Ejercicios: 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.

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.

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.

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.

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.

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 gasolina 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.

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.

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.

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 paso (fotosíntesis, alimentación, respiración...).

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.

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.

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.

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).

Un equipo de control ambiental monitorea una laguna costera tras un vertimiento 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 de la alcaldía 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.

Dos lagos de alta montaña, situados a igual distancia de una zona industrial con centrales térmicas de carbón, reciben precipitaciones continuadas con un pH medio de $4,1$. El seguimiento biológico y químico revela datos muy dispares:

• Lago A (asentado sobre cuenca granítica): Ha perdido sus poblaciones de salmónidos y anfibios; en sus aguas se detecta una concentración de $\text{Al}^{3+}$ disuelto de $0,35\text{ mg/L}$.

• Lago B (asentado sobre cuenca caliza): Conserva intacta su riqueza ictícola y no presenta aluminio disuelto detectable.

1. a) Justifica a escala litológica y química por qué un mismo flujo de lluvia ácida genera un colapso biológico en el lago A pero resulta inocuo en el lago B.
2. b) Explica el mecanismo biogeoquímico por el cual la acidificación del suelo circundante moviliza iones tóxicos como el $\text{Al}^{3+}$ y lixivia nutrientes esenciales ($\text{Ca}^{2+}$, $\text{Mg}^{2+}$), y predice el impacto de este fenómeno sobre el bosque de la cuenca A.
3. c) Para restaurar el lago A, una asociación propone añadir periódicamente grandes volúmenes de cal apagada o carbonato cálcico directamente al agua. Argumenta las limitaciones y posibles efectos perjudiciales de esta medida frente a reducir las emisiones de $\text{SO}_2$ en origen.

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.

Para combatir el calentamiento global, se ha propuesto un proyecto de geoingeniería consistente en «fertilizar» zonas oceánicas de alta concentración de nutrientes pero baja clorofila (zonas HNLC) arrojando sales solubles de hierro para potenciar la bomba biológica de carbono.

1. a) Justifica qué limitación nutricional alivia el hierro en esas zonas y describe el trayecto biogeoquímico que debe seguir el carbono fijado para que el secuestro sea eficaz a escala geológica (siglos o milenios) y no un mero reciclaje biológico rápido.
2. b) Analiza los riesgos ecológicos bentónicos: predice qué ocurrirá en la columna de agua profunda si una lluvia masiva de nieve marina orgánica desciende a zonas afóticas con baja tasa de renovación de agua.
3. c) El calentamiento global actual intensifica la estratificación térmica del océano superficial (crea una termoclina más acusada). Predice y argumenta cómo afectará esta estratificación al funcionamiento natural de la bomba biológica y qué retroalimentación provocará sobre el $\text{CO}_2$ de la atmósfera.

Una finca 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 la época de lluvias, triturarlo como abono verde al inicio del siguiente ciclo y complementar con porquinaza compostada.

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 radicales.
2. b) Tras un fuerte aguacero, en los pozos cercanos a lotes tratados 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.

Un informe de evaluación de impacto compara dos represas hidroeléctricas recién construidas:

• Represa A: Inunda un valle montañoso y rocoso en clima templado, donde previamente se taló y retiró toda la biomasa arbórea. Temperatura media del agua en el fondo: $9\ ^\circ\text{C}$.

• Represa B: Inunda una llanura selvática tropical sin retirar la vegetación ni la densa capa de humus del suelo. Temperatura media del agua en el fondo: $26\ ^\circ\text{C}$.

Durante su primera década de operación, la Represa B emite a la atmósfera más gases de efecto invernadero por MWh producido que una central térmica de gas natural.

1. a) Justifica biogeoquímicamente por qué en el fondo de la Represa B se agota el $\text{O}_2$ disuelto y qué consorcios microbianos actúan para que el carbono almacenado en la biomasa vegetal se libere en forma de metano ($\text{CH}_4$) en lugar de dióxido de carbono ($\text{CO}_2$).
2. b) Sabiendo que el potencial de calentamiento del $\text{CH}_4$ a 20 años es unas 80 veces mayor que el del $\text{CO}_2$, debate críticamente la afirmación habitual de que «la energía hidroeléctrica es siempre una fuente de energía limpia y neutral en carbono».
3. c) Diseña dos medidas previas al llenado y una medida técnica de gestión en la toma de agua de las turbinas (cota de captación) para evitar que las aguas anóxicas ricas en gases disueltos se viertan aguas abajo desgasificándose súbitamente.

A diferencia del carbono y del nitrógeno, el ciclo del fósforo es predominantemente sedimentario. En una región agrícola se constata una paradoja: los análisis de suelo muestran una elevada acumulación de fósforo total tras décadas de abonado fosfatado, pero los cultivos presentan síntomas de clorosis y déficit de fósforo a menos que se sigan añadiendo fertilizantes minerales, al tiempo que las aguas superficiales adyacentes sufren eutrofización.

1. a) Justifica por qué la inexistencia de una fase gaseosa significativa condiciona la tasa natural de reciclaje del fósforo hacia los continentes y explica qué procesos biológicos y geológicos permiten su retorno a la tierra firme a escala macroscópica.
2. b) Explica el proceso de fijación o insolubilización del fósforo en el suelo: razona cómo influye el pH (suelos muy ácidos o fuertemente calizos) en la formación de sales insolubles con hierro, aluminio o calcio, haciendo que el fósforo no sea asimilable por las raíces.
3. c) Ante el agotamiento previsto de las minas de apatita («pico del fósforo»), diseña dos medidas de economía circular para una finca agropecuaria orientadas a movilizar el fósforo ya retenido en sus suelos y a recuperarlo de los efluentes residuales sin depender de fertilizantes de síntesis.

Un consorcio agrícola vierte sus aguas de escorrentía cargadas de nitratos ($80\text{ mg/L}$) y fósforo soluble a través de un humedal artificial antes de llegar a una ciénaga costera protegida. A la salida del humedal, los análisis indican:

• Concentración de nitratos reducida a $9\text{ mg/L}$.

• Desprendimiento continuado de nitrógeno diatómico ($\text{N}_2$) a la atmósfera con emisión casi nula de $\text{N}_2\text{O}$.

• Acumulación neta de carbono en el sedimento a razón de $400\text{ g C/m}^2\cdot\text{año}$.

1. a) Analiza la microzonación biogeoquímica del humedal: justifica cómo interactúan espacialmente la rizosfera oxidada de los macrófitos acuáticos y el fango anóxico subyacente para completar con éxito la nitrificación y la desnitrificación consecutivas.
2. b) Explica el mecanismo por el cual los humedales retienen y acumulan carbono durante milenios a ritmos superiores a los de muchos bosques maduros, relacionando la saturación hídrica con la baja actividad de las enzimas hidrolíticas bacterianas y fúngicas.
3. c) Predice y argumenta las consecuencias biogeoquímicas sobre los ciclos del nitrógeno y del carbono si este humedal se drenara artificialmente para convertirlo en suelo urbanizable.