Биогеохимический цикл фосфора

Геологический круговорот фосфора проявляется в разрушении горных пород, последующем растворении фосфатов в кислых растворах и постепенном накоплении фосфора в донных отложениях.

Значение фосфора в биосфере проявляется в повышенном содержании его в организмах по сравнению с литосферой. Так, в морских водорослях его – 0,2–2,7%, в рыбах – 0,9–1,8%, а в раковинах фосфатных брахиопод даже до 15,7%; в литосфере от 0,060% до 0,1-0,25% в глинах [1714]. При этом высокие значения в тонкозернистых породах часто объясняется присутствием органического вещества. Особенность этого элемента – отсутствие естественных токсичных соединений.

В годичной продукции океана и суши содержится, соответственно, ~0,4 и ~0,2 млрд т фосфора. Более мощный поток фосфора в океанах обусловлен его высоким содержанием в гидробиоте. Резервуар иона ортофосфорной кислоты в океане весьма значителен – около 96 млрд т, но распределение неравномерно. В глубинах фосфора в 8–20 раз больше, чем в поверхностных водах. Поэтому в зоне фотосинтеза он часто дефицитен.

Цикл фосфора – пример простого осадочного цикла с несовершенной регуляцией, так как газообразных соединений он не образует. В биогеохимический круговорот фосфор включается при выветривании пород. Как указывалось выше, при растворении фосфатов в кислых растворах образуются фосфат-ионы (ионы ортофосфорной кислоты - РО₄^-3), которые растения могут усваивать, В органических соединениях фосфор выступает в форме органического фосфата, для которого характерна связь P‑O‑P. В клетках эти соединения являются источниками энергии, так как при гидролизе выделяют 29 кДж/моль, что значительно больше, чем при гидролизе любой другой молекулы.

По пищевым цепям поступает от растений к другим организмам. При каждом переходе возможно окисление или гидролиз соединений фосфора для получения организмом энергии. Продукты окисления и гидролиза (фосфаты) поступают в окружающую среду, после чего могут снова поглощаться растениями (рис. 17). Растения успевают перехватить только часть фосфатов. Оставшаяся часть вымывается и постепенно накапливается во внутренних водоемах, перенасыщая их. Рано или поздно фосфор поступает в воды Мирового океана, используется фитопланктоном и другими организмами. В конце концов, его следы теряются в глубинных отложениях. Таким образом, основной поток фосфора направлен из литосферы в гидросферу и далее в донные отложения, а потому в биосфере он часто дефицитен.

В океане большая часть фосфата, вошедшего в состав биоты, освобождается в верхней 300 метровой зоне при распаде организмов и включается в повторный цикл на месте. Регенерация продолжается во всей водной толще, на границе вода – осадок и ниже ее. Восходящими потоками фосфаты могут возвращаться в 300 метровую зону и повторно участвовать в биогеохимическом цикле. Часть органического материала теряется с осадками или посредством других механизмов. Интенсивность фосфатного цикла связана с содержанием кислорода в морской воде. Поскольку фосфаты поступают в моря и океаны с поверхностными водами, в открытых акваториях Мирового океана этот биоген дефицитен и ограничивает развитие жизни.

Рис. 17. Природные потоки фосфора в биосфере [185]

Цифры в прямоугольниках – содержание фосфора в 10¹² г. Цифры около стрелок – потоки фосфора в 10¹² г/год. Резервуар «поверхность океана» принят глубиной 300 м, «глубины океанов» принят глубиной 3000 м

Деятельность человека. Поступление фосфора в окружающую среду связано с использованием удобрений, добычей и переработкой фосфатов, применением фосфорсодержащих веществ (лаки, краски, моющие средства), городскими и животноводческими стоками, а также сжиганием топлива (рис. 18).

С удобрениями в биосферу поступает около 20 млн т/г фосфора, что соизмеримо с естественным выносом его в океан. Фактически, техногенный поток больше. При сжигании топлива эквивалентного 6 млрд т/год углерода выбрасывается около 15 млн т/год фосфора. Значительная часть антропогенного потока транзитом поступает во внутренние водоемы и является основной причиной их эвтрофирования. Суммарный антропогенный поток в 4 раза превысил природный поток фосфора в биосфере.

Рис. 18.Схема современного круговорота фосфора.

Основной экологической проблемой, которую вызывает антропогенный поток фосфора в биосферу, является эвтрофикация водоемов. Уже к середине 1960-х годов проблема приобрела опасный характер на Великих Американских озерах. К началу 80-х годов она проблема имела уже глобальный характер. Более подробно последствия и меры борьбы с эвтрофикацией будет рассмотрен позднее.