Toitainete tsükkel on ökosüsteemis üks olulisemaid protsesse. Toitainete tsükkel kirjeldab toitainete kasutamist, liikumist ja ringlussevõttu keskkonnas. Väärtuslikud elemendid, näiteks süsinik, hapnik, vesinik, fosforja lämmastik on eluks hädavajalikud ja organismide eksisteerimiseks tuleb need ringlusse võtta. Toitainete tsüklid hõlmavad mõlemat elamine ja mitteelustavaid komponente ning hõlmavad bioloogilisi, geoloogilisi ja keemilisi protsesse. Sel põhjusel nimetatakse neid toitainete ringlusi biogeokeemilisteks tsükliteks.
Biogeokeemilisi tsükleid saab jagada kahte peamisse tüüpi: globaalsed tsüklid ja lokaalsed tsüklid. Sellised elemendid nagu süsinik, lämmastik, hapnik ja vesinik töödeldakse läbi abiootiliste keskkondade, sealhulgas atmosfääri, vesi ja pinnas. Kuna atmosfäär on peamine abiootiline keskkond, kust need elemendid korjatakse, on nende tsüklid ülemaailmse iseloomuga. Need elemendid võivad liikuda pikkade vahemaade taha, enne kui need bioloogiliste organismide poolt kasutusele võetakse. Pinnas on peamine abiootiline keskkond selliste elementide nagu fosfor, kaltsium ja kaalium taaskasutamiseks. Sellisena toimub nende liikumine tavaliselt kohaliku regiooni kohal.
Süsinik on kogu elus hädavajalik, kuna see on elusorganismide peamine koostisosa. See toimib kõigi selgroo komponendina orgaanilised polümeerid, kaasa arvatud süsivesikud, valgudja lipiidid. Süsinikuühendid, nagu süsinikdioksiid (CO2) ja metaan (CH4), ringlevad atmosfääris ja mõjutavad globaalset kliimat. Süsinik ringleb ökosüsteemi elusate ja mitteelustavate komponentide vahel peamiselt fotosünteesi ja hingamise protsesside kaudu. Taimed ja muud fotosünteesivad organismid saavad oma keskkonnast süsinikdioksiidi ja kasutavad seda bioloogiliste materjalide ehitamiseks. Taimed, loomad ja lagundajad (bakterid ja seened) viivad CO2 hingamise kaudu atmosfääri tagasi. Süsiniku liikumist keskkonna biotiliste komponentide kaudu nimetatakse kiireks süsiniku tsükliks. Süsiniku liikumisel tsükli biootiliste elementide vahel kulub märkimisväärselt vähem aega kui abiootiliste elementide liikumisel. Süsiniku liikumine läbi abiootiliste elementide nagu kivid, pinnas ja ookeanid võib kesta kuni 200 miljonit aastat. Seega on see süsiniku ringlus tuntud kui aeglane süsiniku tsükkel.
Sarnaselt süsinikule on lämmastik bioloogiliste molekulide vajalik komponent. Mõni neist molekulidest sisaldab aminohapped ja nukleiinhapped. Ehkki lämmastikku (N2) on atmosfääris ohtralt, ei saa enamik elusorganisme orgaaniliste ühendite sünteesil sellisel kujul lämmastikku kasutada. Esmalt peavad teatud bakterid fikseerima atmosfääri lämmastiku või muundama selle ammoniaagiks (NH3).
Hapnik on element, mis on bioloogiliste organismide jaoks hädavajalik. Valdav enamus atmosfääri hapnikust (O2) on saadud fotosüntees. Taimed ja muud fotosünteesivad organismid kasutavad glükoosi ja O2 tootmiseks CO2, vett ja valgusenergiat. Glükoosi kasutatakse orgaaniliste molekulide sünteesimiseks, samal ajal kui O2 eraldub atmosfääri. Hapnik eemaldatakse atmosfäärist lagunemisprotsesside ja elusorganismide hingamise kaudu.
Fosfor on selliste bioloogiliste molekulide komponent nagu RNA, DNA, fosfolipiididja adenosiintrifosfaat (ATP). ATP on suure energiatarbimisega molekul, mis saadakse protsesside käigus rakuhingamine ja kääritamine. Fosforitsüklis ringleb fosfor peamiselt pinnase, kivimite, vee ja elusorganismide kaudu. Fosfor leitakse orgaaniliselt fosfaatiooni (PO43-) vormis. Fosforit lisatakse pinnasesse ja vette fosfaate sisaldavate kivimite ilmastikutingimustest põhjustatud äravoolu tagajärjel. PO43- imenduvad taimed mullast ja tarbijad saavad seda taimede ja muude loomade tarbimise kaudu. Fosfaadid lisatakse lagunemise kaudu pinnasesse tagasi. Samuti võivad fosfaadid veekeskkonna setetesse lõksu jääda. Need fosfaate sisaldavad setted moodustavad aja jooksul uusi kivimeid.