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 utilizar los recursos materiales. El reciclaje en ecología está regulado en gran medida durante el proceso de descomposición . [1] Los ecosistemas emplean biodiversidad en las redes alimentarias que reciclan materiales naturales, como nutrientes minerales , que incluyen el agua . El reciclaje en los sistemas naturales es uno de los muchos servicios ecosistémicos que sostienen y contribuyen al bienestar de las sociedades humanas. [2] [3] [4]
Existe mucha superposición entre los términos del ciclo biogeoquímico y del ciclo de los nutrientes. La mayoría de los libros de texto integran los dos y parecen tratarlos como términos sinónimos. [5] Sin embargo, los términos suelen aparecer de forma independiente. El ciclo de nutrientes se utiliza con mayor 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 completa de aire sobre él, así como las grandes profundidades de la Tierra debajo de él. Si bien un ecosistema a menudo no tiene límites claros, 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 sus concentraciones en relación con el medio ambiente. A medida que se utilizan sus potenciales, los materiales divergen o se dispersan más en el paisaje, sólo para concentrarse nuevamente en otro momento y lugar. [7] : 2
Bucle completo y cerrado
Ciclo de nutrientes de un ecosistema terrestre típico.
Los ecosistemas son capaces de reciclarse por completo. El reciclaje completo significa que el 100% del material de desecho se puede reconstituir indefinidamente. Esta idea fue captada por Howard T. Odum cuando escribió que "los sistemas ecológicos y los sistemas geológicos demuestran exhaustivamente que todos los elementos químicos y muchas sustancias orgánicas pueden ser acumulados por sistemas vivos a partir de concentraciones de fondo en la corteza terrestre u oceánicas sin límite en cuanto a concentración". siempre que haya energía solar disponible u otra fuente de energía potencial" [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 amplias contribuciones intelectuales de Georgescu-Roegen a la ciencia de la economía ecológica , la cuarta ley ha sido rechazada de acuerdo con las observaciones del reciclaje ecológico. [9] [10] Sin embargo, algunos autores afirman que el reciclaje completo es imposible para los residuos tecnológicos. [11]
Los ecosistemas ejecutan un reciclaje de circuito cerrado donde la demanda de nutrientes que se suma 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 tener una 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 original. [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 los microflagelados heterótrofos que a su vez son explotados por los ciliados. Esta actividad de pastoreo va acompañada de la excreción de sustancias". que a su vez son utilizados por las bacterias para que el sistema funcione más o menos en un circuito cerrado". [14] : 69–70
Reciclaje ecológico
Una red alimentaria simplificada que ilustra una cadena alimentaria de tres tróficos ( productores- herbívoros - carnívoros ) vinculada a los descomponedores . El movimiento de nutrientes minerales a través de la cadena alimentaria, hacia la reserva de nutrientes minerales y de regreso al sistema trófico ilustra el reciclaje ecológico. El movimiento de la energía, por el contrario, 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 polisacárido principal 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 diferentes ecosistemas pueden variar en sus tasas de reciclaje de basura, lo que crea una retroalimentación compleja sobre factores como el dominio competitivo de ciertas especies de plantas. Los diferentes ritmos 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 residen en cualquier instante en la biota del mundo. Debido a que la reserva terrestre de estos elementos es limitada 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 idea 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 agrícolas . Las granjas orgánicas que emplean el reciclaje de ecosistemas en mayor medida sustentan a más especies (mayores niveles 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 con fertilizantes sintéticos . [22] [23]
El modelo de agricultura de reciclaje ecológico se adhiere a los siguientes principios:
Protección de la biodiversidad.
Uso de energías renovables.
Reciclaje de nutrientes vegetales. [24]
Cuando los productos de una granja orgánica salen de la granja hacia el mercado, el sistema se convierte en un ciclo abierto y es posible que sea 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 del fondo (como la lanza de arena Ammodytes spp. ) y a la superficie para alimentarse de krill y plancton en niveles menos profundos. La bomba de ballena mejora el crecimiento y la productividad en otras partes del ecosistema. [25]
El legado persistente de retroalimentación ambiental que queda como extensión de las acciones ecológicas de los organismos 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 descendientes y otras especies que viven bajo un régimen selectivo diferente a través de la retroalimentación y la agencia. 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 de un molde de lombriz tomado 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 del ambiente del suelo. Los cuerpos de lombrices muertas aportan pasivamente nutrientes minerales al suelo. Los gusanos también modifican mecánicamente la estructura física del suelo a medida que se arrastran ( bioturbación ) y digieren en los moldes la materia orgánica que extraen de la hojarasca del suelo . Estas actividades transportan nutrientes a las capas minerales del suelo . Las lombrices descartan desechos que crean excrementos de lombrices que contienen materiales no digeridos donde las bacterias y otros descomponedores obtienen acceso a los nutrientes. En este proceso se emplea la lombriz de tierra y la producción del ecosistema depende de su capacidad para crear circuitos 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) Eliminar el exceso de nutrientes de las bahías costeras mediante desnitrificación ; 3) Servir 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) Proporcionar un hábitat de cría para peces que sean valiosos para las economías costeras. [31]
Los troncos caídos son componentes críticos 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 volver a producirlos. [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 nuevamente a las plantas desde su seno lo que ha recibido de ellas'". [39] La idea básica de un equilibrio de la naturaleza, sin embargo, puede 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 algunos reconocen 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 descontaban 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 la "disposición completa de la naturaleza" en la que la disolución de los cuerpos orgánicos muertos proporcionaba los materiales necesarios para una nueva vida. La cantidad de material que podía moldearse para formar seres vivos era limitada, razonó, por lo que debe existir una "circulación eterna" (ewigem kreislauf) que convierte constantemente la misma partícula de materia de cuerpos muertos en cuerpos vivos". [43] : 115–116 Estas ideas fueron sintetizadas en las investigaciones del maestro Sergei Vinogradskii de 1881-1883. [43]
Variaciones de 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 folleto sobre silvicultura de 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 una continua descomposición de hoja, 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 de la terminología relacionada con el proceso de ciclo de nutrientes aparecen a lo largo de la historia:
El término ciclo mineral aparece a principios de 1935 en referencia a la importancia de los minerales en la fisiología vegetal : "...la ceniza probablemente se acumula en su estructura permanente o se deposita de alguna manera como desecho en las células, por lo que es posible que no ser libre de volver a entrar en el ciclo mineral ". [46] : 301
El término reciclaje de nutrientes aparece en un artículo de 1964 sobre la ecología alimentaria de la cigüeña: "Mientras que el secado y las inundaciones periódicas de las marismas crean problemas especiales de supervivencia para los organismos de la comunidad, los niveles fluctuantes del agua favorecen el rápido reciclaje de nutrientes y el posterior alto tasas de producción primaria y secundaria" [47] : 97
El término ciclo natural aparece en un artículo de 1968 sobre el transporte de hojarasca y sus elementos químicos para su consideración en la ordenación pesquera: "El transporte fluvial de hojarasca de árboles desde las cuencas de drenaje es un factor en el ciclo natural de elementos químicos y en la degradación de la tierra. " [48] : 131
El término reciclaje ecológico aparece en una publicación de 1968 sobre futuras aplicaciones de la ecología para la creación de diferentes módulos diseñados para vivir en ambientes extremos, como el espacio o bajo el mar: "Para nuestro requerimiento básico de reciclar recursos vitales, los océanos proveen mucho más frecuentemente reciclaje ecológico que el área terrestre Los peces y otras poblaciones orgánicas tienen tasas de crecimiento más altas, la vegetación tiene problemas climáticos menos caprichosos para la recolección en el mar ". [49]
El término bioreciclaje aparece en un artículo de 1976 sobre el reciclaje de carbono orgánico en los océanos: "Siguiendo la suposición actualista, entonces, de que la actividad biológica es responsable de la fuente de material orgánico disuelto en los océanos, pero no es importante para sus actividades Después de la muerte de los organismos y los cambios químicos posteriores que impiden su bioreciclaje , no podemos ver ninguna diferencia importante en el comportamiento de la materia orgánica disuelta entre los océanos prebióticos y posbióticos". [50] : 414
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 ciclo de nutrientes continúan utilizándose y todas se refieren a procesos que forman parte de los ciclos biogeoquímicos globales. Sin embargo, los autores suelen referirse a natural, orgánico, ecológico o bioreciclaje en referencia al trabajo de la naturaleza, como se utiliza en la agricultura orgánica o en los sistemas agrícolas ecológicos. [24]
Reciclaje en ecosistemas novedosos
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 fuente de materias primas esenciales y otros beneficios o eliminarlo por el espacio que ocupa. Esperamos un río que sirva como vena y arteria llevando desechos pero trayendo material utilizable en el mismo canal. La naturaleza hace mucho descartó la tontería de transportar desechos venenosos y nutrientes en los mismos recipientes. [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 Primavera silenciosa inspiró la investigación sobre biomagnificación y llamó la atención del mundo sobre los contaminantes invisibles que ingresan a 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] Sólo el 7% del total de residuos plásticos (que suman millones y millones de toneladas) se recicla mediante sistemas industriales; el 93% que nunca llega a la corriente de reciclaje industrial es presumiblemente absorbido por los sistemas de reciclaje naturales [60]. Por el contrario, 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 de material reciclable en las cadenas alimentarias equivalentes a las reservas mundiales de combustibles fosilizados que escaparon de la cadena de descomposición. [61]
Los pesticidas pronto se extendieron por todo lo que hay en la ecosfera -tanto la tecnosfera humana como la biosfera no humana- regresando desde el "allá afuera" de los ambientes naturales a los cuerpos de plantas, animales y humanos situados en el "aquí adentro" de los ambientes artificiales con efectos involuntarios, no anticipados, y efectos no deseados. Al utilizar conocimientos zoológicos, toxicológicos, epidemiológicos y ecológicos, Carson generó una nueva idea de cómo se podría ver "el medio ambiente". [62] : 62
Los microplásticos y los materiales de nanoplata que fluyen y circulan a través de los ecosistemas debido a la contaminación y la tecnología desechada 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 desechada es absorbida por 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 ingresan a la cadena de biodegradación . [66] Los microorganismos desempeñan 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 ecológicos figura 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 personas y tecnodiversidad . Algunos investigadores han cuestionado la premisa detrás de estos y otros tipos de soluciones tecnológicas bajo el lema de "ecoeficiencia" que tienen una capacidad limitada, son dañinas para los procesos ecológicos y peligrosas en sus capacidades publicitadas. [11] [68] Muchos tecnoecosistemas son competitivos y parásitos de los ecosistemas naturales. [61] [69] El reciclaje de la red alimentaria o de base biológica incluye el reciclaje metabólico (recuperación de nutrientes, almacenamiento, etc.) y el reciclaje del ecosistema (lixiviación y mineralización de materia orgánica in situ , ya sea en la columna de agua, en la superficie del sedimento o dentro de el sedimento). " [70] : 243
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Enlaces externos
Sociedad de conservación del suelo y el agua
Báltico Reciclaje Ecológico Agricultura y Sociedad
Dianna Cohen : Verdades duras sobre la contaminación plástica en TED.com
Coalición contra la contaminación plástica
Revista Ciclo de Nutrientes en Agroecosistemas
Apuntes de conferencias del Nova Scotia Agriculture College sobre el ciclo de nutrientes en el suelo