Exercicis: 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.

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.

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.

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.

Explica què és la descomposició de la matèria orgànica, quins grups d'organismes la duen a terme i per què els cicles de la matèria s'aturarien sense ells encara que continués havent-hi productors.

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.

Explica quin paper juga el fitoplàncton en el cicle del carboni oceànic i per què es diu que els oceans actuen com una esponja del $\text{CO}_2$ atmosfèric.

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.

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.

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 recorregut possible d'un àtom de carboni des que forma part del $\text{CO}_2$ atmosfèric fins a incorporar-se a un múscul del teu cos i tornar a l'atmosfera, anomenant el procés biològic de cada salt (fotosíntesi, alimentació, respiració...).

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 bosc madur fixa $10\ \text{t}$ de $\text{CO}_2$ per hectàrea i any, però els seus arbres i descomponedors alliberen $9{,}5\ \text{t}$ per respiració en el mateix període. Calcula el segrest net anual de carboni del bosc i explica per què un bosc jove en creixement en segresta molt més que un de madur encara que fixi menys $\text{CO}_2$ en total.

Explica com la desforestació d'una conca tropical altera alhora el cicle del carboni i el cicle de l'aigua: què passa amb el carboni emmagatzemat a la biomassa, amb l'evapotranspiració, amb les pluges de la regió i amb l'escorriment.

El bestiar boví emet metà ($\text{CH}_4$) durant la digestió. Explica quin procés anaeròbic el produeix, en quin cicle de la matèria s'enquadra i per què preocupa la seva emissió encara que sigui molt menor en quantitat que la de $\text{CO}_2$ (compara el seu potencial d'efecte d'hivernacle).

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.

Dos llacs d'alta muntanya, situats a la mateixa distància d'un polígon industrial amb centrals tèrmiques de carbó, reben precipitacions continuades amb un pH mitjà de $4,1$. El seguiment biològic i químic revela dades molt dispars:

• Llac A (assentat sobre conca granítica): Ha perdut les seves poblacions de salmònids i amfibis; en les seves aigües es detecta una concentració d'$\text{Al}^{3+}$ dissolt de $0,35\text{ mg/L}$.

• Llac B (assentat sobre conca calcària): Conserva intacta la seva riquesa íctica i no presenta alumini dissolt detectable.

1. a) Justifica a escala litològica i química per què un mateix flux de pluja àcida genera un col·lapse biològic al llac A però resulta innocu al llac B.
2. b) Explica el mecanisme biogeoquímic pel qual l'acidificació del sòl circumdant mobilitza ions tòxics com l'$\text{Al}^{3+}$ i lixivia nutrients essencials ($\text{Ca}^{2+}$, $\text{Mg}^{2+}$), i prediu l'impacte d'aquest fenomen sobre el bosc de la conca A.
3. c) Per restaurar el llac A, una associació proposa afegir periòdicament grans volums de calç apagada o carbonat de calci directament a l'aigua. Argumenta les limitacions i els possibles efectes perjudicials d'aquesta mesura enfront de reduir les emissions d'$\text{SO}_2$ en origen.

Un divulgador escèptic publica el missatge següent: «L'atmosfera conté unes $850\text{ Gt}$ de carboni i els oceans més de $38\,000\text{ Gt}$. Les nostres emissions anuals per crema de combustibles fòssils a penes voregen les $10\text{ Gt}$. Com que el carboni total del planeta és constant i les emissions antròpiques són menys del $0,03\,\%$ del reservori marí, és absurd sostenir que puguem alterar el cicle global del carboni».

1. a) Rebat el seu argument distingint entre la dinàmica del cicle biològic (ràpid) i la del cicle geològic (lent): utilitza els conceptes de flux, temps de residència i equilibri dinàmic per justificar per què $10\text{ Gt/any}$ desestabilitzen el clima global.
2. b) Si els embornals naturals (biosfera i superfície oceànica) absorbeixen de mitjana el $45\,\%$ del carboni antròpic emès cada any, calcula quantes ppm de $\text{CO}_2$ s'acumulen anualment a l'atmosfera sabent que $1\text{ ppm} \approx 2,13\text{ Gt}$ de carboni atmosfèric.
3. c) Prediu què li passarà a la capacitat de l'oceà de continuar actuant com a embornal químic de $\text{CO}_2$ a mesura que augmenti la temperatura de l'aigua superficial i disminueixi el seu pH, justificant l'equilibri químic de l'àcid carbònic i els carbonats.

Per combatre l'escalfament global, s'ha proposat un projecte de geoenginyeria que consisteix a «fertilitzar» zones oceàniques d'alta concentració de nutrients però baixa clorofil·la (zones HNLC) llançant sals solubles de ferro per potenciar la bomba biològica de carboni.

1. a) Justifica quina limitació nutricional alleuja el ferro en aquestes zones i descriu el trajecte biogeoquímic que ha de seguir el carboni fixat perquè el segrest sigui eficaç a escala geològica (segles o mil·lennis) i no un simple reciclatge biològic ràpid.
2. b) Analitza els riscos ecològics bentònics: prediu què passarà a la columna d'aigua profunda si una pluja massiva de neu marina orgànica descendeix a zones afòtiques amb baixa taxa de renovació d'aigua.
3. c) L'escalfament global actual intensifica l'estratificació tèrmica de l'oceà superficial (crea una termoclina més acusada). Prediu i argumenta com afectarà aquesta estratificació al funcionament natural de la bomba biològica i quina retroalimentació provocarà sobre el $\text{CO}_2$ de l'atmosfera.

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.

Un informe d'avaluació d'impacte compara dues preses hidroelèctriques acabades de construir:

• Presa A: Inunda una vall muntanyosa i rocallosa en clima temperat, on prèviament es va talar i retirar tota la biomassa arbòria. Temperatura mitjana de l'aigua al fons: $9\ ^\circ\text{C}$.

• Presa B: Inunda una plana selvàtica tropical sense retirar la vegetació ni la densa capa d'humus del sòl. Temperatura mitjana de l'aigua al fons: $26\ ^\circ\text{C}$.

Durant la seva primera dècada d'explotació, la Presa B emet a l'atmosfera més gasos d'efecte d'hivernacle per MWh produït que una central tèrmica de gas natural.

1. a) Justifica biogeoquímicament per què al fons de la Presa B s'exhaureix l'$\text{O}_2$ dissolt i quins consorcis microbians actuen perquè el carboni emmagatzemat a la biomassa vegetal s'alliberi en forma de metà ($\text{CH}_4$) en lloc de diòxid de carboni ($\text{CO}_2$).
2. b) Sabent que el potencial d'escalfament del $\text{CH}_4$ a 20 anys és unes 80 vegades superior al del $\text{CO}_2$, debat críticament l'afirmació habitual que «l'energia hidroelèctrica és sempre una font d'energia neta i neutral en carboni».
3. c) Dissenya dues mesures prèvies a l'ompliment i una mesura tècnica de gestió a la presa d'aigua de les turbines (cota de captació) per evitar que les aigües anòxiques riques en gasos dissolts s'aboquin aigües avall desgasificant-se sobtadament.

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.

Un consorci agrícola aboca les seves aigües d'escorrentia carregades de nitrats ($80\text{ mg/L}$) i fòsfor soluble a través d'un aiguamoll artificial abans d'arribar a una albufera costanera protegida. A la sortida de l'aiguamoll, les anàlisis indiquen:

• Concentració de nitrats reduïda a $9\text{ mg/L}$.

• Despreniment continuat de nitrogen diatòmic ($\text{N}_2$) a l'atmosfera amb emissió gairebé nul·la de $\text{N}_2\text{O}$.

• Acumulació neta de carboni al sediment a raó de $400\text{ g C/m}^2\cdot\text{any}$.

1. a) Analitza la microzonació biogeoquímica de l'aiguamoll: justifica com interactuen espacialment la rizosfera oxidada dels macròfits aquàtics i el fang anòxic subjacent per completar amb èxit la nitrificació i la desnitrificació consecutives.
2. b) Explica el mecanisme pel qual els aiguamolls retenen i acumulen carboni durant mil·lennis a ritmes superiors als de molts boscos madurs, relacionant la saturació hídrica amb la baixa activitat dels enzims hidrolítics bacterians i fúngics.
3. c) Prediu i argumenta les conseqüències biogeoquímiques sobre els cicles del nitrogen i del carboni si aquest aiguamoll es drenés artificialment per convertir-lo en sòl urbanitzable.