Los ciclos de la materia
En el lago de Xochimilco, el agua que hoy ves verde y turbia pudo ser limpia hace unos años. El carbono de tu respiración de hoy pudo formar parte, hace millones de años, de un dinosaurio. A diferencia de la energía, que se disipa como calor y no vuelve, los átomos de la materia no se destruyen: pasan de los seres vivos a la atmósfera, al agua o a las rocas, y regresan una y otra vez. Esos recorridos son los ciclos biogeoquímicos.
Reservorios, flujos y tipos de ciclo
Un bosque maduro acumula toneladas de carbono en sus troncos, pero al arder o descomponerse la madera, esa masa desaparece de la vista sin que los átomos se hayan destruido. En cada nivel de una red trófica la materia se conserva. ¿Dónde se almacena la materia del planeta y a través de qué mecanismos viaja de un lugar a otro?
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,…
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.
El ciclo del carbono
Los átomos de carbono circulan de la atmósfera a las plantas por la fotosíntesis, pasan por la red trófica y regresan a la atmósfera. Los organismos fotosintéticos (plantas, algas y fitoplancton) son la puerta de entrada, y la respiración celular de plantas y animales es la de salida.
En este esquema, las flechas marcadas con a, b y c son procesos que debes saber nombrar, y la flecha con «?» es un flujo que añadimos los humanos. Antes de seguir, intenta identificarlos en tu cuaderno.
El océano también es un reservorio
El océano es el mayor reservorio de carbono de intercambio rápido: el $\text{CO}_2$ se disuelve en el agua superficial, el fitoplancton lo fija por fotosíntesis y parte del carbono se hunde como restos orgánicos o forma conchas de carbonato que se acumulan en sedimentos. Por eso el ciclo real tiene tres reservorios activos: biosfera, atmósfera y océanos.
| Reservorio | Carbono almacenado (aprox.) |
|---|---|
| Atmósfera | 850 Gt |
| Biosfera terrestre (plantas y suelo) | unos 2,000 a 3,000 Gt |
| Océanos | más de 38,000 Gt |
Calcular con reservorios y flujos
Para saber si un flujo es grande o pequeño, no basta con mirar su valor: hay que compararlo con el reservorio del que sale o al que llega. Dos cálculos útiles: la proporción entre reservorios y el tiempo de residencia (reservorio ÷ flujo de salida, es decir, cuánto tarda en renovarse).
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…
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.
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…
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.
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…
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».
- 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.
- b) Si los sumideros naturales (biosfera y superficie oceánica) absorben de media 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.
- 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.
El ciclo del nitrógeno
El aire que respiras contiene un 78% de nitrógeno, y aun así muchas parcelas amarillean si no se les añade abono. ¿Por qué un elemento tan abundante en la atmósfera resulta inaccesible para las plantas y cómo logran incorporarlo?
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…
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.
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,…
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, nutriente limitante
El fósforo es un ciclo sedimentario: pasa de las rocas al suelo, a los seres vivos y a los sedimentos, y casi no tiene fase gaseosa. Por eso es muy lento y el fósforo suele quedarse donde cae.
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…
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.
Eutrofización: cuando los ciclos se desequilibran
Tras abonar intensamente las parcelas vecinas, un canal de aguas limpias se cubre en pocos días de lirio acuático y algas, y poco después aparecen peces muertos en la orilla. ¿Cómo puede un aporte masivo de nutrientes, que estimula a los productores, terminar aniquilando a la fauna acuática? Es un caso real de desequilibrio ecológico, como el de Xochimilco, algunas presas o el sargazo en el Caribe mexicano.
Un equipo de control ambiental monitoriza una laguna costera tras un vertido de escorrentía agrícola y registra los siguientes datos: Día 5: Concentración de fósforo…
Un equipo de control ambiental monitoriza una laguna costera tras un vertido de escorrentía agrícola y registra los siguientes datos:
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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.
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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».
- a) Rebate la afirmación del técnico mediante argumentos biogeoquímicos: justifica por qué una proliferación autótrofa masiva desemboca necesariamente en anoxia hipolimnética y nocturna.
- 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.
- c) Predice qué consecuencias ecológicas inmediatas tendría sobre el ciclo de la materia tratar la laguna con un alguicida químico para erradicar el fitoplancton.
Lluvia ácida: azufre y nitrógeno en el aire
La combustión de carbón, combustóleo y diésel libera a la atmósfera dióxido de azufre ($\text{SO}_2$) y óxidos de nitrógeno ($\text{NO}_x$), gases de los ciclos del azufre y del nitrógeno. ¿Por qué dos lagos que reciben la misma lluvia pueden acabar uno sin peces y otro intacto?
La cuenca decide el daño: capacidad amortiguadora
Lo que importa no es solo el pH de la lluvia, sino la roca sobre la que cae. Las rocas calizas ($\text{CaCO}_3$) neutralizan el ácido: $\text{CaCO}_3 + 2\,\text{H}^+ \rightarrow \text{Ca}^{2+} + \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O}$. Así el pH del lago casi no cambia. Es una buena capacidad amortiguadora, como la de la Península de Yucatán, de roca caliza. Las rocas graníticas o volcánicas (como las de muchos lagos de cráter de alta montaña) casi no tienen carbonatos y no amortiguan.
Cuando el pH baja, el ácido disuelve el aluminio de minerales y suelos, y libera $\text{Al}^{3+}$, tóxico para peces (daña sus branquias) y para los huevos de anfibios. En una cuenca caliza el pH se mantiene alto y el aluminio queda insoluble.
Dos lagos de alta montaña, situados a igual distancia de un polígono industrial con centrales térmicas de carbón, reciben precipitaciones continuadas con un pH medio de…
Dos lagos de alta montaña, situados a igual distancia de un polígono 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:
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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 $0.35\text{ mg/L}$.
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Lago B (asentado sobre cuenca caliza): Conserva intacta su riqueza ictícola y no presenta aluminio disuelto detectable.
- 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.
- 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.
- 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.
Vuelve al principio: el átomo de carbono que exhalas hoy pudo pertenecer a un dinosaurio porque, al morir y descomponerse, ese carbono pasó a la atmósfera como $\text{CO}_2$ o quedó atrapado en rocas sedimentarias; millones de años después, una planta o el fitoplancton lo fijaron por fotosíntesis y llegó a ti por la red trófica. Y el agua turbia de un canal como los de Xochimilco recuerda que, si se sobrecargan los ciclos, el equilibrio se rompe.