Biogeoquímica de Nutrientes y su Relación con Humedales

 Biogeoquímica de Nutrientes en Humedales

Se conocen como ciclos biogeoquímicos al transporte y transformación de químicos en un ecosistema, el cual se da por medio de procesos físicos, químicos y biológicos que se interrelacionan. (Lamprea, 2019). Dichas transformaciones y movimientos de químicos se presentan tanto en los humedales continentales (pantanos, lagos y lagunas), como en cuencas sedimentarias marinas, gracias a sus condiciones hidrológicas, y suelos, por esto se dice que son sumideros o transformadores de nutrientes. Entre los procesos se dan intercambios de agua y sedimentos, absorción de las plantas y exportación de materia orgánica, que son determinantes en la productividad de un humedal. (Mitsch & Gosselink, 2015).

El ciclo biogeoquímico en los humedales puede ser mediante procesos intrasistema, presentándose varios procesos de transformación dentro del sistema, y por medio del intercambio de sustancias químicas entre zonas adyacentes como la atmosfera, el paisaje, aguas y el humedal, ejemplo de esto, son los vinculados a las zonas costeras que apoyan la dinámica de nutrientes en los manglares, donde la exportación de materia orgánica dependerá de la frecuencia mareal. (Yanés & Lara, 1999).  Se debe resaltar que estos procesos de transformación no son exclusivos de los humedales, ya que se dan también en ambientes terrestres, sin embargo estas se vuelven más intensas en estas zonas de inundación permanente o temporal, que en en la tierra o en aguas muy profundas, beneficiadas como se dijo anteriormente por sus suelos encharcados, en donde se dan grandes procesos de producción y descomposición . (Mitsch & Gosselink, 2015). Ahora se verán algunos ciclos de nutrientes que son indispensables para la vida, estos están divididos en ciclos gaseosos como lo son el Nitrógeno y el Carbono que entran por medio de la atmósfera y los ciclos sedimentarios, de los cuales se verán el Fósforo, Hierro y Azufre.   

Ciclos gaseosos

Ciclo del Nitrógeno en sistemas acuáticos 

Fijación del N2 y Amonificación 

-El nitrógeno es componente esencial en las proteínas, ácidos nucleicos, clorofila y otras moléculas orgánicas (Rojas, 2014); este se encuentra en los organismos productores como las plantas en ambientes terrestres, y las cianobacterias en ambientes acuáticos en formas de Amonio (NH4) y Nitrato (NH3), aunque se sabe que la atmósfera esta compuesta en su mayoría por Nitrógeno 78%, este se encuentra en forma de nitrógeno (N2), por lo que no puede ser asimilado por los mismos. El nitrógeno molecular tiene su entrada al ecosistema por medio de la atmósfera, donde es fijado por bacterias y cianobacterias que lo reducen a iones de amonio NH4, proceso llamado amonificación. (Smith & Smith, 2007)

Nitrificación 

Una vez formado este amonio (NH4), tomara distintas rutas, este podría ser absorbido por las plantas o por microorganismos anaerobios, volviéndolo materia orgánica. Es importante destacar que a medida que aumentan la temperatura y el pH, el ion amonio se irá convirtiendo en amoniaco (NH3), el cual es más toxico, y este se liberara a la atmosfera por volatilización, lo mismo pasaría cuando hay floraciones algales en zonas pantanosas. (Kubitza, 2017). De la misma manera los suelos anaerobios comunes de los humedales, cuentan con una capa delgada oxidada, que benefician la oxidación del ion amonio (NH4), provocando así un gradiente entre los suelos reducidos y las bajas concentraciones de esta capa oxidada, que genera una difusión ascendente de amonio (NH4). De la misma forma en los ambientes aerobios de los humedales, las bacterias Nitrosomonas sp., son las que se encargan de oxidar el ion amonio (NH4), para convertirlo en nitrito NO2, el cuál es bastante tóxico,, seguidamente un segundo grupo de bacterias Nitrobacter lo convierten en Nitratos NO3, el cual es más asimilable, el nitrito (NO2) y Nitrato (NO3)  y forman parte de la materia orgánica, y de la biomasa del fitoplancton. Asimismo las plantas pueden hacer el proceso de nitrificación, por medio de las rizosferas, donde hay oxígeno disponible para elaborar este proceso. (Mitsch & Gosselink, 2015)

Desnitrificación

La desnitrificación se lleva a cabo en condiciones anaerobias, donde el grupo de bacterias Pseudomonas reducen químicamente los nitratos NO3, convirtiéndolos en óxido nitroso (N2O) y nitrógeno N2, estos gases volverán a la atmosfera. Este proceso de desnitrificación es común en los humedales por sus ambientes anóxicos. 

El ion nitrato cargado negativamente no presenta problemas de movilización, ya que los suelos de los humedales están cargados de la misma manera, por esto se deben se asimilar por las plantas y microorganismos o se perderá a través del flujo. 

Imagen 1. Ciclo del Nitrógeno. Recuperado de:https://cdn.kastatic.org

Ciclo del Carbono

Este ciclo es vital en el flujo de energía de un ecosistema, el carbono se capta gracias a la fotosíntesis de plantas y fitoplancton, este proceso donde el agua es el principal donante de electrones; el transcurso es muy fluctuante , dado a que en las horas donde la temperatura aumenta y la humedad relativa presente disminuye, la fotosíntesis se detiene, los valores de dióxido de carbono comienzan a aumentar. Por último el sol cae y se dan procesos de respiración aumentando aún más la concentración de dióxido de carbono en el ambiente, este tipo de fluctuaciones son menores en ambientes acuáticos. (Pérez, 2009). La degradación de la materia orgánica se suma a la respiración en cuanto liberación de dióxido de carbono, es por esto que esta circulación dependerá entonces de las tasas de producción primaria y de la descomposición. En los ecosistemas anóxicos como en el caso humedales, por ejemplo marismas y pantanos, este material orgánico tiende a almacenarse como humus, haciendo que sea menos eficiente la transferencia de energía, por lo que tienden a ocurrir cerca de procesos aérobicos. (Smith & Smith, 2007). 

Uno de los procesos anaerobios más conocidos es la metanogénesis, la cual es común en humedales, esta ocurre cuando bacterias Methanogens, usan el CO2 para producir metano (CH4). Este metano es oxidado por bacterias metanotróficas, las cuales por medio de una secuencia de reacciones producen dióxido de carbono; este  metano también puede ser liberado a la atmósfera, por los sedimentos, lo cual pasa a menudo en los pantanos. (Mitsch & Gosselink, 2015). 

Por otra parte el dióxido de carbono al ser un gas tiene la capacidad de diluirse en aguas superficiales, esta capacidad para ser absorbida se encuentra determinada por la reacción que tenga con el ion carbonato CO3², que en conjunto forman bicarbonatos HCO3- , este carbono circula a través de las corrientes y por medio del fitoplancton, que por medio de la fotosíntesis lo convierten a moléculas orgánicas, que se va movilizando gracias a las cadenas tróficas, liberando a través de la respiración celular  dióxido de carbono que sale a la atmosfera. Los descomponedores por su parte también liberan compuestos orgánicos y dióxido de carbono cuando degradan organismos muertos y productos de desecho (Smith & Smith, 2007)

Además el carbono también se puede almacenar a largo plazo, cuando hay organismos vivos que quedan sepultados en el fondo acuático formando rocas sedimentarias; también se libera dióxido de carbono mediante rocas carbonatadas liberadas por el vulcanismo y el desgaste de las rocas, por último la combustión producto de actividades antrópicas. 

Imagen 2. Ciclo del Carbono. Recuperado de: https://cdn.kastatic.org

Ciclos sedimentarios

Ciclo del Fósforo

El fósforo es un nutriente especial, debido que a diferencia de los vistos anteriormente, este se encuentra en muy bajas cantidades en la atmosfera. Este sigue su ruta con ayuda del ciclo hidrológico, desde la tierra hacia el mar; el fosforo en ambientes naturales se encuentra en muy bajas concentraciones, siendo un nutriente limitante, sin embargo, en humedales cercanos a áreas urbanas o sitios agrícolas, en las marismas o humedales artificiales, este no es considerado de esta manera, dado a su considerable abundancia  y estabilidad química, estos retienen este nutriente procedente de fuentes contaminantes, como las aguas residuales o el uso de aerosoles fosfatados. (Mitsch & Gosselink, 2015). 

El fósforo sale producto del vulcanismo,  se almacena en las rocas y es liberado a través de procesos de meteorización, lixiviación, erosión entre otros factores como la extracción, debido a que se usa para elaborar fertilizantes. Este se va desplazando por vía terrestre por escorrentía, donde los vegetales no pueden aprovecharlo en su totalidad, por lo que una parte corre a sistemas acuáticos, en estos ecosistemas es posible encontrarlos en formas de fósforo orgánico particulado, fosfatos orgánicos disueltos  y fosfatos inorgánicos (iones de fosfato PO4^3-,  fosfato de hidrógeno HPO4^2-  y ácido fosfórico H2PO4^- ). Los fosfatos orgánicos son aprovechados por plantas, p el fitoplancton en el cuerpo del agua, estos a su vez son consumidos por el zooplancton y organismos detritívoros que lo incorporan en su biomasa y es movilizado por medio de la cadena trófica, el zooplancton por su parte también lo excretan volviéndolo al ciclo, sin embargo este desecha en su mayoría fosfatos inorgánicos, que son consumidos por el fitoplancton y las bacterias (Smith & Smith, 2007). Por otra parte los fosfatos se encuentran en los sedimentos, producto de los desechos de organismos, el cual se va transformando en formas de fosforo inorgánico, quedando ahí por largos periodos; cuando ocurren las floraciones, las aguas profundas suben a la superficie, dejando disponible estos fosfatos para que los productores realicen fotosíntesis. Por último las aves juegan un papel importante en el movimiento del fósforo de los ecosistemas acuáticos a los terrestres, ya que estas se alimentan de organismos marinos ricos en fósforo orgánico y lo excretan en la costa en forma de guano, donde se almacena en las rocas. (Otero et al., 2018). 

Imagen 3.  Ciclo del Fósforo. Recuperado de:https://i.pinimg.com/

Ciclo del Azufre

El azufre tanto orgánico como inorgánico, se encuentra en depósitos, que son liberados por meteorización, erosión y descomposición, estos son transportados a los ecosistemas terrestres; también se encuentra en fase gaseosa, y este tiene una mejor distribución global, entrando a la atmósfera mediante combustión, erupciones volcánicas y por por los gases que son liberados por la descomposición en los océanos. En principio este entra como sulfuro de hidrógeno (H2S), que cuando reacciona con el oxígeno atmosférico forma dióxido de azufre (SO2), este en la atmosfera es soluble en agua, siendo transportado por escorrentía, debido a las precipitaciones, formando lluvia ácida, donde se presenta como ácido sulfúrico (H2SO4). Este en forma soluble es absorbido por los productores primarios, a través de la fotosíntesis y transferido a las demás formas de vida por medio de la cadena trófica, los consumidores lo incorporan a su biomasa, y lo liberan por excreción o por descomposición producto de su defunción, donde es devuelto al suelo. En el fondo de los humedales y océanos, las bacterias formaran sulfitos o sulfatos de hidrógeno; bacterias reductoras, se encargaran de convertirlos a azufre elemental y en ambientes aerobios se oxidara para formar sulfatos. Bacterias verdes y púrpura utilizan el sulfuro de hidrógeno mediante la fotosíntesis, para convertirlo en azufre, por medio procesos anaerobios que son muy conocidos en humedales, con luz disponible, estas bacterias son capaces de producir materia orgánica (Mitsch & Gosselink, 2015). 

Los sulfuros libres del sulfuro de hidrógeno, común en ambientes anaeróbicos, pueden ser tóxicos para las plantas y los microorganismos presentes en los humedales, principalmente en humedales de agua salada, donde la concentración de sulfatos es elevada; está toxicidad se logra disminuir cuando el azufre en presencia de hierro ferroso (Fe²⁺), y en situaciones de anaerobia, formen un precipitado de sulfuros ferrosos insolubles (FeS2), que se mantiene en el sedimento, y en las rocas sedimentarias, en condiciones de pH neutro y en condiciones ácidas, cuando el pH disminuye, a este compuesto también se le conoce como pirita. Sin embargo este depósito de pirita cuenta con otra problemática, y es que por erosión, debido a actividades antropogénicas, se liberara azufre en grandes cantidades a los ecosistemas acuáticos, en forma de ácido sulfúrico (H2SO4), sulfato ferroso ((FeSO4), entre otros, generando destrucciones masivas. (Smith & Smith, 2007) 

Imagen 4. Ciclo del azufre. Recuperado de: https://www.researchgate.net

Ciclo del Hierro 

El hierro es abundante en la tierra, y se representa en formas de hierro ferroso (Fe²⁺) y hierro férrico  (Fe³⁺), y son liberados por meteorización, asimismo, la reducción férrica de (Fe³⁺), a (Fe²⁺), se puede dar en suelos encharcados y en sedimentos de humedales. Las aguas cargadas con este nutriente en ambientes alcalinos, se oxidan ya sea químicamente, o por las bacterias Gallionella y Leptothrix, produciendo compuestos férricos que precipitan formando depósitos marrones. Por otro lado, en ambientes donde predominan ácidos sulfúricos, las bacterias Thiobacillus ferroxidans y Leptospirillum ferrooxidans, son las que se encargan del trabajo, donde en ambientes muy ácidos con pH's de entre 2-4 la bacteria que predomina es T. ferrooxidans, aquí no hay una una precipitación como tal, sino que se forma un compuesto de Hierro, hidróxido y sulfato, denominado jarosita. (Pier, 2012)

Como se vio anteriormente la pirita es una de las principales formas del hierro en ambientes, sirviendo de depósitos para el azufre, y reduciendo la toxicidad de los sulfuros que son dañinos para plantas y microorganismos. La oxidación bacteriana de este compuesto , tiene vital importancia en el lixiviado de nutrientes de un ecosistema. 

Es importante destacar el poco conocimiento de este ciclo biogeoquímico, por lo que fue imposible discutirlo a fondo. 

Imagen 5. Ciclo del hierro, Recuperado de: https://www.researchgate.net

Referencias 

Kubitza, F. (2018, 15 enero). El parámetro de calidad del agua a menudo ignorado: pH « Global 

    Aquaculture Advocate. https://www.aquaculturealliance.org/advocate/el-parametro-de-calidad-del-

    agua-a-menudo-ignorado-ph/

Mitsch, Gosselink, W. J. (2015). Wetlands (5.a ed.). John Wiley & Sons. 

Otero, X, De La Peña-Lastra, S., Pérez, A., Ferreira, T & Huerta-Diaz, M. A. (2018). Seabird colonies 

    as important global drivers in the nitrogen and phosphorus cycles. Nature communications, 9(1), 1-8.

Peréz, C. (2009). Fotosíntesis: aspectos básicos. Reduca (Biología), 2(3). 1-47

Pier, I. (2012, 9 enero). Ciclos biogeoquímicos. slidesshare. https://es.slideshare.net/ilichpier/ciclos-

    biogeoqumicos-10915835

Rojas, F., Ríos G., González-Montiel, E., Velázquez-Rodríguez, A., & Pulido-Ponce, J. I. (2017). La 

    ciencia del suelo en el ciclo del carbono de México.

Smith, T., & Smith, R. (2007). Ecología.Madrid, España: Pearson.

Yánez, A., & Lara, A. (1999). Ecosistemas de Manglar en América Tropical, Mangrove Ecosystem in 

    Tropical America