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Ciclo de nutrientes

El compostaje en los sistemas agrícolas aprovecha los servicios naturales de reciclaje de nutrientes en los ecosistemas. Las bacterias , los hongos , los insectos , las lombrices de tierra , los bichos y otras criaturas excavan y digieren el compost para convertirlo en suelo fértil. Los minerales y nutrientes del suelo se reciclan para la producción de cultivos.

Un ciclo de nutrientes (o reciclaje ecológico ) es el movimiento e intercambio de materia inorgánica y orgánica para la producción de materia. El flujo de energía es una vía unidireccional y no cíclica, mientras que el movimiento de nutrientes minerales es cíclico. Los ciclos minerales incluyen el ciclo del carbono , el ciclo del azufre , el ciclo del nitrógeno , el ciclo del agua , el ciclo del fósforo , el ciclo del oxígeno , entre otros, que se reciclan continuamente junto con otros nutrientes minerales para generar una nutrición ecológica productiva .

Descripción general

El ciclo de los nutrientes es el sistema de reciclaje de la naturaleza. Todas las formas de reciclaje tienen circuitos de retroalimentación que utilizan energía en el proceso de volver a poner en uso los recursos materiales. El reciclaje en ecología se regula en gran medida durante el proceso de descomposición . [1] Los ecosistemas emplean la biodiversidad en las redes alimentarias que reciclan materiales naturales, como los nutrientes minerales , que incluyen el agua . El reciclaje en los sistemas naturales es uno de los muchos servicios ecosistémicos que sustentan y contribuyen al bienestar de las sociedades humanas. [2] [3] [4]

Existe una gran superposición entre los términos ciclo biogeoquímico y ciclo de nutrientes. La mayoría de los libros de texto integran ambos y parecen tratarlos como términos sinónimos. [5] Sin embargo, los términos a menudo aparecen de forma independiente. El ciclo de nutrientes se utiliza con más frecuencia en referencia directa a la idea de un ciclo intrasistema, donde un ecosistema funciona como una unidad. Desde un punto de vista práctico, no tiene sentido evaluar un ecosistema terrestre considerando la columna de aire completa sobre él, así como las grandes profundidades de la Tierra debajo de él. Si bien un ecosistema a menudo no tiene un límite claro, como modelo de trabajo es práctico considerar la comunidad funcional donde ocurre la mayor parte de la transferencia de materia y energía. [6] El ciclo de nutrientes ocurre en ecosistemas que participan en los "ciclos biogeoquímicos más amplios de la Tierra a través de un sistema de entradas y salidas". [6] : 425 

Todos los sistemas se reciclan. La biosfera es una red de materiales e información que se reciclan continuamente en ciclos alternos de convergencia y divergencia. A medida que los materiales convergen o se concentran más, ganan en calidad, aumentando su potencial para generar trabajo útil en proporción a su concentración en relación con el medio ambiente. A medida que se utilizan sus potenciales, los materiales divergen o se dispersan más en el paisaje, para luego volver a concentrarse en otro momento y lugar. [7] : 2 

Circuito completo y cerrado

Ciclo de nutrientes de un ecosistema terrestre típico

Los ecosistemas son capaces de reciclarse completamente. El reciclaje completo significa que el 100% del material de desecho puede reconstituirse indefinidamente. Esta idea fue capturada por Howard T. Odum cuando escribió que "está completamente demostrado por los sistemas ecológicos y los sistemas geológicos que todos los elementos químicos y muchas sustancias orgánicas pueden ser acumulados por los sistemas vivos a partir de concentraciones de fondo en la corteza o en los océanos sin límite de concentración, siempre que haya energía solar u otra fuente de energía potencial disponible" [8] : 29  En 1979, Nicholas Georgescu-Roegen propuso la cuarta ley de la entropía , afirmando que el reciclaje completo es imposible. A pesar de las extensas contribuciones intelectuales de Georgescu-Roegen a la ciencia de la economía ecológica , la cuarta ley ha sido rechazada en línea con las observaciones del reciclaje ecológico. [9] [10] Sin embargo, algunos autores afirman que el reciclaje completo es imposible para los desechos tecnológicos. [11]

Los ecosistemas ejecutan un reciclaje de ciclo cerrado donde la demanda de nutrientes que se suman al crecimiento de la biomasa excede la oferta dentro de ese sistema. Existen diferencias regionales y espaciales en las tasas de crecimiento e intercambio de materiales, donde algunos ecosistemas pueden estar en deuda de nutrientes (sumideros) mientras que otros tendrán un suministro adicional (fuentes). Estas diferencias se relacionan con el clima, la topografía y la historia geológica dejando atrás diferentes fuentes de material parental. [6] [12] En términos de una red alimentaria, un ciclo o bucle se define como "una secuencia dirigida de uno o más enlaces que comienzan y terminan en la misma especie". [13] : 185  Un ejemplo de esto es la red alimentaria microbiana en el océano, donde "las bacterias son explotadas y controladas por protozoos, incluidos microflagelados heterotróficos que a su vez son explotados por ciliados. Esta actividad de pastoreo está acompañada por la excreción de sustancias que a su vez son utilizadas por las bacterias de modo que el sistema opera más o menos en un circuito cerrado". [14] : 69–70 

Reciclaje ecológico

Una red alimentaria simplificada que ilustra una cadena alimentaria tritrófica ( productores- herbívoros - carnívoros ) vinculada a los descomponedores . El movimiento de nutrientes minerales a través de la cadena alimentaria, hacia el depósito de nutrientes minerales y de regreso al sistema trófico ilustra el reciclaje ecológico. El movimiento de energía, en cambio, es unidireccional y no cíclico. [15] [16]

Un ejemplo de reciclaje ecológico se da en la digestión enzimática de la celulosa . “La celulosa, uno de los compuestos orgánicos más abundantes en la Tierra, es el principal polisacárido de las plantas, donde forma parte de las paredes celulares. Las enzimas que degradan la celulosa participan en el reciclaje natural y ecológico del material vegetal”. [17] Los distintos ecosistemas pueden variar en sus tasas de reciclaje de desechos, lo que crea una retroalimentación compleja sobre factores como el dominio competitivo de ciertas especies vegetales. Diferentes tasas y patrones de reciclaje ecológico dejan un legado de efectos ambientales con implicaciones para la evolución futura de los ecosistemas. [18]

Una gran fracción de los elementos que componen la materia viva reside en cualquier instante del tiempo en la biota del mundo. Debido a que el acervo terrestre de estos elementos es limitado y las tasas de intercambio entre los diversos componentes de la biota son extremadamente rápidas con respecto al tiempo geológico, es bastante evidente que gran parte del mismo material se incorpora una y otra vez en diferentes formas biológicas. Esta observación da lugar a la noción de que, en promedio, la materia (y algunas cantidades de energía) participan en ciclos. [19] : 219 

El reciclaje ecológico es común en la agricultura orgánica, donde la gestión de nutrientes es fundamentalmente diferente en comparación con los estilos de gestión del suelo de las empresas agroindustriales . Las granjas orgánicas que emplean el reciclaje de ecosistemas en mayor medida sustentan más especies (niveles mayores de biodiversidad) y tienen una estructura de red alimentaria diferente . [20] [21] Los ecosistemas agrícolas orgánicos dependen de los servicios de la biodiversidad para el reciclaje de nutrientes a través de los suelos en lugar de depender de la suplementación de fertilizantes sintéticos . [22] [23]

El modelo de agricultura de reciclaje ecológico se adhiere a los siguientes principios:

Cuando los productos de una granja orgánica salen de la granja hacia el mercado, el sistema se convierte en un ciclo abierto y puede ser necesario reemplazar los nutrientes mediante métodos alternativos.

Ingenieros de ecosistemas

Desde las criaturas más grandes hasta las más pequeñas, los nutrientes se reciclan mediante su movimiento, sus desechos y sus actividades metabólicas. Esta ilustración muestra un ejemplo de la bomba de ballena que hace circular los nutrientes a través de las capas de la columna de agua oceánica. Las ballenas pueden migrar a grandes profundidades para alimentarse de peces de fondo (como la lanza de arena Ammodytes spp. ) y a la superficie para alimentarse de krill y plancton en niveles más superficiales. La bomba de ballena mejora el crecimiento y la productividad en otras partes del ecosistema. [25]

El legado persistente de retroalimentación ambiental que dejan atrás las acciones ecológicas de los organismos o como una extensión de ellas se conoce como construcción de nichos o ingeniería de ecosistemas. Muchas especies dejan un efecto incluso después de su muerte, como los esqueletos de coral o las extensas modificaciones del hábitat de un humedal por parte de un castor, cuyos componentes son reciclados y reutilizados por los descendientes y otras especies que viven bajo un régimen selectivo diferente a través de la retroalimentación y la acción de estos efectos heredados. [26] [27] Los ingenieros de ecosistemas pueden influir en las tasas de eficiencia del ciclo de nutrientes a través de sus acciones.

Una ilustración del excremento de una lombriz de tierra tomada de la publicación de Charles Darwin sobre el movimiento de la materia orgánica en los suelos a través de las actividades ecológicas de las lombrices. [28]

Las lombrices de tierra , por ejemplo, alteran pasiva y mecánicamente la naturaleza de los ambientes del suelo. Los cuerpos de las lombrices muertas aportan pasivamente nutrientes minerales al suelo. Las lombrices también modifican mecánicamente la estructura física del suelo mientras se arrastran ( bioturbación ) y digieren los moldes de materia orgánica que extraen de la hojarasca del suelo . Estas actividades transportan nutrientes a las capas minerales del suelo . Las lombrices desechan desechos que crean humus de lombriz que contiene materiales no digeridos donde las bacterias y otros descomponedores obtienen acceso a los nutrientes. La lombriz de tierra se emplea en este proceso y la producción del ecosistema depende de su capacidad para crear bucles de retroalimentación en el proceso de reciclaje. [29] [30]

Los mariscos también son ingenieros de ecosistemas porque: 1) filtran partículas suspendidas de la columna de agua; 2) eliminan el exceso de nutrientes de las bahías costeras a través de la desnitrificación ; 3) sirven como amortiguadores costeros naturales, absorbiendo la energía de las olas y reduciendo la erosión causada por las estelas de los barcos, el aumento del nivel del mar y las tormentas; 4) proporcionan un hábitat de crianza para peces que son valiosos para las economías costeras. [31]

Los hongos contribuyen al ciclo de nutrientes [32] y reorganizan nutricionalmente parches del ecosistema creando nichos para otros organismos. [33] De esa manera, los hongos en la madera muerta en crecimiento permiten que los xilófagos crezcan y se desarrollen y los xilófagos , a su vez, afectan la madera muerta, contribuyendo a la descomposición de la madera y al ciclo de nutrientes en el suelo del bosque . [34]

Historia

Los troncos caídos son componentes fundamentales del ciclo de nutrientes en los bosques terrestres. Los troncos nodriza forman hábitats para otras criaturas que descomponen los materiales y reciclan los nutrientes para su posterior producción. [35]

El ciclo de nutrientes tiene un punto de apoyo histórico en los escritos de Charles Darwin en referencia a las acciones de descomposición de las lombrices de tierra. Darwin escribió sobre "el movimiento continuo de las partículas de la tierra". [28] [36] [37] Incluso antes, en 1749 Carl Linnaeus escribió en "la economía de la naturaleza entendemos la disposición omnisciente del creador en relación con las cosas naturales, por la cual están preparadas para producir fines generales y usos recíprocos" en referencia al equilibrio de la naturaleza en su libro Oeconomia Naturae . [38] En este libro capturó la noción de reciclaje ecológico: "Los 'usos recíprocos' son la clave de toda la idea, porque 'la muerte y la destrucción de una cosa siempre deben estar subordinadas a la restitución de otra'; Así, el moho estimula la descomposición de las plantas muertas para nutrir el suelo, y la tierra entonces "ofrece de nuevo a las plantas desde su seno lo que ha recibido de ellas". [39] La idea básica de un equilibrio de la naturaleza, sin embargo, se remonta a los griegos: Demócrito , Epicuro y su discípulo romano Lucrecio . [40]

Siguiendo a los griegos, la idea de un ciclo hidrológico (el agua se considera un nutriente) fue validada y cuantificada por Halley en 1687. Dumas y Boussingault (1844) proporcionaron un artículo clave que es reconocido por algunos como el verdadero comienzo de la biogeoquímica, donde hablaron sobre el ciclo de la vida orgánica con gran detalle. [40] [41] De 1836 a 1876, Jean Baptiste Boussingault demostró la necesidad nutricional de minerales y nitrógeno para el crecimiento y desarrollo de las plantas. Antes de esta época, químicos influyentes descartaron la importancia de los nutrientes minerales en el suelo. [42] Ferdinand Cohn es otra figura influyente. "En 1872, Cohn describió el 'ciclo de la vida' como el "ordenamiento completo de la naturaleza" en el que la disolución de los cuerpos orgánicos muertos proporcionaba los materiales necesarios para la nueva vida. La cantidad de material que podía moldearse en seres vivos era limitada, razonó, por lo que debe existir una "circulación eterna" (ewigem kreislauf) que convierte constantemente la misma partícula de materia de los cuerpos muertos en cuerpos vivos". [43] : 115–116  Estas ideas fueron sintetizadas en la investigación de maestría de Sergei Vinogradskii de 1881 a 1883. [43]

Variaciones en la terminología

En 1926 Vernadsky acuñó el término biogeoquímica como una subdisciplina de la geoquímica . [40] Sin embargo, el término ciclo de nutrientes es anterior a la biogeoquímica en un panfleto sobre silvicultura en 1899: "Estas demandas de ninguna manera pasan por alto el hecho de que en lugares donde hay cantidades suficientes de humus disponibles y donde, en caso de descomposición continua de hojarasca, está presente un humus estable y nutritivo, también hay cantidades considerables de nutrientes disponibles del ciclo de nutrientes biogénicos para la madera en pie. [44] : 12  En 1898 hay una referencia al ciclo del nitrógeno en relación con los microorganismos fijadores de nitrógeno . [45] Otros usos y variaciones en la terminología relacionada con el proceso del ciclo de nutrientes aparecen a lo largo de la historia:

El agua también es un nutriente. [51] En este contexto, algunos autores también se refieren al reciclaje de la precipitación, que "es la contribución de la evaporación dentro de una región a la precipitación en esa misma región". [52] Estas variaciones sobre el tema del reciclaje de nutrientes continúan utilizándose y todas se refieren a procesos que forman parte de los ciclos biogeoquímicos globales. Sin embargo, los autores tienden a referirse al reciclaje natural, orgánico, ecológico o biorreciclaje en referencia al trabajo de la naturaleza, tal como se utiliza en la agricultura orgánica o en los sistemas agrícolas ecológicos. [24]

Reciclaje en nuevos ecosistemas

Un flujo interminable de desechos tecnológicos se acumula en diferentes configuraciones espaciales en todo el planeta y se vuelve peligroso en nuestros suelos, nuestros arroyos y nuestros océanos. [53] [54] Esta idea fue expresada de manera similar en 1954 por el ecologista Paul Sears : "No sabemos si apreciar el bosque como una fuente de materias primas esenciales y otros beneficios o eliminarlo por el espacio que ocupa. Esperamos que un río sirva como vena y arteria que se lleve los desechos pero que traiga material utilizable en el mismo canal. La naturaleza hace mucho tiempo descartó la tontería de transportar desechos venenosos y nutrientes en los mismos vasos". [55] : 960  Los ecologistas utilizan la ecología de poblaciones para modelar los contaminantes como competidores o depredadores. [56] Rachel Carson fue una pionera ecológica en esta área, ya que su libro Silent Spring inspiró la investigación sobre la biomagnificación y trajo a la atención del mundo los contaminantes invisibles que se mueven en las cadenas alimentarias del planeta. [57]

A diferencia de los ecosistemas naturales del planeta, la tecnología (o tecnoecosistemas ) no está reduciendo su impacto sobre los recursos planetarios. [58] [59] Solo el 7% del total de desechos plásticos (que suman millones y millones de toneladas) está siendo reciclado por sistemas industriales; el 93% que nunca llega al flujo de reciclaje industrial presumiblemente es absorbido por sistemas de reciclaje naturales . [60] En contraste, y durante largos períodos de tiempo (miles de millones de años), los ecosistemas han mantenido un equilibrio constante con una producción que aproximadamente iguala las tasas de consumo respiratorio . La eficiencia equilibrada del reciclaje de la naturaleza significa que la producción de material de desecho en descomposición ha excedido las tasas de consumo reciclable en las cadenas alimentarias equivalentes a las existencias globales de combustibles fosilizados que escaparon de la cadena de descomposición. [61]

Los pesticidas pronto se extendieron por todo lo que había en la ecosfera (tanto la tecnosfera humana como la biosfera no humana) y regresaron desde el "allá afuera" de los ambientes naturales a los cuerpos de las plantas, los animales y los humanos situados en el "aquí adentro" de los ambientes artificiales, con efectos imprevistos, inesperados y no deseados. Al utilizar conocimientos zoológicos, toxicológicos, epidemiológicos y ecológicos, Carson generó una nueva idea de cómo se podía ver "el medio ambiente". [62] : 62 

Los microplásticos y los materiales nanoplateados que fluyen y circulan a través de los ecosistemas a partir de la contaminación y la tecnología descartada se encuentran entre una lista cada vez mayor de preocupaciones ecológicas emergentes. [63] Por ejemplo, se ha descubierto que conjuntos únicos de microbios marinos digieren el plástico que se acumula en los océanos del mundo. [64] La tecnología descartada se absorbe en los suelos y crea una nueva clase de suelos llamados tecnosoles . [65] Los desechos humanos en el Antropoceno están creando nuevos sistemas de reciclaje ecológico, ecosistemas novedosos que tienen que lidiar con el ciclo del mercurio y otros materiales sintéticos que están fluyendo hacia la cadena de biodegradación . [66] Los microorganismos tienen un papel importante en la eliminación de compuestos orgánicos sintéticos del medio ambiente, potenciados por mecanismos de reciclaje que tienen vías de biodegradación complejas. El efecto de los materiales sintéticos, como las nanopartículas y los microplásticos, en los sistemas de reciclaje ecológico se enumera como una de las principales preocupaciones para los ecosistemas en este siglo. [63] [67]

Reciclaje tecnológico

El reciclaje en los sistemas industriales humanos (o tecnoecosistemas ) difiere del reciclaje ecológico en escala, complejidad y organización. Los sistemas de reciclaje industrial no se centran en el empleo de redes alimentarias ecológicas para reciclar los desechos y convertirlos en diferentes tipos de bienes comercializables, sino que emplean principalmente a personas y tecnodiversidad . Algunos investigadores han cuestionado la premisa detrás de estos y otros tipos de soluciones tecnológicas bajo el lema de la "ecoeficiencia", ya que son limitadas en su capacidad, dañinas para los procesos ecológicos y peligrosas en sus capacidades promocionadas. [11] [68] Muchos tecnoecosistemas son competitivos y parásitos de los ecosistemas naturales. [61] [69] El reciclaje de redes alimentarias o de base biológica "incluye el reciclaje metabólico (recuperación de nutrientes, almacenamiento, etc.) y el reciclaje de ecosistemas (lixiviación y mineralización de materia orgánica in situ , ya sea en la columna de agua, en la superficie del sedimento o dentro del sedimento)". [70] : 243 

Véase también

Referencias

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