Fosforipitoisuus (limnologia)

Fosforipitoisuus on vesistöjen tutkimuksessa yksi luonnonveden ominaisuutta ilmaiseva suure, jolla pyritään selvittämään vesistön eliöiden ravintotilannetta. Fosfori on yleensä ensimmäiseksi loppuva ravintoaine, joten sen esiintyminen on tärkein tekijä vesistön ravintotilanteen kartoituksessa. Fosforia esiintyy maankuoressa mineraaleina, joista sitä liukenee eroosion vaikutuksessa pieniä määriä pohja- ja pintavesiin. Veden mukaan sitä kulkeutuu vesistöihin ja meriin. Fosforin määrää luonnossa seurataan ihmisen luontoa voimakkaasti kuormittavan toiminnan vuoksi. Fosforipitoisuudella tarkoitetaan eri fosforia sisältävien yhdisteiden liuennutta määrää litrassa vettä.
Fosforia esiintyy kallioperässä ja maaperässä erilaisina yhdisteinä, joista yleisin on apatiitti. Sitä louhitaan 35 eri maassa, joista Marokossa on suurin tuotantolaitos. Myös Siilinjärvellä louhitaan apatiittia.
Mittaaminen.
Fosforin pitoisuus voidaan määrittää monella eri menetelmällä. Sekoittamalla molybdaatti-reagenssiä fosforiliuokseen sinertyy se fosforipitoisuuden mukaisesti. Sinertyneen veden asborbanssi (valon absoboitunut määrä) korreloi fosfaattipitoisuuden kanssa. Liuoksen valmistusmenetelmä valitaan sen mukaan, mitataanko fosfaatin määrää (SFS3025) vai kokonaisfosforin määrää (SFS3026). Yleisin ilmoitettu pitoisuus on "mikrogrammoja litrassa vettä" eli µg/l taikka "milligrammaa kuutiometrissä vettä" eli mg/m³. Huomaa, että 1 µg/l = 1 mg/m³. Kun muidenkin ravinteiden mitattuja tuloksia on taulukoitu runsaasti, voidaan yksikköön lisätä fosforin kemiallinen merkki "P" eli µg P/l.
Kokonaisfosforin pitoisuus.
Vesistöjen rehevyystutkimuksissa määritetään aina kokonaisfosforin pitoisuus. Liuoksen erilaiset fosforin yhdisteet muutetaan voimakkaalla peroksodisulfaatilla ortofosfaatiksi. Liuos valmistetaan sitten absorbanssin määritystä varten.
Fosfaattien pitoisuus.
Epäorgaanisten fosfaattien pitoisuus kertoo siitä fosforin muodosta, jota levät ja kasvit kykenevät hyödyntämään parhaiten. Fosfaatit ovat fosforihapon (formula_1) suoloja (formula_2), joiden ioneita tai yhdisteitä esiintyy vähäisiä määriä vedessä. Sitä mitataan kuitenkin harvoin ja silloin sen arvo erotetaan kokonaisfosfaatin arvosta merkitsemällä yksiköksi μg PO4/l. Sitä tarvitaan yleensä, kun lasketaan ravinnesuhteiden ja minimiravinteiden arvoja. Sen pitoisuudet ovat erittäin pienet, sillä se joutuu yleensä heti eliöiden ravinnoksi. Talvella kasvi- ja levätuotannon ollessa pienimmillään, kohoavat järvien vedessä fosforien pitoisuudet arvoon 5–10 μg PO4/l ja rehevissä järvissä arvoon 20–50 μg PO4/l.
Ekosysteemien pitoisuuksia.
Karuissa suomalaisissa järvissä kokonaisfosforin pitoisuudet jäävät raja-arvon 10 μg/l alle. Karuissa humusvesissä (dystrofinen järvi) arvot ovat hieman korkeammat eli 10–15 μg/l. Rehevissä järvissä pitoisuus ylittää raja-arvon 20 μg/l. Erilaisten ravintoluokiteltujen vesistöjen kokonaisfosforin arvot voivat olla: 
Rehevyysluokittelu.
Rehevyysluokituksessa käytetään hieman poikkeavaa jaottelua (suluissa Vesihallituksen käyttämien yleisluokituksen rajat): 
Levämäärät alkavat kohota selvästi jo 20 μg/l pitoisuuksissa.
Fosfori vesistöissä.
Fosforikierto.
Fosforia esiintyy kalliossa epäorgaanisina yhdisteinä, joita liukenee eroosion vaikutuksesta vesistöihin. Sitä esiintyy eliöiden soiluissa ja erityisesti luissa ja hampaissa, joista sitä myös valmistetaan. Fosfori on luonnossa elintärkeä ja korvaamaton ravintoaine, joka osallistuu eliöiden kudosmuodostukseen erilaisten tärkeiden yhdisteiden muodossa. Fosforinpuute rajoittaa eliöiden lisääntymistä, sillä se on levien ja kasvien tärkeä ravintoaine eli minimitekijä. Veteen liuennut fosfori kuluu levien ja kasvien lisääntymiseen, joten näitä ravintonaan käyttävät muut eliöt lisääntyvät myös. Eliöiden kuollessa hajoaa niiden kudokset ja fosfori vapautuu taas veteen. Osa fosforista painuu kuitenkin vesistön pohjalle ja sedimentoituu mutaan. Jos vesistön happi- ja happamuusolosuhteet ovat normaalit, jää se myös sinne. Veden hapettomuus tai kohonnut happamuustaso (pH 9–10) liuottavat kuitenkin fosforin takaisin veteen ja silloin puhutaan järven sisäisestä kuormituksesta. Hapettomuutta esiintyy yleensä rehevöityneen järven alusvedessä pohjan lähellä. Happamuusasteen kohoaminen voi johtua kiihtyneestä levätuotannosta päällysvedessä ja sen aiheuttama emäksisyys liuottaa järven sedimenttien fosforia. Silloin veden fosforipitoisuus saattaa 2–3-kertaistua lyhyessä aikaa.
Vesistön kuormitus ja rehevöityminen.
Ihminen kuormittaa luontoa Suomessa lannoittaessaan peltoja ja metsiä, ojittamalla metsiä ja soita sekä päästäessään jätevesiä luontoon. Fosforia pääsee luontoon pääasiassa teollisuuden päästöinä, yhdyskuntajätteiden muodossa ja ihmisten käsittelemättömien tai puhdistettujenkin jätevesien muodossa. Teollisuuden ja yhdyskunnan päästöt ovat pienetyneet vuoteen 1995 mennessä kotitalouksien ja maatilojen yhteiselle kuormitustasolle. Sen jälkeen kokonaismäärät kaikilla sektoreilla on hitaasti vähentyneet. Avainasemassa vähentämisessä ovat olleet tehostuneet vedenpuhdistuslaitokset, jotka keräävät talteen jopa 95% liuenneesta fosforista. Vaikka fosforikuormitus on tonneina laskettuna vähäistä, on sillä suuri vaikutus luonnon ravintokejun kaikkiin tasoihin.
Levien ja kasvien tuotannon kasvu johtaa niitä hyödyntävien eliöiden lisääntymiseen. Lisäravinteet suosivat rehevien vesien lajeja karujen vesistöjen lajien kustannuksella. Vaikka kasvusto lisääntyy, vähenee silti kasvilajien lukumäärä. Kalasto runsastuu, mutta rehevöitymisen lisääntyessä alkaa kalalajien lukumäärä vähentyä. Erityisesti särkikalat lisääntyvät suuresti muiden lajien kustannuksella. Levän lisääntyessä vesi sameutuu ja samalla lohikalojen yksilömäärät taantuvat. Levä pimentää myös pohjan, missä on lopulta mahdotonta enää yhteyttää auringon valossa. Kun sitten lisääntynyt biomassa hajoaa, vaatii se lisää happea. Silloin happipitoisuus vedessä alenee ja aiheuttaa happiongelmia alusvedessä. Hapeton alusvesi saa pohjasedimentteihin vajoneen fosforin liukenemaan takaisin veteen ja tämä aiheuttaa rehevöitymiseen lisäpotkun. Tätä tapahtumaa kutsutaan sisäiseksi kuormitukseksi. Tämän vuoksi järvi voi säilyä rehevänä vuosikymmeniä, vaikka fosforin määrää tulo-ojissa olisi saatu vähenemään.