Els cicles de la matèria

Explica la diferència entre un cicle biogeoquímic gasós i un de sedimentari, i classifica en un dels dos tipus els cicles del carboni, del nitrogen i del fòsfor, justificant la teva elecció.

Defineix reservori i flux en un cicle biogeoquímic, i identifica un reservori i un flux concrets en el cicle del carboni, explicant quin procés manté aquest flux.

Escriu les equacions químiques globals de la fotosíntesi i de la respiració cel·lular aeròbica, i explica quin paper juguen tots dos processos, en sentits oposats, dins del cicle del carboni.

La combustió de la gasolina i la respiració cel·lular alliberen $\text{CO}_2$. Explica què tenen en comú químicament tots dos processos, en què es diferencien i per què només un d'ells ha format part del cicle natural del carboni durant milions d'anys.

L'esquema representa els principals reservoris i fluxos del cicle del carboni. Anomena els processos assenyalats amb les lletres a, b i c, indica quin procés correspon a la fletxa marcada amb «?» i explica com altera aquest flux l'equilibri del cicle.

Descriu el paper dels bacteris fixadors de nitrogen i dels bacteris nitrificants, indicant quina transformació química realitza cada grup i per què resulten imprescindibles per a la nutrició de les plantes.

Anomena les principals formes químiques que adopta el nitrogen al llarg del seu cicle ($\text{N}_2$ atmosfèric, amoni, nitrit, nitrat i matèria orgànica) i explica per què la majoria de les plantes no poden aprofitar directament el $\text{N}_2$ de l'aire.

Ordena les etapes següents del cicle del nitrogen tal com se succeeixen en un ecosistema i descriu breument en què consisteix cadascuna: nitrificació, fixació, desnitrificació i amonificació.

El fòsfor és sovint el nutrient limitant en els ecosistemes continentals. Explica què significa que un nutrient sigui «limitant», per què el cicle del fòsfor és tan lent i quina conseqüència té que no tingui fase gasosa.

A diferència del carboni i del nitrogen, el cicle del fòsfor és predominantment sedimentari. En una comarca agrícola es constata una paradoxa: les anàlisis de sòl mostren una elevada acumulació de fòsfor total després de dècades d'adobament fosfatat, però els cultius presenten símptomes de clorosi i dèficit de fòsfor llevat que se segueixin afegint fertilitzants minerals, alhora que les aigües superficials adjacents pateixen eutrofització.

1. a) Justifica per què la inexistència d'una fase gasosa significativa condiciona la taxa natural de reciclatge del fòsfor cap als continents i explica quins processos biològics i geològics permeten el seu retorn a la terra ferma a escala macroscòpica.
2. b) Explica el procés de fixació o insolubilització del fòsfor al sòl: raona com influeix el pH (sòls molt àcids o fortament calcaris) en la formació de sals insolubles amb ferro, alumini o calci, fent que el fòsfor no sigui assimilable per les arrels.
3. c) Davant l'esgotament previst de les mines d'apatita («pic del fòsfor»), dissenya dues mesures d'economia circular per a una explotació agropecuària orientades a mobilitzar el fòsfor ja retingut als seus sòls i a recuperar-lo dels efluents residuals sense dependre de fertilitzants de síntesi.

Les arrels de les lleguminoses alberguen nòduls amb bacteris del gènere Rhizobium. Explica què intercanvien la planta i el bacteri en aquesta simbiosi, quin procés del cicle del nitrogen realitza el bacteri i quin avantatge agrícola té incloure lleguminoses en la rotació de conreus.

Un equip de control ambiental monitora una llacuna costanera després d'un abocament d'escorriment agrícola i registra les dades següents:

• Dia 5: Concentració de fòsfor reactiu en superfície de $0,8\text{ mg/L}$ i clorofil·la $a$ de $65\ \mu\text{g/L}$; saturació d'$\text{O}_2$ dissolt del $145\,\%$ al migdia en els primers $40\text{ cm}$ de profunditat.

• Dia 20: Saturació d'$\text{O}_2$ superficial del $35\,\%$ a l'alba; terbolesa extrema ($40\text{ NTU}$); $\text{O}_2$ dissolt al fons ($3\text{ m}$) a $0,3\text{ mg/L}$, amb despreniment de sulfur d'hidrogen ($\text{H}_2\text{S}$) i mortaldat de fauna bentònica.

Un tècnic municipal afirma: «És impossible que els peixos morin per asfíxia si les algues produeixen oxigen de sobres per fotosíntesi; la causa deu ser una toxicitat química directa del nitrat».

1. a) Rebat l'afirmació del tècnic mitjançant arguments biogeoquímics: justifica per què una proliferació autòtrofa massiva desemboca necessàriament en anòxia hipolimnètica i nocturna.
2. b) Explica quin grup tròfic prolifera a partir del dia 15 i quines rutes del metabolisme anaeròbic expliquen la presència d'$\text{H}_2\text{S}$ al fons.
3. c) Prediu quines conseqüències ecològiques immediates tindria sobre el cicle de la matèria tractar la llacuna amb un algicida químic per erradicar el fitoplàncton.

Una explotació agrària de blat de moro requereix aportar $180\text{ kg N/ha}$. L'agrònom dubta entre dues opcions de gestió:

• Opció 1: Aplicar fertilitzant mineral sintètic (urea/nitrat d'amoni) produït industrialment mitjançant el procés Haber-Bosch.

• Opció 2: Sembrar un cultiu de cobertura de veça (Vicia sativa, lleguminosa) a la tardor-hivern, triturar-lo com a adob verd a la primavera i complementar-ho amb purí porcí compostat.

1. a) Compara ambdues opcions des del punt de vista de la despesa energètica i la petjada de carboni: justifica com es trenca químicament l'enllaç $\text{N}\equiv\text{N}$ a la indústria respecte a com ho fa la nitrogenasa simbiòtica en els nòduls radicals.
2. b) Després d'una tempesta primaveral, als pous propers a parcel·les tractades exclusivament amb l'Opció 1 es registren concentracions de nitrats de $95\text{ mg/L}$ (el llindar segur és $50\text{ mg/L}$) i pics d'emissió d'òxid nitrós ($\text{N}_2\text{O}$) a l'atmosfera. Explica quines transformacions microbianes del cicle del nitrogen originen ambdós problemes a partir del fertilitzant sobrant.
3. c) Dissenya una estratègia combinada que aprofiti la disponibilitat immediata de l'adob mineral i la sostenibilitat de l'adob biològic, minimitzant la lixiviació i les pèrdues gasoses.