el amonio) pueden ser utilizados por los vegetales en la fotosíntesis del nitrógeno y convertidos en aminoácidos, que se incorporan a las cadenas tróficas. Las bacterias fijadoras viven en el suelo y en las masas de agua. Son muchas y variadas: por ejemplo, las Nitrobácter y las cianobacterias. 21. Este mecanismo se basa en las variaciones de la densidad del agua a causa de los cambios de temperatura que experimenta a lo largo del año y a la acción del viento que sopla sobre su superficie. En consecuencia, se producen movimientos verticales en la columna de agua que remueven los materiales del fondo y hacen que suban hasta la superficie, donde pueden ser aprovechados por los organismos autótrofos fotosintetizadores. 22. Son dos procesos antagónicos, En el proceso de nitrificación se forman iones nitrato a partir de otros compuestos, como amoniaco o N 2 atmosférico, mientras que en el proceso de desnitrificación se transforman los iones nitrato en N2 atmosférico. 23. La causa de esta aparente paradoja es que a pesar de constituir el 78%en volumen de la atmósfera, el nitrógeno no es asimilado directamente por la inmensa mayoría de los organismos, lo que significa que el nitrógeno atmosférico (N2) debe ser fijado previamente en forma inorgánica, como anión nitrato (NO3-), antes de incorporarse a la materia viva. 24. Las labores agrícolas, al airear el suelo, tratan de impedir la formación de ambientes anaerobios donde proliferan bacterias desnitrificantes, con lo que mantienen el nitrógeno del suelo en forma de anión nitrato (NO3-) apto para ser asimilado por las raíces de las plantas cultivadas. De este modo, los agricultores tratan de impedir los procesos de desnitrificación del ciclo del nitrógeno. 25. En los suelos muy ricos en materia orgánica, los descomponedores, al degradar la materia orgánica, consumen el oxígeno del suelo. La escasez de oxígeno favorece la creación de ambientes anaerobios aptos para el desarrollo de bacterias desnitrificantes. La desnitrificación es muy activa en suelos muy ricos en materia orgánica y saturados de humedad (suelos encharcados, hidromorfos) de zonas templadas y cálidas, ya que el oxígeno se disuelve muy poco en el agua y, además, la elevada temperatura dificulta más aún su difusión en ella, facilitando la creación de ambientes anaerobios. La desnitrificación resulta muy negativa para la fertilidad de los suelos, ya que los empobrece en nitrógeno, uno de los nutrientes esenciales para el desarrollo de las plantas. 26. La fijación industrial de nitrógeno se basa en la obtención de amoniaco (NH3), según la reacción química: N2 + 3H2 2 NH3 El mayor problema de esta reacción es que requiere un considerable gasto de energía, ya que el nitrógeno y el hidrógeno gaseosos solo se combinan a presión y temperatura elevadas. 27. La mayor preocupación es que el exceso de fertilizantes nitrogenados aplicados a los cultivos va a parar a los ecosistemas acuáticos, que corren el peligro de una grave eutrofización como consecuencia de la elevación de la concentración de nitrógeno en las aguas. Debido al elevado coste de fabricación de los fertilizantes y al grave problema de eutrofización de las aguas que generan, se pretende conseguir, mediante ingeniería genética, variedades de plantas transgénicas de trigo, maíz y arroz (los grandes consumidores de fertilizantes nitrogenados en la actualidad) capaces de fijar el nitrógeno del aire, tal como lo hacen de forma natural las leguminosas a través del complejo enzimático nitrogenasa. 28. El hecho de que los ecosistemas acuáticos sean los más afectados por el aumento de nitrógeno en circulación, se debe a que tanto el anión nitrato (NO3-) como el amoniaco (NH3) son muy solubles en agua, de donde pueden Página 5 de 7

6 tomarlos con relativa facilidad los organismos productores, lo que eleva de manera explosiva su producción. En los ecosistemas terrestres no ocurre esto pues el sustrato es sólido y con un porcentaje de agua mucho menor, por lo que su asimilación por parte de las raíces de las plantas es mucho más lenta. 29. a) El nitrógeno es un elemento limitante de la producción primaria porque, pese a su enorme abundancia en la atmósfera (debida a su condición de molécula inerte) los seres vivos no pueden aprovecharlo. Tan solo unos pocos microorganismos (bacterias y hongos) son capaces de fijarlo directamente desde su forma molecular. b) La importancia económica radica en el incremento de la producción agrícola, que posibilita la fijación del N2 en formas asimilables para las plantas. Los organismos capaces de realizar dicha fijación son bacterias de vida libre, como Azotobacter, bacterias simbióticas de las leguminosas, como Rhizobium, cianobacterias planctónicas y el hongo actinomiceto Frankia. Por otra parte, entre las leguminosas que viven en simbiosis con Rhizobium, existen numerosas especies de interés agrícola. Estas, además del interés económico directo de su explotación, tienen otro destacable: su cultivo enriquece el suelo en productos nitrogenados que más adelante pueden aprovechar otros cultivos. c) El ser humano interviene en el ciclo del nitrógeno: Fijando nitrógeno atmosférico mediante la fabricación de fertilizantes, amoniaco y otras sustancias químicas. Emitiendo nitrógeno a la atmósfera por el exceso de abonado, el uso de vehículos, el abuso de riego y por el pisoteo de suelos que favorecen las condiciones de anaerobiosis en que viven las bacterias desnitrificantes. d) El exceso de fertilizantes nitrogenados aplicados a los cultivos llega a los ecosistemas acuáticos, que quedan amenazados por una grave eutrofización como consecuencia de la elevación de la concentración de nitrógeno en las aguas. El alto coste de fabricación de los fertilizantes y el grave problema de eutrofización de las aguas que generan, hacen necesaria la obtención, mediante ingeniería genética, de variedades de plantas transgénicas de trigo, maíz y arroz (los grandes consumidores de fertilizantes nitrogenados en la actualidad) capaces de fijar el nitrógeno del aire. Ciclo del Fósforo 30. Los humanos intervienen en el ciclo del fósforo de dos maneras: Extrayendo por minería grandes cantidades de rocas que contienen fosfatos para producir fertilizantes inorgánicos comerciales y compuest os detergentes. Añadiendo exceso de iones fosfato a los ecosistemas acuáticos; en el escurrimiento de desechos animales desde terrenos donde se alimenta ganado, el de fertilizantes fosfatados comerciales desde las tierras de cultivo, y la descarga de aguas negras municipales tratadas o no. Como con los iones nitrato y amonio, un suministro excesivo de este nutriente causa un crecimiento explosivo de cianobacterias, algas y diversas plantas acuáticas que alteran la vida de los ecosistemas acuáticos. 31. Página 6 de 7

7 32. El fósforo actúa como nutriente limitante del crecimiento de las plantas en los ecosistemas porque su relación demanda/suministro es mucho más elevada que la de cualquier otro elemento. Si se incorpora al medio acuático una elevada proporción de fósforo como consecuencia, por ejemplo, de vertidos de aguas residuales urbanas o de efluentes agrícolas o ganaderos, se desencadena el proceso de la eutrofización. Página 7 de 7