Круговорот фосфора природе схема

Круговорот фосфора в природе

Фосфор – относительно редкий элемент. По данным академика А.Е.Ферсмана, его весовой кларк (процентное содержание элемента в земле) равен всего 0,12%.

В свободном виде в природе по причине своей очень сильной окисляемости он не встречается, но входит в состав многих минералов (их насчитывается до 120) и множества органических веществ. Большинство минералов, содержащих фосфор, являются редкими. Наиболее важные минералы (природные фосфаты) – апатит, вивианит, а также осадочная горная порода фосфорит, состоящая из мелкокристаллического или аморфного фосфата кальция с примесью некоторых других веществ.

Источником всех фосфорных соединений в природе следует признать апатит – фосфат кальция, содержащий переменное количество фтора и хлора. В зависимости от преобладания в апатите фтора или хлора образуются минералы фторапатит Са₅F(РO₄)₃ или хлорапатит Са₅Сl(PO₄)₃. Они содержат от 5 до 36% P₂O₅.

В изверженных породах обычно всегда есть мелкие кристаллики апатита. Главнейшие его запасы находятся в зоне магмы, но он встречается и в тех местах, где изверженные породы образуют контакт с осадочными. Значительные запасы апатитов имеются в Норвегии и Бразилии. Подлинно мировое месторождение апатитов находится на Кольском полуострове, в Хибинах, где оно было открыто в 1925 г.(рис.5).

Рис. 5. Мировое месторождение апатитов находится в Хибинах

Под влиянием жизнедеятельности микроорганизмов, почвенных кислот, а также кислот, выделяемых корнями растений, апатиты вовлекаются в биохимический круговорот, который в отличие от круговорота азота, углерода, кислорода и серы ограничивается лишь био-, гидро- и литосферой и не захватывает атмосферы.

Растениями фосфор поглощается только из растворенных фосфатов в виде анионов фосфорной кислоты. Поэтому питание фосфором растений возможно лишь при наличии в почвенном растворе солей фосфорной кислоты, например Са(Н₂РО₄)₂, СаНРО₄, К₂НРО₄ и др. Скапливается он главным образом в продуктовых частях – семенах, плодах. Наиболее богаты фосфором бобовые растения, а бедны им овощи. Из растений фосфор вместе с пищей попадает в организм животных и человека. Затем органические фосфаты вместе с трупами, отходами и выделениями живых существ возвращаются в землю, где снова подвергаются воздействию микроорганизмов и превращаются в минеральные формы, употребляемые зелёными растениями.

В наземных системах круговорот фосфора проходит в оптимальных естественных условиях с минимумом потерь. В океане дело обстоит иначе. Это связано с постоянным оседанием (седиментацией) органических веществ. Осевший на небольшой глубине органический фосфор возвращается в круговорот. Фосфаты, отложенные на больших морских глубинах не участвуют в малом круговороте. Однако тектонические движения способствуют подъёму осадочных пород к поверхности.

Таким образом фосфор медленно перемещается из фосфатных месторождений на суше

и мелководных океанических осадков к живым организмам и обратно (рис. 6).

Рис.6. Схема круговорота фосфора.

Несмотря на свою малую распространенность и разбросанность, фосфор, однако, имеет исключительно важное значение в жизни растительных и животных организмов. Он является один из основных компонентов (главным образом в виде и ) живого вещества и входит в состав нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), клеточных мембран, аденозинтрифосфата (АТФ) и аденозиндифосфата (АДФ), жиров, костей и зубов.

В теле человека имеется свыше 1,5 кг фосфора (1,4 кг в костях, 130 г в мышечных и 12 г в нервных тканях). Ежесуточная потребность взрослого человека в фосфоре от 1 до 1,2 г.

Больше всего его содержится в костях (свыше 5%). Твердость скелету придает кальциевая соль фосфорной кислоты. Очень много фосфора в зубах (в дентине – 13%, а в зубной эмали – 17%). Физиологические процессы, протекающие в животном организме, постоянно связаны с химическими превращениями фосфорсодержащих веществ (расщепление их в пищеварительных органах, синтез новых фосфорсодержащих органических соединений). Сложным изменениям подвергаются и минеральные фосфорные соединения в крови и печени. Фосфор – биогенный элемент. Академик А.Е.Ферсман называл фосфор элементом жизни и мысли.

Таков круговорот и значение фосфора в природе. Крайне ядовитое и реакционноспособное вещество (в одной из его аллотропных форм – белом или желтом фосфоре) в своих соединениях является существенно необходимым элементом растительной и животной жизни.

В процесс круговорота фосфора, как и в природный круговорот других элементов (кислорода, азота, серы, калия, кальция, алюминия, железа и др.), энергично вмешивается человек. Фосфор нужен человеку для многих целей: большое количество его поглощает спичечная отрасль промышленности. Лучшие сорта нержавеющей стали получаются благодаря процессу фосфатирования – покрытия тонким слоем фосфатов, стойких против атмосферной коррозии. Аналогичной обработке часто подвергаются изделия из цинка, алюминия и их сплавов. Соединения фосфора идут на изготовление многих лекарственных веществ (рис.7)

Рис. 7. Некоторые области применения фосфора и его соединений

Главный же потребитель фосфатов – сельское хозяйство. Со времени химика Ю.Либиха земледельцы, поняв значение фосфора для повышения урожая культурных растений, начали отыскивать природные фосфаты (апатиты, фосфориты), превращать их механическим или чаще всего химическим путем в удобрения и вносить в почву.

Надо заметить, что в 100 кг пшеницы находится около 1 кг фосфора (в виде Р₂О₅). Столько же фосфора содержится в 200 кг сена, 300 кг соломы, 1500 кг зеленых кормов. Можно себе представить, какие громадные количества фосфора уносятся с наших полей вместе с урожаем. Часть его, конечно, возвращается в почву, но фосфор, например, содержащийся в продуктовых частях растений, идущих на промышленную переработку, пропадает. Не обладая бесконечными запасами фосфора, почва вследствие этого процесса постепенно истощается, что приводит к сильному снижению урожая и необходимости восполнения потери фосфора. Культурные растения в большинстве случаев очень благоприятно отзываются на внесение в почву фосфорных удобрений в легкоусвояемой форме.

Фосфорное удобрение получается также в качестве побочного продукта при переработке богатого фосфором чугуна в сталь при томасовском процессе. Если «грушу», в которой получается сталь по методу Г.Бессемера, выстлать внутри известковой футеровкой, то известь поглотит фосфор из расплавленного чугуна. В этом и состоит сущность предложенного англичанином С.Дж.Томасом процесса, при котором сразу достигаются две цели: получение доброкачественной стали и ценного удобрения. Последнее достигается путем размалывания поглотившей фосфор известковой футеровки. Получаемый таким путем сухой темно-серый порошок, называемый томасшлаком, содержит от 11 до 24% Р₂О₅ и является высокоэффективным удобрением, особенно на кислых почвах.

В общем, антропогенное влияние на круговорот фосфора состоит в следующем:

1. Добыча больших количеств фосфатных руд для минеральных удобрений и моющих средств приводит к уменьшению количества фосфора в биотическом круговороте;

2. Стоки с полей, ферм и коммунальные отходы приводят к увеличению фосфат- ионов в водоёмах, к резкому росту водных растений и нарушению равновесия в водных экосистемах.

Источник

Круговорот фосфора.

Источником фосфора (F) в окружающей среде служат главным образом горные породы и древние осадки, которые в процессе гидрологического цикла высвобождаются в результате их эрозии и выщелачивания. Часть образовавшегося фосфора используется в биологических системах, другая, большая, выносится в океаны со стоками вод, где фосфор захоранивается в донных осадках. На рис. представлена схема круговорота фосфора, в котором участвуют и осадки фосфора, которые залегают на небольшой глубине, и различные виды организмов, обитающие на дне моря, рыбы и, наконец, птицы, возвращающие фосфор на сушу вместе с экскрементами. Наряду с этим часть фосфора выпадает из круговорота, другая часть используется в качестве удобрений, но большая его часть в конце концов захоранивается в глубоководных океанических осадках. Такой ход событий рано или поздно, впрочем не в ближайшем будущем, приведет к дефициту фосфора в окружающей среде. Источник фосфора в биосфере — главным образом апатит, встречающийся во всех магматических породах. В превращениях фосфора большую роль играет живое вещество. Организмы извлекают фосфор из почв, водных растворов. Фосфор входит в состав белков и других органических соединений. Особенно много фосфора в костях животных. С гибелью организмов фосфор возвращается в почву и в донные отложения. Он концентрируется в виде донных отложений костей рыб, гуано (залежей помета птиц, питающихся рыбой), что создает условия для образования богатых фосфором пород, которые в свою очередь, служат источником фосфора в биогенном цикле. Фосфор усваивается растениями из почвы в форме растворимых фосфатов (Рис.13.8).

Рис. 13.8 Круговорот фосфора в природе

Растения при участии фосфора синтезируют различные органические вещества и тем самым включают его в круговорот.

Затем органические фосфаты вместе с трупами, отходами и выделениями живых существ возвращаются в землю, где снова подвергаются воздействию микроорганизмов и превращаются в минеральные фосфаты, готовые к употреблению зелёными растениями и другими автотрофами.

В водные экосистемы фосфор приносится текучими водами. Реки исправно обогащают океаны фосфатами.

Фитопланктон, синтезируя фосфор содержащие органические вещества, включают его в трофические цепи. Далее часть фосфора возвращается на сушу с помощью рыбоядных существ.

Часть мёртвой органики оседает на дно. Органический фосфор, осевший на небольшой глубине, может быть возвращён в круговорот после минерализации.

Фосфаты, отложенные на больших глубинах, выключаются из биосферы.

Антропогенная деятельность активно изменяет круговорот фосфата. Проявляется это на локальном уровне:

1. производство минеральных удобрений;
2. производство детергентов.

• Поверхностно-активные вещества, то есть вещества, уменьшающие поверхнстное натяжение воды и способствующие тем самым проникновению воды в поры и между волокнами.
• Отдушка, то есть ароматическая добавка.
• Энзимы, то есть биологические ферменты, переваривающие белковые загрязнения.
• Абразивы, чтобы отполировывать поверхность.
• Вещества, изменяющие pH или влияющие на работу и стабильность других компонентов, кислоты для очистки от ржавчины или щелочи для разрушения органических соединений.
• Водные смягчители, противодействующие эффекту ионов «жёсткости» на других компонентах.
• Материалы, не являющиеся поверхностно-активными, которые удерживают грязь во взвешенном состоянии.
• Компоненты, противодействующие вспениванию.
• Компоненты, увеличивающие или уменьшающие вязкость раствора, или удерживающие другие компоненты в растворённом состоянии.
• Окислители (хлорные и кислородные) для отбеливания, дезинфекции и разрушения органических соединений.
• Компоненты, которые затрагивают эстетические свойства, например, синька, оптические отбеливатели, смягчители ткани, цвета, духи, и т. д.
• Ингибиторы коррозии, противодействующие ржавлению отмываемой поверхности и стиральных машин.
• Компоненты, уменьшающие вред для кожи.
• Консерванты, предотвращающие порчу других компонентов.

Источник