stringtranslate.com

Железный цикл

Железный цикл
Биогеохимический цикл железа
Железо циркулирует в атмосфере, литосфере и океанах. Маркированные стрелки показывают поток железа в Тг в год. [1] [2] [3] [4] Железо в океане циркулирует между планктоном, агрегированными частицами (небиодоступное железо) и растворенным (биодоступное железо) и превращается в отложения в результате захоронения. [1] [5] [6] Гидротермальные жерла выбрасывают двухвалентное железо в океан [7] в дополнение к поступлению океанического железа из наземных источников. Железо попадает в атмосферу в результате вулканизма , [8] эоловой деятельности , [9] и некоторых видов сжигания в результате деятельности человека. В антропоцене железо извлекается из шахт в земную кору, а часть переоткладывается в хранилищах отходов. [4] [6]

Круговорот железа (Fe) — это биогеохимический круговорот железа в атмосфере , гидросфере , биосфере и литосфере . Хотя железо широко распространено в земной коре, [10] оно менее распространено в насыщенных кислородом поверхностных водах. Железо является ключевым микроэлементом первичной продуктивности [11] и ограничивающим питательным веществом в Южном океане, восточной экваториальной части Тихого океана и субарктической части Тихого океана, называемой 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 он находится преимущественно в окислительно-восстановительном состоянии +2 или +3 и является основным окислительно-восстановительным активным металлом на Земле. [13] Циклическое движение железа между степенями окисления +2 и +3 называется циклом железа. Этот процесс может быть полностью абиотическим или облегчаться микроорганизмами , особенно железоокисляющими бактериями . К абиотическим процессам относятся ржавление железосодержащих металлов, при котором Fe 2+ абиотически окисляется до Fe 3+ в присутствии кислорода, и восстановление Fe 3+ до Fe 2+ железосульфидными минералами. Биологический круговорот Fe 2+ осуществляется микробами, окисляющими и восстанавливающими железо. [14] [15]

Железо является важным 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, митохондриях эукариот и бактериях. Из-за высокой реакционной способности Fe 2+ с кислородом и низкой растворимости Fe 3+ железо является лимитирующим питательным веществом в большинстве регионов мира.

Древняя земля

На ранней Земле, когда уровень кислорода в атмосфере составлял 0,001% от нынешнего уровня, считалось, что растворенного Fe 2+ было гораздо больше в океанах и, следовательно, он был более биодоступен для микробной жизни. [16] Сульфид железа, возможно, обеспечил энергию и поверхность для первых организмов. [17] В это время, до появления оксигенного фотосинтеза , в первичном производстве могли доминировать фотоферротрофы, которые получали энергию от солнечного света и использовали электроны от Fe 2+ для фиксации углерода. [18]

Во время Великого события окисления , произошедшего 2,3–2,5 миллиарда лет назад, растворенное железо окислялось кислородом, вырабатываемым цианобактериями, с образованием оксидов железа. Оксиды железа были плотнее воды и падали на дно океана, образуя полосчатые железные образования (BIF). [19] Со временем повышение уровня кислорода привело к удалению все большего количества железа из океана. BIF в наше время являются ключевым источником железной руды. [20] [21]

Наземные экосистемы

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

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

Океаническая экосистема

Океан является важнейшим компонентом климатической системы Земли , а цикл железа играет ключевую роль в первичной продуктивности океана и функционировании морской экосистемы. Известно, что ограничение железа ограничивает эффективность биологического углеродного насоса. Наибольшее количество железа в океанах поступает из рек, где оно взвешено в виде частиц отложений. [25] Прибрежные воды получают железо из рек и бескислородных отложений. [21] Другие основные источники железа в океане включают ледниковые частицы, перенос атмосферной пыли и гидротермальные источники . [26] Поставка железа является важным фактором, влияющим на рост фитопланктона , основы морской пищевой сети. [27] Морские регионы зависят от атмосферных осаждений пыли и апвеллинга. [21] Другие основные источники железа в океане включают ледниковые частицы, гидротермальные жерла и вулканический пепел. [28] В морских 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 поверхностно-редуктазного механизма. 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 на глубине. В среднем на поверхности (<200 м) содержится 0,07±0,04 нмоль Fe/кг , на глубине (>500 м) – 0,76±0,25 нмоль Fe /кг . [21] Таким образом, зоны апвеллинга содержат больше железа, чем другие участки поверхности океана. Растворимое железо в двухвалентной форме биодоступно для использования и обычно поступает из эоловых ресурсов.  

Железо в основном присутствует в виде твердых частиц в виде трехвалентного железа, а растворенная фракция железа удаляется из толщи воды путем коагуляции. По этой причине пул растворенного железа быстро обновляется, примерно за 100 лет. [21]

Взаимодействие с другими элементальными циклами

Биогеохимический круговорот растворенного железа в поверхностном океане  [31]
L S – сильный железосвязывающий лиганд; L W , слабый железосвязывающий лиганд; FeL S — железо в комплексе с сильным железосвязывающим лигандом ; FeL w — железо в комплексе со слабым железосвязывающим лигандом; Fe(II), вся сумма всех видов Fe(II); Fe' — сумма всех неорганических частиц Fe(III); Fe col — коллоидные формы железа; Fe часть — железо в дисперсной фазе; hv — поток фотонов; О 2 , растворенный кислород; и H 2 O 2 , растворенная перекись водорода.

Цикл железа существенно взаимодействует с циклами серы, азота и фосфора. Растворимый Fe(II) может действовать как донор электронов, восстанавливая окисленные органические и неорганические рецепторы электронов, включая O 2 и NO 3 , и окисляться до Fe(III). Окисленная форма железа может тогда быть акцептором электронов для восстановленной серы, H 2 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 посредством литотрофного окисления. Fe(III) может образовывать гидроксиды железа, которые прочно связываются с фосфором, удаляя его из пула биодоступного фосфора, ограничивая первичную продуктивность. В бескислородных условиях Fe(III) может восстанавливаться и использоваться микробами в качестве конечного акцептора электронов либо от органического углерода, либо от H 2 . При этом фосфор возвращается 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] Сульфатвосстанавливающие бактерии в бескислородной среде могут восстанавливать сульфат до сульфида, который затем связывается с Fe(II) с образованием 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 NO 3 − , который окисляется до нескольких различных форм соединений азота, NO 2 − , N 2 O, N 2 и NH 4 + , тогда как Fe(II ) восстанавливается до Fe(III). [33]

Антропогенные воздействия

Воздействие человека на круговорот железа в океане обусловлено увеличением концентрации пыли в начале индустриальной эпохи. Сегодня в океанах содержится примерно вдвое больше растворимого железа, чем в доиндустриальные времена, из-за антропогенных загрязнителей и источников сгорания растворимого железа. [29] Изменения в деятельности человека по землепользованию и климате привели к увеличению потоков пыли, что увеличивает количество эоловой пыли в открытых регионах океана. [28] Другие антропогенные источники железа связаны с сжиганием. Самая высокая скорость сгорания железа наблюдается в Восточной Азии, на которую приходится 20–100% океанических отложений по всему миру. [29]

Люди изменили цикл азота в результате сжигания ископаемого топлива и крупномасштабного сельского хозяйства. [36] Из-за увеличения содержания железа и азота повышается фиксация морского азота в субтропической северной и южной части Тихого океана. В субтропиках, тропиках и регионах HNLC увеличение поступления железа может привести к увеличению поглощения CO 2 , что повлияет на глобальный углеродный цикл . [36]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ аб Никельсен Л., Келлер Д., Ошлис А. (12 мая 2015 г.). «Модуль динамического морского цикла железа, соединенный с моделью системы Земли Университета Виктории: Кильская морская биогеохимическая модель 2 для UVic 2.9». Разработка геонаучной модели . 8 (5): 1357–1381. Бибкод : 2015GMD.....8.1357N. дои : 10.5194/gmd-8-1357-2015 .
  2. ^ abc Jickells TD, An ZS, Андерсен К.К., Бейкер А.Р., Бергаметти Г., Брукс Н. и др. (апрель 2005 г.). «Глобальные железные связи между пылью пустыни, биогеохимией океана и климатом». Наука . 308 (5718): 67–71. Бибкод : 2005Sci...308...67J. дои : 10.1126/science.1105959. PMID  15802595. S2CID  16985005.
  3. ^ Рэйсуэлл Р., Кэнфилд, DE (2012). «Биогеохимический цикл железа в прошлом и настоящем» (PDF) . Геохимические перспективы . 1 (1): 1–232. Бибкод :2012ГЧП....1....1Р. дои : 10.7185/geochempersp.1.1 .
  4. ^ Аб Ван Т., Мюллер Д.Б., Гредель Т.Э. (1 июля 2007 г.). «Формирование антропогенного цикла железа». Экологические науки и технологии . 41 (14): 5120–5129. Бибкод : 2007EnST...41.5120W. дои : 10.1021/es062761t. ПМИД  17711233.
  5. ^ Фёлькер С, Тальябуэ А (июль 2015 г.). «Моделирование органических железосвязывающих лигандов в трехмерной биогеохимической модели океана» (PDF) . Морская химия . 173 : 67–77. Бибкод : 2015Март.173...67В. дои : 10.1016/j.marchem.2014.11.008 .
  6. ^ ab Мацуи Х, Маховальд Н.М., Мотеки Н., Гамильтон Д.С., Охата С., Ёсида А., Койке М., Сканза Р.А., Фланнер М.Г. (апрель 2018 г.). «Антропогенное горение железа как комплексный фактор климата». Природные коммуникации . 9 (1): 1593. Бибкод : 2018NatCo...9.1593M. дои : 10.1038/s41467-018-03997-0. ПМЦ 5913250 . ПМИД  29686300. 
  7. ^ Эмерсон Д. (2016). «Ирония железа - биогенные оксиды железа как источник железа в океане». Границы микробиологии . 6 : 1502. дои : 10.3389/fmicb.2015.01502 . ПМК 4701967 . ПМИД  26779157. 
  8. ^ Олгун Н., Дугген С., Крут П.Л., Делмелле П., Дитце Х., Шахт У. и др. (2011). «Удобрение железом на поверхности океана: роль переносимого по воздуху вулканического пепла из зоны субдукции и вулканов горячих точек и связанных с ним потоков железа в Тихий океан» (PDF) . Глобальные биогеохимические циклы . 25 (4): н/д. Бибкод : 2011GBioC..25.4001O. дои : 10.1029/2009GB003761 .
  9. ^ Гао Ю., Кауфман Ю.Дж., Танре Д., Кольбер Д., Фальковски П.Г. (01 января 2001 г.). «Сезонные распределения эоловых потоков железа в Мировой океан». Письма о геофизических исследованиях . 28 (1): 29–32. Бибкод : 2001GeoRL..28...29G. дои : 10.1029/2000GL011926 .
  10. ^ Тейлор С.Р. (1964). «Распространение химических элементов в континентальной коре: новая таблица». Geochimica et Cosmochimica Acta . 28 (8): 1273–1285. Бибкод : 1964GeCoA..28.1273T. дои : 10.1016/0016-7037(64)90129-2.
  11. ^ Тальябу А., Боуи А.Р., Бойд П.В., Бак К.Н., Джонсон К.С., Сайто М.А. (март 2017 г.). «Неотъемлемая роль железа в биогеохимии океана» (PDF) . Природа . 543 (7643): 51–59. Бибкод : 2017Natur.543...51T. дои : 10.1038/nature21058. PMID  28252066. S2CID  2897283.
  12. ^ Мартин Дж. Х., Фицуотер SE (1988). «Дефицит железа ограничивает рост фитопланктона в субарктической северо-восточной части Тихого океана». Природа . 331 (6154): 341–343. Бибкод : 1988Natur.331..341M. дои : 10.1038/331341a0. S2CID  4325562.
  13. ^ Мелтон Э.Д., Сваннер Э.Д., Беренс С., Шмидт С., Капплер А. (декабрь 2014 г.). «Взаимодействие микробно-опосредованных и абиотических реакций в биогеохимическом цикле железа». Обзоры природы. Микробиология . 12 (12): 797–808. doi : 10.1038/nrmicro3347. PMID  25329406. S2CID  24058676.
  14. ^ Шмидт С., Беренс С., Капплер А. (2010). «Функционирование экосистемы с геомикробиологической точки зрения - концептуальная основа биогеохимического круговорота железа». Экологическая химия . 7 (5): 399. doi : 10.1071/EN10040 .
  15. ^ Капплер, Андреас; Штрауб, Кристина Л. (1 января 2005 г.). «Геомикробиологический круговорот железа». Обзоры по минералогии и геохимии . 59 (1): 85–108. дои :10.2138/rmg.2005.59.5. ISSN  1529-6466.
  16. ^ Кэнфилд DE, Розинг MT, Бьеррум С (октябрь 2006 г.). «Ранний анаэробный метаболизм». Философские труды Лондонского королевского общества. Серия Б, Биологические науки . 361 (1474): 1819–34, обсуждение 1835–6. дои : 10.1098/rstb.2006.1906. ПМЦ 1664682 . ПМИД  17008221. 
  17. ^ Шредер, Кристиан; Кёлер, Инга; Мюллер, Франсуа LL; Чумаков Александр И.; Купенко Илья; Рюффер, Рудольф; Капплер, Андреас (2016). «Биогеохимический цикл железа и астробиология». Сверхтонкие взаимодействия . 237 : 85. Бибкод : 2016HyInt.237...85S. дои : 10.1007/s10751-016-1289-2 . hdl : 10576/4743 .
  18. ^ Камачо А, Уолтер XA, Пикасо А, Зопфи Дж (2017). «Фотоферротрофия: остатки древнего фотосинтеза в современной среде». Границы микробиологии . 8 : 323. дои : 10.3389/fmicb.2017.00323 . ПМЦ 5359306 . ПМИД  28377745. 
  19. ^ «Великое событие оксигенации – когда Земля сделала первый вздох – Научные каракули» . Проверено 10 апреля 2020 г.
  20. ^ Томпсон, Кэтрин Дж.; Кенвард, Пол А.; Бауэр, Коэн В.; Варчола, Тайлер; Гогер, Тина; Мартинес, Рауль; Симистер, Рэйчел Л.; Михилс, Селин С.; Ллирос, Марк; Рейнхард, Кристофер Т.; Капплер, Андреас (01 ноября 2019 г.). «Фотоферротрофия, отложение полосчатых железных образований и производство метана в архейских океанах». Достижения науки . 5 (11): eaav2869. Бибкод : 2019SciA....5.2869T. doi : 10.1126/sciadv.aav2869. ISSN  2375-2548. ПМК 6881150 . ПМИД  31807693. 
  21. ^ abcdef Тортелл, Филипп Д.; Мальдонадо, Мария Т.; Грейнджер, Джули; Прайс, Нил М. (1 мая 1999 г.). «Морские бактерии и биогеохимический круговорот железа в океанах». ФЭМС Микробиология Экология . 29 (1): 1–11. дои : 10.1111/j.1574-6941.1999.tb00593.x . ISSN  0168-6496.
  22. ^ Джонсон CM, Берд BL (август 2005 г.). «Геохимия. Биогеохимический круговорот изотопов железа». Наука . 309 (5737): 1025–7. дои : 10.1126/science.1112552. PMID  16099969. S2CID  94734488.
  23. ^ Фань, Сун-Мяо; Моксим, Уолтер Дж.; Леви, Хирам (2006). «Эолийский вклад биодоступного железа в океан». Письма о геофизических исследованиях . 33 (7): L07602. Бибкод : 2006GeoRL..33.7602F. дои : 10.1029/2005GL024852 . ISSN  0094-8276.
  24. ^ Ахтерберг Э.П., Мур С.М., Хенсон С.А., Штайгенбергер С., Столь А., Экхардт С. и др. (2013). «Природное удобрение железом в результате извержения вулкана Эйяфьятлайокудль» (PDF) . Письма о геофизических исследованиях . 40 (5): 921–926. Бибкод : 2013GeoRL..40..921A. дои : 10.1002/grl.50221. S2CID  55216781.
  25. ^ Поултон SW (2002). «Низкотемпературный геохимический цикл железа: от континентальных потоков к отложению морских отложений» (PDF) . Американский научный журнал . 302 (9): 774–805. Бибкод : 2002AmJS..302..774P. дои : 10.2475/ajs.302.9.774.
  26. ^ Дугген С., Олгун Н., Крут П., Хоффманн Л.Дж., Дитце Х., Делмелле П., Тешнер С. (2010). «Роль переносимого по воздуху вулканического пепла для биогеохимического цикла железа на поверхности океана: обзор». Биогеонауки . 7 (3): 827–844. Бибкод : 2010BGeo....7..827D. дои : 10.5194/bg-7-827-2010 .
  27. ^ Хатчинс Д.А., Бойд П.В. (2016). «Морской фитопланктон и меняющийся цикл железа в океане». Природа Изменение климата . 6 (12): 1072–1079. Бибкод : 2016NatCC...6.1072H. дои : 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 Луо, Чао; Маховальд, Н.; Бонд, Т.; Чуанг, ПЮ; Артаксо, П.; Зиферт, Р.; Чен, Ю.; Шауэр, Дж. (2008). «Распределение и отложение железа сгорания». Глобальные биогеохимические циклы . 22 (1): н/д. Бибкод : 2008GBioC..22.1012L. дои : 10.1029/2007GB002964.
  30. ^ Ратнараджа, Лавения; Никол, Стив; Боуи, Эндрю Р. (2018). «Пелагическая переработка железа в Южном океане: изучение вклада морских животных». Границы морской науки . 5 . дои : 10.3389/fmars.2018.00109 . S2CID  4376458. Материал был скопирован из этого источника, который доступен по международной лицензии Creative Commons Attribution 4.0.
  31. ^ Крут, Питер Л.; Хеллер, Майя И. (2012). «Важность кинетики и окислительно-восстановительного потенциала в биогеохимическом круговороте железа в поверхностном океане». Границы микробиологии . 3 : 219. дои : 10.3389/fmicb.2012.00219 . ПМЦ 3377941 . ПМИД  22723797.  Материал был скопирован из этого источника, который доступен по международной лицензии Creative Commons Attribution 4.0.
  32. ^ Роден, Эрик; Соболев Дмитрий; Глейзер, Брайан; Лютер, Джордж (1 сентября 2004 г.). «Потенциал микромасштабного бактериального окислительно-восстановительного цикла железа на аэробно-анаэробной границе». Геомикробиологический журнал . 21 (6): 379–391. дои : 10.1080/01490450490485872. S2CID  14296044.
  33. ^ аб Бургин, Эми Дж.; Ян, Венди Х.; Гамильтон, Стивен К.; Сильвер, Уэнди Л. (2011). «Помимо углерода и азота: как микробная энергетическая экономика объединяет элементарные циклы в различных экосистемах». Границы в экологии и окружающей среде . 9 (1): 44–52. дои : 10.1890/090227. hdl : 1808/21008 . ISSN  1540-9309.
  34. ^ Хаайер, Сюзанна; Кринен, Гийс; Джеттен, Майк; Оп-ден-Кэмп, Хууб (3 февраля 2012 г.). «Аноксические бактерии, циркулирующие в железе, из пресноводной среды, богатой сульфидами железа и нитратами». Границы микробиологии . 3 : 26. doi : 10.3389/fmicb.2012.00026 . ПМЦ 3271277 . ПМИД  22347219. 
  35. ^ Хаайер, Сюзанна CM; Ламерс, Леон ПМ; Смолдерс, Альфонс Дж. П.; Джеттен, Майк С.М.; Лагерь, Хууб Дж.М. Опубликовано (14 августа 2007 г.). «Сульфид железа и пирит как потенциальные доноры электронов для микробного восстановления нитратов в пресноводных водно-болотных угодьях». Геомикробиологический журнал . 24 (5): 391–401. дои : 10.1080/01490450701436489. ISSN  0149-0451. S2CID  97227345.
  36. ^ аб Кришнамурти, Апарна; Мур, Дж. Кейт; Маховальд, Натали; Ло, Чао; Дони, Скотт С.; Линдси, Кейт; Зендер, Чарльз С. (2009). «Влияние увеличения антропогенных отложений растворимого железа и азота на биогеохимию океана». Глобальные биогеохимические циклы . 23 (3): н/д. Бибкод : 2009GBioC..23.3016K. дои : 10.1029/2008GB003440. hdl : 1912/3418 . ISSN  1944-9224. S2CID  2839652.

дальнейшее чтение