Hình 4.8: Nguồn cung cấp photphat trong môi trường
Photpho là một trong các nguyên tố rất cần thiết cho sự sống. Photpho giúp giữ các phân tử DNA và RNA lại với nhau và cũng là nguyên tốđóng vai trò quan trọng trong chuyển hóa và dự trữ năng lượng trong ATP và ADP. Giống như Canxi, Photpho là thành phần cấu tạo của xương của các loài động vật có xương sống (mặc dù thừa photpho sẽ dẫn đến mất canxi). Photpho cũng là nguồn dinh dưỡng quan trọng trong nông nghiệp.
Chu trình photpho rất đặc biệt so với các chu trình sinh hóa cơ bản nhất trong tự nhiên vì nó không có sự chuyển hóa sang pha khí, mặc dù một lượng nhỏ hơi axit H3PO4 bay vào khí quyển và là nguồn gốc của hiện tượng lắng động axit. Do đó trong khí quyển thành photpho rất ít có ý nghĩa. Nền tảng của liên kết photpho trong môi trường là axit photphoric, H3PO4 (axit orthophotphoric). Axit này tạo thành liên với hơn 200 loại khoáng tồn tại trong tự nhiên, trước hết là với các cation như Na+, Mg+2, Ca+2, Al+3, Pb+2, Fe+2, Fe+3, Mn+4, Cu+2, Zn+2,…trong sốđó canxi photphat là khoáng có ý nghĩa là nguyên liệu của công nghiệp photpho.
Quá trình phân hủy photpho qua oxi hóa kết hợp với nước tạo thành axit orthophotphoric sau đó thành các muối orthophotphat. Các muối photphat là dẫn xuất của các axit photpho ở dạng chung Hn+2PnO3n+1 (n=2: axit diphotphoric, n=3: axit triphotphoric) và chứ cầu liên kết P--O--P. Ví dụ:
2HPO4-2 ↔ P2O7-4 + H2O
Axit Photphoric có thể liên kết với các hợp chất hữu cơ hydroxyl tạo thành những hợp chất có ý nghĩa nền tảng trong tất cả hệ thống sinh học. Ví dụ như ATP (Adenozintriphotphat).
Vòng tuần hoàn photpho bao gồm các quá trình trao đổi photpho giữa các photphat vô cơ và hữu cơ trong quá trình sống của sinh vật. Vòng tuần hoàn sinh hóa của photpho có thể chia làm 2 phần riêng: đất – cây trồng và nước – cặn lắng.
Chu trình photpho bắt đầu từ nguồn photphat (PO4) trong đất được sản sinh từ quá trình phong hóa đá. Photphat đi vào hệ sinh thái khi thực vật hấp thu nguồn dinh dưỡng từ đất. Photphat chuyển vào tế bào động vật khi động vật ăn thực vật và từ động vật ăn động vật. Photphat giữ trong tế vào động vật được trả lại cho đất thông qua quá trình bài tiết của nước tiểu và phân cũng như quá trình phân hủy xác của các động vật chết. Photphat trong thực vật cũng được trả vào đất qua quá trình phân hủy.
Trong hệ sinh thái dưới nước, thực vật hấp thu photphat hòa tan trong nước sau đó đi vào chuỗi thức ăn. Lượng Photphat không đi vào chuỗi thức ăn và các photphat được phân hũy từ xác các sinh vật chết sẽ lắng xuống đáy sông, hồ biển…Khi các cặn lắng được khuấy trộn, photphat sẽ được hấp thu trở về với chu trình sinh học của nó trong nước.
Giống như nitơ, photpho cũng là chất ô nhiễm nước mặt khi nồng độ vượt quá giới hạn cho phép. Là nguyên nhân dẫn đến hiện tượng phú dưỡng hóa nguồn nước. Khả năng hòa tan của photpho trong nước không cao nhưng lại kết hợp chặt chẽ với các phân tử trong đất. Photpho đi vào nước không phải bằng quá trình hòa tan mà được vận chuyển bởi các hạt đất thông qua quá trình rửa trôi.
Tác động của con người đến chu trình photpho
Con người tác động vào chu trình photpho trong tự nhiên từ việc sử dụng các sản phẩm phân bón hóa học tổng hợp. Nguồn photphat làm phân bón được khai thác từ quặng apatite chứa chủ yếu là canxi photphat. Trong quá trình sản xuất, một lượng lớn axit
sulfuric được sử dụng để chuyển hóa đá chứa photphat thành phân bón super photphat. Thực vật không hấp thu hoàn toàn lượng phân bón photphat sử dụng, phần còn lại bị rửa trôi vào nguồn ngước và tích tụở nền đáy ao hồ gây ô nhiễm nguồn nước.
Xác động vật và phân gia xúc cũng được dùng làm phân bón nhằm cung cấp thêm lượng photphat cho đất. Nếu dùng quá mức trong mùa đông thì đến mùa xuân khi tuyết tan, một lượng lớn photphat sẽ bị rửa trôi làm tăng nồng độ photphat và nitrat trong dòng nước. Ngoài ra, nguồn góp phần làm tăng lượng photphat là nước thải đầu ra của nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt không có hệ thống xử lý bậc ba (tertiary treatment). Photphat trong nước thải sẽ không được loại bỏ hoàn toàn trong các quá trình xử lý thông thường. Đây cũng là nguyên nhân làm gia tăng hiện tượng phú dưỡng hóa nguồn nước tiếp nhận. Photphat được sử dụng trong bột giặt, phân bón trong nông nghiệp góp phần làm tăng nồng độ trong sông, hồ…
Trong đất Trong đại dương Động thực vật Sinh vật chết Photphat trong đất Động thực vật Photpho vô cơ, hữu cơ hòa tan và lơ lững trên
lớp mặt
Photpho trong đáy đại dương Photpho trầm tích Bài tiết Photphat hóa Nổi Lắng Hòa tan trong nước Lắng Cây trồng, động vật Sinh vật chết Photphat trong đất Động thực vật Các động, thực vật chết và photpho trên lớp nước mặt Photpho ở vùng nước sâu Photpho trầm tích Lắng
Phân hủy Phong hóa
Sông
Đất Biển