A foszforciklus egy biogeokémiai ciklus, amely foszfort tartalmaz .
A foszfor a szerves anyagok nélkülözhetetlen alkotóeleme , még akkor is, ha súlya viszonylag alacsony a nitrogénhez vagy a káliumhoz képest. Szerepe az energia tárolásához és átviteléhez ( ATP ), valamint számos szerkezeti vegyület ( nukleinsavak , nukleotidok , foszfolipidek , koenzimek stb.) Képződéséhez kapcsolódik .
A foszfát számos szárazföldi ökoszisztémában korlátozó elem , a légköri tározó hiánya miatt; mert elérhetősége közvetlenül összefügg a kőzetek felszíni mállásával. A foszforciklus egyedülálló a főbb biogeokémiai ciklusok között, mivel nem tartalmaz gáznemű komponenst; alig befolyásolja a légkört.
Ezenkívül a foszfor korlátozó hatását megzavarják az antropogén inputok, amelyek környezeti problémákat okozhatnak az eutrofizációban . Az emberek jelentős változásokat idéztek elő a globális foszforciklusban, a foszfor ásványok ipari hasznosítása és a foszfor műtrágyák használatával, valamint élelmiszerek szállításával a gazdaságokból a városokba, ahol a szennyvíz elveszik.
Leggyakoribb szárazföldi formája a foszfát : egy foszforatom, amelyet négy oxigénatom vesz körül ( PO 4 3- ). Ebben a formában különösen az élőlények csontvázának és a gerincesek fogainak egyik alkotóeleme. Ez elengedhetetlen számos létfontosságú molekula előállításához, beleértve a fehérjéket és a nukleinsavakat is: az RNS-t és a DNS-t . Általában a kalcium-foszfátok változásából származik a litoszféra felszínén található kőzetekben , vulkanikus típusúak , például apatit .
A többi ciklustól az is megkülönbözteti , hogy a foszfor egyik tartályból a másikba történő átvitelét mikrobiális reakciók alig befolyásolják, mint más biogeokémiai ciklusokban, mert a baktériumok " foszforizálói " ritkák. A foszfor azonban kering a különböző litoszférikus rekeszekben , vízi és szárazföldi környezetben, valamint táplálékhálózatokban .
A foszfor ritka elem a litoszférában, és nincs légköri tárolója. A felszíni víz pH-ján az ásványi foszfor H 2 PO 4 - és HPO 4 2- ionok formájában van, általában az ortofoszfatázokban expresszált 2 forma összegét vizsgáljuk: PO 4 3- . A disszociációt a foszforsavból a következő képlet szerint hajtjuk végre:
H 3 PO 4 ⇔ H 2 PO 4 - + H + ⇔ HPO 4 2- + 2H + ⇔ PO 4 3- + 3H +A foszfor eredetileg a földgömböt alkotó sziklákban található meg . Többféle módon érkezik a tengeri környezetbe:
A szerves foszforról a szervetlen foszforra való átmenetet baktériumok (eubacillus és bacillus ) vagy gombák (saccharomyces és penicillium) biztosítják.
A tengeri üledékek foszforcsapdát jelentenek. Szemcsés foszfort kapnak, és képesek feloldani az oldott foszfort . A koncentráció-foszfát az üledékben van a sorrendben 0,02 , hogy 0,1 mg / cm 3 . Az üledékben lévő foszfor megkövül, hogy apatittá váljon : diagenesis .
A finom üledékek felületi rétege jól oxidálódik ( bioturbáció ), és hatékony gátat képez a foszfornak az üledékekből a vízbe történő átvitelével szemben. Az oxidált zónában található vas vas -hidroxid formájában van, amely nagyon erősen megköti a foszfort adszorpció vagy komplexképződés révén, és megakadályozza, hogy áthaladjon ezen a rétegen. Foszfort fokozatosan eltemetünk. Másrészt, ha a dioxigén hiányzik a víz-üledék határfelületről, a vas-hidroxidok csökkennek és a gát eloszlik, a foszfor szabadon diffundál a vízben. Mivel a mangán hidroxidjai a vas -hidroxidok előtt csökkennek, a mangán előfordulása a hipolimnionban a vas és a foszfor megjelenésének előfutára. A teljes keverékhez az O 2 bemenetehelyreállítja az oxidált réteget, és újra elfogja a vas -hidroxid, a hipolimnion foszforja kicsapódik és immobilizálódik.
A foszfor inertálása, majd temetése az üledékekben veszteséget jelent az ökoszisztémák számára . Azonban, üledék-üregi állatok fölvehetjük részét a ciklus (például néhány Chironomidae és tubifex édesvízben vagy sok soksertéjűek a tengeri üledék ). Nyílt ciklusról beszélünk , mivel ez a foszfor elvész a biológiai ciklusok során. Tisztán geológiai szempontból ez a foszfor bizonyos idő elteltével újra hozzáférhetővé válik az élő szervezetek számára. Tehát egy geológiai idő szempontjából zárt ciklus , a biológiai idő szempontjából azonban nyitott ciklus.
A foszfor életciklusa összekapcsolódik az élelmiszerlánccal, és planktonnal kezdődik. A felmelegedés ("felnövekedés") és a lefolyás által előidézett foszfor terrigén jelenségei alapján a foszfor egy részét a fitoplankton asszimilálja . Ezt a fitoplanktont a zooplankton , a halak vagy puhatestűek asszimilálják . Ugyanazokat a halakat megehetik a tengeri madarak, amelyek lehetővé teszik, hogy a foszfor részben ürülékén és holttestén keresztül visszatérjen a szárazföldre . A faunának általában fontos és hosszú ideig alábecsült szerepe van a foszfor körforgásában. Hasonlóképpen, a lazac növekedése (amely a vízgyűjtők tetején történő ívás után pusztul el) lehetővé teszi kis mennyiségű foszfor visszahozását a földre, kis mennyiségben, kontinentális léptékben, de helyileg nagyon jelentős mértékben. A halászat elősegíti a foszfor újbóli bejuttatását a szárazföldre.
A magmás kőzetekben található ásványi foszfor oldhatatlan (pl. Kalcium, vas, alumínium -foszfát) 6 alatti vagy 7 feletti pH -értéknél.
A talajban specifikációja összetettebb, mivel ásványi anyagok (Fe, Al-oxidok, agyagok) adszorbeálják , ásványi (másodlagos és primer, például apatit) és szerves ( fitátok ) formákban rögzítik . Ebben a formában a foszfort az elsődleges fogyasztók, például a földi környezetben lévő növények használhatatlanok. Ahhoz, hogy ez megvalósítható, meg kell formájában foszfát- ionok oldatban, például PO 4 3- , amely lehet a különböző konjugált formában, mint például a hidrogén- foszfát- ion: HPO 4 2- maga is konjugálni, így kapjuk a dihidrogénfoszfát-ion: H 2 PO 4 - . A foszfort deszorbálni kell a talaj ásványi fázisaiból, a foszfát-ásványok oldódása útján szabadul fel, vagy a szerves foszfort speciális enzimekkel ( foszfatázokkal ) kell lebontani , hogy a foszfátionok a növények rendelkezésére álljanak. A foszfor így jut be a föld körforgásába .
Innen az oldott foszfor vagy az óceánokba áramolhat, és csatlakozhat a tengeri foszforciklushoz, vagy kizárólag szárazföldi körforgásra korlátozódhat (legalábbis addig, amíg a talajban oldhatatlan állapotba nem tér vissza).
Ez utóbbi esetben a kontinentális áramlások éves ciklust figyelnek meg, amelyben a foszfor oldott formában tavasszal éri el maximumát, amikor a biocönózis a legigényesebb. Ez a foszfátion-koncentráció a forrásvizekben a hordalék és az iszap felhalmozódásából származik a tó környezetében a téli rétegződést követően, amikor a forrás inverziója az érintett víztest termikus homogenizációját eredményezi.
Amint az autotróf növények elnyelik a foszfát -ionokat, a foszfor beépül a táplálékhálózatok különböző szintjeibe, a fogyasztóktól a bomlókig , és így szerves foszfáttá válik. Ez a szerves foszfát az elhalt szerves anyagok és az állati ürülék ülepítésével kerül vissza a földre, a szaprofág organizmusok és a lebomló mikroorganizmusok együttes hatásának köszönhetően . Ezután a foszfort ásványi ortofoszfátok formájában nyerik .
A tengeri környezetbe jutott foszfor esetében a szárazföldre való visszatérés kétféleképpen történhet:
A foszfor annyira fontos, hogy makrotápanyagnak számít (összehasonlítva a nyomelemekkel, amelyekre csak nagyon kis mennyiségben van szükség). A foszofor bármilyen hiánya köztudottan súlyosan korlátozza az elsődleges termelékenységet, különösen az óceánokban. Azonban, amint azt a szennyezés miatt kibocsátások foszfát mosószerek a XX th században, a fölös foszfor-a víz gyorsan vezethet súlyos ökológiai egyensúlyhiányt ( dystrophisation ).
Ezért érdekeltek minket a foszfor változásai az elmúlt geológiai periódusokban és különösen 3,5 milliárd éve, különösen a kihalási válságok idején. A geológusok még nem biztosak abban, hogy a foszfor mindig is olyan korlátozó tényező volt-e, mint manapság, vagy mérsékelte az óceán-légkör-szárazföldi viszonyokat az egész élettörténet során, és hogyan stabilizálódik ciklusa végül az ökoszisztémákban.
A tengeri üledékes kőzetek foszforbőség-mutatói az előző 3,5 milliárd év során kezdenek rendelkezésre állni. Ezen adatok alapján úgy tűnik, hogy az újonnan képződött foszfor temetkezése sekély tengeri környezetben körülbelül 800–700 millió évvel ezelőtt mindig viszonylag alacsony volt. Egy magyarázó hipotézis az lenne, hogy a foszfor korlátozott temetkezése (ez idő előtt) a foszfor biolimitációjának tudható be, ami azt eredményezte, hogy az őstermelők az elemi sztöchiometriákban nagyon eltérnek a Redfield -aránytól (a szén, a nitrogén és a foszfor atomaránya fitoplankton ).
Christopher T. Reinhard és munkatársai 2016-ban a foszforra vonatkozó korábbi költségvetések kvantitatív biogeokémiai modellekbe történő integrálásával úgy becsülik, hogy az anoxikus, vasban gazdag óceánokban a foszfor eltemetésének növekedése és a bistabilitás kombinációja stabil világszegénységet eredményezhet oxigénben (és ezért jobban ki vannak téve a nap UV -sugarainak, mivel nincs olyan védő ózonréteg, mint ma). Úgy tűnik, hogy a távoli múltban előfordulhat, hogy a tengeri üledékekből származó foszfor visszanyerhető anoxikus víz alatt. Ezen tényezők kombinációja magyarázhatja a Föld felszínének fokozatos oxigénellátását a Föld történelmének 3,5 milliárd éve alatt. De ez az elemzés azt is sugallja, hogy a foszfor körforgásában alapvető változás következett volna be a késő proterozoikum eónja alatt (neoproterozoikum, 800 és 635 millió év között). Ez a változás egybeesett a tengeri redoxállapotok korábban következtetett változásával, amely az éghajlati rendszer súlyos megzavarásával és az állatok megjelenésével jár.
A foszfor-körforgás által okozott, elsősorban a foszfát-műtrágyák által az emberek által okozott zavarok által okozott fő probléma a vízi környezetek eutrofizációja vagy akár a dystrofikációja , különösen a zárt környezetben, például tavakban .
Az ásványi foszfor feleslege kombinálódik a felesleges nitrogénnel és szénnel, amelyek végül a folyókon vagy a vízgyűjtőn keresztül jutnak el a tavakhoz és / vagy a tengerhez . Ez a foszfor származhat az intenzív mezőgazdaság által használt módosításokból és műtrágyákból, amelyek beépítik őket a talajba a termésnövekedés javítása érdekében. A műtrágyákban lévő foszfor foszfátkrétából vagy guanólerakódásokból származik . Jöhet a szennyvíztisztító szennyvíztisztító telep ( szennyvíztisztító telep ) szennyvizeiből is , amelyek nem kerülnek defoszfatálásra (ez a foszfor különösen lúgból és emberi vizeletből származik).
A felesleges foszfor a táptalaj megtermékenyítéséhez vezet, ami növeli az elsődleges termelést. Ennek eredményeként fitoplankton virágzik a vízben, ami zooplankton virágzáshoz vezet . Amikor meghalnak, ezek az élőlények leesnek, és ásványosító baktériumok ásványosítják őket. Minél nagyobb a virágzás, annál inkább fejlődnek ezek a baktériumok, és annál nagyobb az igény az O 2 -rafontos lesz a légzés és az mineralizáció jelenségei szempontjából . Ezenkívül makrofiták (például békalencse) fejlődnek a felszínen, és fénygátként működnek a cianobaktériumok és a fitoplankton számára. O 2 fogyasztásnagyobb lesz, mint az O 2 termelése. Ez tehát O 2 ritkításához vezetközéptávon a környezet anoxiája. Ezenkívül a foszfor felszabadul az üledékekből. Valójában az oligotróf vagy mezotróf tavak esetében az oldott foszforkomplexek oxidált vassal tárolódnak az üledékekben. O 2 hiányában azonban, ez a vas redukálódik, és egyrészt már nem képes komplexet alkotni a jelenlévő foszforral, másrészt felszabadítja az eredetileg tárolt anyagot. A tó ezután további oldott foszfort kap, amely csak táplálja az eutrofizációs jelenséget. Az O 2 hiányahalálát okozza sok élőlény használó O 2lélegezni, valamint a vízi élővilágra mérgező redukáló vegyületek és gázok, például metán és tiolok megjelenése .
Az óceánokban a tengeri állatvilág és a halászat már nem emeli ki a foszfort a halott zónákból a szárazföldi környezetbe. A foszfor visszatérése a szárazföldi környezetbe ezután főként az orogenezis révén történik. Mivel ez rendkívül lassú, nem kompenzálja a földi környezetből származó foszforveszteséget. Az emberi tevékenység tehát elősegíti a foszfor körforgásának megnyitását.
Az eutrofizáció jelenségének leküzdésére számos megoldás létezik. Mindenekelőtt az upstream inputokat lehet csökkenteni, különösen azokat a módosításokat, amelyek használatát meg lehet indokolni. Egyes mezőgazdasági gyakorlatok, például a nulla talajművelés , korlátozzák a talajeróziót . Hasonlóképpen, a szennyvíztisztító szennyvizek, amelyek kezelésük során defoszfatizálódhatnak. A fizikai módszerek is hatékonyak, például a fenék levegőztetése és az üledék kotrása.