Sva materija (ugljenik, azot, kisonik, voda, …) kruži u jednom ciklusu. Ona se ne stvara, ali i ne nestaje. Zemlja je zatvoren sistem uzimajući u obzir materiju i može se reći da sva materija na Zemlji kruži. Ekolozi izučavaju kruženje materije u ekosistemu.

Elementi ekosistema, kao što su potoci ili njihovi veći rođaci reke, su kompleksni ekosistemi koji su sastavni deo fizičkog i hemijskog ciklusa (biogeohemijskog ciklusa) koji oblikuje našu planetu i omogućava život na njoj.

Biogeohemijski ciklus je sastavljen od bioelemenata (hemijskih elemenata koji kruže kroz organizam) i odigrava se tamo gde postoji interakcija između biološke i fizičke razmene bioelemenata. U ovom ciklusu uticaji živih bića, meteorologije i geologije rezultuju kruženjem hranljivih materija i njihovom reciklažom u ekosistemima. Neki od važnijih biogeohemijskih ciklusa su:

-ciklus vode,

-ciklus ugljenika,

-ciklus kiseonika,

-ciklus azota,

-ciklus fosfora i

-ciklus sumpora.

Ovaj ciklus opisuje kako se voda kreće kroz okruženje i ukazuje na veze između podzemne, površinske i atmosferske vode. Kao što je prikazano na slici voda isparava u atmosferu sa površine kopna, jezera, reka, potoka i okeana.

Proces isparavanja nastaje kada toplota sunčevih zraka zagreva vodu. Sunčeva toplota povećava energiju molekula vode slabeći privlačne sile koje ih drže zajedno. Biljke emituju vodenu paru u procesu koji se naziva transpiracija.

ciklus vode
Svaki dan biljke mogu da ispare pet do deset puta više vode nego što mogu da je zadrže. Kako se vodena para podiže u atmesferu ona se hladi i na kraju kondenzuje obično na malim česticama prašine u vazduhu.

Kondenzacijom ova voda ponovo postaje ponovo tečna ili prelazi u čvrsto stanje (led, sneg, grad). Sitne čestice vode se grupišu i tako nastaju oblaci. Atmosferska voda, nastala u oblacima, na kraju se vraća na Zemlju u obliku padavina.

Ugljenik, osnovni sastojak svih živih bića, je jedan od najzastupljenijih elemenata u Sunčevom sistemu. On je osnovni gradivni element velikih organskih molekula neophodnih za život. Neorganski oblici ugljnika (ugljen-dioksid, bikarbonati i karbonati) utiču na kiselost zemljišta i voda, toplotnu izolaciju atmosfere, brzinu fotosinteze, vremenske prilike i biomineralizaciju. Proces kruženja ugljenika najviše zavisi od ugljen-dioksida, koji čini mali deo atmosfere (0,04%).

Biljke dobijaju ugljen-dioksid iz vazduha i pomoću procesa fotosinteze proizvode hranu i kiseonik. Deo ugljenika se zadržava u živoj materiji, a drugi deo se ispušta kao CO2 ćelijskom respiracijom.

Veći deo ugljenika koji sadrže mrtve životinje i biljke se transformiše u fosilna goriva. Fosilna goriva ugalj, nafta i prirodni gas sadrže velike količine ugljenika. Kada sagorevaju, uskladišteni ugljenik u kombinaciji sa kiseonikm iz vazduha daje ugljen-dioksid koji dospeva u atmosferu.

ciklus ugljenika
U atmosferi, ugljen-dioksid deluje kao reflektor toplote i ne dozvoljava odlazak toplote sa Zemlje u svemir. Ovaj balans toplotne energije je veoma važan. Problem je što sve više ugljen-dioksida dospeva u atmosferu od sagorevanja fosilnih goriva i tako remeti ovaj balans.

Azot je važan za živi svet zato što je neophodna hranljiva materija. Azot u atmosferi ili u zemljištu može proći kroz mnogo kompleksnih hemijskih i bioloških promena. Može da se ugradi u živu i neživu materiju i da se vrati u zemljište ili vazduh kroz ciklus.

Atmosfera sadrži 78 procenata, zapreminskih, azota. Iako je esencijalan sastojak za rast biljaka hemijski je veoma neaktivan i pre nego što dospe u većinu biomase mora biti “fiskiran” (u stabilnom stanju).

ciklus azota
Azot iz gasovitog stanja prelazi u sastojke koji sadrže nitratne jone. Korenje biljaka preuzima ove jone kao deo kruženja azota. Azot iz vazduha pretvaraju uglavnom mikroorganizmi, bakterije i plavo zelene alge. Svetlost može da pretvori azot iz vazduha u oblik nitratnih jona koji dospeva na Zemlju pomoću padavina.

Amonijak igra značajnu ulogu u kruženju azota. Izmeti životinja i anaerobna razgradnja mrtve organske materije pomoću bakterija proizvode amonijak. Bakterije u procesu nitrifikacije pretvaraju amonijak u nitrite i dalje u nitrate. Nitrifikacione bakterije su anaerobne (opstaju u uslovima bez prisustva kiseonika).

Fosfor je još jedan element značajan za strukturu svih živih bića. Ipak, od svih recikliranih elemenata u biosferi, fosfor je deficitaran i stoga jedan od najograničenijih u bilo kom ekosistemu. Neophodan je za život i povezan je sa kruženjem energije i prenosom genestkih informacija u DNK.

ciklus fosfora
Glavni izvor fosfora su stene, iz kojih se izdvaja curenjem, vremenom ili rudarstvom. Fosfor nema stabilnu gasnu fazu tako da je dodatak fosfora zemljištu spor. Fosfor se nalazi kao fosfat ili drugi mineral nastao tokom geološkog perioda.

Masivne naslage postepeno erodiraju i snadbevaju ekosistem fosforom. Velike količine erodiranog fosfora završavaju duboko u okeanima. Deo fosfora dospeva na kopno kada ga prenose morske životinje. Ptice igraju značajnu ulogu u kruženju fosfora (izmet). Rezerve fosfata na planeti su ogromne.

Sumpor, kao i azot i ugljenik, je karakterističan za organske komponente. Ipak, važna razlika između kruženja azota i ugljenika i kruženja sumpora je ta da je sumpor “fiksiran”. Mnoštvo sulfatnih anjona je dostupno organizmima.

Najveći rezervoar sumpora je kora planete Zemlje za razliku od azota i ugljenika koji su najprisutniji u atmosferi. Sumpor je retko nedostupan za živa bića u ekosistemu.

Elementarni sumpor iz litosfere nije dostupan biljkama i životinjama ukoliko nije u obliku sulfata.

ciklus sumpora
Bakterije igraju značajnu ulogu u prelasku sumpora iz jednog oblika u drugi. U okolini bez kiseonika bakterije razlažu organsku materiju pri čemu nastaje vodonik-sulfid, supstanca karakterstičnog mirisa na trula jaja. Bakterija Beggiatoa pretvara vodonik-sulfid u elementarni sumpor, a aerobne bakterije konvertuje sumpor u sulfate. Biljke sadrže sumpor u strukturi proteina.