リン循環

リン循環は、岩石圏、水圏、生物圏を通るリンの移動を伴う生物地球化学循環です。他の多くの生物地球化学循環とは異なり、大気はリンの移動において重要な役割を果たしません。これは、リンおよびリンベースの物質が容易に気相に入らないためです。^[1]気体リンの主な発生源であるホスフィンは、隔離された特定の条件でのみ生成されるためです。^[2]したがって、リン循環は主に、環境中に最も一般的に見られるリンの形態であるオルトリン酸 (PO ₄ ) ^{3- の}陸生および水生生態系を通る移動を研究することで調査されます。^[3]

生物が適切に機能するためには、 DNA、RNA、ATPなどの重要な成分であるリンが必要です。 ^{[4]リンは、}細胞膜に存在するリン脂質の組成にも入ります。植物はリンをリン酸として同化し、有機化合物に組み込みます。動物では、アパタイト( Ca ₅ (PO ₄ ) ₃ (OH,F) )の形の無機リンも、骨、歯(歯のエナメル質) などの重要な成分です。 ^{[5]陸上では、リンは}流出によってゆっくりと失われるため、数千年かけて植物が利用できる量が徐々に少なくなります。土壌微生物バイオマスの研究で示されているように、土壌中のリンの濃度が低いと、植物の成長が低下し、土壌微生物の成長が遅くなります。土壌微生物は、生物地球化学的循環において、利用可能なリンのシンクとソースの両方として機能します。リンの短期的な変換は、化学的、生物学的、または微生物学的です。しかし、長期的な地球規模の循環では、主な移行は地質学的時間にわたる地殻変動とアパタイトなどのリン酸塩を含む岩石の風化によって引き起こされます。^{[6]さらに、リンは}水生生態系の制限栄養素になる傾向があります。^[7]しかし、リンが水生生態系に入ると、淡水環境と海水環境の両方で起こり得る富栄養化の形で過剰生産につながる可能性があります。 ^{[8] [9] [10]}

人間の活動は、主に肥料や工業製品に使用するためのリン鉱物の採掘とその後の変換を通じて、地球規模のリン循環に大きな変化をもたらしました。一部のリンは、採掘や工業プロセスを通じて排水として失われることもあります。

リンは、植物や動物にとって必須の栄養素です。リンは、水生生物にとって制限栄養素です。リンは、生物圏で非常に一般的な、重要な生命維持分子の一部を形成します。リンを含む塵が雨水や海水しぶきに溶解すると、リンは微量ながら大気中に放出されますが、この元素は主に陸上や岩石、土壌鉱物に残ります。肥料、下水、洗剤に含まれるリン酸塩は、湖や川の汚染を引き起こす可能性があります。淡水と沿岸海水の両方でリン酸塩が過剰に濃縮されると、大規模な藻類ブルームが発生する可能性があります。淡水では、これらのブルームが死滅して腐敗すると、富栄養化につながります。この一例は、カナダ実験湖沼地域です。

淡水での藻類の大量発生は一般的に過剰なリンによって引き起こされますが、海水で発生する藻類の大量発生は過剰な窒素が加えられたときに発生する傾向があります。^[11]しかし、淡水と海水の両方の環境でリン含有量の急上昇が富栄養化の原因となる可能性があります。^{[11] [12] [10]}

リンは、リン原子 1 個と酸素原子 4 個からなるリン酸イオン (PO ₄ ) ³⁻の一部として自然界に最も多く存在します。陸上では、ほとんどのリンは岩石や鉱物に含まれています。リンを豊富に含む堆積物は通常、海洋またはグアノから形成され、時間の経過とともに地質学的プロセスによって海洋堆積物が陸地に運ばれます。岩石や鉱物の風化により、リンが可溶性の形で放出され、植物に吸収されて有機化合物に変換されます。その後、植物は草食動物に消費され、リンは植物の組織に取り込まれるか、排泄されます。動物や植物は死ぬと腐敗し、リンは土壌に戻り、大部分のリンは不溶性化合物に変換されます。流出によって少量のリンが海洋に戻る場合があります。一般的に、時間の経過とともに (数千年)、土壌はリンが不足し、生態系の退化につながります。^[13]

淡水生態系には、溶存無機リン（DIP）、溶存有機リン（DOP）、粒子状無機リン（PIP）、粒子状有機リン（POP）の4つの主要なリンのプールがあります。溶存物質は、0.45 μmフィルターを通過する物質と定義されます。^{[14] DIPは主に}オルトリン酸（PO ₄ ^3- ）とポリリン酸で構成され、DOPはDNAとリンタンパク質で構成されています。 粒子状物質は、0.45 μmフィルターに引っ掛かり、通過しない物質です。 POPは生きている生物と死んだ生物の両方で構成されていますが、PIPは主にハイドロキシアパタイト、Ca ₅ (PO ₄ ) ₃ OHで構成されています。^[14]無機リンは、容易に溶解するオルトリン酸の形で存在します。 粒子状有機リンは、生きている原形質と死んだ原形質に懸濁しており、不溶性です。溶解性有機リンは、排泄および分解によって粒子状有機リンから生成され、溶解性があります。

リン酸の生物学的重要性は主に、細胞内でエネルギー貯蔵庫（ATP ）として機能するヌクレオチドの成分として、または連結して核酸DNAとRNAを形成することです。DNAの二重らせん構造は、らせんを結合するリン酸エステル橋があるからこそ可能になったものです。生体分子を作る以外に、リンは骨や哺乳類の歯のエナメル質にも含まれており、その強度はハイドロキシアパタイトの形のリン酸カルシウムに由来しています。また、昆虫の外骨格やリン脂質（すべての生体膜に存在）にも含まれています。 ^[15]また、人体の酸塩基恒常性 を維持する緩衝剤としても機能します。 ^[16]

リン酸塩は植物や動物を通じて素早く移動しますが、土壌や海洋を通じて移動するプロセスは非常に遅く、リン循環は全体的に最も遅い生物地球化学的循環の1つになります。^{[17] [18]}

地球規模のリン循環には、4 つの主要なプロセスが含まれます。

（i）地殻隆起とアパタイトなどのリン含有岩石の表面風化による露出^[19]

（ii）リン含有岩石の物理的侵食、化学的・生物学的風化により、土壌、^[20]湖沼および河川に溶解性および粒子状のリンが供給される。

（iii）河川や地下水を通じてリンがさまざまな湖沼に運ばれ、海洋に流出すること。

（iv）粒子状リン（例えば、有機物や酸化物/炭酸塩鉱物に関連するリン）の沈殿と、最終的には海洋堆積物への埋没（このプロセスは湖や川でも起こり得る）。^[21]

陸上システムでは、生体利用可能なリン（「反応性リン」）は主にリン含有岩石の風化によって生じます。地殻に最も多く含まれる主要なリン鉱物はアパタイトで、土壌微生物や菌類が生成する天然酸、またはその他の化学的風化反応や物理的侵食によって溶解します。^[22]溶解したリンは陸上生物や植物に利用可能であり、分解後に土壌に戻ります。土壌鉱物によるリンの保持（酸性土壌での鉄やアルミニウムのオキシ水酸化物への吸着、中性から石灰質の土壌での方解石への沈殿など）は、通常、鉱物土壌における陸上リンの生体利用可能性を制御する最も重要なプロセスと見なされています。^[23]このプロセスにより、土壌溶液中の溶解リン濃度が低くなることがあります。植物や微生物は、この低レベルのリン濃度からリンを得るためにさまざまな生理学的戦略を使用しています。^[24]

土壌のリンは通常、河川や湖沼に運ばれ、その後湖沼の堆積物に埋もれるか、河川の流出水によって海洋に運ばれます。大気中のリンの沈着は、海洋へのもう一つの重要な海洋リン源です。^[25]表層海水中では、溶存無機リン、主にオルトリン酸（PO ₄ ^3-）が植物プランクトンに同化され、有機リン化合物に変換されます。^{[21] [25]}植物プランクトン細胞溶解により、細胞内の溶存無機リンと有機リンが周囲の環境に放出されます。有機リン化合物の一部は、細菌や植物プランクトンによって合成された酵素によって加水分解され、その後同化されます。^[25]リンの大部分は水柱内で再ミネラル化され、落下粒子によって深海に運ばれた関連リンの約1％は、堆積物に埋もれることで海洋貯留層から除去されます。^[25]一連の続成作用により堆積物間隙水のリン濃度が高まり、その結果、上部の底層水へのリンのかなりの底生還流が生じる。これらのプロセスには以下が含まれる。

（i）堆積物中の有機物の微生物呼吸、

（ii）鉄とマンガン（オキシ水酸化物）の微生物による還元と溶解、それに続くリンの放出、これがリン循環と鉄循環を結びつける^[26]

（iii）硫化水素による鉄（オキシ水）酸化物の非生物的還元と鉄関連リンの遊離。^[21]

さらに、

（iv）炭酸カルシウムと関連したリン酸および

（v）鉄酸化物に結合したリンのビビアナイトへの変化は、海洋堆積物中のリンの埋没において重要な役割を果たしている。^{[27] [28]}

これらのプロセスは、湖や川におけるリンの循環に似ています。

自然界で支配的な無機リン種であるリン酸（PO ₄ ^{3- ）は酸化状態（P5+）であるが、特定の微生物は}ホスホネートと亜リン酸塩（P3+酸化状態）をリン酸に酸化することでリン源として利用することができる。^[29]最近、還元リン化合物の急速な生成と放出により、海洋リンのミッシングリンクとしての還元リンの役割について新たな手がかりが得られている。^[30]

生態系におけるリンの利用可能性は、風化によるリンの放出速度によって制限される。アパタイトの溶解によるリンの放出は、生態系の生産性を左右する重要な要因である。^[31]リンを多く含む主要鉱物であるアパタイト[Ca ₅ (PO ₄ ) ₃ OH]は炭酸化する。^{[17] [32]}

放出されたリンは主に他の土壌鉱物と反応するため、生物に吸収される量は非常に少ない。このため、風化と土壌発達の後の段階では、リンは岩石に沈殿するため、生物にとって利用できなくなる。利用可能なリンは上層土壌プロファイルの生物地球化学サイクルに存在し、下層で見つかったリンは主に二次鉱物との地球化学反応に関与している。植物の成長は、生化学サイクルで死んだ有機物から放出されたリンを根が速やかに吸収するかどうかにかかっている。植物の成長に必要なリンの供給量は限られている。リンは植物や動物を通じて素早く移動するが、土壌や海洋を通じて移動するプロセスは非常に遅いため、リンサイクルは全体として最も遅い生物地球化学サイクルの 1 つとなっている。^{[17] [18]}

低分子量（LMW）有機酸は土壌中に存在します。これらは土壌中のさまざまな微生物の活動に由来するか、生きた植物の根から滲出することがあります。これらの有機酸のいくつかは、土壌溶液中に存在するさまざまな金属イオンと安定した有機金属錯体を形成することができます。その結果、これらのプロセスにより、土壌鉱物中のアルミニウム、鉄、カルシウムに関連する無機リンが放出される可能性があります。菌根菌によるシュウ酸の生成と放出は、植物へのリンの維持と供給における菌根菌の重要性を説明しています。^[17] [ ^33]

微生物、植物、動物の成長を支える有機リンの利用可能性は、遊離リン酸を生成するための分解速度に依存します。分解には、ホスファターゼ、ヌクレアーゼ、フィターゼなどのさまざまな酵素が関与しています。研究対象となった環境中の非生物的経路には、加水分解反応と光分解反応があります。有機リンの酵素加水分解は、植物や微生物のリン栄養や土壌から水域への有機リンの移動など、生物地球化学的リン循環の重要なステップです。^[34]多くの生物は、リン栄養のために土壌由来のリンに依存しています。^[35]

富栄養化とは、水が栄養素で豊かになり、藻類の大量発生、酸素不足、魚種の減少など、水生生態系の構造変化を引き起こすことです。これは自然に起こることで、湖は老朽化すると窒素やリンなどの主要な制限物質の増加により生産性が高まります。^[36]たとえば、リンは湖に入り、堆積物や生物圏に蓄積します。また、堆積物や水系からリサイクルされ、環境中に留まることもあります。^[37]農地の肥料を与えられた土壌からの排水や流出水に見られるように、人工的な影響によってもリンが水生生態系に流入することがあります。^[38]さらに、森林伐採や都市化によって引き起こされる土壌の浸食により、これらの水生生態系にリンと窒素がさらに追加される可能性があります。^[39]これらはすべて、循環に入るリンの量を増加させ、淡水系での過剰な栄養摂取につながり、藻類の個体数の劇的な増加を引き起こします。これらの藻類が死ぬと、その腐敗により水中の酸素が枯渇し、水が有毒になる可能性があります。これらの影響により、植物は有毒な水を吸収し、動物はそれを飲むため、植物と動物の死亡率が上昇します。^[40]

海洋生態系は多くの源からリンを集めますが、それは主にリンを含む岩石の風化に由来し、その後、河川の流出によって溶解した形で海洋に運ばれます。^[41]リンの採掘が劇的に増加したため、人間は土壌と海洋システムにおけるリンの正味貯蔵量を75％増加させたと推定されています。^{[42]このリンの増加は、植物プランクトンの大量発生によりメキシコ湾[43]}とバルト海[44]の両方で見られる無酸素状態の劇的な変化を引き起こしたため、海洋水の富栄養化をさらに進めています。一部の研究では、過剰なリンによる富栄養化から無酸素状態が発生すると、海洋貯蔵庫からより多くのリンが放出され、問題が悪化するという正のフィードバックループが形成されることが示唆されています。 [ ^{45 ]}これにより、リンが絶えず回復することで富栄養化の成長が安定し、海洋無酸素症の自立的なサイクルが形成される可能性があります。^[45]生物学的アプローチを用いてこの問題を軽減する試みが検討されている。そのようなアプローチの1つは、海洋生態系でリン酸塩の形でリンを効果的に貯蔵することができるCandidatus accumulibacter phosphatis^{などのリン蓄積生物を使用することである。 [46]}本質的に、これは海洋生態系における現在のリン循環のあり方を変えることになる。現在、農業利用やその他の工業用途の増加によりリンが大量に流入しており、^[45]したがって、理論的にはこれらの生物はリンを貯蔵し、流出によりこの過剰なリンを失った陸上生態系でリサイクルされるまでそれを保持することができる。^[46]

湿地は富栄養化の問題を解決するために頻繁に利用されている。湿地では硝酸塩が遊離窒素に変換され、空気中に排出される。リンは湿地土壌に吸着され、植物に吸収される。したがって、湿地は窒素とリンの濃度を下げて富栄養化を軽減するのに役立つ可能性がある。しかし、湿地土壌は限られた量のリンしか保持できない。リンを継続的に除去するには、残存植物の茎、葉、根の残骸、藻類、細菌、真菌、無脊椎動物の分解されない部分から湿地内に新しい土壌を追加する必要がある。^[38]

栄養素は生物の成長と生存に重要であり、したがって健全な生態系の発達と維持に不可欠です。人間はリン鉱石の採掘によってリンの循環に大きな影響を与えてきました。何千年もの間、リンは主にリン含有岩石の風化によって環境に持ち込まれ、通常は流出などのプロセスを通じて環境に失われるリンを、非常にゆっくりとした段階的な時間スケールではあるものの補充していました。^[47] 1840年代にリンの採掘と抽出の技術がより普及して以来、約110テラグラムのリンが環境に追加されました。^[48]この傾向は今後も続くと思われます。1900年から2022年の間に、世界で採掘されるリンの量は72倍に増加し、^[49]年間4％の増加が見込まれています。^[48]この採掘のほとんどは、世界規模で使用できる肥料を生産するために行われています。しかし、人間が採掘している速度では、地質学的システムは失われたものをすぐに回復することはできない。^[50]そのため、研究者は環境中のリンをより効率的にリサイクルする方法を検討しており、その有望な応用の1つに微生物の使用がある。^{[46] [51]いずれにせよ、人間はリンの循環に大きな影響を与えており、}食糧安全保障、富栄養化、栄養素の全体的な利用可能性に広範囲にわたる影響を与えている。 ^[52]

液体豚糞を作物に繰り返し過剰に施用するなど、人間の他のプロセスもリン循環に悪影響を及ぼす可能性がある。バイオソリッドを施用すると、土壌中の利用可能なリンが増加する可能性がある。^[53]排水の悪い土壌や雪解けによって定期的に水浸しになる地域では、 7～10日で還元状態に達する可能性がある。これにより、溶液中のリン濃度が急激に上昇し、リンが浸出する可能性がある。さらに、土壌を還元すると、リンが回復力のある形態からより不安定な形態に変化する。これにより、最終的にリン損失の可能性が高まる可能性がある。これは、農業廃棄物の処分がすでに問題となっているこのような地域の環境に配慮した管理にとって特に懸念される。廃棄物管理規制を策定する際には、有機廃棄物処分に使用される土壌水分レジームを考慮することが提案されている。^[54]

• ピークリン
• 惑星の限界
• 海洋炭素循環

• Holding B (2006)。「物質サイクル」。Lenntech。水処理と空気浄化。
• 「リン循環」。環境リテラシー協議会。2023年7月10日。
• 「セクション 5.6 リン」。水質の監視と評価。米国環境保護庁。
• Miller KR、Levine J (2001)。生物学。Prentice Hall。2008-08-12にオリジナルからアーカイブ。
• Corbin K.「リン循環」。生物地球化学循環 - 土壌微生物学。バージニア工科大学。2008 年 9 月 14 日のオリジナルからアーカイブ。