În biologie, ciclul nutrienților este un concept care descrie modul în care nutrienții se deplasează din mediul fizic în organismele vii și, ulterior, sunt reciclați înapoi în mediul fizic. Această mișcare circulară a nutrienților este esențială pentru orice ecosistem dat și trebuie să fie echilibrată și stabilă pentru ca sistemul să fie menținut. În multe cazuri, activitățile umane au avut un impact major asupra acestor procese, ducând la efecte adverse. Există multe cicluri nutritive diferite, fiecare cu propriile sale căi, dar poate cele mai importante sunt cele care implică elementele carbon, oxigen, azot și fosfor.
Ciclul carbonului
Acest ciclu al nutrienților începe cu fotosinteza, procesul prin care plantele, algele și unele bacterii folosesc energia din lumina soarelui pentru a combina dioxidul de carbon (CO2) din atmosferă și apa pentru a forma zaharuri, amidon, grăsimi, proteine și alți compuși pe care îi folosesc. pentru a construi celule sau a depozita ca hrană. În acest fel, plantele elimină carbonul din atmosferă și îl stochează, făcându-l la dispoziția ierbivorelor care mănâncă plantele. Ierbivorele folosesc o parte din carbonul pe care îl consumă pentru a construi și a repara celulele, astfel încât acesta să fie stocat în corpul lor. Restul este folosit pentru a furniza energie: este combinat cu oxigenul din aer pentru a forma CO2, care este apoi expirat, returnând carbonul direct în atmosferă.
Carbonul stocat în corpul unui ierbivor, cum ar fi un cerb, poate fi reciclat atunci când animalul moare. Alternativ, animalul poate fi ucis și mâncat de un carnivor, cum ar fi un lup, caz în care reciclarea va avea loc când carnivorul moare. Materia vegetală și animală moartă este descompusă de alte organisme, cum ar fi ciupercile și bacteriile. Acest proces eliberează carbon, sub formă de dioxid de carbon, înapoi în atmosferă.
Există o serie de complicații în cadrul acestui proces general. De exemplu, materia organică moartă poate fi uneori îngropată sub sedimente, făcând carbonul indisponibil organismelor vii. Acest material îngropat a format zăcăminte de cărbune și petrol, pe care oamenii le exploatează acum ca combustibili fosili. Arderea acestor compuși formează dioxid de carbon, care este eliberat în atmosferă. Există un larg consens în rândul oamenilor de știință că creșterea nivelului de CO2 rezultat din arderea combustibililor fosili schimbă clima Pământului la scară globală.
Carbonul poate fi, de asemenea, blocat în roci atunci când dioxidul de carbon se dizolvă în apă. Unele tipuri de organisme marine pot combina dioxidul de carbon dizolvat cu calciul pentru a construi cochilii formate din carbonat de calciu. Când aceste organisme mor, cochiliile se acumulează sub formă de sedimente, formând în cele din urmă rocă de calcar. Pe perioade mari de timp, calcarul poate fi ridicat la suprafață prin procese geologice, în care apa acidă poate reacționa cu ea pentru a elibera CO2 înapoi în atmosferă.
Ciclul oxigenului
Acest ciclu este strâns legat de ciclul carbonului și începe în același loc: fotosinteza, care eliberează oxigen în aer. Acesta, la rândul său, este absorbit de organismele care respiră oxigen, care îl combină cu carbonul și eliberează dioxid de carbon în atmosferă. CO2 este apoi folosit în fotosinteză pentru a elibera din nou oxigen. Dioxidul de carbon din alte surse, cum ar fi descompunerea materialului organic mort și arderea combustibililor fosili, este, de asemenea, folosit în fotosinteză, producând oxigen.
Ciclul azotului
Azotul este un element esențial pentru toate formele de viață cunoscute și este necesar pentru a forma aminoacizi, proteine și ADN. Deși 78% din atmosfera Pământului este formată din acest element, acesta nu poate fi folosit direct de plante sub această formă. Moleculele gazului constau din doi atomi ținuți împreună printr-o legătură triplă foarte puternică, ceea ce îl face foarte dificil să reacționeze cu alte elemente. Cu toate acestea, azotul are propriul său ciclu de nutrienți.
Există două moduri principale prin care acest element poate deveni disponibil organismelor vii. În mod normal, este necesară multă energie pentru a rupe legăturile dintre atomi dintr-o moleculă de azot. Această energie poate proveni de la fulger, care face ca o parte din azot să se combine cu oxigenul, formând oxizi de azot. Acestea se pot dizolva în apa de ploaie pentru a forma acid azotic foarte diluat, care reacționează cu mineralele din sol pentru a forma nitrați. Nitrații sunt solubili în apă și pot fi absorbiți cu ușurință de plante.
Majoritatea azotului din organismele vii provine dintr-un proces cunoscut sub numele de fixare a azotului. Aceasta implică conversia azotului atmosferic din sol în amoniac de către diferite tipuri de bacterii și unele alge. Un astfel de grup de bacterii, numit Rhizobium, formează noduli în rădăcinile de mazăre și fasole. Din acest motiv, aceste plante sunt adesea cultivate ca culturi de către fermieri atunci când solul trebuie să fie îmbogățit cu acest element.
Amoniacul generat în acest fel este apoi transformat de alte tipuri de bacterii în nitrați, care sunt absorbiți de plante. Un alt proces, numit denitrificare, returnează azotul gazos în atmosferă. Din nou, acest lucru este realizat de bacterii, care reduc nitrații din sol la azot.
Ființele umane au avut un impact semnificativ asupra ciclului azotului. Deoarece nitrații sunt foarte solubili în apă, aceștia pot fi îndepărtați rapid din sol prin ploaie. Acolo unde culturile sunt cultivate intensiv, nitrații pierduți trebuie adesea înlocuiți cu îngrășăminte nitrate. Acești compuși sunt produși industrial prin procese care combină mai întâi azotul atmosferic cu hidrogenul pentru a forma amoniac, apoi îl combină cu oxigenul pentru a forma acid azotic, care este utilizat pentru fabricarea îngrășămintelor.
Ciclul Fosforului
La fel ca azotul, acest element este o parte esențială a ADN-ului. De asemenea, este necesar pentru producerea de adenozin trifosfat (ATP), un compus pe care celulele îl folosesc pentru energie. Principala sursă naturală de fosfor este din roci. Elementul intră în apă și sol sub formă de fosfați prin eroziune și intemperii și este preluat de plante. Apoi progresează prin lanțul trofic prin intermediul ierbivorelor și carnivorelor, revenind în sol atunci când aceste organisme mor.
Fosfații pot fi spălați din sol de apa de ploaie, acumulându-se în lacuri și râuri, unde o parte din ei este folosită de plantele acvatice și alte organisme. O parte din fosfat, totuși, suferă reacții chimice care formează compuși insolubili care se depun sub formă de sedimente. Acestea formează în cele din urmă rocă și, în acest fel, fosforul poate fi blocat pentru perioade foarte lungi – posibil zeci sau sute de milioane de ani. În cele din urmă, procesele geologice pot ridica această rocă, permițând eroziunii și intemperiilor să o returneze organismelor vii.
În zonele cultivate, ca și în cazul azotului, fosforul pierdut din sol trebuie adesea înlocuit cu îngrășăminte fosfatice pentru a permite agriculturii să continue să fie profitabilă. Aceste îngrășăminte sunt fabricate în principal din roci de fosfat, cum ar fi apatita. Utilizarea gunoiului de grajd animal în câmpurile de cultură este un alt exemplu de adăugare de fosfor în sol de către om. În unele cazuri, excesul de fosfat este spălat în râuri și lacuri. De aici, se poate depune în sedimente, dar unele pot rămâne dizolvate, ducând la creșterea excesivă a algelor.