mini|En svært generalisert fremstilling av biogeokjemiske kretsløp. Et biogeokjemisk kretsløp, eller en biogeokjemisk syklus, er utvekslingen av ulike grunnstoffer mellom levende organismer, atmosfæren, vann og jordskorpen. Eksempler på store biogeokjemiske sykluser er karbonkretsløpet, fosforkretsløpet og vannets kretsløp. I hvert kretsløp gjennomgår stoffene endringer, opptas av levende organismer og lagres i atmosfæren, i jordskorpen og i havene. Fra disse geologiske reservoarene gjentas kretsløpene. Kretsløpene kan forstås som vandringen ulike kjemiske substanser foretar mellom biotiske- og abiotiske faktorer på landjorden. De biotiske faktorene er biosfæren og de abiotiske faktorene er atmosfæren, litosfæren og hydrosfæren.

Viktige grunnstoffer i biogeokjemiske kretsløp er oksygen, hydrogen, fosfor, kalsium, jern, svovel, kvikksølv og selen. Visse molekyler inngår også i kretsløp, for eksempel vann og silisium. I tillegg finnes makroskopiske sykluser som det geologiske kretsløpet, og kretsløp av syntetiske forbindelser som polyklorerte bifenyler (PCB). Geologiske reservoarer, der stoffene kan lagres i svært lange perioder, forekommer i mange av kretsløpene. Biogeokjemiske kretsløp involverer et omfattende samspill mellom mange biologiske, geologiske og kjemiske prosesser.

Blant de biologiske prosessene som kan nevnes er et bredt spekter av metabolske prosesser som er helt nødvendige for å sirkulere næringsstoffer i de globale økosystemene. Disse henger sammen med de andre prosessene og regulerer klimaet og sammensetningen av luften levende organismer puster inn, gir næring til planter, planteplankton og andre organismer, og opprettholder på den måten jordens økosystemer. Forbrenning av fossilt brensel, bruk av store mengder kunstgjødsel og andre menneskelig aktiviteter, kan forstyrre kretsløpene og bidra til klimaendringer, forurensning og andre miljøproblemer.

Begrepets opphav Uttrykket «biogeokjemisk syklus» består av avledningene bio- og geo- som kommer henholdsvis fra det greske ordet bios, som betyr «liv», og det greske ordet ge, som betyr «jord» eller «berggrunn». Sammensetningen framhever både levende organismers rolle og rollen berggrunn, luft og vann spiller. Uttrykket får fram at essensielle stoffer, stoffer som er nødvendige for å opprettholde organismers liv, sirkulerer fra organismenes omgivelser, via organismene, og så tilbake til omgivelsene.

Karakteristikka for kretsløpene mini|Atmosfæren (luft), hydrosfæren (hav) og litosfæren (bakken)

Dyr og planter får sin energi fra solen, men de stoffene som de trenger, får de fra jorden. Levende organismer er bygget opp av tilsammen 30–40 grunnstoffer, som inngår i kjemiske forbindelser. Stoffene finnes i stein, jord, vann og luft. Spesielt er det mye av grunnstoffene oksygen, karbon og hydrogen i organismer. Karbon, hydrogen, oksygen, nitrogen og fosfor finnes også i store mengder, og disse fem grunnstoffene utgjør tilsammen 97 % av all masse i protoplasma (levende del av celler). De grunnstoffene som er nødvendig i store mengder i levende organismer kalles for makronæringsstoffer, men de som trengs i små mengder kalles mikronæringsstoffer eller sporstoffer.

Makronæringsstoffene er karbon, nitrogen, oksygen, hydrogen, kalium, kalsium, magnesium, svovel og fosfor. Noen av mikronæringsstoffene er jern, mangan, kobber, sink, bor, molybden, vanadium, kobolt, klor og natrium. Disse stoffene sirkulerer mellom levende organismer og deres naturmiljø. Et eksempel er karbon som planter og dyr bruker for å produsere karbohydrater, fett og proteiner, eller som brukes til å bygge opp indre strukturer eller gir energi.

Biogeokjemiske kretsløp er sykliske omsetningsveier for uorganiske stoffer (grunnstoff) gjennom planter, dyr, sopp og bakterier i jordens økosystemer.Aarnes, Halvor: 24. juli 2023 Den amerikanske biologen Eugene Odum kom i 1971 opp med ideen om å dele syklusene inn i reservoarer («pools») slik: Lagerreservoarer (reserver) der næringsstoffene er lagret relativt utilgjengelig på kort sikt. Et eksempel er kull i jordskorpen, som er lagre av karbon. Sirkulasjonsreservoarer («cycling pools») der næringsstoffene er lett tilgjengelige og dermed aktivt med i sirkulasjonene.

Eksempler på sirkulasjonsreservoarer er planter og dyr. Generelt er lagerreservoarer abiotiske altså at de utgjør de ikke-levende delene av miljøet, mens sirkulasjonsreservoarer er biotiske faktorer (levende). Karbon holdes i relativt kort tid i planter og dyr, sammenlignet med kullforekomster.

Syklusene kan videre deles inn i to hovedgrupper: De gasslignende, der reservoaret finnes i atmosfæren, for eksempel nitrogen og karbondioksid (CO2). De sedimentære der reservoaret finnes i jordskorpen, som er tilfelle med fosfor, svovel og kalium.

Av alle de biogeokjemiske stoffene, er det bare hydrogen som ikke beveger seg rundt i et helt lukket kretsløp. Årsaken er at en del hydrogen hele tiden forsvinner fra jordens øvre atmosfære og ut i verdensrommet. Det samme skjer for øvrig med helium.

Sammenheng mellom biogeokjemiske kretsløp og næringsvever

Levende organismer er ikke bare passive mottakere av de fleste av næringsstoffene. Oftest er de vesentlige for å drive næringsstoffene gjennom de biogeokjemiske kretsløpene. Næringsvever og næringskjeder fungerer som forsyningsveier for levende organismer ved å gi tilgang til stoffer som er livsviktige for dem. Stoffene brukes om igjen ved at de brytes ned til enklere forbindelser, som produsentene bruker for å bygge opp igjen organisk materiale.

Overføring av kjemiske stoffer mellom kretsløpene, næringskjeder og næringsvever, skjer i følgende steg: Levende organismer opptar og akkumulerer grunnstoffer fra det abiotiske miljøet. Kjemiske stoffer distribueres i organismer som er planteetere, predatorer og parasitter. Sammen med organismene forflytter næringsstoffene seg. Avføring eller at døde organismer avgir organisk materiale. Forråtnelse og nedbryting fører de kjemiske stoffene tilbake til det abiotiske miljøet.

De viktigste elementene i næringskretsløpene er produsenter (planter) og nedbrytere. Produsentene er selve maskinen i kretsløpet som ved hjelp av kjemiske stoffer fra det abiotiske miljøet produserer energi- og næringsrikt organisk materiale. Nedbryterne lukker kretsløpet ved å returnere stoffene tilbake til det abiotiske miljøet.

De biogeokjemiske kretsløpene fremstilles ofte som en enkelt sløyfe, men i realiteten er det mer snakk om nettverk av mange sirkulerende celler. En global egenskap med nettverket og som gjør at det kan sees på som et kretsløp, er balansen mellom det som går inn og ut. Det må nødvendigvis være (tilnærmet) balanse mellom stoff inn og ut i alle deler og subsystemer for at de skal vare over tid.

Sammenheng mellom energi og kretsløpene Grunnstoffene og de kjemiske stoffene som utgjør næringsstoffene beveger seg kontinuerlig gjennom atmosfæren, vann, jordsmonn, berggrunnen og levende organismer. Sirkulasjonen forårsakes av energi i form av solstråling og jordens gravitasjon. Størsteparten av jordens levende organismer består av karbonforbindelser og vann. I forskjellige kjemiske stoffer som består av karbon og vann blir energi tatt opp og lagret. Energien kommer opprinnelig fra sollyset som fanges opp av planter, og som via fotosyntese danner energirike forbindelser. Energien blir frigjort når karbonforbindelsene så blir oksidert til karbondioksid via metabolism i levende cellevev eller nedbrytere. Strømmen av energi og karbon er derfor sterkt sammenbundet i biologiske systemer.

Karbon tas opp i økosystemene og blir med opp i de forskjellige trofiske nivåene etter at karbondioksid blir tatt opp i plantenes fotosyntese. Her blir karbondioksid med i primærproduksjonen og går videre som næring til konsumentene i form av sukker, fett, proteiner eller cellulose. Karbonet følger derfor eksakt samme vei som karbon oppover i næringskjedene. Når energirike molekyler som karbon blir del av levende organismer, og i siste instans brukes til å utføre arbeid, blir denne energien omskapt som varme. Karbonet blir i denne prosessen frigjort og finner veien tilbake til atmosfæren som karbondioksid.

Når energien har blitt omgjort til varme, kan den ikke brukes videre av levende organismer. Et karbonmolekyl bli derimot gjenbrukt i fotosyntese. Med andre ord så går næring i kretsløp, mens energi flyter bare oppover i de trofiske nivåene. Når energien til slutt blir til varmeenergi, forsvinner den ut i verdensrommet.

Raske og langsomme sykluser mini|Den langsomme syklusen er dem som innbefatter stoffer som går gjennom bergarter, via vulkansk og tektonisk aktivitet

Raske sykluser finnes i biosfæren og langsomme i litosfæren (bergarter). Raske biologiske sykluser kan ha en omløpshastighet på noen få år. I disse overføres stoffer fra atmosfæren til biosfæren og deretter tilbake til atmosfæren. Langsomme eller geologiske sykluser kan ta millioner av år, og overfører stoffer gjennom jordskorpen mellom berg, jord, hav og atmosfære.Libes, Susan M. Blue planet: The role of the oceans in nutrient cycling, maintain the atmosphere system, and modulating climate change. (2015) In: Routledge Handbook of Ocean Resources and Management, Routledge, pages 89–107. .

Et eksempel er et rask kretsløp er det lille karbonkretsløpet. Denne syklusen består av relativt raske biogeokjemisk prosesser mellom miljøet og levende organismer i biosfæren. Den innbefatter strøm av karbon mellom atmosfæren og terrestriske og marine økosystemer, samt jord og havbunnsedimenter. Den raske syklusen består av årvisse sykluser som involverer fotosyntese og sykluser over noen tiår, og involverer plantevekst og nedbrytning. Responsen fra det raske karbon kretsløpet på menneskelige aktiviteter vil avgjøre mange av de mer umiddelbare virkningene av klimaendringene. Material was copied from this source, which is available under a Creative Commons Attribution 4.0 International License

Det langsomme karbonkretsløpet er illustrert i figuren. Skissen illuderer mellomlang til lang sikt med geokjemiske prosesser som tilhører det geologiske kretsløpet. Utvekslingen mellom hav og atmosfære kan ta flere hundre år. Forvitring av bergarter kan ta millioner av år. Karbon i havet felles ut og havner på havbunnen der det kan dannes sedimentære bergarter og være med ned i en subduksjon inn i jordens mantel. Fjellkjededannelse resulterer i retur av det geologiske karbonet tilbake til jordoverflaten. Der vil bergartene forvitret og karbon føres tilbake til atmosfæren ved avgassing og til havet via elver. Andre kilder til geologiske karbon er gjennom hydrotermiske utslipp av kalsiumioner. I et gitt år beveger mellom 10 og 100 millioner tonn karbon seg rundt den langsomme syklusen. Et eksempel er vulkaner som returnerer geologisk karbon direkte til atmosfæren i form av karbondioksid.

På grunn av lang oppholdstid i noen av reservoarene kan et omløp ta svært lang tid for noen av stoffene. En kan derfor si at de biogeokjemiske kretsløpene forbinder fortiden, nåtiden og fremtiden. Kretsløpene er en viktig del av jordens naturkapital.

Boksmodeller mini|Grunnleggende boksmodell

Grunnstoffene som inngår i kretsløpene finnes i store lagre i den ikke-levende naturen. Av disse er det bare en liten del som går inn i kretsløpene i økosystemene. Mange av stoffene finnes på steder i jorden eller i en slik form at de ikke så lett kan gå inn i kretsløpene. Generelt finnes stoffene enten i fri form eller i kjemiske forbindelser. For eksempel finnes karbon og nitrogen i gassform i luft, og en mindre menge finnes i vann. Fosfor og svovel finnes i stein i jordskorpen.