生态系统的物质循环遵循物质不灭定律和质能转化与守恒定律，并存在物质的生物放大作用。
物质不灭定律认为：与能量相似，物质在转化过程中只会改变形纯山态而不会自行消灭。但是，物质循环不同于能量流动，能量衰变为热能的过程是不可变的，它最终会以热能的形式离开生态系统，而物质虽然在生态系统内外的数量都是有限的，并且是分布不均的，但由于物质在生态系统中能永续地循环，因此它就可以被反复多次地利用。
质能转化与守恒定律认为，世界上不存在没有能量的物质质量，也不存在没有质量的物质能量；质量和能量作为一个统一体，其总量在任何过程中都是保持不变的守恒量。能量是生态系统中一切过程的驱动力，也是物质循环运转的驱动力。物质是组成生物、构造有序世界的原材料，是生态系统能量流动的载体。能量的生物固定、转化和耗散过程，同时就是物质由简单可给形态变为复杂有机结合形态，再回到简单可给形态的循环再生过做帆中程。因此任何生态系统的存在与发展，都是物质循环和能量流动共同作用的结果。
生物放大作用主要是指有毒物质的生物富集现象，是指物质在生态系统中沿食物链流动时，一些化学性质比较稳定的物质，被生物吸收固定后可沿食物链积累，浓度不断升高的现象。如DDT、六六六等在自然条件下难于分解转化的农药和某些有毒的有机化合物，在生物圈内表现出很强的生物富集作用。
环境污染与食物链的生物浓缩有着直接的关系。1953年，日本九州鹿儿岛的水俣市出现了病因不明的“狂猫症”和人体的“水俣病”。成群的猫乱跳，集体跳入水中，病人则感到骨痛难忍。直到1965年才查明，这种病是由该市60千米以外的阿贺野川上游的昭和电气公司排出的含汞废水所引起的。污水中的部分轿悉汞被硅藻等浮游生物吸收，再转入食硅藻的昆虫体内；这些昆虫死亡后被活动在水底的石斑鱼吞食，汞再一次从昆虫体内转入石斑鱼体内；石斑鱼被肉食性的鲟鱼、鲶鱼吞食，使汞沿着食物链逐级富集，最后鲶鱼体内含汞量达10～20毫克/千克，最高者达50～60毫克/千克，这一浓度比原来含汞废水中的汞浓度高1万~10万倍。当地人长期食用含高汞的鱼和贝类，使汞在人体内积累，当脑中汞浓度达20毫克/千克时即可发病，出现中枢神经破坏的水俣病症状。
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