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人体必需的磷矿将比石油更早枯竭,怎么办?

一个成年人的平均磷含量约为0.7千克,磷是地球上所有植物和动物(包括我们人类)身体所必需的矿物质

磷矿资源面临枯竭

几天前,一个由40位国际磷专家组成的研究小组在美国化学会旗下《环境科学与技术》发表文章称:“我们的星球将很快耗尽已知的磷资源,以目前的需求增长趋势计算,最多再有400年,全球所有可供开采的磷酸盐矿石储量将被消耗殆尽”,对于这个迫在眉睫的挑战,几乎没有人讨论它,更多的人浑然不知,也就谈不上提出可行的应对方案了。

人体必需的磷矿将比石油更早枯竭,怎么办?

一座正在开采的磷矿

磷为什么重要?

一个成年人的平均磷含量约为0.7千克。

磷是地球上所有植物动物(包括我们人类)身体所必需的矿物质,每个活的植物和动物细胞都需要磷(P)。磷酸盐(含有磷酸根离子的化合物)是DNA、RNA、ATP和磷脂的组成部分。磷酸盐在生物中的作用主要包括:

  • 磷酸盐赋予DNA(脱氧核糖核酸)以形状,这是每个活细胞中包含的遗传信息的蓝图。糖磷酸形成每个DNA分子的主链螺旋结构。

  • 磷酸盐在为生物细胞里的生化反应提供能量的方式中起着至关重要的作用。化合物三磷酸腺苷(ATP)存储能量,这些能量是生物从食物(以及植物的阳光)中获取,并在需要细胞活动时释放。在以高能磷酸键形式释放能量后,ATP变成低能二磷酸腺苷(ADP)或同样低能的单磷酸腺苷(AMP)分子。通过在活细胞中通过各种机制添加磷酸盐,这些物质将补充至更高能量的ATP(或ADP)状态。

  • 在生物学中,向细胞中的蛋白质中添加磷酸盐或从中去除磷酸盐在调节代谢过程中都至关重要。它们分别称为磷酸化和去磷酸化,是在生命系统中存储和释放能量的重要方式。

  • 某些磷酸盐在动物细胞中可起到缓冲剂的作用。

  • 卵磷脂(高能磷酸盐)通常是肌肉组织中的高能储藏化合物。

  • 磷酸盐促进骨骼和牙齿的形成和强化,这些结构由羟磷灰石形式的结晶磷酸钙形成。

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磷在DNA结构片段中的位置

植物从土壤中获取磷酸盐,以及氮、钾和其他需要繁衍生息的养分;人类从所吃的食物中获取磷酸盐。下面是一些常见食物的磷(这里指的实际是磷酸盐)含量(mg/100g):

牛奶,93

瘦牛肉,204

土豆,56

西兰花,72

小麦粉,101

切达干酪,524

由此可见,在我们所吃的食物中,无论是植物、肉类还是奶或奶制品都都含有丰富的磷酸盐。它在我们的肌体中也不处不在,甚至包括我们排出的尿液中也包含有一定量的磷,它是由我们人体新陈代谢所排出的产物。由于尿液中含有丰富的氮(约10%,在蒸发后的固形物中的比例,下同)、钾(2~3%)和磷(1%),因此它稀释后是很好的肥料。

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各种奶酪和面包中都含有丰富的磷

磷从哪里来?

科学家们认为,磷与其它许多重元素一样,都产自于超新星爆炸,强大的温度和压力瞬间将轻的原子核压在一起,形成了磷和其它重元素。2013年,天文学家在仙后座A中检测到磷的光谱,这证实了磷是超新星核合成的副产物。

磷元素在太阳系中的含量并不少,它比许多我们已知的其它元素都要丰富。

在我们地球表面,每1千克地壳物质中就有1克磷。这个比例并不算低,但我们却基本见不到自然状态下存在的游离磷,这种元素十分活泼,它基本上以最大的氧化态存在于磷酸盐矿物中。

磷单质有几种同素异形体,最常见的两种同素异形体是白磷和红磷,其中白磷最不稳定、最活泼、最易挥发、最不稠密且最具毒性,有些人将它制成具有极强破坏力的燃烧弹,这种燃烧弹在伊拉克战争中造成许多平民烧伤致死。

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1966年,美军机在越战中投掷白磷弹

说起磷,更多人想到的是磷火。据说这种现象会出现在夏天的郊野墓地以及地势低洼的地方,因此又被称为“鬼火”。这是由腐烂生物体散发出的磷化氢(膦)遇空气,与空气中的氧发生反应而产生的光,当人从附近走过时,由于空气的扰动,这种火光会跟着人跑。

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“磷火”

膦曾一度被认为是磷的气态形式,后来被证明它是磷与氢的化合物。它是一种无色、易燃、有毒的气体,可能是有机物中的磷酸盐通过部分还原和歧化来还原腐烂的结果,因此它可能对全球磷生化循环周期有重要贡献。

磷矿是如何生成的?

磷在地壳中广泛分布,但最初却并不以磷矿的形式出现,在早期的地球,磷的化合物是离散分布的,今天可供我们开采的绝大多数磷矿都来自于古生物体数千万年的贡献。

植物从土壤中获取磷酸盐、藻类生物从湖泊或海洋中获取磷酸盐,动物以植物和藻类为食,将磷酸盐转化为身体的一部分。当动植物死亡后,它们体内的一部分磷酸盐被其它生物体吸收,另一部分则沉积下来。大量的证据表明,世界上各主要的磷矿矿藏都是数千万年间生物体残骸在原始海洋中的沉积产物。当海水中的条件导致溶解在其中的磷固化时,也可能会形成一些磷酸盐,这一过程被科学家称为沉淀。这些沉积物分布在海床的各个层中,富含磷酸盐的沉积物大多是由海水中生活在海洋中的生物的骨骼和废物形成的。

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一块磷矿矿石

磷酸盐矿藏来自古老生物在海底的沉积,它们又是如何来到陆地上的?这得益于地壳的板块运动、造山活动和火山喷发。在数千万年乃至上亿年的时间里,地壳板块分分合合,或破碎裂解或相互挤压,以些曾经的海底抬升变成陆地甚至高山,另一些陆地消失在水中。于是那些曾经在海洋浅水区的磷酸盐沉积物变成了今天储量数十亿吨的磷矿。

还有一些磷矿来自于动物的排泄物,比如鸟类和蝙蝠。有些海鸟数千万年来聚居于海洋中的某些岛屿上,它们捕食昆虫和鱼类,并将排泄物播撒在小岛上。鸟粪中的磷酸盐被雨水溶解冲刷到岩石与珊瑚礁的孔隙里,经过千百万年的累积,便形成了鸟粪磷矿。

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鸟岛上密集的“原住民”

今天,鸟粪磷矿基本上已经被开采殆尽了。19世纪初,欧洲农业快速发展,北美洲也在快速扩张的同时大力发展农业,人们发现鸟粪是一种极好的肥料,于是大不列颠在各大洋占领岛屿,开采那里的鸟粪。对鸟粪的需求导致美国于1856年专门出台了《鸟粪群岛法》,它规定美国公民只要在“无人认领的岛屿上”发现了鸟粪,就可以占有它。

太平洋中部的瑙鲁曾经就是这样一个鸟粪岛,数百年来殖民者在那里大肆挖掘,到1968年它脱离殖民统治时已经剩不下什么了。不加节制的开采使这个小岛中间80%的土地完全不适合生存,瑙鲁人从暴富跌落深渊,过着仰人鼻息的乞讨生活。

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今天的瑙鲁人依然从石头缝里一点点地抠磷矿

磷矿危机

从磷矿的生成过程我们可以看出,磷矿与煤矿和石油一样,它是不可再生的资源。或者说,磷矿的成矿时间极其漫长,它的产生远远赶不上我们消耗的速度。

全球的磷矿资源分布不均,这是由于磷矿的沉积环境相对严苛造成的。据估算,2017年全球可经济开采的磷矿石储量为680亿吨,储量最丰富的地区是摩洛哥,它占据总储量的一半以上,排名第二的仅占不到5%。

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磷矿全球商业储量分布比例

2016年世界采矿产量为2.61亿吨,假设开采量和新探明储量增长都为零,那么今天的磷矿储备将只能持续260年,这就是所谓的“磷危机”。即便如此,世界各产磷国都没有停止开采的步伐,全球磷酸盐的产量纪录每一年都在刷新,2016年全球产量达到2.61亿吨。

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美国地质调查局统计的1900-2016年世界磷酸盐岩产量

磷肥是农业生产的基础性化肥,它不可再生,并且到目前为止还没有可替代品出现。随着人口的持续增长和粮食需求的迅猛增加,磷肥的需求仅在过去的50年中增长了5倍,预计到2050年需求将再翻一番。如何解决供应与需求之间的矛盾现在已经摆在大家面前,应对危机刻不容缓。

危机应对

土壤的磷酸盐施肥一直很重要,如果土壤缺磷,那么广大的农业用地就会很贫瘠,庄稼长势不好。缺磷植物还具有延迟成熟,开花稀疏和种子质量差的特点,但这在作物生长期并不容易被发现。

为了增加农作物产量,农民们每年都在向土地里施加大量各种化肥,实际上磷肥的供应早已成倍地超标。这是因为土壤中本来就有磷,这些磷化合物大多是不容易被植物吸收的难溶于水的磷酸盐,而当农民将过多的磷施加到土壤中之后,植物只能吸收其中约10~15%,其它大部分都被土壤固定,变成难溶的化合物了。多年来反复进行,这种做法已经使固磷能力饱和,并增加了许多农业土壤中的有效磷水平。

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农田

因此危机应对措施中首先应当根据实际情况减少甚至停止施加磷肥,利用土壤中长期积累下来的磷肥,农作物照样长势良好,农民还节省了开支。

与此同时,农业专家们还需要专门研究化肥特别是磷肥的使用效率,避免流失。一部分农业可以转向有机肥料,比如人与动物的大量排泄物和植物残骸都是很好的有机肥料。

磷危机更多的是一种商业危机,因为此前对磷酸盐的储量统计都只计算了那些开采成本低、利润丰厚的部分。一旦这些磷矿稀缺,商家自然会转向那些此前觉得开采价值低“没什么赚头”的地方进行挖掘。另外,目前已知有许多海洋底部存在大量未发掘的矿藏,这或许也是解决危机的途径之一。

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