در حوزه اکولوژی، درک جریان مواد و انرژی از طریق اکوسیستم ها بسیار مهم است. چرخه های بیوژئوشیمیایی نشان دهنده حرکت و تبدیل مواد شیمیایی و عناصر در چارچوب های بیولوژیکی، زمین شناسی و شیمیایی در سراسر سیاره زمین است. این چرخه ها مفاهیم اساسی در اکولوژی هستند که برای حفظ زندگی و محیط زیست حیاتی هستند. اصطلاح "بیوژئوشیمیایی" از "bio" به معنای زندگی، "geo" به معنی زمین و "chemical" به عناصر و ترکیبات درگیر در چرخه ها مشتق شده است.
چندین چرخه اصلی بیوژئوشیمیایی وجود دارد که هر کدام حول عناصر مختلف ضروری برای فرآیندهای زندگی می چرخند. اینها شامل چرخه کربن، چرخه نیتروژن، چرخه آب (هیدرولوژیکی)، چرخه اکسیژن، چرخه فسفر و چرخه گوگرد است. هر چرخه نقش منحصر به فردی در حفظ تعادل محیط زیست زمین و حیاتی که از آن پشتیبانی می کند ایفا می کند.
چرخه کربن جزء محوری سیستم زمین است که آب و هوا و ذخیره کربن را در جو و اقیانوس ها تنظیم می کند. گیاهان در طول فتوسنتز دی اکسید کربن (CO 2 ) را از جو جذب می کنند و آن را به ترکیبات آلی تبدیل می کنند. سپس حیوانات این گیاهان را مصرف می کنند و از طریق فرآیند تنفس، CO2 را دوباره به جو آزاد می کنند. علاوه بر این، هنگامی که موجودات زنده می میرند، فرآیندهای تجزیه کربن را به خاک باز می گرداند و با گذشت زمان، بخشی از این کربن به سوخت های فسیلی تبدیل می شود. سوزاندن سوخت های فسیلی برای انرژی، مقادیر قابل توجهی CO 2 آزاد می کند که بر اقلیم در مقیاس جهانی تأثیر می گذارد.
نیتروژن جزء کلیدی اسیدهای آمینه و اسیدهای نوکلئیک است که برای تمام اشکال حیات ضروری است. چرخه نیتروژن نحوه حرکت نیتروژن بین جو، خاک و موجودات را توصیف می کند. گاز نیتروژن (N 2 ) بخش بزرگی از جو زمین را تشکیل می دهد اما باید از طریق فرآیند تثبیت نیتروژن که توسط باکتری ها و باستانی های خاص انجام می شود به شکل قابل استفاده (مانند آمونیاک) تبدیل شود. گیاهان این ترکیبات را از خاک جذب می کنند و سپس توسط حیوانات بلعیده می شوند. تجزیه کننده ها موجودات مرده را تجزیه می کنند و نیتروژن را به شکل آمونیوم به خاک باز می گرداند. برخی از باکتری ها این آمونیوم را دوباره به گاز نیتروژن تبدیل می کنند و این چرخه را کامل می کنند.
آب برای همه اشکال شناخته شده حیات ضروری است و چرخه آن که به عنوان چرخه هیدرولوژیکی شناخته می شود، نحوه حرکت آب در بالا، روی و زیر سطح زمین را توصیف می کند. این چرخه شامل تبخیر (تبدیل آب از مایع به بخار)، تعرق (انتشار بخار آب توسط گیاهان)، تراکم (تغییر بخار آب به آب مایع در جو، منجر به تشکیل ابر)، بارش (باران، برف) و رواناب (حرکت آب در سطح زمین، بازگرداندن آن به اقیانوس ها، رودخانه ها و دریاچه ها). چرخه هیدرولوژیکی برای الگوهای آب و هوا، آب و هوا و حفظ تنوع زیستی بسیار مهم است.
چرخه اکسیژن ارتباط نزدیکی با چرخه کربن و فتوسنتز دارد. گیاهان، جلبک ها و سیانوباکتری ها در آب، اکسیژن را به عنوان محصول جانبی فتوسنتز آزاد می کنند. این اکسیژن سپس توسط اکثر موجودات برای تنفس استفاده می شود و CO2 را به جو باز می گرداند. اکسیژن همچنین در تجزیه مواد آلی (تجزیه) و هوازدگی سنگ ها نقش دارد و به چرخه کمک می کند. تعادل بین اکسیژن تولید شده از طریق فتوسنتز و اکسیژن مصرف شده در تنفس و تجزیه برای حفظ فرآیندهای زندگی در زمین حیاتی است.
فسفر یک عنصر حیاتی برای همه موجودات زنده است زیرا بخشی از مولکول های کلیدی مانند DNA و ATP را تشکیل می دهد. برخلاف سایر چرخه های بیوژئوشیمیایی، چرخه فسفر شامل فاز گازی در شرایط عادی نمی شود. فسفر در سنگ ها یافت می شود و از طریق هوازدگی در خاک و آب آزاد می شود. گیاهان فسفر را از خاک جذب می کنند و در زنجیره غذایی چرخه می کنند. هنگامی که موجودات زباله دفع می کنند یا می میرند، فسفر به خاک یا رسوب باز می گردد. در طول بازه های زمانی زمین شناسی، سنگ های رسوبی ممکن است تشکیل شوند و چرخه را از نو شروع کنند.
گوگرد برای پروتئین ها و برخی ویتامین ها مهم است. چرخه گوگرد شامل محیط های جوی، زمینی و آبی می شود. دی اکسید گوگرد (SO 2 ) در اثر فعالیت های آتشفشانی، سوزاندن سوخت های فسیلی و تجزیه مواد آلی در جو آزاد می شود. می تواند از طریق بارش به صورت اسید سولفوریک یا ذرات سولفات به سطح زمین بازگردد. گوگرد موجود در خاک توسط گیاهان جذب می شود و سپس در زنجیره غذایی چرخه می زند. تجزیه و برخی فرآیندهای باکتریایی گوگرد را به اتمسفر باز می گرداند و چرخه را کامل می کند.
چرخه های بیوژئوشیمیایی برای حفظ سلامت و تنوع زیستی سیاره ضروری هستند. آنها در دسترس بودن عناصر ضروری را که موجودات زنده برای بقا به آن نیاز دارند تنظیم می کنند، جریان انرژی را کنترل می کنند و تاثیر آلاینده ها را کاهش می دهند. درک این چرخه ها به مدیریت اکوسیستم ها، حفظ منابع طبیعی و رسیدگی به چالش های محیطی مانند تغییرات آب و هوا، آلودگی مواد مغذی و از دست دادن تنوع زیستی کمک می کند.
چرخه‌های بیوژئوشیمیایی تعاملات پیچیده بین فرآیندهای بیولوژیکی، زمین‌شناسی و شیمیایی روی زمین را نشان می‌دهند. این چرخه ها در حفظ زندگی، تنظیم آب و هوا و حفظ سلامت اکوسیستم اساسی هستند. چرخه‌های بیوژئوشیمیایی از طریق بازیافت مداوم عناصری مانند کربن، نیتروژن، آب، اکسیژن، فسفر و گوگرد، به تعادل دینامیکی محیط زیست زمین کمک می‌کنند و به هم پیوستگی همه اجزای زنده و غیر زنده سیاره را برجسته می‌کنند. درک این چرخه ها برای تحقیقات اکولوژیکی، مدیریت زیست محیطی و توسعه پایدار منابع طبیعی بسیار مهم است. همانطور که انسان ها از طریق فعالیت هایی مانند کشاورزی، صنعت و شهرنشینی به تأثیرگذاری بر این چرخه ها ادامه می دهند، مطالعه و درک پیامدهای اقدامات ما بر این فرآیندهای طبیعی اهمیت فزاینده ای پیدا می کند. با انجام این کار، می‌توانیم استراتژی‌هایی برای کاهش اثرات منفی، افزایش انعطاف‌پذیری اکوسیستم و اطمینان از پایداری بلندمدت سیستم‌های پشتیبانی حیات سیاره‌مان طراحی کنیم.
