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Ciclos Biogeoquímicos∗

OpenStax College

Based on Biogeochemical Cycles† by

OpenStax College

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Abstract

Al �nal de esta sección serás capaz de:

• Discutir los ciclos biogeoquímicos del agua, carbono, nitrógeno, fósforo y azufre• Explicar cómo es que las actividades humanas han impactado estos ciclos con las consecuencias

resultantes para la Tierra

La energía �uye direccionalmente a través de los ecosistemas, entra a estos como luz solar (o comomoléculas inorgánicas para los quimioautótrofos) y se desprende como calor durante la transferencia entrelos diferentes niveles tró�cos. La materia, por el contrario, más que �uir a través del ecosistema, constituyelos organismos vivos y se conserva y recicla. Los seis elementos más comunes asociados con las moléculasorgánicas son: carbono, nitrógeno, hidrógeno, oxígeno, fósforo y azufre; estos elementos adquieren una granvariedad de formas químicas y pueden existir por largos periodos de tiempo en la atmósfera, el suelo o elagua, o debajo de la super�cie terrestre. Los procesos geológicos como intemperismo, erosión, drenaje deagua y la subducción de las placas continentales, todos, juegan un papel en el ciclo de los elementos en laTierra. Debido a que la geología y la química tienen papeles primordiales en el estudio de este proceso, elreciclaje de materia inorgánica entre los seres vivos y su ambiente no vivo se llama ciclo biogeoquímico.

El agua (compuesta de hidrógeno y oxígeno) es esencial para todos los procesos que llevan a cabo los seresvivos. La hidrósfera es el área de la Tierra donde trascurren el movimiento y el almacenamiento del agua endiferentes estados: agua líquida en la super�cie (ríos lagos océanos) y debajo de ésta (aguas subterráneas);hielo (casquetes polares y glaciares) y vapor de agua (en la atmósfera). El carbono se encuentra en todas lasmacromoléculas orgánicas y es un constituyente importante de los combustibles fósiles. El nitrógeno es unode los componentes principales de los ácidos nucleicos y proteínas y es crítico en las labores de agricultura.El fósforo también es un componente esencial de los ácidos nucleicos y es uno de los componentes principales,junto con el N, de los fertilizantes arti�ciales utilizados en la agricultura, los cuales tienen un fuerte impactoen el ambiente. El azufre es esencial para que las proteínas adquieran su forma tridimensional (a través deenlaces disulfuro) y se libera a la atmósfera durante la quema de combustibles fósiles.

Los ciclos de estos elementos están interconectados; por ejemplo, el movimiento del agua es crítico enla lixiviación del nitrógeno y fósforo hacia ríos, lagos y océanos. El océano es un reservorio importante decarbono. Los ciclos de aquellos nutrientes que incluyen su paso a través de la biósfera entre el mundo bióticoy abiótico y de un organismo a otro, pueden ser rápidos o lentos.∗Version 1.4: May 26, 2015 7:05 pm -0500†http://cnx.org/content/m45559/1.4/‡http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

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Para aprender más acerca de los ciclos biogeoquímicos haz clic en la siguiente liga: http://openstaxcollege.org/l/biogeochemical1

1 El Ciclo del Agua

El agua es esencial para todos los procesos biológicos; el cuerpo humano está constituido por agua enaproximadamente un 50 % y las células están formadas por agua en más de un 70 %. Por lo que la mayoríade los animales terrestres necesitan un suministro constante de agua para poder sobrevivir. De todos losalmacenes de agua en la Tierra, el 97.5 % es agua salada (Figure 1). Del agua restante, 99 % está atrapadaen forma de hielo o de agua subterránea, quedando menos del uno por ciento del agua dulce presente enlagos y ríos. La mayoría de los seres vivos dependen de esta pequeña cantidad de agua dulce super�cial,de tal forma que su carencia tendría graves repercusiones en la dinámica de los ecosistemas. Por supuesto,los humanos han desarrollado tecnologías para incrementar la disponibilidad de agua, tales como pozos parala extracción de agua, almacenamiento del agua de lluvia y desalinización para obtener agua potable de

1http://openstaxcollege.org/l/biogeochemical



los océanos. Aunque esta búsqueda de fuentes de agua potable se ha dado a lo largo de la historia de lahumanidad, el suministro de agua dulce sigue siendo un problema importante en nuestros días.

Figure 1: Únicamente el 2.5 % del agua en la Tierra, es agua dulce, y menos del uno por ciento de estaagua es accesible a los seres vivos.

Los diferentes procesos que se llevan a cabo durante el ciclo del agua se ilustran en la Figure 2 y seenumeran a continuación:

• evaporación y sublimación• condensación y precipitación• �ujo de agua subsuper�cial• escorrentía y derretimiento de nieve• caudales

El ciclo del agua está impulsado por la energía solar que calienta los océanos y las aguas super�ciales.Este calentamiento conduce a la evaporación (agua a vapor de agua) del agua super�cial líquida y a lasublimación (hielo a vapor de agua) del agua congelada, estos procesos mueven grandes cantidades de aguahacia la atmósfera, en forma de vapor. Con el tiempo, este vapor de agua se condensa en nubes como líquidoo pequeñas gotitas congeladas que eventualmente producen la precipitación, en forma de lluvia o nieve, loque regresa el agua a la super�cie de la Tierra. La lluvia llega a la super�cie y puede evaporarse nuevamente,�uir sobre la super�cie, o �ltrarse al subsuelo. La escorrentía super�cial es la que se observa más fácilmente;�ujo de agua dulce ya sea proveniente de la lluvia o del deshielo. La escorrentía puede encontrar su caminohacia el océano a través de los ríos y lagos o �uir directamente hacia éste.

En muchos ambientes terrestres naturales, la lluvia se encuentra con la vegetación antes de alcanzar lasuper�cie del suelo. Un porcentaje signi�cativo del agua se evapora inmediatamente de la super�cies de lasplantas. Lo que permanece, puede alcanzar el suelo y �ltrarse. La escorrentía ocurrirá únicamente si el suelose satura con el agua de una fuerte lluvia. Un porcentaje alto del agua en el suelo será absorbida por lasraíces de las plantas. Las cuales utilizarán parte de esta agua para su propio metabolismo y parte encontrarásu camino hacia los animales que comen dichas plantas; sin embargo, gran parte del agua regresará a laatmósfera en un proceso conocido como evapotranspiración. El agua entra al sistema vascular de la planta a



través de las raíces y se evapora o se pierde en forma de transpiración, a través de los estomas de las hojas.El agua en el suelo, que no se evapora y que no utilizan las plantas, se puede lixiviar al subsuelo y al lechorocoso, formándose el agua subterránea.

El agua subterránea es un reservorio importante de agua dulce. Ésta se encuentra en los poros entre laspartículas de arena y grava o en las �suras de las rocas. El agua subterránea poco profunda �uye lentamentea través de estos poros y �suras y eventualmente encuentra su camino a un arroyo o lago convirtiéndosenuevamente en parte del agua super�cial. Los arroyos no �uyen porque la lluvia repone directamente elagua; estos �uyen porque hay una entrada continua del agua subterránea. El agua subterránea se encuentraalgunas veces a grandes profundidades en el lecho rocoso y puede persistir ahí por miles de años. Muchos delos reservorios de agua subterránea, o acuíferos, son la fuente de agua potable o de irrigación. En muchoscasos el agua de estos acuíferos se extrae mucho más rápidamente de lo que se repone por el agua que se�ltra desde la super�cie. La lluvia y la escorrentía super�cial son las principales formas en las cuales losminerales, incluyendo carbono, fósforo, nitrógeno y azufre, se reciclan de la tierra al agua.

Figure 2: El agua proveniente de la tierra y los océanos entra a la atmósfera por evaporación o sub-limación, donde se condensa en nubes y cae en forma de lluvia o nieve. El agua que cae en forma deprecipitación entra a los cuerpos de agua dulce o se in�ltra en el suelo. El ciclo se completa cuando elagua super�cial o subterránea entra nuevamente al océano. (créditos: modi�cado del trabajo de JohnM. Evans y Howard Perlman, USGS)



2 El Ciclo del Carbono

El carbono es el cuarto elemento más abundante en los seres vivos. Está presente en todas las moléculasorgánicas y tiene un papel primordial en la estructura de las macromoléculas presentes en los organismos. Loscompuestos de carbono contienen energía y muchos de estos compuestos tanto de plantas como de algas hanpermanecido almacenados como carbono fosilizado, almacén que los humanos utilizamos como combustible.Desde el inicio de la Revolución Industrial, y especialmente desde el siglo XIX, el uso de combustibles fósilesse ha acelerado, incrementando también la cantidad de dióxido de carbono que se arroja a la atmósfera. Esteaumento se ha asociado con el cambio climático y es una preocupación ambiental alrededor del mundo.

El ciclo del carbono se estudia más fácilmente a través de dos subciclos que están interconectados: unoque tiene que ver con el intercambio rápido de carbono entre los seres vivos y el otro que trata con el ciclo delcarbono a largo plazo, a través de procesos geológicos. En la Figure 3 muestra el ciclo completo del carbono.

Figure 3: El dióxido de carbono se encuentra tanto en la atmósfera como disuelto en el agua. Lafotosíntesis convierte el dióxido de carbono en carbono orgánico y la respiración regresa el carbonoorgánico a la atmósfera en forma de dióxido de carbono. El almacén de largo plazo de dióxido de carbonose produce cuando la materia orgánica de los organismos vivos es enterrada a grandes profundidades y sefosiliza. La actividad volcánica y, más recientemente, las emisiones humanas han regresado este carbonoalmacenado al ciclo. (créditos: modi�cado del trabajo de John M. Evans y Howard Perlman, USGS)



2.1 Ciclo Biológico del Carbono

Los seres vivos están conectados de diferentes formas. Un buen ejemplo de esta conexión es el intercambiode carbono, por medio del dióxido de carbono atmosférico, entre heterótrofos y autótrofos, y dentro y entrelos ecosistemas. El dióxido de carbono es la molécula constructora básica de los autótrofos ya que a partirde ésta se construyen compuestos multi-carbonados de alta energía como la glucosa. La energía del sol seutiliza por estos organismos para formar enlaces covalentes que unen los átomos de carbono entre sí. Estosenlaces químicos almacenan energía para su uso posterior en el proceso respiratorio. Muchos de los autótrofosterrestres obtienen el dióxido de carbono directamente de la atmósfera, mientras que los autótrofos marinoslo obtienen en forma disuelta en el agua (ácido carbónico, HCO3

�). Sin embargo, el dióxido de carbonoadquirido y �jado en los compuestos orgánicos tiene como producto secundario al oxígeno. Los organismosfotosintéticos son los responsables de mantener aproximadamente el 21 % de oxígeno que contiene la atmósferay que observamos hoy en día.

Los socios en el intercambio biológico de carbono son los heterótrofos (especialmente los consumidoresprimarios, en gran medida herbívoros). Estos organismos obtienen compuestos de carbono de alta energíaconsumiendo a los autótrofos y degradando dichos compuestos, a través de la respiración, para obtenerenergía celular, tal como el ATP. El tipo de respiración más e�ciente es la respiración aeróbica, la cualrequiere de oxígeno atmosférico o disuelto en el agua. Esto produce un intercambio constante de oxígeno ydióxido de carbono entre los autótrofos (que necesitan carbono) y los heterótrofos (que necesitan oxígeno).Los autótrofos también respiran y consumen moléculas de oxígeno que ellos forman; usando oxígeno yliberando dióxido de carbono. Los autótrofos liberan más oxígeno gaseoso, como producto de desecho de lafotosíntesis, del que utilizan para su propia respiración; por lo tanto, hay un exceso de oxígeno disponiblepara la respiración de otros organismos aerobios. El intercambio gaseoso a través de la atmósfera y del aguaes una forma en la que el ciclo del carbono conecta a todos los seres vivos sobre la Tierra.

2.2 La Biogeoquímica del Ciclo del Carbono

El movimiento del carbono a través de la tierra, el agua y el aire es bastante complejo y, en muchos ca-sos, geológicamente sucede mucho más lentamente que el movimiento entre los seres vivos. El carbono sealmacena por largos periodos de tiempo en lo que conocemos como almacenes de carbono, que incluyen: at-mósfera, cuerpos de agua líquida (principalmente océanos), sedimentos oceánicos, suelos, rocas (incluyendocombustibles fósiles) y el interior de la Tierra.

Como se mencionó, la atmósfera es un almacén importante de carbono, en forma de dióxido de carbono,esencial para el proceso de fotosíntesis. El nivel de dióxido de carbono en la atmósfera se ve in�uenciado, engran medida, por el almacén de carbono en los océanos. El intercambio de carbono entre los almacenes dela atmósfera y del agua in�uye en la cantidad de carbono que se encuentra en cada uno de estos, y cada unoafecta al otro de forma recíproca. El dióxido de carbono (CO2) de la atmósfera se disuelve en el agua y, adiferencia del oxígeno y el nitrógeno gaseosos, reacciona con las moléculas de agua para formar compuestosiónicos. Algunos de estos iones se combinan con los iones de calcio presentes en el agua de mar para formarcarbonato de calcio (CaCO3), principal componente de las conchas de los organismos marinos; organismosque eventualmente formarán los sedimentos del piso oceánico. A lo largo del tiempo geológico el carbonatode calcio forma las calizas, las cuales constituyen el almacén de carbono más grande de la Tierra.

En los sistemas terrestres el carbono se almacena en los suelos, como carbono orgánico, resultado dela descomposición de los seres vivos o del intemperismo de las rocas y minerales. En las profundidadesde la tierra, tanto en el continente como en el océano, hay combustibles fósiles, estos son los restos deplantas descompuestos anaeróbicamente que tardan millones de años en formarse. Los combustibles fósilesse consideran un recurso no renovable debido a que su uso excede su tasa de formación. Un recurso norenovable se puede regenerar muy lentamente o no regenerarse de ningún modo. Otra forma en la que elcarbono entra a la atmósfera es por la erupción de volcanes y otros sistemas geotérmicos (incluidos aquellosque se encuentran debajo de la super�cie de los océanos). Los sedimentos de carbono del piso oceánicoson enterrados en las profundidades de la Tierra por el proceso de subducción: movimiento de una placa



tectónica debajo de otra. El carbono se libera como dióxido de carbono cuando hace erupción un volcán opor medio de las ventilas hidrotermales volcánicas.

Otro ejemplo de cómo la actividad humana afecta de forma indirecta y signi�cativa los ciclos biogeo-químicos es a través de la cría de animales para alimento de la creciente población humana, lo produce unincremento signi�cativo de los niveles de dióxido de carbono en la atmósfera, como producto de su respiración.El debate sobre los efectos del incremento del dióxido de carbono atmosférico, en el cambio climático se en-foca principalmente en los combustibles fósiles; sin embargo, los cientí�cos consideran los procesos naturales(volcanes, crecimiento de plantas, niveles de carbono en el suelo y respiración) en los modelos para predecirel impacto futuro de este incremento.

3 El Ciclo del Nitrógeno

Introducir nitrógeno en los seres vivos es un proceso difícil. A pesar de que este elemento constituye el 78% de los gases en la atmósfera, ni las plantas ni el �toplancton están equipados para incorporar nitrógenoatmosférico (donde se encuentra fuertemente unido por un triple enlace N2) a su organismo. Las bacteriassimbióticas y de vida libre hacen posible la incorporación del nitrógeno al mundo de los seres vivos, puesestos organismos son capaces de �jar este elemento esencial en sus macromoléculas a través de una rutabiogeoquímica especializada. Las cianobacterias, que viven en la mayoría de los sistemas acuáticos donde laluz del sol está presente, son capaces de �jar nitrógeno gaseoso en amoníaco (NH3), el cual se incorpora a lasmacromoléculas del organismo. Rhizobium es también una bacteria �jadora de nitrógeno y vive en simbiosisen nódulos de las raíces de leguminosas (chícharos, frijoles y cacahuates), proporcionándoles el nitrógenoinorgánico que necesitan. Algunas bacterias de vida libre, como Azotobacter, también son �jadoras denitrógeno.

El nitrógeno orgánico es especialmente importante en el estudio de la dinámica de los ecosistemas yaque muchos de sus procesos, tales como la producción primaria y la descomposición, están limitados porla oferta disponible de este elemento. Como se muestra en la Figure 4, el nitrógeno que entra en lossistemas vivos, a través de la �jación de nitrógeno, se convierte eventualmente, por acción de las bacterias,de nitrógeno orgánico a nitrógeno gaseoso. Este proceso ocurre en tres pasos en los ecosistemas terrestres:amoni�cación, nitri�cación y desnitri�cación. El proceso de amoni�cación, realizado por ciertos hongosy bacterias, convierte los desechos nitrogenados de los animales, o de los restos de animales muertos, enamonio (NH4

+). Las bacterias nitri�cantes como Nitrosomonas convierten este amonio en nitritos (NO2−),

a través de la nitri�cación. Posteriormente, los nitritos son convertidos en nitratos (NO3−) por organismos

similares. Por último, el proceso de desnitri�cación se lleva a cabo por bacterias tales como Pseudomonas y

Clostridium, transformando los nitratos en nitrógeno gaseoso, forma en la cual éste se incorpora nuevamentea la atmósfera.

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Figure 4: El nitrógeno es incorporado al mundo viviente por las bacterias �jadoras de nitrógeno. Elnitrógeno �jado, junto con los desechos nitrogenados de los animales, es procesado por las bacterias delsuelo, las cuales lo regresan a la atmósfera como nitrógeno gaseoso. Estas bacterias también suministrana las redes tró�cas terrestres con el nitrógeno orgánico necesario. (créditos: modi�cado del trabajo deJohn M. Evans y Howard Perlman, USGS)

¾Cuál de los siguientes enunciados acerca del ciclo del nitrógeno es falso?

a.Durante la amoni�cación la materia orgánica nitrogenada de los organismos vivos se convierteen amonio (NH4

+).b.Las bacterias desnitri�cadoras convierten los nitratos (NO3

−)en nitrógeno gaseoso (N2).c.Las bacterias nitri�cantes convierten los nitratos (NO3

−)a nitritos (NO2−)

d.Las bacterias �jadoras de nitrógeno convierten el nitrógeno gaseoso (N2) en compuestos orgáni-cos.

Las actividades humanas pueden liberar nitrógeno al ambiente, principalmente a través de dos procesos: laquema de combustibles fósiles, la cual libera diferentes óxidos de nitrógeno, y el uso de fertilizantes arti�ciales,que contienen compuestos de nitrógeno y de fósforo, los cuales son arrastrados por escorrentía a lagos, ríosy arroyos. El nitrógeno atmosférico diferente al N2 está asociado con diversos problemas de los ecosistemas,como la producción de lluvia ácida (en forma de ácido nítrico, HNO3) y los gases de efecto invernadero(como el óxido nitroso, N2O), que ocasionan el cambio climático. Otra consecuencia de la escorrentía de losfertilizantes es la eutro�zación de cuerpos de agua, tanto dulce como salada, ya que la cantidad excesivade nutrientes produce un crecimiento descomunal de algas, además de un sinnúmero de problemas.



El ciclo marino del nitrógeno es un proceso similar al terrestre, en donde la amoni�cación, nitri�cacióny desnitri�cación se llevan a cabo por bacterias y arqueas. Una parte del nitrógeno llega al fondo marinoen forma de sedimentos, los cuales pueden regresar al continente en tiempo geológico por el proceso delevantamiento tectónico, incorporándose a las rocas. Aunque hasta ahora la circulación del nitrógeno delas rocas a los seres vivos se ha considerado como insigni�cante, en comparación con el nitrógeno �jado dela atmósfera, un estudio reciente muestra que este proceso podría ser signi�cativo y debería incluirse encualquier estudio sobre el ciclo global de nitrógeno.2

4 El Ciclo del Fósforo

El fósforo es un nutriente esencial para los procesos metabólicos de los seres vivos; éste es el componenteprincipal de los ácidos nucleicos y de los fosfolípidos, además de que constituye nuestros huesos, como fosfatode calcio. El fósforo es, con mucha frecuencia, un nutriente limitante (necesario para crecer) en ecosistemasacuáticos, particularmente en los de agua dulce.

El fósforo se encuentra en la naturaleza como ion fosfato (PO43-), este ion puede lixiviarse o ser parte de

la escorrentía proveniente de las actividades humanas. La escorrentía natural ocurre cuando las rocas quecontienen fosfatos liberan este elemento por medio del intemperismo, mandando el fosfato a ríos, lagos yocéanos. Las rocas fosfatadas tiene su origen en el océano. Los sedimentos marinos que contienen fosfatos seforman principalmente de los cuerpos de los organismos en el océano y de sus excreciones. Sin embargo, lascenizas volcánicas, aerosoles y polvo mineral pueden ser fuentes signi�cativas de fósforo. Estos sedimentoscirculan en tiempo geológico a la tierra por levantamiento tectónico (Figure 5)

El fósforo también se intercambia de forma recíproca entre el fosfato disuelto en el océano y los organismosmarinos. El movimiento de los fosfatos del océano a la tierra y a través del suelo es extremadamente lento,con un tiempo de residencia promedio, de un ion fosfato, de entre 20 000 y 100 000 años.

2Scott L. Morford, Benjamin Z. Houlton, and Randy A. Dahlgren, �Increased Forest Ecosystem Carbon and Nitrogen Storagefrom Nitrogen Rich Bedrock,� Nature 477, no. 7362 (2011): 78�81.



Figure 5: El fósforo existe en la naturaleza en forma de ion fosfato (PO43-). El intemperismo de las

rocas y la actividad volcánica liberan fosfatos en el suelo, agua y aire, donde se vuelve disponible paralas redes tró�cas terrestres. Los fosfatos entran al océano con la escorrentía, el �ujo de agua subterráneay el �ujo de los ríos. Los fosfatos disueltos en el agua del océano entran a la red tró�ca marina. Algunosfosfatos de esta red se sedimentan en el piso oceánico. (créditos: modi�cado del trabajo de John M.Evans y Howard Perlman, USGS)

El exceso de fósforo y nitrógeno en los ecosistemas, producto de la escorrentía de los fertilizantes y delas aguas residuales, causan un crecimiento excesivo de algas. La muerte subsecuente y descomposiciónde estos organismos disminuyen el oxígeno disuelto, lo que conlleva a la muerte de organismos acuáticoscomo crustáceos y peces. Este proceso es el responsable de las zonas muertas en lagos y desembocadurasde muchos de los principales ríos y de la muerte masiva de peces, mismas que ocurren durante los meses deverano (Figure 6).



Figure 6: Las zonas muertas se presentan cuando el fósforo y nitrógeno, proveniente de los fertilizantes,producen un crecimiento excesivo de microorganismos, los cuales disminuyen el oxígeno disuelto, lo quea su vez causa la muerte de la fauna. Existen muchas zonas muertas alrededor del mundo, éstas seencuentran en áreas altamente pobladas. (créditos: Robert Simmon, Jesse Allen, Observatorio de laTierra de la NASA)

Una zona muerta es un área en lagos y océanos, cerca de las desembocaduras de los ríos, en dondeperiódicamente grandes áreas son desprovistas de su �ora y fauna original; estas zonas pueden ser producidaspor eutro�zación, derrames petroleros, desechos químicos tóxicos y otras actividades humanas. El númerode zonas muertas se ha incrementado durante las últimas décadas, en el 2008 existían más de 400 de estaszonas. Una de las peores zonas muertas, 21919 km2, está frente a la costa de EE UU. en el Golfo de México,y es producto de la escorrentía de fertilizantes proveniente de la cuenca del río Mississippi. La escorrentíade fosfatos y nitratos proveniente de los fertilizantes también afectan de forma negativa muchos lagos yecosistemas costeros, incluida la Bahía de Chesapeake en el este de EE UU.

: Bahía de Chesapeake



Figure 7: (a) Esta imagen de satélite muestra la bahía de Chesapeake, un ecosistema afectado por laescorrentía de fosfatos y nitratos; (b) Un ingeniero de las fuerzas armadas sostiene un grupo de ostiones,utilizado para restaurar la bahía. (créditos: a, modi�cado del trabajo de NASA/MODIS; b, modi�cadodel trabajo del Ejército de los Estados Unidos)

La Bahía de Chesapeake (Figure 7a) es una de las zonas más bonitas sobre la Tierra; sin embargo,en la actualidad esta bahía se encuentra en peligro y se ha reconocido como un caso de estudiode un ecosistema en declive. En los años 70, del siglo XX, la Bahía de Chesapeake fue uno de losprimeros ecosistemas acuáticos en donde se identi�caron zonas muertas, hasta la fecha continúala desaparición de peces y especies que viven en el piso oceánico, tales como almejas, ostras ygusanos. Muchas especies en esta bahía han disminuido sus poblaciones como resultado de laescorrentía cargada con un exceso de nutrientes, producto de los fertilizantes arti�ciales utilizadosen la agricultura. La fuente de fertilizantes (con grandes contenidos de nitrógeno y fosfatos) noestá limitada a las prácticas agrícolas. Muy cerca de la bahía existen muchas áreas urbanas y más



de 150 ríos y arroyos que desembocan en esta bahía, cargados con restos de fertilizantes utilizadosen pastos y jardines. El problema en la bahía de Chesapeake es muy complejo y requiere de lacooperación de industriales, agricultores y propietarios particulares.

La conservación de ostras es de particular interés para los conservacionistas (Figure 7b); se estimaque en el siglo XVII existían alrededor de 1000 km2 de arrecifes de ostras, número que ha declinadoa 145 km2, en la actualidad. La cosecha de ostras fue en algún momento la principal industria en labahía, pero entre 1982 y 2007 ésta disminuyó en un 88 %. La disminución se produjo no solamentepor la escorrentía de fertilizantes y las zonas muertas, sino también por la sobreexplotación. Lasostras requieren de un mínimo de individuos en su población (densidad) pues tienen que encontrarsemuy próximos para poder reproducirse. Las actividades humanas han alterado las poblaciones deostras y su entorno, perturbando fuertemente el ecosistema.

La restauración de la población de ostras en la bahía de Chesapeake se ha llevado a cabo por variosaños con diferentes resultados. Además de que muchas personas encuentran que las ostras son unbuen alimento, estos organismos ayudan a limpiar la bahía. Las ostras son animales �ltradoresy cuando se alimentan limpian al agua a su alrededor. Estos organismos se alimentan por mediodel bombeo continuo de agua a través de apéndices �namente divididos (branquias en el caso delas ostras) que capturan en sus mucosidades procariontes, plancton y partículas orgánicas �nas.Se estima que en el siglo XVIII se necesitaban únicamente unos cuantos días para que las ostras�ltraran todo el volumen de agua de la bahía. Actualmente, con los cambios en las condiciones delagua, se estima que la población de ostras tardaría al menos un año para hacer el mismo trabajo.Los esfuerzos de restauración se han llevado a cabo por varios años, por organizaciones sin �nesde lucro como la Fundación Bahía de Chesapeake. El objetivo de la restauración es encontrar unaforma de incrementar la densidad de población, de tal manera que las ostras se puedan reproducirde forma más e�ciente. Muchas variedades resistentes a enfermedades (desarrolladas en el InstitutoVirginia de Ciencias Marinas del Colegio de William y Mary) están ahora disponibles y se hanutilizado en la construcción experimental de arrecifes de ostras. Diferentes esfuerzos de los estadosde Virginia y Delaware para limpiar y restaurara la bahía se han visto obstaculizados debido a lagran contaminación que llega a la bahía proveniente de otros estados, lo que enfatiza la necesidadde la cooperación interestatal para asegurar el éxito de la restauración.

Las nuevas y abundantes cepas de ostras han generado una nueva industria (acuacultura de ostras)económicamente viable, la cual no solamente proporciona ostras a la industria alimentaria, sino queademás tiene el bene�cio asociado de limpiar la bahía.

5 El Ciclo del Azufre

El azufre es un elemento esencial para las macromoléculas de los seres vivos. Este elemento forma partedel aminoácido cisteína, involucrado en la formación de proteínas. En la Figure 8 se muestra el ciclo delazufre entre los océanos, la tierra y la atmósfera. El azufre atmosférico se encuentra en forma de dióxido deazufre (SO2), el cual se incorpora a la atmósfera de tres formas: (1) por la descomposición de las moléculasorgánicas; (2) por la actividad volcánica y de ventilas hidrotermales; (3) por la quema de combustibles fósilespor los humanos.



Figure 8: El dióxido de azufre de la atmósfera se vuelve disponible para los ecosistemas terrestres ymarinos cuando éste se disuelve en la lluvia, como ácido sulfúrico débil, o cuando se deposita directamentecomo polvo sobre estos ecosistemas. El intemperismo de las rocas también libera sulfatos a los ecosistemasterrestres. El proceso de descomposición de los organismos también regresa sulfatos al océano, suelo yatmósfera. (créditos: modi�cado del trabajo de John M. Evans y Howard Perlman, USGS)

El azufre se deposita sobre la super�cie terrestre, principalmente de cuatro formas: precipitación, depósitoatmosférico, intemperismo de rocas y ventilas hidrotermales (Figure 9). El azufre atmosférico se encuentraen forma de dióxido de azufre (SO2), conforme la lluvia pasa a través de la atmósfera, el azufre se disuelvey forma ácido sulfúrico débil (H2SO4). El azufre también puede caer directamente de la atmósfera en lo quese conoce como depósito. Las rocas originadas a partir de los sedimentos oceánicos contienen azufre y porlevantamientos tectónicos éstas llegan a la super�cie, por medio del intemperismo liberan azufre al suelo.Los ecosistemas terrestres pueden hacer uso de estos sulfatos (SO4

2-), los cuales se integran a la red tró�cacuando son absorbidos por las plantas a través de sus raíces. Cuando estas plantas mueren y se descomponen,el azufre se libera nuevamente a la atmósfera, en forma de gas, como sulfuro de hidrógeno (H2S).



Figure 9: En este respiradero de azufre en el Parque Nacional Volcánico de Lassen en el noreste deCalifornia EE. UU., se observan los depósitos amarillentos de azufre cerca de la boca del respiradero.(créditos: "Calbear22"/Wikimedia Commons)

El azufre se incorpora al océano a través de la escorrentía proveniente de los ecosistemas terrestres, delos depósitos atmosféricos y de las ventilas geotérmicas de agua subterránea. Algunos ecosistemas dependende los quimioautótrofos que utilizan al azufre como fuente de energía. Este azufre, en forma de sulfatos,mantiene los ecosistemas marinos.

Las actividades humanas han jugado un papel primordial en la alteración del balance del ciclo globaldel azufre; la quema de grandes cantidades de combustibles fósiles, especialmente carbón, libera enormescantidades de sulfuro de hidrógeno a la atmósfera. Conforme la lluvia pasa a través de este gas lo convierte enácido sulfúrico débil, fenómeno conocido como lluvia ácida, ésta es altamente corrosiva, baja el pH de lagos,produciendo la muerte de plantas y animales residentes. La lluvia ácida también afecta las construcciones enlas ciudades, ya que degrada los edi�cios. Por ejemplo, muchos monumentos de mármol como el Monumentoa Lincoln en Washington D.C. en EE. UU. y el Palacio de Bellas Artes, en la Ciudad de México, hansufrido daños signi�cativos debido a la lluvia ácida. Estos ejemplos muestran la amplitud de los daños de lasactividades humanas en nuestro ambiente y los retos a los que nos enfrentamos para salvaguardar nuestrofuturo.



6 Resumen de la sección

Los nutrientes minerales se reciclan a través del ecosistema; los nutrientes importantes son: agua, carbono,nitrógeno, fósforo y azufre. Los ciclos de estos elementos tienen un fuerte impacto en la estructura y funciónde los ecosistemas. Debido a que las actividades humanas han ocasionado grandes perturbaciones a estosciclos, su estudio y modelaje es de especial importancia. Entre las perturbaciones a los ciclos se incluyen:la alteración debido a la contaminación, derrames petroleros y eventos que están ocasionando el cambioclimático. La salud de la biósfera depende del entendimiento de estos ciclos y de la protección al ambientede daños irreversibles.

7 PREGUNTAS DE CONEXIÓN ARTÍSTICA

Exercise 1 (Solution on p. 17.)

Figure 4 ¾Cuál de los siguientes enunciados acerca del ciclo del nitrógeno es falso?

a. La amoni�cación convierte el nitrógeno orgánico de los organismos vivos en amonio (NH4+).

b. La desnitri�cación por bacterias convierte los nitratos (NO3-) a nitrógeno gaseoso (N2).

c. La nitri�cación por bacterias convierte los nitratos (NO3-) a nitritos (NO2

-).d. Las bacterias �jadoras de nitrógeno convierten el nitrógeno gaseoso (N2) en compuestos

orgánicos.

8 PREGUNTAS DE REVISIÓN


La mayor cantidad de agua en la Tierra se encuentra en forma de:

a. hielob. vapor de aguac. agua dulced. agua salado


El proceso, en sistemas acuáticos, por el cual disminuye el oxígeno debido al crecimiento exageradode microorganismos como resultado de un exceso de nutrientes, se llama __________.

a. zona muertab. eutro�zaciónc. retro�zaciónd. agotamiento

9 PREGUNTAS DE PENSAMIENTO CRÍTICO


¾Por qué los suministros de agua potable son una fuente de preocupación para muchos países?



Solutions to Exercises in this Module

to Exercise (p. 16)Figure 4 C: La nitri�cación por bacterias convierte los nitratos (NO3

-) a nitritos (NO2-).

to Exercise (p. 16)Dto Exercise (p. 16)Bto Exercise (p. 16)La mayor parte del agua en la Tierra es agua salada, que los humanos no pueden ingerir a menos que seelimine la sal. Parte de el agua dulce está atrapada en los glaciares y casquetes polares o está en la atmósfera.Las fuentes de agua están amenazadas por la contaminación y el agotamiento. Los esfuerzos para suministraragua potable a la enorme población humana en aumento es uno de los mayores retos de este siglo.

Glossary

De�nition 1: lluvia ácidalluvia corrosiva producida cuando el agua de lluvia se mezcla con el dióxido de azufre (gas), con-virtiéndolo en ácido sulfúrico débil, y que produce daños a los ecosistemas acuáticos

De�nition 2: ciclo biogeoquímicomovimiento de minerales y nutrientes a través del mundo biótico y abiótico

De�nition 3: zona muertaárea en un lago cerca de la boca de un río donde hay grandes áreas empobrecidas de su �ora yfauna normal; estas zonas se pueden formar por procesos de eutro�zación, derrames de petróleo,desechos químicos tóxicos y otras actividades humanas

De�nition 4: eutro�zaciónproceso por el cual la escorrentía de nutrientes produce un crecimiento excesivo de microorganismosy plantas en un sistema acuático

De�nition 5: depósitomaterial sólido mineral proveniente de la atmósfera que cae sobre la super�cie terrestre u oceánica

De�nition 6: hidrósferaregión del planeta en la cual hay agua, también incluye la atmósfera que contiene vapor de agua yla región del subsuelo que contienen agua subterránea

De�nition 7: recurso no renovablerecurso, como el combustible fósil, que no se regenera o se regenera muy lentamente

De�nition 8: subducciónmovimiento de una placa tectónica debajo de otra


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