دورة الفسفور في الطبيعة

دورة الفوسفور” هي دورة كيميائية جيولوجية تصف حركة الفوسفور عبر الغلاف الصخري والغلاف المائي والغلاف الحيوي، وهي مختلفة عن الكثير من الدورات الجيوكيميائية الأخرى .

الفسفور

لا يلعب الغلاف الجوي دورا مهما في حركة الفوسفور، حيث يكون الفوسفور والمركبات المشتقة منه عادة صلبة في درجات الحرارة والضغوط النموذجية على الأرض. يتم إنتاج غاز الفوسفين في ظروف خاصة فقط. لذا، يجب أن ننظر إلى دورة الفوسفور في نظام الأرض بأكمله وأن نركز بشكل خاص على دورة النظم الأرضية والمائية.

على الأرض، يقل توفر الفسفور تدريجيا للنباتات على مر الآف السنين، نظرا لأنه يفقد ببطء في تدفق السطح. انخفاض تركيز الفسفور في التربة يقلل من نمو النباتات ويبطئ نمو الميكروبات في التربة، كما هو موضح في دراسات كتلة الميكروبات الحيوية 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.

تسبب الإنسان في تغييرات كبيرة في دورة الفوسفورالعالمية، من خلال استخراج المعادن الفوسفورية واستخدام الأسمدة الفوسفورية، وكذلك نقل الأغذية من المزارع إلى المدن، مما يؤدي إلى تسرب النفايات السائلة.

الفسفور في الطبيعة

الوظيفة البيئية

يعد الفوسفور عنصرا غذائيا أساسيا للنباتات والحيوانات، ويعتبر مغذيا للكائنات المائية. يشكل الفوسفور جزءا من جزيئات هامة للحفاظ على الحياة، ويوجد بكميات صغيرة في الغلاف الجوي عندما يذوب الغبار في مياه الأمطار وبخار البحر، ولكنه يتراكم بشكل رئيسي في الأرض والصخور والتربة.

يستخدم 80% من الفوسفور الملغوم في صناعة الأسمدة، ويمكن أن تتسبب الفوسفات الموجودة في الأسمدة والصرف الصحي والمنظفات في تلوث البحيرات والبرك، ويمكن أن يؤدي إفراط إثراء المياه العذبة والمالحة بالفوسفات إلى نمو الطحالب الكبيرة، وعندما تموت وتتحلل ستحدث اختناقا في المياه العذبة، ومن أمثلة ذلك منطقة البحيرات التجريبية الكندية، ويجب عدم الخلط بين هذه الطحالب في المياه العذبة وتلك الموجودة في بيئات المياه المالحة، وتشير الأبحاث الحديثة إلى أن الملوث السائد المسؤول عن نمو الطحالب في مصبات المياه المالحة والموائل البحرية الساحلية هو النيتروجين.

الفسفور يحدث في الطبيعة بشكل أكبر من أي عنصر آخر كجزء من أيون الفوسفات (PO4) 3−، والذي يتكون من ذرة فوسفور وأربع ذرات أكسجين. وفي اليابسة، يتواجد 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 الأساسية للفوسفات في المجال البيولوجي تكمن في أنه يشكل مكونا للنوكليوتيدات، والتي تعمل على تخزين الطاقة داخل الخلايا (ATP)، أو عندما ترتبط معا، تشكل الحمض النووي (DNA) والحمض الريبوزي (RNA). إن التشكيل المزدوج للحمض النووي المتعرج يكون ممكنا فقط بفضل جسر الفوسفات الذي يربط بين الشرائط. بالإضافة إلى تكوين الجزيئات الحيوية، يوجد الفوسفور أيضا في العظام ومينا أسنان الثدييات، حيث يشكل قوة بفضل وجود فوسفات الكالسيوم في شكل هيدروكسيابات. كما يوجد في هيكل الحشرات الخارجي، وفي الفوسفوليبيد (الموجود في جميع الأغشية البيولوجية). كما يعمل كعامل تخزين مؤقت للحفاظ على التوازن الحمضي القاعدي في جسم الإنسان .

دورة الفوسفور

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

تشتمل دورة الفوسفور العالمية على أربع عمليات رئيسية:

يتضمن التكتون التعرض للصخور الحاملة للفوسفور، مثل الأباتيت، لعملية التجوية السطحية .

يتأثر توفر الفوسفور المنحل والجزيئي في التربة والبحيرات والأنهار بالتآكل الفيزيائي والطقس الكيميائي والبيولوجي للصخور الحاملة للفوسفور .

يتم نقل الفوسفور النهري والجوفي إلى مختلف البحيرات والأنهار السطحية ثم إلى المحيط .

تتمثل العملية في ترسيب جسيمات الفسفور، مثل الفوسفور المرتبط بالمواد العضوية ومعادن الأكسيد/الكربونات، وفي النهاية يتم دفنها في الرواسب البحرية، ويمكن أن تحدث هذه العملية أيضًا في البحيرات والأنهار.

في الأنظمة الأرضية، يتوفر الفوسفور بشكل أساسي بيولوجيا من الصخور التي تحتوي على الفوسفور. النوع الأكثر وفرة من الفوسفور الأولي في القشرة هو الأباتيت، والذي يمكن أن يتم ذوبانه بواسطة الأحماض الطبيعية التي تنتجها ميكروبات التربة والفطريات، أو عن طريق تفاعلات كيميائية أخرى وتآكل فيزيائي. الفوسفور المذاب متاح بيولوجيا للكائنات الحية والنباتات، ويعاد إلى التربة بعد موتها مع الحديد وأكسيد هيدروكسيد الألومنيوم في التربة الحمضية. عادة ما يعتبر الاحتفاظ بالفوسفور في معادن التربة (بما في ذلك الكالسيت في التربة المحايدة إلى الجيرية) عاملا هاما في التحكم في توافر الفوسفور بشكل بيولوجي للأرض.

يمكن أن تؤدي هذه العملية إلى انخفاض تركيز الفسفور المذاب في تربة المحلول. تستخدم النباتات والكائنات الدقيقة استراتيجيات فيزيولوجية مختلفة للحصول على الفسفور من هذا المستوى المنخفض من تركيز الفسفور.

بشكل عام، يتم نقل الفسفور في التربة إلى الأنهار والبحيرات، ومن ثم يمكن العثور عليه في رواسب البحيرات أو نقله إلى المحيط عن طريق تدفق المياه النهرية.

الفسفور في الغلاف الجوي

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

يتم إعادة تمعدن الفسفور بشكل عام داخل العمود المائي، ويتم إزالة حوالي 1٪ من الفسفور المرتبط الذي ينقله الجسيمات الساقطة إلى أعماق البحار من خلال الدفن في الرواسب. وتساعد سلسلة من العمليات الجينية على تحسين تركيزات الفسفور في مسام الماء، مما يؤدي إلى تدفق كبير للفوسفور من القاع إلى المياه الجوفية السفلية.

العمليات الجينية لتركيزات الفسفور

تشمل هذه العمليات :

التنفس الميكروبي للمواد العضوية في الرواسب

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

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