kringproces dat zich in de natuur afspëelt, waarbij levende organismen in de een of andere vorm koolstof opnemen, die later weer (als kooldioxide) terugkeert in de atmosfeer. In de natuur komen kooldioxide en carbonaten in grote hoeveelheden voor.
De lucht bevat altijd kooldioxide, de hoeveelheid is echter wisselend. Normaal is het gehalte aan kooldioxide ca. 0,03 % van het volume lucht. Deze hoeveelheid neemt toe door de ademhaling van de organismen en door verbrandingsreacties van verschillende aard. Het levend organisme haalt het voor zijn levensverrichtingen nodige arbeidsvermogen uit chemisch gebonden energie, die voor het grootste deel oxidatie-energie van de koolstof is. De dieren en de planten zonder bladgroen (chlorofyl) gebruiken hiertoe koolstofverbindingen, die voor oxidatie vatbaar zijn. De groene planten daarentegen kunnen in het assimilatieproces koolstofdioxide reduceren, zodat zij uit kooldioxide en water koolhydraten en andere koolstofverbindingen kunnen opbouwen.
De hiertoe benodigde energie levert het zonlicht. Een deel van de op de genoemde wijze opgebouwde verbindingen wordt door de planten tijdens het ademhalingsproces verbrand, waardoor de planten de energie verkrijgen die voor hun levensverrichtingen nodig is. Een ander deel van de verbindingen blijft in de planten als voorraadstoffen aanwezig. Dit kan door plantenetende dieren als voedsel worden gebruikt. Dit voedsel wordt voor een deel in het dierlijk organisme verbrand en levert de energie die het dier nodig heeft. Indirect zijn dus ook vleesetende dieren voor hun energiebron op planten aangewezen.Door de oxidatie van dit koolstofhoudende voedsel bij de ademhaling komt de koolstof weer in de vorm van kooldioxide in de atmosfeer terug.
Men kan de koolstofkringloop bestuderen voor een bepaald ecosysteem (bos, meer) of zelfs voor de aarde als geheel. Zowel op kleine als op grote schaal is de koolstofkringloop de belangrijkste indicator voor de energiestroom door het ecosysteem, want energie kan worden opgeslagen in koolstofverbindingen (b.v. humus, veen, steenkool, olie, gas en kalkafzettingen) en daar weer uit worden vrijgemaakt langs biotische (via organismen) of langs mechanische weg (verbranding).
Bij b.v. de koolstofkringloop in een aquatisch ecosysteem (b.v. een meer) is de gang van zaken als volgt. Organische koolstof komt hier voor in de vorm van organismen die in dat systeem leven, zoals algen, hogere planten, zoöplankton, vis, bacteriën en allochtoon (van elders aangevoerd) organisch materiaal. De primaire producenten hiervan (algen, hogere planten) fixeren kooldioxide of bicarbonaat tijdens hun primaire produktie; deze organismen dienen tot voedsel voor de secundaire producenten (zoöplankton, vissen). Het meeste dode organische materiaal wordt afgebroken door de reducenten. De afbraaksnelheid hangt in sterke mate af van de oplosbaarheid van de betreffende stof; er heeft bezinking plaats van componenten waarvan de concentratie ter plekke al hoog genoeg is èn van grotere deeltjes. Relatief onoplosbare stoffen raken begraven in het zuurstofloze sediment, waar verdere afbraak zeer langzaam plaatsvindt.
Stoffen als cellulose, lignine en humuszuren zijn in sterke mate afbraak-resistent. Hoewel b.v. cellulose onder bepaalde voorwaarden in een zuurstofloze omgeving vrij snel afgebroken kan worden door anaërobe bacteriën (dit gebeurt in b.v. afvalwaterzuiveringsinstallaties en in de pens van koeien), hopen zich onder de heersende omstandigheden zure gistingsprodukten op waardoor de pH zo laag wordt, dat de bacteriën in hun activiteit geremd worden; daar komt nog bij dat de temperatuur in het sediment op de meerbodem in de regel laag is. De eerste tussenprodukten die gevormd worden bij anaërobe afbraak van organische stof zijn vetzuren, die verder door chemosynthetische bacteriën tot kooldioxide en waterstof worden afgebroken. Methaan wordt gevormd uit kooldioxide en waterstof door methaanvormende bacteriën; het gaat verloren door belvorming of het wordt in minder sterk gereduceerde waterlagen tot kooldioxide geoxideerd.
In de zuurstofrijke waterlagen heeft de afbraak van organische stof veel sneller plaats; dit proces treedt op wanneer het materiaal op weg is naar de bodem; de snelheid van het proces is afhankelijk van fysische factoren (grootte en vorm van het meer, stratificatie, temperatuur) en van de aanvoer van autochtoon en allochtoon organisch materiaal. Deze aanvoer is in de regel klein in een oligotroof meer, zeer groot in een eutroof meer; in het laatste geval treedt snelle sedimentatie op, is slechts een relatief klein deel van het water aëroob en vindt er een snelle ophoping van organische stof plaats in het anaërobe hypolimnion (de diepste laag waar geen invloed van het oppervlak meer merkbaar is). Mineralisatie van verschillende door autolyse vrijkomende stoffen gaat snel in het epilimnion (de bovenste laag waar de invloeden vanaf het oppervlak direct merkbaar zijn); zo worden aminozuren in ca. 20 uur volledig afgebroken. Ook koolhydraten die door uitscheiding of autolyse in het water terechtkomen, worden snel door bacteriën opgenomen en omgezet (suikers sneller dan b.v. organische zuren). Bij deze omzettingsprocessen komt steeds kooldioxide vrij die, afhankelijk van het zuurgraad-gestuurde evenwicht, als kooldioxide/bicarbonaat/carbonaat beschikbaar komt voor de fotosynthese.
Deze processen zijn gevoelig voor milieuveranderingen, m.n. eutrofiëring en thermische verontreiniging. De koolstofkringloop wordt dan niet alleen versneld, maar er treden ook belangrijke verschuivingen op in de samenstelling en in de onderlinge verhoudingen.
