Obieg materii w przyrodzie dokonuje się dzięki cyklom środowiska, czyli związkom między elementami ekosystemu zachodzącymi cyklicznie i wpływającymi na przemiany biogeochemiczne. Za podstawowe cykle środowiska uważa się obiegi: wody, węgla, azotu i fosforu oraz fotosyntezę.
Znajomość zachodzących cyklicznie przemian jest konieczna dla racjonalnej przebudowy i projektowania nowych ekosystemów, dla przewidywania skutków wprowadzania do powtórnego obiegu odpadów (surowców wtórnych) oraz wspomagania naturalnych obiegów składników (np.glebowych – przez stosowanie nawożenia).
Obieg wody
Obieg wody w przyrodzie (krążenie wody) to zamknięty cykl odbywający się pod wpływem działania energii słonecznej i siły grawitacji. Głównymi elementami składowymi cyklu są opady atmosferyczne, spływy wód i parowanie.
Na skutek parowania powstają chmury, uwalniające ze swojej struktury, w zależności od warunków atmosferycznych, krople wody lub kryształki lodu. Te w postaci opadów osiągają powierzchnię lądów (20% całości opadów) lub oceanów (80%), skąd część tych wód znów paruje bezpośrednio do atmosfery. Pozostała część opadów na lądzie spływa do mórz i oceanów (odpływ powierzchniowy) lub dostaje się do gleby. Ta część, która infiltruje w grunt, zostaje pobrana przez układy korzeniowe roślin lub dostaje się do wód gruntowych i odpływa wraz z nimi (odpływ podziemny) do podziemnych lub powierzchniowych zbiorników wodnych, rzek, bagien itp. Woda nieustannie paruje z powierzchni otwartych akwenów, jak również z gleby (ewaporacja) i roślin (transpiracja). Znajdująca się w atmosferze para wodna, osiągając stan nasycenia w określonych warunkach pogodowych, kondensuje i tworzy mgły lub chmury. W ten sposób cykl obiegu wody zostaje zamknięty.
Obieg węgla
Drugi z podstawowych cykli biochemicznych to obieg węgla. Bierze w nim udział węgiel w postaci atomowej lub w różnych związkach. Obieg ten polega na wymianie głównie dwutlenku węgla z atmosferą ziemską. Dwutlenek węgla biorący udział w wymianie pochodzi przede wszystkim z oceanów, gdzie jest go około 16 razy więcej niż w atmosferze. Powstaje również w procesach termicznego rozkładu surowców energetycznych (spalanie, wydobywanie się w czasie erupcji wulkanów i gorących źródeł oraz w procesach oddychania organizmów żywych. Najbardziej zaskakujące jest to, że prawie 90% przemian, związanych z oddychaniem, jest udziałem glonów żyjących w oceanach. Ogółem roślin, wiążąc 160 mld ton węgla, wytwarzają 400 mld ton tlenu w ciągu roku na obszarze całego globu.
Mechanizm łańcuchów pokarmowych powoduje przejmowanie zasobów węgla zgromadzonych w roślinach przez organizmy zwierzęce. Procesy metaboliczne, towarzyszące procesom życiowym roślin i zwierząt, powodują usuwanie pewnych ilości związków węgla. Natomiast szczątki jednych i drugich, podlegają procesą mineralizacji, są źródłem powstawania dwutlenku węgla. W tego typu procesach powstaje kompost, próchnica użyźniająca glebę, a także złoża torfu. Podobne przemiany, lecz w innych okresach i warunkach geologicznych, towarzyszyły powstawaniu złóż węgla kamiennego oraz brunatnego, jak również ropy naftowej.
Obieg azotu
Zachowaniu równowagi azotowej między biosferą a atmosferą sprzyjają cykliczne przemiany związków azotu w biosferze. Polegają one na:
wiązaniu przez bakterie azotu cząsteczkowego znajdującego się w atmosferze
przyswajaniu przez rośliny związków azotu, takich jak azotany i amoniak (w powiazaniu z syntezą białek)
uruchomieniu mechanizmów łańcuchów pokarmowych rośliny-zwierzęta
wyzwalaniu do atmosfery wolnego azotu z wydalin i obumarłych organizmów
Procesy te, będące wynikiem działania mikroorganizmów, następują zarówno w glebie, jak i w wodach.
Obieg fosforu
Obieg fosforu w przyrodzie jest związany z dwoma biogeochemicznymi cyklami przebiegającymi głównie w zbiornikach wód morskich i oceanicznych oraz na lądzie w glebie.
Fosfor znajdujący się w glebie jest przyswajany przez bakterie fosforowe, przetwarzające związki organiczne fosforu, i w ten sposób udostępniany roślinom i zwierzętom. Z kolei głównym źródłem tych związków są rozkładające się tkanki roślinne i zwierzęce oraz dostające się do gleby produkty wydalania.
Analogiczną rolę do tej, którą w obiegu glebowym spełniają bakterie, w obiegu wodnym spełnia plankton, znajdujący się w łańcuchu pokarmowym ryb i innych organizmów wodnych. Około 1% fosforu z obiegu wodnego dostaje się do obiegu glebowego wraz z rybami odławianymi przez człowieka i ptactwo wodne. Tu niebagatelną rolę spełnia guano ptactwa wodnego, gdyż np. u wybrzeży Peru ptactwo odławia tysiąckrotnie więcej ryb niż rybacy.
Produkty rozpadu organizmów morskich opadają na dno zbiornika, wypadając w ten sposób w znacznej masie z obiegu. Produkty procesu osadzania, mającego już miejsce od kilkuset milionów lat (osady fosforytów występują w warstwach paleozoiku oraz w bardziej nam współczesnyh skałach osadowych z okresu kredy i trzeciorzędu), były również wykorzystywane przez człowieka jako naturalne nawozy fosforowe. Obecnie służą głównie do uzyskiwania kwasu fosforowego jako surowca do produkcji fosforowych nawozów sztucznych. Te z kolei uzupełniają straty fosforu w glebie powodowane uprawami – co można uznać za świadomą ingerencję człowieka w celu uzupełnienia łańcucha pokarmowego w cyklu glebowym.
Brak umiaru w nawożeniu może jednak powodować wymywanie nadmiaru nawozów sztucznych z gleb do wód. Kierowanie przez przemysł i gospodarstwa domowe do ścieków związków fosforu (również fosforanów z proszku do prania) dodatkowo daje znaczny nadmiar fosforu w wodach. Cykle obiegu tego pierwiastka muszą zatem być świadomie sterowane i wspomagane dodatkową działalnością człowieka.
Fotosynteza
Ostatni z ważnych do zaprezentowania cykli biochemicznych to fotosynteza – proces zachodzący w środowiskach lądowym i wodnym pod wpływem światła. Proces ten mogą realizować rośliny zielone wyposażone w chlorofil i niektóre bakterie zawierające bakteriochlorofil. Fotosynteza decyduje o życiu na Ziemi, dostarczając tlenu i znaczących ilości związków organicznych (około 100 mld ton rocznie) rozkładanych w procesie oddychania komórkowego.
Fotosynteza rozpoczyna się od rozkładu cząsteczek wody na wodór i tlen pod wpływem energii słonecznej (fotolizy). Wodór jest wykorzystywany do budowy związków organicznych powstających z udziałem dwutlenku węgla, tlen uwalnia się do atmosfery. Dosyć skomplikowane przemiany biochemiczne prowadzą do uzyskiwania monosacharydów, aminokwasów i kwasów tłuszczowych, które z kolei ulegają dalszym przemianom na polisacharydy, białka i tłuszcze. Symboliczne równanie przemiany można zapisać jako:
6CO2 + 6H2O + fotosynteza __> C6H12O6 + 6O2
W procesie fotosyntezy rośliny zielone absorbują zaledwie 40 do 50% docierającej do nich energii, przetwarzając z tego najwyżej 1 do 5% na energię związaną w związkach chemicznych. Na własne potrzeby wykorzystują 10 do 50% tych związków (rozkładając je w procesie oddychania). W ten sposób średnio tylko 2% początkowo zaabsorbowanej energii słonecznej pozostaje do dyspozycji takich organizmów (konsumentów i reducentów), które bezpośrednio nie są zdolne do wykorzystywania jej w swoich procesach życiowych.
Obieg siarki
Do cykli biochemicznych przebiegających w znacznie mniejszym zakresie można zaliczyć obieg siarki w przyrodzie.
Siarka stanowi 0,05 do 0,1% skorupy ziemskiej. Jest ona istotnym składnikiem białek w organizmach żywych. Występuje również w węglu kamiennym i innych minerałach, ropie naftowej, glebie oraz powietrzu. W tym ostatnim ilość jej niepokojąco wzrosła na skutek działalności przemysłowej, a przede wszystkim spalania paliw (85% wszystkich związków siarki w środowisku). W wodach siarka występuje głównie w postaci siarczanów pochodzących ze ścieków, opadów atmosferycznych i wód kopalnianych.
W procesie obiegu siarki w przyrodzie aktywną rolę odgrywają bakterie siarkowe, wiążące dwutlenek węgla. Energię do tego wiązania uzyskują w procesie utleniania siarkowodoru i siarki w czasie chemosyntezy i fotosntezy. Proces utleniania prowadzi z siarkowodoru poprzez siarkę atomową do dwuwartościowych jonów SO42-. Inne bakterie prowadzą proces redukcji anaerobowej siarczanów do siarkowodoru. Działają również takie szczepy bakterii, które aerobowo utleniają siarczki do siarczanów.
Ekosystem
Omówione cykle biogeochemiczne w swojej istocie opierają się na obiegu masy – materii pod wpływem energii. Zauważył to w 1935 r. angielski botanik A. Tensly, wprowadzając termin ekosystem na określenie podstawowej jednostki funkcjonalnej w przyrodzie, opartej na układzie złożonym z biocenozy i jej biotopu. Biotop to środowisko życia organizmów roślinnych i zwierzęcych, będące elementem powierzchni ziemi lub zbiornika wodnego. Określony biotop odróżnia się od innych warunkami abiotycznymi (składem gleby, ukształtowaniem terenu, klimatem, składem chemicznym wód itp.).
Organizmy zamieszkujące ekosystem mają do wypełnienia określone role. Są tam producenci, przetwarzający wychwytywaną energię słoneczną na związki organiczne, konsumenci, zużywający te wytworzone związki, i reducenci, umożliwiający mineralizację substancji organicznej. Rola wszystkich sprowadza się do zapewnienia obiegu materii przez łańcuchy pokarmowe. Jeden organizm jest pożywieniem dla drugiego. Ta zależność panowała we wszystkich okresach geologicznych Ziemi, co doprowadziło do ustalenia się równowagi w ekosystemach i między nimi.
Na zmiany czynników abiotycznych ekosystemy reagowały czynnie, dążąc do wyeliminowania zmian lub same się przebudowując. Zakłócenia w równowadze wprowadziła dopiero działalność przemysłowa człowieka, który produkuje i stosuje detergenty, środki ochrony roślin czy trudno rozkładalne tworzywa sztuczne. Działalność ta eliminuje wyspecjalizowane w przerobie odpadów mikroorganizmy, które giną z powodu trującego dla nich środowiska lub braku pokarmu
Działalność ludzka w powiązaniu z podsystemami środowiska naturalnego (atmosferą, litosferą i hydrosfera) i wszystkimi ekosystemami, które objęte są tą działalnością, tworzy ekosystem globalny.
Świadome i racjonalne współdziałanie z siłami przyrody wpływające na stan środowiska powinno być spowodowane dążeniem do utrzymania równowagi ekologicznej. Równowaga może być osiągnięta przez zachowanie samoregulacji ekosystemów – kiedy szybkość antropogenicznych oddziaływań jest dostosowana do tempa dopasowywania się środowiska naturalnego do tych zmian – lub przez zastosowanie środków technicznych. W tym drugim wypadku wytworem działalności ludzkiej może stać się środowisko sztuczne. Jest ono reprezentowane przez duże miasta, kompleksy miejsko-przysłowe, obszary o intensywnej produkcji rolnej lub hodowli. Dostosowywanie terenu do określonych funkcji jest kształtowaniem środowiska, w którym najważniejsze zagadnienia są związane z racjonalnym użytkowaniem, i ochroną środowiska. Tymi zagadnieniami zajmuje się również inżynieria ekologiczna.
Utrzymywanie globalnej równowagi ekologicznej w wypadku zastosowania dużej ilości środków technicznych nie jest możliwe, gdyż przeciwdziałając jednym zagrożeniom tworzy się napięcia w innych miejscach, a dodatkowo rosnące koszty związane z ochroną środowiska mogą przekroczyć poziom akceptowalny przez społeczeństwo. Ideałem są działania zgodne z zasadą “przestrzennej jakości Ziemi”, to znaczy takie, które obejmują biocenozy i ekosystemy na dużych obszarach (reprodukcja zasobów naturalnych towarzysząca eksploatacji ekosystemów) przy funkcjonowaniu samoregulacji ekosystemów.
