Dalam ekosistem, air dan unsur-unsur kimia mengalami daur ulang secara kompleks. Daur ulang tersebut melibatkan aktivitas makhluk hidup dan batuan sehingga dinamakan dengan daur biogeokimia.
Berikut adalah daur biogeokimia beberapa unsur
1. Air
Air di atmosfer dalam bentuk uap air. Uap air berasal dari air daratan dan laut yang menguap karena panas cahaya matahari. Sebagian besar uap air di atmosfer berasal dari laut karena laut mencapai dua per tiga luas bumi. Uap air di atmosfer terkondensasi menjadi awan yang turun ke daratan dan laut dalam bentuk presipitasi. Presipitasi dapat berupa hujan, salju, ataupun hujan es. Air yang turun ke daratan akan membentuk air permukaan dan air tanah.
Tumbuhan darat menyerap air yang ada di dalam tanah. Dalam tubuh tumbuhan, air mengalir melalui pembuluh. Selanjutnya, melalui transpirasi uap air dilepaskan oleh tumbuhan ke atmosfer. Transpirasi oleh tumbuhan mencangkup 90% penguapan pada ekosistem darat. Hewan memperoleh air langsung dari air permukaan serta dari tumbuhan dan hewan yang dimakan, sedangkan manusia memperoleh sekitar seperempat dari total kebutuhannya akan air dari cadangan air di tanah. Sebagian air keluar dari tubuh hewan dan manusia sebagai urin dan keringat. Air tanah dan air permukaan sebagian mengalir ke sungai, kemudian ke danau atau laut.
2. Karbon
Unsur karbon terdapat dalam atmosfer dalam bentuk gas karbon dioksida. Konsentrasi gas karbon dioksida di atmosfer adalah 0,03 %. Karbon dioksida masuk dalam komponen biotik melalui produsen. Produsen di darat dan di air menggunakan karbon dioksida untuk membentuk senyawa karbon, seperti glukosa. Glukosa dihasikan oleh produsen melalui proses fotosintesis. Bahan organik tersebut ditransfer ke hewan dan manusia secara langsung maupun tidak langsung melalui rantai makanan.
Respirasi organisme autotrof dan heterotrof menghasilkan karbon dioksida. Kebutuhan tumbuhan akan karbon dioksida hampir seimbang dengan pengeluaran karbon dioksida oleh respirasi organisme.
Pada tumbuhan, bahan organik yang mengandung banyak karbon terdapat pada batang dan kayu. Pada hewan dan manusia, bahan organik yang mengandung karbon terdapat pada tulang. Tumbuhan, hewan dan manusia yang mati akan diuraikan antara lain menjadi karbon dioksida.
Pada kerak bumi, terdapat karbon dalam bentuk batubara dan minyak bumi atau bahan bakar fosil. Jumlah karbon dioksida di atmosfer bervariasi tergantung musim dan penggunaan bahan bakar oleh manusia, sehingga memungkinkan terjadinya ketidakseimbangan.
Pada perairan, karbon dioksida larut dalam air dan diserap langsung oleh organisme autotrof. Karbon dioksida yang dihasilkan oleh respirasi organisme perairan dapat membentuk ion bikarbonat. Ion bikarbonat merupakan sumber karbon dioksida bagi organisme perairan. Beberapa organisme akuatik seperti kelompok moluska, menggunakan karbon dioksida yang terlarut dalam air dan kalsium untuk membentuk kalsium karbonat. Kalsium karbonat merupakan bahan penyusun cangkang. Ketika organisme mati, cangkang yang hancur oleh air dapat menghasilkan karbon dioksida.
3. Nitrogen
Unsur nitrogen sebagian besar dapat ditemukan di atmosfer dalam bentuk gas nitrogen. Gas nitrogen mencangkup 78% dari beberapa gas yang terkandung di atmosfer. Hanya sedikit organisme yang dapat memanfaatkan nitrogen dalam fase gas nitrogen.
Organisme yang dapat memfiksasi atau mengikat nitrogen adalah bakteri. Bakteri pengikat nitrogen yang hidup bebas misalnya Azotobacter sp. yang bersifat aerob dan Clostridium sp. yang bersifat aerob. Selain itu ada Rhizobium yang hidup dalam akar tumbuhan kacang-kacangan yang juga dapat mengikat nitrogen bebas. Nitrogen yang diikat oleh bakteri tersebut diubah menjadi amonia.
Nitrogen dapat diserap oleh tumbuhan dalam bentuk amonia. Penguraian nitrogen menjadi bentuk amonia disebut amonifikasi. Amonia kemudian dirombak oleh bakteri nitrit Nitrosomonas dan Nitrosococcus menjadi ion nitrit. Ion nitrit selanjutnya dirombak oleh bakteri nitrat Nitrobacter menjadi ion nitrat. Ion nitrat selain digunakan oleh tumbuhan, juga digunakan oleh bakteri tanah untuk menghasilkan oksigen. Proses perombakan ion nitrat oleh bakteri denitrifikasi akan menghasilkan nitrogen. Nitrogen yang dihasilkan akan kembali ke atmosfer.
4. Fosfor
Fosfor merupakan elemen penting dalam kehidupan karena semua organisme membutuhkan fosfor dalam bentuk ATP atau Adenosin Trifosfat, sebagai sumber energi untuk metabolisme sel. Fosfor terdapat di alam dalam bentuk ion fosfat. Ion fosfat terdapat di dalam batuan. Adanya peristiwa erosi dan pelapukan menyebabkan fosfat terbawa menuju sungai hingga laut dan membentuk sedimen. Adanya pergerakan lempeng bumi menyebabkan sedimen yang mengandung fosfat muncul ke permukaan.
Di darat, tumbuhan mengambil fosfat yang terlarut dalam air tanah. Herbivora mendapat fosfat dari tumbuhan yang dimakannya dan karnivora mendapat fosfat dari herbivora yang dimakannya. Seluruh hewan mengeluarkan fosfat dari feses dan urin.
Bakteri serta jamur mengurai bahan-bahan anorganik di dalam tanah lalu melepaskan fosfor yang kemudian diambil oleh tumbuhan.
5. Sulfur
Tumbuhan menyerap sulfur dalam bentuk ion sulfat. Perpindahan sulfat terjadi melalui proses rantai makanan, lalu semua makhluk hidup mati dan akan diuraikan komponen organiknya oleh bakteri. Beberapa jenis bakteri terlibat dalam daur sulfur, antara lain Desulfobrio dan Desulfomaculum yang akan mereduksi sulfat menjadi sulfida dalam bentuk hidrogen sulfida. Kemudian hidrogen sulfida digunakan bakteri fotoautotrof anaerob seperti Chromatium dan melepaskan sulfur dan oksigen. Sulfur dioksidasi menjadi sulfat oleh bakteri kemolitotrof seperti Thiobacillus.
