دورة الفسفور في الطبيعة

دورة الفوسفور هي الدورة الكيميائية الجيولوجية التي تصف حركة الفوسفور عبر الغلاف الصخري والغلاف المائي والغلاف الحيوي. على عكس العديد من الدورات الجيوكيميائية الأخرى .

الفسفور

لا يلعب الغلاف الجوي دورًا مهمًا في حركة الفوسفور ، لأن الفوسفور والمركبات القائمة على الفوسفور عادة ما تكون صلبة في نطاقات درجة الحرارة والضغط النموذجية الموجودة على الأرض. يحدث إنتاج غاز الفوسفين في ظروف محلية متخصصة فقط. لذلك ، ينبغي النظر إلى دورة الفسفور من نظام الأرض بالكامل ومن ثم التركيز بشكل خاص على دورة النظم الأرضية والمائية.

على الأرض ، يصبح الفسفور تدريجياً أقل توفرًا للنباتات على مدار آلاف السنين ، لأنه يضيع ببطء في الجريان السطحي. انخفاض تركيز الفسفور في التربة يقلل من نمو النبات ، ويبطئ نمو الميكروبات في التربة – كما هو موضح في دراسات الكتلة الحيوية للميكروبات في التربة.

تعمل الكائنات الحية الدقيقة في التربة كمصارف ومصدر للفوسفور المتاح في الدورة الكيميائية الحيوية. على المستوى المحلي ، تكون تحولات الفسفور كيميائية وبيولوجية وميكروبيولوجية: ومع ذلك ، فإن عمليات النقل الطويلة الأجل الرئيسية في الدورة العالمية ، مدفوعة بحركات تكتونية في الزمن الجيولوجي.

لقد تسبب البشر في حدوث تغييرات كبيرة في دورة الفوسفور العالمية من خلال شحن معادن الفوسفور ، واستخدام الأسمدة الفوسفورية ، وكذلك شحن الأغذية من المزارع إلى المدن ، حيث يتم فقد النفايات السائلة.

الفسفور في الطبيعة

الوظيفة البيئية

يعد الفوسفور من العناصر الغذائية الأساسية للنباتات والحيوانات. الفوسفور مادة مغذية للكائنات المائية. يشكل الفوسفور أجزاء من جزيئات مهمة للحفاظ على الحياة شائعة جدًا في المحيط الحيوي. يدخل الفوسفور في الغلاف الجوي بكميات صغيرة جدا عندما يذوب الغبار في مياه الأمطار وبخار البحر ، ولكن يبقى في الغالب على الأرض ومعادن الصخور والتربة.

يستخدم 80٪ من الفسفور الملغوم في صناعة الأسمدة. يمكن أن تسبب الفوسفات من الأسمدة والصرف الصحي والمنظفات التلوث في البحيرات والجداول. يمكن أن يؤدي الإفراط في إثراء الفوسفات في كل من المياه البحرية العذبة والداخلية إلى إزهار الطحالب الضخمة التي ، عندما تموت وتتحلل ، تؤدي إلى إخماد المياه العذبة فقط. مثال على ذلك منطقة البحيرات التجريبية الكندية. لا ينبغي الخلط بين هذه الطحالب في المياه العذبة وتلك الموجودة في بيئات المياه المالحة. تشير الأبحاث الحديثة إلى أن الملوث السائد المسؤول عن إزهار الطحالب في مصبات المياه المالحة والموائل البحرية الساحلية هو النيتروجين.

يحدث الفسفور في الطبيعة أكثر من غيره كجزء من أيون الفوسفات (PO4) 3− ، الذي يتكون من ذرة P و 4 ذرات أكسجين. على اليابسة يوجد معظم الفسفور في الصخور والمعادن.

تشكلت الرواسب الغنية بالفوسفور عمومًا في المحيط أو من ذرق الطائر ، وبمرور الوقت ، أدت العمليات الجيولوجية إلى جلب رواسب المحيط إلى اليابسة. يؤدي تجوية الصخور والمعادن إلى إطلاق الفسفور في صورة قابلة للذوبان حيث يتم تناوله بواسطة النباتات ، ويتحول إلى مركبات عضوية. ثم يمكن أن تستهلك النباتات من قبل الحيوانات العاشبة والفوسفور إما أن تدمج في أنسجتها أو تفرز. بعد الموت ، يتحلل الحيوان أو النبات ، ويعاد الفسفور إلى التربة حيث يتحول جزء كبير من الفسفور إلى مركبات غير قابلة للذوبان. الجريان السطحي قد يحمل جزءًا صغيرًا من الفسفور إلى المحيط. عموما مع مرور الوقت (آلاف السنين) تصبح التربة ناقصة في الفسفور مما يؤدي إلى تراجع النظام البيئي.

الوظيفة البيولوجية

الأهمية البيولوجية الأولية للفوسفات هي كمكون من النيوكليوتيدات ، والتي تعمل بمثابة تخزين الطاقة داخل الخلايا (ATP) أو عندما ترتبط ببعضها البعض ، تشكل الحمض النووي DNA و RNA. الحلزون المزدوج لحمضنا النووي ممكن فقط بسبب جسر استر الفوسفات الذي يربط اللولب. إلى جانب صنع الجزيئات الحيوية ، يوجد الفسفور أيضًا في العظام والمينا لأسنان الثدييات ، والتي تستمد قوتها من فوسفات الكالسيوم في شكل هيدروكسيباتيت. كما يوجد في الهيكل الخارجي للحشرات ، والفوسفوليبيد (الموجود في جميع الأغشية البيولوجية). كما أنه يعمل كعامل تخزين مؤقت في الحفاظ على التوازن الحمضي القاعدي في جسم الإنسان .

دورة الفوسفور

يتحرك الفوسفات بسرعة عبر النباتات والحيوانات. ومع ذلك ، فإن العمليات التي تحركها عبر التربة أو المحيطات بطيئة للغاية ، مما يجعل دورة الفوسفور بشكل عام واحدة من أبطأ دورات الكيمياء الجيولوجية الحيوية.

تشتمل دورة الفوسفور العالمية على أربع عمليات رئيسية:

_ الارتقاء التكتوني وتعريض الصخور الحاملة للفوسفور مثل الأباتيت للتجوية السطحية .

_ التآكل الفيزيائي ، والطقس الكيميائي والبيولوجي للصخور الحاملة للفوسفور لتزويد الفسفور المنحل والجزيئي بالتربة والبحيرات والأنهار .

_ نقل الفوسفور النهري وتحت السطحي إلى مختلف البحيرات والجريان السطحي إلى المحيط .

_ ترسيب جسيمات الفسفور (مثل الفوسفور المرتبط بالمواد العضوية ومعادن الأكسيد / الكربونات) وفي النهاية الدفن في الرواسب البحرية (يمكن أن تحدث هذه العملية أيضًا في البحيرات والأنهار).

في الأنظمة الأرضية ، يأتي يتوفر الفسفور بيولوجيًا  بشكل أساسي للصخور المحتوية على الفوسفور. أكثر أنواع الفسفور الأولية وفرة في القشرة هو الأباتيت ، والذي يمكن إذابته بواسطة الأحماض الطبيعية الناتجة عن ميكروبات التربة والفطريات ، أو عن طريق تفاعلات التجوية الكيميائية الأخرى والتآكل الفيزيائي. والفوسفور الذائب متوافر حيوياً للكائنات الحية والنباتات ويعاد إلى التربة بعد وفاتهم مع الحديد وأكسيد هيدروكسيد الألومنيوم في التربة الحمضية ، عادة ما يُنظر إلى احتفاظ الفوسفور بمعادن التربة (الأمطار على الكالسيت في التربة المحايدة إلى الجيرية) كأهم عامل في التحكم في التوافر البيولوجي للأرض.

يمكن أن تؤدي هذه العملية إلى انخفاض مستوى تركيزات الفسفور المذاب في محلول التربة. تستخدم النباتات والكائنات الدقيقة استراتيجيات فسيولوجية مختلفة للحصول على الفسفور من هذا المستوى المنخفض من تركيز الفسفور.

عادة ما يتم نقل الفسفور في التربة إلى الأنهار والبحيرات ويمكن بعد ذلك ايجاده مدفوناً في رواسب البحيرة أو منقولا ألى المحيط عبر جريان النهر.

الفسفور في الغلاف الجوي

يعتبر ترسب الفسفور في الغلاف الجوي مصدرًا مهمًا آخر للفوسفور البحري في المحيط. وفي مياه البحر السطحية ، يتم استيعاب الفوسفور غير العضوي المذاب ، ولا سيما الفوسفات (PO43−) ، بواسطة العوالق النباتية ويتحول إلى مركبات فسفورية عضوية. يقوم تحلل خلايا العوالق النباتية بإطلاق الفسفور العضوي غير العضوي المذاب في البيئة المحيطة. يمكن تحلل بعض مركبات الفسفور العضوية عن طريق إنزيمات تصنعها البكتيريا والعوالق النباتية ثم يتم استيعابها لاحقًا.

فالغالبية العظمى من الفسفور يتم إعادة تمعدنها داخل عمود الماء ، وحوالي 1 ٪ من الفسفور المرتبط الذي ينقل إلى أعماق البحار بواسطة الجسيمات الساقطة يتم إزالته من خزان المحيط بواسطة الدفن في الرواسب. تعمل سلسلة من العمليات الجينية على إثراء تركيزات الفسفور في مسام الماء ، مما يؤدي إلى تدفق كبير للقاع من الفوسفور إلى المياه الجوفية السفلية.

العمليات الجينية لتركيزات الفسفور

تشمل هذه العمليات :

_ التنفس الميكروبي للمادة العضوية في الرواسب

_ الاختزال الميكروبي وأكسيد الحديد والمنغنيز مع الإطلاق اللاحق لأكسيد الفوسفور المرتبط به ,

_  الاختزال غير الحيوي لأكسيدات الحديد (أوكسي هيدر) بواسطة الهيدروجين كبريتيد وتحرير الفوسفور المرتبط بالحديد. بالإضافة إلى ذلك ، الفوسفات المرتبط بكربونات الكالسيوم و  تحويل الفوسفور المرتبط بأكسيد الحديد إلى فيفيانيت يلعب أدوارًا حاسمة في دفن الفوسفور في الرواسب البحرية تشبه هذه العمليات دورة الفوسفور في البحيرات والأنهار.