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Un ciclo dei nutrienti si riferisce al movimento e allo scambio di materia organica e inorganica nella produzione di materia vivente. Il processo è regolato dai percorsi della rete alimentare che decompongono la materia organica in nutrienti inorganici. I cicli dei nutrienti si verificano all'interno degli ecosistemi.
I cicli dei nutrienti in natura sono chiamati cicli biogeochimici perché gli elementi si spostano ciclicamente dall'ambiente agli organismi viventi e di nuovo all'ambiente.
Gli ecosistemi illustrano il riciclaggio a circuito chiuso in cui la domanda di nutrienti che si aggiungono alla crescita della biomassa supera l'offerta in quel sistema. Esistono differenze regionali e spaziali nella crescita e nei tassi di scambio dei materiali, dove alcuni ecosistemi possono essere in debito di nutrienti (pozzi) e altri avranno un'offerta extra (fonti). Queste differenze sono causate dalla storia geologica e dalla topografia.
In una rete trofica, un loop o un ciclo è definito come una sequenza diretta di uno o più collegamenti che inizia e termina nella stessa specie. Ad esempio, nell'oceano, i batteri vengono sfruttati da protozoi come i microflagellati eterotrofi che vengono poi sfruttati dai ciliati. Questa attività di pascolo è seguita dall'escrezione di sostanze che vengono poi utilizzate dai batteri in modo che il funzionamento del sistema sia un circuito chiuso.
La digestione enzimatica della cellulosa è un esempio di riciclaggio ecologico. La cellulosa, che è tra i composti organici più abbondanti sulla terra, è il principale polisaccaride nelle piante dove forma le pareti cellulari. Gli enzimi che degradano la cellulosa partecipano al riciclaggio ecologico dei materiali vegetali naturali. Diversi ecosistemi possono avere tassi diversi di riciclaggio dei rifiuti.
Gli elementi chimici vengono costantemente riciclati dopo essere stati utilizzati come segue:
Ogni elemento ha il suo ciclo dei nutrienti e ogni ciclo ha un percorso unico che include serbatoi, bacini di scambio e tempi di residenza.
Serbatoio - Una regione in cui l'elemento è nella sua massima concentrazione e viene trattenuto e immagazzinato per un certo tempo. Ad esempio, il carbone oi combustibili fossili sono serbatoi di carbonio.
Pool di scambio: quando gli elementi vengono conservati per brevi periodi di tempo. Ad esempio, le piante e gli animali utilizzano temporaneamente questi elementi nei loro sistemi e li rilasciano nuovamente nell'ambiente.
Tempo di residenza: la quantità di tempo in cui un elemento è trattenuto in un luogo.
L'energia fluisce in direzione direzionale attraverso gli ecosistemi terrestri, tipicamente entrando sotto forma di luce solare ed uscendo sotto forma di calore. Tuttavia, i componenti chimici che compongono gli organismi viventi sono diversi: vengono riciclati.
L'anidride carbonica e il metano sono esempi di composti del carbonio che circolano nell'atmosfera e influenzano i climi globali. Attraverso i processi di fotosintesi e respirazione, il carbonio circola anche tra organismi viventi e componenti non viventi dell'ecosistema.
Il ciclo del carbonio "veloce" è il movimento del carbonio attraverso i componenti biotici nell'ambiente. Le piante e altri organismi capaci di fotosintesi ottengono l'anidride carbonica dal loro ambiente e la usano per costruire sostanze biologiche. Piante, animali e decompositori come batteri e funghi restituiscono anidride carbonica all'atmosfera attraverso la respirazione.
Il movimento del carbonio attraverso gli elementi abiotici nell'ambiente come rocce, suolo e oceani forma il ciclo lento del carbonio. Lo spostamento del carbonio attraverso questi elementi abiotici può richiedere fino a 200 milioni di anni.
Poiché organismi come i batteri che fissano l'azoto utilizzano l'azoto per sintetizzare le molecole biologiche necessarie per la sopravvivenza, l'azoto atmosferico deve essere prima convertito in ammoniaca dai batteri che fissano l'azoto negli ambienti acquatici e del suolo. L'ammoniaca viene quindi convertita in nitrito e nitrato dai batteri. Le piante ottengono l'azoto dal suolo assorbendo ammonio (NH4-) e nitrato attraverso le loro radici. Il nitrato e l'ammonio vengono quindi utilizzati per produrre composti organici. Gli animali quindi consumano piante e quindi ottengono l'azoto nei composti organici. L'azoto in forma organica viene quindi trasmesso lungo la catena alimentare quando altri animali mangiano questi animali. I decompositori quindi restituiscono l'ammoniaca nel terreno decomponendo i rifiuti solidi e la materia morta o in decomposizione. I batteri nitrificanti convertono l'ammoniaca in nitriti e nitrati. I batteri denitrificanti convertono quindi nitriti e nitrati in azoto, rilasciando azoto nell'atmosfera.
Il fosforo è un nutriente essenziale necessario per la crescita delle piante e anche degli animali. Ha un ruolo fondamentale nello sviluppo cellulare ed è un componente chiave di molecole che immagazzinano energia come adenosina trifosfato (ATP), acido desossiribonucleico (DNA) e lipidi.
Le rocce a contatto con l'acqua piovana rilasciano nel tempo ioni fosfato e altri minerali. Questo fosfato inorganico viene quindi distribuito nel suolo e nell'acqua. Le piante quindi assorbono il fosfato inorganico dal suolo e queste piante possono quindi essere consumate dagli animali. Il fosfato viene quindi incorporato in molecole organiche come il DNA e quando le piante o gli animali muoiono e si decompongono, il fosfato organico viene restituito al terreno. I batteri nel terreno scompongono quindi la materia organica in forme di fosfato assorbibili dalle piante. È anche un processo chiamato mineralizzazione. Il fosforo nel suolo può quindi finire nei corsi d'acqua e negli oceani e può essere incorporato nei sedimenti nel tempo.
Lo zolfo è un solido nella sua forma naturale e in questa forma; è limitato al ciclo sedimentario. Può essere trasportato da processi fisici come il vento, l'erosione dell'acqua ed eventi geologici come le eruzioni vulcaniche. Può anche essere trasportato dall'oceano e nell'atmosfera, sulla terraferma e di nuovo negli oceani attraverso i suoi composti come anidride solforosa, acido solforico, sali di solfato o zolfo organico dalle piogge e dai fiumi.
Sia le piante che gli animali svolgono un ruolo nel ciclo dell'ossigeno attraverso l'atmosfera. Come sapete, l'ossigeno è fondamentale per molti animali, compreso l'uomo. Respiriamo ossigeno e il nostro corpo lo usa per produrre energia durante un processo chiamato respirazione cellulare. Questo processo rilascia anidride carbonica come prodotto di scarto, che è ciò che espiriamo. Le piante assorbono anidride carbonica durante la fotosintesi, in cui producono cibo e ossigeno. L'ossigeno viene rilasciato e il ciclo ricomincia.
Il criterio più importante per la vita è l'acqua. Come il ciclo del carbonio, il ciclo dell'acqua è il processo di spostamento dell'acqua tra gli esseri viventi, la Terra e l'atmosfera. L'acqua evapora dai corpi idrici sulla Terra, come laghi, fiumi e oceani. Il vapore acqueo si condensa nelle nuvole e forma precipitazioni che restituiscono acqua alla Terra. Sulla Terra, parte dell'acqua ritorna nei laghi e negli oceani da cui ha avuto origine, e parte penetra nel terreno, formando acque sotterranee. Gli organismi viventi, come piante e animali, consumano acqua. L'acqua evapora di nuovo, continuando il ciclo.
Alcuni scienziati sostengono che l'ecosistema sia in grado di riciclare completamente. Il riciclaggio completo ha il significato che il 100% del materiale di scarto può essere ricostituito indefinitamente. Altri scienziati contestano questa idea, sostenendo che il riciclaggio completo non è possibile per i rifiuti tecnologici.
Il riciclaggio ecologico è molto comune nell'agricoltura biologica. Le fattorie biologiche che conducono il riciclaggio dell'ecosistema supportano più specie, quindi hanno una diversa struttura della rete alimentare. Il modello di agricoltura di riciclo ecologico si attiene ai seguenti principi:
1. Trasformazione della materia da una forma all'altra - I cicli dei nutrienti consentono la trasformazione della materia in diverse forme specifiche che consentono l'utilizzo di quell'elemento in diversi organismi.
2. Trasferimento di elementi da un luogo all'altro – I cicli di nutrienti consentono il trasferimento di elementi da un luogo all'altro. Alcuni elementi sono altamente concentrati in aree inaccessibili alla maggior parte degli organismi viventi, come l'azoto nell'atmosfera. I cicli dei nutrienti consentono di trasferire questi elementi in luoghi più accessibili come il suolo.
3. Funzionamento degli ecosistemi – I cicli dei nutrienti aiutano il funzionamento degli ecosistemi. L'ecosistema, che richiede lo stato di equilibrio per funzionare correttamente, ripristina lo stato di equilibrio attraverso i cicli dei nutrienti.
4. Conservazione degli elementi – I cicli dei nutrienti facilitano la conservazione degli elementi. Gli elementi che vengono trasportati attraverso i cicli dei nutrienti vengono immagazzinati nei loro serbatoi naturali e vengono rilasciati agli organismi in piccole quantità consumabili.
5. Collegare organismi, viventi e non viventi – I cicli dei nutrienti collegano organismi viventi con organismi viventi, organismi viventi con organismi non viventi e organismi non viventi con organismi non viventi. Questo è essenziale perché tutti gli organismi dipendono l'uno dall'altro e sono vitali per la sopravvivenza degli organismi viventi. Questi organismi sono collegati dal flusso di nutrienti che è progettato dai cicli dei nutrienti.
6. Regola il flusso delle sostanze – I cicli dei nutrienti regolano il flusso delle sostanze. Poiché i cicli dei nutrienti passano attraverso diverse sfere, il flusso degli elementi è regolato in quanto ogni sfera ha un particolare mezzo e una velocità alla quale il flusso degli elementi è determinato dalla viscosità e dalla densità del mezzo. Pertanto, gli elementi nei cicli dei nutrienti scorrono a velocità diverse all'interno del ciclo e questo regola il flusso degli elementi in quei cicli.
