Ejercicios: Los ciclos de la materia

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

Describa 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.

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

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

Explique 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.

Nombre 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 explique por qué la mayoría de las plantas no pueden aprovechar directamente el $\text{N}_2$ del aire.

Explique 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 $\text{CO}_2$. Explique 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.

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

El fósforo es con frecuencia el nutriente limitante en los ecosistemas continentales. Explique 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. Nombre los procesos señalados con las letras a, b y c, indique qué proceso corresponde a la flecha marcada con «?» y explique cómo altera ese flujo el equilibrio del ciclo.

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

Las raíces de las leguminosas albergan nódulos con bacterias del género Rhizobium. Explique 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. Calcule el secuestro neto anual de carbono del bosque y explique por qué un bosque joven en crecimiento secuestra mucho más que uno maduro aunque fije menos $\text{CO}_2$ en total.

Explique 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. Explique 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 $\text{CO}_2$ (compare su potencial de efecto invernadero).

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) Rebata la afirmación del técnico mediante argumentos biogeoquímicos: justifique por qué una proliferación autótrofa masiva desemboca necesariamente en anoxia hipolimnética y nocturna.
2. b) Explique 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) Prediga 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) Justifique 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) Explique 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 prediga 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 de calcio directamente al agua. Argumente 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) Rebata su argumento distinguiendo entre la dinámica del ciclo biológico (rápido) y la del ciclo geológico (lento): utilice 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 de media el $45\,\%$ del carbono antrópico emitido cada año, calcule 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) Prediga 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 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 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 fondo: $26\ ^\circ\text{C}$.

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

1. a) Justifique 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 $\text{CO}_2$, debata críticamente la afirmación habitual de que «la energía hidroeléctrica es siempre una fuente de energía limpia y neutral en carbono».
3. c) Diseñe 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.