Біологічний кругообіг речовин лежить в основі сільськогосподарського виробництва. При цьому із зростанням культури землеробства та раціональним використанням ґрунтів зменшуються втрати елементів живлення з біологічного кругообігу й підвищується продуктивність ґрунтів.

У біологічний кругообіг можна залучати додаткові кількості поживних речовин. Ефективним засобом при цьому є використання органічних і мінеральних добрив. За їх допомогою розв’язується проблема не лише залучення елементів живлення, але й поліпшення фізико-хімічних і біологічних властивостей ґрунтів, а також створюються реальні можливості для зростання врожаю. Це підтверджується численними дослідженнями із систематичного застосування добрив, які проводилися Ротамстедською дослідною станцією в Англії, науковими закладами у Німеччині і в нашій країні протягом більше 100 років. Проте при неправильному використанні азотних добрив (без урахування фізико-хімічних властивостей ґрунту й біологічних особливостей культур) може підвищуватися вміст нітратів і сульфатів кальцію у ґрунтових водах, джерелах і ріках, що негативно впливає на організм людини й тварини. На ґрунтах середнього і важкого гранулометричного складу забруднення нітратами спостерігається рідше, ніж на легких. Найбільша кількість їх вимивається навесні, особливо в холодну й дощову погоду.

З підвищенням дози азоту від 60 до 180 кг/га кількість вимитого азоту зростає від 5 до 15 кг/га, а при неправильному застосуванні добрив вона збільшується до 30—45 %. Для зменшення його вимивання використовують інгібітори нітрифікації, повільно діючі азотні добрива і засоби для поліпшення ґрунтів, що містять вуглець. Цим стимулюється іммобілізація нітратів ґрунтовими мікроорганізмами. Добрива слід вносити відповідно до системи удобрення культур, враховуючи терміни, способи й дози. Аміак, фосфор і калій у зв’язку із закріпленням їх ґрунтом вимиваються значно менше.

Якщо калійні добрива застосовувати кілька років підряд без урахування співвідношення з іншими елементами, то після досягнення оптимального врожаю подальше їх використання негативно впливає на величину і якість урожаю. Підвищення дози калію знижує вміст натрію, кальцію та магнію у рослинах.

Користь вапнування добре відома, але від внесення високих доз порушується рівновага між багатьма мінеральними речовинами в ґрунті. Наприклад, легкозасвоюваний марганець може переходити у недоступні для рослин сполуки. Тому треба вносити марганцеві солі або кислі добрива, які нормалізують кислотність ґрунту, що сприяє кращому засвоєнню його рослинами.

Оптимальна врожайність не завжди збігається з максимальною біологічною цінністю продукції. Так, надлишок азотних добрив блокує надходження доступної міді, а це призводить до вилягання зернових, особливо за дощових умов, а надлишок цинку погіршує розвиток кукурудзи. Тому під зернові потрібно одночасно вносити азотні й мідні добрива. Слід також пам’ятати, що при нестачі міді знижується поживна цінність протеїну в кормах. Вона негативно впливає і на лежкість овочів та їхню якість для консервування. Надлишок фосфору в ґрунті спричиняє зменшення кількості цинку в рослинах.

Мінеральне живлення рослин також впливає на синтез вітамінів. Як нестача, так і надлишок елементів живлення знижують вміст у рослині каротину, аскорбінової кислоти та інших вітамінів. Зелена маса, бідна на каротин, зумовлює нестачу ретинолу (вітаміну А). Отже, незбалансоване застосування основного добрива призводить до порушення рівноваги, нестачі інших елементів у ґрунті й рослинах.

Створення нових видів і форм добрив та селекція рослин (в тому числі трансгенних, яких, наприклад, у США налічується понад 2000 видів, а в Південній Кореї більше 1000) забезпечують єдиний блок заходів у сільському господарстві. Проте ми не можемо стверджувати, що ці два напрями знаходяться нині в тісному взаємозв’язку. Селекціонер, генетик свідомо вважають, що створений ним сорт повинен реагувати на добрива підвищенням урожаю або бути стійким проти пестицидів. При цьому не оцінюються дози добрив чи препаратів і ряд ефектів їхньої післядії на ґрунт, мікрофлору та майбутні культури.

Сучасний науковий підхід до вивчення біосфери повинен мати комплексний характер і будуватися за такими принципами, як:

вивчення ролі та функції ґрунтового покриву в біосфері (ґрунт як основний компонент біосфери й об’єкт господарської діяльності людини, проблеми охорони і підвищення його родючості);

пошук принципово нових підходів до захисту ґрунтової родючості, а також запобігання руйнуванню в результаті різних агробіологічних заходів;

розробка теоретичних основ фотосинтезу, ґрунтознавства, агрохімії, метаболічних потоків, які їх пов’язують;

створення модельних біотехнологічних систем рослинно-агрохімічно-ґрунтового асоціата;

вивчення ґрунтово-екологічних і фізіолого-агрохімічних основ управління біопродуктивністю агроценозів;

агрохімічне дослідження іонних потоків та циклів у агроценозі.

Зазначені проблеми можна розв’язувати тільки за допомогою співпраці різних фахівців-біофізиків, біохіміків, агрохіміків, хіміків, ґрунтознавців, геологів, математиків, кібернетиків, спеціалістів із системного аналізу. Такі підходи дозволять оптимізувати процес автотрофії, перетворення CO2 на світлі (фотосинтез). На основі досягнень у вивченні фотосинтезу розвиваються наукові концепції фотобіотехнології та інженерного фотосинтезу.

Нині розроблені й виготовлені автоматизовані комплекси для програмного управління безперервним культивуванням фототрофних мікроорганізмів, які дають можливість одержувати біомасу клітин із заданими параметрами та оптимізувати синтез практично важливих сполук. Виявлені активні фототрофні фіксатори CO2 і N2, а також продуценти Н2, вивчені властивості ферментів та переносників електронів, які беруть участь в азотфіксації й метаболізмі водню. Розроблені наукові основи біотехнологічних систем біоконверсії сонячної енергії на основі використання фототрофів із метою одержання H2, NН4+, ферментів і фізіологічно активних сполук (убіхінони, регулятори росту) та ін.

Не менш актуальною є оптимізація продуктивності сільськогосподарських культур у польових умовах. Відкрито і досліджено явище інтенсивної фіксації вуглекислоти листками рослин,