Verstoring van systeem Aarde - de Fosforcyclus

De fosforcyclus is de natuurlijke kringloop van fosfor door gesteente, wateren en planten. Fosfor komt als mineraal voornamelijk voor in gesteente. Jaarlijks wordt er gemiddeld 20 miljoen ton fosfor gewonnen voor menselijke doeleinden. Daarvan komt 8.5-9.5 miljoen ton in het milieu terecht. De impact van de extra fosfor is vooral voelbaar in watersystemen, zoals oceanen en meren. Als gevolg van de enorme toevoer van fosfor ontstaan er zuurstofloze omstandigheden in wateren. Op wereldwijde schaal wordt dit verschijnsel “OAE”genoemd; Ocean Anoxic Events. Wetenschappers vermoeden dat OAE’s in het verleden hebben geleid tot massa-uitstervingen van het leven in zeeën en oceanen. Met de huidige landbouw zijn we hard bezig om een menselijke OAE te creëren.

De natuurlijk cyclus van fosfor

Fosfor is een cruciaal onderdeel voor al het leven op aarde. Het wordt gewonnen voor menselijk gebruik en komt op een natuurlijke manier voor door verwering van gesteentes. Het zit onder andere vastgelegd in celmembranen, in ATP en in DNA. Alle organismen hebben fosfor nodig. Sommige organismen verkrijgen fosfor door het opnemen van stoffen uit de leefomgeving. Hieruit maken ze zelf de benodigde fosforverbindingen. Deze organismen worden ‘autotroof’ genoemd, bijvoorbeeld algen. De meeste organismen moeten zich daarentegen voeden met andere organismen om fosfor binnen te krijgen. Ze zijn niet in staat om zelf de benodigde verbindingen te maken met stoffen uit de natuur en worden daarom ‘heteretroof’ genoemd.

Fosfor is dus vereist voor celonderdelen en heeft in de natuur een lage beschikbaarheid. Hierdoor is fosfor vaak de beperkende factor in de groei en ontwikkeling van organismen. Zodra fosfor in overvloed aanwezig is, kan dat ernstige gevolgen hebben.

Verstoring van de fosforcyclus

Samen met stikstof, is fosfor een belangrijk onderdeel van kunstmest. Door bemesting met fosfor via de landbouw komen extreem hoge concentraties fosfor in voornamelijk natuurlijke watersystemen terecht, wat het evenwicht verstoort. Deze fosforbemesting leidt tot een explosie van autotrofe organismen (algenbloei); fosfor is dan namelijk in overvloed aanwezig. Deze extreme algenbloei is tijdelijk. Na verloop van tijd zinken de algenmassa’s naar de bodem en worden ze afgebroken met behulp van zuurstof (O₂). Dit proces gaat door totdat al het beschikbare zuurstof verbruikt is. Zonder zuurstof is het leven voor de meeste organismen in het water onmogelijk. Algenbloei wordt daarom gekenmerkt door opeenhoping van giftige algen en zuurstofloze omstandigheden. Menselijke activiteiten leiden dus tot een verstoorde fosforcyclus en onleefbare watersystemen.

OAE – Ocean Anoxic Events

Overmatige toevoer van fosfor binnen een watersysteem leidt dus tot zuurstofloze omstandigheden. Dit wordt gezien als het sleutelproces achter het verschijnsel waarbij oceanen wereldwijd zonder zuurstof komen te zitten. Het kan bereikt worden zodra er een kritieke waarde voor het fosforgehalte in het systeem wordt overschreden. De zuurstofloze oceanen zouden de massa-uitstervingen van het mariene leven in het verleden kunnen verklaren.

Modellen

Fosfor komt hedendaags via natuurlijke en menselijke processen in oceanen terecht. Modellen geven aan dat een constante toename van fosforinput in oceanen, waarbij 20% van de natuurlijke input wordt overschreden, genoeg is om OAE’s op te wekken. Jaarlijks wordt er 20 miljoen ton aan fosfor gewonnen, waarvan ~9 miljoen ton in de vorm van kunstmatige fosfor in de oceanen terecht komt. De natuurlijke input van fosfor door verwering van gesteente is slechts 1.1 miljoen ton per jaar. Afgaande op de modellen is het dus goed mogelijk dat een OAE na verloop van tijd ontstaat.

Positieve terugkoppeling; versterking van het proces

De natuurlijke toename van fosfor uit gesteente wordt sterker zodra er minder zuurstof aanwezig is. Dit betekent dat de menselijke input van fosfor de natuurlijke input van fosfor laat toenemen; een positieve terugkoppeling. Dit wordt door wetenschappers gezien als een vereiste voor OAE’s. Deze positieve terugkoppeling kan de natuurlijke toestand van oceanen wereldwijd sneller laten verschuiven naar een zuurstofloze omgeving.

Planetary boundary – Een veilige grens voor de fosforcyclus

Ondanks de aanzienlijke versnelling van fosforinput in de oceaan, is het punt waarop een menselijke OAE kan ontstaan nog minstens 1000 jaar van ons vandaan. Dit komt door de langzame dynamiek van de diepe oceaan. Modellen tonen aan dat de zuurstofloze fractie van oceanen van 0.14 naar 0.22 toeneemt, mits de komende 1000 jaar de huidige input van fosfor blijft aanhouden. Door de langzame dynamiek van de oceaan blijft de fractie wel nog minstens 1000 jaar daarna toenemen.

Wetenschappers schatten dat er binnen 1000 jaar zuurstofarme oceanen ontstaan bij meer dan een vertienvoudiging van de natuurlijke input van fosfor. Daarom is de planetary boundary van fosforinput gezet op ~11 miljoen ton per jaar. Een planetary boundary staat voor een veilige grens waarbij de mensheid werkzaam kan zijn op planeet Aarde, zonder daarbij de fosforcyclus voorgoed uit zijn natuurlijke evenwicht te halen. De huidige input van fosfor is ~10 miljoen ton per jaar zit daarmee al gevaarlijk dicht tegen de veilige grens aan.

Lees verder

• Verstoring van systeem Aarde - Klimaatverandering
• Verstoring van systeem Aarde - de Stikstofcyclus