Біоценози можуть існувати тільки в взаємозв’язку зі своїм абіотичним оточенням, взаємодіючи з яким здійснюють коло обіг речовин за рахунок ентропізації енергії, яка надходить ззовні. В зв’язку з цим в біосфері виділяють окремі ділянки, котрі більш чи менш добре відмежовуються один від одного, в яких біоценози на значному рівні замикають свій масообмін з мертвою природою. Відповідно такі комірки, або «блоки», біосфери отримали назву «екосистема» (Тенслі, 1935) і біогеоценоз (Сукачов, 1945).
Екосистема — це сукупність живих організмів, пов'язаних між собою біотичними зв'язками через потоки речовини і енергії, і неживих компонентів їх середовища, що беруть участь у процесах метаболічного обміну. Згідно з визначенням Ю. Одума, екосистемою називаються тільки такі об'єднання живих організмів і навколишнього середовища, які характеризуються певною стабільністю і мають чітко функціонуючий внутрішній кругообіг речовин. У водній екосистемі нерозривно поєднуються неживе середовище (абіотичні компоненти — вода, донні відкладення та фізико-хімічні чинники середовища) та біота — багатокомпонентний комплекс угруповань і популяцій рослин, тварин, мікроорганізмів.
Поняття екосистеми є значно ширшим, ніж поняття біогеоценозу, оскільки розповсюджується не тільки на природні формування. Говорячи про екосистему, як комірку біосфери, варто пам’ятати, що остання – не сума окремих елементів, а єдине ціле, частинки якого, володіючи відомою автономією, тісно взаємопов’язані і функціонують в тісній взаємодії один з одним. Біогеопотоки, які переносять речовину та енергію з одних екосистем в інші, виключають можливість їх ізольованого існування і створюють своєрідну безперервність (континуум) всієї біосфери. Екосистеми характеризуються певним рівнем структурної та функціональної організації. Їх структурованість визначається особливостями просторового розподілу взаємозв’язаних між собою косних і живих компонентів, а також градієнтністю термодинамічних характеристик гідросфери по горизонталі та вертикалі. Функціональна організація екосистем проявляється в узгодженості всіх процесів, які забезпечують коло обіг речовин та протікання біохімічних циклів.
В результаті функціонування екосистем відбувається безперервна міграція атомів, яка здійснюється в формі біогеохімічних циклів, та нове формування органічних речовин з мінеральних. Обидва процеси мають планетарне значення і здійснюються за рахунок трансформації і акумуляції в екосистемах сонячної енергії.
В процесі функціонування екосистем виникають передумови їх перетворення, оскільки неповна нейтралізація дії на середовище одних популяцій інших приводить до зміни властивостей біотопу, що в свою чергу обумовлює адаптативну перебудову угрупування. Так само функціонування зміненого угрупування виявляється причиною його подальшої зміни. Якщо наслідковий процес таких змін має певним чином направлений і тому передбачуваний характер, то говорять про сукцесію екосистеми. Зовнішні сили можуть прискорювати, послаблювати, або ж зовсім вилучати сукцесію екосистем, але не являються її причиною. Слід відрізняти від сукцесії зміни екосистем, які викликаються не результатами життєдіяльності біоценозу, а впливом зовнішніх сил (зміна пір року, антропогенний вплив тощо).
Структурованість екосистем, як і біоценозів, можливо розглядати з точки зору складу компонентів, котрі входять в її склад, розміщення цих компонентів в просторі, сукупності взаємозв’язків між ними. В кожному з цих аспектів водні екосистеми сильно відрізняються від наземних. Не менш суттєво відрізняються вони і по своїх функціональних характеристиках.
Структурні особливості водних екосистем.
Живі і мертві компоненти екосистем функціонують як єдине природне тіло, а зміни одного з компонентів викликають конкретні зміни іншого. В такій єдності активним (ведучим) компонентом є біоценоз, і це положення повинно бути в основі теорії управління екосистем ними процесами. Стабільність структури екосистеми підтримується системою зворотних зв’язків між живими і косними компонентами. Наприклад, зниження концентрації солей фосфору або азоту у воді в результаті посиленого фотосинтезу призводить до послаблення останнього.
У природних умовах ніколи нема виключно фіто-, бактеріо-або зооценозів. Там, де є рослинне угруповання, обов'язково живуть мікроорганізми, безхребетні, риби. Істотними чинниками, що визначають видове різноманіття певної акваторії є особливості навколишнього середовища (характер ґрунту, фізико-хімічні властивості води, гідрологічний режим водойми тощо).
Структура водних екосистем ускладнюється тим, що косний її компонент переважно представлений трьома, або навіть чотирма природними тілами, а не двома, як на суші( грунт і повітря). Гідробіоценози можуть мати компонентами свого біотопу воду, грунт, атмосферу (літораль, нейсталь), льодовий покрив. Друга відмінна особливість – глибина. Біотоп водних екосистем являє собою набір водяних мас, які розміщуються одна над одною і сильно відрізняються по своїх гідрологічних характеристиках.
Своєрідність ряду водних біотопів полягає в їх рухомості. Переміщуючись, вода морських течій і океанічних коловоротів, озер та інших водойм захоплює більшість організмів, котрі в ній знаходяться. Переміщення біотопу в географічних координатах часто супроводжується різкими змінами абіотичних умов існування населення. Рухомість водних біотопів має як наслідок, частково, посилення біогеопотоків, тобто підвищення інтеграції окремих екосистем, зниження ступеня їх автономності.
Величезний вплив на структуру екосистем виявляють специфічні фізико-хімічні властивості води, які є найбільш характерним і важливим компонентом біотопу гідробіоценозу. До таких специфічних властивостей відносяться:
щільність, яка забезпечує можливість існування дрібних гідробіонтів у
завислому стані;
висока теплопровідність, яка є несприятливою для життя теплокровних
тварин;
велика термостабільність, вигідна для пойкілотермних організмів;
невелика оптична прозорість, яка обмежує розповсюдження фотосинтезуючих організмів на глибину;
низька концентрація кисню, яка часто утруднює дихання;
висока розчинність у воді різних хімічних речовин, що впливає на осмотичний тиск, склад гідробіоценозів і їх водно-сольовий режим, активує біохімічну взаємодію компонентів всередині однієї екосистеми і посилює біогеопотоки, здійснюючі перенесення речовин та енергії в межах гідросфери.
Висока щільність води, яка дозволяє організмам знаходитися в завислому стані, обумовила масовий розвиток мікроскопічних продуцентів без органів прикріплення та багатьох інших структур, котрі не приймають безпосередньої участі в процесі фотосинтезу. Малі розміри водоростей і величезний відносний вміст хлорофілу в надзвичайній мірі (в порівнянні з наземними макролітами) підвищують їх ефективність як продуцентів. Кількість органічної речовини, яка продукується водоростями на одиницю маси за одиницю часу, значно вища. Це означає, що швидкість колообігу речовин у водних екосистемах значно вища, ніж в наземних. Згідно деяких даних (Вінберг, 1967), фосфор фітопланктону оновлюється практично за кілька хвилин, що в основному зв’язано з великою загальною відносно. Поверхнею мікроскопічних водоростей.
Важливо відмітити, що всі органічні речовини, які продукуються водоростями, представлені порівняно легко засвоюваними фракціями, в той час, як деревина та деякі інші тканини наземних рослин можуть вживатися в їжу лише небагатьма тваринами. В результаті відношення автотрофного і гетеротрофного компонентів в гідро біоценозах зовсім інше, ніж в наземних екосистемах. Сумарна концентрація живого матеріалу в водних екосистемах значно нижча, ніж в наземних: в розрахунку на масу сухої речовини – в 20-30 тисяч разів. Різниця стає ще більшою, якщо розрахунок вести на одиницю об’єму відповідних біотопів.
Характерною особливістю водних екосистем є наявність, а часто і домінування, в донних угрупуваннях прикріплених або малорухомих тварин. Існування останніх можливе лише завдяки великій рухомості води, котра приносить їжу і кисень, і відносить метаболіти, забезпечує перенесення гамет і личинок тварин, тобто їх розселення.
При розгляді структури водних екосистем їх розділяють на прісноводні та екосистеми Світового океану.