En los ecosistemas de agua dulce y marinos, la comunidad de fitoplancton se basa en microalgas y cianobacterias, que incluyen grupos filogenéticamente muy diversos de fotoautótrofos oxigénicos. En el proceso de evolución, desarrollaron una amplia gama de adaptaciones bio(geo)químicas que les permiten utilizar de manera efectiva la radiación solar, el CO y los nutrientes, así como elementos mayores y traza, para formar O y compuestos orgánicos con una alta energía de enlace químico. La inclusión de elementos químicos en los procesos clave de metabolismo energético y plástico en la célula está determinada por las condiciones redox y la abundancia y disponibilidad metabólica de elementos en el paleoambiente. La evolución geoquímica, que avanzó simultáneamente con la evolución de los biosistemas, contribuyó a un aumento en el número de metales y elementos traza que actúan como cofactores de enzimas involucradas en el metabolismo y el mantenimiento de la homeostasis en los primeros fotoautótrofos. La diversidad de enzimas que contienen metales y la capacidad adaptativa de reemplazar un elemento por otro sin perder las propiedades funcionales de las enzimas aseguraron la alta plasticidad ecológica de las especies y permitieron a las microalgas y cianobacterias colonizar con éxito una amplia variedad de hábitats. En esta revisión, consideramos los principales aspectos de los conceptos modernos de la evolución biogeoquímica de los ecosistemas acuáticos y el papel de algunos metales en los principales procesos bioenergéticos en procariotas y eucariotas fotosintéticos. Presentamos datos generalizados sobre la eficiencia de la asimilación de nutrientes clave por el fitoplancton y su importancia en el ciclo del carbono, silicio, nitrógeno, fósforo, azufre y hierro. Este artículo presenta visiones modernas sobre los prerrequisitos evolutivos para la formación de firmas elementales en diferentes grupos sistemáticos de microalgas, así como la posibilidad de utilizar la relación estequiométrica en el estudio de procesos biológicos y geoquímicos en ecosistemas acuáticos.