Ensayo Biogeoquímica

CICLOS BIOGEOQUIMICOS

La vida en la tierra está íntimamente ligada al clima a través de una variedad de ciclos interactuando y bucles de retroalimentación. En los últimos años ha habido una creciente conciencia de la medida en que las actividades humanas, como la deforestación y la quema de combustibles fósiles, directa o indirectamente han modificado los procesos físicos y biogeoquímicos implicados en la determinación del clima en la tierra. Estos cambios en los procesos atmosféricos pueden perturbar una variedad de los servicios de los ecosistemas que la humanidad depende. Además de ayudar a mantener una relativa estabilidad climática, estos servicios incluyen la protección de la mayoría de los dañinos rayos ultravioletas, la mediación de la escorrentía y evapotranspiración (que afecta la cantidad y calidad de los suministros de agua dulce y ayuda a controlar inundaciones y sequías), y la regulación de los ciclos de nutrientes, entre otros.

Los ciclos biogeoquimicos describen la transformación física y química de los elementos en la tierra; describen las vías por las que la energía del sol es asimilada por los organismos vivos y se almacena como energía química. Son esenciales para reciclado de materiales.

EL ALUMINIO

El Al es el tercer elemento mas abundante de la litosfera, constituyendo el 8,13% de la corteza terrestre, normalmente bajo formas insoluble. Su abundancia sobrepasa los niveles reportados por elementos escenciales para la vida, mientras en los organismos su concentración es baja (0,9 ppm) alcanzado concentraciones extremadamente bajas en células (Zatta et al., 2003). Esta diferencia entre la abundancia litosferica y biótica, ha llevado a cuestionar el porque de su abundancia y su papel biológico en el futuro. Tratando de delucidar estos interrogantes, Exley (2003) propuso un ciclo biogeoquimico para el Al que se interrelaciona con los ciclos del fosforo y sílice, formando ciclos biogeoquimicos integrales.

En el ciclo litosferico, el Al, a través de minerales primarios y secundarios y fases coloidales, retorna a la corteza terrestre por procesos de sedimentación. La retención de Al en el suelo es extremadamente eficiente, siendo el 99.99% del ciclo desarrollado en la litosfera (Exley, 2003). No se presenta un estado puro y se encuentra combinado con otros elementos como el oxigeno, sílice, álcalis y metales terro-alcalinos y fluoruros, asi como en forma de hidróxidos, sulfatos y fosforo (Who, 1997). Los minerales primarios ricos en aluminio se disuelven de sus rocas de origen por efecto del acido carbónico ambiental formando materiales como arcillas y otros minerales secundarios de baja solubilidad como los hidroxialuminosilicatos (HAS) y el hidróxido de aluminio. Estas fases particuladas altamente insolubles conteniendo Al son regresadas a la corteza terrestre por sedimentación y subducción en el magma. Así, el Al re-emergente a minerales primarios y el ciclo se completa (Exley, 2003). El Al forma complejos solubles con moléculas orgánicas como el acido húmico en el suelo, por su alta estabilidad termodinámica es cinéticamente mas lábil. El Al ingresa a la biota a través de complejos inorgánicos (e.g. fluoruro de Al) y complejos organicos (acido cítrico y húmico) y si el complejo soluble con Al es pequeño, intercambiable y lipofilico (permeable a la membrana) entonces su entrada será expedida (Exley, 2003).

Fig. 1 Ciclo biogeoquimico del aluminio (modificado de Exley, 2003)

Aluminio y seres vivos

En plantas, el primer lugar de acumulación y toxicidad del Al es el meristema de la raíz, lo que sugiere que este elemento interactua con las células que presentan mitosis activa pero no con las células quiescentes en la región basal (Yamamoto et al, 2001). En las pectinas de la pared celular, los iones de Al compiten con los iones de calcio por los mismos sitios de absorción. Una parte del aluminio es transportada al citoplasma y unida a los acidos nucleicos y fosfatos acido solubles. El Al es translocado solo en una peque;a extensión a los tallos (Who, 1997).

El aluminio además tiene efectos sobre las plantas (macro y microfilas) tales como la inhibición de la elongación radicular e inducción de síntesis de callo radicular que aparece después de una exposición de corto tiempo (Yamamoto et al, 2001), probablemente por peroxidacion lipidica en la membrana celular , imbalance en el ensamblaje de la membrana celular e interaccion con el calcio citosolico e intermediarios de las cascadas de se;alizacion dependientes de fosfoinositol (Arroyo – Serralta et al., 2005); dichos efectos tiene importancia para la dinámica de los peces por alteración directa de la disponibilidad de alimento además del consumo de Al a partir de las plantas expuestas

Por otra parte, los invertebrados de via libre en agua dulce, muestran una amplia diversidad de respuestas al Al acuoso, pero en general se asume que son menos sensibles al Al que los peces y se ha demostrado que la acidificación del suelo no altera la concentración del invertebrados. Por el contrario, en vertebrados acuaticos, la acidificion de las aguas incrementa la acumulación de Al en los tejidos, llevando a la disminución o eliminación de poblaciones naturales. Según Berthon (1996) la influencia de un elemento en la vida depende de su edad ecológica (tiempo de contacto con organismos vivos que haga que pase de ser un elemento toxico a ser un elemento neutro y luego benefico hasta convertirse en esencial) todo por la adaptación del organismo a su biodisponibilidad. Entonces el Al es un visitante silencioso que al acumularse genera un elevado efecto toxico en los organismos vivos (Exley, 2003).

CICLO BIOGEOQUIMICO DEL NITROGENO

El ciclo del nitrógeno al igual que los demás ciclos biogeoquímicos de los elementos esenciales para la vida, tiene una trayectoria definida, pero quizá aún más complicada que los demás, dado que tiene que seguir una serie de procesos físicos, químicos y biológicos. Así, el nitrógeno esta considerado como el elemento más abundante en la atmósfera. Sin embargo, dada su estabilidad, es muy difícil que reaccione con otros elementos y, por tanto, se tiene un bajo aprovechamiento, razón por la cual, su abundancia pasa a segundo término (Campus Tecnológico de la Universidad de Navarra. En línea.)

Gracias al proceso biológico de algunas bacterias y cianobacterias, el nitrógeno que se encuentra en la atmósfera puede ser asimilable, al “romper” la unión de sus enlaces por medios enzimáticos y así poder producir compuestos nitrogenados que pueden ser aprovechados por la mayoría de los seres vivos, en especial las plantas, que forman relaciones simbióticas con este tipo de bacterias.

El nitrógeno fijado se transforma en aminoácidos y proteínas vegetales, que son aprovechadas a su vez por los herbívoros, quienes los van almacenando para finalmente pasarlos al último eslabón de la cadena alimenticia. Cabe mencionar, que el nitrógeno regresa de nuevo al ciclo por medio de los desechos, ya que gracias a que las bacterias fijadoras los “retoman”, es que pueden finalmente ser asimilados por las plantas, cosa que de otra manera sería imposible. Sin embargo, hay pérdidas de nitrógeno por medio de otras bacterias que lo liberan a la atmósfera. De esta forma se logra un equilibrio en el ciclo del nitrógeno (Comunidad Foral de Navarra, en línea).

Fig. 2. Ciclo biogeoquimico del Nitrogeno

fuente: http://www.lenntech.es/ciclo-nitrogeno.htm#ixzz0n6kOHesv

El ciclo del nitrógeno tiene cinco etapas, de las cuales sólo la asimilación no es realizada por bacterias (Equipo SA, en línea):

Fijación del Nitrógeno: este elemento se coloca entre los principales elementos biogeoquímicos; sin embargo, es tan estable, que apenas se combina con otros elementos y, por tanto, es difícil que los organismos lo asimilen, ya que primero necesitan desdoblarlo. En este sentido, se necesita de una gran cantidad de energía para desdoblarlo y combinarlo con otros elementos como el carbono y el oxígeno. Esta ruptura puede hacerse por dos mecanismos: descargas eléctricas y fijación fotoquímica, que proveen suficiente energía como para formar nitratos (NO3 -). Este último procedimiento es reproducido en las plantas productoras de fertilizantes.

Sin embargo, existe una tercera forma de fijación del nitrógeno que es llevada a cabo por bacterias que usan enzimas en lugar de la luz solar o descargas eléctricas. Estas bacterias pueden ser las que viven libres en el suelo o aquellas que en simbiosis, forman nódulos con las raíces de ciertas plantas (Leguminosas) para fijar el nitrógeno. También algunas algas verde-azules son capaces de fijar el nitrógeno atmosférico.

Nitrificación: Solamente existen dos formas de nitrógeno que son asimilables por las plantas, el nitrato (NO3-) y el amonio (NH4+). Las raíces pueden absorber ambas formas, aunque pocas especies prefieren absorber nitratos que amoniaco.

Esta fase es realizada en dos pasos por diferentes bacterias: primero, las bacterias del suelo Nitrosomonas y Nitrococcus convierten el amonio en nitrito (NO2-), luego otra bacteria del suelo, Nitrobacter, oxida el nitrito en nitrato. La nitrificación les entrega energía a las bacterias.

Asimilación. La asimilación ocurre cuando las plantas absorben a través de sus raíces, nitrato (NO3-) o amoniaco (NH3), elementos formados por la fijación de nitrógeno o por la nitrificación. Luego, estas moléculas son incorporadas tanto a las proteínas, como a los ácidos

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