Ciclos biogeoquímicos

Los ciclos biogeoquímicos son procesos naturales que permiten el movimiento de elementos esenciales para la vida a través del aire, el agua, el suelo y los seres vivos. A diferencia de la energía, que fluye en una sola dirección, la materia se recicla continuamente. Esto permite que los nutrientes estén disponibles una y otra vez para todos los organismos.

Estos ciclos conectan la biosfera (seres vivos), la atmósfera (aire), la hidrosfera (agua) y la litosfera (suelo y rocas), y hacen posible la vida tal como la conocemos. Por ejemplo, cuando un organismo muere, sus componentes se descomponen y vuelven al ambiente, donde pueden ser usados por otros seres vivos.

Entre los principales ciclos biogeoquímicos se encuentran  los siguientes:

El ciclo del carbono

El carbono es un elemento muy importante para la vida, ya que forma parte del cuerpo de todos los seres vivos. El ciclo del carbono es el proceso en el que este elemento se mueve entre la atmósfera, el suelo, el agua y los seres vivos.

Las plantas toman el dióxido de carbono (CO₂) del aire para hacer la fotosíntesis, y los animales obtienen el carbono al comer plantas o a otros animales. Luego, cuando respiran o mueren, el carbono regresa al ambiente. Este ciclo también incluye el carbono que se guarda bajo tierra por mucho tiempo, como el de los combustibles fósiles (carbón, petróleo), que al quemarse liberan más CO₂ al aire.

 Principales ecuaciones son:

6CO₂ + 6H₂O + luz → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Esta es la fotosíntesis, donde las plantas usan el dióxido de carbono del aire y agua del suelo con ayuda de la luz solar para crear glucosa (energía) y oxígeno.

→ Viene de las plantas.

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + energía

Aquí pasa lo contrario, es la respiración celular, donde los seres vivos usan la glucosa y el oxígeno para obtener energía, y devuelven dióxido de carbono y agua al ambiente.

→ Viene de los seres vivos.

C₂Hy + O₂ → CO₂ + H₂O + energía

Esta es una combustión, cuando quemamos cosas como gasolina o carbón, se libera energía, agua y CO₂.

→ Viene de combustibles fósiles.

Materia orgánica + O₂ → CO₂ + H₂O + nutrientes

Esto pasa cuando se descompone algo vivo, como una hoja o un animal muerto. Se libera CO₂ y también nutrientes al suelo.

→ Viene de la descomposición.

El ciclo del nitrógeno

El nitrógeno está en gran cantidad en el aire, pero los seres vivos no pueden usarlo directamente. Por eso, pasa por procesos que lo transforman en formas útiles para plantas y animales.

Bacterias especiales convierten el nitrógeno del aire en compuestos como amoníaco, que las plantas absorben. Luego, otras bacterias lo transforman en nitritos y nitratos, que las plantas usan para crecer. Plantas forman proteínas y ADN con estos compuestos. Finalmente, otras bacterias regresan el nitrógeno al aire, completando el ciclo.

Principales ecuaciones:

2NH₄⁺ + 3O₂ → 2NO₂⁻ + 4H⁺ + 2H₂O

Las bacterias cambian el amonio en nitrito, una forma que se va transformando en nutrientes para las plantas.

→ Viene de bacterias en el suelo.

2NO₂⁻ + O₂ → 2NO₃⁻

Aquí las bacterias siguen el trabajo y ahora transforman nitritos en nitratos, que ya pueden absorber directamente las plantas.

→ También es del suelo.

NO₃⁻ + 2H⁺ + 2e⁻ → NO₂⁻ + H₂O

Este es un paso de desnitrificación, el nitrato regresa a formas más simples.

→ Lo hacen bacterias en zonas sin oxígeno.

2NO₂⁻ + 4H⁺ + 4e⁻ → N₂O + 2H₂O

Otro paso donde se forma gas óxido nitroso (N₂O), que luego se va al aire.

→ También de desnitrificación.

N₂O + 2H⁺ + 2e⁻ → N₂ + H₂O

Aquí se forma nitrógeno gas (N₂), que vuelve a la atmósfera.

→ Así se cierra el ciclo del nitrógeno

El ciclo del fósforo

El fósforo es un elemento esencial para la vida porque forma parte del ADN, los huesos y los dientes. A diferencia de otros ciclos, este no pasa por la atmósfera. El fósforo circula entre el suelo, las rocas, el agua y los seres vivos. Comienza cuando las rocas se desgastan y liberan fosfatos, que las plantas absorben. Luego, los animales obtienen ese fósforo al alimentarse de ellas. Cuando los seres vivos mueren o eliminan desechos, el fósforo regresa al suelo y puede ser reutilizado o volver a quedar almacenado en las rocas. Aunque es un ciclo lento, es muy importante porque el fósforo es un nutriente limitado.

Principales ecuaciones:

Ca₃(PO₄)₂ + H₂O → 3Ca²⁺ + 2PO₄³⁻

Aquí las rocas se desgastan y sueltan fosfatos que quedan en el suelo.

→ Viene del desgaste de rocas.

PO₄³⁻ + H₂O → H₂PO₄⁻ + OH⁻

El fósforo cambia a una forma más fácil de absorber por las plantas.

→ Sucede en el suelo húmedo.

Ca²⁺ + PO₄³⁻ → Ca₃(PO₄)₂

Esto es cuando el fósforo se une con calcio u otros minerales y vuelve a quedarse en el suelo o en rocas.

→ Parte del almacenamiento del fósforo.

El ciclo del azufre

El azufre es un elemento importante porque forma parte de proteínas en plantas y animales. Este ciclo comienza en las rocas que contienen azufre, el cual pasa al suelo y al agua por el desgaste natural. Las plantas absorben compuestos de azufre, y luego los animales los obtienen al alimentarse de ellas. Cuando los seres vivos mueren o eliminan desechos, el azufre regresa al suelo o al agua. También puede llegar a la atmósfera como dióxido de azufre (SO₂) por la actividad volcánica o la quema de combustibles. En el aire, este gas se puede transformar en ácido sulfúrico y provocar lluvia ácida. Finalmente, el azufre vuelve al suelo, cerrando el ciclo.

Principales ecuaciones:

SO₄²⁻ + 2e⁻ + 4H⁺ → H₂S + 2H₂O

El sulfato se convierte en sulfuro (gas con olor a huevo podrido).

→ Lo hacen bacterias en zonas sin oxígeno.

SO₄²⁻ + H₂ → H₂S + 2H₂O

Otra forma de formar H₂S, también en ambientes sin oxígeno.

→ De procesos naturales o bacterianos.

SO₂ + H₂O → H₂SO₃

Aquí el dióxido de azufre se mezcla con agua y forma ácido, lo que puede causar lluvia ácida.

→ Viene de volcanes o fábricas.

S + O₂ → SO₂

El azufre se quema y forma dióxido de azufre.

→ Viene de la combustión.

El ciclo del agua (hidrológico) 

El ciclo del agua es el proceso por el cual el agua se mueve constantemente entre la atmósfera, la superficie terrestre y los seres vivos. Comienza con la evaporación del agua de océanos, ríos y lagos, que sube a la atmósfera y forma nubes a través de la condensación. Luego cae a la Tierra en forma de precipitación (lluvia, nieve, etc.). Parte del agua se infiltra en el suelo, otra parte regresa a los cuerpos de agua por escurrimiento, y también es absorbida por las plantas, que la liberan al aire mediante transpiración. Este ciclo es vital porque mantiene la vida, regula el clima y permite el transporte de otros elementos en la naturaleza.

Principales ecuaciones:

2H₂O(l) → 2H₂(g) + O₂(g)

El agua líquida se divide en hidrógeno y oxígeno.

→ Esto no pasa comúnmente en la naturaleza, pero puede ocurrir con electricidad.

2H₂O(g) → 2H₂(g) + O₂(g)

Lo mismo, pero partiendo del agua en forma de vapor.

→ También es un proceso más experimental.

H₂O(g) → H₂O(l)

El vapor se convierte en agua líquida.

→ Es la condensación, como cuando se forman las nubes o llueve.

H₂O(l) → H₂O(s)

El agua líquida se vuelve hielo (o al revés).

→ Es el congelamiento o derretimiento.

El ciclo del oxígeno

El oxígeno es fundamental para la vida porque permite que los seres vivos obtengan energía al respirar. Este ciclo está estrechamente relacionado con el del carbono, ya que ambos se mueven juntos en la naturaleza. Las plantas liberan oxígeno al hacer fotosíntesis, usando el dióxido de carbono del aire y la luz solar. Luego, los animales y otros seres vivos consumen ese oxígeno al respirar y devuelven dióxido de carbono a la atmósfera. El oxígeno también forma parte del agua y del ozono, que protege al planeta de la radiación solar. Este ciclo ayuda a mantener el equilibrio del aire que respiramos.

Principales ecuaciones:

6CO₂ + 6H₂O + luz → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Lo mismo que antes: las plantas liberan oxígeno al hacer fotosíntesis.

→ Es el paso más importante de este ciclo.

O₂ + luz UV → 2O

La luz del sol rompe el oxígeno en átomos individuales.

→ Pasa en la estratósfera.

O + O₂ → O₃

Esos átomos de oxígeno se unen y forman ozono (O₃).

→ Así se forma la capa de ozono.

O₃ + luz UV → O₂ + O

El ozono también se rompe con la luz del sol.

→ Esto mantiene el equilibrio de la capa de ozono.

2M + O₂ → 2MO

Aquí el oxígeno se une con metales y forma óxidos.

→ Es parte de la oxidación de metales.