วัฏจักรทางชีวธรณีเคมีหรือโดยทั่วไป คือ วัฏจักรของสสาร [ ^{1 ] คือ}การเคลื่อนที่และการเปลี่ยนแปลงของธาตุและสารประกอบทางเคมีระหว่างสิ่งมีชีวิต บรรยากาศ และเปลือกโลก วัฏจักรทางชีวธรณีเคมีที่สำคัญ ได้แก่วัฏจักรคาร์บอนวัฏจักรไนโตรเจนและวัฏจักรน้ำในแต่ละวัฏจักร ธาตุหรือโมเลกุลทางเคมีจะถูกเปลี่ยนแปลงและหมุนเวียนโดยสิ่งมีชีวิตและผ่านรูปแบบทางธรณีวิทยาและแหล่งกักเก็บต่างๆ รวมถึงบรรยากาศ ดิน และมหาสมุทร อาจคิดได้ว่าเป็นเส้นทางที่สารเคมีหมุนเวียน (ถูกเปลี่ยนหรือเคลื่อนที่ผ่าน) ส่วนประกอบทางชีวภาพและส่วนประกอบที่ไม่ใช่ชีวภาพของโลกส่วนประกอบทางชีวภาพคือชีวภาคและส่วนประกอบที่ไม่ใช่ชีวภาพคือบรรยากาศธรณีภาคและอุทกภาค

ตัวอย่างเช่น ในวัฏจักรคาร์บอนคาร์บอนไดออกไซด์ ในบรรยากาศ จะถูกพืชดูดซับผ่านกระบวนการสังเคราะห์แสงซึ่งจะเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์ให้เป็นสารประกอบอินทรีย์ที่สิ่งมีชีวิตนำไปใช้เป็นพลังงานและการเจริญเติบโต จากนั้น คาร์บอนจะถูกปล่อยกลับสู่บรรยากาศผ่านกระบวนการหายใจและการย่อยสลายนอกจากนี้ คาร์บอนยังถูกเก็บสะสมไว้ในเชื้อเพลิงฟอสซิลและถูกปล่อยสู่บรรยากาศผ่านกิจกรรมของมนุษย์ เช่น การเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิลในวัฏจักรไนโตรเจน ก๊าซไนโตรเจน ในบรรยากาศ จะถูกพืชเปลี่ยนให้เป็นรูปแบบที่ใช้ประโยชน์ได้ เช่นแอมโมเนียและไนเตรตผ่านกระบวนการตรึงไนโตรเจนสารประกอบเหล่านี้สามารถนำไปใช้โดยสิ่งมีชีวิตอื่นๆ และไนโตรเจนจะถูกส่งกลับสู่บรรยากาศผ่านกระบวนการดีไนตริฟิเคชันและกระบวนการอื่นๆ ในวัฏจักร น้ำ น้ำ ซึ่งเป็นตัวทำละลายสากลจะระเหยจากพื้นดินและมหาสมุทรเพื่อก่อตัวเป็นเมฆในบรรยากาศ จากนั้นก็ตกลงมาสู่ส่วนต่างๆ ของโลก น้ำฝนสามารถซึมลงสู่พื้นดินและกลายเป็นส่วนหนึ่งของระบบน้ำใต้ดินที่พืชและสิ่งมีชีวิตอื่นๆ ใช้ หรือสามารถไหลไปตามพื้นผิวเพื่อก่อตัวเป็นทะเลสาบและแม่น้ำ จากนั้นน้ำใต้ดินสามารถซึมลงสู่มหาสมุทรพร้อมกับน้ำที่ไหลจากแม่น้ำซึ่งอุดมไปด้วยสารอินทรีย์ที่ละลายและ เป็นอนุภาค รวมถึงสารอาหารอื่นๆ

มีวัฏจักรทางชีวธรณี เคมี สำหรับธาตุ อื่น ๆ อีกมากมาย เช่นออกซิเจนไฮโดรเจนฟอสฟอรัสแคลเซียมเหล็กกำมะถันปรอทและซีลีเนียม นอกจาก นี้ยังมีวัฏจักรสำหรับโมเลกุล เช่นน้ำและซิลิกาและยังมีวัฏจักรระดับมหภาค เช่น วัฏจักร ของหิน และวัฏจักร ที่มนุษย์สร้างขึ้นสำหรับสารประกอบสังเคราะห์ เช่น โพ ลีคลอ ริเนเตดไบฟีนิล (PCBs) ในบางวัฏจักรมีแหล่งกักเก็บทางธรณีวิทยาที่สารต่างๆ สามารถคงอยู่หรือถูกกักเก็บไว้ได้เป็นเวลานาน

วัฏจักรทางชีวธรณีเคมีเกี่ยวข้องกับการปฏิสัมพันธ์ของกระบวนการทางชีวภาพ ธรณีวิทยา และเคมี กระบวนการทางชีวภาพรวมถึงอิทธิพลของจุลินทรีย์ซึ่งเป็นตัวขับเคลื่อนที่สำคัญของวัฏจักรทางชีวธรณีเคมี จุลินทรีย์มีความสามารถในการดำเนินกระบวนการเมตาบอลิซึม ที่หลากหลาย ซึ่งจำเป็นต่อการหมุนเวียนของสารอาหาร ( ธาตุอาหารหลักและธาตุอาหารรอง ) และสารเคมีทั่วทั้งระบบนิเวศทั่วโลก หากปราศจากจุลินทรีย์ กระบวนการเหล่านี้จำนวนมากจะไม่เกิดขึ้น ส่งผลกระทบอย่างมากต่อการทำงานของระบบนิเวศบนบกและในมหาสมุทร และวัฏจักรทางชีวธรณีเคมีของโลกโดยรวม การเปลี่ยนแปลงของวัฏจักรสามารถส่งผลกระทบต่อสุขภาพของมนุษย์ วัฏจักรเหล่านี้เชื่อมโยงกันและมีบทบาทสำคัญในการควบคุมสภาพภูมิอากาศ สนับสนุนการเจริญเติบโตของพืชแพลงก์ตอนพืชและสิ่งมีชีวิตอื่นๆ และรักษาสุขภาพของระบบนิเวศโดยทั่วไป กิจกรรมของมนุษย์ เช่น การเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิลและการใช้ปุ๋ยในปริมาณมาก สามารถรบกวนวัฏจักร ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ มลภาวะ และปัญหาสิ่งแวดล้อมอื่นๆ

พลังงานไหลผ่านระบบนิเวศในทิศทางที่กำหนด โดยเข้ามาในรูปของแสงแดด (หรือโมเลกุลอนินทรีย์สำหรับเคโมออโตโทรฟ ) และออกไปในรูปของความร้อนระหว่างการถ่ายโอนหลายครั้งระหว่างระดับโภชนาการอย่างไรก็ตาม สสารที่ประกอบขึ้นเป็นสิ่งมีชีวิตจะถูกอนุรักษ์และนำกลับมาใช้ใหม่ ธาตุที่พบมากที่สุด 6 ชนิดที่เกี่ยวข้องกับโมเลกุลอินทรีย์ ได้แก่ คาร์บอน ไนโตรเจน ไฮโดรเจน ออกซิเจน ฟอสฟอรัส และกำมะถัน สามารถอยู่ในรูปแบบทางเคมีที่หลากหลายและอาจคงอยู่เป็นเวลานานในชั้นบรรยากาศ บนบก ในน้ำ หรือใต้พื้นผิวโลก กระบวนการทางธรณีวิทยา เช่นการผุพังการกัด เซาะ การระบายน้ำและการมุดตัวของแผ่นเปลือกโลกล้วนมีบทบาทในการนำวัสดุกลับมาใช้ใหม่นี้ เนื่องจากธรณีวิทยาและเคมีมีบทบาทสำคัญในการศึกษากระบวนการนี้ การนำสสารอนินทรีย์กลับมาใช้ใหม่ระหว่างสิ่งมีชีวิตและสิ่งแวดล้อมจึงเรียกว่าวัฏจักรทางชีวธรณีเคมี^{[ 3 ]}

องค์ประกอบทั้งหกที่กล่าวถึงข้างต้นถูกสิ่งมีชีวิตนำไปใช้ในหลากหลายวิธี ไฮโดรเจนและออกซิเจนพบได้ในน้ำและโมเลกุลอินทรีย์ซึ่งทั้งสองอย่างจำเป็นต่อชีวิต คาร์บอนพบได้ในโมเลกุลอินทรีย์ทั้งหมด ในขณะที่ไนโตรเจนเป็นองค์ประกอบสำคัญของกรดนิวคลีอิกและโปรตีนฟอสฟอรัสใช้ในการสร้างกรดนิวคลีอิกและฟอสโฟลิปิดซึ่งเป็นส่วนประกอบ ของ เยื่อหุ้มเซลล์ ซัลเฟอร์มีความสำคัญต่อรูปร่างสามมิติของโปรตีน วัฏจักรขององค์ประกอบเหล่านี้มีความเชื่อมโยงกัน ตัวอย่างเช่น การเคลื่อนที่ของน้ำมีความสำคัญต่อการชะล้างซัลเฟอร์และฟอสฟอรัสลงสู่แม่น้ำ ซึ่งสามารถไหลลงสู่มหาสมุทรได้ แร่ธาตุหมุนเวียนผ่านชีวภาคระหว่างองค์ประกอบทางชีวภาพและอชีวภาพ และจากสิ่งมีชีวิตหนึ่งไปยังอีกสิ่งมีชีวิตหนึ่ง^{[ 4 ]}

ระบบนิเวศ ( ระบบนิเวศ ) มีวัฏจักรทางชีวเคมีหลายอย่างที่ทำงานเป็นส่วนหนึ่งของระบบ เช่น วัฏจักรน้ำ วัฏจักรคาร์บอน วัฏจักรไนโตรเจน เป็นต้น ธาตุเคมีทั้งหมดที่เกิดขึ้นภายในสิ่งมีชีวิตล้วนเป็นส่วนหนึ่งของวัฏจักรทางชีวเคมี นอกจากจะเป็นส่วนหนึ่งของสิ่งมีชีวิตแล้ว ธาตุเคมีเหล่านี้ยังหมุนเวียนผ่านปัจจัยทางกายภาพของระบบนิเวศ เช่น น้ำ ( อุทกภาค ) ดิน ( ธรณีภาค ) และ/หรืออากาศ ( บรรยากาศ ) อีก ด้วย ^{[ 5 ]}

ปัจจัยทางชีวภาพของโลกสามารถเรียกรวมกันได้ว่าชีวภาค สารอาหาร ทั้งหมดเช่นคาร์บอนไนโตรเจนออกซิเจนฟอสฟอรัสและกำมะถันที่สิ่งมีชีวิตใช้ในระบบนิเวศเป็นส่วนหนึ่งของระบบปิด ดังนั้นสารเคมีเหล่านี้จึงถูกนำกลับมาใช้ใหม่แทนที่จะสูญเสีย ไปและถูกเติมเต็มอย่างต่อเนื่องเหมือนในระบบเปิด^{[ 5 ]}

ส่วนสำคัญของชีวภาคเชื่อมต่อกันด้วยการไหลเวียนของธาตุและสารประกอบทางเคมีในวัฏจักรทางชีวธรณีเคมี ในวัฏจักรเหล่านี้หลายวัฏจักรสิ่งมีชีวิตมีบทบาทสำคัญ สสารจากภายในโลกถูกปล่อยออกมาจากภูเขาไฟ บรรยากาศแลกเปลี่ยนสารประกอบและธาตุบางอย่างกับสิ่งมีชีวิตและมหาสมุทรอย่างรวดเร็ว การแลกเปลี่ยนวัสดุระหว่างหิน ดิน และมหาสมุทรโดยทั่วไปจะช้ากว่าเมื่อเทียบกัน^{[ 2 ]}

การไหลเวียนของพลังงานในระบบนิเวศเป็นระบบเปิดดวงอาทิตย์ให้พลังงานแก่โลกอย่างต่อเนื่องในรูปของแสง ซึ่งในที่สุดก็จะถูกใช้และสูญเสียไปในรูปของความร้อนตลอดระดับห่วงโซ่อาหาร คาร์บอนถูกนำไปใช้ในการสร้างคาร์โบไฮเดรต ไขมัน และโปรตีน ซึ่งเป็นแหล่งพลังงานหลักของอาหารสารประกอบเหล่านี้จะถูกออกซิไดซ์เพื่อปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งพืชสามารถนำไปใช้สร้างสารประกอบอินทรีย์ได้ปฏิกิริยาเคมี นี้ เกิดขึ้นจากพลังงานแสงของดวงอาทิตย์

แสงแดดเป็นสิ่งจำเป็นในการรวมคาร์บอนกับไฮโดรเจนและออกซิเจนให้กลายเป็นแหล่งพลังงาน แต่ระบบนิเวศในทะเลลึกซึ่งแสงแดดส่องไม่ถึง จะได้รับพลังงานจากกำมะถันไฮโดรเจนซัลไฟด์ที่อยู่ใกล้ปล่องภูเขาไฟใต้ทะเลสามารถนำไปใช้โดยสิ่งมีชีวิต เช่นหนอนท่อยักษ์ในวัฏจักรของกำมะถัน กำมะถันสามารถถูกนำกลับมาใช้ใหม่เป็นแหล่งพลังงานได้อย่างไม่สิ้นสุด พลังงานสามารถถูกปลดปล่อยออกมาได้ผ่านปฏิกิริยาออกซิเดชันและรีดักชันของสารประกอบกำมะถัน (เช่น การออกซิไดซ์กำมะถันธาตุเป็นซัลไฟต์แล้วเป็นซัลเฟต )

• 
  ตัวอย่างของกระบวนการทางชีวธรณีเคมีที่สำคัญ
• 
  กระบวนการสูบน้ำของวาฬในมหาสมุทรแสดงให้เห็นว่าวาฬหมุนเวียนสารอาหารผ่านมวลน้ำ ในมหาสมุทรได้อย่างไร
• 
  ผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงในวัฏจักรคาร์บอนทั่วโลกอันเนื่องมาจากกิจกรรมของมนุษย์นั้นสร้างความกังวลให้กับนักวิทยาศาสตร์^{[ 6 ]}

แม้ว่าโลกจะได้รับพลังงานจากดวงอาทิตย์อย่างต่อเนื่อง แต่ส่วนประกอบทางเคมีของโลกนั้นโดยพื้นฐานแล้วคงที่ เนื่องจากสสารเพิ่มเติมจะถูกเพิ่มเข้ามาเป็นครั้งคราวโดยอุกกาบาต เนื่องจากส่วนประกอบทางเคมีนี้ไม่ได้รับการเติมเต็มเหมือนพลังงาน กระบวนการทั้งหมดที่ขึ้นอยู่กับสารเคมีเหล่านี้จึงต้องมีการหมุนเวียน วัฏจักรเหล่านี้รวมถึงชีวภาคที่มีชีวิตและธรณีภาค ที่ไม่มีชีวิต บรรยากาศและอุทกภาค

วัฏจักรทางชีวธรณีเคมีนั้นแตกต่างจากวัฏจักรทาง ธรณีเคมี โดยวัฏจักรทางธรณีเคมีจะศึกษาเฉพาะ แหล่งกักเก็บ ในเปลือกโลกและใต้เปลือกโลกเท่านั้น แม้ว่ากระบวนการบางอย่างจากทั้งสองวัฏจักรจะทับซ้อนกันก็ตาม

วัฏจักรทางชีวธรณีเคมีทำงานโดยการเคลื่อนย้ายสารต่างๆ ซึ่งอาจมีการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างทางเคมีได้ ผ่านทางเดินต่างๆ ในส่วนที่เป็นสิ่งมีชีวิตและส่วนที่ไม่มีสิ่งมีชีวิตของโลก ส่วนที่เป็นสิ่งมีชีวิตคือชีวภาคและส่วนที่ไม่มีสิ่งมีชีวิตคือชั้นบรรยากาศชั้นธรณีภาคและชั้นอุทกภาค

ช่องว่างที่ไม่มีสิ่งมีชีวิต

บรรยากาศ

อุทกภาค

มหาสมุทรทั่วโลกครอบคลุมพื้นที่มากกว่า 70% ของพื้นผิวโลกและมีความหลากหลายอย่างมาก พื้นที่ผลิตทางทะเลและระบบนิเวศชายฝั่งประกอบขึ้นเป็นสัดส่วนเล็กน้อยของมหาสมุทรในแง่ของพื้นที่ผิว แต่มีผลกระทบอย่างมหาศาลต่อวัฏจักรทางชีวเคมีทั่วโลกที่ดำเนินการโดยชุมชนจุลินทรีย์ซึ่งคิดเป็น 90% ของชีวมวลในมหาสมุทร^{[ 10 ]}งานวิจัยในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาส่วนใหญ่มุ่งเน้นไปที่วัฏจักรของคาร์บอนและธาตุอาหารหลัก เช่น ไนโตรเจน ฟอสฟอรัส และซิลิเกต: ธาตุสำคัญอื่นๆ เช่น กำมะถันหรือธาตุติดตามได้รับการศึกษาน้อยกว่า ซึ่งสะท้อนให้เห็นถึงปัญหาทางเทคนิคและโลจิสติกส์ที่เกี่ยวข้อง^{[ 11 ]}พื้นที่ทางทะเลเหล่านี้และกลุ่มสิ่งมีชีวิตที่ประกอบเป็นระบบนิเวศของพวกมันกำลังเผชิญกับแรงกดดันจากกิจกรรมของมนุษย์มากขึ้นเรื่อยๆ ซึ่งส่งผลกระทบต่อสิ่งมีชีวิตในทะเลและการหมุนเวียนของพลังงานและสารอาหาร^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]}ตัวอย่างสำคัญคือภาวะยูโทรฟิเคชัน ทางวัฒนธรรม ซึ่งการไหลบ่าของสารเคมีทางการเกษตรนำไปสู่การเพิ่มปริมาณไนโตรเจนและฟอสฟอรัสในระบบนิเวศชายฝั่ง ทำให้ผลผลิตเพิ่มขึ้นอย่างมาก ส่งผลให้เกิดการแพร่กระจายของสาหร่ายการลดลงของออกซิเจนในมวลน้ำและพื้นทะเล และการปล่อยก๊าซเรือนกระจกเพิ่มขึ้น^{[ 15 ]}ซึ่งส่งผลกระทบโดยตรงต่อ วัฏจักร ไนโตรเจนและคาร์บอน ทั้งในระดับท้องถิ่นและระดับโลก อย่างไรก็ตาม การไหลบ่าของสารอินทรีย์จากแผ่นดินใหญ่สู่ระบบนิเวศชายฝั่งเป็นเพียงหนึ่งในภัยคุกคามเร่งด่วนหลายประการที่สร้างความกดดันให้กับชุมชนจุลินทรีย์เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของโลก การเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศยังส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในไครโอสเฟียร์เช่น ธารน้ำแข็งและดินเยือกแข็งละลาย ส่งผลให้เกิดการแบ่งชั้นของน้ำทะเล ที่รุนแรงขึ้น ในขณะที่การเปลี่ยนแปลงสถานะรีดอกซ์ในชีวนิเวศต่างๆ กำลังปรับเปลี่ยนกลุ่มจุลินทรีย์ อย่างรวดเร็ว ในอัตราที่ไม่เคยมีมาก่อน^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 11 ]}

ดังนั้น การเปลี่ยนแปลงระดับโลกจึงส่งผลกระทบต่อกระบวนการสำคัญต่างๆ รวมถึงผลผลิตขั้นต้นการตรึงCO2 N2 การหายใจ/ การแร่ธาตุ ของสารอินทรีย์ และการจมและการฝังกลบของ CO2 ที่ถูกตรึง[ ^{นอกจากนี้มหาสมุทร}ยังประสบกับกระบวนการเป็นกรดโดยมีการเปลี่ยนแปลงค่า pH ประมาณ 0.1 หน่วยระหว่างช่วงก่อนยุคอุตสาหกรรมกับปัจจุบัน ซึ่งส่งผลกระทบต่อเคมี บัฟเฟอร์คาร์บอเนต / ไบคาร์บอเนตในทางกลับกัน มีรายงานว่าความเป็นกรดส่งผลกระทบต่อ ชุมชน แพลงก์ตอนโดยเฉพาะอย่างยิ่งผ่านผลกระทบต่อกลุ่มสิ่งมีชีวิตที่สร้างแคลเซียม^{[ 20 ]}นอกจากนี้ยังมีหลักฐานสำหรับการเปลี่ยนแปลงในการผลิตผลิตภัณฑ์ระเหยระดับกลางที่สำคัญ ซึ่งบางส่วนมีผลกระทบเรือนกระจกที่เด่นชัด (เช่น N O และ CH ซึ่ง ได้รับการทบทวนโดย Breitburg ในปี 2018 ^{[ 17 ]}เนื่องจากการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิโลก การแบ่งชั้นของมหาสมุทร และการขาดออกซิเจน ซึ่งส่งผลให้ไนโตรเจนสูญเสียจากมหาสมุทรสู่ชั้นบรรยากาศมากถึง 25 ถึง 50% ในบริเวณที่เรียกว่าเขตออกซิเจนต่ำสุด^{[ 21 ]}หรือเขตทะเลที่ปราศจากออกซิเจน^{[ 22 ]}ซึ่งเกิดจากกระบวนการของจุลินทรีย์ ผลิตภัณฑ์อื่นๆ ที่มักเป็นพิษต่อเนกตอน ในทะเล รวมถึงสารประกอบกำมะถันที่ลดลง เช่น H S มีผลกระทบเชิงลบต่อทรัพยากรทางทะเล เช่น การประมงและการเพาะเลี้ยงสัตว์น้ำชายฝั่ง ในขณะที่การเปลี่ยนแปลงของโลกเร่งตัวขึ้น ก็มีการเพิ่มขึ้นควบคู่กันไปของความตระหนักเกี่ยวกับความซับซ้อนของระบบนิเวศทางทะเล โดยเฉพาะอย่างยิ่งบทบาทพื้นฐานของจุลินทรีย์ในฐานะตัวขับเคลื่อนการทำงานของระบบนิเวศ^{[ 18 ] [ 11 ]}

ธรณีภาค

บางครั้งสารเคมีจะถูกกักเก็บไว้ในที่เดียวเป็นเวลานาน สถานที่นี้เรียกว่าแหล่งกักเก็บซึ่งตัวอย่างเช่น ได้แก่ แหล่งสะสม ถ่านหินที่กักเก็บคาร์บอน ไว้ เป็นเวลานาน^{[ 23 ]}เมื่อสารเคมีถูกกักเก็บไว้เพียงช่วงเวลาสั้นๆ สารเคมีเหล่านั้นจะถูกกักเก็บไว้ในแหล่งแลกเปลี่ยนตัวอย่างของแหล่งแลกเปลี่ยน ได้แก่ พืชและสัตว์^{[ 23 ]}

พืชและสัตว์ใช้คาร์บอนในการผลิตคาร์โบไฮเดรต ไขมัน และโปรตีน ซึ่งสามารถนำไปใช้สร้างโครงสร้างภายในหรือรับพลังงานได้ พืชและสัตว์ใช้คาร์บอนในระบบของพวกมันชั่วคราวแล้วปล่อยกลับคืนสู่อากาศหรือสิ่งแวดล้อมโดยรอบ โดยทั่วไป แหล่งกักเก็บเป็นปัจจัยทางชีวภาพ ในขณะที่แหล่งแลกเปลี่ยนเป็นปัจจัยทางชีวภาพ คาร์บอนจะถูกกักเก็บไว้ในพืชและสัตว์เป็นระยะเวลาค่อนข้างสั้นเมื่อเทียบกับถ่านหิน ระยะเวลาที่สารเคมีถูกกักเก็บไว้ในที่ใดที่หนึ่งเรียกว่าเวลาคงอยู่หรือเวลาหมุนเวียน (เรียกอีกอย่างว่าเวลาต่ออายุหรืออายุออก) ^{[ 23 ]}

แบบจำลองกล่องถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในการจำลองระบบทางชีวธรณีเคมี^{[ 24 ] [ 25 ]}แบบจำลองกล่องเป็นเวอร์ชันที่เรียบง่ายของระบบที่ซับซ้อน โดยลดทอนระบบเหล่านั้นให้เหลือเพียงกล่อง (หรืออ่างเก็บน้ำ)สำหรับวัสดุทางเคมี ซึ่งเชื่อมโยงกันด้วยการไหลของ วัสดุ แบบจำลองกล่องแบบง่ายจะมีกล่องจำนวนน้อยที่มีคุณสมบัติ เช่น ปริมาตร ที่ไม่เปลี่ยนแปลงตามเวลา โดยถือว่ากล่องเหล่านี้มีพฤติกรรมราวกับว่ามีการผสมกันอย่างเป็นเนื้อเดียวกัน^{[ 25 ]}แบบจำลองเหล่านี้มักใช้เพื่อหาอนุพันธ์ของสูตรวิเคราะห์ที่อธิบายพลวัตและความอุดมสมบูรณ์ของสารเคมีที่เกี่ยวข้องในสภาวะสมดุล

แผนภาพทางด้านขวาแสดงแบบจำลองกล่องเดียวพื้นฐาน อ่างเก็บน้ำประกอบด้วยปริมาณวัสดุMที่กำลังพิจารณา ซึ่งกำหนดโดยคุณสมบัติทางเคมี ทางกายภาพ หรือทางชีววิทยา แหล่งกำเนิดQคือฟลักซ์ของวัสดุที่เข้าสู่อ่างเก็บน้ำ และแหล่งรับSคือฟลักซ์ของวัสดุที่ออกจากอ่างเก็บน้ำ งบประมาณคือการตรวจสอบและสมดุลของแหล่งกำเนิดและแหล่งรับที่ส่งผลต่อการหมุนเวียนของวัสดุในอ่างเก็บน้ำ อ่างเก็บน้ำอยู่ในสภาวะคงที่หากQ = Sนั่นคือ หากแหล่งกำเนิดสมดุลกับแหล่งรับและไม่มีการเปลี่ยนแปลงเมื่อเวลาผ่านไป^{[ 25 ]}

เวลาการอยู่อาศัยหรือเวลาหมุนเวียนคือเวลาเฉลี่ยที่วัสดุใช้ในการอยู่ในอ่างเก็บน้ำ หากอ่างเก็บน้ำอยู่ในสภาวะคงที่ เวลานี้จะเท่ากับเวลาที่ใช้ในการเติมหรือระบายอ่างเก็บน้ำ ดังนั้น ถ้า τ คือเวลาหมุนเวียน τ = M / S ^{[ 25} ] สมการที่อธิบายอัตราการเปลี่ยนแปลงของเนื้อหาในอ่างเก็บน้ำ^คือ

${\displaystyle {\frac {dM}{dt}}=QS=Q-{\frac {M}{\tau }}.}$

เมื่ออ่างเก็บน้ำสองแห่งขึ้นไปเชื่อมต่อกัน วัสดุสามารถถือได้ว่าหมุนเวียนระหว่างอ่างเก็บน้ำ และอาจมีรูปแบบที่คาดการณ์ได้สำหรับการไหลแบบหมุนเวียน^{[ 25 ]}แบบจำลองมัลติบ็อกซ์ที่ซับซ้อนกว่ามักจะได้รับการแก้ไขโดยใช้เทคนิคเชิงตัวเลข

แผนภาพด้านซ้ายแสดงงบประมาณการไหลเวียนของคาร์บอนในมหาสมุทรแบบง่าย ประกอบด้วยแบบจำลองกล่องเชื่อมต่อกันอย่างง่าย 3 แบบ แบบหนึ่งสำหรับเขตยูโฟติกแบบหนึ่งสำหรับส่วนภายในของมหาสมุทรหรือมหาสมุทรมืด และอีกแบบหนึ่งสำหรับตะกอนในมหาสมุทรในเขตยูโฟติกการผลิตแพลงก์ตอนพืช สุทธิ อยู่ที่ประมาณ 50 Pg C ในแต่ละปี ประมาณ 10 Pg ถูกส่งออกไปยังส่วนภายในของมหาสมุทร ในขณะที่อีก 40 Pg ถูกหายใจออก การย่อยสลายของคาร์บอนอินทรีย์เกิดขึ้นเมื่ออนุภาค ( หิมะทะเล ) ตกตะกอนผ่านส่วนภายในของมหาสมุทร มีเพียง 2 Pg เท่านั้นที่ไปถึงพื้นทะเลในที่สุด ในขณะที่อีก 8 Pg ถูกหายใจออกในมหาสมุทรมืด ในตะกอน ช่วงเวลาที่ใช้ในการย่อยสลายจะเพิ่มขึ้นหลายเท่า ส่งผลให้ 90% ของคาร์บอนอินทรีย์ที่ส่งมาถูกย่อยสลาย และมีเพียง 0.2 Pg C yr ⁻¹ เท่านั้น ที่ถูกฝังและถ่ายโอนจากชีวภาคไปยังธรณีภาคในที่สุด^{[ 26 ]}

แผนภาพทางด้านขวาแสดงแบบจำลองที่ซับซ้อนกว่าซึ่งมีกล่องโต้ตอบกันหลายกล่อง มวลของแหล่งกักเก็บในที่นี้แสดงถึง ปริมาณ คาร์บอนที่สะสมไว้ โดยวัดเป็น Pg C ฟลักซ์การแลกเปลี่ยนคาร์บอน โดยวัดเป็น Pg C yr ⁻¹เกิดขึ้นระหว่างชั้นบรรยากาศและแหล่งกักเก็บหลักสองแหล่ง ได้แก่ พื้นดินและมหาสมุทร ตัวเลขและลูกศรสีดำแสดงถึงมวลของแหล่งกักเก็บและฟลักซ์การแลกเปลี่ยนที่ประมาณไว้สำหรับปี ค.ศ. 1750 ก่อนการปฏิวัติอุตสาหกรรมลูกศรสีแดง (และตัวเลขที่เกี่ยวข้อง) แสดงถึงการเปลี่ยนแปลงฟลักซ์รายปีเนื่องจากกิจกรรมของมนุษย์ โดยเฉลี่ยในช่วงปี ค.ศ. 2000–2009 ซึ่งแสดงให้เห็นว่าวัฏจักรคาร์บอนเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรตั้งแต่ปี ค.ศ. 1750 ตัวเลขสีแดงในแหล่งกักเก็บแสดงถึงการเปลี่ยนแปลงสะสมของคาร์บอนที่เกิดจากมนุษย์ตั้งแต่เริ่มต้นยุคอุตสาหกรรม ค.ศ. 1750–2011 ^{[ 28 ] [ 29 ] [ 27 ]}

วัฏจักรทางชีวธรณีเคมีมีทั้งแบบเร็วและแบบช้า วัฏจักรเร็วเกิดขึ้นในชีวภาคและวัฏจักรช้าเกิดขึ้นในธรณีภาคในหิน วัฏจักร เร็วหรือวัฏจักรทางชีวภาพสามารถเสร็จสิ้นได้ภายในไม่กี่ปี โดยเคลื่อนย้ายสารจากชั้นบรรยากาศไปยังชีวภาค แล้วกลับไปยังชั้นบรรยากาศ วัฏจักรช้าหรือวัฏจักรทางธรณีวิทยาอาจใช้เวลาหลายล้านปีในการเสร็จสิ้น โดยเคลื่อนย้ายสารผ่านเปลือกโลกระหว่างหิน ดิน มหาสมุทร และชั้นบรรยากาศ^{[ 31 ]}

ตัวอย่างเช่น วัฏจักรคาร์บอนแบบเร็วแสดงไว้ในแผนภาพทางด้านขวา วัฏจักรนี้เกี่ยวข้องกับ กระบวนการ ทางชีวธรณีเคมี ในระยะเวลาค่อนข้างสั้น ระหว่างสิ่งแวดล้อมและสิ่งมีชีวิตในชีวภาค ซึ่งรวมถึงการเคลื่อนที่ของคาร์บอนระหว่างชั้นบรรยากาศและระบบนิเวศบนบกและในทะเล รวมถึงดินและตะกอนใต้ทะเลวัฏจักรแบบเร็วนี้ประกอบด้วยวัฏจักรรายปีที่เกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์แสงและวัฏจักรทศวรรษที่เกี่ยวข้องกับการเจริญเติบโตของพืชและการย่อยสลาย ปฏิกิริยาของวัฏจักรคาร์บอนแบบเร็วต่อกิจกรรมของมนุษย์จะเป็นตัวกำหนดผลกระทบโดยตรงหลายประการของการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ^{[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ] [ 35 ]}

วัฏจักรช้าแสดงไว้ในแผนภาพอื่น เกี่ยวข้องกับกระบวนการ ทางธรณีเคมีระยะกลางถึงระยะยาวที่อยู่ในวัฏจักรของหินการแลกเปลี่ยนระหว่างมหาสมุทรและบรรยากาศอาจใช้เวลาหลายศตวรรษ และการผุพังของหินอาจใช้เวลาหลายล้านปี คาร์บอนในมหาสมุทรตกตะกอนลงสู่พื้นมหาสมุทร ซึ่งสามารถก่อตัวเป็นหินตะกอนและถูกดึงลงไปในเนื้อโลก กระบวนการ สร้างภูเขาส่งผลให้คาร์บอนทางธรณีวิทยาเหล่านี้กลับคืนสู่พื้นผิวโลก ที่นั่นหินจะผุพังและคาร์บอนจะกลับคืนสู่บรรยากาศโดยการปล่อยก๊าซและกลับสู่มหาสมุทรโดยแม่น้ำ คาร์บอนทางธรณีวิทยาอื่นๆ กลับคืนสู่มหาสมุทรผ่านการปล่อยไอออนแคลเซียมจากความร้อนใต้พิภพ ในหนึ่งปีจะมีคาร์บอนเคลื่อนที่ไปรอบๆ วัฏจักรช้านี้ประมาณ 10 ถึง 100 ล้านตัน ซึ่งรวมถึงภูเขาไฟที่ส่งคาร์บอนทางธรณีวิทยากลับสู่บรรยากาศโดยตรงในรูปของคาร์บอนไดออกไซด์ อย่างไรก็ตาม ปริมาณนี้น้อยกว่าหนึ่งเปอร์เซ็นต์ของคาร์บอนไดออกไซด์ที่ถูกปล่อยสู่บรรยากาศจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิล^{[ 31 ] [ 32 ]}

ใต้พื้นดินเป็นแหล่งกักเก็บคาร์บอนที่ใหญ่ที่สุดบนโลก โดยมีคาร์บอน 14–135 เพตากรัม^{[ 36 ]}และชีวมวล 2–19% ของชีวมวลทั้งหมด^{[ 37 ]}จุลินทรีย์เป็นตัวขับเคลื่อนการเปลี่ยนแปลงของสารประกอบอินทรีย์และอนินทรีย์ในสภาพแวดล้อมนี้ และควบคุมวัฏจักรทางชีวธรณีเคมี ความรู้ในปัจจุบันเกี่ยวกับนิเวศวิทยาของจุลินทรีย์ใต้พื้นดินส่วนใหญ่มาจาก ลำดับยีน 16S ribosomal RNA (rRNA) การประมาณการล่าสุดแสดงให้เห็นว่า <8% ของลำดับ 16S rRNA ในฐานข้อมูลสาธารณะมาจากสิ่งมีชีวิตใต้พื้นดิน^{[ 38 ]}และมีเพียงส่วนน้อยเท่านั้นที่แสดงโดยจีโนมหรือไอโซเลต ดังนั้นจึงมีข้อมูลที่เชื่อถือได้น้อยมากเกี่ยวกับกระบวนการเผาผลาญของจุลินทรีย์ในใต้พื้นดิน นอกจากนี้ ยังไม่ค่อยมีใครรู้ว่าสิ่งมีชีวิตในระบบนิเวศใต้พื้นดินเชื่อมโยงกันทางกระบวนการเผาผลาญอย่างไร การศึกษาบางส่วนที่ใช้การเพาะเลี้ยงของกลุ่มจุลินทรีย์แบบซินโทรฟิก^{[ 39 ] [ 40 ] [ 41 ]}และการวิเคราะห์เมตาจีโนมิกส์ขนาดเล็กของชุมชนธรรมชาติ^{[ 42 ] [ 43 ] [ 44 ]}ชี้ให้เห็นว่าสิ่งมีชีวิตเชื่อมโยงกันผ่านการส่งต่อเมตาบอลิซึม: การถ่ายโอนผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยารีดอกซ์ของสิ่งมีชีวิตหนึ่งไปยังอีกสิ่งมีชีวิตหนึ่ง อย่างไรก็ตาม ยังไม่มีการวิเคราะห์สภาพแวดล้อมที่ซับซ้อนใดๆ อย่างสมบูรณ์เพียงพอที่จะไขเครือข่ายปฏิสัมพันธ์ทางเมตาบอลิซึมที่เป็นพื้นฐานของสภาพแวดล้อมเหล่านั้น ซึ่งจำกัดความสามารถของแบบจำลองทางชีวธรณีเคมีในการจับภาพแง่มุมสำคัญของวัฏจักรคาร์บอนและสารอาหารอื่นๆ^{[ 45 ]}แนวทางใหม่ๆ เช่น เมตาจีโนมิกส์ที่แก้ไขจีโนม ซึ่งเป็นแนวทางที่สามารถสร้างชุดร่างจีโนมที่ครอบคลุมและแม้กระทั่งจีโนมที่สมบูรณ์สำหรับสิ่งมีชีวิตโดยไม่จำเป็นต้องแยกในห้องปฏิบัติการ^{[ 42 ] [ 46 ] [ 47 ]}มีศักยภาพที่จะให้ความเข้าใจในระดับที่สำคัญนี้เกี่ยวกับกระบวนการทางชีวธรณีเคมี^{[ 48 ]}

วัฏจักรทางชีวธรณีเคมีที่รู้จักกันดีบางส่วนแสดงไว้ด้านล่างนี้:

• 
  วัฏจักรคาร์บอน
• 
  วัฏจักรออกซิเจน
• 
  วัฏจักรไนโตรเจน
• 
  วัฏจักรสารอาหาร
• 
  วัฏจักรฟอสฟอรัส
• 
  วัฏจักรซัลเฟอร์
• 
  วัฏจักรหิน
• 
  วัฏจักรของน้ำ

ปัจจุบันมีการศึกษาวัฏจักรทางชีวธาตุเคมีหลายอย่างเป็นครั้งแรกการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศและผลกระทบจากมนุษย์กำลังเปลี่ยนแปลงความเร็ว ความเข้มข้น และความสมดุลของวัฏจักรที่ไม่ค่อยเป็นที่รู้จักเหล่านี้อย่างมาก ซึ่งรวมถึง:

• วัฏจักรปรอท [ ^{49 ]}และ^​
• วงจร PCB ที่เกิดจากมนุษย์^{[ 50 ]}

• 
  คลอโรพลาสต์ทำหน้าที่สังเคราะห์แสงในเซลล์พืชและสิ่งมีชีวิตยูคาริโอต อื่นๆ
• 
  วงจรเคโรเจน^{[ 51 ] [ 52 ]}
• 
  ถ่านหินเป็นแหล่งกักเก็บคาร์บอน

วัฏจักรทางชีวธรณีเคมีเกี่ยวข้องกับสภาวะสมดุลที่เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องเสมอ กล่าวคือ ความสมดุลในการหมุนเวียนของธาตุระหว่างส่วนต่างๆ อย่างไรก็ตาม ความสมดุลโดยรวมอาจเกี่ยวข้องกับส่วนต่างๆ ที่กระจายตัวอยู่ในระดับโลก

เนื่องจากวัฏจักรทางชีวธรณีเคมีอธิบายถึงการเคลื่อนที่ของสารต่างๆ ทั่วโลก การศึกษาเรื่องเหล่านี้จึงเป็นสหวิทยาการโดยเนื้อแท้ วัฏจักรคาร์บอนอาจเกี่ยวข้องกับการวิจัยด้านนิเวศวิทยาและวิทยาศาสตร์บรรยากาศ^{[ 53 ]}พลวัตทางชีวเคมีก็อาจเกี่ยวข้องกับสาขาธรณีวิทยาและปฐพีวิทยาด้วย^{[ 54 ]}