mini|upright=1.5|Den globale fosforkretsløpet
Fosforkretsløpet er en biogeokjemisk syklus som beskriver sirkulasjon av fosfor gjennom litosfæren, hydrosfæren, og biosfæren. I motsetning til mange andre biogeokjemiske sykluser, spiller atmosfæren ingen vesentlig rolle for sirkulasjon av fosfor, fordi fosfor og fosforbaserte forbindelser vanligvis er faste stoffer ved typisk temperatur og trykk på jorden. Derfor bør fosforsyklusen betraktes som en del av hele jordsystemet, deretter kan en fokuseres på syklusen i terrestriske og akvatiske systemer.
Levende organismer krever fosfor, som er en viktig komponent i blant annet DNA, RNA, ATP. Planter tar opp fosfor som fosfat som inngår i organiske forbindelserer og i dyr er fosfor en nøkkelkomponent i blant annet bein og tenner. På landjorden blir fosfor i løpet av tusener av år gradvis mindre tilgjengelig for planter, siden grunnstoffet og dets forbindelser sakte går tapt i overflateavrenning. Jordmikroorganismer fungerer som både sluk og kilder til tilgjengelig fosfor i det biogeokjemiske kretsløpet. Hurtig transformasjon av fosfor skjer kjemisk, biologisk eller mikrobiologisk. I den langsomme globale syklusen er overføringen drevet av tektonisk bevegelse av jordskorpen over geologisk tid.
Mennesker har forårsaket store endringer i den globale fosforsyklusen ved transport av fosformineraler og bruk av fosfor i gjødsel. Dessuten går mye fosfor tapt via transport av mat fra gårder til byer, hvor stoffet ender i avløpsvann og slippes ut i havet.
Fosfor i økosystemene mini|Fosfor er grunnleggende for plantevekst, men også ofte en knapphetsfaktor. Fosfor er et grunnstoff med symbol P. Fosfor, og forbindelser med fosfor og andre stoffer, blant annet fosfater, er viktig for alt liv på jorden. I gjennomsnitt utgjør fosfor 1000 andeler per million (ppm) av jordskorpen, der de viktigste fosfatmineralene er hydroksidapatitt (Ca5(PO4)3OH) og fluoridapatitt (Ca5(PO4)3F).Kofstad, Per K. og Pedersen, Bjørn: (2023)
Fosfor inngår som bestanddel i proteiner og polymer av karbohydrater. Fosfatester daner bindinger i mononukleotider som danner lange kjeder av DNA og RNA. Det finnes i adenosintrifosfat (ATP), som er viktig for energiomsetningen (metabolisme) hos dyr. Foruten å inngå i biomolekyler, finnes fosfor også i bein og emalje i tennene hos pattedyr. Tennenes styrke er har sammenheng med kalsiumfosfat i form av hydroksyapatitt. Det finnes også i alle biologiske membraner i celler. Enda en viktig oppgave er å fungere som buffermiddel for å opprettholde homeostasen (syrebalanse) hos pattedyr.
Økologisk funksjon Fosfor er nokså sjelden i biosfæren, rangert etter masse er det ikke blant de ti mest utbredde grunnstoffene hverken på landjorden eller i vann. Allikevel er det sammen med nitrogen og kalium et av de tre makronæringsstoffene som alle planter trenger for god vekst. Fosfor finnes i en konsentrasjon på gjennomsnittlig 0,025 % i landjordens levende fytomasse (biomasse) i skog, og hele landjordens del av biosfærens fytomasse inneholder ikke mer enn 500 millioner tonn fosfor. Men verken proteiner eller karbohydratpolymerer kan eksistere uten fosfor. Mye av fosforet som finnes i jordsmonnet eksisterer i kjemiske former som ikke er direkte anvendbart som næring for planter.
Fosfor, så vel som andre stoffer som deltar i biogeokjemisk sykluser, holdes ofte på ett og samme sted i biosfæren for lange perioder (millioner av år). Slike ansamlinger kalles et reservoar. Sedimenter på havbunnen er det klart største reservoaret for fosfor.
Reservoarer i systemer på landjorden Fosfor forekommer mest i naturen som en del av ortofosfat-ioner (PO)4)3− (salt eller ester av fosforsyre), som består av ett fosforatom og fire oksygenatomer. På landjorden finnes fosfor først og fremst i bergarter og mineraler. Fosforrike avsetninger har generelt dannet seg i havet eller fra guano (avføring fra fugler og flaggermus). Ved forvitring av bergarter og mineraler frigjøres fosfor i løselig form og tas opp av planter, og blir omdannet til organiske forbindelser. Tilgjengeligheten av fosfor i et økosystem er begrenset av frigjøringshastigheten til grunnstoffet ved forvitring. Plantene konsumeres igjen av planteetere og fosforet blir enten innlemmet i muskelvevet eller utskilt via urin og avføring. Etter at dyr eller planter dør blir fosfor ført tilbake til jorden der en stor del av det omdannes til uoppløselige forbindelser. En regner med at fosfor gjennomsnittlig gjenbrukes 46 ganger i lokale sykluser i jordsmonnet.
Jordsmonn lagrer omtrent 40 milliarder tonn fosfor, med ikke mer enn 15 % av dette er bundet i organisk materiale. Fosfatene som grunnstoffet inngår i blir vanligvis raskt utilgjengelige ved reaksjoner med aluminium og kalsium, og går inn i uløselige former. Som et resultat av dette er bare en liten brøkdel av det fosforet som er tilstede i jordsmonnet tilgjengelig for planter som et oppløst oksoanion (PO3–4). Fosfor er vanligvis det næringsstoffet som i økosystemer på landjorden begrenser vekst, og i tropisk jordsmonn er dette spesielt kritisk. Mangel tvinger planter til å absorbere grunnstoffet fra svært fortynnede løsninger og konsentrere det opptil 1000 ganger.
Gjennomsnittlig masseforhold mellom karbon og fosfor i biomasse på landjorden er på 700:1, hvilket innebærer et årlig opptak av fosfor på omtrent 100 millioner tonn. Avrenning fører fosforet tilbake til havet. Generelt vil jordsmonnet over tusenvis av år få mangel på fosfor som fører til tilbakegang for økosystemene.
I det førmoderne landbruket ble avføring fra dyr og mennesker brukt som gjødsel. Dermed ble fosfor og andre næringsstoffer ført tilbake til jorden i omtrent samme rate som de ble tatt ut. I det moderne landbruket er produksjon og forbruk av avlingene separert over store avstander, noe som gjør det vanskelig å få returnert næringsstoffene tilbake til jorden. Forenklet sakt blir næringsstoffene brukt én gang og deretter skyllet vekk. En annen årsak til tap av fosfor er erosjon fra landjorden på grunn av pløying og vending av jorden. Dette forstyrrer og eksponerer jorden, slik at mer fosfor forsvinner ved avrenning. I et uforstyrret landskap vil fosfor i sedimenter bli redistribuert ved flom i vassdragene til lavereliggende landområder, slik at økosystemene der kan nyttiggjøre seg det. Om et elveløp er demmet opp, vil sedimentene og fosforet i elven fanges opp eller holdes tilbake, hvoretter det tilslutt strømmer ut i havet.
Reservoarer i akvatiske systemer
Det er fire store fosforlagre i økosystemer i ferskvann: oppløst uorganisk fosfor, oppløst organisk fosfor, partikulært uorganisk fosfor og partikulært organisk fosfor. For øvrig er oppløst materiale definert som stoffer som kan passere gjennom et filter med åpninger på 0,45 µm. Oppløst uorganisk fosfor består hovedsakelig av ortofosfat (PO43-, salt eller ester av fosforsyre) og polyfosfat, mens oppløst organisk fosfor består av DNA og fosforproteiner. Partikulært materiale er de stoffene som blir fanget opp av et filter med maskevide 0,45 µm. Partikulært organisk fosfor består av både levende og døde organismer, mens partikulært uorganisk fosfor hovedsakelig består av hydroksylapatitt, 5(PO4)3OH . Uorganisk fosfor finnes i form av lett oppløselig ortofosfat. Partikulært organisk fosfor forekommer i suspensjon i levende og død protoplasma, og er uløselig. Oppløst organisk fosfor er avledet fra partikulært organisk fosfor ved utskillelse og dekomponering og er løselig.
De fosfatiske materialene i sedimenter består av organiske fosforforbindelser som er ført til havene av elver, samt dannet i havene ved fotosyntese og som overlever bakteriell nedbryting. Disse er fint dispergert kalsiumfosfat i bunngjørme på grunne havområder, fosfat adsorbert i vannholdige jernoksider og inkorporert i CaCO3 i kalkholdige skjell. Når sedimenter røres opp av oppstrømninger, går mye av fosforet tilbake til overflatevannet og går inn i fosforkretsløpet igjen, slik at det resirkuleres noe slikt som 800 ganger i organismene. Som tilfellet er med nitrogen, så gjennomgår fosfor mange overføringer mellom dype områder og overflatevann før det til slutt blir permanent begravd i sedimenter. I løpet av geologiske tid blir det innkapslet i prosesser der sedimentære bergarter dannes.
Knapphet på fosfor er vanlig i økosystemer i vann. Bare på grunt vann kan fosfater lett sirkulere mellom sedimenter og akvatisk biota (levende organismer). På dypt hav er fosfor nokså rikelig bare i områder med kraftig oppstrømning, og oppløst fosfor er ofte nesten ikke tilstede i overflatevann på åpne hav. Knapphet på næringsstoffet er en nøkkelfaktor som begrenser fotosyntesen i mange ferskvannsforekomster, og fosfortilførsler fra land kontrollerer den langsiktig primærproduksjonen i havet.
Den marine plantemassen lagrer rundt 75 millioner tonn fosfor, men på grunn av rask omsetning opptas 1 milliarder tonn fosfor årlig fra overflatevann. Omsetningen av fosfor er dermed svært mye større en i fotosyntesen på landjorden.
Sirkulasjon av fosfor Fosfater beveger seg raskt gjennom planter og dyr, derimot er prosessene som beveger dem gjennom jordsmonn eller hav svært langsomme. Fosforsyklusen er generelt en av de tregeste biogeokjemiske syklusene. Tilgjengeligheten av fosfor i et økosystem er begrenset av frigjøringshastigheten til grunnstoffet ved forvitring.
Som med de andre mineralsykluser, er den langsomme fosforsyklusen ikke dominert av levende organismer. Grunnstoffets overføring i biosfæren er sterkt begrenset, fordi det ikke dannes gassformige forbindelser med lang levetid, derfor er også det atmosfæriske reservoaret av fosfor ubetydelig. Det er ikke noen luftbåren overføring fra hav til land, og fosfor som inngår i partikler som synker ned i marine sedimenter blir tilgjengelig for livet på landjorden først etter at den tektoniske plateforskyvninger avgir fosfor fra bergarter. Det antas at avgivelse av fosfor via erosjon av sedimentære bergarter har gjort minst ett omløp gjennom den globale fosforsyklusen i løpet av jordens eksistens.
Den globale fosforsyklusen Fosfor avsettes fra berggrunnen, absorberes av planter og resirkuleres i økosystemene. Planter tar til seg fosfor fra jordsmonn og vann, og disse inngår i organiske forbindelser. Planteetere får i seg fosfor når de spiser bindevev fra andre organismer og slik passerer stoffet gjennom næringskjedene. Den globale fosforsyklusen består av fire hovedprosesser: Tektonisk heving og eksponering av bergarter som inneholder fosfor, som apatitt og som ved forvitring avgir fosfor til omgivelsene. Fysisk erosjon, kjemisk og biologisk forvitring av bergarter som inneholder fosfor avgir oppløst og partikkelformet fosfor til jord, innsjøer og elver i form av fosfationer (PO43-) i vann. Transport via vassdrag og grunnvann til innsjøer og i siste rekke avrenning til havet. Sedimentering av partikkelformet fosfor, for eksempel fosfor bundet i organisk materiale, oksider og karbonatmineraler, som til slutt avsettes i marine sedimenter (denne prosessen kan også forekomme i innsjøer og elver).
Fosforsirkulasjon på landjorden mini|upright=1.5|Sirkulasjon av fosfor på landjorden.