วัฏจักรฟอสฟอรัส: เข้าใจวิธีการทำงาน
วัฏจักรชีวธรณีเคมีของฟอสฟอรัสได้รับความทุกข์ทรมานจากการแทรกแซงของมนุษย์มากขึ้น
เพื่อให้เข้าใจว่าวัฏจักรฟอสฟอรัสทำงานอย่างไร ก่อนอื่นคุณต้องรู้องค์ประกอบหลักคือ ฟอสฟอรัส (P) ฟอสฟอรัสเป็นองค์ประกอบทางเคมีที่ทำปฏิกิริยากับผู้อื่นได้ง่ายมาก ด้วยเหตุนี้จึงไม่พบตามธรรมชาติโดยไม่ได้เชื่อมโยงกับองค์ประกอบอื่น นอกจากนี้ยังเป็นหนึ่งในองค์ประกอบที่สำคัญที่สุดในธรรมชาติ - เพื่อให้ความคิดแก่คุณ มีความอุดมสมบูรณ์ในเนื้อเยื่อของมนุษย์เป็นอันดับที่สอง (หลังแคลเซียม)
ฟังก์ชั่นในร่างกาย
ในสิ่งมีชีวิต มันยังเป็นองค์ประกอบสำคัญของเซลล์ โดยเป็นส่วนหนึ่งของโมเลกุล DNA และ RNA หน้าที่บางอย่างในร่างกายคือ:
- เป็นส่วนหนึ่งของโครงสร้างของกระดูกและฟัน (ทำให้มีความแข็งแรงมากขึ้น);
- มีส่วนร่วมในปฏิกิริยากับโมเลกุลอินทรีย์ที่เกิดจากไฮโดรเจน ออกซิเจน และคาร์บอน (เรียกว่าคาร์โบไฮเดรต)
- ทำหน้าที่ในการหดตัวของกล้ามเนื้อ
ง่ายที่สุด
วัฏจักรชีวเคมี (ที่เรียกว่าเพราะมันครอบคลุมทั้งองค์ประกอบทางเคมีธรณีวิทยาและชีวภาพของระบบนิเวศ) ของฟอสฟอรัสถือว่าเป็นหนึ่งในวิธีที่ง่ายที่สุดและนี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าองค์ประกอบนี้ไม่พบในบรรยากาศ แต่เป็น นอกจากนี้ ส่วนประกอบของหินของเปลือกโลก ด้วยเหตุผลนี้ วัฏจักรของมันจึงไม่ถูกจำแนกเป็นบรรยากาศ เช่นเดียวกับในวัฏจักรไนโตรเจน ในกรณีนี้จะจัดเป็นตะกอน
อีกเหตุผลหนึ่งที่ถือว่าเป็นวัฏจักรชีวธรณีเคมีที่ง่ายที่สุดก็คือสารประกอบฟอสฟอรัสเพียงชนิดเดียวที่สำคัญอย่างยิ่งสำหรับสิ่งมีชีวิตคือฟอสเฟตซึ่งประกอบด้วยฟอสฟอรัสหนึ่งตัวและออกซิเจนสามอะตอม (PO43-)
กลุ่มฟอสเฟต
ในความสัมพันธ์กับเซลล์ที่มีชีวิต หน้าที่สำคัญของกลุ่มฟอสเฟตคือบทบาทของพวกมันในการกักเก็บพลังงาน พลังงานนี้ถูกเก็บไว้ในพันธะเคมีของโมเลกุล ATP อะดีโนซีน ไตรฟอสเฟต จากการเผาผลาญ (หรือการสลาย) ของโมเลกุลคาร์โบไฮเดรต กระบวนการที่สร้างพลังงาน พลังงานที่เก็บไว้นี้สามารถถ่ายโอนเพื่อดำเนินการกับกระบวนการของเซลล์ได้
กลุ่มฟอสเฟตเดียวกันเหล่านี้ยังสามารถกระตุ้นและปิดใช้งานเอนไซม์ของเซลล์ที่กระตุ้นปฏิกิริยาเคมีต่างๆ นอกจากนี้ ฟอสฟอรัสยังมีความสำคัญต่อการก่อตัวของโมเลกุลที่เรียกว่าฟอสโฟลิปิด ซึ่งเป็นส่วนประกอบหลักของเยื่อหุ้มเซลล์ เยื่อหุ้มเซลล์ที่ล้อมรอบเซลล์ภายนอก โดยมีหน้าที่หลักสามประการ: การเคลือบผิว การป้องกัน และการซึมผ่านแบบเลือก (เลือกสารที่จะเข้าและออกจากเซลล์)
วัฏจักร
แหล่งกักเก็บฟอสฟอรัสหลักในธรรมชาติคือหิน ซึ่งถูกปล่อยออกมาจากสภาพดินฟ้าอากาศเท่านั้น สภาพดินฟ้าอากาศเป็นชุดของปรากฏการณ์ (ไม่ว่าทางกายภาพ เคมี หรือชีวภาพ) ที่นำไปสู่การสลายและการเปลี่ยนแปลงในองค์ประกอบทางเคมีและแร่วิทยาของหิน แปรสภาพเป็นดิน ปล่อยฟอสเฟต
เนื่องจากเป็นสารประกอบที่ละลายน้ำได้ จึงสามารถลำเลียงไปยังแม่น้ำ ทะเลสาบ และมหาสมุทรได้อย่างง่ายดายด้วยกระบวนการชะล้าง (การละลายองค์ประกอบทางเคมีของหิน แร่ หรือดินโดยการกระทำของของเหลว เช่น ฝน) หรือรวมเข้ากับสิ่งมีชีวิต มีชีวิตอยู่.
การรวมตัวกันนี้เกิดขึ้นในพืชโดยการดูดซึมของฟอสเฟตในดิน ด้วยเหตุนี้ สิ่งมีชีวิตจึงใช้เพื่อสร้างสารประกอบอินทรีย์ฟอสเฟตที่จำเป็นต่อชีวิต (และต่อจากนี้ไปเรียกว่าฟอสเฟตอินทรีย์) ในสิ่งมีชีวิตของสัตว์ ฟอสเฟตเข้าสู่ร่างกายโดยการบริโภคน้ำโดยตรงและการขยายภาพทางชีวภาพ (กระบวนการที่ความเข้มข้นของสารประกอบเพิ่มขึ้นตามห่วงโซ่อาหาร)
การสลายตัวของอินทรียวัตถุโดยการสลายตัวของสิ่งมีชีวิตทำให้อินทรีย์ฟอสเฟตกลับคืนสู่ดินและน้ำในรูปแบบอนินทรีย์
ในทางกลับกัน จุลินทรีย์ที่พบในดินมีบทบาทสำคัญในวัฏจักรฟอสฟอรัสและความพร้อมในพืชด้วยปัจจัยต่อไปนี้:
- การรวมฟอสฟอรัสเข้ากับอินทรียวัตถุของจุลินทรีย์
- การละลายฟอสฟอรัสอนินทรีย์
- ความสัมพันธ์ระหว่างพืชและเชื้อรา
- การทำให้เป็นแร่ของฟอสฟอรัสอินทรีย์
การรวมฟอสฟอรัสเข้ากับสารอินทรีย์จุลินทรีย์
เมื่อรวมเข้ากับสิ่งมีชีวิต ฟอสฟอรัสสามารถทำให้เคลื่อนที่ไม่ได้ กล่าวคือ ฟอสฟอรัสจะ "ติดอยู่" และในช่วงเวลานี้วัฏจักรของโมเลกุลเหล่านี้จะถูกขัดจังหวะ การปล่อยเพื่อให้วงจรสามารถดำเนินต่อไปได้ผ่านปรากฏการณ์ต่อไปนี้:- การหยุดชะงักของเซลล์จุลินทรีย์
- ความแปรปรวนของภูมิอากาศและการจัดการดิน
- ปฏิกิริยากับจุลินทรีย์ซึ่งเมื่อกินจุลินทรีย์จะปล่อยสารอาหารต่างๆ ลงสู่ดิน
มีข้อดีบางประการในการรวมฟอสฟอรัสเข้ากับสิ่งมีชีวิต ตัวอย่างเช่น กระบวนการนี้จะป้องกันการตรึงแร่ธาตุในดินเป็นเวลานาน (ซึ่งจะถูกลบออกโดยสภาพดินฟ้าอากาศเท่านั้น) เพิ่มประสิทธิภาพของการปฏิสนธิฟอสเฟต
การละลายฟอสฟอรัสอนินทรีย์
แบคทีเรียและเชื้อรา รวมทั้งไมคอร์ไรซา ขับกรดอินทรีย์ที่ทำงานโดยการละลายฟอสฟอรัสอนินทรีย์โดยตรง
- จุลินทรีย์ในดินหลายชนิดถูกอธิบายว่าสามารถละลายหินฟอสเฟตประเภทต่างๆ ได้;
- กลไกการละลายที่ใหญ่ที่สุดคือการกระทำของกรดอินทรีย์ที่สังเคราะห์โดยแบคทีเรีย
- กรดเหล่านี้ผลิตโดยสิ่งมีชีวิตเป็นตัวกำเนิดไอออน H+ ที่ดี ซึ่งสามารถละลายแร่ธาตุฟอสเฟตและทำให้พืชใช้งานได้
ความสัมพันธ์ระหว่างพืชกับเชื้อรา
มันเกิดขึ้นผ่านไมคอร์ไรซาซึ่งเป็นแบคทีเรียที่เกี่ยวข้องกับรากพืชที่ส่งเสริมการทำงานร่วมกันระหว่างรากพืชและเชื้อราในดิน เพื่อให้พืชให้พลังงานและคาร์บอนแก่เชื้อราผ่านการสังเคราะห์ด้วยแสง และสิ่งเหล่านี้ตอบแทนด้วยการดูดซับสารอาหารแร่ธาตุและถ่ายโอนไปยังพืช ราก.
แร่ฟอสฟอรัสอินทรีย์
นอกจากฟอสฟอรัสจากอินทรียวัตถุของจุลินทรีย์แล้ว การกระทำของจุลินทรีย์ที่ละลายฟอสเฟตและเชื้อราที่เกี่ยวข้องกับราก การผลิตเอนไซม์โดยจุลินทรีย์และพืชบางชนิดมีหน้าที่ในการทำให้เป็นแร่ของฟอสฟอรัสอินทรีย์ ซึ่งก็คือการแปรสภาพเป็นฟอสฟอรัสอนินทรีย์
เมื่ออยู่ในทะเลสาบและทะเล ฟอสฟอรัสยังสามารถรวมตัวเข้ากับหิน นอกจากจะถูกดูดกลืนโดยสิ่งมีชีวิตแล้ว ยังปิดวงจรได้อีกด้วย
วัฏจักรฟอสฟอรัสมีแนวโน้มจะยาว อะตอมเดียวสามารถใช้เวลาถึง 100,000 ปีในการปั่นจักรยาน จนกระทั่งมันกลับคืนสู่หิน ด้วยตะกอนฟอสฟอรัสสามารถคงอยู่ได้นานกว่า 100 ล้านปี
ปัญหา
กิจกรรมของมนุษย์ได้เปลี่ยนแปลงวัฏจักรธรรมชาติของธาตุอาหารหลักมากขึ้นเรื่อยๆ ไม่ว่าจะผ่านกิจกรรมต่างๆ เช่น การขุดหรือการใช้ปุ๋ยอย่างแพร่หลาย
ฟอสฟอรัสส่วนเกินเมื่อชะลงไปในแหล่งน้ำจะเพิ่มการดูดซึมสารอาหารนี้ในสภาพแวดล้อมทางน้ำ และด้วยเหตุนี้ จึงสามารถเร่งการพัฒนาของสาหร่ายได้ ตัวอย่างเช่น จำนวนสาหร่ายในทะเลสาบที่เพิ่มขึ้นจะลดปริมาณแสงที่แทรกซึมผ่านสภาพแวดล้อมนี้ (ลดโซนโภชนาการลงอย่างมาก) ซึ่งเป็นอันตรายต่อสิ่งมีชีวิตในท้องถิ่นอื่น ๆ กระบวนการนี้เรียกว่ายูโทรฟิเคชั่น (คุณสามารถอ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับอิทธิพลของการใช้ปุ๋ยต่อกระบวนการยูโทรฟิเคชันได้ในบทความ: "ปุ๋ยคืออะไร")
ดูภาพถ่ายบางส่วนของเอฟเฟกต์นี้ด้วย:
