"La vita può modificarsi fino a quando tutto il fosforo non sarà scomparso e poi ci sarà un arresto inesauribile che nulla potrà impedire" scriveva Isaac Asimov nel 1974. Pura fantascienza? No, perché l'autore famoso per i suoi racconti fantastici si riferiva a un problema molto reale: il fosforo è uno dei principali nutrienti delle piante ed è utilizzato in agricoltura sotto forma di fertilizzante, ottenuto principalmente dalla roccia fosfatica, è quindi un composto essenziale per le produzioni alimentati, ma è anche una risorsa non rinnovabile.


Se in passato proveniva dalle risorse organiche come il guano (escrementi di uccelli marini e pipistrelli) e il letame, a partire dalla metà del 1900 l'aumento della domanda per la produzione di fertilizzanti ha portato alla sua estrazione dalle miniere. Ad oggi, in agricoltura, c'è un eccesso di fosforo che inquina l'ambiente e crea fenomeni dannosi come l'eutrofizzazione, il processo per cui l'aumento del contenuto di fosfati nel mare porta a enormi fioriture di alghe, che impoveriscono l'acqua di ossigeno e decimano gli ecosistemi marini.

 

Così il flusso ambientale è quadruplicato e il ciclo naturale del fosforo è stato perturbato per sempre.

 

Ora le riserve di fosforo nelle miniere stanno esaurendo: il picco massimo di estrazione è stato stimato intorno al 2033. Inoltre, il fatto che queste miniere siano concentrate in pochissimi paesi preannuncia future tensioni politiche e un sensibile aumento dei prezzi dei fertilizzanti, ad oggi già in corso.

 

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Importanza del fosforo e problemi legati all'estrazione

353 anni fa fu scoperto il fosforo grazie a Hennig Brand, un alchimista di Amburgo, che riscaldò i residui maleodoranti dell'urina con sabbia e carbone alla ricerca della "pietra filosofale". La sostanza che isolò emanava un bagliore verde pallido, e così lo chiamò fosforo che in greco significa portatore di luce.

 

Il fosforo è un elemento essenziale per tutte le forme di vita: è necessario per la formazione del Dna ed è un componente cruciale dell'Atp, il vettore energetico primario nelle cellule. Inoltre è presente nei doppi strati fosfolipidici che formano le membrane delle cellule e nel fosfato di calcio, che è il componente principale delle ossa e dei denti dei mammiferi. 


Il ciclo naturale del fosforo, che è stato stabilito su scale temporali geologiche, prevede innanzitutto l'erosione dei minerali contenenti fosforo nel suolo e nei corsi d'acqua. Da qui viene assorbito dai microrganismi e dalle piante e successivamente dagli animali che si nutrono delle piante. Il fosforo ritorna al suolo per escrezione dagli animali e per decomposizione di piante e animali dopo la morte; nel tempo, parte del fosforo viene perso nei corsi d'acqua e infine nel mare, dove per lunghi periodi di tempo viene reincorporato nella roccia sedimentaria.

 

Questo equilibrio naturale è stato gravemente influenzato dall'attività umana attraverso la deforestazione e la perdita di suolo, che hanno portato a una più rapida perdita di fosforo dal suolo nelle acque superficiali, e all'ampia estrazione di roccia fosfatica, cominciata dopo la seconda guerra mondiale, che oggi raggiunge circa le 20 mega tonnellate di fosforo all'anno.


Le miniere non sono distribuite equamente in tutto il mondo: i tre quarti si trovano in Marocco e Africa del Nord, Cina, Stati Uniti e Russia. L'Unione Europea è fortemente dipendente da questi paesi per l'importazione della roccia fosfatica ed è per questo che nel 2014 ha incluso la fosforite nell'elenco delle 20 materie prime critiche cioè quelle che hanno una grande importanza economica e un forte rischio di approvvigionamento.

 

Circa il 90% della roccia fosfatica estratta è destinata alla produzione di alimenti. I fertilizzanti a base di fosforo sono: fosfato di ammonio, fosfato monoammonico, NPK e superfosfato triplo e singolo. L'estrazione del fosforo ha un forte impatto ambientale perché le cave e le zone di lavorazione della roccia sono contaminate da diverse sostanze che servono per portare in soluzione il fosforo.

 

A partire dall'estrazione fino alla distribuzione del fertilizzante in campo e alla produzione alimentare si può perdere tra il 45 e l'80% di fosforo. Queste perdite sono dovute a fenomeni di erosione innescati dalle piogge e dalle lavorazioni del terreno, e circa la metà va a finire negli ecosistemi acquatici favorendo il processo di eutrofizzazione che comporta la formazione di grandi fioriture di alghe che danneggiano la vita acquatica creando le così dette "zone morte" cioè costiere marine impoverite di ossigeno. Infine, oltre l'80% del fosforo impiegato in forma di fertilizzante non è disponibile alle colture per fenomeni di assorbimento, precipitazione o immobilizzazione microbica.

 

Recupero e riciclaggio del fosforo

La consapevolezza della necessità di gestire al meglio le risorse del pianeta in via di esaurimento è aumentata in modo esponenziale negli ultimi decenni insieme allo sforzo nello sviluppo di economie circolari promettenti. È qui che, infatti, rientrano una serie di soluzioni al problema dell'estrazione del fosforo che partono dall'utilizzo di fonti secondarie per la produzione di fertilizzanti ottenute del recupero e dal riciclaggio del nutriente: acque reflue, fanghi di depurazione, letame, carcasse di animali, rifiuti alimentari, eccetera.

 

Il riciclaggio del fosforo dai fanghi di depurazione e dai rifiuti di macellazione è già obbligatorio in Svizzera, Germania e Austria; in Svizzera, Olanda e Germania è vietata l'applicazione diretta dei fanghi di depurazione proprio per ridurre i problemi legati al fenomeno dell'eutrofizzazione. Un altro esempio è quello della Svezia dove molti comuni dal 2006 sono obbligati ad avere servizi igienici che convogliano l'urina in un serbatoio di accumulo sotto casa. Dopo essere stata stoccata in un serbatoio del comune, gli agricoltori vanno a raccoglierla circa una volta all'anno per usarla come fertilizzante liquido.

 

Dalle acque reflue il fosforo può essere recuperato attraverso la sua precipitazione e successiva sedimentazione oppure attraverso l'uso di microrganismi capaci di accumulare e sequestrare il fosforo, detti phosphorus accumulating organism (Pao).

 

Dalle acque reflue si può anche ottenere per precipitazione e cristallizzazione del fosforo la struvite, un minerale costituito da ioni magnesio, ammonio, e fosfato. È un processo tra i più promettenti ed eco-sostenibili che genera una sostanza che può essere utilizzata come un fertilizzante a lento rilascio. Allo stesso tempo però, è applicabile solo a impianti di depurazione biologica dove il fosforo da recuperare non è contaminato da metalli e il fertilizzante ricavato dalla struvite è circa 3 volte più costoso della fosforite usata come materia prima.

 

I fanghi di depurazione prodotti durante il trattamento delle acque reflue sono una grande fonte di fosfato con i quali si potrebbe sostituire dal 40 al 50% dei fertilizzanti fosfatici usati in agricoltura. L'uso tal quale dei fanghi in agricoltura è vietato in diversi paesi perché oltre alle grandi quantità di nutrienti presenti ci sono anche molti contaminanti come metalli pesanti, prodotti farmaceutici e agenti patogeni. Nei paesi in cui questa legislazione è in vigore, hanno optato per l'opzione alternativa dell'incenerimento.

 

Il fosforo è un elemento particolarmente abbondante nel terreno e si potrebbe dire che ce n'è talmente tanto che non servirebbe applicare fertilizzanti. Peccato che la maggior parte del fosforo presente nel suolo sia insolubile e quindi non disponibile per l'assorbimento radicale da parte delle piante. Inoltre, gran parte del fosforo inorganico solubile utilizzato nei fertilizzanti sintetici viene immobilizzato subito dopo l'applicazione in campo e si converte così nella forma non disponile per la pianta.

 

Per questi motivi la ricerca in agricoltura si sta concentrando anche sul miglioramento dell'efficienza nell'uso dei fertilizzanti attraverso l'applicazione di microrganismi vivi in grado di solubilizzare il fosforo, detti anche phosphate solubilizing microbes (Psm) e considerati dei promettenti biofertilizzanti. Questi possono convertire il fosforo inorganico in fosforo solubile attraverso l'azione di acidi organici a basso peso molecolare o per azione di gruppi idrossilici e carbossilici che possono di legare i cationi del fosforo generando la conversione. Dalle ricerche emerge che l'applicazione di microrganismi biofertilizzanti che solubilizzano il fosforo può portare ad una riduzione del 10% dell'applicazione di fertilizzante al fosforo. Generi di batteri capaci di solubilizzare il fosforo sono, ad esempio, Bacillus, Pseudomonas, Bulkolderia, Rhizobium, Erwinia, eccetera.

 

Conclusioni

Il fosfato può essere recuperato dai flussi di rifiuti, riciclato e riutilizzato come risorsa per nuovi prodotti. Queste sono le attività alla base del processo che permetterà di chiudere il cerchio e stabilire un moderno ciclo del fosforo, più sostenibile per tutti.

 

Negli ultimi anni sono stati fatti molti sforzi per sviluppare tecnologie di recupero anche grazie a diversi enti governativi e piattaforme interorganizzative. Un esempio è quello della European Sustainable Phosphorus Platform (Espp), che comprende oltre 150 membri provenienti dall'industria, dal mondo della ricerca e da quello politico. Il suo obiettivo principale è la condivisione delle conoscenze, il networking e facilitare la discussione tra il mercato, le parti interessate e le autorità di regolamentazione.

 

C'è anche il Global Phosphorus Research Initiative, che ha prodotto alcune delle prime stime dei potenziali tempi di scarsità di fosforo e nel 2010 è nato il Global Transdisciplinary Processes for Sustainable Phosphorus Management, per connettere tra loro scienziati, industrie, imprese e gruppi governativi.

 

In Italia c'è la Piattaforma Italiana del Fosforo che ha come finalità quelle di raggiungere l'autosufficienza del fosforo su base nazionale e coordinare le politiche europee.

 

Questi problemi di sostenibilità del fosforo sono strettamente collegati ad altre sfide, tra cui la gestione dell'azoto, il trattamento delle acque, i rifiuti alimentari, l'erosione del suolo, i contaminanti e la sicurezza alimentare. Il miglioramento della produzione  e dell'uso del fosforo, il suo recupero e riciclaggio possono far risparmiare denaro, contribuire a ridurre l'inquinamento da nutrienti e generare occupazione nell'economia circolare.

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Le riserve di fosforo nelle miniere stanno esaurendo e il picco massimo di estrazione è stato stimato intorno al 2033 (Foto di archivio) Fonte foto: © doctor_osen - Adobe Stock