Inom biologin är näringskretsloppet ett begrepp som beskriver hur näringsämnen flyttas från den fysiska miljön till levande organismer och därefter återvinns tillbaka till den fysiska miljön. Denna cirkulära rörelse av näringsämnen är väsentlig för varje givet ekosystem, och den måste vara balanserad och stabil för att systemet ska kunna upprätthållas. I många fall har mänskliga aktiviteter haft stor inverkan på dessa processer, vilket resulterat i negativa effekter. Det finns många olika näringskretslopp, var och en med sina egna speciella vägar, men de kanske viktigaste är de som involverar elementen kol, syre, kväve och fosfor.
Kolets kretslopp
Denna näringscykel börjar med fotosyntes, den process genom vilken växter, alger och vissa bakterier använder energi från solljus för att kombinera koldioxid (CO2) från atmosfären och vatten för att bilda socker, stärkelse, fetter, proteiner och andra föreningar som de använder att bygga celler eller lagra som mat. På så sätt tar växter bort kol från atmosfären och lagrar det, vilket gör det tillgängligt för växtätare som äter växterna. Växtätare använder en del av det kol de förbrukar för att bygga och reparera celler, så att det lagras i deras kroppar. Resten används för att ge energi: det kombineras med syre från luften för att bilda CO2, som sedan andas ut och återför kolet direkt till atmosfären.
Kolet som lagras i kroppen hos en växtätare, till exempel ett rådjur, kan återvinnas när djuret dör. Alternativt kan djuret dödas och ätas av en köttätare, såsom en varg, i vilket fall återvinning sker när köttätaren dör. Döda växt- och djurämnen bryts ned av andra organismer, såsom svampar och bakterier. Denna process frigör kol, i form av koldioxid, tillbaka till atmosfären.
Det finns ett antal komplikationer inom denna allmänna process. Till exempel kan dött organiskt material ibland begravas under sediment, vilket gör kolet otillgängligt för levande organismer. Detta begravda material har bildat fyndigheter av kol och olja, som människor nu utnyttjar som fossila bränslen. Vid förbränning av dessa föreningar bildas koldioxid, som släpps ut i atmosfären. Det finns en bred enighet bland forskare om att ökade CO2-nivåer till följd av förbränning av fossila bränslen förändrar jordens klimat på global skala.
Kol kan också låsas i stenar när koldioxid löses i vatten. Vissa typer av marina organismer kan kombinera löst koldioxid med kalcium för att bygga skal som består av kalciumkarbonat. När dessa organismer dör, ackumuleras skalen som sediment och bildar så småningom kalksten. Under långa tidsskalor kan kalksten lyftas upp till ytan genom geologiska processer, där surt vatten kan reagera med det för att frigöra CO2 tillbaka till atmosfären.
Syrets kretslopp
Detta kretslopp är nära besläktat med kolets kretslopp och börjar på samma ställe: fotosyntesen, som släpper ut syre i luften. Detta i sin tur absorberas av syreandande organismer, som kombinerar det med kol och släpper ut koldioxid i atmosfären. CO2 används sedan i fotosyntesen för att frigöra syre igen. Koldioxid från andra källor, såsom nedbrytning av dött organiskt material och förbränning av fossila bränslen, används också i fotosyntesen och producerar syre.
Kvävets kretslopp
Kväve är ett väsentligt element för alla kända livsformer, och det krävs för att bilda aminosyror, proteiner och DNA. Även om 78% av jordens atmosfär består av detta element, kan det inte användas direkt av växter i denna form. Gasens molekyler består av två atomer som hålls samman av en mycket stark trippelbindning, vilket gör det mycket svårt för den att reagera med andra grundämnen. Ändå har kväve sin egen näringscykel.
Det finns två huvudsakliga sätt på vilka detta element kan bli tillgängligt för levande organismer. Normalt krävs mycket energi för att bryta bindningarna mellan atomerna i en kvävemolekyl. Denna energi kan komma från blixten, vilket gör att en del kväve kombineras med syre och bildar kväveoxider. Dessa kan lösas upp i regnvatten och bilda mycket utspädd salpetersyra, som reagerar med mineraler i marken och bildar nitrater. Nitrater är lösliga i vatten och kan lätt tas upp av växter.
Det mesta av kvävet i levande organismer kommer från en process som kallas kvävefixering. Detta innebär omvandling av atmosfäriskt kväve i jordar till ammoniak av olika typer av bakterier och vissa alger. En sådan grupp av bakterier, som kallas Rhizobium, bildar knölar i rötterna på ärtor och bönor. Av denna anledning odlas dessa växter ofta som grödor av jordbrukare när jorden behöver berikas med detta element.
Ammoniak som genereras på detta sätt omvandlas sedan av andra typer av bakterier till nitrater, som tas upp av växter. En annan process, som kallas denitrifiering, återför kvävgas till atmosfären. Återigen utförs detta av bakterier, som reducerar nitrater i jorden till kväve.
Människan har haft en betydande inverkan på kvävets kretslopp. Eftersom nitrater är mycket lösliga i vatten kan de snabbt avlägsnas från jorden med regn. Där grödor odlas intensivt måste de förlorade nitraterna ofta ersättas med nitratgödsel. Dessa föreningar framställs industriellt genom processer som först kombinerar atmosfäriskt kväve med väte för att bilda ammoniak och sedan kombinerar detta med syre för att bilda salpetersyra, som används för att tillverka gödningsmedel.
Fosforcykeln
Precis som kväve är detta element en viktig del av DNA. Det krävs också för produktionen av adenosintrifosfat (ATP), en förening som celler använder för energi. Den huvudsakliga naturliga källan till fosfor kommer från stenar. Grundämnet kommer in i vatten och jord i form av fosfater genom erosion och vittring och tas upp av växter. Det går sedan vidare genom näringskedjan via växtätare och köttätare, och återvänder till jorden när dessa organismer dör.
Fosfater kan sköljas ur jorden av regnvatten, ansamlas i sjöar och floder, där en del av det används av vattenväxter och andra organismer. En del av fosfatet genomgår dock kemiska reaktioner som bildar olösliga föreningar som avsätts som sediment. Dessa bildar så småningom berg och på så sätt kan fosfor låsas in under mycket långa perioder – möjligen tiotals eller hundratals miljoner år. Så småningom kan geologiska processer lyfta denna sten, vilket gör att erosion och vittring kan återföra den till levande organismer.
I odlade områden, liksom med kväve, behöver fosfor som förloras från marken ofta ersättas med fosfatgödsel för att jordbruket ska fortsätta vara lönsamt. Dessa gödselmedel är huvudsakligen gjorda av fosfatstenar som apatit. Användningen av djurgödsel i odlingsfält är ett annat exempel på tillförsel av fosfor till jorden av människor. I vissa fall spolas överskott av fosfat ut i floder och sjöar. Härifrån kan det deponeras i sediment, men en del kan förbli upplöst, vilket leder till överdriven tillväxt av alger.