Fosforiringe

Fosforiringe on biogeokeemiline ringe, mis hõlmab fosfori ühendite ringlust litosfääris, hüdrosfääris ja biosfääris. Erinevalt teistest aineringetest ei ole atmosfäär fosfori ringluses oluline, sest fosfor ja selle ühendid on enamasti Maal esinevatel tavatemperatuuridel ja -rõhkudel tahkes olekus ehk seega õhust raskemad. Fosfori oksüdatsiooniaste jääb kogu ringluse käigus muutumatuks, fosfor jääb kõigil fosforiringe astmeil fosfaatrühma osaks. Sellisena võivad fosforit omastada peaaegu kõik organismid. Kõrgemad loomad, ka inimene, saavad vajaliku fosfori orgaanilistest ühenditest. Looduses esinevatest fosforiühenditest on kõige tavalisemad ja suurima tööstusliku tähtsusega fosforimineraalid fosforiit ja apatiit. Osa fosforhappe soolasid, näiteks fosfaadid, lahustuvad vees hästi. Taimedes ja loomorganismides olevatest fosforiühenditest võib moodustuda nende lagunemisel (näiteks veekogude põhjas) fosfiin, kuid seda esineb vaid erandlikes tingimustes. Väike fosforisisaldus mullas vähendab fosfori kättesaadavust ja aeglustab mikroobide kasvu: seda on näidanud mulla mikroobikoosluse biomassi uuringud. Mullas elutsevad mikroorganismid on vaba fosfori allikateks ja neelukohtadeks biokeemilises ringes. Lokaalselt on PO43- ringlemine põhjustatud mikroobide tegevusest, kuid suurimad fosforiülekanded globaalses fosforiringluses on põhjustatud tektoonilistest liikumistest geoloogilisel aja skaalal, mitte mikroobsete protsesside tulemusena. Fosfor on ioonsel kujul oluliseks toitaineks taimedele ja loomadele, eriti olulised on ioonid PO43- ja HPO42-. Taimed omastavad mullaühenditega seotud fosforit seente mükoriisa abil. Kõrgemad loomad omakorda omastavad vajaliku fosfori toiduahelas allpool paiknevates taimedes fosforiühendeid sisaldavast orgaanilisest ainesest. Fosfaatioonina esineb fosfor organismides nukleiinhapetes, rasvades ja fosforüülitud süsivesikutes. Fosfaatioonina jõuab fosfor tagasi mulda orgaanilise aine lagunemisel. Mullas sisalduvad raua-, alumiiniumi-, kaltsiumi- ja saviühendid võivad fosfaatsoolasid väga tugevalt siduda ning muuta need sel teel taimedele kättesaamatuks. Valdavalt on kõik mullad ja veekogud fosforidefitsiidis. Veeorganismidele on fosfor piiravaks toitaineks. Fosfor on koostisosaks eluks vajalikele biosfääris laialdaselt levinud molekulidele. Fosfor ei sisene atmosfääri, vaid jääb enamasti maapinnale ning sisaldub kivides ja mulla mineraalsetes osades. Kaevandatud fosforist 80% läheb väetiste tootmiseks ning lahjendatud fosforhapet kasutatakse karastusjookides. Fosfaatidel on oluline roll bioloogilises süsteemis, kuid samal ajal võivad põhjustada jõgede ja järvede saastumist. Üleliigne fosfaatide sisaldus võib viia magevee ja kaldalähedase merevee eutrofeerumiseni, mis viib edasi vetikate vohamiseni liigsete toitainete tõttu. Bakterid toituvad vetikatest, mille tulemusena järgneb bakterite õitseng. Bakterite ja lagundajate rakuhingamine kasutab ära vees sisalduva hapniku, mistõttu surevad paljud kalad. Looduses esineb fosfor tavaliselt fosfaatiooni (PO43-) osana. Fosfaatioon koosneb fosfori aatomist ja neljast hapniku aatomist ja tema kõige sagedamini esinev vorm on ortofosfaat. Enim fosfaate on leitud sooladena ookeanide setetest või kividest. Aegade jooksul satuvad geoloogiliste protsesside kaudu ookeanisetted maale ning fosfaadid kanduvad kas siis tuule või muude ilmamõjude tõttu maismaale. Taimed omastavad fosfaate pinnasest, seejärel seovad need orgaanilisteks ühenditeks. Edasi toituvad taimedest taimesööjad, kes omakorda on toiduks lihasööjatele. Pärast looma või taime surma see laguneb ja nii tagastatakse fosfaadid uuesti mulda. Sademevesi võib kanda fosfaadid tagasi ookeani või siduda taas kivimitesse. Fosfaatide peamine bioloogiline tähtsus seisneb selles, et nad on nukleotiidide komponendid. Nukleotiidid toimivad raku sees energia salvestajatena (ATP) ning kokkuühendatult moodustavad nukleiinhapped DNA ja RNA. DNA molekulis olev kaksikheeliks on võimalik vaid tänu fosfaatestrile, nii-öelda sillale, mis seob heeliksit. Fosfor etendab olulist osa inimeste ja loomade teatud anatoomiliste struktuuride ülesehitamisel. Näiteks luude ja hammaste tugevus tuleneb kaltsiumfosfaadist. Samuti toimib fosfor puhverainena, säilitades inimorganismis happe-aluse tasakaalu. Fosfaadid liiguvad läbi taimede ja loomade kiiresti. Seevastu protsess, millega fosfaadid liiguvad mulda või ookeani, on väga aeglane, muutes fosforiringe üheks kõige aeglasemaks biogeokeemiliseks ringeks. Fosforit ei ole üldjuhul võimalik leida gaasilisel kujul. Fosfor võib esineda vaid eritingimustes fosfiinina (PH3). Tavaliselt käib ringlus läbi vee, mulla ja setete. Fosfor on tavaliselt piirav toitaine, mida võib leida jõgedest, järvedest ja mujalt mageveekeskkonnast. Kivimite ja setete kuludes aja jooksul fosfaadid vabanevad. Atmosfääris esineb fosfor peamiselt väikeste tolmuosakestena. Fosfaadid murenevad mulda kivimitest. Vihmavesi peseb maismaasüsteemidest fosfaate välja, aga seda kadu tasakaalustavad murenemise tagajärjel tekkivad fosfaadid. Mullas on fosfaat absorbeerunud savi pinnale ja orgaanilise aine osakestele ning on sel viisil seotud. Taimed lahustavad fosfaadi ioniseeritud vorme. Taimesööjad omastavad fosforit taimedest toitudes ja lihasööjad omastavad fosforit, toitudes taimesööjatest. Taimesööjad ja lihasööjad eritavad fosforit jäätmena uriinis ja roojas. Fosfor vabaneb tagasi mulda taimse või loomse päritoluga ainena, mis laguneb, ja ringe kordub uuesti. Fosforiringe võib jaotada kaheks osaks: geokeemiliseks ja bioloogiliseks ringeks. Bioloogilises ringes omastavad taimed või seotakse immobilisatsiooni teel ortofosfaadid mikroobsesse biomassi. Taimejäänuste lagunemisel pinnases võivad fosforiühendid seonduda orgaanilise huumusainega või muutuda mikroobide biomassiks. Geokeemilises ringes fosfaadid lahustatakse mineraalidest keemiliste või biokeemiliste protsesside vahendusel. Fosfori immobilisatsioon mikroobide biomassi sõltub otseselt süsiniku ja fosfori omavahelisest suhtest keskkonnas. Kui süsiniku/fosfori (C/P) suhe on väiksem kui 200/1, siis toimub mineralisatsioon. Kui C/P suhe on suurem kui 300/1, siis on tegemist immobilisatsiooniga. Kui C/P suhe jääb vahemikku 200–300, siis jääb fosfaatide kontsentratsioon muutumatuks. Fosfori mineralisatsioon sõltub keskkonnateguritest, mis mõjutavad mikroobide aktiivsust, milleks on näiteks temperatuur, pH, aeratsioon ja niiskus. Mulla mikroorganismide elutegevusest võib erituda keskkonda [Orgaanilised happed|orgaanilisi happeid]], mis suurendavad fosfori lahustuvust. Selle tulemusena võivad mikroobid suurendada fosfori kättesaadavust taimedele. Fosfor kandub välja pinnaveega (erosioon) või leostumisena (väljauhtumine mullast liikuva pinnasevee toimel) liivmullas, kus fosfori sorptsioonivõime on väiksem kui tema väetamiskoormus. Fosfor on peamine primaarproduktsiooni limiteeriv tegur järvedes. Järvesetetel on oluline roll järve fosforiringes. Setted võivad fosforit nii siduda kui ka vabastada, mõjutades nii toitainete hulka vees. Fosforivarud setetes on tunduvalt suuremad kui järvevees ning osa fosforist võib setteist tagasi vette imbuda (fosfori vabanemine), mõjutades sellega ökosüsteemi troofsusseisundit. Fosforiringlus setete ja vee vahel on mõjutatud fosfori erinevate esinemisvormide tõttu setetes ning lisaks mõjutavad fosforiringlust mitmesugused bioloogilised ja füüsikalised tegurid. Fosfori vabanemist põhjasetetest järvevette võib vaadelda kaheetapilise sündmusena: kõigepealt toimub fosfori üleminek setete tahkest faasist lahusesse, poorivette, seejärel kandub lahustunud fosfor peamiselt molekulaarse difusiooni tõttu pooriveest järve veemassiivi. Keskkonnategurid, mis reguleerivad lahustunud fosfori (põhiliselt fosfaatidena) vabanemise määra setetest, on temperatuur, lahustunud hapniku kontsentratsioon, pH ja redokspotentsiaal. Toitainetel on tähtis roll elusorganismide kasvamisel: nad on elulise tähtsusega terve ökosüsteemi arenguks ja säilitamiseks. Samal ajal on liigne toitainete hulk, eriti fosfori ja lämmastiku liiasus, kahjulik veeökosüsteemidele. Looduslik eutrofeerumine on protsess, millega järved järk-järgult vananevad ja muutuvad tootlikumaks. See protsess võib võtta tuhandeid aastaid. Inimtekkeline eutrofeerumine on vee saastumine, mis on põhjustatud liigsest toitainete hulgast ja mille tulemuseks on ülemäärane vetikate kasv. Pinna- ja põhjavee äravool ja fosforirikaste muldade erosioon võivad olla magevee eutrofeerumise peamisteks põhjusteks. Inimtegevuse mõju fosforiringele on tingitud liigsest või hoolimatust fosforit sisaldavate väetiste kasutamisest, mis põhjustab veekogudes fosfori akumulatsiooni ja eutrofeerumist. Eutrofeerumine lõhub veeökosüsteeme. aineringe hapnikuringe lämmastikuringe süsinikuringe taimetoiteained veeringe [1][alaline kõdulink], Timmusk T., Maaparanduslike abinõude uuring kuivendatud maatulundusmaalt pärineva hajureostuse vähendamiseks, 2007. Masing V. (koostaja), Loodusteaduslik oskussõnastik: Ökoloogialeksikon, 1992. [2], Turner B.L. et al., CABI publishing Organic phosphorus in the environment, 2003. Schlesinger W.H., Biochemistry: An analysis of global change, 1991. [3], Environmental Literacy Council, Phosphorus cycle, vaadatud 2.oktoober 2012. [4], Kisand A., 2008. [5], Nowlin W.H., Freshwater Biology:Release rates and potential fates of nitrogen and phosphorus from sediments in a eutrophic reservoir, 2005. Branom J.R., Sarkar D., Phosphorus bioavailability in sediments of a sludge-disposal lake. Environmental Geoscience 11: 42 – 52, 2004. Schelde K et al., Effects of Manure Application and Plowing on Transport of Colloids and Phosphorus to Tile Drains. 5: 445 – 458, 2006. Filippelli G.M., The Global: Phosphorus Cycle Past, Present, and Future. Elements, 4:89–95, 2008. Elemendid veebis Eesti keemiatööstuse liit Rahvusvaheline Väetise Tööstuse Assotsiatsioon – IFA