Como ya se mencionó los ecosistemas del mundo funcionan gracias a los procesos de recepción, transformación y transferencia de la energía proveniente del Sol.

Este paso de la energía a través de los componentes del ecosistema es unidireccional y en ningún momento es cíclica: proveniente del Sol, pasa a través de los productores y los consumidores y, finalmente, es liberada al medio por los desintegradores.

Por otra parte, en los ecosistemas hay un constante flujo y reflujo de materiales inorgánicos desde el medio ambiente, hacia los organismos y de éstos al medio. Esta circulación y recirculación de los elementos y compuestos químicos en la biosfera recibe el nombre de ciclos biogeoquímicos.

Los ciclos biogeoquímicos pueden ser de tipo sedimentario (como el del fósforo) o de tipo gaseoso o atmosférico (como el del nitrógeno). El primer tipo de ciclo se lleva a cabo sobre todo en el medio terrestre, y el ciclo gaseoso ocurre, principalmente, en la atmósfera.

1.- Ciclos biogeoquímicos representativos

Ciclo del carbono

El ciclo comprende la transferencia del bióxido de carbono y el carbono orgánico entre la atmósfera, donde está principalmente en forma de CO2, y la hidrosfera y litosfera donde está en forma de carbono orgánico e inorgánico. El proceso de fijación del carbono atmosférico se produce por microorganismos fotolitotrofos y quimiolitotrofos. El carbono fijado (reducido) vuelve a la atmósfera como resultado de la respiración.

La formación de metano (CH4) por bacterias metanógenas es una desviación del ciclo llevada a cabo por arqueobacterias. El metano no es utilizable por otros organismos. La principal fuente de metano atmosférico es la biógena y, dentro de ella, la producción de este gas durante el proceso de fermentación que tiene lugar en el rumen de los herbívoros.

Relaciones tróficas.

El carbono fijado por los productores primarios (producción primaria bruta) comienza a ser consumida por los propios productores primarios y mineralizado por ellos a CO2. Sólo una parte de la producción primaria (producción primaria neta) sirve de alimento para los productores secundarios y así se forman las cadenas tróficas.

La mayor parte del carbono se pierde de forma en forma de CO2 por lo que conforme se asciende en la cadena trófica la cantidad de biomasa es menor. Por otra parte, el balance entre el carbono fijado por la fotosíntesis y el consumido durante la respiración da lugar a una acumulación o reducción de la biomasa total del ecosistema. Normalmente, entre el 85% y el 90% de la energía acumulada en forma de carbono orgánico en un nivel trófico es consumida por la respiración durante la transferencia al siguiente nivel. Por esto, la cantidad de biomasa en niveles tróficos superiores es cada vez menor.

Se pueden establecer cadenas tróficas de materia viva (organismos depredadores) y cadenas tróficas de materia muerta (detritus) en la que la actividad de los microorganismos conduce a la mineralización (producción de CO2) o la reinserción en el ciclo (formación de biomasa por los microorganismos consumidores de detritus) biológico del material inutilizable.

Los microorganismos son los principales responsables de la mineralización de la materia orgánica de los detritus. Los distintos productos orgánicos tienen diferentes tasas de mineralización por los microorganismos. Así mismo, en la velocidad de mineralización microbiana tiene una gran influencia el pH, temperatura, humedad y grado de aireación del suelo; factores que influyen también en los tipos de poblaciones microbianas que van a desarrollar los respectivos procesos.

Movilización e inmovilización microbiana del carbono.

La actividad microbiana puede hacer el carbono inaccesible a los consumidores mediante transformaciones que lleven a la formación de humus (restos de material vegetal difícilmente metabolizable) o a la producción de metano. Así mismo, la conversión de formas de carbono no digestibles (celulosa, materia fecal) en biomasa utilizable es resultado de la actividad microbiana.

2.- Ciclo del hidrógeno y del oxígeno.

Son ciclos íntimamente relacionados con el del carbono. El sitio de reserva principal de ambos elementos es el agua y el ciclo comprende reacciones de oxidorreducción componentes de los procesos respiratorios y de fotolisis del agua.

Actividades microbianas y oxígeno.

El metabolismo microbiano está condicionado por la disponibilidad y tolerancia al oxígeno. El nivel de oxígeno en un ambiente puede medirse por el potencial de oxidorreducción del mismo. La actividad microbiana (excepto en el caso de la fotosíntesis oxigénica) tiende a reducir el potencial redox y a dificultar la vida aerobia. Muchos microorganismos pueden continuar su actividad en condiciones anaerobias; pero esto no es posible en el caso de animales.

pH y actividades microbianas.

La actividad microbiana causa cambios en el pH del suelo o agua en la que se produzca. Estos cambios en el pH pueden tener efectos selectivos fuertes sobre otras bacterias (no suficientemente acidófilas para tolerar ambientes extremos cuando éstos se produzcan) y tiene efectos químicos sobre la solubilidad de gases en el agua, la disponibilidad de nutrientes cuya solubilidad varía y la concentración de metales pesados en los ecosistemas.

3.- Ciclo del nitrógeno

Fijación del nitrógeno. Proceso de reducción del N2 atmosférico, no asimilable, a NH4+ asimilable por las plantas y, a través de ellas, por toda la cadena trófica. La fijación de nitrógeno se produce únicamente por bacterias en condiciones anaerobias y requiere el consumo de una gran cantidad de energía. La fijación de nitrógeno supone unos 2x108Tm al año (unas 8 veces la producción anual de abonos nitrogenados).

Amonificación

Consiste en la liberación del NH4+ de las moléculas iorgánicas. Es un proceso microbiano producido por microorganismos ureolíticos y por especies que posean desaminasas.

Nitrificación Proceso en el que ciertos quimiolitotrofos utilizan la energía liberada en la oxidación del NH4+ para sus reacciones metabólicas. Este proceso es muy poco eficiente, por lo que es necesaria la oxidación de una gran cantidad de substrato para que pueda producirse un crecimiento apreciable de este tipo de microorganismos. Por otra parte, el proceso es obligadamente aerobio.

La nitrificación produce un cambio notable en el estado de oxidación del nitrógeno fijado al pasar de forma catiónica (NH4+) a aniónica (NO3-). En suelos arcillosos de gran carga negativa, el NH4+ queda retenido con más facilidad, mientras que el NO3- no se retiene y pasa a aguas subterráneas con lo que sale del sistema. Un efecto colateral negativo de la nitrificación es que los nitratos son tóxicos para animales ya que pueden dar lugar, entre otros efectos indeseables, a la producción de nitrosaminas y de otros agentes cancerígenos. En ciertas ocasiones, se han utilizado inhibidores de la nitrificación para reducir estos efectos en el suelo.

Desnitrificación

Se produce por la actividad de microorganismos que, en condiciones de anaerobiosis, son capaces de utilizar NO3- y NO2- como aceptores finales de electrones en procesos de respiración anaerobia. Los productos finales son diferentes estados de oxidación del nitrógeno (NO, N2O, N2) dependiendo de la disponibilidad de materia orgánica, de la concentración de nitratos y del pH del suelo.

Este proceso cierra el ciclo del nitrógeno: es una reducción desasimiladora.

4.- Ciclo del azufre

El ciclo comprende varios tipos de reacciones redox desarrolladas por microorganismos:

1.- Ciertos tipos de bacterias son capaces de extraer el azufre de compuestos orgánicos (proceso de desulfuración) que rinde SO4= en condiciones aerobias y H2S en condiciones anaerobias.

2.- Bacterias anaerobias respiradoras de SO4= que producen la acumulación de H2S hasta alcanzar concentraciones tóxicas.

3.- Bacterias fotosintéticas anaerobias pueden usar el H2S como donador de electrones en sus procesos metabólicos dando lugar a depósitos de azufre elemental (Sº).

4.- Bacterias quimiolitotrofas que utilizan el H2S como fuente de energía para la producción de ATP.

En muchos casos se producen asociaciones entre bacterias formadoras y consumidores de H2S en un sistema balanceado. En todos los caos, el Sº es la forma no asimilable y sólo puede entrar en el ciclo por la acción de algunas bacterias que son capaces de oxidarlo a SO4=.

Drenaje ácido de las minas En minas de carbón en muchas ocasiones hay una contaminación con pirita (Fe2S) que se oxida rápidamente en contacto con el aire y por acción microbiana. La oxidación de estos sulfuros puede dar lugar a la producción de grandes cantidades de SO4H2 que acidifica el suelo impidiendo todo crecimiento posterior de plantas o de bacterias no acidófilas extremas. Este ácido puede alcanzar el agua de los ríos al escurrir de las pilas de carbón que están sufriendo el proceso.

5.- Otros ciclos

Fósforo

Este ciclo no está sometido a procesos redox porque la forma esencial del fósforo (tanto orgánico como inorgánico) es el fosfato. La actividad microbiana reside en la capacidad de producción de otros ácidos orgánicos que aumenten o disminuyan la solubilidad de los fosfatos en el ecosistema haciéndolos más o menos accesibles a otros organismos.

El fosfato suele ser limitante del crecimiento. Una entrada masiva de fosfatos en el sistema (como ocurre debido al empleo masivo de detergentes fosfatados) aumenta la productividad del ecosistema con lo que la materia orgánica aumenta considerablemente. Cuando esta materia orgánica comienza a descomponerse, se incrementan los procesos de respiración y, por consiguiente, el consumo de oxígeno, lo que genera un incremento de anaerobiosis conocido como proceso de eutrofización.

Hierro

El ciclo de este elemento está asociado a la conversión entre sus formas Fe2+ más solubles que las Fe3+. Los microorganismos que oxidan hierro (quimiolitotrofos) producen cambios en la accesibilización del elemento a otros miembros del ecosistema.

Calcio El ciclo biogeoquímico del calcio consiste en variaciones de su solubilidad debido a la formación de compuestos carbonatados más (Ca(CO3H)2) o menos (CaCO3) como consecuencia de la liberación por microorganismos de ácidos orgánicos que desplacen el equilibrio entre ambas formas.