Phosphorkreislauf

Der Phosphorkreislauf oder Phosphorzyklus ist die stetige Wanderung und biogeochemische Umsetzung des Bioelementes Phosphor in Gewässern, in Böden und in Biomasse.

Hintergrund

Dem Phosphor kommt in allen Lebewesen eine zentrale Rolle zu, insbesondere als Bestandteil von Adenosintriphosphat (ATP) bei der Energieumsetzung und als Bestandteil der DNA, wobei er in Phosphatform vorliegt. Seine herausragende Wichtigkeit macht den Phosphor zu einem essenziellen Nährstoff. Obwohl in der Natur in niedrigen Konzentrationen ubiquitär, wird Phosphor als nichterneuerbare Ressource betrachtet. Die globalen Vorkommen sind limitiert und konzentrieren sich auf nur wenige Staaten.

Phosphor ist in der Umwelt, wie erwähnt, allgegenwärtig, jedoch kann seine Konzentration (Gehalt) in Abhängigkeit vom Standort so gering sein, dass das Pflanzenwachstum beschränkt wird. Dabei gilt das Minimumgesetz, wonach das Wachstum vom knappsten vorhandenen Pflanzennährstoff abhängig ist. Durch die Verwendung von Mineral- und organischen Düngern wird der Phosphorgehalt im Boden und damit das Wachstum erhöht.
Ungefähr 90 Prozent der globalen Phosphorproduktion findet als Dünger in der Landwirtschaft Verwendung,<ref name="Cordell" et al.="???">D. Cordell, J.-O. Drangert, S. White: The story of phosphorus: Global food security and food for thought. In: Global Environmental Change. Vol. 19, 2009, p. 292–305 (englisch).</ref>; Phosphor ist somit von enormer Wichtigkeit für die heute stark industrialisierte Produktion landwirtschaftlicher Güter. Allerdings werden die bisherigen Phosphor-Abbaustätten eine weiterhin hohe Nachfrage voraussichtlich nur noch wenige Jahre, voraussichtlich bis ca. 2020, befrieden können. Ein mögliches Peak-phosphorus-Szenario – analog zum peak oil – wird dabei prognostiziert.<ref name="Cordell">D. Cordell: The Story of Phosphorus. Dissertation. Linköpings universitet, Linköping 2010 (englisch).</ref>

Der Phosphorkreislauf

Herkunft des Phosphors

Bei der Herkunft und Umsetzung des Phosphors gilt es zwei Quellen zu trennen:

• Natürliche Quellen, wie beispielsweise organische Dünger, Pflanzenrückstände, Sedimente, etc.
• Anthropogene Einbringung, insbesondere durch Dünger.

Die Umsetzung aus natürlichen Quellen wird auf 3 Megatonnen pro Jahr (Mt/a) geschätzt. Zusätzlich wurden seit Beginn der industriellen Düngemittelproduktion große Mengen an Phosphor vom Menschen ausgebracht, die auf 12 Mt/a seit den 1950er Jahren geschätzt werden. Die heutige Einbringung wird sogar auf 14 Mt/a geschätzt.<ref name="Cordell" /> Die anthropogene Einbringung entspricht daher dem vier- bis fünffachen der natürlichen Mobilisierung.<ref name=Falkowski>P. Falkowski, R. J. Scholes, E. Boyle, J. Canadell, D. Canfield, J. Elser, N. Gruber, K. Hibbard, P. Högberg, S. Linder et al. (2000). The Global Carbon Cycle: A Test of Our Knowledge of Earth as a System. Science, 290, P. 291–296 </ref>

Phosphor liegt in der Natur als phosphatreiches Mineral – meist als Apatit – vor. Die Verwitterung dieser Phosphatgesteine ist die wichtigste natürliche Phosphorquelle. Als anthropogene Quelle werden diese Gesteine an Orten mit einem sehr hohen Phosphatanteil abgebaut und nach entsprechender Aufbereitung als Mineraldünger verwendet und somit in den Phosphatkreislauf eingebracht.

Transport von Phosphor

Phosphor liegt in der Umwelt als Phosphat vor, gewöhnlicherweise in festem sowie flüssigem bzw. gelöstem Zustand. Die einzige natürlich vorkommende gasförmige Phosphorverbindung ist Phosphin, dessen Anteil aber im gesamten Phosphorkreislauf vernachlässigbar ist. Von Bedeutung ist allerdings der Transport von Phosphor in Bodenpartikeln durch die Winderosion. Gelöster Phosphor und in Boden- oder Gesteinsteilchen enthaltener Phosphor wird auf natürlichem Wege über die Erosion hauptsächlich über Flüsse transportiert. Über die tektonische Hebung von Gestein und deren Verwitterung wird ebenfalls Phosphor in den Kreislauf eingebracht.

Ein Großteil des separierten Phosphors wird durch die Düngung in der Landwirtschaft wieder in den Phosphorkreislauf eingeleitet. Neben den organischen Quellen wie Gülle, Pflanzenrückständen oder Mist ist insbesondere Mineraldünger von Bedeutung. Die Verwendung von Guano ist heute nicht mehr relevant.

In den Gewässern hängt die Produktion von Biomasse meist direkt mit der verfügbaren Menge an Phosphor zusammen. Die Steigerung des Phosphoreintrags in Seen führt deshalb zur Eutrophierung. Häufig wird der Zustand von Seen nach ihrem „Nährstoffgehalt“ und dem daraus resultierendem Wachstum von Algen beurteilt, tatsächlich handelt es sich dabei um den verfügbaren Phosphorgehalt. Auch in den Flüssen spielt Phosphor eine wichtige eutrophierende Rolle. Deshalb wird heute in Kläranlagen Phosphor durch verschiedene Verfahren entfernt (Phosphorelimination), wobei die Rückgewinnung von Phosphor bzw. von Phosphaten – wegen der Endlichkeit der natürlichen Vorkommen – eine immer größere Bedeutung erlangt.<ref>„Bevor der Dünger ausgeht – Phosphorrecycling soll die Welternährung sichern“, Spektrumdirekt, 9. März 2010; Abstract.</ref>

Umsetzung von Phosphor

Phosphate werden in Pflanzen und Tieren sehr schnell umgesetzt. Die Prozesse, die Phosphate über Böden oder Meere bewegen, sind allerdings sehr träge, was den Phosphorkreislauf zu einem der langsamsten biogeochemischen Kreisläufe macht. Phosphor, der auf den Boden über natürliche oder anthropogene Quellen eingebracht wurde, wird in Form von Phosphat umgesetzt. Um für Pflanzen verfügbar zu sein, muss ein gelöstes Orthophosphation vorliegen, das über die Wurzel aufgenommen werden kann. Liegt das Phosphat in anderen organischen und anorganischen Formen vor, ist es nicht pflanzenverfügbar. Diese Phosphorpools stehen zueinander in einem dynamischen Gleichgewicht.

Senken im Phosphorkreislauf

Als Senken im Phosphorkreislauf treten insbesondere organische Verbindungen, authigener Phosphor, Sedimente und gebundene Phosphorkomplexe insbesondere mit Kalziumcarbonat, Eisen oder Mangan auf.<ref name=Föllmi>K. B. Föllmi (1996). The phosphorus cycle, phosphogenesis and marine phosphate-rich deposits. Earth-Science Reviews, 40, S. 55–124 </ref>

Siehe auch

• Phosphorfraktion
• Stofffluss im Ökosystem
• Stoffkreislauf
• Nährstoff (Pflanze)

Referenzen

<references />