Fosforkretsløpet

**Fosforkretsløpet** er en biogeokjemisk syklus som beskriver sirkulasjon av fosfor gjennom litosfæren, hydrosfæren, og biosfæren. I motsetning til mange andre biogeokjemiske sykluser, spiller atmosfæren ingen vesentlig rolle for sirkulasjon av fosfor, fordi fosfor og fosforbaserte forbindelser vanligvis er faste stoffer ved typisk temperatur og trykk på jorden. Derfor bør fosforsyklusen betraktes som en del av hele jordsystemet, deretter kan en fokuseres på syklusen i terrestriske og akvatiske systemer.

Levende organismer krever fosfor, som er en viktig komponent i blant annet DNA, RNA, ATP. Planter tar opp fosfor som fosfat som inngår i organiske forbindelserer og i dyr er fosfor en nøkkelkomponent i blant annet bein og tenner. På landjorda blir fosfor i løpet av tusener av år gradvis mindre tilgjengelig for planter, siden grunnstoffet og dets forbindelser sakte går tapt i overflateavrenning. Jordmikroorganismer fungerer som både sluk og kilder til tilgjengelig fosfor i det biogeokjemiske kretsløpet. Hurtig transformasjon av fosfor skjer kjemisk, biologisk eller mikrobiologisk. I den langsomme globale syklusen er overføringen drevet av tektonisk bevegelse av jordskorpen over geologisk tid.

Mennesker har forårsaket store endringer i den globale fosforsyklusen ved transport av fosformineraler og bruk av fosfor i gjødsel. Dessuten går mye fosfor tapt via transport av mat fra gårder til byer, hvor stoffet ender i avløpsvann og slippes ut i havet.

## Fosfor i økosystemene

Fosfor er et grunnstoff med symbol P. Fosfor, og forbindelser med fosfor og andre stoffer, blant annet fosfater, er viktig for alt liv på jorden. I gjennomsnitt utgjør fosfor  1000 andeler per million (ppm) av jordskorpen, der de viktigste fosfatmineralene er hydroksidapatitt (Ca5(PO4)3OH) og fluoridapatitt (Ca5(PO4)3F).

Fosfor inngår som bestanddel i proteiner og polymer av karbohydrater. Fosfatester daner bindinger i mononukleotider som danner lange kjeder av DNA og RNA. Det finnes i adenosintrifosfat (ATP), som er viktig for energiomsetningen (metabolisme) hos dyr. Foruten å inngå i biomolekyler, finnes fosfor også i bein og emalje i tennene hos pattedyr. Tennenes styrke er har sammenheng med kalsiumfosfat i form av hydroksyapatitt. Det finnes også i alle biologiske membraner i celler. Enda en viktig oppgave er å fungere som buffermiddel for å opprettholde homeostasen (syrebalanse) hos pattedyr.

### Økologisk funksjon
Fosfor er nokså sjelden i biosfæren, rangert etter masse er det ikke blant de ti mest utbredde grunnstoffene hverken på landjorden eller i vann. Allikevel er det sammen med nitrogen og kalium et av de tre makronæringsstoffene som alle planter trenger for god vekst. Fosfor finnes i en konsentrasjon på gjennomsnittlig 0,025&nbsp;% i landjordens levende fytomasse (biomasse) i skog, og hele landjordens del av biosfærens fytomasse inneholder ikke mer enn 500 millioner tonn fosfor. Men verken proteiner eller karbohydratpolymerer kan eksistere uten fosfor. Mye av fosforet som finnes i jordsmonnet eksisterer i kjemiske former som ikke er direkte anvendbart som næring for planter.

Fosfor, så vel som andre stoffer som deltar i biogeokjemisk sykluser, holdes ofte på ett og samme sted i biosfæren for lange perioder (millioner av år). Slike ansamlinger kalles et *reservoar*. Sedimenter på havbunnen er det klart største reservoaret for fosfor.

#### Reservoarer i systemer på landjorden
Fosfor forekommer mest i naturen som en del av ortofosfat-ioner (PO)4)3− (salt eller ester av fosforsyre), som består av ett fosforatom og fire oksygenatomer. På landjorden finnes fosfor først og fremst i bergarter og mineraler. Fosforrike avsetninger har generelt dannet seg i havet eller fra guano (avføring fra fugler og flaggermus). Ved forvitring av bergarter og mineraler frigjøres fosfor i løselig form og tas opp av planter, og blir omdannet til organiske forbindelser. Tilgjengeligheten av fosfor i et økosystem er begrenset av frigjøringshastigheten til grunnstoffet ved forvitring. Plantene konsumeres igjen av planteetere og fosforet blir enten innlemmet i muskelvevet eller utskilt via urin og avføring. Etter at dyr eller planter dør blir fosfor ført tilbake til jorden der en stor del av det omdannes til uoppløselige forbindelser. En regner med at fosfor gjennomsnittlig gjenbrukes 46 ganger i lokale sykluser i jordsmonnet.

Jordsmonn lagrer omtrent 40 milliarder tonn fosfor, med ikke mer enn 15&nbsp;% av dette er bundet i organisk materiale. Fosfatene som grunnstoffet inngår i blir vanligvis raskt utilgjengelige ved reaksjoner med aluminium og kalsium, og går inn i uløselige former. Som et resultat av dette er bare en liten brøkdel av det fosforet som er tilstede i jordsmonnet tilgjengelig for planter som et oppløst oksoanion (PO3–4). Fosfor er vanligvis det næringsstoffet som i økosystemer på landjorden begrenser vekst, og i tropisk jordsmonn er dette spesielt kritisk. Mangel tvinger planter til å absorbere grunnstoffet fra svært fortynnede løsninger og konsentrere det opptil 1000 ganger.

Gjennomsnittlig masseforhold mellom karbon og fosfor i biomasse på landjorden er på 700:1, hvilket innebærer et årlig opptak av fosfor på omtrent 100 millioner tonn. Avrenning fører fosforet tilbake til havet. Generelt vil jordsmonnet over tusenvis av år få mangel på fosfor som fører til tilbakegang for økosystemene. 

I det førmoderne landbruket ble avføring fra dyr og mennesker brukt som gjødsel. Dermed ble fosfor og andre næringsstoffer ført tilbake til jorden i omtrent samme rate som de ble tatt ut. I det moderne landbruket er produksjon og forbruk av avlingene separert over store avstander, noe som gjør det vanskelig å få returnert næringsstoffene tilbake til jorden. Forenklet sakt blir næringsstoffene brukt én gang og deretter skyllet vekk. En annen årsak til tap av fosfor er erosjon fra landjorden på grunn av pløying og vending av jorden. Dette forstyrrer og eksponerer jorden, slik at mer fosfor forsvinner ved avrenning. I et uforstyrret landskap vil fosfor i sedimenter bli redistribuert ved flom i vassdragene til lavereliggende landområder, slik at økosystemene der kan nyttiggjøre seg det. Om et elveløp er demmet opp, vil sedimentene og fosforet i elven fanges opp eller holdes tilbake, hvoretter det tilslutt strømmer ut i havet.

#### Reservoarer i akvatiske systemer

Det er fire store fosforlagre i økosystemer i ferskvann: oppløst uorganisk fosfor, oppløst organisk fosfor, partikulært uorganisk fosfor og partikulært organisk fosfor. For øvrig er oppløst materiale definert som stoffer som kan passere gjennom et filter med åpninger på 0,45&nbsp;µm. Oppløst uorganisk fosfor består hovedsakelig av ortofosfat (PO43-, salt eller ester av fosforsyre) og polyfosfat, mens oppløst organisk fosfor består av DNA og fosforproteiner. Partikulært materiale er de stoffene som blir fanget opp av et filter med maskevide 0,45&nbsp;µm. Partikulært organisk fosfor består av både levende og døde organismer, mens partikulært uorganisk fosfor hovedsakelig består av hydroksylapatitt, 5(PO4)3OH&nbsp;. Uorganisk fosfor finnes i form av lett oppløselig ortofosfat. Partikulært organisk fosfor forekommer i suspensjon i levende og død protoplasma, og er uløselig. Oppløst organisk fosfor er avledet fra partikulært organisk fosfor ved utskillelse og dekomponering og er løselig.

De fosfatiske materialene i sedimenter består av organiske fosforforbindelser som er ført til havene av elver, samt dannet i havene ved fotosyntese og som overlever bakteriell nedbryting. Disse er fint dispergert kalsiumfosfat i bunngjørme på grunne havområder, fosfat adsorbert i vannholdige jernoksider og inkorporert i CaCO3 i kalkholdige skjell. Når sedimenter røres opp av oppstrømninger, går mye av fosforet tilbake til overflatevannet og går inn i fosforkretsløpet igjen, slik at det resirkuleres noe slikt som 800 ganger i organismene. Som tilfellet er med nitrogen, så gjennomgår fosfor mange overføringer mellom dype områder og overflatevann før det til slutt blir permanent begravd i sedimenter. I løpet av geologiske tid blir det innkapslet i prosesser der sedimentære bergarter dannes.

Knapphet på fosfor er vanlig i økosystemer i vann. Bare på grunt vann kan fosfater lett sirkulere mellom sedimenter og akvatisk biota (levende organismer). På dypt hav er fosfor nokså rikelig bare i områder med kraftig oppstrømning, og oppløst fosfor er ofte nesten ikke tilstede i overflatevann på åpne hav. Knapphet på næringsstoffet er en nøkkelfaktor som begrenser fotosyntesen i mange ferskvannsforekomster, og fosfortilførsler fra land kontrollerer den langsiktig primærproduksjonen i havet.

Den marine plantemassen lagrer rundt 75 millioner tonn fosfor, men på grunn av rask omsetning opptas 1 milliarder tonn fosfor årlig fra overflatevann. Omsetningen av fosfor er dermed svært mye større en i fotosyntesen på landjorden.

## Sirkulasjon av fosfor
Fosfater beveger seg raskt gjennom planter og dyr, derimot er prosessene som beveger dem gjennom jordsmonn eller hav svært langsomme. Fosforsyklusen er generelt en av de tregeste biogeokjemiske syklusene. Tilgjengeligheten av fosfor i et økosystem er begrenset av frigjøringshastigheten til grunnstoffet ved forvitring.

Som med de andre mineralsykluser, er den langsomme fosforsyklusen ikke dominert av levende organismer. Grunnstoffets overføring i biosfæren er sterkt begrenset, fordi det ikke dannes gassformige forbindelser med lang levetid, derfor er også det atmosfæriske reservoaret av fosfor ubetydelig. Det er ikke noen luftbåren overføring fra hav til land, og fosfor som inngår i partikler som synker ned i marine sedimenter blir tilgjengelig for livet på landjorden først etter at den tektoniske plateforskyvninger avgir fosfor fra bergarter. Det antas at avgivelse av fosfor via erosjon av sedimentære bergarter har gjort minst ett omløp gjennom den globale fosforsyklusen i løpet av jordens eksistens.

### Den globale fosforsyklusen
Fosfor avsettes fra berggrunnen, absorberes av planter og resirkuleres i økosystemene. Planter tar til seg fosfor fra jordsmonn og vann, og disse inngår i organiske forbindelser. Planteetere får i seg fosfor når de spiser bindevev fra andre organismer og slik passerer stoffet gjennom næringskjedene. Den globale fosforsyklusen består av fire hovedprosesser:
# Tektonisk heving og eksponering av bergarter som inneholder fosfor, som apatitt og som ved forvitring avgir fosfor til omgivelsene. 
# Fysisk erosjon, kjemisk og biologisk forvitring av bergarter som inneholder fosfor avgir oppløst og partikkelformet fosfor til jord, innsjøer og elver i form av fosfationer (PO43-) i vann.
# Transport via vassdrag og grunnvann til innsjøer og i siste rekke avrenning til havet.
# Sedimentering av partikkelformet fosfor, for eksempel fosfor bundet i organisk materiale, oksider og karbonatmineraler, som til slutt avsettes i marine sedimenter (denne prosessen kan også forekomme i innsjøer og elver).

### Fosforsirkulasjon på landjorden

På landjorden blir (reaktivt) fosfor tilgjengelig for biologiske prosesser hovedsakelig i form av forvitring av fosforholdige bergarter. Det mest tallrike primære fosformineralet i jordskorpen er apatitt, som oppløses av naturlige syrer skapt av mikrober i jorden og sopp. Også andre kjemiske forvitringsreaksjoner og erosjon gjør fosfor tilgjengelig. Det oppløste fosforet er biotilgjengelig for organismer i jorden og planter, og returneres til jorden etter at disse dør. En del av fosforet går inn i svært tungløselige forbindelser i jordsmonnet. Fosforets retensjon (at det holdes tilbake) i jordmineraler, for eksempel ved adsorpsjon av jern- og aluminium-oksyhydroksider i sure jordarter og oppløsning ved nedbør på kalsitt i nøytral til kalkholdig jord, ansees som den viktigste prosessen for å kontrollere det terrestriske fosforets biotilgjengelighet i mineraljorden (jordarter dannet ved forvitring av fjellgrunnen). Denne prosessen kan føre til lavt nivå av oppløste fosforkonsentrasjoner i jordløsningen. Ulike fysiologiske strategier brukes av planter og mikroorganismer for å oppta fosfor selv om konsentrasjonen er lav.

Rask resirkulering av fosfor som frigjøres ved nedbrytning av biomasse er avgjørende i økosystemer både på landjorden og vil vanns. I begge tilfellene er det snakk om omløpshastigheter på dager eller rundt ett år. Som med opptak av karbon, nitrogen og svovel, er levende organismer essensielle i denne prosessen, ellers ville jordfosfater vært utilgjengelige. Dekomponering av død biomasse skjer ved solubilisering (oppløsning i vann) ved hjelp av fler bakteriearter. Dessuten ved frigjøring av fosfor fra jordapatitter med oksalsyre produsert av sopparten mykorrhiza. Disse prosessene som er kritisk i senere stadier av jordutviklingen, når primære mineraler har forvitret bort. Siden det verken er noen biotisk tilgjengeliggjøring av fosfor eller noen vesentlig tilførsel fra atmosfæren, reduseres fosforet i den raske jord-plante-syklusen. Dermed er næringsstoffet først og fremst tilgjengelig ved langsom forvitring av fosforholdige bergarter. Mangel på fosfor i økosystemer på landjorden er derfor vanlig.

Innsjøer motar fosfor fra vassdrag og luft. I neste omgang vil innsjøer tappe fosfor via avløpet og ved at noe legger seg i bunngjørmen. Når det oppstår oksygnfattig bunnvann blir de øverste millimetrene av bunnsedimentene kjemisk redusert og forsfor frigjøres. Spesielt om våren vil sirkulasjon av vann (vårfullsirkulasjon) føre til at omrøring av vannmassene og det fosforrike vannet kommer opp til overflaten. På våren gir dette en gjøtselseffekt og er årsak til rik algevekst.

### Fosforsirkulasjon i havet

Fosfor i jordsmonnet vil generelt transporteres til elver og innsjøer og kan deretter enten begraves i sedimenter eller transporteres til havet. Atmosfærisk fosforavsetning er en annen viktig fosforkilde i havet. I overflatevann vil oppløst uorganisk fosfor, hovedsakelig ortofosfat (PO43-), bli opptatt av planteplankton og omdannet til organiske fosforforbindelser. Celler i planteplankton frigjør cellulært oppløst uorganisk og organisk fosfor til omgivelsene. Noen av de organiske fosforforbindelsene kan hydrolyseres av enzymer syntetisert av bakterier og planteplankton, og deretter opptas. Mesteparten av fosforet remineraliseres i vannsøylen. Omtrent 1 % av det fosforet som føres til dyphavet via fallende partikler, blir borte fra havreservoaret og deponeres i sedimenter på havbunnen. En serie diagenetiske prosesser beriker fosforkonsentrasjoner av sedimentporevann, noe som resulterer i en betydelig strøm av fosfor til overliggende bunnvann. Disse prosessene består av:
# Mikrobiell respirasjon av organisk materiale i sedimenter.
# Mikrobiell reduksjon og oppløsning av jern og mangan (oxyhydr)oksider med påfølgende frigjøring av fosfor, som forbinder fosforsyklusen til jernsyklusen,
# Abiotisk reduksjon av jern (oksyhydrogenoksider) ved hydrogensulfid og frigjøring av jern som inngår i forbindelser med fosfor.
# Fosfat assosiert med kalsiumkarbonat og omdannelse av jernoksidbundet fosfor til vivianitt, noe som spiller en nøkkelrolle i fosfordeponering i marine sedimenter. 
Disse prosessene ligner på fosforsirkulasjon i innsjøer og elver.

## Menneskelig påvirkning av fosforkretsløpet
Næringsstoffer er viktige for overlevelse og vekst for levende organismer, og er derfor avgjørende for utvikling og vedlikehold av sunne økosystemer. Mennesker har i stor grad påvirket fosforsyklusen ved å utvinne fosfor til brukt i gjødsel og ved å transportere det og landbruksprodukter over hele kloden. Transport av fosfor i matvarer fra gårder til byer har resultert i en stor endring i den globale fosforsyklusen. Opphopning av næringsstoffer, spesielt fosfor og nitrogen, er skadelige for økosystemer i vann. Vann får høyt fosforinnhold på grunn av landbruksavrenning og utslipp av avløpsvann. Tilførsel av fosfor på grunn av avrenning fra landbruket kan gi oksygenmangel (*[[Eutrof|eutrofiering]]*) av overflatevann, noe som i neste omgang gir algeoppblomstring og oksygenmangel. 

Menneskelige handlinger har forsterket de biosfæriske strømmene av viktige grunnstoffer, så vel som transport av mineraler til havet. Intensiveringene har i stor grad kommet fra en kombinasjon av forbrenning av fossilt brensel, metallsmelting, endringer i arealbruk og bruk av gjødsel. Der de to sistnevnte skyldes økt erosjon forårsaket av storskala avskoging, dårlig landbrukspraksis, overbeiting og urbanisering. Fra 1950-årene og utover utgjorde de fleste av disse forstyrrelsene betydelige andeler av de totale biosfæriske prosessene der disse grunnstoffene inngår (frigjøring, fiksering, oksidasjon, oppløsning). Det er utsikter for enda større innvirkninger før den globale tålegrensen nås. Modifikasjoner av det globale karbonkretsløpet har fått mesteparten av oppmerksomheten fra forskere, så vel som politisk fokus, på grunn av raske klimaendringer. Men relativt sett er forstyrrelser av nitrogen- og fosforsyklusene enda større, og på noen måter også mer uoverkommelige å endre.

### Historisk utvikling

Som med nitrogen er den viktigste menneskeskapte påvirkning på fosforsyklusen bruk av uorganisk gjødsel (kunstgjødsel). Produksjonen av slik gjødsel begynte i 1840-årene med behandling av fosforholdige bergarter med fortynnet svovelsyre. I tillegg til fosfor, er nitrogen og kalsium i kunstgjødsel av avgjørende betydning for landbrukets kraftige vekst gjennom 1900-tallet, og dermed for at verdens befolkning kunne øke seks ganger. Nitrogen kan utvinnes fra luften, men fosfor og kalsium kan bare utvinnes fra gruver.

Det har blitt fremsatt prognoser for at det vil oppstå en *[[peak fosfor]]*, der produksjon av fosfor når sin topp og etter det faller. Det foreligger prognoser som anslår fortsatt nok fosfor frem til 2100 med dagens forbruk, eller enda mye lengre.

De tre største produsentene i verden er Kina, USA og Marokko og disse står for omtrent to tredjedeler av den globale produksjonen (i 2002). Marokko kontrollerer per 2009 hele 40 % av verdens fosforreserver. De resterende reserver (2023) av fosfatmineraler antas å utgjøre minst 180–200 milliarder tonn. Utfordringen består imidlertid av kostnadene og vanskene med å utvinne anvendbar fosfor fra kildene, blant annet fordi deler av reservene ligger meget dypt i berggrunnen eller til havs.

I 1800 var menneskeskapt uttak av fosfor omtrent en tredjedel av den totale strømmen av stoffet på landjorden. På begynnelsen 2000-tallet utgjorde naturlige tap av fosfor fra jord til luft og vann rundt 10 millioner tonn per år, mens erosjon introduserer i størrelsesorden 30 millioner tonn fosfor i det globale miljøet årlig. Dette hovedsakelig fordi menneskelige handlinger omtrent har tredoblet avrenningen til vann og vassdrag. En variabel del av denne tilførslen avsettes i og langs elver før det kommer ut i havet, men den totale årlige vannbårne overføringen av fosfor til havet er minst doblet, og vannbåren fosfor, sammen med nitrater, forårsaker forurensning av vann og vassdrag. Klimaendringer forventes å øke disse miljøproblemene, i tillegg til at utslipp av klimagasser fra vassdrag som inneholder mye fosfor kan forsterke den globale oppvarmingen (tilbakekobling).

Den globale matproduksjonen brukte i 2002 rundt 12 millioner tonn fosfor. Til sammenligning er det ikke mer enn 4 millioner tonn fosfor som oppstår naturlig på grunn av forvitring av fosforholdige bergarter og ved atmosfærisk avsetning. Fosfor i gjødsel er dermed uunnværlig for å produsere de store avlingene som trengs for verdens befolkning. Imidlertid fører økt jorderosjon fra kornåkre og nedbrente beitemarker til utslipp av omtrent dobbelt så mye fosfor som naturlig denudasjon (alle mekanismer som sliter vekk jordskorpen, som forvitring, erosjon, isbreer) ville ha ført til. Siden 1800 har det også vært en økning på omtrent tolv ganger av fosfor som forsvinner i avfall og avløpsvann fra dyr og mennesker.

### Konsekvenser for økosystemer ved stor tilførsel av fosfor

Fosfor og andre stoffer fra kunstgjødsel forårsaker alvorlige miljøproblemer på grunn av avrenning fra jordbruksland, med algeoppblomstring og oksygenmangel (*[[Eutrof|eutrofiering]]*) i vann og vassdrag, våtmarker og kyst som de største. De primære årsakene til eutrofieringen er tilførsel av nitrogen og fosfor som overskrider et vassdrags kapasitet for mottak, deretter oppstår sterk algevekst med påfølgende stort oksygenopptak når algene dør og brytes ned. Økosystemer i vann er under kraftig stress på grunn av forurensing fra fosfor og er de biomene med størst tap av biodiversitet.

Siden en stor mengde fosfor allerede er tilstede i jordsmonnet mange steder, vil ytterligere overforbruk av gjødsel og overanrikning føre til stadig økt fosforkonsentrasjon i landbruksavrenning. Når erodert jord strømmer ut i innsjøer, bidrar både fosfor og nitrogen til eutrofiering. Jorderosjon kan være forårsaket av avskoging på grunn av manglende planlegging og urbanisering.

### Tiltak for å redusere og effektivisere bruken av fosfor
Bærekraftig bruk av fosfor innebærer reduksjon av forbruk, resirkulering og gjenbruk. Tiltakene dreier seg om det som tas bort fra landjorden via avlinger, mens andre tiltak fokuserer på reduksjon av avrenning. Rensing av avløpsvann kan få tilbake noe av fosforet og bruke det på nytt i landbruket, det samme med resirkulering av organisk avfall. 

Tiltak for å øke effekten av fosfor i landbruket går ut på å få optimalt plantevekst og avkastning, først og fremst ved mye lavere konsentrasjon av fosfor i kunstgjødselen, bruk av terrasser og praksiser uten bruk av plog, samt at stilk og stengler fra vekster føres tilbake til jorden. På forbrukssiden er redusert matsvinn viktig for redusert bruk av fosfor, det samme med mindre forbruk av kjøtt og meieriprodukter.

## Se også
* Naturens tålegrense

## Referanser


## Litteratur
* 
* 
## Eksterne lenker
* Fosforkretsløpet (NDLA)
* Overgjødsling langs kysten (Miljøstatus)
* Meeting the global phosphorus challenge will deliver food security and reduce pollution (UNEP)