stringtranslate.com

Цикл железа

Цикл железа
Биогеохимический цикл железа
Железо циркулирует в атмосфере, литосфере и океанах. Маркированные стрелки показывают поток в Тг железа в год. [1] [2] [3] [4] Железо в океане циркулирует между планктоном, агрегированными частицами (бионедоступное железо) и растворенным (биодоступное железо) и становится осадком через захоронение. [1] [5] [6] Гидротермальные источники высвобождают двухвалентное железо в океан [7] в дополнение к океаническому железу, поступающему из наземных источников. Железо попадает в атмосферу через вулканизм , [8] эоловую активность , [9] и некоторое количество через сжигание людьми. В антропоцене железо извлекается из шахт в земной коре, а часть повторно откладывается в хранилищах отходов. [4] [6]

Круговорот железа (Fe) — это биогеохимический цикл железа через атмосферу , гидросферу , биосферу и литосферу . Хотя Fe очень распространено в земной коре, [10] оно менее распространено в насыщенных кислородом поверхностных водах. Железо является ключевым микроэлементом в первичной продуктивности , [11] и ограничивающим питательным веществом в Южном океане, восточной экваториальной части Тихого океана и субарктической части Тихого океана, называемых регионами океана с высоким содержанием питательных веществ и низким содержанием хлорофилла (HNLC) . [12]

Железо существует в диапазоне степеней окисления от -2 до +7; однако на Земле оно преимущественно находится в окислительно-восстановительном состоянии +2 или +3 и является основным окислительно-восстановительным металлом на Земле. [13] Круговорот железа между его степенями окисления +2 и +3 называется циклом железа. Этот процесс может быть полностью абиотическим или облегчаться микроорганизмами , особенно бактериями, окисляющими железо . Абиотические процессы включают ржавление железосодержащих металлов, где Fe 2+ абиотически окисляется до Fe 3+ в присутствии кислорода, и восстановление Fe 3+ до Fe 2+ минералами сульфида железа. Биологический круговорот Fe 2+ осуществляется микробами, окисляющими и восстанавливающими железо. [14] [15]

Железо является необходимым микроэлементом практически для каждой формы жизни. Это ключевой компонент гемоглобина, важный для фиксации азота как часть семейства ферментов нитрогеназы , и как часть железо-серного ядра ферредоксина он облегчает транспорт электронов в хлоропластах, эукариотических митохондриях и бактериях. Из-за высокой реакционной способности Fe 2+ с кислородом и низкой растворимости Fe 3+ железо является ограничивающим питательным веществом в большинстве регионов мира.

Древняя земля

На ранней Земле, когда уровень кислорода в атмосфере составлял 0,001% от сегодняшнего, считалось, что растворенное Fe 2+ было гораздо более распространено в океанах и, следовательно, более биодоступно для микробной жизни. [16] Сульфид железа мог обеспечить энергию и поверхности для первых организмов. [17] В это время, до начала кислородного фотосинтеза , первичное производство могло доминировать фотоферротрофами, которые получали энергию от солнечного света и использовали электроны из Fe 2+ для фиксации углерода. [18]

Во время Великого окислительного события 2,3-2,5 миллиарда лет назад растворенное железо окислялось кислородом, вырабатываемым цианобактериями, образуя оксиды железа. Оксиды железа были плотнее воды и оседали на дно океана, образуя полосчатые железистые образования (BIF). [19] Со временем повышение уровня кислорода удаляло все большее количество железа из океана. BIF были ключевым источником железной руды в наше время. [20] [21]

Наземные экосистемы

Круговорот железа является важным компонентом наземных экосистем. Двухвалентная форма железа, Fe 2+ , доминирует в мантии, ядре или глубокой коре Земли. Трехвалентная форма, Fe 3+ , более стабильна в присутствии газообразного кислорода. [22] Пыль является ключевым компонентом круговорота железа Земли. Химическое и биологическое выветривание разрушает железосодержащие минералы, высвобождая питательные вещества в атмосферу. Изменения в гидрологическом цикле и растительном покрове влияют на эти закономерности и оказывают большое влияние на глобальное производство пыли, при этом оценки осаждения пыли колеблются от 1000 до 2000 Тг/год. [2] Эоловая пыль является важнейшей частью круговорота железа, перенося частицы железа с суши Земли через атмосферу в океан. [23]

Извержения вулканов также вносят ключевой вклад в земной цикл железа, выбрасывая богатую железом пыль в атмосферу либо крупными выбросами, либо небольшими порциями с течением времени. [24] Атмосферный перенос богатой железом пыли может влиять на концентрацию в океане. [2]

Океаническая экосистема

Океан является важнейшим компонентом климатической системы Земли , а круговорот железа играет ключевую роль в первичной продуктивности океана и функционировании морской экосистемы. Известно, что ограничение железа ограничивает эффективность биологического углеродного насоса. Наибольшее количество железа поступает в океаны из рек, где оно находится во взвешенном состоянии в виде частиц осадка. [25] Прибрежные воды получают железо из рек и бескислородных отложений. [21] Другими основными источниками железа в океане являются ледниковые частицы, перенос атмосферной пыли и гидротермальные источники . [26] Поставки железа являются важным фактором, влияющим на рост фитопланктона , основы морской пищевой сети. [27] Прибрежные регионы зависят от осаждения атмосферной пыли и апвеллинга. [21] Другими основными источниками железа в океане являются ледниковые частицы, гидротермальные источники и вулканический пепел. [28] В прибрежных регионах бактерии также конкурируют с фитопланктоном за поглощение железа. [21] В регионах HNLC железо ограничивает продуктивность фитопланктона. [29]

Роль морских животных в круговороте железа в Южном океане  [30]

Чаще всего железо было доступно в качестве неорганического источника для фитопланктона; однако органические формы железа также могут использоваться определенными диатомовыми водорослями , которые используют процесс механизма поверхностной редуктазы. Поглощение железа фитопланктоном приводит к самым низким концентрациям железа в поверхностной морской воде. Реминерализация происходит, когда тонущий фитопланктон разлагается зоопланктоном и бактериями. Апвеллинг перерабатывает железо и вызывает более высокие концентрации железа в глубоководных водах. В среднем на поверхности (<200 м) содержится 0,07 ± 0,04 нмоль Fe кг -1 , а на глубине (> 500 м) - 0,76 ± 0,25 нмоль Fe кг -1 . [21] Таким образом, зоны апвеллинга содержат больше железа, чем другие области поверхностных океанов. Растворимое железо в двухвалентной форме биодоступно для использования, что обычно происходит из эоловых ресурсов.  

Железо в основном присутствует в виде частиц в виде трехвалентного железа, а растворенная фракция железа удаляется из водной толщи путем коагуляции. По этой причине растворенный железный пул быстро оборачивается, примерно за 100 лет. [21]

Взаимодействие с другими элементными циклами

Биогеохимический цикл растворенного железа на поверхности океана  [31]
L S , сильный лиганд, связывающий железо; L W , слабый лиганд, связывающий железо; FeL S , железо, образующее комплекс с сильным лигандом , связывающим железо ; FeL w , железо, образующее комплекс со слабым лигандом, связывающим железо; Fe(II), вся сумма всех видов Fe(II); Fe′, сумма всех неорганических видов Fe(III); Fe col , коллоидные виды железа; Fe part , железо в фазе частиц; hv, поток фотонов; O 2 , растворенный кислород; и H 2 O 2 , растворенная перекись водорода.

Цикл железа существенно взаимодействует с циклами серы, азота и фосфора. Растворимое Fe(II) может действовать как донор электронов, восстанавливая окисленные органические и неорганические рецепторы электронов, включая O2 и NO3 , и окисляться до Fe(III). Окисленная форма железа затем может быть акцептором электронов для восстановленной серы, H2 и органических соединений углерода. Это возвращает железо в восстановленное состояние Fe(II), завершая цикл. [32]

Переход железа между Fe(II) и Fe(III) в водных системах взаимодействует с пресноводным фосфорным циклом . При наличии кислорода в воде Fe(II) окисляется до Fe(III) либо абиотически, либо микробами через литотрофное окисление. Fe(III) может образовывать гидроксиды железа, которые прочно связываются с фосфором, удаляя его из биодоступного фосфорного пула, ограничивая первичную продуктивность. В бескислородных условиях Fe(III) может восстанавливаться, использоваться микробами в качестве конечного акцептора электронов либо из органического углерода, либо из H2 . Это высвобождает фосфор обратно в воду для биологического использования. [33]

Цикл железа и серы может взаимодействовать в нескольких точках. Пурпурные серные бактерии и зеленые серные бактерии могут использовать Fe(II) в качестве донора электронов во время бескислородного фотосинтеза. [34] Бактерии, восстанавливающие сульфат в бескислородной среде, могут восстанавливать сульфат до сульфида, который затем связывается с Fe(II) для создания сульфида железа, твердого минерала, который выпадает в осадок из воды и удаляет железо и серу. Циклы железа, фосфата и серы могут взаимодействовать друг с другом. Сульфид может восстанавливать Fe(III) из железа, которое уже связано с фосфатом, когда больше нет доступных ионов металла, что высвобождает фосфат и создает сульфид железа. [35]

Железо играет важную роль в азотном цикле , помимо своей роли в составе ферментов, участвующих в фиксации азота. В бескислородных условиях Fe(II) может отдавать электрон, который принимается NO3− , который окисляется до нескольких различных форм соединений азота, NO2−, N2O , N2 и NH4 + , в то время как Fe (II) восстанавливается до Fe(III). [33]

Антропогенные воздействия

Влияние человека на цикл железа в океане обусловлено концентрацией пыли, возросшей в начале индустриальной эры. Сегодня в океанах содержится примерно вдвое больше растворимого железа, чем в доиндустриальные времена, из-за антропогенных загрязняющих веществ и источников сжигания растворимого железа. [29] Изменения в землепользовании и климате человека увеличили потоки пыли, что увеличивает количество эоловой пыли в открытых районах океана. [28] Другие антропогенные источники железа связаны со сжиганием. Самые высокие показатели сжигания железа наблюдаются в Восточной Азии, что составляет 20-100% отложений в океане по всему миру. [29]

Люди изменили цикл азота из-за сжигания ископаемого топлива и крупномасштабного сельского хозяйства. [36] Из-за увеличения содержания железа и азота повышается фиксация морского азота в субтропическом северном и южном Тихом океане. В субтропиках, тропиках и регионах HNLC увеличение поступления железа может привести к увеличению поглощения CO2 , что повлияет на глобальный цикл углерода . [36]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab Nickelsen L, Keller D, Oschlies A (2015-05-12). "Модуль динамического морского цикла железа, связанный с моделью системы Земли Университета Виктории: морская биогеохимическая модель Киль 2 для UVic 2.9". Geoscientific Model Development . 8 (5): 1357–1381. Bibcode :2015GMD.....8.1357N. doi : 10.5194/gmd-8-1357-2015 .
  2. ^ abc Jickells TD, An ZS, Andersen KK, Baker AR, Bergametti G, Brooks N и др. (апрель 2005 г.). «Глобальные связи железа между пылью пустыни, биогеохимией океана и климатом». Science . 308 (5718): 67–71. Bibcode :2005Sci...308...67J. doi :10.1126/science.1105959. PMID  15802595. S2CID  16985005.
  3. ^ Raiswell R, Canfield DE (2012). "Биогеохимический цикл железа в прошлом и настоящем" (PDF) . Геохимические перспективы . 1 (1): 1–232. Bibcode :2012GChP....1....1R. doi : 10.7185/geochempersp.1.1 .
  4. ^ ab Wang T, Müller DB, Graedel TE (2007-07-01). «Forging the Anthropogenic Iron Cycle». Environmental Science & Technology . 41 (14): 5120–5129. Bibcode : 2007EnST...41.5120W. doi : 10.1021/es062761t. PMID  17711233.
  5. ^ Völker C, Tagliabue A (июль 2015 г.). «Моделирование органических железосвязывающих лигандов в трехмерной биогеохимической модели океана» (PDF) . Marine Chemistry . 173 : 67–77. Bibcode :2015MarCh.173...67V. doi : 10.1016/j.marchem.2014.11.008 .
  6. ^ ab Matsui H, Mahowald NM, Moteki N, Hamilton DS, Ohata S, Yoshida A, Koike M, Scanza RA, Flanner MG (апрель 2018 г.). «Антропогенное сжигание железа как сложный фактор изменения климата». Nature Communications . 9 (1): 1593. Bibcode :2018NatCo...9.1593M. doi :10.1038/s41467-018-03997-0. PMC 5913250 . PMID  29686300. 
  7. ^ Эмерсон Д. (2016). «Ирония железа — биогенные оксиды железа как источник железа для океана». Frontiers in Microbiology . 6 : 1502. doi : 10.3389/fmicb.2015.01502 . PMC 4701967. PMID  26779157. 
  8. ^ Olgun N, Duggen S, Croot PL, Delmelle P, Dietze H, Schacht U и др. (2011). "Обогащение поверхности океана железом: роль переносимого по воздуху вулканического пепла из зоны субдукции и горячих точек вулканов и связанных с ними потоков железа в Тихий океан" (PDF) . Глобальные биогеохимические циклы . 25 (4): н/д. Bibcode :2011GBioC..25.4001O. doi : 10.1029/2009GB003761 .
  9. ^ Gao Y, Kaufman YJ, Tanre D, Kolber D, Falkowski PG (2001-01-01). «Сезонные распределения эоловых потоков железа в мировой океан». Geophysical Research Letters . 28 (1): 29–32. Bibcode : 2001GeoRL..28...29G. doi : 10.1029/2000GL011926 .
  10. ^ Тейлор SR (1964). «Распространенность химических элементов в континентальной коре: новая таблица». Geochimica et Cosmochimica Acta . 28 (8): 1273–1285. Bibcode : 1964GeCoA..28.1273T. doi : 10.1016/0016-7037(64)90129-2.
  11. ^ Tagliabue A, Bowie AR, Boyd PW, Buck KN, Johnson KS, Saito MA (март 2017 г.). «Неотъемлемая роль железа в биогеохимии океана» (PDF) . Nature . 543 (7643): 51–59. Bibcode : 2017Natur.543...51T. doi : 10.1038/nature21058. PMID  28252066. S2CID  2897283.
  12. ^ Мартин Дж. Х., Фицуотер С. Э. (1988). «Дефицит железа ограничивает рост фитопланктона в северо-восточной части Тихого океана». Nature . 331 (6154): 341–343. Bibcode :1988Natur.331..341M. doi :10.1038/331341a0. S2CID  4325562.
  13. ^ Melton ED, Swanner ED, Behrens S, Schmidt C, Kappler A (декабрь 2014 г.). «Взаимодействие микробиологически опосредованных и абиотических реакций в биогеохимическом цикле железа». Nature Reviews. Microbiology . 12 (12): 797–808. doi :10.1038/nrmicro3347. PMID  25329406. S2CID  24058676.
  14. ^ Шмидт К., Беренс С., Капплер А. (2010). «Функционирование экосистемы с геомикробиологической точки зрения – концептуальная основа для биогеохимического круговорота железа». Экологическая химия . 7 (5): 399. doi : 10.1071/EN10040 .
  15. ^ Капплер, Андреас; Штрауб, Кристина Л. (2005-01-01). «Геомикробиологическая цикличность железа». Обзоры по минералогии и геохимии . 59 (1): 85–108. doi :10.2138/rmg.2005.59.5. ISSN  1529-6466.
  16. ^ Canfield DE, Rosing MT, Bjerrum C (октябрь 2006 г.). «Ранние анаэробные метаболизмы». Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological Sciences . 361 (1474): 1819–34, обсуждение 1835–6. doi :10.1098/rstb.2006.1906. PMC 1664682. PMID  17008221 . 
  17. ^ Шредер, Кристиан; Кёлер, Инга; Мюллер, Франсуа Л. Л.; Чумаков, Александр И.; Купенко, Илья; Рюффер, Рудольф; Капплер, Андреас (2016). "Биогеохимический цикл железа и астробиология". Сверхтонкие взаимодействия . 237 : 85. Bibcode : 2016HyInt.237...85S. doi : 10.1007/s10751-016-1289-2 . hdl : 10576/4743 .
  18. ^ Camacho A, Walter XA, Picazo A , Zopfi J (2017). «Фотоферротрофия: остатки древнего фотосинтеза в современных условиях». Frontiers in Microbiology . 8 : 323. doi : 10.3389/fmicb.2017.00323 . PMC 5359306. PMID  28377745. 
  19. ^ "Великое событие оксигенации – когда Земля сделала свой первый вдох – Научные каракули" . Получено 2020-04-10 .
  20. ^ Томпсон, Кэтрин Дж.; Кенвард, Пол А.; Бауэр, Коэн В.; Варчола, Тайлер; Гогер, Тина; Мартинес, Рауль; Симистер, Рэйчел Л.; Михильс, Селин К.; Ллирос, Марк; Рейнхард, Кристофер Т.; Капплер, Андреас (01.11.2019). «Фотоферротрофия, отложение железистых полосчатых образований и производство метана в архейских океанах». Science Advances . 5 (11): eaav2869. Bibcode :2019SciA....5.2869T. doi :10.1126/sciadv.aav2869. ISSN  2375-2548. PMC 6881150 . PMID  31807693. 
  21. ^ abcdef Тортелл, Филипп Д.; Мальдонадо, Мария Т.; Грейнджер, Джули; Прайс, Нил М. (1999-05-01). «Морские бактерии и биогеохимический цикл железа в океанах». FEMS Microbiology Ecology . 29 (1): 1–11. doi : 10.1111/j.1574-6941.1999.tb00593.x . ISSN  0168-6496.
  22. ^ Джонсон CM, Бирд BL (август 2005 г.). «Геохимия. Биогеохимический цикл изотопов железа». Science . 309 (5737): 1025–7. doi :10.1126/science.1112552. PMID  16099969. S2CID  94734488.
  23. ^ Фань, Сонг-Мяо; Моксим, Уолтер Дж.; Леви, Хирам (2006). «Эоловый приток биодоступного железа в океан». Geophysical Research Letters . 33 (7): L07602. Bibcode : 2006GeoRL..33.7602F. doi : 10.1029/2005GL024852 . ISSN  0094-8276.
  24. ^ Achterberg EP, Moore CM, Henson SA, Steigenberger S, Stohl A, Eckhardt S, et al. (2013). "Естественное железное удобрение в результате извержения вулкана Эйяфьятлайокудль" (PDF) . Geophysical Research Letters . 40 (5): 921–926. Bibcode : 2013GeoRL..40..921A. doi : 10.1002/grl.50221. S2CID  55216781.
  25. ^ Poulton SW (2002). "Низкотемпературный геохимический цикл железа: от континентальных потоков до морского осадочного отложения" (PDF) . American Journal of Science . 302 (9): 774–805. Bibcode :2002AmJS..302..774P. doi :10.2475/ajs.302.9.774.
  26. ^ Duggen S, Olgun N, Croot P, Hoffmann LJ, Dietze H, Delmelle P, Teschner C (2010). «Роль переносимого по воздуху вулканического пепла для биогеохимического цикла железа на поверхности океана: обзор». Biogeosciences . 7 (3): 827–844. Bibcode :2010BGeo....7..827D. doi : 10.5194/bg-7-827-2010 .
  27. ^ Хатчинс ДА, Бойд ПВ (2016). «Морской фитопланктон и меняющийся цикл океанского железа». Nature Climate Change . 6 (12): 1072–1079. Bibcode : 2016NatCC...6.1072H. doi : 10.1038/nclimate3147.
  28. ^ ab Leeuwen, HP (Herman) van, Riemsdijk, WH van, Hiemstra, TJ (Tjisse), Krebs, CJ, Hiemstra, TJ (Tjisse) и Krebs, CJ (2008). Биогеохимический цикл железа: роль природного органического вещества.
  29. ^ abc Luo, Chao; Mahowald, N.; Bond, T.; Chuang, PY; Artaxo, P.; Siefert, R.; Chen, Y.; Schauer, J. (2008). "Распределение и отложение железа при сгорании". Глобальные биогеохимические циклы . 22 (1): n/a. Bibcode : 2008GBioC..22.1012L. doi : 10.1029/2007GB002964.
  30. ^ Ратнараджа, Лавения; Никол, Стив; Боуи, Эндрю Р. (2018). «Пелагическая переработка железа в Южном океане: исследование вклада морских животных». Frontiers in Marine Science . 5. doi : 10.3389/fmars.2018.00109 . S2CID  4376458. Материал скопирован из этого источника, который доступен по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International.
  31. ^ Croot, Peter L.; Heller, Maija I. (2012). «Значение кинетики и окислительно-восстановительного потенциала в биогеохимическом цикле железа на поверхности океана». Frontiers in Microbiology . 3 : 219. doi : 10.3389/fmicb.2012.00219 . PMC 3377941. PMID  22723797 .  Материал скопирован из этого источника, который доступен по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International.
  32. ^ Роден, Эрик; Соболев, Дмитрий; Глейзер, Брайан; Лютер, Джордж (2004-09-01). «Потенциал микромасштабного бактериального цикла окисления-восстановления железа на аэробно-анаэробном интерфейсе». Geomicrobiology Journal . 21 (6): 379–391. doi :10.1080/01490450490485872. S2CID  14296044.
  33. ^ ab Burgin, Amy J.; Yang, Wendy H.; Hamilton, Stephen K.; Silver, Whendee L. (2011). «За пределами углерода и азота: как микробная энергетическая экономика связывает элементарные циклы в разнообразных экосистемах». Frontiers in Ecology and the Environment . 9 (1): 44–52. doi :10.1890/090227. hdl : 1808/21008 . ISSN  1540-9309.
  34. ^ Haaijer, Suzanne; Crienen, Gijs; Jetten, Mike; Op den Camp, Huub (2012-02-03). "Бактерии аноксического цикла железа из пресноводной среды, богатой сульфидом железа и нитратом". Frontiers in Microbiology . 3 : 26. doi : 10.3389/fmicb.2012.00026 . PMC 3271277. PMID  22347219. 
  35. ^ Haaijer, Suzanne CM; Lamers, Leon PM; Smolders, Alfons JP; Jetten, Mike SM; Camp, Huub JM Op den (2007-08-14). «Сульфид железа и пирит как потенциальные доноры электронов для микробного восстановления нитрата в пресноводных водно-болотных угодьях». Geomicrobiology Journal . 24 (5): 391–401. doi : 10.1080/01490450701436489. hdl : 2066/34570 . ISSN  0149-0451. S2CID  97227345.
  36. ^ ab Krishnamurthy, Aparna; Moore, J. Keith; Mahowald, Natalie; Luo, Chao; Doney, Scott C.; Lindsay, Keith; Zender, Charles S. (2009). "Влияние увеличения антропогенного растворимого отложения железа и азота на биогеохимию океана". Global Biogeochemical Cycles . 23 (3): n/a. Bibcode : 2009GBioC..23.3016K. doi : 10.1029/2008GB003440. hdl : 1912/3418 . ISSN  1944-9224. S2CID  2839652.

Дальнейшее чтение