Biogeochemische Kreisläufe ist die Sammelbezeichnung für die zyklische Verarbeitung bestimmter Stoffe durch lebende und nicht lebende Materie in den biologischen, geologischen und chemischen Systemen der Erde. Relativ selten treten biogeochemische Kreisläufe nur in Atomen auf, die sowohl in organischen als auch in anorganischen Stoffen vorkommen. Die häufigsten biogeochemischen Kreisläufe sind der Stickstoff- und der Kohlenstoffkreislauf, gefolgt vom Sauerstoff- und dem Wasserkreislauf.
Stickstoff macht nicht nur 78.8 Prozent der Erdatmosphäre aus, er ist auch in Proteinen in den meisten organischen Molekülen enthalten. Der Stickstoffkreislauf beginnt, wenn bestimmte Bakterien im Boden in der Nähe von Pflanzenwurzeln Stickstoff aus der Luft mit Sauerstoff- oder Wasserstoffatomen verbinden, um Moleküle von NO3, Nitrat oder NH3, Ammoniak, zu bilden, die Pflanzen dann aufnehmen und verarbeiten. Pflanzenfressende Organismen ernähren sich von den Pflanzen, um den Stickstoff zu gewinnen, und allesfressende Tiere ernähren sich von den Pflanzenfressern, indem sie den Stickstoff in ihren Körper transportieren. Verwendeter Stickstoff wird in tierischen Abfällen freigesetzt, die bestimmte Bakterien fressen, wodurch der Stickstoff wieder in die Luft abgegeben werden kann.
Obwohl Kohlenstoff nur das vierthäufigste Element der Welt ist, dient es als Basis für alle Lebewesen. Der Kohlenstoffkreislauf besteht darin, dass Kohlenstoff in organisches Material und dann wieder in anorganische Moleküle umgewandelt wird. Pflanzen verwenden Kohlenstoff in Form von Kohlendioxid in ihrem Atmungsprozess während der Photosynthese und zum Aufbau von Gewebe. Tiere nehmen Kohlenstoff durch Kohlenhydrate auf und geben die Kohlenstoffmoleküle beim Atmen an die Luft ab. Wenn Pflanzen und Tiere sterben, wird Kohlenstoff in die Luft freigesetzt, wenn Organismen die Materie oxidieren.
Der Sauerstoffkreislauf ist durch die Atmung von Tieren und Pflanzen mit dem Kohlenstoffkreislauf verbunden. Sauerstoff, das zweithäufigste Element der Erdatmosphäre, ist auch für die meisten organischen Materialien essentiell. Sauerstoff wird von grünen Pflanzen in die Atmosphäre abgegeben, die ihn aus Wasser und Kohlendioxid als Nebenprodukt der Photosynthese herstellen. Dann atmen alle Tiere es ein, damit ihr Körper den Zucker, den sie zur Energiegewinnung verwenden, verarbeiten kann. Darüber hinaus wird der Sauerstoff im Wasser durch Wasserpflanzen und -tiere zirkuliert, ähnlich wie der Sauerstoff in der Luft durch das Landleben.
Der letzte der biogeochemischen Kreisläufe, der Wasserkreislauf, bezieht sich auf die Bewegung von Wasser. Über eine Milliarde Tonnen Wasser kreisen ständig durch die Erde. Dieser Kreislauf hilft, das Energiegleichgewicht aufrechtzuerhalten. Wasser gelangt an energiereichen Stellen durch Verdunstung in die Luft und wird vom Wind zu energieärmeren Stellen bewegt, wo es durch Niederschlag freigesetzt wird. Bei seiner Rückkehr auf die Erde füllt Wasser nicht nur die Wasservorräte wieder auf, die Tiere trinken, sondern dringt in den Boden ein, um von Pflanzen genutzt zu werden.