Ciclos Biogeoquímicos

Los ciclos biogeoquímicos desempeñan un papel crucial en la supervivencia de la vida al transformar la energía y la materia en formas utilizables que sustentan el funcionamiento de los ecosistemas, como se mencionó anteriormente. Estos ciclos describen el movimiento de la materia entre los principales depósitos de la Tierra, que incluyen la atmósfera, la biosfera terrestre, los océanos y la geosfera (suelo, sedimentos y rocas). Estos elementos se encuentran en diferentes grados en distintos reservorios y adoptan una variedad de formas químicas, tanto orgánicas como inorgánicas (Brusseau, 2019).

De modo que, abordaremos los seis elementos más abundantes que forman parte del ciclo biogeoquímico siendo el carbono, el nitrógeno, el fósforo, el azufre, el hierro y oxígeno. 

Ciclo del carbono

El ciclo del carbono es un proceso natural en el cual el carbono se desplaza entre la atmósfera, los organismos vivos, los océanos y la tierra. Las plantas y otros organismos fotosintéticos extraen dióxido de carbono (CO2) de la atmósfera y lo transforman en azúcares a través de la fotosíntesis. Este carbono se transfiere a lo largo de la cadena alimentaria, se libera nuevamente a la atmósfera mediante la respiración y la descomposición, y también puede ser almacenado en la biomasa y los sedimentos. La quema de combustibles fósiles también libera carbono a la atmósfera (Brusseau, 2019). 

Ciclo del nitrógeno

 El ciclo del nitrógeno es un proceso en el que el nitrógeno se desplaza entre la atmósfera, los seres vivos y el suelo. Este ciclo implica diferentes etapas como la fijación, asimilación, descomposición, nitrificación, desnitrificación y mineralización. Siendo el nitrógeno un elemento esencial para la vida y donde su ciclo desempeña un papel fundamental en el equilibrio de los ecosistemas (Brusseau, 2019).

Ciclo del fósforo

El ciclo del fósforo en suelos agrícolas es un proceso intricado que abarca diversos procesos químicos, físicos y biológicos que impactan la disponibilidad de fósforo para las plantas. El fósforo se encuentra presente en el suelo en forma de minerales y compuestos orgánicos, y su accesibilidad se ve afectada por la solución del suelo y las diferentes fracciones y formas en las que se encuentra . La absorción de fósforo por las plantas está regida por procesos complejos y mediante la gestión de agroecosistemas, es posible mejorar la eficiencia del ciclo de fósforo al incrementar la cantidad de materia orgánica en el suelo, estimular la mineralización del fósforo orgánico y optimizar la simbiosis con hongos micorrízicos arbusculares  (Ringeval, et al., 2017).

Ciclo del azufre

El sulfato S ⁺⁶ , que constituye la principal fuente de azufre asimilada por los organismos del suelo y absorbida por las células radiculares de las plantas, experimenta cambios en su estado de oxidación, desde S⁰ hasta S ⁺⁶, bajo la influencia de grupos bacterianos específicos presentes en el suelo. En las células vegetales, el sulfato S ⁺⁶ es reducido a S ^-2 y se integra en las moléculas biológicas (Fuentes et al, 2019).

El S ^-2 es el precursor de los polisulfuros inorgánicos, los polisulfanos orgánicos y el H₂S, los cuales desempeñan un papel en la señalización celular y la bioestimulación de las plantas. Asimismo, el S ^-2 es fundamental en la formación de moléculas biológicas esenciales para la señalización, el metabolismo y la tolerancia al estrés, como las especies reactivas de azufre (RSS), el SAM, el glutatión y las fitoquelatinas (Kharma, et al., 2019).

Ciclo del hierro

El hierro según Kappler et al (2021), es un elemento que se presenta en el medio ambiente en dos estados redox principales: el hierro férrico (Fe(iii)), que es poco soluble a pH circunneutro, y el hierro ferroso (Fe(ii)), que es más soluble y, por tanto, más biodisponible. A pesar de que el hierro sólo presenta dos estados redox naturales, existe una compleja red de interacciones biogeoquímicas, que incluye una estrecha interacción de reacciones bióticas y abióticas que incluye, la movilidad y la reactividad del hierro en el medio ambiente. Por otra parte, Amor et al (2020) indican que, las interacciones bióticas de la renovación de las especies del hierro a pH circunneutro está catalizada por bacterias Fe(iii)-reductoras, así como microaerófilas, fototróficas y reductoras de nitratos. Éstas pueden encontrarse en prácticamente todos los hábitats - terrestres y acuáticos, de agua dulce y marina, cálidos y fríos, contaminados y prístinos, incluidos muchos hábitats extremos. 

Durante el ciclo redox de un suelo forestal, Según Yin et al. (2023), los óxidos de hierro (iii) u oxhidruro formados durante los periodos de oxidación se vuelven progresivamente menos cristalinos a lo largo de repetidos ciclos redox, lo que les facilita una reducción aún más rápida del Fe(iii) con cada ciclo. Los ciclos redox del hierro no siempre conducen a una transformación de fase mineral, por ejemplo algunos minerales de valencia mixta como son el Fe(ii) y Fe(iii), como la magnetita, puede funcionar como donantes y aceptores de electrones y por tanto, como biogeobacterias reciclables, este proceso dependerá de la limitación de oxidación, la cual ocurre en la  superficie de la tierra y la reducción a la diversidad de reacciones que pueden ciclar el hierro en el medio ambiente (Amor et al., 2020).

En el ciclo biogeoquímico del hierro todas las reacciones redox del hierro que se producen a pH circunnuetro se enumeran en orden termodinámico, las reacciones intermediadas por microorganismos a la izquierda y las reacciones abióticas a la derecha como se muestra en la Figura. El panel central muestra los gradientes de O2, luz, NO3, Fe(ii) y Fe(iii) típicos de los entornos estratificados redox y abióticas basándose en la termodinámica; sin embargo, a menudo se solapan en las condiciones ambientales (Tosca et al., 2019).

Ciclo del oxígeno

El ciclo biogeoquímico del oxígeno según Hinojo & Testa (2019), es el proceso continuo de intercambio de oxígeno entre la atmósfera, la biosfera y la litosfera. En el que está involucrada la fotosíntesis, por lo tanto, se debe resaltar que es la principal fuente de oxígeno en la atmósfera de la cual interactúan las plantas, algas y cianobacterias. Estos organismos capturan dióxido de carbono (CO2) de la atmósfera y utilizan la energía solar para convertirlo en oxígeno (O2), que se libera al medio ambiente. Por otra parte, está la respiración, que es el proceso por el cual un organismo consume oxígeno y libera dióxido de carbono. Tanto las plantas como los animales respiran, absorben oxígeno del aire y liberan dióxido de carbono como subproducto. Además, que interactúan microorganismo en descomposición, como las bacterias y los hongos, descomponen la materia orgánica muerta. Durante esta descomposición, se libera dióxido de carbono y otros compuestos (Sánchez et al., 2022).

La combustión de materia orgánica, la quema de biomasa y combustibles fósiles según Morris, Rose & Lu (2022), libera grandes cantidades de dióxido de carbono y consume oxígeno. Además, se menciona que los océanos también juegan un papel importante en el ciclo del oxígeno, puesto que eloxígeno se disuelve en el agua y la vida marina lo utiliza para respirar. De otra manera, el fitoplancton realiza la fotosíntesis en la superficie del océano, liberando oxígeno al agua y la atmósfera. 

Por otra parte, Beman et al. (2021), indican que el oxígeno también está presente en la litosfera, principalmente en minerales y rocas ricos en óxido por lo tanto el oxígeno se libera a la atmósfera a través de procesos geológicos como la erosión, la meteorización y la actividad volcánica. Vale la pena señalar que el ciclo del oxígeno está estrechamente relacionado con otros ciclos biogeoquímicos, como el ciclo del carbono y el ciclo del nitrógeno. Los procesos anteriores están interrelacionados para mantener el equilibrio dinámico de la composición del oxígeno en la Tierra.

Bibliografía:

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