แร่ธาตุและสารต่างๆ ในระบบนิเวศเป็นสิ่งจำเป็นในการดำรงชีวิตของสิ่งมีชีวิต ซึ่งสารต่างๆ เหล่านี้เป็นองค์ประกอบของสารชีวโมเลกุล (biomolecule) ซึ่งธาตุที่เป็นองค์ประกอบหลักเหล่านี้ มีการหมุนเวียนผ่านโซ่อาหารเป็นวัฏจักร เรียกว่า วัฏจักรสาร (material cycle) แบ่งเป็น 3 กลุ่ม คือ

1. วัฏจักรของน้ำ (hydrologic cycle / water cycle)

น้ำเป็นสิ่งสำคัญในกระบวนการ metabolism ของสิ่งมีชีวิต แบ่งได้เป็น 2 รูปแบบ คือ

1.1) วัฎจักรน้ำที่ไม่ผ่านสิ่งมีชีวิต (short cycle) เริ่มจากน้ำระเหยจากแหล่งต่างๆ แล้วกลายเป็น ไอ เมฆ และฝนตกลงมาบนพื้นดิน และแหล่งน้ำต่างๆ หมุนเวียนเช่นนี้ไปเรื่อยๆ

1.2) วัฏจักรน้ำที่ผ่านสิ่งมีชีวิต (long cycle) โดยสิ่งมีชีวิตนำไปใช้ในกระบวนการต่างๆ เช่น กระบวนการหายใจ กระบวนการย่อยอาหาร ส่วนพืชนำไปใช้ในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง การหายใจ การคายน้ำ แล้วหมุนเวียนกลับสู่บรรยากาศ กลายเป็นเมฆ ตกเป็นฝนลงมาบนพื้นดิน และแหล่งน้ำต่างๆ

2. วัฏจักของแก๊ส (gaseous cycle)

แบ่งเป็น 2 วัฏจักรย่อยที่สำคัญ คือ

2.1) วัฏจักรคาร์บอน (carbon cycle) เกี่ยวข้องกับสิ่งมีชีวิตในระบบนิเวศ ทั้งผู้ผลิต ผู้บริโภคและผู้ย่อยสลายสารอินทรีย์ คาร์บอนในบรรยากาศจะอยู่ในรูปของ CO2 พืชได้รับแก๊สคาร์บอนได้ออกไซด์ นำไปเป็นวัตถุดิบ และใช้พลังงานจากแสงสำหรับการสังเคราะห์สารอินทรีย์ในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง ส่วนสัตว์จะได้รับคาร์บอนในรูปของสารอินทรีย์ในอาหารที่กินเข้าไป และสารอาหารเหล่านี้จะถูกนำไปสลายสารอาหารระดับเซลล์ และในกระบวนการหายใจออกของสัตว์ก็จะปล่อยคาร์บอนออกมาในรูปของแก๊ส CO2

2.2) วัฏจักรไนโตรเจน (nitrogen cycle) ไนโตรเจนเป็นธาตุที่เป็นองค์ประกอบของโปรตีนในสิ่งมีชีวิต และเป็นธาตุอาหารที่จำเป็นในพืช โดยพืชใช้ไนโตรเจนในรูปของสารประกอบเกลือ แอมโมเนีย เกลือไนไตรท์ และเกลือไนเตรท เพื่อนำไปสร้างสารประกอบต่างๆ ภายในเซลล์

วัฏจักรไนโตรเจน ยังประกอบด้วยกระบวนการที่สำคัญ 4 กระบวนการ คือ

(ก) การตรึงไนโตรเจน (nitrogen fixation) เป็นกระบวนการเปลี่ยนไนโตรเจนจากอากาศให้อยู่ในรูปของ แอมโมเนีย (NH2) หรือไนเตรต์ (NO3-) ที่พืชสามารถนำไปใช้ได้ โดยเกิดขึ้นจากสิ่งมีชีวิตพวก nitrogen fixing bacteria เช่น rhizobium clostridium

(ข) การเปลี่ยนสารประกอบไนโตรเจนเป็นแอมโมเนีย (ammonification) คือ การเปลี่ยนจากกรดอะมิโนหรือโปรตีนในซากสิ่งมีชีวิต หรือในของเสียจาก metabolism เป็นแอมโมเนีย กระบวนการนี้เกิดจากการกระทำของ ammonifying bacteria เช่น pseudomonas

(ค) การเปลี่ยนเกลือแอมโมเนียเป็นไนไตร์และไนเตรท (nitrification) โดยสิ่งขับถ่ายจากสัตว์ ซากพืชและสัตว์ ที่อยู่ในรูปของแอมโมเนียจะถูก nitrifying bacteria เช่น Nitrosomonas เปลี่ยนเกลือแอมโมเนียไปเป็นไนไตรท์ และไนไตรท์จะถูก Nitrobacter เปลี่ยนเป็นไนเตรทต่อไป

(ง) การเปลี่ยนไนเตรทกลับเป็นแก๊สไนโตรเจนในบรรยากาศ (denitrification) โดย denitrifying bacteria เช่น thiobacillus, micrococcus

3. วัฏจักรของสารที่สะสมในตะกอนดินหรือหินบนผิวโลก (sedimentary cycle)

แบ่งได้เป็น 2 รูปแบบ คือ

3.1) วัฏจักรฟอสฟอรัส (phosphorus cycle) ฟอสฟอรัสเป็นธาตุที่จำเป็นสำหรับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด เป็นองค์ประกอบสำคัญของกรดนิวคลีอิก ซึ่งเป็นสารพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิต และเป็นองค์ประกอบของสารพลังงานสูง (ATP) ซึ่งเป็นแหล่งสะสมพลังงานของสิ่งมีชีวิต นอกจากนั้น ยังเป็นองค์ประกอบสำคัญของกระดูกและฟัน

ตามธรรมชาติฟอสฟอรัสจะอยู่ในดินในรูปของสารประกอบ เมื่อพืชดูดฟอสฟอรัสมาใช้ประโยชน์ ก็จะถูกถ่ายทอดไปยังคนและสัตว์ เมื่อคนและสัตว์ตายลง แบคทีเรียบางประเภทจะย่อยสลายจนได้กรดฟอสฟอริก (H3PO4) ซึ่งทำปฏิกิริยากับสารในดินกลับคืนไปทับถมเป็นกองหินฟอสเฟตในน้ำต่อไป

3.2) วัฏจักรกำมะถัน (sulfur cycle) กำมะถันเป็นธาตุที่เป็นองค์ประกอบสำคัญในการสังเคราะห์โปรตีนในพืช และสัตว์ เราจะได้กำมะถันจากการสลายตัวของสารอินทรีย์ที่ทับถมอยู่ในดิน จากการระเบิดของภูเขาไฟ ในบรรยากาศจะพบเป็นส่วนน้อยในรูปของก๊าซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ ซึ่งสามารถเพิ่มปริมาณได้อย่างรวดเร็วเมื่อเกิดการสลายตัวของพืชและสัตว์ ในการเน่าเสียออกสู่บรรยากาศ ส่วนหนึ่งจะได้เปฌนสารประกอบซัลเฟตที่ละลายน้ำได้อยู่ในดิน ทำให้พืชสามารถนำซัลเฟตไปใช้ได้อีก

กำมะถันนั้นเมื่ออยู่ในบรรยากาศ จะรวมตัวกับละอองน้ำ แล้วตกลงมาเป็นเม็ดฝนของกรดกำมะถัน โดยเรียกว่า ฝนกรด ซึ่งสามารถสร้างความเสียหายได้มากมาย อย่างเช่น การกัดเซาะสิ่งปลูกสร้าง วัด โบราณสถาน และสถานที่สำคัญต่างๆ

กำมะถันบางส่วนถูกสะสมเป็นถ่านหิน และน้ำมันปิโตรเลียมเป็นเวลานาน จนกว่าจะมีการนำออกมาใช้โดยการเผาไหม้ต่างๆ เช่น การเผาไหม้จากยานพาหนะ โรงงานอุตสาหกรรม เป็นต้น

พัดชา วิจิตรวงศ์