Os ciclos dos elementos químicos e das substâncias húmicas estão interrelacionados com processos biológicos, geoquímicos e físicos.
A distribuição e a concentração dos elementos e substâncias na água dependem da “fixação” e da concentração ativa de carbono, hidrogênio, nitrogênio, fósforo e enxofre (macronutrientes) e dos micronutrientes, como manganês, ferro, cobre e zinco. Tanto os macronutrientes como os micronutrientes encontram-se ou concentrados na matéria orgânica viva ou na matéria orgânica particulada e em decomposição, ou dissolvida na água. A taxa de reciclagem de nutrientes depende das relações entre as misturas vertical e horizontal e a atividade e a biomassa dos organismos aquáticos.
A distribuição vertical de nutrientes está relacionada com a circulação vertical de lagos ou represas e depende do tipo de circulação e sua frequência.
Bactérias de várias características fisiológicas e bioquímicas têm importância fundamental nos ciclos biogeoquímicos. O sedimento do fundo de rios, lagos, represas e estuários e a água intersticial são reservatórios importantes de nutrientes dos pontos de vista quantitativo e qualitativo, e a disponibilidade de nutrientes do sedimento e da água intersticial para a água depende de processo de oxirredução e das camadas anóxicas ou óxicas do sedimento.
Dinâmica dos ciclos biogeoquímicos
A composição iônica das águas naturais depende, em grande parte, da geoquímica da bacia hidrográfica e dos principais eventos nessa bacia: tipos de solo, usos e práticas agrícolas e industriais. A distribuição de nutrientes nas águas continentais é também influenciada pelos processos de regeneração nas camadas mais profundas dos lagos e na interface sedimento-água. Os principais nutrientes são aqueles importantes para todas as plantas (carbono, nitrogênio, fósforo), os quais, em várias combinações com hidrogênio e oxigênio, constituem a base dos processos de metabolismo e estrutura das células. Enxofre e sílica também podem ser adicionados a essa lista, uma vez que a sílica faz parte das frústulas das diatomáceas e o enxofre é um elemento essencial como componente das proteínas. Esses elementos são denominados macronutrientes, uma vez que são necessários para o crescimento em concentrações relativamente elevadas. Micronutrientes, que são requeridos em concentração relativamente pequena como traço, são: o manganês, o zinco, o ferro e o cobre, entre outros. Esses metais que, se ausentes, limitam o crescimento, podem ser tóxicos em concentrações mais elevadas. A composição química das águas continentais pode ser preliminarmente avaliada, quando se comparam dados de inúmeros corpos de água e se obtém correlações significativas entre os sólidos totais dissolvidos STD e parâmetros do tipo HCO3-e Ca++. As plantas aquáticas concentram ativamente carbono, hidrogênio, nitrogênio, fósforo e enxofre, juntamente com outros micronutrientes. A fixação desses elementos é feita sob controle fisiológico. Geralmente as concentrações de C:N:P estão situadas em uma razão estequiométrica 106C:l6N:1P. Essa razão é denominada índice de Redfield (Redfield, 1958). Os ciclos desses elementos nas águas continentais estão inter-relacionados, portanto, com os processos biológicos no sistema aquático, e as razões estequiométricas referidas refletem, em parte, a forma em que os nutrientes se encontram na água. De um modo geral, os macronutrientes e os traços encontram-se ou concentrados na matéria orgânica viva, ou em matéria particulada morta e em decomposição, ou dissolvidos na água. A quantificação de cada um desses compartimentos no sistema aquático é importante e fundamental para compreender os ciclos biogeoquímicos. Portanto, a distribuição e a concentração de um determinado elemento nutriente nas águas é uma função de processos biológicos, geoquímicos e físicos. A taxa de reciclagem dos nutrientes depende das inter-relações entre as misturas horizontais e verticais, as quais determinam as distribuições temporal e espacial, e também da atividade química e da biomassa dos organismos presentes. As variáveis importantes a considerar nesses processos são o tempo de residência a massa de água, as taxas de transferência dos elementos entre as massas de água e as taxas de reciclagem dos elementos entre os vários compartimentos.
Uma das definições mais comuns que se usa também, em relação aos ciclos de nutrientes, é a de substâncias conservativas e não-conservativas. Uma substância conservativa tem um tempo de residência muito maior do que o tempo de mistura total do lago e, consequentemente, apresenta uma distribuição mais homogênea. Uma substância não-conservativa tem um tempo de residência muito mais curto do que o tempo de mistura total das massas de água e, desta forma, apresenta distribuições heterogêneas no espaço e no tempo. A fixação de nutrientes pelas plantas aquáticas sempre é feita a partir de fontes solúveis e difusas, de maneira que os nutrientes devem passar através da membrana semipermeável para a célula (Reynolds, 1984). Entretanto, como as concentrações de nutrientes são sempre muito mais baixas no meio líquido do que aquelas que ocorrem em células, a difusão passiva é rara e é necessário um sistema de transporte (bombas iônicas), que é feito por meio de enzimas localizadas próximo à superfície das células (parede celular).
