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대기 중에서 유리 상태로 존재하며, 물에도 녹아 있다. 산소는 대기 중에서 결합하지 않은 단일원소로는 질소 다음으로 많다. 동식물은 호흡과정을 통해 산소를 들이마시고, 물과 공기 중으로 이산화탄소(CO₂)를 내보낸다. CO₂는 조류(藻類)와 육지 녹색식물에 의해 흡수되어 광합성과정중에 탄수화물로 전환되고 부산물로 산소가 생성된다.

지구상의 물은 생물권의 주요 산소 발생원으로 물속의 조류는 사용한 모든 산소의 약 90％를 다시 만들어낸다. 산소는 다른 모든 생물지구화학 순환과 어느 정도 연관되어 있다. 화석연료를 태우는 것과 육지와 바다에서의 자연식생의 감소에도 불구하고 대기 중의 산소량은 세계적으로 농업기술의 진보로 인해 식물 생산성이 향상되었기 때문에 비교적 안정한 것으로 나타났다.