מחזור הזרחן

מחזור הזרחן

מחזור הזרחן הוא מחזור ביוגאוכימי מתאר את התנועה של הזרחן דרך הליתוספירה, ההידרוספירה והביוספירה. יצורים חיים זקוקים לזרחן, שהוא מרכיב חיוני של מולוקולות ביולוגיות חשובות כמו DNA, RNA, ATP ועוד. מחזור הזרחן חיוני לכל המערכת האקולוגית, ומהווה תנאי הכרחי לקיום החיים על פני כדור הארץ. שיבוש של מחזור הזרחן -המצאותו בחוסר או בעודף במערכת אקולוגית, עלולה לגרור בעיות אקולוגיות שונות.

בשונה ממחזורים ביו כימיים אחרים. האטמוספירה אינה ממלאת תפקיד משמעותי בתנועת הזרחן, כיון שהתרכובות מבוססות זרחן הן בדרך כלל בטווחי הלחץ והטמפרטורה האופייניים על פני כדור הארץ ייצור גז פוספין מתרחש בתנאים מיוחדים ומקומיים. לכן, מחזור הזרחן נבדק בעיקר תוך מחקר על תנועת אורתופוספט (PO₄)^3-, צורת הזרחן הנפוצה ביותר בסביבה, דרך מערכות אקולוגיות יבשתיות ומימיות.

על הקרקע, זרחן הופך בהדרגה פחות זמין לצמחים במשך אלפי שנים, מכיוון שהוא הולך לאיבוד במי נגר. ריכוז נמוך של זרחן בקרקע מפחית את צמיחת הצמחים ומאט את צמיחת החיידקים בקרקע, כפי שהוכח במחקרים על ביומסה מיקרוביאלית בקרקע. מיקרואורגניזמים בקרקע פועלים כשקעים וגם כמקורות לזרחן זמין במחזור הביו-גיאוכימי. טרנספורמציה קצרת טווח של זרחן היא כימית, ביולוגית או מיקרוביולוגית. עם זאת, במחזור הגלובלי ארוך הטווח, ההעברה העיקרית מונעת על ידי תנועה טקטונית לאורך זמן גיאולוגי ובלייה של פוספט המכיל סלע כגון אפטיט. יתר על כן, זרחן נוטה להיות חומר תזונתי מגביל במערכות אקולוגיות מימיות. עם זאת, כאשר זרחן חודר למערכות אקולוגיות מימיות, יש לו את האפשרות להוביל לייצור יתר בצורה של אאוטרופיקציה, שיכולה לקרות גם בסביבת מים מתוקים וגם בסביבת מים מלוחים.

פעילויות אנושיות גרמו לשינויים משמעותיים במחזור הזרחן העולמי בעיקר באמצעות כרייה ושימוש במינרלים של זרחן בעיקר לשם הפקת דשן כימי וכן לייצור מוצרים תעשייה שונים. חלק מהזרחן מתפזר לסביבה כשפכים במהלך הכרייה והייצור. דשן זה מגיע לשדות חקלאיים ומשם הוא נשטף למערכות אקולוגיות. עקב השימוש הגובר בזרחן בכלכלה האנושית נוצרת השפעה גדלה על מחזור הזרחן העולמי. לדבר זה עלולות להיות השפעות ניכרות על המערכות האקולוגית העולמיות ומשום כך מחזור הזרחן, יחד עם מחזור החנקן נחשבים שניהם לאחד ההגבולות הפלנטריים שחצייתם עלולה לסכן את האקולוגיה בכדור הארץ ואת האנושות.

מחזור הזרחן הטבעי

מחזור הזרחן היבשתי

רוב הזרחן מופיע בטבע בצורה של פוספטים (זרחן אנ-אורגני) בתוך משקעים ימיים או בסלעים שמקורם במשקעים אלה. במשך הזמן, תהליכים גאולוגיים יכולים להרים את המשקעים הללו ליבשה ותהליכי סחף ושחיקה של סלעים על ידי רוח וגשם מפזרים אותם לתוך האדמה. צמחים קולטים זרחות מהאדמה. בעלי חיים צמחוניים יכולים לאכול חלק מהצמחים וחלק מבעלי חיים אלה נאכל על ידי אוכלי בשר. הזרחות חוזרות לקרקע לאחר המוות ופירוק הצמח או החיה, וכן בזמן מתן הפרשות. הזרחות יכולות להישטף חזרה לים באמצעות נחלים ונהרות, והם יכולים להשתלב שוב בתוך משקעים שיהפכו במשך הזמן לסלעים.

זרחן הוא אחד היסודות הנחוצים ביותר לצמחים ולכן לתהליך הייצור הראשוני ולחקלאות. מבין אותם יסודות, לחלק אין מצב גזי ולכן הם יכולים להתפשט רק דרך תרכובות אורגניות ומים ואינם יכולים לקיים מחזורים המשלבים מאגרים באטמוספירה ולנדוד באופן חופשי בה, כפי שמתקיים במחזורים אחרים כמו מחזור החמצן ובמחזור הפחמן. זרחן הוא החשוב ביותר לצמחים מבין אותם יסודות שאין להם מצב גזי.

מחזור הזרחן הימי

יון הזרחה משתתפת בתהליכים ביולוגיים רבים והוא חלק מרכזי כמעט בכל היצורים החיים בכדור הארץ. יוני זרחה מהווים חלק מהמולקולת ה-DNA וה-RNA. תאים חיים משתמשים בתרכובת הזרחן ATP על מנת להפיק אנרגיה. פוספוליפידים הם המרכיבים העיקריים של קרום התא. הזרחן חיוני בתהליך העברת האותות בין חלבונים בתא, והוא אחד מהגורמים המשפעלים אנזימים. מסיבות אלה זרחן הוא חומר מזין החיוני לצמחים בעלי חיים, פטריות ורוב החיידקים. הזרחן יוצר מולקולות חשובות המקיימות חיים הנפוצות מאוד בביוספרה.

ככל שמערכת ביולוגית נמצאת בשלב יותר מפותח היא מנצלת את אנרגיית השמש ביעילות גדולה יותר ויכולה להקטין אנטרופיה, או לפזר אנרגיה באופן יותר יעיל. הסבר אפשרי לכך הוא שהדבר הוא ביטוי של החוק השני של התרמודינמיקה בביולוגיה. במערכות ביולוגיות עשירות וותיקות איבוד הזרחן מהקרקע הוא אפסי. במערכות ביולוגיות צעירות, כמו אלו המורכבות מגידולים חד-שנתיים, מתרחש איבוד מאסיבי של זרחן בקרקע.

הזרחן בכלכלה האנושית

השימוש הנפוץ ביותר של זרחן בכלכלה הוא כמרכיב מרכזי בדשן שכן הוא מזרז גדילה של צמחים ומהווה חומר חיוני לגדילתם. בדומה לאשלג, הזרחן הוא יסוד כימי שקיים במולקולות רבות בצמחים (ובבעלי חיים) אין לו תחליף. שימושים נוספים לזרחן בכלכלה האנושית כוללים שימוש בתרכובות שלו במוצרים כמו גפרורים, חומרי נפץ, זיקוקים, ומשחת שיניים.

צריכת הזרחן העולמית לשימוש בני אדם נמצאת במגמת עליה - בשנים 1900–2022, כמות הזרחן שנכרה בעולם גדלה פי 72. בשנת 2002 נצרכו ברחבי העולם 33 מיליוני טונות של דשן זרחן (לעומת 86 מיליוני טונות של דשן חנקן, ו-24 מיליוני טונות של דשן אשלג) עד 2009 הצריכה של דשן הזרחן עלתה ל-37 מיליוני טונות. עם העליה בשימוש בזרחן עלה גם השחרור של הזרחן לסביבה - מאז שנות ה-1840, כאשר הטכנולוגיה לכרייה והפקת זרחן נפוצה יותר, נוספו לסביבה כ-110 טרהגרם של זרחן.

חקלאות מודרנית היא גורם מרכזי לזיהום סביבתי, כולל שינוי סביבתי הנגרם על ידי חנקן וזרחן בקנה מידה משמעות. בקנה מידה פלנטרי, הכמויות הנוספות של חנקן וזרחן הנכנסות למערכות האקולוגיות על ידי בני אדם הן כעת כה גדולות עד שהן מפריעות באופן משמעותי את המחזורים העולמיים של שני היסודות החשובים הללו.