Ciclo biogeoquímico

Un ciclo biogeoquímico (o más generalmente un ciclo de la materia ) es el camino por el cual una sustancia química circula (se da la vuelta o se mueve a través de) los compartimentos biótico y abiótico de la Tierra. El compartimento biótico es la biosfera y los compartimentos abióticos son la atmósfera, la hidrosfera y la litosfera. Existen ciclos biogeoquímicos para elementos químicos, como el calcio, el carbono, el hidrógeno, el mercurio, el nitrógeno, el oxígeno, el fósforo, el selenio, el hierro y el azufre, así como ciclos moleculares, como el del agua y el sílice. También existen ciclos macroscópicos, como el ciclo de las rocas, y ciclos inducidos por el hombre para compuestos sintéticos como los bifenilos policlorados (PCB). En algunos ciclos existen reservorios donde una sustancia puede permanecer o ser secuestrada por un largo período de tiempo.

Visión de conjunto

La energía fluye direccionalmente a través de los ecosistemas, ingresando como luz solar (o moléculas inorgánicas para los quimioautótrofos) y saliendo como calor durante las numerosas transferencias entre niveles tróficos. Sin embargo, la materia que compone los organismos vivos se conserva y recicla. Los seis elementos más comunes asociados con las moléculas orgánicas (carbono, nitrógeno, hidrógeno, oxígeno, fósforo y azufre) toman una variedad de formas químicas y pueden existir durante largos períodos en la atmósfera, en la tierra, en el agua o debajo de la superficie terrestre.. Los procesos geológicos, como la meteorización, la erosión, el drenaje del agua y la subducción de las placas continentales, juegan un papel en este reciclaje de materiales. Debido a que la geología y la química tienen papeles importantes en el estudio de este proceso,

Los seis elementos antes mencionados son utilizados por los organismos en una variedad de formas. El hidrógeno y el oxígeno se encuentran en el agua y en las moléculas orgánicas, ambos esenciales para la vida. El carbono se encuentra en todas las moléculas orgánicas, mientras que el nitrógeno es un componente importante de los ácidos nucleicos y las proteínas. El fósforo se usa para producir ácidos nucleicos y los fosfolípidos que componen las membranas biológicas. El azufre es fundamental para la forma tridimensional de las proteínas. El ciclo de estos elementos está interconectado. Por ejemplo, el movimiento del agua es fundamental para la lixiviación de azufre y fósforo en los ríos, que luego pueden desembocar en los océanos. Los minerales circulan por la biosfera entre los componentes bióticos y abióticos y de un organismo a otro.

Los sistemas ecológicos (ecosistemas) tienen muchos ciclos biogeoquímicos que operan como parte del sistema, por ejemplo, el ciclo del agua, el ciclo del carbono, el ciclo del nitrógeno, etc. Todos los elementos químicos que se encuentran en los organismos son parte de los ciclos biogeoquímicos. Además de ser parte de los organismos vivos, estos elementos químicos también circulan a través de factores abióticos de ecosistemas como el agua (hidrosfera), la tierra (litosfera) y/o el aire (atmósfera).

Los factores vivos del planeta se pueden denominar colectivamente como la biosfera. Todos los nutrientes, como el carbono, el nitrógeno, el oxígeno, el fósforo y el azufre, utilizados en los ecosistemas por los organismos vivos forman parte de un sistema cerrado ; por lo tanto, estos productos químicos se reciclan en lugar de perderse y se reponen constantemente, como en un sistema abierto.

El diagrama de la derecha muestra un ciclo biogeoquímico generalizado. Las partes principales de la biosfera están conectadas por el flujo de elementos y compuestos químicos. En muchos de estos ciclos, la biota juega un papel importante. La materia del interior de la Tierra es liberada por los volcanes. La atmósfera intercambia rápidamente algunos compuestos y elementos con la biota y los océanos. Los intercambios de materiales entre rocas, suelos y océanos son generalmente más lentos en comparación.

El flujo de energía en un ecosistema es un sistema abierto ; el sol constantemente le da energía al planeta en forma de luz, mientras que eventualmente se usa y se pierde en forma de calor a lo largo de los niveles tróficos de una red trófica. El carbono se utiliza para producir carbohidratos, grasas y proteínas, las principales fuentes de energía alimentaria. Estos compuestos se oxidan para liberar dióxido de carbono, que las plantas pueden capturar para producir compuestos orgánicos. La reacción química es impulsada por la energía de la luz del sol.

Se requiere luz solar para combinar carbono con hidrógeno y oxígeno en una fuente de energía, pero los ecosistemas en las profundidades del mar, donde la luz solar no puede penetrar, obtienen energía del azufre. El sulfuro de hidrógeno cerca de los respiraderos hidrotermales puede ser utilizado por organismos como el gusano tubular gigante. En el ciclo del azufre, el azufre se puede reciclar para siempre como fuente de energía. La energía se puede liberar a través de la oxidación y reducción de compuestos de azufre (p. ej., oxidando azufre elemental a sulfito y luego a sulfato).

• Ejemplos de los principales procesos biogeoquímicos

Aunque la Tierra recibe constantemente energía del sol, su composición química es esencialmente fija, ya que los meteoritos solo agregan materia adicional ocasionalmente. Debido a que esta composición química no se repone como energía, todos los procesos que dependen de estos químicos deben reciclarse. Estos ciclos incluyen tanto la biosfera viviente como la litosfera, la atmósfera y la hidrosfera no vivientes.

Los ciclos biogeoquímicos se pueden contrastar con los ciclos geoquímicos. Este último se ocupa sólo de los depósitos de la corteza y subcorteza, aunque algunos procesos de ambos se superponen.

Embalses

Los productos químicos a veces se mantienen durante largos períodos de tiempo en un solo lugar. Este lugar se llama reservorio, que, por ejemplo, incluye cosas como depósitos de carbón que almacenan carbono durante un largo período de tiempo. Cuando los productos químicos se retienen solo por períodos cortos de tiempo, se retienen en grupos de intercambio. Los ejemplos de grupos de intercambio incluyen plantas y animales.

Las plantas y los animales utilizan el carbono para producir carbohidratos, grasas y proteínas, que luego pueden usarse para construir sus estructuras internas o para obtener energía. Las plantas y los animales usan carbono temporalmente en sus sistemas y luego lo liberan al aire o al medio circundante. En general, los reservorios son factores abióticos, mientras que las piscinas de intercambio son factores bióticos. El carbono se mantiene durante un tiempo relativamente corto en plantas y animales en comparación con los depósitos de carbón. La cantidad de tiempo que una sustancia química se mantiene en un lugar se denomina tiempo de residencia o tiempo de rotación (también llamado tiempo de renovación o edad de salida).

Modelos de caja

Los modelos de caja se utilizan ampliamente para modelar sistemas biogeoquímicos. Los modelos de caja son versiones simplificadas de sistemas complejos, reduciéndolos a cajas (o depósitos de almacenamiento) para materiales químicos, unidos por flujos de materiales (flujos). Los modelos de cajas simples tienen una pequeña cantidad de cajas con propiedades, como el volumen, que no cambian con el tiempo. Se supone que las cajas se comportan como si estuvieran mezcladas homogéneamente. Estos modelos se utilizan a menudo para derivar fórmulas analíticas que describen la dinámica y la abundancia en estado estacionario de las especies químicas involucradas.

El diagrama de la derecha muestra un modelo básico de caja única. El reservorio contiene la cantidad de material M bajo consideración, definida por propiedades químicas, físicas o biológicas. La fuente Q es el flujo de material hacia el depósito y el sumidero S es el flujo de material que sale del depósito. El presupuesto es el control y equilibrio de las fuentes y sumideros que afectan la rotación de material en un yacimiento. El reservorio está en un estado estacionario si Q = S, es decir, si las fuentes equilibran los sumideros y no hay cambio en el tiempo.

El tiempo de residencia o rotación es el tiempo promedio que el material permanece residente en el reservorio. Si el depósito está en un estado estable, este es el mismo tiempo que se tarda en llenar o drenar el depósito. Así, si τ es el tiempo de rotación, entonces τ = M/S. La ecuación que describe la tasa de cambio del contenido en un depósito es{displaystyle {frac {dM}{dt}}=QS=Q-{frac {M}{tau}}}

Cuando se conectan dos o más depósitos, se puede considerar que el material circula entre los depósitos, y puede haber patrones predecibles en el flujo cíclico. Los modelos de cajas múltiples más complejos generalmente se resuelven utilizando técnicas numéricas.Unidades de medida

Los modelos de cajas biogeoquímicas globales suelen medir:
— masas de yacimientos en petagramos (Pg)
— flujos de flujo en petagramos por año (Pg yr )
________________________________________________
un petagramo = 10 gramos = una gigatonelada = mil millones (10 ) de toneladas

El diagrama de arriba a la izquierda muestra un presupuesto simplificado de los flujos de carbono del océano. Está compuesto por tres modelos simples de cajas interconectadas, una para la zona eufótica, otra para el interior del océano u océano oscuro y otra para los sedimentos oceánicos. En la zona eufótica, la producción neta de fitoplancton es de alrededor de 50 Pg C cada año. Alrededor de 10 Pg se exportan al interior del océano mientras que los otros 40 Pg se respiran. La degradación del carbono orgánico ocurre cuando las partículas (nieve marina) se depositan en el interior del océano. Solo 2 Pg finalmente llegan al lecho marino, mientras que los otros 8 Pg se respiran en el océano oscuro. En los sedimentos, la escala de tiempo disponible para la degradación aumenta en órdenes de magnitud con el resultado de que el 90 % del carbono orgánico entregado se degrada y solo 0,2 Pg C añofinalmente se entierra y se transfiere de la biosfera a la geosfera.

El diagrama de arriba a la derecha muestra un modelo más complejo con muchos cuadros que interactúan. Las masas de los depósitos representan aquí las existencias de carbono, medidas en Pg C. Los flujos de intercambio de carbono, medidos en Pg C año, se producen entre la atmósfera y sus dos sumideros principales, la tierra y el océano. Los números negros y las flechas indican la masa del yacimiento y los flujos de intercambio estimados para el año 1750, justo antes de la Revolución Industrial. Las flechas rojas (y los números asociados) indican los cambios de flujo anual debido a las actividades antropogénicas, promediados durante el período 2000–2009. Representan cómo ha cambiado el ciclo del carbono desde 1750. Los números rojos en los reservorios representan los cambios acumulados en el carbono antropogénico desde el comienzo del Período Industrial, 1750–2011.

Compartimentos

Biosfera

Los microorganismos impulsan gran parte del ciclo biogeoquímico en el sistema terrestre.

Atmósfera

Hidrosfera

El océano global cubre más del 70% de la superficie de la Tierra y es notablemente heterogéneo. Las áreas productivas marinas y los ecosistemas costeros comprenden una fracción menor del océano en términos de superficie, pero tienen un enorme impacto en los ciclos biogeoquímicos globales llevados a cabo por las comunidades microbianas, que representan el 90% de la biomasa del océano. El trabajo de los últimos años se ha centrado en gran medida en el ciclo del carbono y los macronutrientes como el nitrógeno, el fósforo y los silicatos: otros elementos importantes como el azufre o los oligoelementos se han estudiado menos, lo que refleja problemas técnicos y logísticos asociados. Cada vez más, estas áreas marinas y los taxones que forman sus ecosistemas están sujetos a una presión antropogénica significativa, lo que afecta la vida marina y el reciclaje de energía y nutrientes.Un ejemplo clave es el de la eutrofización cultural, donde la escorrentía agrícola conduce al enriquecimiento de nitrógeno y fósforo de los ecosistemas costeros, lo que aumenta en gran medida la productividad y da como resultado la proliferación de algas, la desoxigenación de la columna de agua y el lecho marino y el aumento de las emisiones de gases de efecto invernadero, con impactos locales y globales directos. sobre los ciclos del nitrógeno y del carbono. Sin embargo, la escorrentía de materia orgánica del continente a los ecosistemas costeros es solo una de una serie de amenazas apremiantes que afectan a las comunidades microbianas debido al cambio global. El cambio climático también ha provocado cambios en la criosfera, ya que los glaciares y el permafrost se derriten, lo que da como resultado una estratificación marina intensificada, mientras que los cambios del estado redox en diferentes biomas están reconfigurando rápidamente los ensamblajes microbianos a un ritmo sin precedentes.

Por lo tanto, el cambio global está afectando procesos clave que incluyen la productividad primaria, la fijación de CO ₂ y N _{2, la respiración/remineralización de la materia orgánica y la deposición por hundimiento y entierro del CO 2} fijo. Además de esto, los océanos están experimentando un proceso de acidificación, con un cambio de ~0,1 unidades de pH entre el período preindustrial y la actualidad, lo que afecta la química del tampón de carbonato/bicarbonato. A su vez, se ha informado que la acidificación afecta a las comunidades planctónicas, principalmente a través de los efectos sobre los taxones calcificados. También hay evidencia de cambios en la producción de productos volátiles intermediarios clave, algunos de los cuales tienen marcados efectos de invernadero (p. ej., N ₂ O y CH ₄, revisado por Breitburg en 2018, debido al aumento de la temperatura global, la estratificación y la desoxigenación de los océanos, lo que genera entre un 25 y un 50 % de la pérdida de nitrógeno del océano a la atmósfera en las denominadas zonas de mínimo de oxígeno  o zonas marinas anóxicas, impulsada por procesos microbianos. Otros productos, que suelen ser tóxicos para el necton marino, incluidas las especies reducidas en azufre como el H ₂ S, tienen un impacto negativo para los recursos marinos como la pesca y la acuicultura costera. Si bien el cambio global se ha acelerado, ha habido un aumento paralelo en la conciencia sobre la complejidad de los ecosistemas marinos y, especialmente, el papel fundamental de los microbios como impulsores del funcionamiento de los ecosistemas.

Litosfera

Ciclos rápidos y lentos

Hay ciclos biogeoquímicos rápidos y lentos. Los ciclos rápidos operan en la biosfera y los ciclos lentos operan en las rocas. Los ciclos rápidos o biológicos pueden completarse en años, moviendo sustancias de la atmósfera a la biosfera y luego de regreso a la atmósfera. Los ciclos lentos o geológicos pueden tardar millones de años en completarse, moviendo sustancias a través de la corteza terrestre entre las rocas, el suelo, el océano y la atmósfera.

Como ejemplo, el ciclo rápido del carbono se ilustra en el siguiente diagrama a la izquierda. Este ciclo implica procesos biogeoquímicos de plazo relativamente corto entre el medio ambiente y los organismos vivos de la biosfera. Incluye los movimientos de carbono entre la atmósfera y los ecosistemas terrestres y marinos, así como los suelos y los sedimentos del fondo marino. El ciclo rápido incluye ciclos anuales que involucran la fotosíntesis y ciclos decadales que involucran el crecimiento y la descomposición vegetativa. Las reacciones del ciclo rápido del carbono a las actividades humanas determinarán muchos de los impactos más inmediatos del cambio climático.

El ciclo lento se ilustra en el diagrama de arriba a la derecha. Se trata de procesos geoquímicos de mediano a largo plazo pertenecientes al ciclo de las rocas. El intercambio entre el océano y la atmósfera puede llevar siglos, y la erosión de las rocas puede tardar millones de años. El carbono en el océano se precipita hacia el fondo del océano, donde puede formar rocas sedimentarias y subducirse al manto terrestre. Los procesos de formación de montañas dan como resultado el retorno de este carbono geológico a la superficie de la Tierra. Allí, las rocas se desgastan y el carbono se devuelve a la atmósfera mediante la desgasificación y al océano a través de los ríos. Otro carbono geológico regresa al océano a través de la emisión hidrotermal de iones de calcio. En un año dado, entre 10 y 100 millones de toneladas de carbono se mueven en este ciclo lento. Esto incluye volcanes que devuelven carbono geológico directamente a la atmósfera en forma de dióxido de carbono. Sin embargo, esto es menos del uno por ciento del dióxido de carbono emitido a la atmósfera por la quema de combustibles fósiles.

Ciclos profundos

El subsuelo terrestre es el reservorio de carbono más grande de la tierra y contiene de 14 a 135 Pg de carbono  y del 2 al 19% de toda la biomasa. Los microorganismos impulsan las transformaciones de compuestos orgánicos e inorgánicos en este entorno y, por lo tanto, controlan los ciclos biogeoquímicos. El conocimiento actual de la ecología microbiana del subsuelo se basa principalmente en las secuencias del gen del ARN ribosómico (ARNr) 16S. Estimaciones recientes muestran que <8% de las secuencias de ARNr 16S en las bases de datos públicas derivan de organismos del subsuelo y solo una pequeña fracción de ellos está representada por genomas o aislados. Por lo tanto, hay muy poca información confiable sobre el metabolismo microbiano en el subsuelo. Además, se sabe poco acerca de cómo los organismos en los ecosistemas del subsuelo están metabólicamente interconectados. Algunos estudios basados ​​en cultivos de consorcios sintróficos  y análisis metagenómicos a pequeña escala de comunidades naturales  sugieren que los organismos están vinculados a través de traspasos metabólicos: la transferencia de productos de reacción redox de un organismo a otro. Sin embargo, no se han diseccionado entornos complejos lo suficientemente completos como para resolver las redes de interacción metabólica que los sustentan. Esto restringe la capacidad de los modelos biogeoquímicos para capturar aspectos clave del carbono y otros ciclos de nutrientes.Los nuevos enfoques, como la metagenómica resuelta por el genoma, un enfoque que puede generar un conjunto completo de borradores e incluso genomas completos para organismos sin el requisito de aislamiento en laboratorio,  tienen el potencial de proporcionar este nivel crítico de comprensión de los procesos biogeoquímicos.

Algunos ejemplos

Algunos de los ciclos biogeoquímicos más conocidos se muestran a continuación:

• Ciclo del carbono
• Ciclo del nitrógeno
• ciclo de nutrientes
• Ciclo del fósforo
• ciclo del azufre
• ciclo de las rocas
• El ciclo del agua

Muchos ciclos biogeoquímicos se están estudiando actualmente por primera vez. El cambio climático y los impactos humanos están cambiando drásticamente la velocidad, la intensidad y el equilibrio de estos ciclos relativamente desconocidos, que incluyen:

• el ciclo del mercurio y
• el ciclo de los PCB causado por el hombre.

• Los cloroplastos realizan la fotosíntesis en las células vegetales y otros organismos eucariotas.
• ciclo de querógeno 
• El carbón es un reservorio de carbono.

Los ciclos biogeoquímicos siempre implican estados de equilibrio activos: un equilibrio en el ciclo del elemento entre compartimentos. Sin embargo, el balance global puede implicar compartimentos distribuidos a escala mundial.

Como los ciclos biogeoquímicos describen los movimientos de sustancias en todo el globo, el estudio de estos es inherentemente multidisciplinario. El ciclo del carbono puede estar relacionado con la investigación en ecología y ciencias atmosféricas. La dinámica bioquímica también estaría relacionada con los campos de la geología y la pedología.

Historia

La química de la arena de la vida, es decir, la biogeoquímica de la Tierra, estará en el centro de lo bien que lo hagamos, y todos los biogeoquímicos deben esforzarse por articular ese mensaje de manera clara y contundente al público y a los líderes de la sociedad, quienes deben conocer nuestro mensaje. para hacer bien su trabajo.

— William H. Schlesinger 2004