Ciclul fosforului este un ciclu biogeochimic implică fosfor .
Fosforul este un component esențial al materiei organice , chiar dacă greutatea sa este relativ mică în comparație cu azotul sau potasiul. Rolul său este legat de stocarea și transferul de energie ( ATP ) și de formarea a numeroși compuși structurali ( acizi nucleici , nucleotide , fosfolipide , coenzime etc.).
Fosfatul este un element limitativ în multe ecosisteme terestre, din cauza lipsei unui rezervor atmosferic; deoarece disponibilitatea sa este direct legată de alterarea suprafeței rocilor. Ciclul fosforului este unic printre ciclurile biogeochimice majore, deoarece nu are o componentă gazoasă; afectează cu greu atmosfera.
În plus, efectul limitativ al fosforului este perturbat de aporturile antropice, care pot cauza probleme de mediu de eutrofizare . Oamenii au provocat modificări majore ciclului global al fosforului, prin exploatarea industrială a mineralelor din fosfor și prin utilizarea îngrășămintelor cu fosfor, precum și prin transportul alimentelor din ferme în orașe, unde se pierd sub formă de efluent.
Cea mai comună formă terestră a acestuia este fosfatul : un atom de fosfor înconjurat de patru atomi de oxigen ( PO 4 3- ). În această formă, este în special una dintre componentele scheletului ființelor vii și ale dinților vertebratelor. De asemenea, este esențial pentru fabricarea multor molecule vitale, inclusiv proteine și acizi nucleici: ARN și ADN . În general, derivă din alterarea fosfaților de calciu din rocile de pe suprafața litosferei , de tip vulcanic, cum ar fi apatitul .
De asemenea, se distinge de alte cicluri prin faptul că transferul fosforului dintr-un rezervor în altul este greu controlat de reacțiile microbiene, așa cum se întâmplă în alte cicluri biogeochimice, deoarece bacteriile „ fosforizante ” sunt rare. Cu toate acestea, fosforul circulă în diferitele compartimente litosferice , în mediile acvatice și terestre și în rețelele alimentare .
Fosforul este un element rar în litosferă și nu are rezervor atmosferic. La pH-ul apei de suprafață, fosforul mineral este sub formă de ioni H 2 PO 4 - și HPO 4 2- , suma a 2 forme exprimate în ortofosfataze este în general testată: PO 4 3- . Disocierea se efectuează din acidul fosforic conform următoarei formule:
H 3 PO 4 ⇔ H 2 PO 4 - + H + ⇔ HPO 4 2- + 2H + ⇔ PO 4 3- + 3H +Fosforul se găsește inițial în rocile care alcătuiesc globul . Acesta ajunge în mediul marin în mai multe moduri:
Trecerea de la fosfor organic la fosfor anorganic este asigurată de bacterii (eubacillus și bacil ) sau ciuperci (sacharomyces și penicillium).
Sedimentele marine sunt o capcană de fosfor. Aceștia primesc fosfor sub formă de particule și pot adsorbi fosforul dizolvat. Concentrația de fosfat în sedimentul este de ordinul a 0.02 acompaniat de 0,1 până mg / cm 3 . Fosforul din sediment se fosilizează pentru a deveni apatit : diageneză .
Stratul de suprafață al sedimentelor fine este bine oxidat ( bioturbare ) și va constitui o barieră eficientă care se opune transferului de fosfor din sedimente în apă. Fierul conținut în zona oxidată este sub formă de hidroxid feric, care leagă foarte puternic fosforul prin adsorbție sau complexare și îl împiedică să treacă prin acest strat. Îngropăm treptat fosforul. Pe de altă parte, dacă lipsește dioxigenul la interfața apă-sediment, hidroxizii ferici sunt reduși și bariera se disipează, fosforul se difuzează liber în apă. De hidroxizi de mangan fiind redus înaintea hidroxizi ferici, apariția de mangan din hipolimnion este un precursor la apariția de fier și fosfor. Pentru amestecul total, intrarea de O 2reconstituie stratul oxidat și captat din nou de hidroxizii ferici, fosforul hipolimnionului este precipitat și imobilizat.
Inertizarea și apoi îngroparea fosforului în sedimente reprezintă o pierdere pentru ecosisteme . Cu toate acestea, animalele care se îngropă în sedimente pot reintroduce o parte din acesta în ciclu (de exemplu, unele chironomide și tubifex în apă dulce sau multe polichete în sedimentele marine ). Vorbim despre un ciclu deschis , deoarece acest fosfor se pierde pentru ciclurile biologice. Din punct de vedere pur geologic, acest fosfor poate deveni disponibil din nou organismelor vii după un anumit timp. Prin urmare, este un ciclu închis din punctul de vedere al unui timp geologic, dar este un ciclu deschis din punctul de vedere al unui timp biologic.
Ciclul de viață al fosforului este legat de lanțul alimentar și începe cu planctonul. Prin fenomene de upwelling ("upwelling") și din terigena de fosfor adusă de scurgeri , o parte din fosfor este asimilată de fitoplancton . Acest fitoplancton este apoi asimilat de zooplancton , pești sau moluște. Acești pești pot fi consumați de păsări marine care permit fosforului să se întoarcă parțial pe uscat prin excrementele și cadavrele lor . Fauna joacă în general un rol important și mult subestimat în ciclul fosforului. În mod similar, creșterea somonului (care moare după depunerea icrelor în partea de sus a bazinelor hidrografice) face posibilă readucerea unor cantități mici de fosfor pe pământ, în cantități mici la scară continentală, dar local foarte semnificative. De asemenea, pescuitul ajută la reintroducerea fosforului pe uscat.
Mineral fosfor din roci vulcanice este insolubilă ( de exemplu , calciu, fier, fosfat de aluminiu) la pH sub 6 sau peste 7.
În soluri, speciația sa este mai complexă, deoarece este adsorbită de minerale (Fe, oxizi de Al, argile), imobilizate în forme minerale (secundare și primare, de exemplu apatită) și organice ( fitați ). În această formă, fosforul este inutilizabil de către consumatorii primari, cum ar fi plantele din mediul terestru. Pentru ca acest lucru să fie fezabil, acesta trebuie să fie sub formă de ioni fosfat în soluție, cum ar fi PO 4 3- care poate fi în diferite forme conjugate, cum ar fi ionul hidrogen fosfat : HPO 4 2- se poate conjuga pentru a da ionul dihidrogenfosfat: H 2 PO 4 - . Fosforul trebuie desorbit din fazele minerale ale solului, eliberat prin dizolvarea mineralelor fosfatice, sau fosforul organic trebuie degradat de enzime specifice ( fosfataze ), astfel încât ionii fosfat să fie disponibili plantelor. Așa intră fosforul în ciclul terestru .
De acolo, fosforul dizolvat poate fie să curgă către oceane și să se alăture ciclului fosforului marin, fie să fie limitat la un ciclu exclusiv terestru (cel puțin până când revine la o stare insolubilă în sol).
În acest din urmă caz, fluxurile continentale observă un ciclu anual, în care fosforul sub formă dizolvată atinge maximul primăvara, când biocoenoza este cea mai solicitantă. Această concentrație de ioni fosfat în apele de izvor provine din acumularea de aluviuni și nămoluri într-un mediu lacustic după stratificarea iernii, când inversarea izvorului produce omogenizare termică a corpului de apă în cauză.
Odată ce ionii fosfat sunt absorbiți de plantele autotrofe, fosforul este integrat în diferitele niveluri ale rețelelor alimentare, de la consumatori la descompunători și, prin urmare, devine fosfat organic. Acest fosfat organic este returnat pe pământ prin sedimentarea materiei organice moarte și a excrementelor animale, datorită acțiunii combinate a organismelor saprofage și a microorganismelor descompuse. Fosforul se obține apoi sub formă de ortofosfați minerali .
Pentru fosforul care a atins mediul marin, revenirea pe uscat se poate face în două moduri:
Fosforul este atât de important încât este considerat un macronutrient (în comparație cu oligoelementele care sunt vitale necesare numai în cantități foarte mici). Se știe că orice deficiență de fosofor limitează sever productivitatea primară, în special în oceane. Totuși , așa cum se arată prin poluarea datorată evacuărilor de fosfați detergenți în XX - lea secol, fosfor în exces în apă duce rapid la dezechilibre ecologice grave ( dystrophisation ).
Prin urmare, am fost interesați de variațiile fosforului în perioadele geologice trecute și în special de 3,5 miliarde de ani, în special în timpul crizelor de dispariție. Geologii nu sunt încă siguri dacă fosforul a fost întotdeauna un factor la fel de limitativ ca în prezent sau dacă a moderat relațiile Ocean-atmosferă-pământ de-a lungul istoriei vieții și modul în care ciclul său este stabilizat în cele din urmă în ecosisteme.
Indici de abundență de fosfor în rocile sedimentare marine încep să fie disponibili în ultimii 3,5 miliarde de ani. Pe baza acestor date, înmormântarea fosforului nou format pare să fi fost întotdeauna relativ scăzută în medii marine de mică adâncime, cu aproximativ 800 până la 700 de milioane de ani în urmă. O ipoteză explicativă ar fi că această îngropare limitată a fosforului (înainte de acest moment) s-ar putea datora biolimitării fosforului, care a dus la producători primari în stoichiometrii elementare foarte diferite de raportul Redfield (raport atomic între carbon, azot și fosfor în fitoplancton ).
Prin integrarea acestor bugete anterioare pentru fosfor în modele biogeochimice cantitative, Christopher T. Reinhard și alți în 2016 estimează că combinația unei creșteri a îngropării fosforului în oceanele anoxice, bogate în fier și o bistabilitate ar putea avea ca rezultat o lume săracă stabilă. în oxigen (și, prin urmare, mai expus la razele UV solare din lipsa unui strat de ozon la fel de protector ca astăzi). Se pare că, în trecutul îndepărtat, ar putea apărea o anumită reciclare a fosforului din sedimentele marine sub apă anoxică. Combinația acestor factori ar putea explica oxigenarea treptată a suprafeței Pământului pe parcursul a 3,5 miliarde de ani din istoria Pământului. Dar , de asemenea , această analiză sugerează că o schimbare fundamentală în ciclul de fosfor ar fi avut loc în timpul Aeon a Late Proterozoic (Neoproterozoic, între 800 și 635 de milioane de ani). Această schimbare a coincis cu o schimbare dedusă anterior în stările redox marine, asociată cu o perturbare severă a sistemului climatic și apariția animalelor.
Principala problemă cauzată de perturbările ciclului fosforului de către oameni, în special prin îngrășăminte fosfatice, este eutrofizarea sau chiar distroficarea mediilor acvatice, în special a mediilor închise, cum ar fi lacurile .
Excesul de fosfor mineral este combinat cu excesul de azot și carbon care ajung să ajungă la lacuri și / sau la mare prin râuri sau bazinul hidrografic . Acest fosfor poate proveni din modificări și îngrășăminte utilizate de agricultura intensivă, care le încorporează în soluri pentru a îmbunătăți creșterea culturilor. Fosforul din îngrășăminte provine din depozite de cretă fosfat sau guano . De asemenea, poate proveni din efluenți ai stației de epurare ( stație de tratare a apelor uzate ), care nu suferă defosfatare (acest fosfor provine în special din leșie și urină umană).
Excesul de fosfor duce la hiperfertilizarea mediului, ceea ce crește producția primară. Acest lucru are ca rezultat o înflorire de fitoplancton în apă care duce la o înflorire de zooplancton . Când mor, aceste organisme cad și sunt mineralizate de bacteriile mineralizante. Cu cât înflorirea este mai mare, cu atât se vor dezvolta aceste bacterii și cu atât este mai mare cererea de O 2va fi important pentru fenomenele de respirație și mineralizare . În plus, macrofitele (de exemplu, rațul) se dezvoltă la suprafață și acționează ca o barieră împotriva luminii pentru cianobacterii și fitoplancton. Consumul de O 2devine mai mare decât producția de O 2. Prin urmare, acest lucru duce la o rarefacție a O 2în fonduri și pe termen mediu anoxia mediului. În plus, există eliberarea de fosfor din sedimente. Într-adevăr, pentru lacurile oligotrofe sau mezotrofe, fosforul este dizolvat cu fier oxidat și este depozitat în sedimente. Cu toate acestea, în absența O 2, acest fier este redus și nu poate, pe de o parte, să nu mai fie complex cu fosforul prezent, ci, pe de altă parte, eliberează ceea ce a fost stocat inițial. Lacul primește apoi o cantitate suplimentară de fosfor dizolvat care alimentează doar fenomenul de eutrofizare. Absența lui O 2provoacă moartea multor viețuitoare care folosesc O 2să respire, precum și apariția compușilor și gazelor reducătoare toxice pentru viața acvatică, cum ar fi metanul și tiolii .
În oceane, fauna marină și pescuitul nu mai ridică fosforul din zonele moarte în mediul terestru. Întoarcerea fosforului în mediul terestru are loc apoi în principal prin orogeneză. Acest lucru fiind extrem de lent, nu compensează pierderile de fosfor din mediul terestru. Activitățile umane promovează astfel deschiderea ciclului fosforului.
Pentru a depăși fenomenul eutrofizării, există mai multe soluții. În primul rând, intrările din amonte pot fi reduse, în special modificările a căror utilizare ar putea fi motivată. Unele practici agricole, precum prelucrarea zero , limitează eroziunea solului . La fel, efluenții de epurare care pot suferi defosfatare în timpul tratamentului lor. Metodele fizice sunt de asemenea eficiente, cum ar fi aerarea fundului și dragarea sedimentelor.