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Der '''Phosphorkreislauf''' oder '''Phosphorzyklus''' ist die stetige Wanderung und [[Biogeochemie|biogeochemische]] Umsetzung des [[Bioelement]]es [[Phosphor]] in [[Gewässer]]n, in [[Boden (Bodenkunde)|Böden]] und in [[Biomasse]].
[[Datei:Phosphorkreislauf.jpg|mini|Vereinfachte Darstellung des natürlichen Phosphorkreislaufs und menschlicher Eingriffe]]

== Hintergrund ==
Dem [[Phosphor]] kommt in allen [[Lebewesen]] eine zentrale Rolle zu, mengenmäßig insbesondere in [[Phospholipide]]n aller [[Membran]]en auf [[Zelle (Biologie)|zellulärer]] und intrazellulärer Ebene, aber auch als wesentlicher Bestandteil der [[Desoxyribonukleinsäure|DNA]], wobei er in [[Phosphate|Phosphat]]<nowiki />form vorliegt, sowie von [[Adenosintriphosphat]] (ATP) bei [[Energieumsatz|Energieumsetzungen]]. Einige marine [[Plankton]]organismen wie [[Cyanobakterien]] haben aufgrund Phosphatmangels Phospholipide durch andere Lipide ersetzt.<ref>Benjamin A. S. Van Mooy, Helen F. Fredricks, Byron E. Pedler, Sonya T. Dyhrman, David M. Karl, Michal Koblížek, Michael W. Lomas, Tracy J. Mincer, Lisa R. Moore, Thierry Moutin, Michael S. Rappé, Eric A. Webb: ''Phytoplankton in the ocean use non-phosphorus lipids in response to phosphorus scarcity.'' In: ''Nature'', Bd. 458, Nr. 7234, März 2009, S. 69–72.</ref> Seine herausragende Bedeutung macht den Phosphor zu einem essenziellen [[Nährstoff]] für alle Lebewesen. Obwohl in der Natur in niedrigen [[Konzentration (Chemie)|Konzentrationen]] ubiquitär vorkommend, ist Phosphor eine [[Nichterneuerbarer Rohstoff|nichterneuerbare Ressource]].<ref>Dana Cordell, Stuart White: ''Sustainable phosphorus measures: Strategies and technologies for achieving phosphorus security''. In: ''Agronomy'', Bd. 3, Nr. 1, März 2013, S. 86–116, [https://www.mdpi.com/2073-4395/3/1/86/pdf (PDF)], abgerufen am 15. Februar 2020.</ref> Die globalen [[Rohstoffvorkommen|Vorkommen]] sind limitiert, phosphatreiche Mineralien konzentrieren sich auf nur wenige Staaten<ref>{{Internetquelle |url=https://www.riffreporter.de/de/umwelt/phosphat-reserven-preis |titel=Phosphor in Zahlen: Marktmacht und Preise |datum=2021-02-12 |sprache=de |abruf=2021-04-29}}</ref>.

Phosphor ist in der Umwelt, wie erwähnt, allgegenwärtig, jedoch kann seine Konzentration (Gehalt) in Abhängigkeit vom Standort so gering sein, dass das [[Pflanzen]]<nowiki />wachstum beschränkt wird. Dabei gilt das ''[[Minimumgesetz]]'', wonach das Wachstum vom knappsten vorhandenen [[Nährstoff (Pflanze)|Pflanzennährstoff]] abhängig ist. Durch die Verwendung von [[Dünger#Mineraldünger|Mineral-]] und [[Dünger#Organischer Dünger|organischen Düngern]] wird der Phosphorgehalt im [[Boden (Bodenkunde)|Boden]] und damit das Wachstum erhöht. Ungefähr 90 % der globalen Phosphorproduktion findet als [[Dünger]] in der [[Landwirtschaft]] Verwendung;<ref name="Cordell et al">D. Cordell, J.-O. Drangert, S. White: ''The story of phosphorus: Global food security and food for thought.'' In: ''Global Environmental Change.'' Vol. 19, 2009, S. 292–305 (englisch).</ref> Phosphor ist somit von enormer Wichtigkeit für die heute stark industrialisierte Produktion landwirtschaftlicher [[Gut (Wirtschaftswissenschaft)|Güter]]. Allerdings werden die bisherigen Phosphor-Abbaustätten eine weiterhin hohe [[Nachfrage]] nur noch für begrenzte Zeit bedienen können; ein mögliches ''[[Peak Phosphor|Peak-Phosphorus]]''-Szenario – analog zum ''[[Ölfördermaximum|{{lang|en|Peak Oil}}]]'' – wird dabei prognostiziert.<ref name="Cordell">D. Cordell: ''The Story of Phosphorus.'' Dissertation. [[Universität Linköping|Linköpings universitet]], Linköping 2010 (englisch).</ref>

== Ursprung des Phosphors ==
Phosphor findet seinen Ursprung in Neutrinoquellen des Kosmos, das sind [[Supernova]]e. In deren Zentrum wurde zuvor [[Wasserstoff]] zu [[Helium]], dieses zu [[Kohlenstoff]] und [[Sauerstoff]] und diese zu [[Silizium]], Phosphor und [[Schwefel]] und schließlich zu [[Eisen]], [[Kobalt]] und [[Nickel]] [[Kernfusion|fusioniert]], was endlich zum Kollaps des Sterns innerhalb von Millisekunden führte.<ref>Martina Davids: ''Neutrinoquellen im Kosmos: Supernovae''. Neutrino-Seminar, RWTH Aachen, WS2003/2004, 24. November 2003, [https://web.physik.rwth-aachen.de/~hebbeker/lectures/sem0304/davids2.pdf (PDF)], gesehen am 16. Februar 2020.</ref>

== Phosphor als Phosphat in den Kreislauf bringen ==
Das Element Phosphor wird nur gebunden, fast ausnahmslos als [[Phosphat]], in den terrestrischen Kreislauf eingebracht. Bei der Herkunft und Umsetzung des Phosphors gilt es zwei Quellen zu trennen:
* natürliche Quellen, wie beispielsweise organische Dünger, Pflanzenrückstände, [[Sedimente]] etc.
* [[anthropogen]]e Einbringung, insbesondere durch Dünger mineralischer Herkunft.
Die Umsetzung aus natürlichen Quellen wird auf 3 Megatonnen pro Jahr (Mt/a) geschätzt. Zusätzlich wurden seit Beginn der industriellen Düngemittelproduktion große Mengen an Phosphor vom Menschen ausgebracht, die auf 12 Mt/a seit den 1950er Jahren geschätzt werden. Die heutige Einbringung wird sogar auf 14 Mt/a geschätzt.<ref name="Cordell" /> Die anthropogene Einbringung entspricht daher dem Vier- bis Fünffachen der natürlichen Mobilisierung.<ref name="Falkowski">P. Falkowski, R. J. Scholes, E. Boyle, J. Canadell, D. Canfield, J. Elser, N. Gruber, K. Hibbard, P. Högberg, S. Linder et al. (2000). The Global Carbon Cycle: A Test of Our Knowledge of Earth as a System. [[Science]], 290, S. 291–296.</ref>

Phosphor liegt in der Natur als phosphatreiches Mineral – meist als [[Apatit]] – vor. Die [[Verwitterung]] dieser Phosphatgesteine ist die wichtigste natürliche Phosphorquelle. Als [[anthropogen]]e Quelle werden diese Gesteine an Orten mit einem sehr hohen Phosphatanteil abgebaut und nach entsprechender Aufbereitung als [[Mineraldünger]] verwendet und somit in den Phosphatkreislauf eingebracht.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.riffreporter.de/de/umwelt/phosphor-kreislauf-recycling |titel=Der Phosphorkreislauf – und wo er zur Sackgasse wird |datum=2021-02-10 |sprache=de |abruf=2021-05-25}}</ref>

== Transport von Phosphor ==
Phosphor liegt in der Umwelt als Phosphat vor, gewöhnlicherweise in festem sowie flüssigem bzw. gelöstem Zustand. Die einzige natürlich vorkommende gasförmige Phosphorverbindung ist [[Monophosphan]], dessen Anteil aber im gesamten Phosphorkreislauf vernachlässigbar ist. Von Bedeutung ist allerdings der Transport von Phosphor in Bodenpartikeln durch die Winderosion.
Gelöster Phosphor und in Boden- oder Gesteinsteilchen enthaltener Phosphor wird auf natürlichem Wege über die Erosion hauptsächlich über Flüsse transportiert. Über die tektonische Hebung von [[Gesteinsschicht|Gestein]] und deren Verwitterung wird ebenfalls Phosphor in den Kreislauf eingebracht.

Ein Großteil des separierten Phosphors wird durch die Düngung in der Landwirtschaft wieder in den Phosphorkreislauf eingeleitet. Neben den organischen Quellen wie [[Gülle]], Pflanzenrückständen oder [[Mist]] ist insbesondere Mineraldünger von Bedeutung. Die Verwendung von [[Guano]] ist heute nicht mehr relevant.

In den [[Gewässer]]n hängt die Produktion von [[Biomasse]] meist direkt mit der verfügbaren Menge an Phosphor zusammen. Die Steigerung des Phosphoreintrags in [[Ökosystem See|Seen]] führt deshalb zur [[Eutrophierung]]. Häufig wird der Zustand von Seen nach ihrem „Nährstoffgehalt“ und dem daraus resultierendem Wachstum von [[Algen]] beurteilt, tatsächlich handelt es sich dabei um den verfügbaren Phosphorgehalt. Auch in den Flüssen spielt Phosphor eine wichtige eutrophierende Rolle. Deshalb wird heute in [[Kläranlage]]n Phosphor durch verschiedene Verfahren entfernt ([[Phosphorelimination]]),<ref>{{Internetquelle |url=https://www.riffreporter.de/de/umwelt/phosphor-recycling-klaerschlamm |titel=Der letzte Dreck? Phosphor-Recycling aus Klärschlamm |datum=2021-03-09 |sprache=de |abruf=2021-05-25}}</ref> wobei die [[Recycling|Rückgewinnung]] von Phosphor bzw. von Phosphaten – wegen der Endlichkeit der natürlichen Vorkommen – eine immer größere Bedeutung erlangt.<ref>„Bevor der Dünger ausgeht – Phosphorrecycling soll die Welternährung sichern“, Spektrumdirekt, 9. März 2010; [http://www.wissenschaft-online.de/artikel/1024445 Abstract].</ref>

Einer im Jahr 2023 erschienen Studie zufolge nahm der Phosphoreintrag in Seen in Mitteleuropa zu Beginn der [[Bronzezeit]] vor etwa 4000 Jahren merklich zu. Eine starke Abholzung der Wälder und Intensivierung der Landnutzung führte zu erhöhter [[Bodenerosion]] und Abschwemmung von Phosphor in die Seen. Ab dem 19. Jahrhundert wurde durch die [[Industrialisierung]] und den Einsatz von phosphorhaltigem Dünger in der Landwirtschaft ein gewaltiger Sprung des Phosphoreintrags verursacht. Der jährliche globale Phosphoreintrag in die Seesedimente stieg im Vergleich zur vorindustriellen Zeit um das Sechsfache.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.snf.ch/de/TzU1Cbw6QN5ikO3a/news/phosphor-in-den-seen-zu-viel-im-boden-zu-wenig |titel=Phosphor - In den Seen zu viel, im Boden zu wenig |werk=[[Schweizerischer Nationalfonds|snf.ch]] |datum=2023-10-27 |abruf=2023-11-03}}</ref>

== Rückgewinnung von Phosphor aus Klärschlamm ==
Phosphor ist in großen Mengen in [[Klärschlamm]] enthalten. Laut Umweltbundesamt befinden sich in einem Kilogramm Klärschlamm 2 bis 55 Gramm Phosphor.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/376/publikationen/2018_10_08_uba_fb_klaerschlamm_bf_low.pdf |titel=Klärschlammentsorgung in der Bundesrepublik Deutschland |hrsg=Umweltbundesamt |datum=2018-10-01 |abruf=2023-03-08}}</ref> Das entspricht bei den in Deutschland jährlich anfallenden 1,7 Millionen Tonnen Klärschlamm etwa 3.400 bis 93.500 Tonnen Phosphor.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.destatis.de/DE/Themen/Gesellschaft-Umwelt/Umwelt/Wasserwirtschaft/Tabellen/liste-klaerschlammverwertungsart.html |titel=Klärschlammentsorgung nach Bundesländern |hrsg=Statistisches Bundesamt |abruf=2023-03-08}}</ref> Für das Recycling ist Klärschlamm mit einem Phosphorgehalt von 20 Gramm oder mehr von Relevanz.

Die Verordnung zur Neuordnung der Klärschlammverwertung vom 27. September 2017 sieht erstmals umfassende Vorgaben zur Phosphorrückgewinnung aus Klärschlamm und Klärschlammverbrennungsaschen vor. Diese müssen Betreiber von Abwasserbehandlungsanlagen und Klärschlammverbrennungsanlagen spätestens ab 2029 beachten.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.bmuv.de/gesetz/verordnung-zur-neuordnung-der-klaerschlammverwertung |titel=Verordnung zur Neuordnung der Klärschlammverwertung |hrsg=Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, nukleare Sicherheit und Verbraucherschutz |abruf=2023-03-08}}</ref>

Zur Rückgewinnung von Phosphor aus Klärschlamm befinden sich verschiedene Verfahren in der Entwicklung und wirtschaftlichen Erprobung.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.deutsche-phosphor-plattform.de/information/dokumente/ |titel=Steckbriefe Phosphorrückgewinnungsverfahren vom Projekt "Umsetzung der Anforderungen der Klärschlamm-Verordnung zur Phosphorrückgewinnung in NRW" |werk=Deutsche Phosphor Plattform |abruf=2023-03-08}}</ref> Die weltweit erste großtechnische Phosphor-Recycling-Anlage wird in [[Hamburg]] betrieben.<ref>{{Internetquelle |url=http://www.phosphorrecycling-hh.de/recycling/recycling.html |titel=Phosphor-Recycling auf dem Klärwerk Hamburg |werk=Phosphor-Recycling Hamburg |abruf=2023-03-08}}</ref> Erfolgreiche Verfahren basieren auf der thermischen Vorbehandlung von Klärschlamm mit anschließender Aufbereitung der mineralischen Asche. Hieraus lässt sich Phosphor in Form von hochwertigen und vielseitig einsetzbaren Recyclingrohstoffen wie [[Phosphorsäure]] oder [[Dicalciumphosphat]] gewinnen.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.klimaschutz-kommune.info/trend/phosphorrecycling/ |titel=Phosphorrecycling: Vom Abfall zum Wertstoff |werk=Klimaschutz Kommune |datum=2022-09-01 |abruf=2023-03-08}}</ref>

== Umsetzung von Phosphor ==
Phosphate werden in Pflanzen und Tieren sehr schnell umgesetzt. Die Prozesse, die Phosphate über Böden oder Meere bewegen, sind allerdings sehr träge, was den Phosphorkreislauf zu einem der langsamsten biogeochemischen Kreisläufe macht.
Phosphor, der auf den Boden über natürliche oder anthropogene Quellen eingebracht wurde, wird in Form von Phosphat umgesetzt. Um für Pflanzen verfügbar zu sein, muss ein gelöstes [[Phosphorsäure|Orthophosphation]] vorliegen, das über die Wurzel aufgenommen werden kann. Liegt das Phosphat in anderen [[Organische Chemie|organischen]] und [[anorganisch]]en Formen vor, ist es nicht ''pflanzenverfügbar''. Diese Phosphorpools stehen zueinander in einem dynamischen Gleichgewicht.

== Senken im Phosphorkreislauf ==
Als Senken im Phosphorkreislauf treten insbesondere organische Verbindungen, [[Authigene Bildung|authigener]] Phosphor, Sedimente und gebundene Phosphorkomplexe insbesondere mit Kalziumcarbonat, Eisen (vergleiche [[Phosphatfalle]]) oder Mangan auf.<ref name="Föllmi">{{Literatur|Autor=K. B. Föllmi|Titel=The phosphorus cycle, phosphogenesis and marine phosphate-rich deposits|Sammelwerk=Earth-Science Reviews|Band=40|Nummer=1–2|Datum=1996|Seiten=55–124|DOI=10.1016/0012-8252(95)00049-6}}</ref> Wie in [[Pflanzenkläranlage]]n können [[Dickstielige Wasserhyazinthe|Wasserhyazinthen]] auch in natürlichen Gewässern den Phosphorkreislauf positiv beeinflussen und so einer Eutrophierung entgegenwirken.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.eawag.ch/de/news-agenda/news-plattform/news/natuerliche-klaeranlagen-schwimmen-auf-den-fluessen-des-sambesi/ |titel=Natürliche Kläranlagen schwimmen auf den Flüssen des Sambesi |werk=[[Eawag]] |datum=2020-11-26 |abruf=2020-12-04}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=R. Scott Winton, Fritz Kleinschroth, Elisa Calamita et al. |Titel=Potential of aquatic weeds to improve water quality in natural waterways of the Zambezi catchment |Sammelwerk=[[Scientific Reports]] |Band=10 |Datum=2020-09-22 |DOI=10.1038/s41598-020-72499-1}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=Fritz Kleinschroth, R. Scott Winton, Elisa Calamita et al. |Titel=Living with floating vegetation invasions |Sammelwerk=[[Ambio]] |Band=50 |Datum=2020-07-28 |Seiten=125–137 |DOI=10.1007/s13280-020-01360-6}}</ref>

== Siehe auch ==
* [[Phosphorfraktion]]
* [[Transport (Biologie)#Stofffluss|Stofffluss im Ökosystem]]
* [[Stoffkreislauf]]
* [[Nährstoff (Pflanze)]]

== Weblinks ==
* {{DNB-Portal|4174433-0}}

== Einzelnachweise ==
<references />

{{Navigationsleiste Biogeochemische Zyklen}}
{{Normdaten|TYP=s|GND=4174433-0|LCCN=sh92006750}}

[[Kategorie:Ökosystemforschung]]
[[Kategorie:Bodenkunde]]
[[Kategorie:Phosphor]]

[[pl:Obieg fosforu w wodzie]]

Phosphorkreislauf - Versionsgeschichte

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