인 순환

Phosphorus cycle
인 순환

인 순환은 암석권, 수구, 그리고 생물권을 통한 인의 움직임을 설명하는 생물 지구 화학적 순환이다.다른 많은 생물 지구 화학적 순환과는 달리, 대기는 인의 이동에 중요한 역할을 하지 않는데, 왜냐하면 인과 인에 기반을 둔 화합물은 보통 지구에서 발견되는 온도와 압력의 전형적인 범위에서 고체이기 때문이다.포스핀 가스의 생산은 특수한 국지적 조건에서만 발생합니다.따라서, 인 순환은 전체 지구 시스템에서 보고 특히 육상과 수생 시스템의 순환에 초점을 맞춰야 한다.

살아있는 유기체는 적절한 기능을 위해 DNA, RNA, ATP 등의 필수 성분인 인을 필요로 한다.식물은 인을 인산염으로 동화시켜 유기화합물에 포함시키고 동물에서 인은 뼈, 치아 등의 주요 성분이다.육지에서는, 인이 유출로 서서히 손실되기 때문에, 수천 년 동안 식물들이 점차적으로 이용할 수 없게 된다.토양 미생물 바이오매스에 대한 연구에서 알 수 있듯이, 토양에서 인의 농도가 낮으면 식물 생장이 감소하고 토양 미생물 생장이 느려집니다.토양 미생물은 생물 지구 화학적 [1]순환에서 이용 가능한 인의 흡수원이자 공급원으로 작용합니다.인의 단기적 변환은 화학적, 생물학적 또는 미생물학적 변환이다.그러나 장기적으로는 지질학적 [2]시간에 따른 지각변동에 의해 주요한 이동이 일어난다.

인류는 인광물의 수송, 인 비료의 사용, 그리고 농장에서 도시로 음식물의 수송을 통해 지구적인 인 순환에 큰 변화를 일으켰는데, 그곳에서 배출물로 손실되었다.

환경 중의 인

육지의 인 순환
수생인 순환

생태적 기능

인은 식물과 동물에게 필수적인 영양소이다.인은 수생 생물에게 제한적인 영양소이다.인은 생물권에서 매우 흔한 생명을 유지하는 중요한 분자의 일부를 형성합니다.인은 먼지가 빗물과 해수에 녹을 때 대기 중으로 아주 적은 양으로 유입되지만 대부분 육지와 암석 및 토양 광물에 남아 있습니다.채굴된 인의 80%는 비료를 만드는 데 사용된다.비료, 하수, 세제의 인산염은 호수와 하천에 오염을 일으킬 수 있다.민물과 연안 바닷물 모두에서 인산염의 과잉 농도는 대규모 조류 번식을 초래할 수 있다.민물에서는 이러한 꽃의 죽음과 부패가 부영양화를 초래한다.그 예로는 캐나다 실험 호수 지역이 있다.

이러한 민물 해조류의 꽃은 바닷물 환경의 꽃과 혼동해서는 안 된다.최근 연구에 따르면 바닷물 하구 및 연안 해양 서식지의 녹조 발생의 주요 오염물질은 [3]질소라고 한다.

인은 자연에서 P 원자와 4개의 산소 원자로 구성된 3−오르토인산 이온의4 일부로서 가장 많이 발생한다.육지에서는 대부분의 인이 암석과 광물에서 발견된다.인이 풍부한 퇴적물은 일반적으로 바다나 구아노에서 형성되며, 시간이 지나면서 지질학적 과정이 해양 퇴적물을 육지로 가져온다.암석과 광물의 풍화는 식물이 흡수하는 수용성 형태로 인을 방출하고, 인은 유기 화합물로 변한다.식물들은 초식동물에 의해 소비될 수 있고 인은 그들의 조직에 통합되거나 배설된다.사후에 동식물은 부패하고, 인의 많은 부분이 불용성 화합물로 변환되는 토양으로 되돌아간다.유출은 인의 작은 부분을 바다로 운반할 수 있다.일반적으로 시간이 지남에 따라 토양에는 인이 부족해져 생태계가 [4]퇴보한다.

수계의 주요 수영장

담수 생태계에는 네 가지 주요 인 풀이 있습니다: 무기인, 용존 유기인, 미립자 유기인, 그리고 미립자 무기인.용해물질은 0.45μm [5]필터를 통과하는 물질로 정의됩니다.DIP는 주로 오르토인산(PO43-)과 폴리인산으로 구성되며, DOP는 DNA와 인단백질로 구성됩니다.미립자 물질은 0.45μm 필터에 걸려서 통과하지 않는 물질입니다.POP는 살아있는 유기체와 죽은 유기체로 구성되며, PIP는 주로 히드록시아파타이트, Ca5(PO4)3로 구성됩니다.무기 [5]인은 쉽게 용해되는 오르토인산염의 형태로 나온다.미립자 유기 인은 살아있는 원형질이나 죽은 원형질에서 현탁액으로 발생하며 용해되지 않는다.용존유기인(용존유기인)은 미립자 유기인으로부터 배설 및 분해로 유도되어 용해된다.

생물학적 기능

인산염의 일차적인 생물학적 중요성은 세포 내에서 에너지 저장 역할을 하거나 함께 연결되었을 때 핵산 DNA와 RNA를 형성하는 뉴클레오티드의 구성요소이다.우리 DNA의 이중 나선은 나선을 묶는 인산 에스테르 다리 때문에만 가능하다.생체분자를 만드는 것 외에도 인은 히드록시아파타이트 형태의 인산칼슘에서 유래한 포유류 치아의 뼈와 법랑에도 발견된다.그것은 또한 곤충의 외골격과 인지질에서 발견됩니다.[6]또한 인체 [7]내 산염기 항상성을 유지하는 완충제 역할도 한다.

인 순환

시리즈의 일부
생물 지구 화학적 순환
Rock cycle nps 2.png
물의 순환
탄소 순환
영양 주기
암석 주기
해양 사이클
메탄 주기
기타 사이클
관련 토픽
연구 그룹

인산염은 식물과 동물을 통해 빠르게 이동한다; 하지만, 그것들을 토양이나 바다를 통해 이동하는 과정은 매우 느려서, 전반적으로 인 순환이 가장 느린 생물 지구 화학적 [2][8]순환 중 하나로 만든다.

전지구적 인 순환에는 네 가지 주요 과정이 포함됩니다.

(i) 지각 융기 및 아파타이트 등의 인 함유 암석의 표면 [9]풍화에 대한 노출
(ii) 토양,[10] 호수 및 하천에 용해 및 미립자를 제공하기 위한 인 함유 암석의 물리적 침식 및 화학적 생물학적 풍화
3) 각종 호수로의 인의 하천 및 지표하 수송 및 해양으로의 유출
(iv) 미립자 인(예를 들어 유기물 및 산화물/산화물 광물과 관련된 인)의 침전 및 최종적으로 해양 퇴적물(이 과정은 호수 및 [11]하천에서도 발생할 수 있음)에 매장한다.

지상계에서 생물학적 가용 P('반응성 P')는 주로 인을 함유한 암석의 풍화 작용에서 발생한다.지각에서 가장 풍부한 1차 인-미네랄은 아파타이트로, 토양 미생물이나 곰팡이에 의해 생성된 천연산이나 다른 화학적 풍화 반응과 물리적 [12]침식에 의해 용해될 수 있습니다.용해된 인은 육생 생물과 식물에 생물적으로 이용 가능하며 부패 후 토양으로 돌아간다.토양 광물에 의한 인 보유(예를 들어 산성 토양에서 철 및 알루미늄 옥시히드록시드에 대한 흡착 및 중성-칼륨 토양에서 석회암에 대한 침전)는 일반적으로 광물 [13]토양에서 지상 P-바이오 가용성을 제어하는데 가장 중요한 프로세스로 간주된다.이 과정은 토양 용액에 용해된 인의 낮은 농도로 이어질 수 있습니다.이 낮은 수준의 인농도에서 [14]인을 얻기 위해 식물과 미생물에 의해 다양한 생리학적 전략이 사용된다.

토양 인은 보통 강과 호수로 운반되고 호수 퇴적물에 묻히거나 하천 유출을 통해 바다로 운반될 수 있습니다.대기 중의 인 퇴적은 바다에 [15]대한 또 다른 중요한 해양 인 공급원이다.표면해수에서 용해된 무기인, 주로 오르토인산(PO43-)은 식물성 플랑크톤에 의해 동화되어 유기인 [11][15]화합물로 변환된다.식물성 플랑크톤 세포 용해는 세포에서 용해된 무기 및 유기 인을 주변 환경으로 방출합니다.유기인 화합물 중 일부는 박테리아와 식물성 플랑크톤에 의해 합성된 효소에 의해 가수분해되어 이후 [15]동화될 수 있다.대부분의 인은 물기둥 내에서 재염화되며, 떨어지는 입자에 의해 심해로 운반되는 관련 인의 약 1%가 [15]퇴적물에 매장되어 해양 저장소에서 제거된다.일련의 유전학적 과정은 침전물 기공수인 농도를 농축하기 위해 작용하며, 그 결과 저층수에 대한 인의 현저한 기저 복귀 플럭스를 생성한다.이러한 프로세스에는 다음이 포함됩니다.

(i) 퇴적물 중 유기물의 미생물 호흡
(ii) 인 [16]순환과 철 순환을 연결하는 관련 인의 후속 방출과 함께 철 및 망간(산소수)의 미생물 감소 및 용해 및
(iii) 황화수소에 의한 철(산소)의 비생물 환원 및 철 관련 [11]인의 유리

또한.

(iv) 탄산칼슘과 관련된 인산염 및
(5) 산화철 결합 인의 비비안나이트로의 변환은 해양 [17][18]퇴적물의 인 매몰에 중요한 역할을 한다.

이러한 과정은 호수나 강에서 인이 순환하는 것과 유사하다.

자연에서 우세한 무기 P종인 오르토인산(PO43-)은 산화 상태(P5+)이지만, 특정 미생물은 오르토인산([19]Orthophosphate)으로 산화시킴으로써 P원으로서 인산염과 인산염(P3+산화 상태)을 사용할 수 있다.최근, 환원된 인 화합물의 빠른 생산과 방출은 해양 [20]인에서 감소된 P의 역할에 대한 새로운 단서를 제공했다.

인광물

생태계에서 인의 가용성은 풍화 중 이 원소의 방출 속도에 의해 제한됩니다.아파타이트 용해에서 인의 방출은 생태계 생산성의 핵심 통제이다.유의한 인 함유량을 가진 1차 광물인 아파타이트[Ca5(3PO4)]OH]는 [2][21]탄산화 과정을 거친다.

이 방출된 인의 대부분은 다른 토양 광물들과 반응하는 반면, 생물에 의해 흡수되는 것은 거의 없습니다.이것은 비바람과 토양 발달의 후기 단계에서 이용할 수 없는 형태로 강수된다.사용 가능한 인은 상부 토양 프로필의 생물 지구 화학적 순환에서 발견되는 반면, 하부 깊이에서 발견되는 인은 주로 2차 광물과의 지구 화학적 반응에 관여합니다.식물의 성장은 생화학적 순환에서 죽은 유기물로부터 방출된 인의 빠른 뿌리 흡수에 달려있다.인은 식물의 성장을 위해 공급이 제한되어 있다.인산염은 식물과 동물을 통해 빠르게 이동한다; 하지만, 그것들을 토양이나 바다를 통해 이동하는 과정은 매우 느려서, 전반적으로 인 순환이 가장 느린 생물 지구 화학적 [2][8]순환 중 하나로 만든다.

저분자량 유기산은 토양에서 발견됩니다.그것들은 토양에 있는 다양한 미생물의 활동에서 비롯되거나 살아있는 식물의 뿌리에서 배출될 수 있다.이들 유기산 중 일부는 토양 용액에서 발견되는 다양한 금속 이온과 안정된 유기 금속 복합체를 형성할 수 있다.그 결과, 이러한 과정은 토양 미네랄 중 알루미늄, 철 및 칼슘과 관련된 무기 인의 방출로 이어질 수 있다.균근균에 의한 옥살산의 생산과 방출은 식물의 [2][22]인 유지와 공급에 있어 그들의 중요성을 설명한다.

미생물, 식물 및 동물의 성장을 지원하는 유기 인의 가용성은 유리 인산염을 생성하기 위한 분해 속도에 따라 달라집니다.분해에는 포스파타아제, 핵산분해효소, 피타아제 등 다양한 효소가 관여한다.연구된 환경의 비생물학적 경로 중 일부는 가수분해 반응과 광분해 반응이다.유기 인의 효소적 가수 분해는 식물과 미생물의 인 영양 섭취와 토양에서 [1]수역으로 유기 인의 이동을 포함한 생물 지구 화학적 인 순환의 필수적인 단계입니다.많은 생물들은 인의 [citation needed]영양을 위해 인에서 유래한 토양에 의존한다.

부영양화

습지의 질소와 인 순환

부영양화는 조류의 개화, 탈산소, 어종의 감소 등 수생 생태계에 구조적 변화를 가져오는 영양소에 의한 물의 농축이다.부영양화에 기여하는 주요 공급원은 질소와 인으로 간주된다.이 두 원소가 수역의 용량을 초과하면 부영양화가 일어난다.호수에 유입된 인은 퇴적물과 생물권에 축적될 것이며, 퇴적물과 [23]수계에서 재활용될 수도 있다.농경지로부터의 배수수도 인과 [24]질소를 운반한다.토양 함량이 많기 때문에 비료의 과다 사용과 영양소의 과잉 섭취는 농업 유출의 인 농도를 증가시킨다.침식된 토양이 호수에 유입될 때, 토양의 인과 질소 모두 부영양화,[25] 그리고 통제되지 않은 계획과 도시화로 인한 삼림 벌채에 의한 침식의 원인이 된다.

습지

부영양화 문제를 해결하기 위해 습지가 자주 적용된다.질산염은 습지에서 변형되어 질소를 방출한다.인은 식물에 의해 흡수된 습지 토양에 의해 흡착된다.따라서 습지는 부영양화를 완화시키고 해결하기 위해 질소와 인의 농도를 낮추는 데 도움을 줄 수 있다.그러나 습지 토양은 제한된 양의 인만 담을 수 있다.지속적으로 인을 제거하기 위해서는 습지 내에 남은 식물 줄기, 잎, 뿌리 잔해, 그리고 죽은 조류, 박테리아, 곰팡이, 무척추동물의 [24]분해할 수 없는 부분으로부터 더 많은 새로운 흙을 첨가할 필요가 있다.

인간의 영향

인비료 도포
비료 생산 시 인

영양소는 생물체의 성장과 생존에 중요하기 때문에 건강한 생태계의 발전과 유지에 필수적입니다.인간은 인을 채굴하여 비료로 바꾸고, 비료와 제품을 전 세계에 수송함으로써 인 순환에 큰 영향을 끼쳤다.음식 속의 인을 농장에서 도시로 운반하는 것은 세계적인 인 순환에 큰 변화를 가져왔다.그러나 과도한 양의 영양소, 특히 인과 질소는 수생 생태계에 해롭다.물은 농장의 유수와 물로 배출되기 전에 충분히 처리되지 않은 폐수로 인해 인이 풍부해집니다.농업용 유출물에 P가 투입되면 P 민감 지표수의 [26]부영양화가 가속화될 수 있다.자연 부영양화는 호수가 점차 노화되고 생산성이 높아지며 진행되기까지 수천년이 걸릴 수 있는 것이다.그러나 문화적 또는 인위적 부영양화는 과도한 식물 영양소에 의해 야기되는 수질 오염이다; 이것은 조류 개체군의 과도한 성장을 초래한다; 이 조류가 죽으면 부패는 산소의 물을 고갈시킨다.이러한 부영양화는 또한 유독성 조류 꽃을 일으킬 수 있다.이 두 가지 영향 모두 식물이 독이 든 물을 섭취하는 동안 동물과 식물의 사망률을 증가시킨다.지표면 및 지표면 하류 유출과 고인성 토양으로부터의 침식이 이러한 담수 부영양화의 주요 요인일 수 있다.토양 지표 유출 및 지표면 흐름으로 인 방출을 제어하는 과정은 수문학적 [27][28]조건에 따라 인 투입 유형, 토양 유형 및 관리, 운송 과정 사이의 복잡한 상호작용이다.

액체 돼지 거름을 농작물 필요 이상으로 반복적으로 사용하면 토양 인 상태에 악영향을 미칠 수 있습니다.또한, 바이오솔리드의 적용은 [29]토양에서 사용 가능한 인을 증가시킬 수 있습니다.배수가 잘 안 되는 토양이나 융설로 인해 정기적인 침수가 발생할 수 있는 지역에서는 7-10일이면 감소 조건을 달성할 수 있다.이로 인해 용액의 인 농도가 급격히 증가하여 인을 침출시킬 수 있다.게다가, 토양의 감소는 인의 탄력적인 형태에서 보다 유연한 형태로의 변화를 일으킨다.이것은 결국 인 손실의 가능성을 증가시킬 수 있다.이는 이미 농업폐기물 처분이 문제가 되고 있는 지역의 환경친화적 관리에 특히 우려되는 부분이다.폐기물 관리규정 [30]작성 시 유기폐기물 처리에 사용되는 토양의 수계통 등을 고려하는 것이 바람직하다.

인의 순환에 대한 인간의 간섭은 인 비료의 과다 사용 또는 부주의한 사용에 의해 발생합니다.이로 인해 수역의 오염물질로서 인의 양이 증가하여 부영양화를 일으킨다.부영양화는 무독성 [25]상태를 유발하여 물 생태계를 파괴한다.

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