Cicles biogeoquímics del carboni, el nitrogen i el sofre

Un cicle biogeoquímic representa el pas de matèria des d'uns sistemes terrestres a altres (litosfera, hidrosfera, atmosfera, biosfera), produint-se unes transformacions, en les quals moltes vegades, hi intervenen microorganismes.

Cicle del carboni: El procés de fotosíntesi fixa el carboni del medi, mentre que la respiració li torna. A més dels vegetals, els microorganismes que fixen el CO₂ són bacteris fotosintètics, cianobacteris i algues planctòniques.

Sobre les grans acumulacions de restes vegetals i d'organismes planctònics hi actuaren bacteris anaerobis, que els transformaren en carbó i petroli, respectivament.

Els microorganismes descomponedors, bacteris i fongs, descomponen la matèria orgànica procedent de cadàvers i altres restes d'éssers vius. Una part del carboni d'aquesta matèria orgànica, una vegada descomposta, tornarà a l'atmosfera en forma de CO₂, mentre que una part quedarà en el sòl, formant part de l'humus.

A la hidrosfera, el CO₂ dissolt acidifica l'aigua i això provoca la dissolució del Ca CO₃. Es forma bicarbonat, i aquest pot precipitar, amb la qual cosa torna a la litosfera, o passar a formar part de les closques de foraminífers (microorganismes) i d'altres animals (mol·luscs, crustacis, braquiòpodes, coralls, etc.).

Cicle del nitrogen: Els bacteris fixadors de nitrogen capten el nitrogen atmosfèric. Es tracta de bacteris lliures (Azotobacter, Clostridium) o simbionts (Rhizobium, en arrels de lleguminoses) i de fongs unicel·lular. En el medi aquàtic, aquest paper el realitzen els cianobacteris (Nostoc, Anabaena).

En el sòl, el nitrogen es troba en forma d'amoníac, també provinent de la descomposició de les restes d'organismes. L'amoníac és utilitzat pels bacteris nitrificants (Nitrosomonas, Nitrobacter) com a substrat oxidable en la quimiosíntesi. Així transformen el NH₃ en nitrats utilitzables pels fotosintètics. Per tant, aquests microorganismes enriqueixen el sòl en nitrats.

Els organismes fotosintètics podran agafar el nitrogen en forma de nitrats. Entre els microorganismes fotosintètics estan les algues unicel·lulars i bacteris fotosintètics.

En condicions anaeròbies (en terrenys embassats, compactats i/o poc airejats), els bacteris desnitrificants (Pseudomonas) transformen els nitrats en nitrogen atmosfèric, cosa que empobreix el sòl en nitrats.

Cicle del sofre: Els organismes fotosintètics, bacteris fotosintètics, algues unicel·lulars, cianobacteris, utilitzen els sulfats com a font de sofre per a la síntesi d'aminoàcids com metionina i cisteïna. El sofre de les restes orgàniques és reduït per bacteris descomponedors aerobis (Aerobacter)

L'oxidació de sulfhídric a sulfat és realitzada per bacteris quimiosintètics (Thiobacillus). Els sulfobacteris, en condicions anaeròbies tornen a transformar els sulfats en sulfhídric (Desulfovibrio) En els ecosistemes aquàtics, en anaerobiosi, els bacteris sulfurosos (Beggiatoa) oxiden l'àcid sulfhídric a sofre.

El paper fonamental dels microorganismes en els ecosistemes es pot resumir, en un principi, en dos: productor i descomponedor.

En el primer cas, els bacteris, les algues unicel·lulars i els cianobacteris són els que realitzen la fotosíntesi, és a dir, utilitzen compostos simples presents al medi (diòxid de carboni, nitrats, sulfats, fosfats) i els transformen en molècules orgàniques complexes, que després podran utilitzar els organismes consumidors. Aquesta funció és particularment important en el medi aquàtic, ja que la major part d ela fotosíntesi que té lloc sobre la Terra és a càrrec del fitoplancton.

Hi ha que destacar el paper de determinats bacteris quimiosintètics (Azotobacter, Clostridium, Rhizobium) que capten el nitrogen atmosfèric i l'oxiden a amoníac, que els nitrificants transformaran en nitrats. Els nitrats ja podran ser captats pels fotosintetitzadors. A la vegada els desnitrificants del gènere Pseudomonas, en anaerobiosi, retornen el nitrogen a l'atmosfera a partir dels nitrats.

En el paper de descomponedors, quan tots els organismes moren passen per un procés pel qual la matèria retorna al medi en forma inorgànica per poder tornar a ser emprada a la forma anterior. Aquí tenim el paper destacat dels bacteris sapròfits i dels fongs.

Una menció especial s'ha de fer en la forma de retornar els nitrats i els sulfats al medi, ja que intervenen diferents tipus de microorganismes. En el cas del cicle del nitrogen, els bacteris descomponedors tornen el nitrogen al medi en forma d'amoníac, NH₃. Després seran els nitrificants Nitrosomonas i Nitrobacter els responsables de la seva transformació en nitrats.

En el cas del cicle del sofre, és el bacteri del gènere Thiobacillus (bacteri del sofre, quimiolitotròfic) el que transforma el H₂S mitjançant oxidació en sofre i després en sulfats.