Ciclos del oxígeno, nitrógeno y carbono

¿Cómo circulan el oxígeno, el nitrógeno y el carbono?

La materia de los seres vivos no se gasta como la energía: se recicla. Un ciclo biogeoquímico es ese reciclaje de materia inorgánica entre los organismos y su entorno. Geología y química entran en el relato porque el mismo elemento puede quedarse mucho tiempo en el aire, en el suelo, en el agua o bajo la superficie. Oxígeno, nitrógeno y carbono van juntos en esa cuenta, cada uno con su ruta. El reparto del aire seco está en la composición del aire. ³

Oxígeno

Las plantas verdes reponen el oxígeno de la atmósfera por fotosíntesis. Con la energía de la luz, y con clorofila, el proceso general convierte dióxido de carbono y agua en glucosa y oxígeno: ¹

$$6\,\mathrm{CO_2}(g) + 6\,\mathrm{H_2O}(l) \rightarrow \mathrm{C_6H_{12}O_6}(aq) + 6\,\mathrm{O_2}(g)$$

En animales y en otros organismos, la energía del cuerpo sale de una oxidación lenta. El oxígeno es el oxidante final. En la persona pasa de los pulmones a la sangre, se une a la hemoglobina y viaja a los tejidos. Los productos últimos de esa oxidación son dióxido de carbono y agua. La sangre lleva el $\mathrm{CO_2}$ de vuelta a los pulmones. Así, el oxígeno que había pasado a $\mathrm{CO_2}$ y agua regresa al aire cuando la planta hace fotosíntesis. Los organismos fotosintéticos son los que han dejado en la atmósfera el contenido de oxígeno que vemos, cerca del 21%. ^{1 3}

El intercambio es continuo. El autótrofo toma $\mathrm{CO_2}$ y suelta oxígeno como subproducto. El heterótrofo come los compuestos de carbono y, en la respiración aerobia, gasta oxígeno del aire o disuelto en el agua. Las fases dentro del cloroplasto están en la fotosíntesis, fase luminosa y ciclo de Calvin. ³

Nitrógeno

Meter nitrógeno en lo vivo cuesta. Plantas y fitoplancton no incorporan el $\mathrm{N_2}$ de la atmósfera, aunque esa molécula es cerca del 78% del aire y el triple enlace la deja muy poco reactiva. Entran por bacterias de vida libre y por bacterias simbióticas, que arman nitrógeno orgánico. Eso es la fijación: pasar de $\mathrm{N_2}$ a compuestos que un ser vivo sí usa. Las cianobacterias fijan en el agua donde hay luz. Rhizobium vive en los nódulos de leguminosas como chícharo, frijol y cacahuate. Azotobacter fija en el suelo, sin nódulo. Hasta hoy, los únicos organismos que se sabe que fijan nitrógeno son microorganismos, y lo hacen con nitrogenasas que llevan hierro y molibdeno. ^{2 3}

Hay otra entrada sin organismo. Cuando un rayo cruza el aire, el $\mathrm{N_2}$ reacciona con el oxígeno, forma óxidos de nitrógeno y esos óxidos bajan al suelo con la lluvia. ²

En el suelo el regreso al gas tiene tres nombres, en este orden. La amonificación convierte desechos nitrogenados, o restos de organismos, en amonio, $\mathrm{NH_4^+}$, por acción de ciertas bacterias y hongos. La nitrificación pasa ese amonio a nitrito, $\mathrm{NO_2^-}$, con bacterias como Nitrosomonas, y luego el nitrito a nitrato, $\mathrm{NO_3^-}$. La desnitrificación la hacen bacterias como Pseudomonas y Clostridium: el nitrato vuelve a $\mathrm{N_2}$ y ese gas entra otra vez a la atmósfera. El orden importa. Nitrificar no es quitar un nitrato para hacer nitrito. ³

La misma ruta, con otras bacterias, ocurre en el mar. Parte del nitrógeno orgánico cae al fondo como sedimento. Otra parte sigue hacia nitrito, nitrato y de nuevo gas. El relato biológico de estos pasos, con el fósforo y el azufre al lado, está en los ciclos del carbono y del nitrógeno. ³

Carbono

El carbono es el segundo elemento más abundante en los seres vivos y está en todas las moléculas orgánicas. El $\mathrm{CO_2}$ es el ladrillo con el que la mayoría de los autótrofos arman compuestos de varios carbonos, como la glucosa. Los autótrofos terrestres lo toman del aire. Los marinos lo toman disuelto. En los dos casos el subproducto es oxígeno. ³

El ciclo rápido es ese intercambio. La fotosíntesis pasa $\mathrm{CO_2}$ a carbono orgánico. La respiración devuelve carbono orgánico a $\mathrm{CO_2}$. El ciclo lento guarda carbono en almacenes: la atmósfera, el agua líquida (sobre todo el océano), el sedimento marino, el suelo, los sedimentos terrestres, que incluyen los combustibles fósiles, y el interior de la Tierra. El $\mathrm{CO_2}$ del aire se disuelve, forma ácido carbónico y pasa a iones bicarbonato y carbonato. Más del 90% del carbono del océano está como bicarbonato. Parte se une al calcio y da carbonato de calcio, $\mathrm{CaCO_3}$, de las conchas. Con el tiempo geológico ese carbonato forma caliza, el mayor almacén de carbono de la Tierra. ³

En tierra, el carbono del suelo viene de la descomposición o del desgaste de la roca. El agua de escorrentía puede llevarlo a los ríos y al mar. Más abajo están los combustibles fósiles, restos de plantas descompuestos sin oxígeno, que tardan millones de años. Se consideran no renovables porque se queman mucho más rápido de lo que se forman. Los volcanes y las emisiones humanas devuelven a la atmósfera carbono que estaba guardado. La cría de muchos animales de granja también suma $\mathrm{CO_2}$, por las prácticas de cultivo, por la respiración y por el metano. ³

Ideas clave

• La fotosíntesis general es $6\,\mathrm{CO_2} + 6\,\mathrm{H_2O} \rightarrow \mathrm{C_6H_{12}O_6} + 6\,\mathrm{O_2}$. La respiración deja como productos últimos $\mathrm{CO_2}$ y agua, y las plantas devuelven el oxígeno al aire. ¹
• Los organismos fotosintéticos explican el oxígeno cercano al 21% de la atmósfera. El autótrofo suelta ese gas. El heterótrofo lo gasta si respira con oxígeno. ³
• El $\mathrm{N_2}$ no lo usan las plantas por sí solas. Lo fijan microorganismos, con nitrogenasas de hierro y molibdeno. El rayo forma óxidos que el suelo recibe con la lluvia. ^{2 3}
• Amonificación: desecho orgánico a $\mathrm{NH_4^+}$. Nitrificación: amonio a nitrito y luego a nitrato. Desnitrificación: nitrato a $\mathrm{N_2}$. ³
• El carbono entra por el $\mathrm{CO_2}$, vuelve por la respiración y se guarda en océano, suelo, combustibles fósiles y caliza. Más del 90% del carbono oceánico es bicarbonato. ³

Ejemplos resueltos

Tres flechas del nitrógeno, no una

Un resto de proteína en el suelo pasa a $\mathrm{NH_4^+}$. Ese paso es amonificación. Unas bacterias oxidan el amonio a $\mathrm{NO_2^-}$ y otras siguen hasta $\mathrm{NO_3^-}$: eso es nitrificación. Otras bacterias convierten el nitrato en $\mathrm{N_2}$, que regresa al aire: desnitrificación. Llamar "fijación" al paso del nitrato al gas invierte el ciclo. La fijación es la entrada, de $\mathrm{N_2}$ a compuesto útil, no la salida. ³

La ecuación que repone el oxígeno

Una planta consume 6 mol de $\mathrm{CO_2}$ y 6 mol de agua en la ecuación general y produce 1 mol de glucosa y 6 mol de $\mathrm{O_2}$. Si un animal oxida alimento con ese oxígeno, los productos últimos que el libro nombra son $\mathrm{CO_2}$ y agua. El oxígeno que salió de la hoja puede volver a entrar en la hoja como parte del $\mathrm{CO_2}$ de la siguiente fotosíntesis. No hace falta un número de gramos para ver el circuito. ¹

Quién fija en un cultivo de frijol

El frijol es una leguminosa. En los nódulos de la raíz, Rhizobium incorpora $\mathrm{N_2}$ y la planta usa ese nitrógeno. La planta no trae la nitrogenasa. Azotobacter puede fijar en el suelo sin formar nódulo, y las cianobacterias fijan donde hay luz en el agua. Un reactivo que dice "la hoja parte el triple enlace" atribuye a la planta un trabajo de microorganismos. ^{2 3}

Errores comunes

• Llamar fijación a la nitrificación. Fijar es entrar desde $\mathrm{N_2}$. Nitrificar es oxidar amonio hacia nitrato.
• Invertir la nitrificación y decir que el nitrato se convierte en nitrito. El sentido del libro es amonio, luego nitrito, luego nitrato.
• Poner la transpiración como regreso del carbono. El carbono vuelve como $\mathrm{CO_2}$ por la respiración, la descomposición, la quema y los volcanes.
• Creer que cualquier ser vivo fija nitrógeno. Los casos biológicos conocidos son microorganismos.
• Olvidar el rayo. Además de las bacterias, el $\mathrm{N_2}$ puede pasar a óxidos cuando cae un rayo, y esos óxidos llegan al suelo.

Cómo lo pregunta el examen

El reactivo pide el nombre del paso o la dirección de la flecha. Si el texto dice que unas bacterias del nódulo pasan $\mathrm{N_2}$ a compuesto orgánico, es fijación. Si el amonio pasa a nitrato, es nitrificación. Si el nitrato vuelve a gas, es desnitrificación. En carbono, la planta lo toma como $\mathrm{CO_2}$ y la respiración lo devuelve. Cambiar respiración por transpiración confunde el ciclo con el del agua. En oxígeno, la fotosíntesis lo suelta y la respiración aerobia lo consume.

Resumen

• Fotosíntesis: $\mathrm{CO_2}$ y agua dan glucosa y $\mathrm{O_2}$. La respiración devuelve $\mathrm{CO_2}$ y agua.
• El oxígeno cercano al 21% de la atmósfera se relaciona con los organismos fotosintéticos.
• El $\mathrm{N_2}$ lo fijan microorganismos. El rayo forma óxidos que bajan al suelo.
• Amonificación, nitrificación y desnitrificación son tres pasos, en ese orden, de regreso hacia el gas.
• El carbono se guarda sobre todo en el océano como bicarbonato y, a muy largo plazo, en la caliza. La quema de fósiles lo devuelve mucho más rápido de lo que se forma.