Ciclos biogeoquímicos del carbono, nitrógeno y azufre
Después de un incendio forestal en el sur de Chile, el bosque que antes absorbía carbono pasa a emitirlo. ¿Cómo se mueve un elemento entre el aire, el suelo, el agua y los seres vivos, y qué pasa cuando una actividad humana desequilibra ese movimiento? Eso estudian los ciclos biogeoquímicos. Al final de la página volveremos al bosque quemado.
Ideas básicas: reservorios, flujos y balance
Un elemento como el carbono no se crea ni se destruye (conservación de la masa): solo cambia de lugar y de forma química. Para describirlo usamos dos conceptos.
Un reservorio que recibe más de lo que entrega se comporta como sumidero; si entrega más de lo que recibe, es una fuente. El balance neto es:
$$\text{balance} = \text{entradas} - \text{salidas}$$Si el balance es positivo, el reservorio crece; si es negativo, disminuye; si es cero, está en estado estacionario (como un equilibrio dinámico: hay flujos, pero la cantidad no cambia).
Una tabla muestra un balance simplificado del carbono para un bosque nativo: absorbe $12$ unidades de carbono al año por fotosíntesis y libera $9$ unidades por…
Una tabla muestra un balance simplificado del carbono para un bosque nativo: absorbe $12$ unidades de carbono al año por fotosíntesis y libera $9$ unidades por respiración y descomposición. Tras un incendio forestal, la absorción baja a $3$ unidades y la liberación sube a $15$ unidades en el mismo período. Calcula el balance neto antes y después del incendio e interpreta qué significa el cambio para el ciclo del carbono.
El ciclo del carbono
El carbono está en la atmósfera como $\text{CO}_2$ y $\text{CH}_4$, en los océanos como carbono disuelto, en los seres vivos y suelos como materia orgánica, y en las rocas como carbonatos ($\text{CaCO}_3$) y combustibles fósiles.
Procesos que retiran carbono de la atmósfera:
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Fotosíntesis: $6\,\text{CO}_2 + 6\,\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\,\text{O}_2$.
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Disolución de $\text{CO}_2$ en el océano.
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Formación de conchas de carbonato y sedimentos.
Procesos que devuelven carbono a la atmósfera:
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Respiración y descomposición de la materia orgánica.
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Erupciones volcánicas (fuente natural).
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Incendios forestales (naturales o provocados).
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Combustión de combustibles fósiles (bencina, parafina, carbón) y de leña (origen humano).
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Cambios en el uso del suelo, como la tala de bosques.
La combustión de un hidrocarburo, por ejemplo, es:
$$\text{CH}_4 + 2\,\text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}$$Los combustibles fósiles son carbono que estuvo almacenado millones de años; al quemarlos lo devolvemos a la atmósfera en décadas. Por eso el flujo humano rompe el equilibrio: las entradas de $\text{CO}_2$ a la atmósfera superan lo que los sumideros alcanzan a retirar.
En el ciclo del carbono, las plantas captan $\text{CO}2$ mediante la fotosíntesis y los seres vivos lo devuelven a la atmósfera mediante la respiración. Nombra otros dos…
En el ciclo del carbono, las plantas captan $\text{CO}_2$ mediante la fotosíntesis y los seres vivos lo devuelven a la atmósfera mediante la respiración. Nombra otros dos procesos, uno natural y uno de origen humano, que liberen $\text{CO}_2$ a la atmósfera.
El ciclo del nitrógeno
El $\text{N}_2$ forma el 78 % del aire, pero su triple enlace es muy fuerte y la mayoría de los seres vivos no puede usarlo. Necesitan nitrógeno fijado: amonio ($\text{NH}_4^+$), nitrato ($\text{NO}_3^-$) o compuestos orgánicos.
| Proceso | Qué ocurre | Quién lo realiza |
|---|---|---|
| Fijación | $\text{N}_2 \rightarrow \text{NH}_3/\text{NH}_4^+$ | Bacterias (p. ej. Rhizobium en raíces de leguminosas), rayos, proceso Haber-Bosch |
| Amonificación | Materia orgánica $\rightarrow \text{NH}_4^+$ | Descomponedores |
| Nitrificación | $\text{NH}_4^+ \rightarrow \text{NO}_2^- \rightarrow \text{NO}_3^-$ (oxidación) | Bacterias del suelo, con oxígeno |
| Asimilación | Plantas toman $\text{NH}_4^+$ o $\text{NO}_3^-$ | Plantas y luego animales |
| Desnitrificación | $\text{NO}_3^- \rightarrow \text{N}_2$ (y algo de $\text{N}_2\text{O}$) (reducción) | Bacterias, en suelos sin oxígeno |
Nitrificación y desnitrificación son redox: la primera oxida el nitrógeno y la segunda lo reduce.
Perturbación humana. El proceso Haber-Bosch y los fertilizantes (urea, nitratos) han duplicado el nitrógeno fijado disponible. Parte se pierde de dos maneras:
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Como $\text{N}_2\text{O}$ (óxido nitroso) por desnitrificación y nitrificación: es un gas de efecto invernadero muy potente y además daña la capa de ozono.
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Como nitratos que el agua de lluvia arrastra (lixiviación) hacia napas, ríos y lagos. Allí provocan eutrofización: exceso de nutrientes, crecimiento de algas, falta de oxígeno al descomponerse y muerte de peces. En agua potable, los nitratos en exceso son un riesgo para la salud.
El nitrógeno es el gas más abundante de la atmósfera, pero la mayoría de los seres vivos no puede usarlo directamente en esa forma. Explica qué se entiende por fijación…
El nitrógeno es el gas más abundante de la atmósfera, pero la mayoría de los seres vivos no puede usarlo directamente en esa forma. Explica qué se entiende por fijación del nitrógeno y menciona un ejemplo de organismo o proceso que la realice.
En la agricultura del valle central se aplican fertilizantes nitrogenados, como la urea $\text{CO(NH}2)2$. Parte del nitrógeno se pierde como óxido nitroso,…
En la agricultura del valle central se aplican fertilizantes nitrogenados, como la urea $\text{CO(NH}_2)_2$. Parte del nitrógeno se pierde como óxido nitroso, $\text{N}_2\text{O}$, que es un gas de efecto invernadero, y parte como nitratos que llegan a ríos y lagos. Describe una consecuencia ambiental de cada una de estas dos pérdidas y relaciónalas con el ciclo del nitrógeno.
El ciclo del azufre
El azufre está en rocas y sedimentos (sulfatos, sulfuros), en el océano como sulfato, y en proteínas de los seres vivos. Sus flujos hacia la atmósfera son:
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Fuentes naturales: volcanes (como el Villarrica o el Láscar), descomposición de materia orgánica y el dimetilsulfuro (DMS) que produce el fitoplancton marino.
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Fuentes humanas: quema de carbón y petróleo con azufre y fundición de minerales sulfurados (por ejemplo, de cobre), que liberan $\text{SO}_2$.
Lluvia ácida. El $\text{SO}_2$ se oxida en la atmósfera y luego reacciona con el agua:
$$2\,\text{SO}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\,\text{SO}_3 \qquad \text{SO}_3 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{H}_2\text{SO}_4$$El ácido sulfúrico ($\text{H}_2\text{SO}_4$) baja el pH de la lluvia. Daña bosques, acidifica lagos y suelos y ataca monumentos de mármol ($\text{CaCO}_3$). Los óxidos de nitrógeno ($\text{NO}_x$) forman ácido nítrico y aportan al mismo problema. Chile reduce estas emisiones exigiendo plantas de captura de $\text{SO}_2$ en las fundiciones, que lo transforman en ácido sulfúrico industrial.
DMS y nubes. El DMS emitido por el fitoplancton se oxida a compuestos que forman aerosoles, núcleos sobre los cuales se condensa el vapor y se forman nubes. Más nubes reflejan más luz solar. Así, un ciclo biológico del azufre influye en el clima.
La quema de combustibles fósiles con azufre, como algunos carbones y petróleos, libera $\text{SO}2$ a la atmósfera. Indica qué tipo de problema ambiental produce este…
La quema de combustibles fósiles con azufre, como algunos carbones y petróleos, libera $\text{SO}_2$ a la atmósfera. Indica qué tipo de problema ambiental produce este gas al reaccionar con el agua de lluvia y escribe el nombre del ácido que se forma en la reacción $\text{SO}_3 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{H}_2\text{SO}_4$.
Perturbaciones y retroalimentaciones
Los ciclos no son independientes: un cambio en uno repercute en los otros. Una retroalimentación ocurre cuando el efecto de un cambio modifica la causa.
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Retroalimentación positiva: amplifica el cambio inicial.
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Retroalimentación negativa: lo amortigua.
Ejemplo: permafrost y turberas. El permafrost (suelo congelado) y las turberas (como las de Magallanes y Chiloé) almacenan grandes cantidades de carbono orgánico. Al subir la temperatura, el suelo se descongela, los microorganismos descomponen la materia orgánica y liberan $\text{CO}_2$ (con oxígeno) y $\text{CH}_4$ (en suelos anegados, sin oxígeno). Ambos gases aumentan el efecto invernadero, lo que sube más la temperatura: retroalimentación positiva.
Otros ejemplos:
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Incendios forestales: menos bosque, menos absorción y más emisión, con más calor y sequía que favorecen nuevos incendios.
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Temperatura y lluvias intensas sobre el nitrógeno: más temperatura acelera la actividad microbiana (más nitrificación y desnitrificación, más $\text{N}_2\text{O}$), y las lluvias intensas aumentan la lixiviación de nitratos.
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Océano: menor fitoplancton significa menos $\text{CO}_2$ fijado y menos DMS, es decir, menos nubes. Menos nubes reflejan menos luz, lo que amplifica el calentamiento. Ese es el análisis que pide el ejercicio difícil: dos efectos que apuntan en el mismo sentido.
En zonas de permafrost y en suelos de turberas se almacenan grandes cantidades de carbono orgánico. Explica qué ocurre con ese carbono cuando la temperatura aumenta y el…
En zonas de permafrost y en suelos de turberas se almacenan grandes cantidades de carbono orgánico. Explica qué ocurre con ese carbono cuando la temperatura aumenta y el suelo se descongela, indicando qué compuestos como $\text{CO}_2$ y $\text{CH}_4$ pueden liberarse, y por qué esto constituye una retroalimentación positiva del cambio climático.
Se propone que el cambio climático altera simultáneamente los ciclos del carbono y del azufre en los océanos. Considera que el fitoplancton fija carbono por fotosíntesis…
Se propone que el cambio climático altera simultáneamente los ciclos del carbono y del azufre en los océanos. Considera que el fitoplancton fija carbono por fotosíntesis y produce dimetilsulfuro (DMS), un compuesto azufrado que en la atmósfera forma aerosoles que favorecen la formación de nubes. Analiza cómo una menor productividad del fitoplancton por el calentamiento y la acidificación podría afectar el almacenamiento de carbono y la formación de nubes, y evalúa si esta respuesta tendería a amortiguar o a amplificar el calentamiento global. Justifica tu postura.
Consecuencias para las personas y el desarrollo sostenible
Alterar estos ciclos afecta directamente el bienestar:
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Alimentos: suelos con menos materia orgánica rinden menos; exceso de fertilizante encarece la producción y contamina.
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Agua potable: nitratos en napas y ríos, eutrofización de lagos y embalses, y más costos de tratamiento.
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Salud: lluvia ácida y partículas con azufre afectan las vías respiratorias; calentamiento y sequía agravan los incendios.
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Economía local: pesca, turismo y agricultura dependen de ecosistemas sanos.
Desarrollo sostenible es satisfacer las necesidades actuales sin comprometer las de las generaciones futuras. En ciclos biogeoquímicos significa, por ejemplo:
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Fertilizar según la necesidad del cultivo (dosis y momento adecuados), para reducir pérdidas de $\text{N}_2\text{O}$ y nitratos.
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Cultivos de cobertura y leguminosas, que mantienen el suelo y fijan nitrógeno de forma natural.
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Restaurar bosques nativos y turberas, que son sumideros de carbono.
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Reducir la quema de combustibles fósiles y de leña húmeda.
Una región agrícola del sur de Chile enfrenta mayores temperaturas y lluvias más intensas. Analiza cómo estos cambios podrían alterar el ciclo del nitrógeno…
Una región agrícola del sur de Chile enfrenta mayores temperaturas y lluvias más intensas. Analiza cómo estos cambios podrían alterar el ciclo del nitrógeno (nitrificación, desnitrificación y lixiviación de nitratos) y el ciclo del carbono del suelo. Luego discute las consecuencias para el bienestar de las comunidades locales, por ejemplo en la calidad del agua potable y la producción de alimentos, y propone una medida de manejo coherente con el desarrollo sostenible.
Vuelve al principio: después del incendio el bosque libera más carbono del que absorbe (balance de $-12$ unidades al año), de modo que pasa de sumidero a fuente y refuerza el calentamiento.