Los elementos químicos son renovados en el medio ambiente, que son removidos y devueltos a la naturaleza de manera continua, constituyendo los ciclos biogeoquímicos y garantizando que el elemento fluya a través de la atmósfera, hidrosfera, litosfera y biosfera.

Los principales ciclos biogeoquímicos son el ciclo del carbono, el ciclo del agua, el ciclo del oxígeno y el ciclo del nitrógeno.

Ciclo del carbono

El carbono es el quinto elemento más abundante en la Tierra y está presente en las moléculas orgánicas. En la atmósfera, se encuentra en la forma de dióxido de carbono (CO2), liberado de la respiración de los seres vivos, la descomposición y la combustión de la materia orgánica. Por lo tanto, el CO2 pasa a circular en la atmósfera y es retirado del ambiente a través del proceso de fotosíntesis realizado por los seres autótrofos, representados principalmente por las plantas. En presencia de luz y clorofila, el gas carbónico (CO2) y el agua (H2O) son convertidos en glucosa (C6H12O6), con la liberación de oxígeno (O2), como se muestra en la siguiente ecuación:

6CO2+6H2O + energía (luz solar) → C6H12O6+O2

Ciclo del oxígeno

El oxígeno es un elemento químico presente en diversas moléculas orgánicas e inorgánicas, tales como agua y dióxido de carbono. En la atmósfera, se encuentra en forma de gas (O2) y se libera a la atmósfera a través de la fotosíntesis realizada por los seres autótrofos. Dicho gas es consumido por las plantas y los animales a través de la respiración, reiniciando el ciclo. El oxígeno y el ciclo del carbono están estrechamente relacionados.

Ciclo del agua

El agua en su forma líquida cubre el 71% de la superficie de la Tierra, siendo la mayor parte está presente en el océano y la menor parte de las grandes masas de hielo en las regiones cercanas a los polos y la parte superior de las altas montañas. El ciclo del agua está representado básicamente por dos procesos, la evaporación y transpiración. Basado en esto, el ciclo se divide en:

Corto: cuando el agua de los océanos, ríos, mares, lagos se evapora y vuelve a la superficie en forma de lluvia y nieve;
Largo: cuando el agua pasa a través del cuerpo del animal antes de regresar al medio ambiente. Se elimina el agua del suelo por las plantas para la fotosíntesis o se pasa a otros animales en la cadena alimentaria, volviendo a la superficie a través de la evapotranspiración (conjunto de transpiración y evaporación), la respiración, las heces, la orina o la descomposición.

Ciclo del nitrógeno

Alrededor del 78% de la atmósfera está compuesta de nitrógeno en forma de gas (N2). Este elemento químico es muy importante porque constituye las proteínas y ácidos nucleicos. Sin embargo, los seres vivos, excepto algunos microorganismos no pueden incorporar y utilizar el nitrógeno en forma de gas, consiguiendo este nutriente en forma de iones de amonio (NH4 +) e iones de nitrato (NO3). El ciclo del nitrógeno se divide en cuatro pasos:

Paso 1 – Fijación del nitrógeno

El establecimiento o la asimilación de N2 puede hacerse mediante radiación o con la participación de microorganismos, este proceso se denomina biofijación. Las cianobacterias de los géneros Nostoc y Anabaena y las bacterias Azotobacter, Clostridium y Rhizobium (que viven en las raíces de las leguminosas) fijan el N2 atmosférico en una forma utilizable por los seres vivos, tales como amonio y nitrato. El N2 reacciona con hidrógeno para formar amoníaco (NH3).

Paso 2 – Amonificación

El amoníaco se puede obtener ya sea por la acción de biofijadores como por la descomposición de las proteínas, ácidos nucleicos, los desechos nitrogenados de cadáveres y excrementos por los descomponedores (bacterias y hongos).

Paso 3 – Nitrificación

Es la conversión de nitrato de amonio mediante la nitrificación que es dividida en dos partes:

1) Nitrosación: la conversión de amoníaco (NH3) en nitrito (NO-2) por la acción de bacterias nitrificantes (Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosolobus) que son seres autótrofos y quimiosintetizantes y utilizan la energía de nitrificación para la síntesis de sustancias orgánicas.

Ecuación: 2NH3+3O2 →2H++2NO−2+2H2O+energía

2) Nitración: El nitrito (NO-2) que se libera en el suelo es oxidado a nitrato (NO-3) por otras bacterias autótrofas quimiosintetizantes nítricas (Nitrobacter). El nitrato puede ser absorbido por las plantas en la producción de las proteínas y sus ácidos nucleicos. El nitrógeno se libera del cuerpo del organismo por excreción de los productos nitrogenados (urea y ácido úrico) y/o la descomposición de los organismos muertos por la acción de los descomponedores, que también degradan las proteínas de los organismos muertos, convirtiéndolos en amoniaco.

Ecuación: 2NO−2+O2→2NO−3+energía

Paso 4 – Desnitrificación

Las bacterias desnitrificantes (Pseudomonas denitrificans) utilizan nitrato para oxidar compuestos orgánicos y producir energía, siendo transformadas en gas, reiniciando el ciclo.