U biologiji, ciklus hranjivih tvari je koncept koji opisuje kako se hranjive tvari kreću iz fizičkog okruženja u žive organizme i potom se recikliraju natrag u fizički okoliš. Ovo kružno kretanje hranjivih tvari bitno je za svaki ekosustav, a mora biti uravnoteženo i stabilno kako bi se sustav održao. U mnogim slučajevima ljudske aktivnosti imale su veliki utjecaj na te procese, što je rezultiralo štetnim učincima. Postoji mnogo različitih ciklusa hranjivih tvari, od kojih svaki ima svoje posebne putove, ali su možda najvažniji oni koji uključuju elemente ugljik, kisik, dušik i fosfor.
Ciklus ugljika
Ovaj ciklus hranjivih tvari započinje fotosintezom, procesom u kojem biljke, alge i neke bakterije koriste energiju sunčeve svjetlosti za kombiniranje ugljičnog dioksida (CO2) iz atmosfere i vode za stvaranje šećera, škroba, masti, proteina i drugih spojeva koje koriste. za izgradnju stanica ili pohranjivanje kao hranu. Na taj način biljke uklanjaju ugljik iz atmosfere i pohranjuju ga, čineći ga dostupnim biljojedima koji jedu biljke. Biljojedi koriste dio ugljika koji konzumiraju za izgradnju i popravak stanica, tako da se on pohranjuje u njihovim tijelima. Ostatak se koristi za dobivanje energije: kombinira se s kisikom iz zraka u CO2, koji se potom izdiše, vraćajući ugljik izravno u atmosferu.
Ugljik pohranjen u tijelu biljojeda, kao što je jelen, može se reciklirati kada životinja umre. Alternativno, životinju može ubiti i pojesti mesožder, kao što je vuk, u kojem slučaju će se reciklirati kada mesožder umre. Mrtvu biljnu i životinjsku tvar razgrađuju drugi organizmi, kao što su gljive i bakterije. Ovaj proces oslobađa ugljik, u obliku ugljičnog dioksida, natrag u atmosferu.
Postoji niz komplikacija unutar ovog općeg procesa. Na primjer, mrtva organska tvar ponekad može biti zakopana pod sedimentom, čineći ugljik nedostupnim živim organizmima. Ovaj zakopani materijal stvorio je naslage ugljena i nafte, koje ljudi sada iskorištavaju kao fosilna goriva. Izgaranjem ovih spojeva nastaje ugljični dioksid koji se oslobađa u atmosferu. Među znanstvenicima postoji širok konsenzus da povećanje razine CO2 koje proizlazi iz sagorijevanja fosilnih goriva mijenja klimu na Zemlji na globalnoj razini.
Ugljik se također može zaključati u stijenama kada se ugljični dioksid otapa u vodi. Neke vrste morskih organizama mogu kombinirati otopljeni ugljični dioksid s kalcijem kako bi izgradili školjke koje se sastoje od kalcijevog karbonata. Kada ti organizmi umru, školjke se nakupljaju kao sediment, na kraju tvoreći vapnenačku stijenu. Tijekom velikih vremenskih razmjera, vapnenac se može izdignuti na površinu geološkim procesima, gdje kisela voda može reagirati s njim i otpustiti CO2 natrag u atmosferu.
Ciklus kisika
Ovaj ciklus je usko povezan s ciklusom ugljika i počinje na istom mjestu: fotosintezom, koja oslobađa kisik u zrak. To, pak, apsorbiraju organizmi koji udišu kisik, koji ga kombiniraju s ugljikom i oslobađaju ugljični dioksid u atmosferu. CO2 se zatim koristi u fotosintezi za ponovno oslobađanje kisika. Ugljični dioksid iz drugih izvora, kao što je razgradnja mrtvog organskog materijala i izgaranje fosilnih goriva, također se koristi u fotosintezi, stvarajući kisik.
Dušikov ciklus
Dušik je bitan element za sve poznate oblike života, a potreban je za stvaranje aminokiselina, proteina i DNK. Iako se 78% Zemljine atmosfere sastoji od ovog elementa, biljke ga u ovom obliku ne mogu izravno koristiti. Molekule plina sastoje se od dva atoma koja se drže zajedno vrlo snažnom trostrukom vezom, što mu otežava reakciju s drugim elementima. Ipak, dušik ima svoj vlastiti ciklus hranjivih tvari.
Postoje dva glavna načina na koja ovaj element može postati dostupan živim organizmima. Obično je potrebno puno energije da se prekinu veze između atoma u molekuli dušika. Ova energija može doći od munje, koja uzrokuje da se dio dušika spoji s kisikom, stvarajući dušikove okside. Oni se mogu otopiti u kišnici i stvoriti vrlo razrijeđenu dušičnu kiselinu, koja reagira s mineralima u tlu i tvori nitrate. Nitrati su topljivi u vodi i biljke ih lako apsorbiraju.
Većina dušika u živim organizmima dolazi iz procesa poznatog kao fiksacija dušika. To uključuje pretvaranje atmosferskog dušika u tlu u amonijak pomoću raznih vrsta bakterija i nekih algi. Jedna takva skupina bakterija, nazvana Rhizobium, tvori kvržice u korijenu graška i graha. Iz tog razloga poljoprivrednici često uzgajaju ove biljke kao usjeve kada je potrebno tlo obogatiti ovim elementom.
Na taj način stvoreni amonijak zatim druge vrste bakterija pretvaraju u nitrate koje biljke apsorbiraju. Drugi proces, nazvan denitrifikacija, vraća plin dušika u atmosferu. Opet, to rade bakterije, koje reduciraju nitrate u tlu u dušik.
Ljudska bića su imala značajan utjecaj na ciklus dušika. Budući da su nitrati vrlo topljivi u vodi, kišom se mogu brzo ukloniti iz tla. Tamo gdje se usjevi intenzivno uzgajaju, izgubljeni nitrati često se moraju nadomjestiti nitratnim gnojivima. Ovi spojevi se industrijski proizvode procesima koji prvo kombiniraju atmosferski dušik s vodikom kako bi nastao amonijak, a zatim ga kombinira s kisikom kako bi nastao dušičnu kiselinu, koja se koristi za proizvodnju gnojiva.
Ciklus fosfora
Poput dušika, ovaj element je bitan dio DNK. Također je potreban za proizvodnju adenozin trifosfata (ATP), spoja koji stanice koriste za energiju. Glavni prirodni izvor fosfora je iz stijena. Element erozijom i vremenskim utjecajem ulazi u vodu i tlo u obliku fosfata, a preuzimaju ga biljke. Zatim napreduje kroz lanac ishrane preko biljojeda i mesoždera, vraćajući se u tlo kada ti organizmi umru.
Fosfati se mogu isprati iz tla kišnicom, nakupljajući se u jezerima i rijekama, gdje neke od njih koriste vodene biljke i drugi organizmi. Neki od fosfata, međutim, prolaze kroz kemijske reakcije koje stvaraju netopive spojeve koji se talože kao sedimenti. Oni na kraju tvore stijenu i, na taj način, fosfor može biti zatvoren na vrlo duga razdoblja – moguće desetke ili stotine milijuna godina. Na kraju, geološki procesi mogu podići ovu stijenu, dopuštajući eroziji i vremenskim utjecajima da je vrate živim organizmima.
U kultiviranim područjima, kao i kod dušika, fosfor izgubljen iz tla često se mora zamijeniti fosfatnim gnojivima kako bi se poljoprivreda nastavila s profitabilnom. Ova gnojiva se uglavnom proizvode od fosfatnih stijena kao što je apatit. Korištenje životinjskog gnoja na poljima usjeva još je jedan primjer dodavanja fosfora tlu od strane čovjeka. U nekim slučajevima, višak fosfata se ispire u rijeke i jezera. Odavde se može taložiti u sedimentima, ali neke mogu ostati otopljene, što dovodi do prekomjernog rasta algi.