Il ciclo del fosforo
Il fosforo è un elemento essenziale per tutta la vita sulla Terra.
È un componente fondamentale di molecole importanti come quelle che trasportano l’energia nelle cellule e quelle che contengono le nostre informazioni genetiche.
Senza di esso, la vita come la conosciamo non potrebbe esistere. A differenza di altri elementi, il fosforo non si trova normalmente nell’aria in forma gassosa, quindi il suo viaggio è principalmente tra la terra, l’acqua e gli esseri viventi.
Ecco come si svolge il suo percorso.
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Nascita dalle Rocce. Il punto di partenza del fosforo sono le rocce, dove si trova intrappolato in minerali. Questi minerali, attraverso processi naturali come l’erosione causata dall’acqua e dal vento, rilasciano lentamente il fosforo nel suolo e nell’acqua. È un processo molto lento, che richiede tempi geologici.
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Passaggio nel Suolo. Una volta nel suolo, il fosforo può essere assorbito dalle piante attraverso le loro radici. Le piante lo usano per crescere e svolgere le loro funzioni vitali.
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Attraverso la Catena Alimentare. Gli animali ottengono il fosforo mangiando le piante o altri animali. Quindi, il fosforo si sposta dalla terra alle piante e poi agli animali, diventando parte dei loro corpi, inclusi ossa e denti.
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Ritorno al Suolo e all’Acqua. Quando le piante e gli animali muoiono, o attraverso i loro rifiuti, il fosforo torna al suolo. Qui, viene scomposto e rilasciato nuovamente nel terreno. Una parte del fosforo presente nel suolo può anche essere trasportata dalla pioggia e dal deflusso superficiale nei fiumi, nei laghi e, infine, nell’oceano.
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Negli Ambienti Acquatici. Negli ambienti acquatici, il fosforo è assorbito da piccoli organismi e piante acquatiche. Anche qui, si muove attraverso la catena alimentare. Quando questi organismi muoiono, il fosforo affonda sul fondo, depositandosi nei sedimenti. Con il passare di molto tempo, questi sedimenti possono trasformarsi di nuovo in rocce contenenti fosforo, chiudendo così il ciclo geologico.
In sintesi, il fosforo: inizia il suo viaggio nelle rocce. Si dissolve lentamente nel suolo e nell’acqua. Viene assorbito dalle piante e si muove attraverso la catena alimentare. Ritorna al suolo e all’acqua attraverso la decomposizione. Infine, può depositarsi nei sedimenti marini e formare nuove rocce.
È importante notare che il ciclo del fosforo è molto lento e non ha una fase gassosa nell’atmosfera, il che lo rende un elemento spesso limitante per la crescita della vita, specialmente nelle piante.
L’attività umana, come l’uso di fertilizzanti, ha un grande impatto su questo ciclo, accelerando il trasferimento del fosforo e causando a volte problemi ambientali come l’eutrofizzazione nelle acque.
Il Ciclo del Fosforo - Approfondimento
Il fosforo (P) è un elemento essenziale per tutti gli organismi viventi. È parte costituente di:
- ATP e ADP
- acidi nucleici
- fosfolipidi delle membrane
- cofattori enzimatici
- scheletri e strutture mineralizzate (apatite)
Il suo ciclo biogeochimico è unico rispetto a C, N, S perché non ha una fase gassosa significativa; è un ciclo sedimentario, dominato da processi litosferici e acquatici; è spesso il fattore limitante nella produttività primaria degli ecosistemi continentali e lacustri.
Forme chimiche del fosforo
Nella biosfera il fosforo si trova principalmente come:
Fosfato inorganico – ortofosfato (PO₄³⁻) nelle acque e nei suoli; è la forma biodisponibile per piante e microorganismi. Infatti, il fosforo è biodisponibile per piante e microrganismi quasi esclusivamente nella forma di ortofosfato inorganico, cioè:
H2PO4– e HPO42-
La proporzione tra queste due specie dipende dal pH del suolo:
- pH acido (≤ 6) → prevale H₂PO₄⁻
- pH neutro–basico (≥ 7) → prevale HPO₄²⁻
Queste sono le forme assorbite dalle radici delle piante, dai batteri e funghi del suolo, dal fitoplancton e dai microorganismi acquatici.
Le altre forme non sono direttamente disponibili. Il fosforo organico, in particolare, deve essere mineralizzato.
Fosfati di Ca, Fe, Al → spesso insolubili.
Fitati → utilizzabili solo dopo idrolisi enzimatica.
I seguenti sono i composti organici del fosforo:
- fosfomonoesteri (fosfolipidi, nucleotidi)
- fosfodiesteri (DNA, RNA)
- fitati nelle piante
- fosfonati
Mentre i seguenti sono i principali minerali fosfatici:
- apatiti (Ca₅(PO₄)₃(F,Cl,OH))
- fosforiti sedimentarie
- minerali secondari nei suoli (precipitati con Fe e Al)
Il ciclo geologico del fosforo (tempi lunghi)
Alterazione delle rocce fosfatiche
La principale fonte naturale di fosforo biodisponibile è la meteorizzazione dell’apatite.
Apatite → Ca2+ + PO43-
L’alterazione è favorita dai seguenti fattori: l’acidità dell’acqua (pH basso), la concentrazione di CO₂ del suolo, la presenza di acidi organici radicali e l’attività microbica.
Trasporto fluviale
Il fosfato liberato viene trasportato come fosfato disciolto (DIP: dissolved inorganic phosphorus) e come particolato (P adsorbito su argille, ossidi di Fe/Al).
Deposizione marina
Negli oceani il fosforo viene assimilato dal fitoplancton, entra così nella rete trofica, e, alla morte degli organismi, si deposita come sedimento organico ricco di fosforo P.
Diagenesi e seppellimento
Una piccola frazione (circa 1%) del P organico sfugge alla remineralizzazione e viene sequestrato nei sedimenti profondi, dando origine a fosforiti e nuovi minerali fosfatici.
Sollevamento tettonico
Le rocce sedimentarie ricche di fosforo vengono esposte ai processi superficiali da orogenesi, sollevamenti costieri e erosione differenziale.
Ricominciando il ciclo.
Il ciclo biologico del fosforo (tempi rapidi)
Assimilazione
Le piante e i microorganismi utilizzano il fosforo prevalentemente come ortofosfato (H₂PO₄⁻ e HPO₄²⁻, la cui proporzione, come abbiamo visto sopra, dipende dal pH)
Immobilizzazione
Il fosforo entra nella biomassa sotto forma di DNA, RNA, ATP/ADP, fosfolipidi, fosfoproteine.
Mineralizzazione
La decomposizione microbica restituisce il P organico alla forma minerale: .
Enzimi chiave sono le fosfatasi acide e alcaline, le fitasi e le fosfodiesterasi.
Interazioni con la rizosfera
Le piante possono aumentare la disponibilità di P grazie a essudazione di acidi organici (ossalati, citrati), rilascio di fitasi e fosfatasi, associazioni micorriziche (importantissime!) e modifiche del pH locale.
Il ciclo del fosforo nei suoli
Adsorbimento e precipitazione
Il fosforo inorganico può essere adsorbito su ossidi di Fe e Al (suoli acidi); precipitato con Ca (suoli calcarei); incorporato in minerali secondari poco solubili. Questo rende il fosforo fortemente immobilizzato nei suoli.
Frazione organica
La frazione organica del fosforo nei suoli comprende fosfolipidi di microrganismi, residui vegetali, fitati. La mineralizzazione di queste riserve è lenta ma fondamentale.
Perché il P è limitante?
Il P è limitante perché non ha fase gassosa e quindi non entra rapidamente nella biosfera, è facilmente immobilizzato da minerali, la sua solubilità spesso è minima al pH tipico dei suoli, il seppellimento marino lo rimuove dal ciclo attivo.
Il ciclo del fosforo negli ecosistemi acquatici
Laghi e fiumi
Nei sistemi d’acqua dolce il fosforo controlla la produttività primaria. Spesso sono ecosistemi P-limitati. Basse concentrazioni di P implicano basso fitoplancton, mentre, al contrario, alti input antropici possono portare all’eutrofizzazione.
Oceani
L’oceano aperto è in genere N-limitato, ma l’abbondanza cambia a seconda delle altre zone:
- zone costiere → P-limitato
- zone tropicali → talvolta co-limitazione N-P
- sedimenti marini profondi → grande riserva di P
Pompa biologica
Il P segue la migrazione verticale del carbonio: produzione superficiale; remineralizzazione nella colonna d’acqua; una piccola quota sepolta sul fondo.
Interazioni con gli altri cicli biogeochimici
Ciclo del carbonio: il P limita la produttività primaria → controlla l’assorbimento di CO₂, la sedimentazione del carbonio organico spesso è legata alla disponibilità di P.
Ciclo dell’azoto: la fissazione biologica dell’N₂ richiede molto P (ATP e nucleotidi).
Ciclo del ferro: il P è adsorbito sugli ossidi di Fe → rilascio durante condizioni anossiche.
Impatti antropici sul ciclo del fosforo
Agricoltura: fertilizzanti fosfatici (da rocce fosfatiche non rinnovabili); accumulo di P nei suoli (legacy P); dilavamento → eutrofizzazione dei corpi idrici.
Eutrofizzazione: l’eccesso di fosforo porta a fioriture algali, ipossia/anossia, produzione di tossine, collasso delle reti trofiche lacustri e costiere.
Perdita di risorse: le rocce fosfatiche sono una risorsa finita e il picco del fosforo è atteso nei prossimi decenni; la necessità di riciclare P dalle acque reflue e dagli allevamenti diventa quindi oltremodo utile e necessario.
Schema riassuntivo
Litosfera → alterazione → fosfato → piante/microrganismi → biomassa → decomposizione → fosfato → fiumi → oceani → sedimenti → sollevamento → litosfera
Conclusioni – Il ciclo del fosforo è dominato da forti interazioni suolo–organismi–minerali, processi di immobilizzazione e mineralizzazione, un delicato equilibrio tra disponibilità e sequestro. Comprendere a fondo il ciclo del P permette di leggere la fertilità dei sistemi terrestri, la dinamica produttiva delle acque interne, gli impatti antropici sull’ambiente.