Ugrás a tartalomhoz

Talaj- és talajvízvédelem

Dr. Horváth Erzsébet (2011)

A vízi környezetben előforduló foszforformák és az eutrofizáció

A vízi környezetben előforduló foszforformák és az eutrofizáció

A foszfor az élő szervezetek sejtépítő eleme, normál körülmények között a bioszférában nagyobb arányban fordul elő, mint a környezeti elemekben. A nitrogénformáktól eltérően környezeti elemekben oxidált formában van jelen; a leggyakrabban foszfátként (PO 43- tetraéderes trifoszfát vagy ortofoszfát). A semlegeshez közeli pH értékeken a H 2 PO 4 - és a HPO 4 2- forma dominál (v.ö. Kémiai analízis I. jegyzet). A növények gyakorlatilag csak az ortofoszfát ion különböző sóit/protonált formáit képesek felvenni, ezért ezt a formát reaktív foszfor formának is nevezik. A foszfát ion kationokkal könnyen képez vízben oldhatatlan vegyületeket: A természetes vízi környezetben a vassal, az alumíniummal és a kalciummal alkotott vegyületei gyakoriak. Semleges pH-n a vas-és alumínium-foszfát, pH8 esetén a kalcium-foszfát oldhatósága kisebb. A fémfoszfátok oldhatósága a kation oxidációs állapotától is függ. Pl. a FePO 4 gyakorlatilag oldhatatlan, míg a Fe 3 (PO 4) 2 vízben oldódik. Oxigéndús közegben magasabb oxidációs állapotú kationokkal, míg oxigén szegény, szerves anyaggal terhelt felszíni vizekben és a talajvízben redukált állapotú kationokkal képez vegyületeket.

A foszforciklus (1.2. ábra)kiindulási anyaga a vízben oldott ortofoszfát ion, mely a kőzetek (apatit, fluorapatit, aragonit) bomlásával természetes úton, továbbá főleg a kommunális szennyvizekből és mezőgazdasági művelés következtében, bemosódással kerül a vizekbe. Az ember anyagcsere folyamatai naponta ~2g/fő, a felhasznált mosószerek (detergens foszfor) pedig további napi ~2 g/fő foszfor terhelést jelentenek. Az intenzív mezőgazdasági művelés alatt lévő területeről átlagosan 50 kg/km2 foszfor mosódik ki, míg erdős területeken gyakorlatilag nincs kimosódás. Az ipari vízlágyítók és korrózióvédő vegyületek további terhelést jelentenek. A növények által felvett ortofoszfát szerves foszforvegyületekké alakul. Ha a növényi sejt elhal, a bomlástermékekből származó különféle foszfátok visszajutnak a vízbe, mely bakteriális úton újra felvehető ortofoszfáttá alakul.

1.2. ábra - A foszforciklus

A foszforciklus


A foszforciklusban a csapadékképződéssel, a foszfor kicsapódásával a foszforvegyületek a fenéküledékbe kerülnek. A pH és a redox viszonyok megváltozásával a folyamat az oldódás irányába is végbemehet. Ez különösen azokban az esetekben jelentős, amikor az ortofoszfát ionhoz kapcsolódó kation oxidációs számának megváltozása a só oldhatóságát megváltozását is megváltoztatja. Megjegyzendő, hogy a huminanyagok által megkötött aluminium és vas csökkenti a foszfátok által való hozzáférést, így hosszabb ideig marad biológiailag aktív állapotban.

A foszforciklus körfolyamatában a kilépési oldal tehát a foszfátok szervetlen sók formájában való kicsapódása, míg a belépő oldalt a kőzetek mállása, az autropogén, valamint az antropogén szennyezések jelentik. A ciklusba bevitt foszfor növeli a biológiai produkciót és végső soron az eutrofizációt eredményez. A kicsapódás csökkenti ugyan a foszfor koncentrációt, de az újraoldódás akár külső szennyezés nélkül is az eutrofizáció felgyorsulásához vezet. Az üledék tehát nagyon fontos „foszfor tartály”, illetve „puffer”.

Természetes körülmények között a foszfor áll rendelkezésre a legalacsonyabb koncentrációban az algák növekedéséhez, a többi elemhez viszonyítva. Ezért a foszfortartalom gyakran limitáló tényezőként tekinthető. Általában 10 mg/m3 koncentráció alatt az eutrofizáció megelőzhető. A 10 mg/m3 foszfor koncentráció alatti rendszert oligotrofnak, a 20 mg/m3 fölöttit eutrofnak nevezzük. A 20 mg/m3 fölötti foszfor koncentráció értékek esetében, ha a pH viszonyok és az egyéb tápanyagok jelenléte is kedvező, a fotoszintézis végbemegy és a CO2, a NO-3, a PO3-4 alga protoplazmává alakul:

A földi élet a szénvegyületek változatosságán alapul. A Földön előforduló szénvegyületeket alapvetően három csoportba sorolhatjuk: (1) szervetlen szénvegyületek, mint a szén oxidjai, (2) a fosszilis szén, olaj és humuszanyagok, valamint (3) az élő szervezetek szerves anyagai.

A szén körforgásának(1.3. ábra) első lépéseként a növényzet fotoszintézissel a levegő szén-dioxid tartalmát megköti/fixálja, vagyis a szervetlen szénvegyületet szerves anyaggá alakítja. A folyamat során fény hatására a növények szerves vegyületeket szintetizálnak oxigén felszabadulása mellett. Sötétben növényi légzés, respiráció történik. A növény oxigént vesz fel és szén-dioxidot bocsát ki. Nem tisztázott teljesen, hogy a növények csak a szabad, vagy a kötött szén-dioxidot is képesek-e hasznosítani. Ismeretes, hogy az egyes algák a hidrogén-karbonát és karbonát formában kötött szenet is fel tudják használni. A növények esetében ezért a tápanyagként hasznosuló szénforrás a teljes (karbonát, hidrogén-karbonát és szén-dioxid formában jelenlévő) mennyiségét figyelembe vesszük.

A vízi ökoszisztémában a fotoszintézis és a respiráció a szén-dioxid felvételét és leadását jelenti, ezért ezt a körfolyamatot rövid szénciklusnak nevezik

1.3. ábra - A biológiai szénciklus

A biológiai szénciklus


A hosszabb szénciklus során az elhalt élőlények szerves anyagai bakteriális bomlással anaerob vagy aerob körülmények között szén-dioxiddá alakulnak. Anaerob úton a szerves anyagok egy része metánná redukálódik. A természetes vizekben a szerves szénnek szervetlenné történő átalakulása, vagyis az ásványosodás oxigént igényel, így befolyásolja a rendszer oxigén egyensúlyát. Ha túl nagy a szerves széntartalom, az a természetes rendszer oxigén tartalékát csökkenti és oxigénhiány léphet fel.

A szén-dioxid – hidrogén-karbonát – karbonát rendszer

Az atmoszférában jelenlevő szén-dioxid vizes rendszerben könnyen oldódik. Az oldódás mértékét felszíni vizekben a gázok oldhatóságára vonatkozó szabályok szerint a nyomás és a hőmérséklet befolyásolják. A felszín alatti vizekben a szén-dioxid tartalom lényegesen magasabb lehet.

A vízben oldódó szén-dioxidból szénsav keletkezik, mely az alábbi egyenleteknek megfelelően disszociál:

A fenti egyenletek szerint adott hőmérsékleten és nyomáson az oldatban lévő CO2 , HCO3 - és CO32- koncentráció a pH függvénye. pH = 4 érték alatt gyakorlatilag szabad szén-dioxid, 10,3 pH fölött karbonát ion, 6,2–10,3 pH között mindhárom forma jelen van. Tehát a szén-dioxid vizes oldatában a különbözőképpen protonált formák között dinamikus egyensúly van:

Vagyis a hidrogén-karbonát koncentráció fenntartásához adott szén-dioxid koncentráció szükséges, mely az úgynevezett egyensúlyi szén-dioxid tartalom. Ha az oldatban lévő szén-dioxid tartalom megnövekszik, a reakció a hidrogén-karbonát képződés irányába tolódik. Ez a folyamat a beton és fém műtárgyakra korróziós hatást gyakorol. Ha az egyensúlyi koncentrációhoz képest kevesebb CO2 van jelen a rendszerben, a reakció a karbonát képződés irányába tolódik. A karbonát – hidrokarbonát – szén-dioxid rendszer kialakítja a vizek természetes pH-értékét. Természetes körülmények között, kalcium- és a magnézium-ionok jelenlétében jelentős CO2 beoldódás és kilépés mellett sem változik nagyon a vizek pH-értéke (nagy a puffer kapacitás), mivel CO2 beoldódás esetén a folyamat a hidrogén-karbonátok képződése, míg CO2 kilépés esetén pedig a karbonát-képződés felé tolódik el.