In biologia, il ciclo dei nutrienti è un concetto che descrive come i nutrienti si spostano dall’ambiente fisico agli organismi viventi e successivamente vengono riciclati nell’ambiente fisico. Questo movimento circolare dei nutrienti è essenziale per ogni dato ecosistema e deve essere equilibrato e stabile affinché il sistema possa essere mantenuto. In molti casi, le attività umane hanno avuto un impatto importante su questi processi, con conseguenti effetti negativi. Esistono molti cicli di nutrienti diversi, ognuno con i suoi percorsi particolari, ma forse i più importanti sono quelli che coinvolgono gli elementi carbonio, ossigeno, azoto e fosforo.
Il ciclo del carbonio
Questo ciclo di nutrienti inizia con la fotosintesi, il processo mediante il quale piante, alghe e alcuni batteri utilizzano l’energia della luce solare per combinare l’anidride carbonica (CO2) dall’atmosfera e l’acqua per formare zuccheri, amido, grassi, proteine e altri composti che usano per costruire cellule o immagazzinare come cibo. In questo modo, le piante rimuovono il carbonio dall’atmosfera e lo immagazzinano, rendendolo disponibile agli erbivori che mangiano le piante. Gli erbivori usano parte del carbonio che consumano per costruire e riparare le cellule, in modo che venga immagazzinato nei loro corpi. Il resto viene utilizzato per fornire energia: si combina con l’ossigeno dell’aria per formare CO2, che viene poi espirata, restituendo il carbonio direttamente nell’atmosfera.
Il carbonio immagazzinato nel corpo di un erbivoro, come un cervo, può essere riciclato quando l’animale muore. In alternativa, l’animale può essere ucciso e mangiato da un carnivoro, come un lupo, nel qual caso il riciclaggio avverrà quando il carnivoro muore. La materia vegetale e animale morta viene decomposta da altri organismi, come funghi e batteri. Questo processo rilascia carbonio, sotto forma di anidride carbonica, nell’atmosfera.
Ci sono una serie di complicazioni all’interno di questo processo generale. Ad esempio, la materia organica morta può talvolta essere sepolta sotto i sedimenti, rendendo il carbonio non disponibile per gli organismi viventi. Questo materiale sepolto ha formato depositi di carbone e petrolio, che gli umani stanno ora sfruttando come combustibili fossili. La combustione di questi composti forma anidride carbonica, che viene rilasciata nell’atmosfera. C’è un ampio consenso tra gli scienziati che l’aumento dei livelli di CO2 derivante dalla combustione di combustibili fossili sta cambiando il clima della Terra su scala globale.
Il carbonio può anche essere bloccato nelle rocce quando l’anidride carbonica si dissolve in acqua. Alcuni tipi di organismi marini possono combinare l’anidride carbonica disciolta con il calcio per costruire gusci costituiti da carbonato di calcio. Quando questi organismi muoiono, i gusci si accumulano come sedimenti, formando infine rocce calcaree. Su vaste scale temporali, il calcare può essere sollevato in superficie da processi geologici, dove l’acqua acida può reagire con esso per rilasciare CO2 nell’atmosfera.
Il ciclo dell’ossigeno
Questo ciclo è strettamente correlato al ciclo del carbonio e inizia nello stesso luogo: la fotosintesi, che rilascia ossigeno nell’aria. Questo, a sua volta, viene assorbito dagli organismi che respirano ossigeno, che lo combinano con il carbonio e rilasciano anidride carbonica nell’atmosfera. La CO2 viene quindi utilizzata nella fotosintesi per rilasciare nuovamente ossigeno. Anche l’anidride carbonica proveniente da altre fonti, come la decomposizione di materiale organico morto e la combustione di combustibili fossili, viene utilizzata nella fotosintesi, producendo ossigeno.
Il ciclo dell’azoto
L’azoto è un elemento essenziale per tutte le forme di vita conosciute ed è necessario per formare amminoacidi, proteine e DNA. Sebbene il 78% dell’atmosfera terrestre sia costituito da questo elemento, non può essere utilizzato direttamente dalle piante in questa forma. Le molecole del gas sono costituite da due atomi tenuti insieme da un triplo legame molto forte, che rende molto difficile la sua reazione con altri elementi. Tuttavia, l’azoto ha un proprio ciclo nutritivo.
Ci sono due modi principali in cui questo elemento può diventare disponibile per gli organismi viventi. Normalmente, è necessaria molta energia per rompere i legami tra gli atomi in una molecola di azoto. Questa energia può provenire da un fulmine, che fa sì che una parte dell’azoto si combini con l’ossigeno, formando ossidi di azoto. Questi possono dissolversi nell’acqua piovana per formare acido nitrico molto diluito, che reagisce con i minerali nel suolo per formare nitrati. I nitrati sono solubili in acqua e possono essere facilmente assorbiti dalle piante.
La maggior parte dell’azoto negli organismi viventi deriva da un processo noto come fissazione dell’azoto. Ciò comporta la conversione dell’azoto atmosferico nei terreni in ammoniaca da vari tipi di batteri e alcune alghe. Uno di questi gruppi di batteri, chiamato Rhizobium, forma noduli nelle radici di piselli e fagioli. Per questo motivo queste piante vengono spesso coltivate come colture dai contadini quando il terreno necessita di essere arricchito con questo elemento.
L’ammoniaca generata in questo modo viene poi convertita da altri tipi di batteri in nitrati, che vengono assorbiti dalle piante. Un altro processo, chiamato denitrificazione, restituisce il gas azoto nell’atmosfera. Ancora una volta, questo viene eseguito dai batteri, che riducono i nitrati nel terreno ad azoto.
Gli esseri umani hanno avuto un impatto significativo sul ciclo dell’azoto. Poiché i nitrati sono molto solubili in acqua, possono essere rapidamente rimossi dal terreno con la pioggia. Dove le colture sono coltivate in modo intensivo, i nitrati persi devono spesso essere sostituiti da fertilizzanti a base di nitrati. Questi composti sono prodotti industrialmente mediante processi che combinano prima l’azoto atmosferico con l’idrogeno per formare l’ammoniaca, quindi la combinano con l’ossigeno per formare acido nitrico, che viene utilizzato per produrre fertilizzanti.
Il ciclo del fosforo
Come l’azoto, questo elemento è una parte essenziale del DNA. È anche necessario per la produzione di adenosina trifosfato (ATP), un composto che le cellule usano per produrre energia. La principale fonte naturale di fosforo proviene dalle rocce. L’elemento entra nell’acqua e nel suolo sotto forma di fosfati attraverso l’erosione e gli agenti atmosferici e viene assorbito dalle piante. Quindi progredisce attraverso la catena alimentare attraverso erbivori e carnivori, tornando al suolo quando questi organismi muoiono.
I fosfati possono essere lavati via dal suolo dall’acqua piovana, accumulandosi nei laghi e nei fiumi, dove parte di esso viene utilizzato da piante acquatiche e altri organismi. Parte del fosfato, tuttavia, subisce reazioni chimiche che formano composti insolubili che si depositano come sedimenti. Questi alla fine formano roccia e, in questo modo, il fosforo può essere bloccato per periodi molto lunghi, forse decine o centinaia di milioni di anni. Alla fine, i processi geologici possono sollevare questa roccia, consentendo all’erosione e agli agenti atmosferici di restituirla agli organismi viventi.
Nelle aree coltivate, come per l’azoto, il fosforo perso dal terreno spesso deve essere sostituito con fertilizzanti fosfatici per consentire all’agricoltura di continuare a essere redditizia. Questi fertilizzanti sono costituiti principalmente da rocce fosfatiche come l’apatite. L’uso di letame animale nei campi coltivati è un altro esempio dell’aggiunta di fosforo al suolo da parte dell’uomo. In alcuni casi, l’eccesso di fosfato viene lavato in fiumi e laghi. Da qui, può depositarsi nei sedimenti, ma alcuni possono rimanere disciolti, portando a un’eccessiva crescita di alghe.