Цикл фосфора - Phosphorus cycle

Цикл фосфора на суше

В цикл фосфора это биогеохимический цикл который описывает движение фосфор сквозь литосфера, гидросфера, и биосфера. 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 в типичных диапазонах температуры и давления, существующих на Земле. Производство фосфин газ возникает 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 в сток. Низкая концентрация фосфора в почвы снижает рост растений и замедляет рост микробов в почве - как показали исследования почвы микробный биомасса. Почвенные микроорганизмы действуют как поглотители и источники доступного фосфора в биогеохимическом цикле.[1] На местном уровне трансформации фосфора носят химический, биологический и микробиологический характер: однако основные долгосрочные трансформации в глобальном цикле обусловлены тектонический движения в геологическое время.[2]

Люди вызвали серьезные изменения в глобальном цикле фосфора благодаря доставке минералов фосфора и использованию фосфора. удобрение, а также доставка продуктов питания с ферм в города, где они теряются в виде сточных вод.

Фосфор в окружающей среде

Водный цикл фосфора

Экологическая функция

Фосфор - важное питательное вещество для растений и животных. Фосфор - это ограничение питательных веществ 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 цветение водорослей которые, когда они умирают и распадаются, приводят к эвтрофикация 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.[3]

Фосфор чаще всего встречается в природе как часть ортофосфат ион (ПО4)3−, 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 выделяют фосфор в растворимой форме, где он усваивается растениями, и превращается в органические соединения. Затем растения могут потребляться травоядные животные а 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 вернуть небольшую часть фосфора обратно в океан. Как правило, со временем (тысячи лет) в почвах возникает дефицит фосфора, что приводит к регрессу экосистемы.[4]

Основные бассейны в водных системах

Есть четыре основных пула фосфора в пресная вода экосистемы: растворенный неорганический фосфор (DIP), растворенный органический фосфор (DOP), твердый органический фосфор (POP) и твердый неорганический фосфор (PIP). Растворенный материал определяется как вещества, которые проходят через 0,45 мкм фильтр[5]. DIP состоит в основном из ортофосфат (PO43-) и полифосфат, а ДОФ состоит из ДНК и фосфопротеины. Твердые частицы - это вещества, которые попадают на фильтр 0,45 мкм и не проходят через него. СОЗ состоит как из живых, так и из мертвых организмов, а СОЗ в основном состоит из гидроксиапатит, Ca5(PO4)3ОЙ. [6]

Биологическая функция

Основное биологическое значение фосфатов - это компонент нуклеотиды, которые служат хранилищем энергии внутри клеток (АТФ ) или при соединении 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 зависит от фосфат кальция в виде гидроксиапатит. Он также содержится в экзоскелете насекомых, и фосфолипиды (найдено во всех биологические мембраны ).[7] Он также действует как буферный агент при поддержании кислотной основы гомеостаз в теле человека.[8]

Цикл фосфора

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.[2][9]

Глобальный цикл фосфора включает четыре основных процесса: (i) тектоническое поднятие и обнажение фосфорсодержащих пород, таких как апатит к поверхностному выветриванию;[10] (ii) физическая эрозия, а также химическое и биологическое выветривание фосфорсодержащих пород для обеспечения почв растворенным фосфором и твердыми частицами;[11] 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).[12]

В наземных системах биодоступный P («реактивный P») в основном возникает в результате выветривания фосфорсодержащих пород. Самый распространенный первичный фосфор-минерал в коре - это апатит, которые могут растворяться естественными кислотами, генерируемыми почвенными микробами и грибами, или другими химическими реакциями выветривания и физической эрозией.[13] Растворенный фосфор биодоступный наземным организмам и растениям и после их разложения возвращается в почву. 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.[14] 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.[15]

Почвенный фосфор обычно переносится в реки и озера, а затем может быть либо захоронен в озерных отложениях, либо транспортирован в океан с речным стоком. Отложения фосфора из атмосферы - еще один важный морской источник фосфора в океане.[16] В поверхностной морской воде растворенный неорганический фосфор, в основном ортофосфат (PO43-), ассимилируется фитопланктоном и превращается в фосфорорганические соединения.[12][16] Лизис клеток фитопланктона высвобождает растворенный клетками неорганический и органический фосфор в окружающую среду. Некоторые органические соединения фосфора могут быть гидролизованы ферментами, синтезируемыми бактериями и фитопланктоном, а затем ассимилироваться.[16] Подавляющее большинство фосфора реминерализуется в толще воды, и примерно 1% связанного фосфора, переносимого падающими частицами в глубину моря, удаляется из океанского резервуара путем захоронения в отложениях.[16] 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 железный цикл,[17] и (iii) абиотическое восстановление (оксигидр) оксидов железа путем сероводород и высвобождение связанного с железом фосфора.[12] Кроме того, (i) фосфат, связанный с карбонат кальция и (ii) превращение фосфора, связанного оксидом железа, в вивианит играют решающую роль в захоронении фосфора в морских отложениях.[18][19] Эти процессы похожи на круговорот фосфора в озерах и реках.

Хотя ортофосфат (ПО43-), доминирующей неорганической разновидностью P в природе, является степень окисления (P5 +), некоторые микроорганизмы могут использовать фосфонат и фосфит (степень окисления P3 +) в качестве источника P, окисляя его до ортофосфата.[20] В последнее время быстрое производство и высвобождение восстановленных соединений фосфора дало новые ключи к разгадке роли восстановленного фосфора как недостающего звена в океаническом фосфоре.[21]

Фосфатные минералы

Доступность фосфора в экосистеме ограничена скоростью высвобождения этого элемента во время выветривания. Выделение фосфора из апатит растворение является ключевым фактором контроля продуктивности экосистемы. Первичный минерал со значительным содержанием фосфора, апатит [Ca5(PO4)3OH] подвергается карбонизация.[2][22]

Мало из этого высвобожденного фосфора поглощается биотой (органической формой), тогда как большая часть вступает в реакцию 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 реакциях с вторичными минералами. Рост растений зависит от быстрого поглощения корнями фосфора, высвобождаемого из мертвого органического вещества в биохимическом цикле. Предоставление фосфора для роста растений ограничено. 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.[2][9]

В почвах содержатся 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 выпуск Щавелевая кислота к микоризный грибы объяснять их важность в поддержании и обеспечении растений фосфором.[2][23]

Доступность органического фосфора для поддержки роста микробов, растений и животных зависит от скорости их разложения с образованием свободного фосфата. Существуют различные ферменты, такие как фосфатазы, нуклеазы и фитаза вовлечены в деградацию. Несколько из абиотический Пути в исследуемой окружающей среде - 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.[1] Многие организмы полагаются на фосфор, полученный из почвы.[нужна цитата ]

Фосфор и эвтрофикация

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, которое приводит к структурным изменениям водной экосистемы, таким как цветение водорослей, деоксигенация, сокращение количества 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 отложений и водной системы.[24] Дренажные воды сельскохозяйственных угодий также содержат фосфор и азот.[25] 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 обезлесением, что также является результатом неконтролируемого планирования и урбанизации.[26]

Водно-болотные угодья

Водно-болотные угодья часто используются для решения проблемы 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. Для постоянного удаления фосфора необходимо добавлять новые почвы в заболоченные земли из остатков стеблей растений, листьев, остатков корней и неразложимых частей мертвых водорослей, бактерий, грибов и беспозвоночных.[25]

Человеческое влияние

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.[27] Естественный 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 из почвы в поверхностный и подземный сток, представляют собой сложное взаимодействие между типом поступления фосфора, тип почвы и управление, и транспортные процессы в зависимости от гидрологических условий.[28][29]

Многократное использование жидкого свиного навоза в избытке для удовлетворения потребностей сельскохозяйственных культур может отрицательно сказаться на содержании фосфора в почве. Также применение биологические твердые вещества может увеличить доступный фосфор в почве.[30] В плохо дренированных почвах или в районах, где таяние снегов может вызывать периодическое заболачивание, восстановительные условия могут быть достигнуты за 7–10 дней. Это вызывает резкое увеличение концентрации фосфора в растворе, и фосфор может выщелачиваться. Кроме того, уменьшение почвенного покрова 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 учесть водный режим почв, которые будут использоваться для размещения органических отходов, при разработке правил обращения с отходами.[31]

Вмешательство человека в круговорот фосфора происходит из-за чрезмерного или неосторожного использования фосфорных удобрений. Это приводит к увеличению количества фосфора как загрязнителей в водоемах, что приводит к эвтрофикация. Эвтрофикация разрушает водные экосистемы, вызывая бескислородные условия.[26]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Тернер Б.Л., Фроссар Э., Болдуин Д.С. (2005). Органический фосфор в окружающей среде. CABI Publishing. ISBN  978-0-85199-822-0.
  2. ^ а б c d е Шлезингер WH (1991). Биогеохимия: анализ глобальных изменений.
  3. ^ «Эвтрофикация - Американское почвенное общество». www.soils.org. Архивировано из оригинал на 2014-04-16. Получено 2014-04-14.
  4. ^ Пельцер Д.А., Уордл Д.А., Эллисон В.Дж., Байсден В.Т., Барджетт Р.Д., Чедвик О.А. и др. (Ноябрь 2010 г.). «Понимание регресса экосистемы». Экологические монографии. 80 (4): 509–29. Дои:10.1890/09-1552.1.
  5. ^ Ветцель, Р. Г. (2001). Лимнология: озерные и речные экосистемы. Сан-Диего: Academic Press.
  6. ^ Ветцель, Р. Г. (2001). Лимнология: озерные и речные экосистемы. Сан-Диего: Academic Press.
  7. ^ «Цикл фосфора - Совет по экологической грамотности». enviroliteracy.org. В архиве из оригинала от 08.11.2006.
  8. ^ Воет Д., Воет Дж. Г. (2003). Биохимия. С. 607–608.
  9. ^ а б Элькерс Э.Х., Валсами-Джонс Э., Ронкал-Эрреро Т. (февраль 2008 г.). «Реакционная способность фосфатных минералов: от глобальных циклов к устойчивому развитию». Минералогический журнал. 72 (1): 337–40. Bibcode:2008MinM ... 72..337O. Дои:10.1180 / minmag.2008.072.1.337. S2CID  97795738.
  10. ^ Buendía, C .; Kleidon, A .; Порпорато, А. (25.06.2010). «Роль тектонических поднятий, климата и растительности в долгосрочном земном цикле фосфора». Биогеонауки. 7 (6): 2025–2038. Дои:10.5194 / bg-7-2025-2010. ISSN  1726-4170.
  11. ^ Adediran, Gbotemi A .; Туйишимэ, Дж. Р. Мариус; Вантелон, Дельфина; Клизубун, Вантана; Густафссон, Джон Петтер (октябрь 2020 г.). «Фосфор в 2D: пространственно разрешенное видообразование P в двух шведских лесных почвах под влиянием апатитового выветривания и оподзоления». Геодермия. 376: 114550. Дои:10.1016 / j.geoderma.2020.114550. ISSN  0016-7061.
  12. ^ а б c Руттенберг KC (2014). «Глобальный цикл фосфора». Трактат по геохимии. Эльзевир. С. 499–558. Дои:10.1016 / b978-0-08-095975-7.00813-5. ISBN  978-0-08-098300-4.
  13. ^ Slomp CP (2011). «Круговорот фосфора в эстуарных и прибрежных зонах». Трактат по науке об эстуариях и прибрежных водах. 5. Эльзевир. С. 201–229. Дои:10.1016 / b978-0-12-374711-2.00506-4. ISBN  978-0-08-087885-0.
  14. ^ Арай Y, Спаркс DL (2007). "Динамика реакции фосфата в почвах и компонентах почвы: многомасштабный подход". Достижения в агрономии. Эльзевир. 94: 135–179. Дои:10.1016 / s0065-2113 (06) 94003-6. ISBN  978-0-12-374107-3.
  15. ^ Шен Дж, Юань Л., Чжан Дж, Ли Х, Бай З, Чен Х, Чжан В., Чжан Ф (июль 2011 г.). «Динамика фосфора: от почвы к растению». Физиология растений. 156 (3): 997–1005. Дои:10.1104 / стр.111.175232. ЧВК  3135930. PMID  21571668.
  16. ^ а б c d Пэйтан А., Маклафлин К. (февраль 2007 г.). «Океанический цикл фосфора». Химические обзоры. 107 (2): 563–76. Дои:10.1021 / cr0503613. PMID  17256993.
  17. ^ Бургин, Эми Дж .; Ян, Венди Х .; Гамильтон, Стивен К .; Сильвер, Whendee L. (2011). «Помимо углерода и азота: как микробная энергетическая экономика объединяет элементные циклы в различных экосистемах». Границы экологии и окружающей среды. 9 (1): 44–52. Дои:10.1890/090227. HDL:1808/21008. ISSN  1540-9309.
  18. ^ Краал П., Дейкстра Н., Берендс Т., Сломп С.П. (май 2017 г.). «Захоронение фосфора в отложениях сульфидных глубин Черного моря: ключевые роли в адсорбции карбонатом кальция и аутигенезе апатита». Geochimica et Cosmochimica Acta. 204: 140–158. Bibcode:2017GeCoA.204..140K. Дои:10.1016 / j.gca.2017.01.042.
  19. ^ Деффори Д., Пайтан А. (2018). «Круговорот фосфора в морских отложениях: достижения и проблемы». Химическая геология. 477: 1–11. Bibcode:2018ЧГео.477 .... 1Д. Дои:10.1016 / j.chemgeo.2017.12.002.
  20. ^ Фигероа И.А., Коутс Дж. Д. (2017). «Микробное окисление фосфита и его потенциальная роль в глобальных циклах фосфора и углерода». Успехи прикладной микробиологии. 98: 93–117. Дои:10.1016 / bs.aambs.2016.09.004. ISBN  978-0-12-812052-1. PMID  28189156.
  21. ^ Ван Мой Б.А., Крупке А., Дирман С.Т., Фредрикс Х.Ф., Фришкорн К.Р., Оссолински Дж.Э. и др. (Май 2015 г.). «Цикл фосфора. Основная роль планктонного восстановления фосфата в окислительно-восстановительном цикле морского фосфора». Наука. 348 (6236): 783–5. arXiv:1505.03786. Дои:10.1126 / science.aaa8181. PMID  25977548. S2CID  206636044.
  22. ^ Филипелли GM (2002). «Глобальный цикл фосфора». Обзоры по минералогии и геохимии. 48 (1): 391–425. Bibcode:2002РвМГ ... 48..391Ф. Дои:10.2138 / RMG.2002.48.10.
  23. ^ Харролд С.А., Табатабай М.А. (июнь 2006 г.). «Высвобождение неорганического фосфора из почвы низкомолекулярными органическими кислотами». Коммуникации в области почвоведения и анализа растений. 37 (9–10): 1233–45. Дои:10.1080/00103620600623558. S2CID  84368363.
  24. ^ Карпентер С.Р. (июль 2005 г.). «Эвтрофикация водных экосистем: бистабильность и почвенный фосфор» (PDF). Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 102 (29): 10002–5. Bibcode:2005PNAS..10210002C. Дои:10.1073 / pnas.0503959102. ЧВК  1177388. PMID  15972805.
  25. ^ а б «Откуда берутся питательные вещества и как они вызывают энтрофикацию». Озера и водохранилища. Программа ООН по окружающей среде. 3.
  26. ^ а б Конли DJ, Паерл Х.В., Ховарт Р.В., Бош Д.Ф., Зейтцингер С.П., Хавенс К.Е., Ланселот С., Ликенс Дж.Э. (февраль 2009 г.). «Экология. Борьба с эвтрофикацией: азот и фосфор». Наука. 323 (5917): 1014–5. Дои:10.1126 / science.1167755. PMID  19229022. S2CID  28502866.
  27. ^ Дэниел Т.С., Шарпли А.Н., Лемуньон Дж. Л. (1998). «Сельскохозяйственный фосфор и эвтрофикация: обзор симпозиума». Журнал качества окружающей среды. 27 (2): 251–7. Дои:10.2134 / jeq1998.00472425002700020002x.
  28. ^ Браном Дж. Р., Саркар Д. (март 2004 г.). «Биодоступность фосфора в отложениях илового озера». Экологические науки о Земле. 11 (1): 42–52. Дои:10.1306 / например, 10200303021.
  29. ^ Schelde K, de Jonge LW, Kjaergaard C, Laegdsmand M, Rubæk GH (январь 2006 г.). «Влияние внесения навоза и вспашки на перенос коллоидов и фосфора в канализацию». Журнал зоны Вадосе. 5 (1): 445–58. Дои:10.2136 / vzj2005.0051.
  30. ^ Хоссейнпур А, Пашамохтари Х (июнь 2013 г.). «Влияние инкубации на свойства десорбции фосфора, доступность фосфора и засоление почв, измененных биологически твердыми веществами». Экологические науки о Земле. 69 (3): 899–908. Дои:10.1007 / s12665-012-1975-6. S2CID  140537340.
  31. ^ Ajmone-Marsan F, Côté D, Simard RR (апрель 2006 г.). «Превращения фосфора при восстановлении в многолетних навозных почвах». Растение и почва. 282 (1–2): 239–50. Дои:10.1007 / s11104-005-5929-6. S2CID  23704883.

внешняя ссылка