Los ciclos de la materia

Explica la diferencia entre un ciclo biogeoquímico gaseoso y uno sedimentario, y clasifica en uno de los dos tipos los ciclos del carbono, del nitrógeno y del fósforo, justificando tu elección.

Define reservorio y flujo en un ciclo biogeoquímico, e identifica un reservorio y un flujo concretos en el ciclo del carbono, explicando qué proceso mantiene ese flujo.

Explica qué es la descomposición de la materia orgánica, qué grupos de organismos la llevan a cabo y por qué los ciclos de la materia se detendrían sin ellos aunque siguiera habiendo productores.

Explica cómo la deforestación de una cuenca tropical altera a la vez el ciclo del carbono y el ciclo del agua: qué ocurre con el carbono almacenado en la biomasa, con la evapotranspiración, con las lluvias de la región y con la escorrentía.

Escribe las ecuaciones químicas globales de la fotosíntesis y de la respiración celular aeróbica, y explica qué papel juegan ambos procesos, en sentidos opuestos, dentro del ciclo del carbono.

Explica qué papel juega el fitoplancton en el ciclo del carbono oceánico y por qué se dice que los océanos actúan como una esponja del $\text{CO}_2$ atmosférico.

La combustión de la bencina y la respiración celular liberan $\text{CO}_2$. Explica qué tienen en común químicamente ambos procesos, en qué se diferencian y por qué solo uno de ellos ha formado parte del ciclo natural del carbono durante millones de años.

El esquema representa los principales reservorios y flujos del ciclo del carbono. Nombra los procesos señalados con las letras a, b y c, indica qué proceso corresponde a la flecha marcada con «?» y explica cómo altera ese flujo el equilibrio del ciclo.

Describe el recorrido posible de un átomo de carbono desde que forma parte del $\text{CO}_2$ atmosférico hasta incorporarse a un músculo de tu cuerpo y volver a la atmósfera, nombrando el proceso biológico de cada salto (fotosíntesis, alimentación, respiración...).

Un bosque maduro fija $10\ \text{t}$ de $\text{CO}_2$ por hectárea y año, pero sus árboles y descomponedores liberan $9{,}5\ \text{t}$ por respiración en el mismo periodo. Calcula el secuestro neto anual de carbono del bosque y explica por qué un bosque joven en crecimiento secuestra mucho más que uno maduro aunque fije menos $\text{CO}_2$ en total.

El ganado vacuno emite metano ($\text{CH}_4$) durante la digestión. Explica qué proceso anaeróbico lo produce, en qué ciclo de la materia se encuadra y por qué preocupa su emisión aunque sea mucho menor en cantidad que la de $\text{CO}_2$ (compara su potencial de efecto invernadero).

Describe el papel de las bacterias fijadoras de nitrógeno y de las bacterias nitrificantes, indicando qué transformación química realiza cada grupo y por qué resultan imprescindibles para la nutrición de las plantas.

Nombra las principales formas químicas que adopta el nitrógeno a lo largo de su ciclo ($\text{N}_2$ atmosférico, amonio, nitrito, nitrato y materia orgánica) y explica por qué la mayoría de las plantas no pueden aprovechar directamente el $\text{N}_2$ del aire.

Ordena las siguientes etapas del ciclo del nitrógeno tal como se suceden en un ecosistema y describe brevemente en qué consiste cada una: nitrificación, fijación, desnitrificación y amonificación.

Las raíces de las leguminosas albergan nódulos con bacterias del género Rhizobium. Explica qué intercambian la planta y la bacteria en esa simbiosis, qué proceso del ciclo del nitrógeno realiza la bacteria y qué ventaja agrícola tiene incluir leguminosas en la rotación de cultivos.

El fósforo es con frecuencia el nutriente limitante en los ecosistemas continentales. Explica qué significa que un nutriente sea «limitante», por qué el ciclo del fósforo es tan lento y qué consecuencia tiene que carezca de fase gaseosa.

Un equipo de control ambiental monitorea una laguna costera tras un vertido de escorrentía agrícola y registra los siguientes datos:

• Día 5: Concentración de fósforo reactivo en superficie de $0,8\text{ mg/L}$ y clorofila $a$ de $65\ \mu\text{g/L}$; saturación de $\text{O}_2$ disuelto del $145\,\%$ a mediodía en los primeros $40\text{ cm}$ de profundidad.

• Día 20: Saturación de $\text{O}_2$ superficial del $35\,\%$ al amanecer; turbidez extrema ($40\text{ NTU}$); $\text{O}_2$ disuelto en el fondo ($3\text{ m}$) a $0,3\text{ mg/L}$, con desprendimiento de sulfuro de hidrógeno ($\text{H}_2\text{S}$) y mortandad de fauna bentónica.

Un técnico municipal afirma: «Es imposible que los peces mueran por asfixia si las algas producen oxígeno de sobra por fotosíntesis; la causa debe de ser una toxicidad química directa del nitrato».

1. a) Rebate la afirmación del técnico mediante argumentos biogeoquímicos: justifica por qué una proliferación autótrofa masiva desemboca necesariamente en anoxia hipolimnética y nocturna.
2. b) Explica qué grupo trófico prolifera a partir del día 15 y qué rutas del metabolismo anaeróbico explican la presencia de $\text{H}_2\text{S}$ en el fondo.
3. c) Predice qué consecuencias ecológicas inmediatas tendría sobre el ciclo de la materia tratar la laguna con un alguicida químico para erradicar el fitoplancton.

Un divulgador escéptico publica el siguiente mensaje: «La atmósfera contiene unas $850\text{ Gt}$ de carbono y los océanos más de $38\,000\text{ Gt}$. Nuestras emisiones anuales por quema de combustibles fósiles apenas rondan las $10\text{ Gt}$. Como el carbono total del planeta es constante y las emisiones antrópicas son menos del $0,03\,\%$ del reservorio marino, es absurdo sostener que podamos alterar el ciclo global del carbono».

1. a) Rebate su argumento distinguiendo entre la dinámica del ciclo biológico (rápido) y la del ciclo geológico (lento): utiliza los conceptos de flujo, tiempo de residencia y equilibrio dinámico para justificar por qué $10\text{ Gt/año}$ desestabilizan el clima global.
2. b) Si los sumideros naturales (biosfera y superficie oceánica) absorben en promedio el $45\,\%$ del carbono antrópico emitido cada año, calcula cuántas ppm de $\text{CO}_2$ se acumulan anualmente en la atmósfera sabiendo que $1\text{ ppm} \approx 2,13\text{ Gt}$ de carbono atmosférico.
3. c) Predice qué le ocurrirá a la capacidad del océano de seguir actuando como sumidero químico de $\text{CO}_2$ a medida que aumente la temperatura del agua superficial y disminuya su pH, justificando el equilibrio químico del ácido carbónico y los carbonatos.

Un predio agrícola de maíz requiere aportar $180\text{ kg N/ha}$. El agrónomo duda entre dos opciones de manejo:

• Opción 1: Aplicar fertilizante mineral sintético (urea/nitrato de amonio) producido industrialmente mediante el proceso Haber-Bosch.

• Opción 2: Sembrar un cultivo de cobertura de vicia (Vicia sativa, leguminosa) en otoño-invierno, triturarlo como abono verde en primavera y complementar con purín de cerdo compostado.

1. a) Compara ambas opciones desde el punto de vista del gasto energético y la huella de carbono: justifica cómo se rompe químicamente el enlace $\text{N}\equiv\text{N}$ en la industria respecto a cómo lo hace la nitrogenasa simbiótica en los nódulos radiculares.
2. b) Tras una tormenta primaveral, en los pozos cercanos a parcelas tratadas exclusivamente con la Opción 1 se registran concentraciones de nitratos de $95\text{ mg/L}$ (el umbral seguro es $50\text{ mg/L}$) y picos de emisión de óxido nitroso ($\text{N}_2\text{O}$) a la atmósfera. Explica qué transformaciones microbianas del ciclo del nitrógeno originan ambos problemas a partir del fertilizante sobrante.
3. c) Diseña una estrategia combinada que aproveche la disponibilidad inmediata del abono mineral y la sostenibilidad del abono biológico, minimizando la lixiviación y las pérdidas gaseosas.