Процессы трансформации органических и неорганических соединений фосфора

Фосфор является важнейшим биогенным элементом и основным питательным веществом для всех организмов, включая растения. По значению в питании растений и животных фосфор занимает второе место после азота. Он обнаружен буквально во всех частях зеленых растений: в стеблях, корнях, листьях, но больше всего его в плодах и семенах. Растения поглощают фосфат-ионы из водного раствора и включают в состав различных органических соединений. Особенностью этих соединений является то, что при их гидролизе освобождается большое количество энергии.

По пищевым цепям фосфор поступает от растений ко всем прочим живым организмам экосистемы. При каждом переходе по пищевым цепям живые организмы окисляют или гидролизуют соединения фосфора для извлечения энергии. Образующиеся при этом фосфаты вновь поступают в окружающую среду и используются растениями. Растения накапливают фосфор и снабжают им животных.

В организме животных фосфор сосредоточен главным образом в скелете, мышцах и нервной ткани. Он входит в состав белков, нуклеиновых кислот, аденозинтрифосфорной кислоты, фитина, фосфолипидов и других жизненно-важных макромолекул клетки. Особенно много его в ядрах клеток, головном мозге человека и животных. Тело человека содержит в среднем около полутора килограмм фосфора.

Фосфор активно участвует в энергетических процессах и играет ключевую роль в циклах таких биологически важных элементов как азот, кислород и сера.

По распространенности фосфор занимает 13-е место среди всех элементов. Он содержится не менее чем в 190 минералах и его количество составляет 0, 12 % массы земной коры. Содержание фосфора в разных типах почв колеблется от 0, 1 до 0, 18 %.

Резервуаром фосфора, в отличие от азота, служит не атмосфера, а горные породы и другие отложения, образовавшиеся в прошлые геологические эпохи. Минеральный фосфор входит в виде неорганического фосфат-иона в состав многих горных пород. Он попадает в гидросферу в ходе их эрозии, отлагается в виде осадков на мелководьях, частично осаждается в глубоководных илах. Кроме того, фосфор широко используется в агротехнике в виде фосфорных удобрений с целью повышения плодородия почвы и урожайности сельскохозяйственных культур. Этот минеральный фосфор также попадает в водные и наземные экосистемы.

В 1 га почвы содержится до 2 т валового фосфора, т.е. намного больше, чем необходимо для получения высоких урожаев растений. Однако большая часть фосфора в почве находится в форме, недоступной для усвоения растениями. Это, прежде всего, фосфор органических соединений растительного и животного происхождения, на который приходится от 10 до 50 % всего запаса фосфора в почве. Кроме того, фосфор в почве представлен неорганическими фракциями, в первую очередь фосфатами кальция, входящими в состав первичных минералов.

Коэффициент использования неорганического фосфора растениями очень низок и составляет всего 15-20 %. В этом процессе значительную роль играет почвенная микрофлора, которая минерализует фосфорорганические соединения и переводит нерастворимые формы неорганического фосфора в водорастворимые соединения, доступные растениям.

Разложение фосфорорганических соединений в почве происходит ферментативным путем за счет активной жизнедеятельности гнилостных бактерий. Их роль сводится к двум процессам: минерализации фосфора, входящего в состав органических веществ, и переводу нерастворимых фосфорнокислых солей в растворимые. Это связано со способностью микроорганизмов образовывать в процессе жизнедеятельности минеральные и органические кислоты. Из минеральных кислот чаще всего образуется угольная кислота при растворении двуокиси углерода, выделяемого микроорганизмами. Угольная кислота является слабой кислотой, но и она способна растворять нерастворимые фосфаты. Более сильными по действию являются азотная и серная кислоты, продуцируемые соответственно нитрифицирующими и тионовыми бактериями. В почве всегда можно обнаружить также присутствие таких органических кислот, как уксусная, лимонная, молочная, пропионовая и др. Эти кислоты также активно переводят нерастворимые фосфаты кальция в растворимые соединения. Перевод фосфатов в растворимую форму, доступную для питания растений, является основным движущим звеном вовлечения фосфора в биологический круговорот.

При разложении фосфорорганических соединений часть фосфора фиксируется в клетках микроорганизмов. Поэтому при внесении в почву органических удобрений, бедных фосфором (например, соломы), в процессе минерализации органики весь фосфор почвы может быть потреблен самими микроорганизмами, что ведет к фосфорному голоданию растений.

В отличие от биогеохимических циклов углерода и азота круговорот фосфора практически не замкнут, так как фосфор не находится в биосфере в газовой фазе и не может свободно перераспределяться в пространстве. Например, если азот выводится из атмосферы и возвращается в нее, то фосфор в основном оседает на дно океанов. Это связано с тем, что в природе, он существует только в виде фосфатов, и устойчивых летучих соединений у него нет.

Особенностью биогеохимического цикла фосфора является отсутствие в экосистемах его естественных токсичных соединений. Токсичные соединения фосфора имеют только антропогенное происхождение (фосфорорганические пестициды, боевые отравляющие вещества).

В естественных экосистемах фосфор извлекается из горных пород в результате эрозионных процессов. Кроме того, в мире ежегодно добывается от 1 до 2 млн. т. фосфорсодержащих пород. Большая часть этого фосфора вымывается в речные экосистемы, моря и океаны и выводится из круговорота за счет накопления в донных отложениях. Меньшая, но достаточная часть фосфатов используется наземными организмами.

В техногенных системах происходит нарушение естественного цикла фосфора. Продукты жизнедеятельности человека, содержащие фосфор, сбрасываются в водоемы, насыщая и пересыщая экосистемы. Увеличение концентрации фосфатов в водных экосистемах приводит к эвтрофикации последних, т.е. к обогащению питательными веществами. В этих условиях происходит массовое цветение водорослей, которые, отмирая, погружаются на дно и разлагаются, используя растворенный в воде кислород. Следствием эвтофикации является общая деградация водной экосистемы.

Вмешательство человека в круговорот фосфора сводится в основном к двум вариантам:

1. Добыча больших количеств фосфатных руд для производств минеральных удобрений и моющих средств.

2. Увеличение избытка фосфат-ионов в водных экосистемах при попадании в них загрязненных стоков с животноводческих ферм, смытых с полей фосфатных удобрений, а также очищенных и неочищенных коммунально-бытовых стоков.