Войти
Цикл фосфора на суше Цикл фосфора - это биогеохимический цикл, описывает движение фосфора через литосферу, гидросферу и биосферу. В отличие от многих других биогеохимических циклов, атмосфера не играет значительной роли в перемещении фосфора, потому что фосфор и соединения на основе фосфора обычно являются твердыми веществами при типичных диапазонах температуры и давления, существующих на Земле. Производство газа фосфина происходит только в специализированных местных условиях. Следовательно, цикл фосфора следует рассматривать со всей системы Земли, а затем специально сосредоточить внимание на цикле в наземных и водных системах.
На суше фосфор постепенно становится менее доступным для растений в течение тысяч лет, так как он медленно теряется с сточными водами. Низкая концентрация фосфора в почвах снижает рост растений и замедляет рост микробов в почве, как показали исследования почвенной микробной биомассы. Почвенные микроорганизмы действуют как поглотители и источники доступного фосфора в биогеохимическом цикле. На местном уровне преобразования фосфора носят химический, биологический и микробиологический характер: однако, основные долгосрочные переходы в глобальном цикле обусловлены тектоническими движениями в геологическом времени.
Люди вызвали серьезные изменения к глобальному циклу фосфора за счет транспортировки фосфорных минералов и использования фосфорных удобрений , а также доставки продуктов питания с ферм в города, где они теряются в виде сточных вод.
Круговорот фосфора в воде Фосфор - важное питательное вещество для растений и животных. Фосфор является ограничивающим питательным веществом для водных организмов. Фосфор входит в состав важных жизненно важных молекул, которые очень распространены в биосфере. Фосфор действительно попадает в атмосферу в очень небольших количествах, когда пыль растворяется в дождевой воде и морских брызгах, но остается в основном на суше, в камнях и минералах почвы. Восемьдесят процентов добытого фосфора используется для производства удобрений. Фосфаты из удобрений, сточных вод и моющих средств могут вызвать загрязнение озер и ручьев. Чрезмерное обогащение фосфатами как пресных, так и прибрежных морских вод может привести к массовому цветению водорослей, которое, когда они умирают и разлагаются, приводит к эвтрофикации только пресных вод. Примером этого является Канадский район экспериментальных озер. Это цветение пресноводных водорослей не следует путать с цветением в морской среде. Недавние исследования показывают, что преобладающим загрязнителем, ответственным за цветение водорослей в устьях соленой воды и прибрежных морских местообитаниях, является азот.
Фосфор наиболее часто встречается в природе в составе иона ортофосфата (PO 4), состоящий из атома P и 4 атомов кислорода. На суше больше всего фосфора содержится в горных породах и минералах. Богатые фосфором отложения обычно образуются в океане или из гуано, и со временем геологические процессы переносят океанические отложения на сушу. Выветривание горных пород и минералов выделяет фосфор в растворимой форме, где он усваивается растениями и превращается в органические соединения. Затем растения могут потребляться травоядными, и фосфор либо включается в их ткани, либо выводится из организма. После смерти животное или растение разлагается, и фосфор возвращается в почву, где большая часть фосфора превращается в нерастворимые соединения. Сток может унести небольшую часть фосфора обратно в океан. Обычно со временем (тысячи лет) почвы становятся дефицитными по фосфору, что приводит к регрессу экосистемы.
Основная биологическая важность фосфатов - это компонент нуклеотидов, которые служат хранилищем энергии внутри клеток (АТФ ) или, когда они связаны вместе, образуют нуклеиновые кислоты ДНК и РНК. Двойная спираль нашей ДНК возможна только из-за мостика на основе сложного эфира фосфорной кислоты, которая связывает спираль. Помимо создания биомолекул, фосфор также содержится в костях и эмали зубов млекопитающих, прочность которых обеспечивается фосфатом кальция в форме гидроксиапатита. Он также содержится в экзоскелете насекомых и фосфолипидах (обнаружен во всех биологических мембранах ). Он также действует как буферный агент для поддержания кислотно-щелочного гомеостаза в организме человека.
Фосфаты быстро перемещаются через растения и животных; однако процессы, которые перемещают их через почву или океан, очень медленные, что делает цикл фосфора в целом одним из самых медленных биогеохимических циклов.
Глобальный цикл фосфора включает четыре основных процесса: (i) тектоническое поднятие и обнажение фосфорсодержащих пород, таких как апатит, до поверхностного выветривания; (ii) физическая эрозия, а также химическое и биологическое выветривание фосфорсодержащих пород для обеспечения растворенного и взвешенного фосфора в почвы, озера и реки; (iii) речной и подземный перенос фосфора в различные озера и сток в океан; (iv) осаждение твердых частиц фосфора (например, фосфор, связанный с органическими веществами и оксидными / карбонатными минералами) и, в конечном итоге, захоронение в морских отложениях (этот процесс также может происходить в озерах и реках).
В наземных системах биодоступен P («реактивный P») в основном возникает в результате выветривания фосфорсодержащих пород. Наиболее распространенным первичным фосфорным минералом в коре является апатит, который может растворяться естественными кислотами, генерируемыми почвенными микробами и грибами, или другими химическими реакциями выветривания и физической эрозией. Растворенный фосфор биодоступен для наземных организмов и растений и возвращается в почву после их разложения. Удержание фосфора почвенными минералами (например, адсорбция на оксигидроксидах железа и алюминия в кислых почвах и осаждение на кальцит в нейтральных и известковых почвах) обычно рассматривается как наиболее важный процесс в управлении наземной биодоступностью фосфора в минеральной почве. Этот процесс может привести к низкому уровню концентрации растворенного фосфора в почвенном растворе. Растения и микроорганизмы используют различные физиологические стратегии для получения фосфора из этого низкого уровня концентрации фосфора.
Почвенный фосфор обычно переносится в реки и озера, а затем может быть захоронен в озерных отложениях или транспортирован в океан через речной сток. Отложения фосфора из атмосферы - еще один важный морской источник фосфора в океане. В поверхностной морской воде растворенный неорганический фосфор, в основном ортофосфат (PO 4), ассимилируется фитопланктоном и превращается в органические соединения фосфора. Лизис клеток фитопланктона высвобождает растворенный в клетках неорганический и органический фосфор в окружающую среду. Некоторые органические соединения фосфора могут быть гидролизованы ферментами, синтезируемыми бактериями и фитопланктоном, а затем ассимилироваться. Подавляющее большинство фосфора реминерализовано в толще воды, и примерно 1% связанного фосфора, переносимого падающими частицами в глубину моря, удаляется из океанского резервуара путем захоронения в отложениях. Ряд диагенетических процессов способствует увеличению концентрации фосфора в поровых водах донных отложений, что приводит к заметному возвратному потоку фосфора из бентоса в вышележащие придонные воды. Эти процессы включают (i) микробное дыхание органического вещества в отложениях, (ii) микробное восстановление и растворение (оксигидр) оксидов железа и марганца с последующим высвобождением связанного фосфора, который связывает цикл фосфора с циклом железа, и (iii) абиотическое восстановление (оксигидр) оксидов железа с помощью сероводорода и высвобождение связанного с железом фосфора. Кроме того, (i) фосфат, связанный с карбонатом кальция и (ii) преобразование фосфора, связанного с оксидом железа, в вивианит, играют решающую роль в захоронении фосфора в морских отложениях. Эти процессы похожи на круговорот фосфора в озерах и реках.
Хотя ортофосфат (PO 4), доминирующий неорганический вид P в природе, имеет степень окисления (P5 +), некоторые микроорганизмы могут использовать фосфонат и фосфит (степень окисления P3 +) в качестве источника фосфора. окисляя его до ортофосфата. В последнее время быстрое производство и высвобождение восстановленных соединений фосфора дало новые сведения о роли восстановленного фосфора как недостающего звена в океаническом фосфоре.
Доступность фосфора в экосистеме ограничена. ограничивается скоростью высвобождения этого элемента при выветривании. Высвобождение фосфора при растворении апатита является ключевым фактором контроля продуктивности экосистемы. Первичный минерал со значительным содержанием фосфора, апатит [Ca 5 (PO 4)3OH], подвергается карбонизации.
Мало из этого высвобожденного фосфора поглощается биотой (органическая форма), тогда как большая часть реагирует с другими минералами почвы. Это приводит к выпадению осадков в недоступных формах на более поздних стадиях выветривания и развития почвы. Доступный фосфор находится в биогеохимическом цикле в верхнем профиле почвы, в то время как фосфор, обнаруженный на более низких глубинах, в основном участвует в геохимических процессах. реакции со вторичными минералами. Рост растений зависит от быстрого поглощения корнями фосфора, высвобождаемого из мертвого органического вещества в биохимическом цикле. Поставка фосфора для роста растений ограничена. Фосфаты быстро проходят через растения и животных; однако процессы, которые их перемещают почва или океан очень медленные, что делает цикл фосфора в целом одним из самых медленных биогеохимических циклов.
В почвах обнаружены низкомолекулярные органические кислоты (НМК). Они возникают в результате деятельности различных микроорганизмов в почве или могут выделяться из корней живых растений. Некоторые из этих органических кислот способны образовывать стабильные металлоорганические комплексы с ионами различных металлов, обнаруженными в почвенных растворах. В результате эти процессы могут привести к высвобождению неорганического фосфора, связанного с алюминием, железом и кальцием в минералах почвы. Производство и высвобождение щавелевой кислоты с помощью микоризных грибов объясняет их важность в поддержании и обеспечении растений фосфором.
Доступность органического фосфора Поддержка роста микробов, растений и животных зависит от скорости их разложения с образованием свободного фосфата. В расщеплении участвуют различные ферменты, такие как фосфатазы, нуклеазы и фитаза. Некоторые из абиотических путей в окружающей среде изучены - это гидролитические реакции и фотолитические реакции. Ферментативный гидролиз органического фосфора является важным этапом биогеохимического цикла фосфора, включая фосфорное питание растений и микроорганизмов и перенос органического фосфора из почвы в водоемы. Многие организмы полагаются на фосфор, полученный из почвы, для их фосфорного питания.
Упрощенная иллюстрация циклов азота и фосфора в водно-болотных угодьях (модифицировано из Kadlec and Knight (1996), «Treatment Wetlands») »; Изображения из IAN, Университет Мэриленда). Эвтрофикация - это обогащение воды питательными веществами, которые приводят к структурным изменениям водной экосистемы, таким как цветение водорослей, дезоксигенация, сокращение численности видов рыб. Основными источниками эвтрофикации считаются азот и фосфор. Когда эти два элемента превышают емкость водоема, происходит эвтрофикация. Фосфор, попадающий в озера, будет накапливаться в отложениях и биосфере, он также может быть переработан из донных отложений и водной системы. Дренажные воды сельскохозяйственных угодий также содержат фосфор и азот. Поскольку в почве содержится большое количество фосфора, чрезмерное использование удобрений и чрезмерное обогащение питательными веществами приведет к увеличению содержания фосфора в сельскохозяйственных стоках. Когда эродированная почва попадает в озеро, и фосфор, и азот в почве способствуют эвтрофикации и эрозии, вызванной вырубкой лесов, что также является результатом неконтролируемого планирования и урбанизации.
Часто используются водно-болотные угодья. решить вопрос эвтрофикации. На заболоченных территориях нитраты превращаются в свободный азот и выбрасываются в воздух. Фосфор адсорбируется заболоченными почвами, которые поглощаются растениями. Следовательно, водно-болотные угодья могут помочь снизить концентрацию азота и фосфора, чтобы устранить и решить проблему эвтрофикации. Однако заболоченные почвы могут удерживать лишь ограниченное количество фосфора. Чтобы постоянно удалять фосфор, необходимо добавлять новые почвы в заболоченные земли из остатков стеблей растений, листьев, остатков корней и неразложимых частей мертвых водорослей, бактерий, грибов и беспозвоночных.
Внесение фосфорных удобрений 
Фосфор в навозе Питательные вещества важны для роста и выживания живых организмов и, следовательно, необходимы для развития и поддержания здоровых экосистем. Люди сильно повлияли на цикл фосфора, добывая фосфор, превращая его в удобрение, а также отправляя удобрения и продукты по всему миру. Транспортировка фосфора с пищевыми продуктами с ферм в города внесла серьезные изменения в глобальный цикл фосфора. Однако чрезмерное количество питательных веществ, особенно фосфора и азота, вредно для водных экосистем. Воды обогащены фосфором из сточных вод с ферм и из сточных вод, которые не обрабатываются надлежащим образом перед сбросом в воду. Поступление фосфора в сельскохозяйственные стоки может ускорить эвтрофикацию поверхностных вод, чувствительных к фосфору. Естественное эвтрофикация - это процесс, в результате которого озера постепенно стареют и становятся более продуктивными, и для его развития могут потребоваться тысячи лет. Однако культурная или антропогенная эвтрофикация - это загрязнение воды, вызванное чрезмерным количеством питательных веществ для растений; это приводит к чрезмерному росту популяции водорослей; когда эти водоросли умирают, их гниение истощает воду кислородом. Такое эвтрофикация может также вызвать токсичное цветение водорослей. Оба эти эффекта приводят к увеличению смертности животных и растений, поскольку растения поглощают отравленную воду, а животные пьют отравленную воду. Поверхностный и подземный сток и эрозия почв с высоким содержанием фосфора могут быть основными факторами, способствующими эвтрофикации пресной воды. Процессы, контролирующие выброс фосфора в поверхностный сток и подземный сток, представляют собой сложное взаимодействие между типом поступления фосфора, типом почвы и управлением и процессами переноса в зависимости от гидрологических условий.
Повторяется. внесение жидкого свиного навоза в количестве, превышающем потребности сельскохозяйственных культур, может иметь пагубное воздействие на содержание фосфора в почве. Кроме того, внесение твердых биологических веществ может увеличить доступный фосфор в почве. На плохо дренированных почвах или в районах, где таяние снегов может вызывать периодическое переувлажнение, восстановительные условия могут быть достигнуты за 7–10 дней. Это вызывает резкое увеличение концентрации фосфора в растворе, и фосфор может выщелачиваться. Кроме того, уменьшение площади почвы вызывает переход фосфора от упругих форм к более лабильным. В конечном итоге это может увеличить вероятность потери фосфора. Это вызывает особую озабоченность с точки зрения экологически обоснованного управления такими территориями, где удаление сельскохозяйственных отходов уже стало проблемой. Предлагается принять во внимание водный режим почв, которые будут использоваться для размещения органических отходов, при разработке правил обращения с отходами.
Вмешательство человека в круговорот фосфора происходит из-за чрезмерного или неосторожного использования фосфора. удобрения. Это приводит к увеличению количества фосфора как загрязнителя в водоемах, что приводит к эвтрофикации. Эвтрофикация разрушает водные экосистемы, вызывая бескислородные условия.
