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Un ciclo de nutrientes se refiere al movimiento e intercambio de materia orgánica e inorgánica de regreso a la producción de materia viva. El proceso está regulado por las vías de la red alimentaria que descomponen la materia orgánica en nutrientes inorgánicos. Los ciclos de nutrientes ocurren dentro de los ecosistemas.
Los ciclos de nutrientes en la naturaleza se denominan ciclos biogeoquímicos porque los elementos se mueven cíclicamente del medio ambiente a los organismos vivos y de regreso al medio ambiente.
Los ecosistemas ilustran el reciclaje de circuito cerrado donde la demanda de nutrientes que se suman al crecimiento de la biomasa excede la oferta en ese sistema. Existen diferencias regionales y espaciales en el crecimiento y tasas de cambio de materiales, donde algunos ecosistemas pueden estar en deuda de nutrientes (sumideros) y otros tendrán un suministro extra (fuentes). Estas diferencias son provocadas por la historia geológica y la topografía.
En una red alimentaria, un bucle o ciclo se define como una secuencia dirigida de uno o más enlaces que comienza y termina en la misma especie. Por ejemplo, en el océano, las bacterias son explotadas por protozoos como los microflagelados heterótrofos que luego son explotados por los ciliados. A esta actividad de pastoreo le sigue la excreción de sustancias que luego son utilizadas por las bacterias para que el funcionamiento del sistema sea un circuito cerrado.
La digestión enzimática de celulosa es un ejemplo de reciclaje ecológico. La celulosa, que se encuentra entre los compuestos orgánicos más abundantes en la tierra, es el principal polisacárido en las plantas donde forma las paredes celulares. Las enzimas que degradan la celulosa participan en el reciclaje ecológico de los materiales vegetales naturales. Los diferentes ecosistemas pueden tener diferentes tasas de reciclaje de basura.
Los elementos químicos se reciclan constantemente después de que se utilizan de la siguiente manera:
Cada elemento tiene su ciclo de nutrientes y cada ciclo tiene una vía única que incluye reservorios, piscinas de intercambio y tiempos de residencia.
Reservorio: una región donde el elemento se encuentra en su concentración más alta y se mantiene y almacena durante algún tiempo. Por ejemplo, el carbón o los combustibles fósiles son depósitos de carbono.
Grupos de intercambio: cuando los elementos se mantienen durante períodos cortos de tiempo. Por ejemplo, las plantas y los animales utilizan estos elementos en sus sistemas temporalmente y los liberan al medio ambiente.
Tiempo residente: la cantidad de tiempo que un elemento se mantiene en un lugar.
La energía fluye direccionalmente a través de los ecosistemas de la Tierra, típicamente ingresando en forma de luz solar y saliendo en forma de calor. Sin embargo, los componentes químicos que componen los organismos vivos son diferentes: se reciclan.
El dióxido de carbono y el metano son ejemplos de compuestos de carbono que circulan en la atmósfera e influyen en los climas globales. A través de los procesos de fotosíntesis y respiración, el carbono también circula entre los organismos vivos y los componentes no vivos del ecosistema.
El ciclo "rápido" del carbono es el movimiento del carbono a través de componentes bióticos en el medio ambiente. Las plantas y otros organismos que son capaces de realizar la fotosíntesis, obtienen dióxido de carbono de su entorno y lo utilizan para construir sustancias biológicas. Las plantas, los animales y los descomponedores, como las bacterias y los hongos, devuelven el dióxido de carbono a la atmósfera mediante la respiración.
El movimiento del carbono a través de los elementos abióticos del medio ambiente, como las rocas, el suelo y los océanos, forma el ciclo lento del carbono. El movimiento del carbono a través de estos elementos abióticos puede tardar hasta 200 millones de años.
Dado que organismos como las bacterias fijadoras de nitrógeno utilizan nitrógeno para sintetizar las moléculas biológicas necesarias para la supervivencia, el nitrógeno atmosférico debe convertirse primero en amoniaco mediante bacterias fijadoras de nitrógeno en entornos acuáticos y del suelo. Luego, las bacterias convierten el amoníaco en nitrito y nitrato. Las plantas obtienen nitrógeno del suelo absorbiendo amonio (NH4-) y nitrato a través de sus raíces. Luego, el nitrato y el amonio se utilizan para producir compuestos orgánicos. Los animales luego consumen plantas y así obtienen el nitrógeno en los compuestos orgánicos. El nitrógeno en forma orgánica pasa luego por la cadena alimentaria cuando otros animales se comen a estos animales. Luego, los descomponedores devuelven el amoníaco al suelo al descomponer los desechos sólidos y la materia muerta o en descomposición. Las bacterias nitrificantes convierten el amoníaco en nitrito y nitrato. Las bacterias desnitrificantes luego convierten el nitrito y el nitrato en nitrógeno, liberando nitrógeno nuevamente a la atmósfera.
El fósforo es un nutriente esencial necesario para el crecimiento de plantas y animales. Tiene un papel vital en el desarrollo celular y es un componente clave de moléculas que almacenan energía como el trifosfato de adenosina (ATP), el ácido desoxirribonucleico (ADN) y los lípidos.
Las rocas cuando entran en contacto con el agua de lluvia liberan iones de fosfato y otros minerales con el tiempo. Este fosfato inorgánico se distribuye luego en el suelo y el agua. Las plantas luego absorben fosfato inorgánico del suelo, y estas plantas pueden ser consumidas por los animales. Luego, el fosfato se incorpora a moléculas orgánicas como el ADN, y cuando las plantas o los animales mueren y se descomponen, el fosfato orgánico se devuelve al suelo. Las bacterias en el suelo luego descomponen la materia orgánica en formas de fosfato que son absorbibles por las plantas. También es un proceso llamado mineralización. El fósforo en el suelo puede terminar en las vías fluviales y los océanos y puede incorporarse a los sedimentos con el tiempo.
El azufre es un sólido en su forma natural y en esta forma; está restringido al ciclo sedimentario. Puede ser transportado por procesos físicos como el viento, la erosión por el agua y eventos geológicos como erupciones volcánicas. También puede ser transportado por el océano y a la atmósfera, la tierra y de regreso a los océanos a través de sus compuestos como el dióxido de azufre, el ácido sulfúrico, las sales de sulfato o el azufre orgánico por las lluvias y los ríos.
Tanto las plantas como los animales juegan un papel en el ciclo del oxígeno a través de la atmósfera. Como saben, el oxígeno es crucial para muchos animales, incluidos los humanos. Respiramos oxígeno y nuestro cuerpo lo usa para producir energía durante un proceso llamado respiración celular. Este proceso libera dióxido de carbono como producto de desecho, que es lo que exhalamos. Las plantas absorben dióxido de carbono durante la fotosíntesis, en la que producen alimento y oxígeno. El oxígeno se libera y el ciclo comienza de nuevo.
El criterio más importante para la vida es el agua. Al igual que el ciclo del carbono, el ciclo del agua es el proceso de mover el agua entre los seres vivos, la Tierra y la atmósfera. El agua se evapora de los cuerpos de agua de la Tierra, como lagos, ríos y océanos. El vapor de agua se condensa en las nubes y forma precipitaciones que devuelven agua a la Tierra. En la Tierra, parte del agua regresa a los lagos y océanos de los que se originó, y parte se sumerge en el suelo, formando agua subterránea. Los organismos vivos, como las plantas y los animales, consumen agua. El agua se evapora nuevamente, continuando el ciclo.
Algunos científicos sostienen que el ecosistema es capaz de reciclarse por completo. El reciclaje completo significa que el 100% del material de desecho puede reconstituirse indefinidamente. Otros científicos cuestionan esta idea y afirman que no es posible el reciclaje completo de los residuos tecnológicos.
El reciclaje ecológico es muy común en la agricultura ecológica. Las granjas orgánicas que llevan a cabo el reciclaje de ecosistemas sustentan más especies, por lo tanto, tienen una estructura de red alimentaria diferente. El modelo de agricultura de reciclaje ecológico se adhiere a los principios siguientes:
1. Transformación de la materia de una forma a otra - Los ciclos de nutrientes permiten la transformación de la materia a diferentes formas específicas que permiten la utilización de ese elemento en diferentes organismos.
2. Transferencia de elementos de un lugar a otro: los ciclos de nutrientes permiten la transferencia de elementos de un lugar a otro. Algunos elementos están muy concentrados en áreas inaccesibles para la mayoría de los organismos vivos, como el nitrógeno en la atmósfera. Los ciclos de nutrientes permiten que estos elementos se transfieran a lugares más accesibles como el suelo.
3. Funcionamiento de los ecosistemas: los ciclos de nutrientes ayudan al funcionamiento de los ecosistemas. El ecosistema, que requiere el estado de equilibrio para funcionar correctamente, se restaura al estado de equilibrio a través de los ciclos de nutrientes.
4. Almacenamiento de elementos: los ciclos de nutrientes facilitan el almacenamiento de elementos. Los elementos que se transportan a través de los ciclos de nutrientes se almacenan en sus reservorios naturales y se liberan a los organismos en pequeñas cantidades que son consumibles.
5. Vincular organismos, vivos y no vivos: los ciclos de nutrientes vinculan los organismos vivos con los organismos vivos, los organismos vivos con los organismos no vivos y los organismos no vivos con los organismos no vivos. Esto es esencial porque todos los organismos dependen unos de otros y son vitales para la supervivencia de los organismos vivos. Estos organismos están vinculados por el flujo de nutrientes que está diseñado por los ciclos de nutrientes.
6. Regular el flujo de sustancias: los ciclos de nutrientes regulan el flujo de sustancias. A medida que los ciclos de nutrientes pasan a través de diferentes esferas, el flujo de elementos se regula ya que cada esfera tiene un medio particular y la velocidad a la que el flujo de elementos está determinado por la viscosidad y densidad del medio. Por lo tanto, los elementos en los ciclos de nutrientes fluyen a diferentes velocidades dentro del ciclo y esto regula el flujo de elementos en esos ciclos.
