מחזור החמצן דרך מערכת אקולוגית

חמצן אטמוספרי נדרש על ידי כל הצמחים היבשתיים והימיים ובעלי החיים לצורך נשימה: פירוק תרכובות אורגניות לפחמן ואנרגיה הדרושים לתחזוקה וצמיחה תאית. לאחר מכן צמחים ובעלי חיים מחזירים חמצן לאטמוספירה, לאדמה או למים, אם כי ישנם מסלולים מרובים בהם החמצן יכול לקחת, בעיקר על ידי אינטראקציה עם מולקולות אחרות בקרקע ובמים.

לאטמוספירה של כדור הארץ ריכוז חמצן של 21 אחוז והאלמנט מועבר במהירות בין צמחים, בעלי חיים ואטמוספירה באמצעות פוטוסינתזה ונשימה. במים החמצן נע לאט הרבה יותר, ולכן צריכת החמצן דרך הנשימה לרוב עולה על הייצור באמצעות פוטוסינתזה, וכתוצאה מכך עוברים שינויים יומיומיים בריכוזי חמצן מומסים. באופן דומה, חדירת חמצן לאדמה רוויה היא איטית בהרבה מאשר בקרקע יבשה מה שמוביל לריכוזי חמצן שונים בחלקים שונים של האדמה. זה, בתורו, משפיע על הובלת חמצן נוספת.

בפוטוסינתזה, פחמן דו חמצני אטמוספרי הופך לגלוקוז בתוך עלים של צמחים. חמצן הוא תוצר לוואי של פוטוסינתזה ומשתחרר על ידי הצמחים בחזרה לאטמוספירה. זה יכול גם להשתחרר דרך מערכת השורשים, ומספק חמצן לקרקע. צמחיית מים שקועה ופיטופלנקטון משחררים חמצן המיוצר במהלך הפוטוסינתזה למים. גם יבשתיים וגם ימיים

הנשימה היא תהליך סלולרי המבוצע על ידי צמחים ובעלי חיים כאחד. במהלך הנשימה משתמשים בחמצן מולקולרי לפירוק תרכובות פחמן אורגניות. אצל בעלי חיים, פחמן זה מגיע מהמזון שהם צורכים, ואילו פחמן בצמחים מתקבל במהלך הפוטוסינתזה. נשימה הדורשת חמצן נקראת נשימה אירובית ומורכבת מחמצן שמקבל אלקטרונים מפחמן. ניתן להשתמש באלמנטים שאינם חמצן לקבלת אלקטרונים מפחמן, אם כי הם פחות יעילים.

חמצן מספק את מרב האנרגיה לצמחים, לבעלי חיים ולחיידקים במהלך הנשימה. עם זאת, כאשר כל החמצן במים או באדמה רוויה נצרך, ישנם חיידקים שיכולים להחליף אחרים תרכובות לחמצן, כולל ברזל, מנגן, חנקתי וגופרתי, בתהליך המכונה אנאירובי נשימה. נשימה אנאירובית שכיחה בקרקעות ביצות, המוצפות לעיתים קרובות ובעלות ריכוזי חמצן נמוכים יותר מאשר קרקעות יבשות יותר. כאשר חמצן חוזר לאדמה או למים, הנשימה האירובית מתחילה מחדש.