De koolstofkringloop beschrijft mogelijke routes die een koolstofmolecuul kan doorlopen. Hierbij gaat de koolstofmolecuul niet verloren, maar wordt als het ware steeds hergebruikt. Het is namelijk zo dat er in de natuur niets verloren gaat. Anorganische stoffen bijvoorbeeld kunnen wel gebruikt worden om er organische stoffen van te maken, maar ze komen uiteindelijk weer als anorganische stoffen terug in het ecosysteem, doordat ze afgebroken worden door reducenten. Anorganische stoffen zijn stoffen die niet door organismen in de natuur gemaakt worden. Een paar voorbeelden van anorganische stoffen zijn koolstofdioxide en water. Organische stoffen zijn stoffen die in de natuur wel door organismen worden gemaakt. Voorbeelden van organische stoffen zijn eiwitten, koolhydraten (zoals suikers en zetmeel) en vetten. Koolstof-, waterstof- en zuurstofatomen zijn de belangrijkste bouwstoffen van organische stoffen. Reducenten zijn micro-organismen, vooral bacteriën en schimmels, die (niet-levend) organisch materiaal afbreken. Zo ontstaat er dus uit organisch materiaal bestaande uit organische stoffen weer anorganische stoffen, zoals het element koolstof. Zo een koolstofmolecuul blijft dus circuleren op aarde.
Planten nemen CO2 op uit de lucht en water uit de bodem. Planten zijn autotrofe organismen. Dit betekent dat ze CO2 gebruiken als bron van koolstof voor hun cellen. Autotrofe organismen zijn de producenten. Deze produceren organische stoffen uit anorganische stoffen. Tijdens de fotosynthese, wordt CO2 en water in een plant omgezet in glucose en zuurstof. Deze reactie kun je als volgt weergeven: 6 CO2 + 6 H2O + energie à C6H12O6 + 6 O2. Dit proces kan alleen plaatsvinden onder invloed van zonlicht, deze gedraagt zich namelijk als energiebron voor het bladgroen in de bladeren. Bladgroen, ofwel chlorofyl, bevindt zich in de chloroplasten, en heeft als functie het opvangen van zonlicht. De energie die dit zonlicht levert wordt door het bladgroen omgezet in chemische energie, nodig voor de fotosynthese. Een deel van de door de plant geproduceerde biomassa wordt ook weer door de plant zelf gedissimileerd, waarbij CO2 ontstaat en in de atmosfeer terecht komt. Producenten staan aan het begin van de voedselketen en worden geconsumeerd. De koolstofelementen in de producent worden in de vorm van koolhydraten geconsumeerd door de dieren (inclusief de mens). Dieren (dus ook mensen) zijn de consumenten. Consumenten zijn heterotrofe organismen, zij leven van de organische stoffen van andere organismen. Heterotrofe organismen kunnen namelijk in tegenstelling tot producenten (autotrofe organismen) niet zelf organische stoffen maken uit anorganische. Een deel van de opgenomen organische stoffen wordt verbruikt bij dissimilatie, waarbij CO2 vrijkomt. Een ander deel wordt omgezet in dierlijke organische stoffen en wordt gebruikt voor allerlei opbouwprocessen, zoals het maken van eiwitten uit aminozuren. En tot slot wordt het laatste deel niet verteerd en verlaat het lichaam met de uitwerpselen. Consumenten van de eerste orde kunnen op hun beurt weer worden geconsumeerd. Het koolstofmolecuul kan zo van het ene individu in het andere individu terechtkomen.
Bij de koolstofkringloop gaat het dus eigenlijk om twee processen:
- Fotosynthese, waarbij koolstof van anorganische vorm in organische vorm overgaat. Hierbij wordt energie vastgelegd.
- Dissimilatie, waarbij koolstof van organische vorm weer in anorganische vorm overgaat. Hierbij komt juist energie vrij. De dissimilatie kan aeroob of anaeroob plaats vinden. Bij aerobe dissimilatie worden organische stoffen volledig afgebroken en komen alle koolstofatomen als CO2 tevoorschijn. Bij anaerobe dissimilatie worden organische stoffen onvolledig afgebroken, omdat er geen zuurstof gebruikt wordt bij de afbraak. Er ontstaan dan kleinere organische stoffen en soms ook CO2 als afvalproduct.
Koolstofkringloop in water
De koolstofkringloop bestaat van nature uit twee delen, de aardse kringloop en de koolstofkringloop in het water. De koolstofkringloop is gebaseerd op koolstofdioxide (CO2), dat in gasvormige fase in de lucht gevonden kan worden en in opgeloste vorm in het water.
Koolstof dat gebruikt wordt door producenten, consumenten en reducenten verplaatst zich heel erg snel door de lucht, het water en de levensvormen. Maar koolstof kan ook opgeslagen worden als biomassa in de wortels van bomen en in ander organisch materiaal en daar decennia lang blijven. Ook deze koolstof komt uiteindelijk weer vrij door vertering. Niet al het organische materiaal wordt meteen verteerd. Onder sommige omstandigheden hoopt dood plantenmateriaal zich sneller op, dan dat het in het ecosysteem wordt afgebroken. De resten worden opgesloten in ondergrondse bergplaatsen. Wanneer sedimentlagen deze materie samenpersen, kunnen fossiele brandstoffen gevormd worden. Dit kan eeuwenlang duren. Daarom noem je dit de langzame koolstofkringloop. Langdurige geologische processen kunnen de koolstof in deze brandstoffen na een lange tijd blootstellen aan de lucht, maar tegenwoordig komt de koolstof vooral vrij door menselijk handelen, zoals verbrandingsprocessen.
Hoewel vooral de verbranding van fossiele brandstoffen koolstofdioxide aan de lucht toevoegt, wordt een deel hiervan ook tijdens natuurlijke processen, zoals vulkaanuitbarstingen uitgestoten.
Via de koolstofkringloop in het water kan koolstofdioxide opgeslagen worden in rotsen en sediment (zand, grind etc.). Het duurt heel lang voordat dit koolstofdioxide vrijkomt, door de verwering van rotsen of processen die sediment naar het oppervlak van het water brengen.
Koolstofdioxide dat in het water is opgeslagen, is daarin aanwezig in de vorm van carbonaat- of bicarbonaationen. Deze ionen vormen een belangrijk onderdeel van de buffers die ervoor zorgen dat het water niet te basisch of te zuur wordt. Wanneer de zon het water opwarmt, keren carbonaat- en bicarbonaationen in de vorm van koolstofdioxide terug naar de atmosfeer.
Sommige dieren in het water gebruiken koolstof om hun schelp te bouwen. Als deze dieren sterven zakt deze kalk naar de bodem waar er door samenpersen kalkrotsen ontstaan. Door verwering en erosie kan de koolstof in deze rotsen weer terug in de atmosfeer komen.
Bruto- en netto primaire productie
De hoeveelheid organische stoffen die door producenten wordt geproduceerd wordt in biomassa uitgedrukt. De bruto primaire productie (BPP) is de totale biomassa in een bepaalde tijdseenheid die door planten worden gevormd. Een deel van de geproduceerde biomassa wordt gebruikt voor dissimilatie en wordt dus niet vastgelegd in het organisme. De bruto primaire productie minus de biomassa die planten gebruiken voor de dissimilatie is de netto-primaire productie. Hiervan kan de plant groeien. De netto-primaire productie is dan beschikbaar voor de volgende trofische niveau in de voedselketen.
Bruto- en netto secundaire productie
De bruto secundaire productie (BSP), is de totale hoeveelheid organische stof die door de consumenten wordt vastgelegd per eenheid volume. De netto secundaire productie is de bruto secundaire productie minus de verbranding.
