Der durchschnittliche Phosphorgehalt in Meerwasser liegt bei etwa 60 ppm, wobei die Konzentrationen sehr variabel sind und in den oberen Wasserlagen wesentlich geringer, als in der Tiefsee. Flusswasser enthält im Allgemeinen Phosphorkonzentrationen von circa 20 ppb.
In gelöster anorganischer Form kommt das Element vor allem als HPO42-, aber auch als H2PO4-, PO43- und H3PO4 vor. In den Ozeanen ist zudem MgPO4- enthalten, wohingegen das Vorkommen von Phosphat sehr gering ist und höchstens die oberen Wasserschichten betrifft.  Was die Reaktion von Phosphor mit Wasser angeht, so ist bekannt, dass sogenannter weißer Phosphor bei Kontakt mit feuchter Luft im Dunkeln leuchtet.
Viele Phosphorverbindungen hydrolysieren in Wasser, was beispielsweise für Phosphor(III)hydrogen, Phosphoroxidchlorid und Phosphortrichlorid gilt. Heftiger reagiert Phosphor(V)chlorid mit Wasser unter der Bildung von HCl und H3PO4 oder aber auch POCl3 und HCl. Phosphor(V)oxid reagiert unter starker Erwärmung mit Wasser zu ätzender Phosphorsäure.
Abb.: Weisser Phosphor unter Wasser (wikipedia)
Ein Beispiel für die Hydrolyse von Metallphosphiden ist folgende:
Ca3P2 + 6H2O -> 2PH3 + 3Ca(OH)2.
Auch Phosphortrifluorid hydrolysiert in Wasser, wenn auch langsamer als andere Trihalide:
PF3 + 3H2O -> H3PO3 + 3HF.
Elementarer Phosphor ist in Wasser unter normalen Bedingungen unlöslich. Gute Wasserlöslichkeiten besitzen hingegen Eisen(II)phosphat und phosphorige Säure. Phosphorsäure ist sogar zu 5700 g/L löslich in Wasser, während dies bei Phosphorsäuretri(2-chlorethyl)ester nur 5-7 g/L sind. Phosphine sind in Wasser bei normalem Luftdruck fast unlöslich. Löslichkeit und wie diese beeinflusst werden kann Phosphate, die Salze der Phosphorsäure, kommen in der Natur vielerorts vor, auch weil sie in zahlreichen Gesteinen enthalten sind. So ist Phosphor in Form verschiedener Apatite zu finden, etwa als Carbonatfluorapatit in Phosphorit.
Phosphate gelangen jedoch nicht nur auf natürlichem Wege (Phosphorkreislauf) in Wasser und andere Umweltkompartimente, sondern auch durch menschliche Aktivitäten. Eine bedeutende Rolle spielen hierbei phosphathaltige Düngemittel, die ins Wasser gespült werden. Etwa 90% des kommerziell genutzten Phosphors wird hierfür verwendet. So kann etwa Phosphorsäure zur Herstellung dieser Dünger genutzt werden. Früher wurden Knochen, später phosphathaltige Gesteine mit Schwefelsäure behandelt und für diese Zwecke eingesetzt. Auch natürlicher Guano gilt als hervorragende Phosphatquelle.
In Mist von Rindern, Schweinen und Pferden sind etwa 1-2 g Phosphor pro Kilogramm enthalten. Durch die Nutztierhaltung wurde so 1980 auch weltweit etwa siebenmal so viel Phosphat ausgeschieden wie durch Menschen.
Außerdem wird das Element in der Landwirtschaft durch die Nutzung von phosphororganischen Herbiziden, Insektiziden und Fungiziden freigesetzt.
In kommunale Abwässer gelangen Phosphate aus Wasch- und Reinigungsmitteln und Humanexkrementen. Die Verwendung in ersteren war sehr extrem, da Phosphate beispielsweise als Wasserenthärter in Waschmitteln genutzt wurden, ist aber zum Großteil zurückgegangen. Sie haben zudem die Eigenschaft, den von der Kleidung entfernten Schmutz in Suspension zu halten, so dass er sich nicht wieder auf der Kleidung absetzt.
Auch andere Phosphorverbindungen finden kommerzielle Verwendung. So ist das Element in Rauchbomben und Brandbomben enthalten und wird für die Produktion von Phosphorsäure und anderer Chemikalien genutzt. Der sogenannte rote Phosphor spielt eine wichtige Rolle bei der Herstellung von Streichhölzern. Zudem dient das Element der Herstellung von Halbleitern. Phosphororganische Verbindungen können als Flammschutzmittel, als Zusatz von Schmieröl, in chemischen Kampfstoffen und bei der Metallextraktion zum Einsatz kommen. Phosphorsäure darf stark verdünnt als Lebensmittelzusatz verwendet werden und kann als Schutzschicht dienen um Metall vor Rost zu schützen oder Rost zu entfernen. Andere Phosphorverbindungen sind gute Weichmacher oder werden in Lacken und Klebstoffen verwendet. Dinatriumphosphat kommt bei der Herstellung von Glas und Keramik und beim Gerben von Leder zum Einsatz. Das Element ist in Zahnpasta enthalten und in Form von Metallphosphiden auch in Leuchtdioden.
Schwarzer Phosphor leitet elektrischen Strom und das Isotop 32P wird als Tracer in der Forschung eingesetzt. Phosphor ist, in Form von Phosphat, ein wichtiger Nährstoff für sowohl Pflanzen als auch Tiere. Er ist sogar für alle Organismenarten essentiell. Phosphate gelten somit auch grundsätzlich als ungiftig. Das Element wird zum Aufbau von Phospholipiden benötigt, aus denen Zellmembranen bestehen, von Nukleinsäuren und auch anderen Verbindungen. Außerdem ist es in Form von ATP (Adenosintriphosphat) ein energieübertragendes Molekül, das eine wichtige Rolle bei zahlreichen biochemischen Prozessen spielt.
Die Phosphorkonzentration normaler lufttrockener Böden beträgt etwa 200-800 ppm, wovon meist etwa eine Hälfte jeweils anorganisch und organisch gebunden ist. Phosphormineralien sind oft zu schlecht löslich um Phosphat pflanzenverfügbar abzugeben, weswegen Phosphat häufig ein limitierender Faktor ist.
Das pflanzenverfügbare Phosphat-Ion wird stark an den Boden gebunden. Dies geschieht als adsorbiertes Anion, aber vor allem auch als unlösliches Eisen- oder Aluminiumphosphat bei niedrigen pH-Werten und als Calciumphosphat bei höheren pH-Werten. In den extremen pH-Bereichen ist diese Bindung so stark, dass das Phosphat nicht mehr pflanzenverfügbar ist. Die beste Verfügbarkeit wird bei pH-Wert 6-7 erreicht.
Pflanzen bestehen zu etwa 3% (trockenmassebezogen) aus Phosphor. Bei Phosphormangel wird ihr Wachstum gehemmt und ihre Blätter bekommen eine dunkelgrüne bis blauviolette Farbe. Dies ist der Grund, warum in der Landwirtschaft häufig Phosphatdünger eingesetzt werden. Eine positive Nebenwirkung des Phosphats ist, dass in Dünger enthaltene Spuren von eventuell schädlichen Metallen durch Phosphat stabilisiert werden und so nicht von Pflanzen aufgenommen werden können.
Obwohl Phosphate weniger mobil sind als Nitrate, können sie bei Sättigung des Bodens tiefere Boden- und Grundwasserschichten erreichen und zu Dystrophierung führen. Auch in Gewässern können sie schwerwiegende Umweltprobleme verursachen. Dies liegt vor allem an ihrer besonderen Rolle bei der Eutrophierung von langsam fließenden oder stehenden Gewässern. Phosphat ist in natürlichen Gewässern der wachstumslimitierende Faktor für das enthaltene Phytoplankton. Diese Funktion als Minimumfaktor existiert nicht mehr, wenn der Phosphatgehalt extrem ansteigt. Die Nährstoffverfügbarkeit wird so groß, dass es zu einer sogenannten Algenblüte kommt. Beim Abbau der abgestorbenen Algen wird sehr viel Sauerstoff verbraucht, was die Konzentration an diesem dermaßen senkt, dass viele Wasserlebewesen sterben (siehe auch Sauerstoff und Wasser, Stickstoff und Wasser).
In erster Linie kommt es durch das verstärkte Algenwachstum zu einer Trübung der Deckschicht. Hierdurch wird der Lichteinfall verringert, was die Photosynthese einschränkt und somit einen selbstregulierenden Effekt hat. Hierzu trägt auch die Vermehrung von Zooplankton bei, das sich von Algen ernährt. Dennoch kommt es schließlich zu übermäßigem Sauerstoffverbrauch durch den Abbau der abgestorbenen Pflanzenreste und des Planktons. Als unlösliches Eisen(III)phosphat wird der Phosphor dem biologischen Kreislauf entzogen.
Bei einmaligen erhöhten Phosphateinträgen sind noch keine Langzeitwirkungen auf den ökologischen Zustand des Gewässers festzustellen. Finden diese jedoch kontinuierlich statt, kann der Sauerstoffgehalt vor allem in bodennahen Schichten, wo die meisten Zersetzungsprozesse stattfinden, auf beinahe null sinken. Dies bedeutet auch, dass kein aerober Abbau von Biomasse mehr stattfinden kann. Anaerobe Bakterien setzen den Vorgang fort, produzieren jedoch gleichzeitig neben Methan auch toxische Stoffwechselprodukte wie Ammoniak. Die unter den reduzierenden Bedingungen stattfindende Umwandlung von Eisen(III)phosphat zu gut löslichem Eisen(II)phosphat bringt dieses wieder zurück in den biologischen Kreislauf und kurbelt die Biomasseproduktion erneut an.
Durch Zugabe von 1 g Phosphor, können etwa 100 g Biomasse produziert werden, bei deren Zersetzung wiederum 140 g Sauerstoff verbraucht werden. Die im Gewässer lebenden Organismen gehen schließlich zu Grunde.
Gelangen Phosphate in Flüsse, so werden sie meist direkt ins Meer gespült, wo sie langsam sedimentiert werden. Die Phosphatkonzentration in den Ozeanen ist sehr gering, was an der Unlöslichkeit von Calcium-, Magnesium- und Eisenphosphaten liegt. Zudem besinkt es als organische Ablagerung.
Der Eintrag von Phosphat aus Wasch- und Reinigungsmitteln in Gewässer hat stark abgenommen, jedoch können auch Phosphatersatzstoffe eine negative Wirkung auf die Umwelt haben. Außerdem werden noch immer phosphorhaltige Insektizide verwendet, die meist als unbedenklich für die Umwelt betrachtet werden, über deren gebundene Rückstände jedoch noch Unklarheit herrscht.
Im tierischen Organismus nimmt Phosphat nicht nur die oben beschriebenen Funktionen ein, sondern ist in Form von Calciumphosphat auch Bestandteil aller tierischen Knochen. Zudem ist es in Zähnen enthalten.
Phosphatverbindungen können eine toxische Wirkung auf verschiedene Organismen haben. Phosphatester, die als Insektizide verwendet werden, sind ebenso für viele tierische Wasserlebewesen giftig. Auch elementarer Phosphor und Phosphor(III)hydrogen gelten als fischtoxisch. Sie haben zudem eine negative Wirkung auf das zentrale Nervensystem von Säugetieren und irritieren die Lunge.
Es sind auch einige konkrete Werte für die Toxizität von Phosphorverbindungen bekannt. So hat beispielsweise Phosphoroxychlorid einen LD50-Wert von 380 mg/kg bei oraler Einnahme durch die Ratte. Dieser gibt die Dosis an, bei der die Hälfte einer Population stirbt. Der LD50-Wert von Triphenylphosphit beträgt bei oraler Einnahme durch die Ratte 1600 mg/kg und der von Phosphorsäuretriethylester bei oraler Einnahme durch Ratten oder Mäuse 1,3-1,6 g/kg.
Auch für Wasserorganismen sind Toxizitäten in Form von LC50-Werten bekannt, die die Konzentration eines Stoffes in Wasser angeben, bei der 50% einer Population sterben. Diese liegen etwa für Phosphorsäuretriethylester bei 2,1 g/L und für Phosphorsäuretri(2-chlorethyl)ester bei 200 mg/L bei der Goldorfe in 48 Stunden.
Phosphor(V) gilt als schwach wassergefährdender Stoff. Die Toxizität von elementarem Phosphor liegt bei einem LD50-Wert von 15 g/kg bei Ratten und bei einem LC50-Wert von 100 mg/L beim Zebrabärbling.
Natürlicherweise existiert ein einziges stabiles Phosphorisotop, es gibt jedoch auch sieben instabile Isotope. Phosphor ist ein essentielles Element im menschlichen Körper, das zu etwa 1,1% in diesem enthalten ist. Die tägliche Einnahme über die Nahrung liegt bei umgerechnet 1-2 g Phosphor, während der Körper nur etwa 800 mg benötigt. Die höchsten Phosphorgehalte sind in tierischer Nahrung enthalten. Etwa 60% des aufgenommenen Phosphats wird im Dünndarm absorbiert. Der Rest wird wieder ausgeschieden. Meist nehmen wir Phosphat an Calcium gebunden auf, und somit ist bei ausreichender Calciumaufnahme auch fast immer eine ausreichende Phosphoraufnahme gewährleistet. Phosphatmangel kommt normalerweise nicht vor, wodurch auch keine Mangelerscheinungen bei Erwachsenen bekannt sind. Neugeborene mit sehr niedrigem Geburtsgewicht, die mit Muttermilch gefüttert werden, nehmen häufiger zu wenig Phosphor auf, was zu hypophosphatemischer Rachitis führen kann. Bei zu geringer Calciumaufnahme kann Phosphat einen negativen Einfluss auf die Knochen haben und das Osteoporoserisiko vergrößern.
90% des Phosphors befinden sich im Skelett. Außerdem ist er, ebenso in Form von Hydroxyapatit, der Hauptbestandteil des Zahnschmelzes. Dieser kann Fluor-Ionen binden und zu einem gewissen Maß Hydroxyapatit in stärkeren Fluorapatit umwandeln, weswegen fluoridhaltige Mundwässer angeboten werden.
Auch wird Phosphor zum Aufbau von Phospholipiden, der DNA und ATP benötigt. Letzteres hat die Wirkung einer chemischen Batterie und kann Energie speichern und erst dann wieder freigeben, wenn sie benötigt wird. Stündlich wird mehr als ein Kilogramm ATP produziert, verbraucht und recycelt, wofür Glucose abgebaut werden muss. Phosphor spielt zudem eine Rolle beim Transport von Stoffen im Blut und zahlreichen Stoffwechselprozessen. Er ist Bestandteil von Enzymen und auch im für Enzymprozesse wichtigen Coenzym NADP enthalten. Die DNA, ATP und die meisten Organophosphate sind negativ geladen, was vor allem durch positiv geladene Magnesium-Ionen ausgeglichen wird.
Elementarer Phosphor ist für den Menschen giftig, was vor allem für den weißen Phosphor gilt. Er greift die Leber an und führt auf diese Weise innerhalb einer Woche nach Einnahme einer beträchtlichen Menge zum Tode. Mengen von 60-100 mg gelösten Phosphors gelten als tödlich für einen erwachsenen Menschen. Bei Kleinkindern sind dies sogar nur etwa 3 mg. In der Natur kommt er jedoch nur in Form von Phosphationen und Organophosphaten vor.
Anorganische Phosphate gelten als relativ harmlos. Sie können jedoch die Zinkabsorption verringern. Außerdem kann ein Überangebot im Körper bei Kindern Hyperaktivität verursachen. Phosphate als Lebensmittelzusätze werden als sicher angesehen. Es gibt jedoch auch giftige Phosphorverbindungen.
Das Einatmen von Phosphordampf kann zu einer Veränderung des Kieferknochens führen. Bei dem in Abwasser vorkommendem Phosphor handelt es sich meistens um Phosphate und hierbei wiederum um Orthophosphat, Polyphosphat und organisch gebundenes Phosphat. Der Anteil an anorganischem Orthophosphat überwiegt jedoch. Die verbreitetsten Methoden der Phosphateliminierung sind die Fällungsbehandlung und die biologische Phosphatentfernung. Die Fällung kann als Vorfällung während der Vorklärung oder in besonderen Fällungs- und Nachklärbecken stattfinden. Auch eine Simultanfällung gleichzeitig mit der biologischen Abwasserbehandlung in den Belebungsanlagen ist möglich. Die biologische Phosphatentfernung fällt in die dritte Reinigungsstufe einer Kläranlage.
Effektive Mittel zur Fällung von Phosphaten sind beispielsweise Aluminiumsulfat, Eisen(III)chlorid und Kalk. Die Fällung von Phosphaten kann durch pH-Wertänderungen unterstützt werden, da ihre Löslichkeit stark pH-abhängig ist. Je alkalischer eine Lösung, desto mehr Phosphat-Ionen bilden schwerlösliche Niederschläge. Die Fällung von Polyphosphaten ist nur nach einer vorhergehenden Hydrolyse möglich (P3O105- + 6H2O -> 3 PO43- + 4H3O+).
Die gebildeten Phosphatflocken kann man nach der Fällung besinken lassen oder mit Sandfiltern abfiltrieren. Außerdem gibt es die Möglichkeit, Phosphat auf Sandkörnern oder sogar Magnetitkörnern niederschlagen zu lassen. Letzter können mit Hilfe von Magneten aus dem Wasser entfernt werden. Ein Nachteil der Nutzung von Fällmitteln ist, dass auf diese Weise Eisen- und Aluminiumsalze in Gewässer gebracht werden.
Bei der biologischen Phosphatentfernung nehmen Mikroorganismen das Phosphat in ihre Biomasse auf. Es handelt sich hierbei um eine Art Eutrophierung unter kontrollierten Bedingungen. Gelangt jedoch zu viel Phosphat in die Kläranlage, so kippt auch das Wasser in dieser um. Außerdem ist für die Effektivität der biologischen Abwasserreinigung ein günstiges Verhältnis von Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor wichtig. Einige Bakterienstämme können Phosphor in größerem Maß aufnehmen, als es für ihr Zellwachstum nötig ist, und ihn in Form von Polyphosphaten speichern. Dies geschieht vor allem bei einem schnellen Wechsel von anaeroben und aeroben Zuständen, weswegen der Prozess gut mit der Nitrifikation und Denitrifikation während der Stickstoffentfernung (siehe Stickstoff und Wasser) kombiniert werden kann.
Phosphor, der sich schließlich im Zellmaterial befindet, wird in sogenannten Belebtschlammflocken gespeichert. Er kann später eventuell wieder als Dünger eingesetzt werden.
Auch der Einsatz von Wasserhyazinthen oder Sumpfpflanzen ist zur biologischen Entfernung von Phosphor und Stickstoff geeignet.
Eine weitere Möglichkeit bietet die Entfernung von Phosphat-Ionen mit Hilfe von Ionenaustauschern.
Auch Phosphate selbst werden etwa zur Wasserenthärtung verwendet.
Quellenangaben
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