Железный цикл - Iron cycle

Железный цикл
Биогеохимический цикл железа: железо циркулирует в атмосфере, литосфера, и океаны. Помеченные 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 при захоронении.[1][5][6] Гидротермальные источники выпустить двухвалентное железо в океан[7] в дополнение к поступлению океанического железа из наземных источников. Железо попадает в атмосферу через вулканизм,[8] эолийский ветер,[9] а некоторые - при сжигании людьми. в Антропоцен, железо удаляется из шахт в корке, а часть повторно депонируется в хранилищах отходов.[4][6]

В железный цикл (Fe) - биогеохимический цикл утюг сквозь атмосфера, гидросфера, биосфера и литосфера. Хотя Fe очень распространено в земной коре,[10] реже встречается в насыщенных кислородом поверхностных водах. Железо является ключевым микронутриентом в первичная продуктивность,[11] и ограничивающее питательное вещество в Южном океане, восточной экваториальной части Тихого океана и субарктической части Тихого океана, называемое Регионы с высоким содержанием питательных веществ и низким содержанием хлорофилла (HNLC) океана.[12]

Железо существует в диапазоне состояния окисления от -2 до +7; однако на Земле он преимущественно находится в окислительно-восстановительном состоянии +2 или +3 и является первичным окислительно-активным металлом на Земле.[13] Цикл железа между его состояниями окисления +2 и +3 называется циклом железа. Этот процесс можно полностью абиотический или при содействии микроорганизмы, особенно железоокисляющие бактерии. К абиотическим процессам относятся: ржавчина железосодержащих металлов, где Fe2+ абиотически окисляется до Fe3+ в присутствии кислорода, а восстановление Fe3+ в Fe2+ железо-сульфидными минералами. Биологический цикл Fe2+ осуществляется окислением железа и восстановлением микробов.[14][15]

Железо является важным микронутриентом почти для каждой формы жизни. Это ключевой компонент гемоглобина, важный для фиксации азота как часть Нитрогеназа семейство ферментов, и как часть железо-серного ядра ферредоксин он облегчает перенос электронов в хлоропластах, митохондриях эукариот и бактерий. Благодаря высокой реакционной способности Fe2+ с кислородом и низкой растворимостью Fe3+, железо является ограничивающим питательным веществом в большинстве регионов мира.

Древняя земля

На ранней Земле, когда уровень кислорода в атмосфере составлял 0,001% от сегодняшнего, растворенное Fe2+ считалось, что их гораздо больше в океанах и, следовательно, они более биодоступны для микробной жизни.[16] Сульфид железа мог обеспечить энергию и поверхность для первых организмов.[17] В это время до начала оксигенической фотосинтез, в первичном производстве могли преобладать фотоферротрофы, которые получали энергию от солнечного света и использовали электроны из Fe2+ исправить карбон.[18]

В течение Великое окисление Событие, произошедшее 2,3–2,5 миллиарда лет назад, растворенное связанное железо окислилось кислородом, производимым цианобактериями, с образованием оксидов железа. Оксиды железа были плотнее воды и падали на дно океана, образуя полосчатые железные образования (BIF).[19] Со временем увеличение количества кислорода привело к удалению все большего количества железа из океана. BIF - важный запас железа в наше время.[20][21]

Океанический

Океан - важнейший компонент земного климатическая система, а цикл железа играет ключевую роль в первичной продуктивности океана и функции морских экосистем. Известно, что ограничение содержания железа ограничивает эффективность биологического угольного насоса. Наибольшее количество железа в океаны поступает из рек, где оно взвешено в виде частиц отложений.[22] Прибрежные воды получают железо из рек и бескислородных отложений.[21] Другие основные источники железа в океан включают ледяные частицы, перенос атмосферной пыли и гидротермальные источники.[23] Обеспечение железом - важный фактор, влияющий на рост фитопланктон, основа морской пищевой сети.[24] Морские районы зависят от атмосферного осаждения пыли и апвеллинга.[21] Другие основные источники железа в океане включают ледяные частицы, гидротермальные источники, вулканический пепел.[25] В прибрежных регионах бактерии также конкурируют с фитопланктоном за поглощение железа.[21] В регионах с HNLC железо ограничивает продуктивность фитопланктона.[26]

Чаще всего железо было доступно фитопланктону как неорганический источник; однако органические формы железа также могут использоваться в определенных диатомеи которые используют процесс поверхностного механизма редуктазы. Поглощение железа фитопланктоном приводит к самым низким концентрациям железа в поверхностной морской воде. Реминерализация происходит, когда тонущий фитопланктон разрушается зоопланктоном и бактериями. Апвеллинг перерабатывает железо и вызывает более высокие концентрации глубоководного железа. В среднем 0,07 ± 0,04 нмоль Fe на кг−1 на поверхности (<200 м) и 0,76 ± 0,25 нмоль Fe кг−1 на глубине (> 500 м).[21] Следовательно, апвеллинг зоны содержат больше железа, чем другие участки поверхности океана. Растворимое железо в форме двухвалентного железа является биодоступным для использования, которое обычно поступает из эоловых ресурсов.

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

Наземные экосистемы

Круговорот железа - важный компонент наземных экосистем. Двухвалентная форма железа, Fe2+, доминирует в мантии, ядре или глубокой коре Земли. Железная форма, Fe3+, более стабильна в присутствии газообразного кислорода.[27] Пыль - ключевой компонент железного цикла Земли. Химическая и биологическая выветривание расщепляют железосодержащие минералы, выбрасывая питательные вещества в атмосферу. Изменения в гидрологическом цикле и растительном покрове влияют на эти модели и оказывают большое влияние на глобальное производство пыли, при этом оценки осаждения пыли колеблются от 1000 до 2000 Тг / год.[2] Эоловая пыль является важной частью цикла железа, транспортируя частицы железа с суши через атмосферу в океан.[28]

Извержения вулканов также вносят ключевой вклад в цикл земного железа, выбрасывая богатую железом пыль в атмосферу либо крупными, либо меньшими выбросами с течением времени.[29] Перенос в атмосфере пыли, богатой железом, может повлиять на ее концентрацию в океане.[2]

Взаимодействие с другими элементными циклами

Цикл железа значительно взаимодействует с циклами серы, азота и фосфора. Растворимый Fe (II) может действовать как донор электронов, восстанавливая окисленные органические и неорганические электронные рецепторы, включая O2 и нет3, и окисляются до Fe (III). Окисленная форма железа может быть акцептором электронов для восстановленной серы, H2, и органические соединения углерода. Это возвращает железо в окисленное состояние Fe (II), завершая цикл.[30]

Переход железа между Fe (II) и Fe (III) в водных системах взаимодействует с пресной водой. цикл фосфора. С кислородом в воде Fe (II) окисляется до Fe (III) либо абиотически, либо микробами через литотрофный окисление. 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 от органического углерода или водорода.2. Это высвобождает фосфор обратно в воду для биологического использования.[31]

Утюг и цикл серы могут взаимодействовать в нескольких точках. Пурпурные серные бактерии а зеленые серные бактерии могут использовать Fe (II) в качестве донора электронов во время бескислородного фотосинтеза.[32] Сульфатредуцирующие бактерии в бескислородной среде могут восстанавливать сульфат до сульфида, который затем связывается с Fe (II) с образованием сульфида железа, твердого минерала, который осаждается 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 отсутствуют более доступные ионы металлов, что высвобождает фосфат и создает сульфид железа.[33]

Железо играет очень важную роль в азотный цикл, помимо его роли в составе ферментов, участвующих в азотфиксации. В бескислородных условиях Fe (II) может отдавать электрон, который принимается N03− который окисляется до нескольких различных форм соединений азота, NO2−, N20, N2, и NH4+, а Fe (II) восстанавливается до Fe (III).[31]

Антропогенные воздействия

Влияние человека на круговорот железа в океане связано с увеличением концентрации пыли в начале индустриальной эры. Сегодня количество растворимого железа в океанах примерно вдвое больше, чем в доиндустриальные времена, за счет антропогенных загрязнителей и источников сжигания растворимого железа.[26] Изменения в землепользовании и климате увеличили потоки пыли, что увеличивает количество эоловой пыли в открытых районах океана.[25] Другие антропогенные источники железа связаны с горением. Самая высокая скорость горения железа наблюдается в Восточной Азии, на которую приходится от 20 до 100% отложений в океане по всему миру.[26]

Люди изменили цикл получения азота за счет сжигания ископаемого топлива и крупномасштабного сельского хозяйства.[34] Из-за повышенного содержания железа и азота повышается фиксация азота в субтропиках северной и южной частей Тихого океана. В субтропиках, тропиках и регионах с HNLC повышенное поступление железа может привести к увеличению CO.2 поглощение, влияя на глобальный углеродный цикл.[34]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Никельсен Л., Келлер Д., Ошлис А. (12 мая 2015 г.). «Модуль динамического морского цикла железа в сочетании с моделью системы Земли Университета Виктории: морской биогеохимической моделью 2 в Киле для UVic 2.9». Разработка геонаучных моделей. 8 (5): 1357–1381. Bibcode:2015GMD ..... 8.1357N. Дои:10.5194 / gmd-8-1357-2015.
  2. ^ а б c Джикеллс Т.Д., Ан З.С., Андерсен К.К., Бейкер А.Р., Бергаметти Дж., Брукс Н. и др. (Апрель 2005 г.). «Глобальные железные связи между пылью пустыни, биогеохимией океана и климатом». Наука. 308 (5718): 67–71. Bibcode:2005 Наука ... 308 ... 67J. Дои:10.1126 / science.1105959. PMID  15802595.
  3. ^ Raiswell R, Canfield DE (2012). «Прошлый и настоящий биогеохимический цикл железа» (PDF). Геохимические перспективы. 1: 1–232. Дои:10.7185 / geochempersp.1.1.
  4. ^ а б Ван Т., Мюллер ДБ, Граедель Т.Э. (2007-07-01). «Создание антропогенного железного цикла». Экологические науки и технологии. 41 (14): 5120–5129. Bibcode:2007EnST ... 41,5120 Вт. Дои:10.1021 / es062761t. PMID  17711233.
  5. ^ Völker C, Tagliabue A (июль 2015 г.). «Моделирование органических железосвязывающих лигандов в трехмерной биогеохимической модели океана» (PDF). Морская химия. 173: 67–77. Дои:10.1016 / j.marchem.2014.11.008.
  6. ^ а б Мацуи Х., Маховальд Н.М., Мотеки Н., Гамильтон Д.С., Охата С., Йошида А., Койке М., Сканза Р.А., Фланнер М.Г. (апрель 2018 г.). «Железо антропогенного горения как комплексный климатический фактор». Nature Communications. 9 (1): 1593. Bibcode:2018НатКо ... 9,1593 млн. Дои:10.1038 / s41467-018-03997-0. ЧВК  5913250. PMID  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. ЧВК  4701967. PMID  26779157.
  8. ^ Olgun N, Duggen S, Croot PL, Delmelle P, Dietze H, Schacht U, et al. (2011). «Удобрение железом на поверхности океана: 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. Дои:10.1029 / 2009GB003761.
  9. ^ Гао Ю., Кауфман Ю., Танре Д., Кольбер Д., Фальковски П. Г. (01.01.2001). «Сезонные распределения потоков эолового железа в Мировой океан». Письма о геофизических исследованиях. 28 (1): 29–32. Bibcode:2001GeoRL..28 ... 29G. Дои:10.1029 / 2000GL011926.
  10. ^ Тейлор С.Р. (1964). «Изобилие химических элементов в континентальной коре: новая таблица». Geochimica et Cosmochimica Acta. 28 (8): 1273–1285. Bibcode:1964GeCoA..28.1273T. Дои: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). Природа. 543 (7643): 51–59. Bibcode:2017Натура 543 ... 51 т. Дои:10.1038 / природа21058. PMID  28252066.
  12. ^ Мартин Дж. Х., Фитцуотер С. Э. (1988). «Дефицит железа ограничивает рост фитопланктона в северо-восточной части Тихоокеанского субарктического региона». Природа. 331 (6154): 341–343. Bibcode:1988Натура.331..341М. Дои:10.1038 / 331341a0.
  13. ^ Мелтон ЭД, Суоннер ЭД, Беренс С., Шмидт С., Капплер А. (декабрь 2014 г.). «Взаимодействие микробно-опосредованных и абиотических реакций в биогеохимическом цикле Fe». Обзоры природы. Микробиология. 12 (12): 797–808. Дои:10.1038 / nrmicro3347. PMID  25329406.
  14. ^ Шмидт С., Беренс С., Капплер А. (2010). «Функционирование экосистемы с геомикробиологической точки зрения - концептуальная основа для биогеохимического круговорота железа». Экологическая химия. 7 (5): 399. Дои:10.1071 / EN10040.
  15. ^ Капплер, Андреас; Штрауб, Кристина Л. (01.01.2005). «Геомикробиологический круговорот железа». Обзоры по минералогии и геохимии. 59 (1): 85–108. Дои: 10.2138 / rmg.2005.59.5. ISSN  1529-6466.
  16. ^ Canfield DE, Rosing MT, Bjerrum C (октябрь 2006 г.). «Ранний анаэробный метаболизм». Философские труды Лондонского королевского общества. Серия B, Биологические науки. 361 (1474): 1819–34, обсуждение 1835–6. Дои:10.1098 / rstb.2006.1906. ЧВК  1664682. PMID  17008221.
  17. ^ Шредер, Кристиан; Кёлер, Инга; Muller, Francois L. L .; Чумаков, Александр И .; Купенко Илья; Рюффер, Рудольф; Капплер, Андреас (2016). «Биогеохимический цикл железа и астробиология». Сверхтонкие взаимодействия. 237: 85. Bibcode:2016HyInt.237 ... 85S. Дои:10.1007 / s10751-016-1289-2.
  18. ^ Камачо А, Уолтер XA, Пиказо A, Зопфи Дж. (2017). «Фотоферротрофия: остатки древнего фотосинтеза в современных условиях». Границы микробиологии. 8: 323. Дои:10.3389 / fmicb.2017.00323. ЧВК  5359306. PMID  28377745.
  19. ^ «Великое событие оксигенации - когда Земля сделала свой первый вздох - научные каракули». Получено 2020-04-10.
  20. ^ Томпсон, Кэтрин Дж .; Kenward, Paul A .; Bauer, Kohen W .; Варчола, Тайлер; Гаугер, Тина; Мартинес, Рауль; Simister, Рэйчел L .; Michiels, Céline C .; Ллирос, Марк; Рейнхард, Кристофер Т .; Капплер, Андреас (2019-11-01). «Фотоферротрофия, отложение полосчатых железных образований и производство метана в архейских океанах». Достижения науки. 5 (11): eaav2869. Bibcode:2019SciA .... 5.2869T. Дои:10.1126 / sciadv.aav2869. ISSN  2375-2548. ЧВК  6881150. PMID  31807693.
  21. ^ а б c d е ж Tortell, Philippe D .; Мальдонадо, Мария Т .; Грейнджер, Джули; Прайс, Нил М. (1999-05-01). «Морские бактерии и биогеохимический круговорот железа в океанах». FEMS Microbiology Ecology. 29 (1): 1–11. Дои:10.1111 / j.1574-6941.1999.tb00593.x. ISSN  0168-6496.
  22. ^ Поултон SW (2002). «Низкотемпературный геохимический цикл железа: от континентальных потоков до отложения морских отложений» (PDF). Американский журнал науки. 302 (9): 774–805. Bibcode:2002AmJS..302..774P. Дои:10.2475 / ajs.302.9.774.
  23. ^ Дугген С., Олгун Н., Крут П., Хоффманн Л.Дж., Дитце Х., Делмелль П., Тешнер С. (2010). «Роль переносимого по воздуху вулканического пепла в биогеохимическом цикле железа на поверхности океана: обзор». Биогеонауки. 7 (3): 827–844. Bibcode:2010BGeo .... 7..827D. Дои:10.5194 / bg-7-827-2010.
  24. ^ Хатчинс Д.А., Бойд П.В. (2016). «Морской фитопланктон и изменение цикла железа в океане». Природа Изменение климата. 6 (12): 1072–1079. Bibcode:2016NatCC ... 6.1072H. Дои:10.1038 / nclimate3147.
  25. ^ а б Леувен, Х. П. (Герман) ван, Римсдейк, В. Х. ван, Хиемстра, Т. Дж. (Тжисс), Кребс, К. Дж., Хиемстра, Т. Дж. (Тжиссе), и Кребс, К. Дж. (2008). Биогеохимический цикл железа: роль естественного органического вещества.
  26. ^ а б c Ло, Чао; Mahowald, N .; Бонд, Т .; Chuang, P. Y .; Artaxo, P .; Siefert, R .; Chen, Y .; Шауэр, Дж. (2008). «Распределение и осаждение шлама». Глобальные биогеохимические циклы. 22 (1): н / д. Bibcode:2008GBioC..22.1012L. Дои:10.1029 / 2007GB002964.
  27. ^ Джонсон CM, Beard BL (август 2005 г.). «Геохимия. Биогеохимический круговорот изотопов железа». Наука. 309 (5737): 1025–7. Дои:10.1126 / наука.1112552. PMID  16099969.
  28. ^ Фан, Сун-Мяо; Moxim, Walter J .; Леви, Хирам (2006). «Эоловые поступления биодоступного железа в океан». Письма о геофизических исследованиях. 33 (7): L07602. Bibcode:2006GeoRL..33.7602F. Дои:10.1029 / 2005GL024852. ISSN  0094-8276.
  29. ^ Achterberg EP, Moore CM, Henson SA, Steigenberger S, Stohl A, Eckhardt S и др. (2013). «Удобрение естественным железом в результате извержения вулкана Эйяфьятлайокудль» (PDF). Письма о геофизических исследованиях. 40 (5): 921–926. Bibcode:2013GeoRL..40..921A. Дои:10.1002 / гр.50221.
  30. ^ Роден, Эрик; Соболев, Дмитрий; Глейзер, Брайан; Лютер, Джордж (2004-09-01). «Возможность микромасштабного бактериального окислительно-восстановительного цикла Fe на аэробно-анаэробном интерфейсе». Журнал геомикробиологии. 21 (6): 379–391. Дои:10.1080/01490450490485872.
  31. ^ а б Бургин, Эми Дж .; Ян, Венди Х .; Гамильтон, Стивен К .; Сильвер, Whendee L. (2011). «Помимо углерода и азота: как микробная энергетическая экономика объединяет элементные циклы в различных экосистемах». Границы экологии и окружающей среды. 9 (1): 44–52. Дои:10.1890/090227. HDL:1808/21008. ISSN  1540-9309.
  32. ^ Haaijer, Сюзанна; Crienen, Gijs; Джеттен, Майк; Оп ден Камп, Хуб (2012-02-03). «Аноксические бактерии, циклирующие железо, из пресной воды, богатой сульфидом и нитратами железа». Границы микробиологии. 3: 26. Дои:10.3389 / fmicb.2012.00026. ЧВК  3271277. PMID  22347219.
  33. ^ Haaijer, Suzanne C.M .; Ламерс, Леон П. М .; Smolders, Alfons J.P .; Jetten, Mike S.M .; Кэмп, Хуб Дж. М. Оп ден (14 августа 2007 г.). «Сульфид железа и пирит как потенциальные доноры электронов для снижения содержания микробных нитратов в пресноводных водно-болотных угодьях». Журнал геомикробиологии. 24 (5): 391–401. Дои:10.1080/01490450701436489. ISSN  0149-0451.
  34. ^ а б Кришнамурти, Апарна; Мур, Дж. Кейт; Маховальд, Натали; Ло, Чао; Дони, Скотт С .; Линдси, Кейт; Зендер, Чарльз С. (2009). «Влияние увеличения антропогенного осаждения растворимого железа и азота на биогеохимию океана». Глобальные биогеохимические циклы. 23 (3): н / д. Bibcode:2009GBioC..23.3016K. Дои:10.1029 / 2008GB003440. HDL:1912/3418. ISSN  1944-9224.

дальнейшее чтение