Trong lĩnh vực sinh thái, việc hiểu được dòng vật chất và năng lượng trong hệ sinh thái là rất quan trọng. Các chu trình sinh địa hóa đại diện cho sự chuyển động và biến đổi của các hóa chất và nguyên tố trong khuôn khổ sinh học, địa chất và hóa học trên khắp hành tinh Trái đất. Những chu trình này là những khái niệm nền tảng trong sinh thái học, quan trọng đối với sự tồn tại của sự sống và môi trường. Thuật ngữ "sinh địa hóa" có nguồn gốc từ "sinh học" có nghĩa là sự sống, "địa" có nghĩa là Trái đất và "hóa học" đề cập đến các nguyên tố và hợp chất liên quan đến các chu kỳ.
Có một số chu trình sinh địa hóa chính, mỗi chu trình xoay quanh các yếu tố khác nhau cần thiết cho quá trình sống. Chúng bao gồm chu trình cacbon, chu trình nitơ, chu trình nước (thủy văn), chu trình oxy, chu trình phốt pho và chu trình lưu huỳnh. Mỗi chu kỳ đóng một vai trò riêng trong việc duy trì sự cân bằng của môi trường Trái đất và sự sống mà nó hỗ trợ.
Chu trình carbon là thành phần then chốt của hệ thống Trái đất, điều hòa khí hậu và lưu trữ carbon trong khí quyển và đại dương. Thực vật hấp thụ carbon dioxide (CO 2 ) từ khí quyển trong quá trình quang hợp, chuyển hóa nó thành các hợp chất hữu cơ. Sau đó, động vật tiêu thụ những thực vật này và thông qua quá trình hô hấp, thải CO 2 trở lại khí quyển. Hơn nữa, khi sinh vật chết, quá trình phân hủy sẽ trả lại carbon cho đất và theo thời gian, một phần carbon này được chuyển thành nhiên liệu hóa thạch. Việc đốt nhiên liệu hóa thạch để lấy năng lượng sẽ thải ra lượng CO 2 đáng kể, ảnh hưởng đến khí hậu trên quy mô toàn cầu.
Nitơ là thành phần chính của axit amin và axit nucleic, cần thiết cho mọi dạng sống. Chu trình nitơ mô tả cách nitơ di chuyển giữa khí quyển, đất và sinh vật. Khí nitơ (N 2 ) chiếm phần lớn bầu khí quyển Trái đất nhưng phải được chuyển đổi thành dạng có thể sử dụng được (chẳng hạn như amoniac) thông qua quá trình cố định nitơ, được thực hiện bởi một số vi khuẩn và vi khuẩn cổ. Thực vật hấp thụ các hợp chất này từ đất, sau đó được động vật ăn vào. Chất phân hủy phân hủy các sinh vật chết, trả lại nitơ cho đất dưới dạng amoni. Một số vi khuẩn chuyển đổi amoni này trở lại thành khí nitơ, hoàn thành chu trình.
Nước rất cần thiết cho tất cả các dạng sống đã biết và chu trình của nó, được gọi là chu trình thủy văn, mô tả cách nước di chuyển trên, trên và dưới bề mặt Trái đất. Chu trình này bao gồm sự bay hơi (sự chuyển đổi nước từ chất lỏng sang hơi), sự thoát hơi nước (sự giải phóng hơi nước của thực vật), sự ngưng tụ (sự thay đổi hơi nước thành nước lỏng trong khí quyển, dẫn đến hình thành mây), lượng mưa (mưa, tuyết) và dòng chảy (sự chuyển động của nước trên mặt đất, quay trở lại đại dương, sông và hồ). Chu trình thủy văn rất quan trọng đối với các kiểu thời tiết, khí hậu và duy trì đa dạng sinh học.
Chu trình oxy được liên kết chặt chẽ với chu trình carbon và quang hợp. Thực vật, tảo và vi khuẩn lam trong nước giải phóng oxy dưới dạng sản phẩm phụ của quá trình quang hợp. Lượng oxy này sau đó được hầu hết các sinh vật sử dụng để hô hấp, trả lại CO 2 cho khí quyển. Oxy cũng tham gia vào quá trình phân hủy vật liệu hữu cơ (sự phân hủy) và sự phong hóa của đá, góp phần vào chu trình. Sự cân bằng giữa oxy được tạo ra thông qua quá trình quang hợp và oxy tiêu thụ trong quá trình hô hấp và phân hủy là rất quan trọng để duy trì các quá trình sống trên Trái đất.
Phốt pho là một yếu tố quan trọng đối với tất cả các sinh vật sống vì nó là một phần của các phân tử quan trọng như DNA và ATP. Không giống như các chu trình sinh địa hóa khác, chu trình phốt pho không bao gồm pha khí trong điều kiện bình thường. Phốt pho được tìm thấy trong đá và được thải vào đất và nước qua quá trình phong hóa. Thực vật hấp thụ phốt pho từ đất và luân chuyển qua chuỗi thức ăn. Khi sinh vật bài tiết chất thải hoặc chết đi, phốt pho sẽ quay trở lại đất hoặc trầm tích. Theo thời gian địa chất, đá trầm tích có thể hình thành, bắt đầu một chu kỳ mới.
Lưu huỳnh rất quan trọng đối với protein và một số vitamin. Chu trình lưu huỳnh bao gồm môi trường khí quyển, trên cạn và dưới nước. Sulfur dioxide (SO 2 ) được thải vào khí quyển do hoạt động của núi lửa, đốt nhiên liệu hóa thạch và phân hủy chất hữu cơ. Nó có thể quay trở lại bề mặt Trái đất thông qua lượng mưa dưới dạng axit sulfuric hoặc các hạt sunfat. Lưu huỳnh trong đất được thực vật hấp thụ và sau đó luân chuyển qua chuỗi thức ăn. Sự phân hủy và các quá trình vi khuẩn nhất định trả lại lưu huỳnh vào khí quyển, hoàn thành chu trình.
Các chu trình sinh địa hóa rất cần thiết để duy trì sức khỏe và đa dạng sinh học của hành tinh. Chúng điều chỉnh sự sẵn có của các yếu tố thiết yếu mà sinh vật cần để tồn tại, kiểm soát dòng năng lượng và giảm thiểu tác động của các chất ô nhiễm. Hiểu được các chu trình này giúp quản lý hệ sinh thái, bảo tồn tài nguyên thiên nhiên và giải quyết các thách thức môi trường như biến đổi khí hậu, ô nhiễm chất dinh dưỡng và mất đa dạng sinh học.
Các chu trình sinh địa hóa minh họa sự tương tác phức tạp giữa các quá trình sinh học, địa chất và hóa học trên Trái đất. Những chu kỳ này là nền tảng trong việc duy trì sự sống, điều hòa khí hậu và duy trì sức khỏe hệ sinh thái. Thông qua việc tái chế liên tục các nguyên tố như carbon, nitơ, nước, oxy, phốt pho và lưu huỳnh, các chu trình sinh địa hóa góp phần tạo nên sự cân bằng động của môi trường Trái đất, làm nổi bật mối liên kết giữa tất cả các thành phần sống và không sống trên hành tinh. Hiểu được các chu trình này là rất quan trọng đối với nghiên cứu sinh thái, quản lý môi trường và phát triển bền vững tài nguyên thiên nhiên. Khi con người tiếp tục tác động đến các chu kỳ này thông qua các hoạt động như nông nghiệp, công nghiệp và đô thị hóa, việc nghiên cứu và hiểu ý nghĩa của các hành động của chúng ta đối với các quá trình tự nhiên này ngày càng trở nên quan trọng. Bằng cách đó, chúng ta có thể đưa ra các chiến lược nhằm giảm thiểu tác động tiêu cực, tăng cường khả năng phục hồi của hệ sinh thái và đảm bảo tính bền vững lâu dài của các hệ thống hỗ trợ sự sống trên hành tinh của chúng ta.
