Natalia Carolina Medina Garcia - Taller 4 PDF

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Universidad Nacional de Colombia Sede Palmira Estudiante: Natalia Carolina Medina Garcia Asignatura: Ecología Docente: Joel Tupac Otero Ospina Taller 14. Ciclos de Nutrientes Objetivo: Con el desarrollo de este taller el estudiante aprenderá conceptos relacionados con el ciclo de nutrientes en los ecosistemas y comprenderá la importancia de estos procesos en los ecosistemas terrestres y acuáticos. Introducción El flujo de energía en el ecosistema se basa en el carbono y comienza con la fijación del CO2 por medio del proceso de la fotosíntesis por parte de los productores primarios. La materia fluye a través del ecosistema por medio de las redes tróficas hasta que los consumidores mueren y retornan la materia a los reservorios del ecosistema con ayuda de los organismos descomponedores. La fuente de los nutrientes esenciales para los organismos está en la atmósfera y en el suelo. En este capítulo comprenderemos cómo se dan los ciclos de la materia en los ecosistemas. a) ¿Qué es la descomposición y por qué es importante? R//. La descomposición: la materia orgánica (MO) es uno de los procesos clave en el funcionamiento de todos los ecosistemas, incluidos los acuáticos. Cada año, los principales productores reparan alrededor de 100 gigatoneladas de carbono orgánico, y cada año, la misma cantidad de materia orgánica se descompone realmente para completar el ciclo global del carbono. Sin embargo, si bien la descomposición constituye un proceso ecosistémico cuya importancia es equivalente a la de la producción primaria, todo lo relacionado con esta última y el papel de los organismos autótrofos en ella es ampliamente conocido. La más importante es que la descomposición es un proceso muy complejo que se manifiesta a nivel de comunidad, involucrando a múltiples organismos a distintas escalas espaciales y temporales, mientras que la producción primaria es un proceso que, en última instancia, se manifiesta a nivel de cada organismo autótrofo de forma individual e involucra a una fracción mucho menor de biodiversidad. Por otro lado, es muy complejo analizar la fracción microbiana que desarrolla la mayor parte de los procesos de descomposición y sólo muy recientemente se han empezado a desarrollar técnicas para estudiar el funcionamiento in situ de estas comunidades. Por todo ello, los estudios funcionales sobre el papel de la descomposición en los ecosistemas son muy escasos, a pesar de las implicaciones que esto puede tener en la comprensión del ciclo de carbono y procesos relacionados, como el cambio

climático y los mecanismos de intercambio de carbono entre la atmósfera y los ecosistemas acuáticos y terrestres. Esto es especialmente importante para los humedales, que constituyen uno de los sistemas más productivos del planeta y donde la mayoría de carbono se acumula en forma de MO que entra en la vía detrítica. [1] b) Describa el ciclo biogeoquímico del carbono, el nitrógeno, el fósforo y el potasio. R//. Ciclo del carbono El carbono es el componente básico y el soporte de los organismos vivos, porque las proteínas, los ácidos nucleicos, los carbohidratos, los lípidos y otras moléculas necesarias para la vida contienen carbono. El dióxido de carbono se encuentra en la atmósfera, los océanos y los combustibles fósiles almacenados debajo de la superficie de la tierra. El movimiento global de carbono entre el medio ambiente no vivo y los seres vivos se denomina ciclo del carbono. Cuando las plantas utilizan el dióxido de carbono (CO2) presente en la atmósfera o disuelto en agua a través de la fotosíntesis, comienza el ciclo básico. El carbono (a partir del dióxido de carbono) se convierte en parte del tejido vegetal en forma de carbohidratos, grasas y proteínas, y el oxígeno regresa a la atmósfera o al agua a través de la respiración. Como resultado, el carbono pasa a los herbívoros, y estos herbívoros pueden devorar plantas para usar, reorganizar y degradar compuestos de carbono. La mayor parte de este carbono se libera en forma de CO2 a través de la respiración, o Como subproducto del metabolismo, pero parte de ella se almacena en tejidos animales y se transmite a los carnívoros, que se alimentan de herbívoros. Con el tiempo, todos los compuestos de carbono se degradan mediante la descomposición y las plantas volverán a utilizar el carbono liberado como CO2. En resumen, los pasos más importantes en el ciclo del carbono son los siguientes: ● El dióxido de carbono en la atmósfera es absorbido por las plantas a través de la fotosíntesis y convertido en azúcar. ● Los animales comen plantas y liberan carbono a la atmósfera, el océano o el suelo al descomponer los azúcares. ● Las bacterias y los hongos descomponen la materia vegetal y animal muerta, devolviendo el carbono al medio ambiente. ● El carbono también se intercambia entre el océano y la atmósfera. Esto sucede en la interacción entre el aire y el agua. Ciclo del nitrógeno

La atmósfera es el principal depósito de nitrógeno, que representa hasta el 78% del gas. Sin embargo, dado que la mayoría de los organismos no pueden usar el nitrógeno atmosférico para producir aminoácidos y otros compuestos que contienen el gas, dependen del nitrógeno contenido en los minerales del suelo. Por tanto, a pesar de la gran cantidad de nitrógeno en la atmósfera, la falta de nitrógeno en el suelo constituye un factor limitante para el crecimiento vegetal. El proceso del ciclo del nitrógeno en el mundo orgánico y el mundo físico se llama ciclo del nitrógeno. Este ciclo incluye las siguientes etapas: 1. Fijación de nitrógeno: implica la conversión de nitrógeno gaseoso (N2) en amoniaco (NH3) (una forma útil para los organismos vivos). En esta etapa, las bacterias que existen en el suelo y el medio acuático intervienen (actúan en ausencia de oxígeno), y las bacterias usan la nitrogenasa para descomponer el nitrógeno molecular y combinarlo con el hidrógeno. N2 --------------------> NH3 nitrogenasa

2. Nitrificación: El proceso de oxidación de amoníaco o iones de amonio es llevado a cabo por dos tipos de bacterias: Nitromonas y bacterias nitrificantes (comunes en el suelo). La energía producida por este proceso es liberada por estas bacterias y se utiliza como principal fuente de energía. Este proceso se divide en dos etapas: ● Un grupo de bacterias, las Nitrosomonas y Nitrococcus, oxidan el amoníaco a nitrito (NO2-): 2 NH3 + 3 O2 g 2 NO2 - + 2 H+ + 2 H2O

● Otro grupo de bacterias, Nitrobacter, transforman el nitrito en nitrato, por este motivo no se encuentra nitrito en el suelo, que además es tóxico para las plantas. 2 NO2 - + O2 g 2 NO3 3. Asimilación: Las raíces de las plantas absorben amoníaco (NH3) o nitrato (NO3-) e incorporan nitrógeno en proteínas, ácidos nucleicos y clorofila. Cuando los animales comen plantas, consumen compuestos de nitrógeno en las plantas y los convierten en compuestos de nitrógeno en los animales. 4. Amonificación: Consiste en la conversión de compuestos orgánicos que

contienen nitrógeno en amoníaco. Se inicia cuando el organismo produce desechos (como urea (orina) y ácido úrico (estiércol de aves)). Los desechos se degradan en amoníaco de medio ambiente, liberando nitrógeno. El amoniaco se puede utilizar en procesos de nitrificación y asimilación. El nitrógeno presente en el suelo es el resultado de la descomposición de la materia orgánica, en forma de compuestos orgánicos complejos, como proteínas, aminoácidos, ácidos nucleicos y nucleótidos, que son degradados por microorganismos (bacterias y hongos) en compuestos simples y encontrado en el suelo de. Estos microorganismos utilizan proteínas y aminoácidos para producir sus propias proteínas y liberan el exceso de nitrógeno en forma de amoniaco (NH3) o iones de amonio (NH4 +). 5. Desnitrificación: es un proceso que realizan algunas bacterias en ausencia de oxígeno, degradan el nitrato (NO3--) y liberan nitrógeno (N2) a la atmósfera para utilizar el oxígeno para la auto-respiración. Ocurre en suelos mal drenados. A pesar de la pérdida de este compuesto, el ciclo se mantiene debido a la actividad de las bacterias fijadoras de nitrógeno, que pueden incorporar este gas en el aire en compuestos orgánicos que contienen nitrógeno. [2] Ciclo del fósforo Comparado con otros ciclos biogeoquímicos (como agua, carbono y nitrógeno), el ciclo del fósforo es lento. En la naturaleza, el fósforo existe principalmente en forma de ion fosfato PO43-. Los compuestos de fosfato existen en las rocas sedimentarias y (se desgastan gradualmente con el tiempo), el fósforo que contienen penetra lentamente en el suelo y el agua superficial. Las cenizas volcánicas, los aerosoles y el polvo mineral también pueden ser fuentes importantes de fosfato, aunque el fósforo en realidad no tiene una fase gaseosa como el carbono, el nitrógeno y el azufre. Las plantas pueden absorber compuestos de fosfato del suelo y transferirlos a los animales que los comen. Cuando los animales y las plantas excretan desechos o mueren, los organismos nocivos absorben el fosfato o lo devuelven al suelo. Los compuestos de fosfato también pueden ser transportados por los escurrimientos a los ríos, lagos y océanos, donde son absorbidos por organismos acuáticos. Cuando los compuestos de fosfato de los cadáveres o los desechos de los organismos marinos se hunden en el lecho marino, forman nuevas capas sedimentarias. Durante un largo período de tiempo, las rocas sedimentarias de fosfato pueden moverse del océano a la tierra a través de un proceso geológico llamado levantamiento. Sin embargo, este proceso es muy lento y el tiempo medio de residencia de los iones fosfato en el océano (el tiempo que pasan en el océano) es de 20.000 a 100.000 años. [3]

Ciclo del potasio El ciclo biogeoquímico del potasio consta de diferentes procesos que ocurren simultáneamente. Todo depende de la forma de potasio, por lo que debe comprender cada variante. Por ejemplo, existe en forma de silicatos, materia orgánica e iones en la corteza terrestre. El potasio disuelto es absorbido directamente por las plantas porque están en la solución del suelo. El potasio intercambiable está presente en la arcilla y la superficie de la capa intermedia. Sin embargo, el crecimiento de potasio en el suelo tiene las siguientes etapas: Fase retrógrada: Esta es la etapa de fijación de potasio en la superficie de la capa intermedia, especialmente en arcilla. Todo depende de la calidad y la relación con el catión. Etapa de mineralización: Se ocupa de la descomposición de la materia orgánica por microorganismos en la corteza terrestre. De esta manera, se absorbe el potasio que existe en los organismos muertos, incluidos animales, humanos y plantas. Etapa de solubilización: Está relacionado con la absorción de minerales presentes en el suelo, y esta absorción ocurre a través de las plantas. Una vez agotado el elemento, puede ser reemplazado por la constancia del ciclo y diferentes procesos químicos y biológicos. [4] c) ¿Cuáles son los procesos de mineralización e inmovilización? ¿Por qué son importantes? R//. La mineralización es el proceso mediante el cual los microorganismos del suelo convierten el nitrógeno orgánico del suelo en formas inorgánicas (amonio y nitrato). El primer producto de la mineralización es el amoníaco (NH3), que puede obtener hidrógeno y formar amonio (NH4 +), que puede ser fijado por la arcilla del suelo o materia orgánica, volatilizarse en amoníaco y ser absorbido por plantas o microorganismos, luego de que las bacterias autótrofas se lixivian u oxidan mediante el proceso de nitrificación, pierden dos átomos de hidrógeno para formar nitrito inorgánico, que es absorbido por los microorganismos e incorporado a la biomasa, lo que se denomina inmovilización. El nitrato puede someterse a un proceso de desnitrificación y luego convertirse en óxido nitroso (N2O) y nitrógeno elemental. La cantidad total de nitrógeno liberado de la materia orgánica se llama mineralización gruesa o bruta, y la cantidad final después de la eliminación de microorganismos e inmovilización se llama mineralización neta y se expresa como la tasa de cambio durante un período de tiempo. La mineralización neta se ha utilizado para estimar el nitrógeno disponible para las plantas, por lo que se han desarrollado formas in situ y de laboratorio para determinar esta tasa. Debido al proceso de

desnitrificación, volatilización, inmovilización, absorción por plantas y lixiviados, surgen algunas dificultades en su medición. En algunos ecosistemas, la tasa neta de mineralización de nitrógeno y la cantidad total de nitrógeno son indicadores de la fertilidad del suelo. El nitrógeno total se puede utilizar para clasificar ubicaciones según la disponibilidad de nitrógeno en áreas extensas, pero no para ubicaciones y hábitats específicos, y no está disponible donde la alteración del suelo es importante. El método de evaluación de la mineralización es un índice que indica el contenido de nitrógeno orgánico que se ha vuelto inorgánico durante un período de tiempo. Para ello, se cultivaron muestras de suelo para calcular la tasa de mineralización de amonio y nitrato después de la incubación. El primero cuenta con técnicas de laboratorio para cultivos anaeróbicos y aeróbicos, que aunque no pueden representar las condiciones normales del suelo, pueden utilizarse para estimar la ingesta de nutrientes de los cultivos. El cultivo aeróbico consta de 10 a 30 días de cultivo, utilizando de 5 a 20 g de muestra a 20 o 25 ° C para obtener una mineralización neta potencial. [5] En el suelo puede ocurrir también un proceso contrario a la mineralización que es la inmovilización de Nitrógeno. Este se define como la transformación de compuestos inorgánicos de N tales como amonio, amoniaco y nitrato, al estado orgánico. Esto ocurre porque los organismos del suelo asimilan los compuestos de N inorgánico y los transforman en constituyentes nitrogenados orgánicos de sus células y tejidos. El hecho de que un campo cultivado predomine la mineralización del nitrógeno a su inmovilización, depende en buena parte de la calidad de los residuos orgánicos que se incorporen, considerando esta calidad por los valores de su relación C/N. Estos procesos de mineralización e inmovilización del nitrógeno en el suelo son importantes porque son determinantes en que la incorporación de residuos de cosechas o de abonos orgánicos pueda representar verdaderamente fuente de nitrógeno para los cultivos subsiguientes. indudablemente que la incorporación de materia orgánica al suelo, en general de cualquier naturaleza, por ser fuente de energía tiene un efecto positivo sobre las poblaciones de microorganismos y consecuentemente se mejora la vida del suelo. [6] d) ¿Dónde se acumulan los nutrientes principales para la vida? R//. Los ecosistemas son sistemas interconectados en los que la materia y la energía fluyen e intercambian a medida que los organismos comen, digieren y migran. Los minerales y nutrientes se acumulan en toda la tierra en diferentes formas y densidades. Los ecosistemas se reciclan localmente, incorporan nutrientes

minerales en la producción de biomasa y participan en el sistema global a mayor escala, en el que las sustancias se intercambian y transportan a través de ciclos bioquímicos a gran escala. e) ¿Cómo varían los ciclos de nutrientes en ecosistemas acuáticos y terrestres? ¿Cómo se comunican estos ecosistemas en cuanto al ciclo de los nutrientes? R//. El ecosistema se define generalmente como un complejo compuesto por todos los seres vivos (plantas, animales, microorganismos) y los seres no vivos (suelo, clima), que interactúan como unidades funcionales en un área determinada. Cada uno de estos elementos ayuda a mantener la salud y la productividad generales del ecosistema. Los ecosistemas como los bosques, los humedales y los pastizales desempeñan un papel importante en el ciclo global del agua. Reconocer este papel y la interacción entre los dos conjuntos de elementos es esencial para la gestión sostenible de los recursos hídricos. Cuando un ecosistema natural (por ejemplo, acuático) se modifica, algunos de los servicios originales y los beneficios asociados extraídos de este se pierden y se sustituyen por beneficios que aportan las propias modificaciones. No obstante, existe un “punto de inflexión” en este proceso en el cual la suma de todos los beneficios de un ecosistema alcanza el máximo y en el cual las modificaciones posteriores no hacen más que disminuir el caudal de beneficios totales (Acreman, 2001). En la práctica, resulta muy difícil identificar este punto y esta es, quizás, una de las muchas razones de deterioro constante de los ecosistemas.[7] Tradicionalmente, el ecosistema mediterráneo se considera desnutrido. La disponibilidad de fitonutrientes depende de varios mecanismos complejos e interdependientes. Primero, depende de la capacidad de los organismos necróticos para regresar al suelo y de la eficiencia de las plantas en la conservación de los nutrientes de sus tejidos, lo que determinará la cantidad y calidad de la descomposición de los organismos necróticos, así como el equilibrio entre mineralización e inmovilización. microorganismo. En segundo lugar, el factor diferenciador de las condiciones climáticas en el ecosistema mediterráneo son los cortos y frecuentes ciclos seco-húmedo. En este caso, la inmovilización de microorganismos juega un papel vital, y apenas se ha explorado la posibilidad de que las plantas obtengan grandes cantidades de nitrógeno orgánico disuelto. Por otra parte, las altas tasas de deposición atmosférica de N, junto con los cambios en temperatura y humedad como resultado del cambio global, plantean nuevos escenarios nutricionales para los ecosistemas mediterráneos.

f) ¿Qué relación hay entre el calentamiento global y el ciclo del carbono? R//. La relación que hay entre el calentamiento global y el ciclo del carbono es: Naturalmente, hay gases de efecto invernadero (vapor de agua, CO2, metano, etc.) en la atmósfera, que contribuyen a la regulación del calor global. Sin embargo, cuando su concentración es alta (principalmente debido a la quema de combustible), la temperatura de la tierra aumentará. El dióxido de carbono (CO2) es un gas que juega un papel importante en la tierra y es el principal objeto de debate climático, ya que el aumento de su concentración en la atmósfera es la principal causa del cambio climático. El 80% de las emisiones humanas de dióxido de carbono provienen de la combustión de combustibles fósiles, y los combustibles fósiles son actualmente la principal fuente de energía y tienen un carácter no renovable. Para completar el ciclo del carbono, el CO2 es absorbido por los llamados "sumideros de carbono", que son estructuras naturales como bosques y océanos. Los árboles lo absorben en el tronco y las raíces. Sin embargo, es más importante saber qué afectará a nuestro trabajo diario. Mediante la certificación energética podemos conocer la cantidad de emisiones de dióxido de carbono relacionadas con el uso de la casa, que refleja la cantidad de dióxido de carbono que teóricamente se emite a la atmósfera para calentar y enfriar la casa y producir el agua caliente necesaria. Las emisiones anuales se expresan en kg CO2 /m², es decir, los kilogramos de CO2 emitidos por metro cuadrado de casa en un año, y el inmueble se define mediante letras según su valor. Es decir, la vivienda de 100 m² del ejemplo, calificada con la letra C, más eficiente de lo habitual a día de hoy, emite en torno a los 5370 Kg de CO 2 al año. Cantidad para cuya absorción serían necesarios en torno a 60 árboles de gran porte. [8] g) . ¿Cómo podría afectar los ciclos de nutrientes con el calentamiento global? R//. El aumento de la temperatura significa menos tierra cultivable Para ciertos cultivos, como el café, se espera que un aumento de temperatura cambie la altura óptima de producción. La tierra apta para el cultivo de café aumentará del 80-90% en Centroamérica al 30-40% en 2050. Actualmente, el 70% del café mundial proviene de pequeños productores. De los 10 mayores productores del mundo, 5 se encuentran en América Latina: Brasil, Honduras, Perú, Guatemala y México. ¿Cómo afectará el cambio climático a los ingresos y la seguridad alimentaria de estos agricultores? Los niveles más altos de dióxido de carbono producen cultivos menos nutritivos

Un estudio publicado en la revista Natu...