V biologiji je cikel hranil koncept, ki opisuje, kako se hranila premikajo iz fizičnega okolja v žive organizme in se nato reciklirajo nazaj v fizično okolje. To krožno gibanje hranil je bistveno za vsak ekosistem in mora biti uravnoteženo in stabilno, da se sistem vzdržuje. V mnogih primerih so na te procese močno vplivale človeške dejavnosti, kar je povzročilo škodljive učinke. Obstaja veliko različnih ciklov hranil, od katerih ima vsak svoje posebne poti, vendar so morda najpomembnejši tisti, ki vključujejo elemente ogljik, kisik, dušik in fosfor.
Ogljikov cikel
Ta cikel hranil se začne s fotosintezo, procesom, s katerim rastline, alge in nekatere bakterije uporabljajo energijo sončne svetlobe za združevanje ogljikovega dioksida (CO2) iz ozračja in vode, da tvorijo sladkorje, škrob, maščobe, beljakovine in druge spojine, ki jih uporabljajo. za izgradnjo celic ali shranjevanje kot hrano. Na ta način rastline odstranijo ogljik iz ozračja in ga shranijo ter ga omogočijo rastlinojedim živalim, ki jedo rastline. Rastlinojedci porabijo del ogljika, ki ga porabijo za izgradnjo in popravilo celic, tako da se ta shrani v njihovih telesih. Preostanek se porabi za pridobivanje energije: v kombinaciji s kisikom iz zraka nastane CO2, ki se nato izdihne in ogljik vrne neposredno v ozračje.
Ogljik, shranjen v telesu rastlinojedca, kot je jelen, se lahko reciklira, ko žival umre. Druga možnost je, da žival ubije in poje mesojedec, kot je volk, v tem primeru pa se reciklira, ko mesojedec umre. Odmrlo rastlinsko in živalsko snov razgrajujejo drugi organizmi, kot so glive in bakterije. Ta proces sprosti ogljik v obliki ogljikovega dioksida nazaj v ozračje.
V tem splošnem procesu obstajajo številni zapleti. Na primer, mrtva organska snov je včasih lahko zakopana pod usedlino, zaradi česar živim organizmom ogljik ni na voljo. Ta zakopan material je ustvaril nahajališča premoga in nafte, ki ju ljudje zdaj izkoriščajo kot fosilna goriva. Zgorevanje teh spojin tvori ogljikov dioksid, ki se sprosti v ozračje. Med znanstveniki obstaja široko soglasje, da povečanje ravni CO2, ki je posledica sežiganja fosilnih goriv, spreminja podnebje na Zemlji v svetovnem merilu.
Ogljik se lahko zaklene tudi v kamnine, ko se ogljikov dioksid raztopi v vodi. Nekatere vrste morskih organizmov lahko združujejo raztopljen ogljikov dioksid s kalcijem, da tvorijo lupine, sestavljene iz kalcijevega karbonata. Ko ti organizmi umrejo, se lupine kopičijo kot usedlina in sčasoma tvorijo apnenčasto kamnino. V daljših časovnih obdobjih se apnenec lahko dvigne na površje z geološkimi procesi, kjer lahko kisla voda reagira z njim in sprosti CO2 nazaj v ozračje.
Cikel kisika
Ta cikel je tesno povezan s ciklom ogljika in se začne na istem mestu: fotosinteza, ki sprošča kisik v zrak. Tega pa absorbirajo organizmi, ki dihajo kisik, ki ga združujejo z ogljikom in sproščajo ogljikov dioksid v ozračje. CO2 se nato uporabi pri fotosintezi za ponovno sproščanje kisika. Ogljikov dioksid iz drugih virov, kot sta razgradnja mrtvega organskega materiala in izgorevanje fosilnih goriv, se uporablja tudi pri fotosintezi, pri čemer se proizvaja kisik.
Dušikov cikel
Dušik je bistven element za vse znane oblike življenja in je potreben za tvorbo aminokislin, beljakovin in DNK. Čeprav 78 % Zemljine atmosfere sestavlja ta element, ga rastline v tej obliki ne morejo neposredno uporabljati. Molekule plina so sestavljene iz dveh atomov, ki jih skupaj drži zelo močna trojna vez, zaradi česar je zelo težko reagirati z drugimi elementi. Kljub temu ima dušik svoj cikel hranil.
Obstajata dva glavna načina, na katera lahko ta element postane na voljo živim organizmom. Običajno je za prekinitev vezi med atomi v molekuli dušika potrebno veliko energije. Ta energija lahko izvira iz strele, ki povzroči, da se nekaj dušika združi s kisikom in tvori dušikove okside. Ti se lahko raztopijo v deževnici in tvorijo zelo razredčeno dušikovo kislino, ki reagira z minerali v tleh in tvori nitrate. Nitrati so topni v vodi in jih rastline zlahka absorbirajo.
Večina dušika v živih organizmih prihaja iz procesa, znanega kot fiksacija dušika. To vključuje pretvorbo atmosferskega dušika v tleh v amoniak s strani različnih vrst bakterij in nekaterih alg. Ena taka skupina bakterij, imenovana Rhizobium, tvori vozličke v koreninah graha in fižola. Zato te rastline kmetje pogosto gojijo kot pridelke, ko je treba zemljo obogatiti s tem elementom.
Tako ustvarjen amoniak nato druge vrste bakterij pretvorijo v nitrate, ki jih rastline absorbirajo. Drug proces, imenovan denitrifikacija, vrača dušikov plin v ozračje. Spet to izvajajo bakterije, ki reducirajo nitrate v tleh v dušik.
Človeška bitja so imela pomemben vpliv na kroženje dušika. Ker so nitrati zelo topni v vodi, jih lahko dež hitro odstrani iz tal. Kjer se pridelki intenzivno gojijo, je treba izgubljene nitrate pogosto nadomestiti z nitratnimi gnojili. Te spojine se industrijsko proizvajajo s postopki, ki najprej združijo atmosferski dušik z vodikom, da tvorijo amoniak, nato pa ga združijo s kisikom, da nastane dušikova kislina, ki se uporablja za proizvodnjo gnojil.
Fosforjev cikel
Tako kot dušik je ta element bistveni del DNK. Potreben je tudi za proizvodnjo adenozin trifosfata (ATP), spojine, ki jo celice uporabljajo za energijo. Glavni naravni vir fosforja je iz kamnin. Element vstopi v vodo in tla v obliki fosfatov z erozijo in vremenskimi vplivi, prevzamejo pa ga rastline. Nato napreduje skozi prehranjevalno verigo preko rastlinojedih in mesojedcev ter se vrne v tla, ko ti organizmi umrejo.
Fosfate lahko iz zemlje izpere deževnica, kopičijo se v jezerih in rekah, kjer jih nekaj uporabljajo vodne rastline in drugi organizmi. Nekateri fosfati pa so podvrženi kemičnim reakcijam, ki tvorijo netopne spojine, ki se odlagajo kot usedline. Ti sčasoma tvorijo kamnino in na ta način je fosfor lahko zaklenjen za zelo dolga obdobja – morda desetine ali stotine milijonov let. Sčasoma lahko geološki procesi dvignejo to kamnino, kar omogoči eroziji in vremenskim vplivom, da jo vrnejo živim organizmom.
Na obdelovalnih območjih, tako kot pri dušiku, je treba fosfor, izgubljen iz tal, pogosto nadomestiti s fosfatnimi gnojili, da lahko kmetijstvo ostane donosno. Ta gnojila so večinoma izdelana iz fosfatnih kamnin, kot je apatit. Uporaba živalskega gnoja na poljih je še en primer dodajanja fosforja v tla s strani človeka. V nekaterih primerih se presežek fosfata spere v reke in jezera. Od tod se lahko odlaga v usedline, nekaj pa ostane raztopljeno, kar vodi v prekomerno rast alg.