Cyklus železa - Iron cycle

Cyklus železa
Biogeochemický cyklus železa: Železo cirkuluje atmosférou, litosféra a oceány. Označené šipky ukazují tok v Tg železa za rok.[1][2][3][4] Železo v oceánských cyklech mezi planktonem, agregovanými částicemi (biologicky nedostupné železo) a rozpuštěnými (biologicky dostupné železo) se stává pohřebem sedimenty.[1][5][6] Hydrotermální průduchy uvolněte železné železo do oceánu[7] kromě oceánských vstupů železa z pozemních zdrojů. Železo se dostává do atmosféry vulkanismem,[8] aeolian vítr,[9] a některé spalováním lidmi. V Antropocen, železo je odstraněno z dolů v kůře a část znovu uložena do úložišť odpadu.[4][6]

The cyklus železa (Fe) je biogeochemický cyklus žehlička skrz atmosféra, hydrosféra, biosféra a litosféra. Zatímco Fe je v zemské kůře velmi bohatý,[10] je méně častý v okysličených povrchových vodách. Železo je klíčovou mikroživinou primární produktivita,[11] a omezující živina v jižním oceánu, východním rovníkovém Pacifiku a subarktickém Pacifiku označovaném jako Oblasti s vysokým obsahem živin a nízkým obsahem chlorofylu (HNLC) oceánu.[12]

Železo existuje v řadě oxidační stavy od -2 do +7; na Zemi je však převážně v redoxním stavu +2 nebo +3 a je primárním redoxaktivním kovem na Zemi.[13] Cyklus železa mezi jeho oxidačními stavy +2 a +3 se označuje jako cyklus železa. Tento proces může být úplně abiotický nebo usnadněno mikroorganismy, zvláště bakterie oxidující železo. Mezi abiotické procesy patří rezivění železných kovů, kde Fe2+ je abioticky oxidován na Fe3+ v přítomnosti kyslíku a redukce Fe3+ Fe2+ minerály na bázi sulfidu železa. Biologický cyklus Fe2+ se provádí oxidací a redukcí mikrobů železa.[14][15]

Železo je nezbytnou mikroživinou pro téměř každou formu života. Je klíčovou složkou hemoglobinu, důležitou pro fixaci dusíku jako součást Nitrogenáza rodina enzymů a jako součást železo-sirného jádra ferredoxin usnadňuje transport elektronů v chloroplastech, eukaryotických mitochondriích a bakteriích. Kvůli vysoké reaktivitě Fe2+ s kyslíkem a nízkou rozpustností Fe3+„železo je omezující živinou ve většině regionů světa.

Starověká Země

Na rané Zemi, kdy byly hladiny kyslíku v atmosféře 0,001% přítomných dnes, rozpustil Fe2+ byla považována za mnohem hojnější v oceánech, a tedy biologicky dostupnější pro mikrobiální život.[16] Sulfid železa mohl poskytnout energii a povrchy pro první organismy.[17] V této době, před nástupem kyslíku fotosyntéza „v primární produkci mohly dominovat foto-ferrotrofy, které by získávaly energii ze slunečního záření a používaly elektrony z Fe2+ fixovat uhlík.[18]

V době Velká oxidace událost, před 2,3-2,5 miliardami let, bylo rozpuštěné vázané železo oxidováno kyslíkem produkovaným sinicemi za vzniku oxidů železa. Oxidy železa byly hustší než voda a padaly na dno oceánu a formovaly se pásové železné formace (BIF).[19] Postupem času přírůstek kyslíku odstranil z oceánu zvyšující se množství železa. BIF je v moderní době důležitou zásobou železa.[20][21]

Oceánský

Oceán je kritickou složkou Země klimatický systém a cyklus železa hraje klíčovou roli v primární produktivitě oceánu a funkci mořského ekosystému. Je známo, že omezení železa omezuje účinnost biologického uhlíkového čerpadla. Největší přísun železa do oceánů je z řek, kde je suspendováno jako částice sedimentu.[22] Pobřežní vody přijímají vstupy železa z řek a anoxických sedimentů.[21] Mezi další významné zdroje železa do oceánu patří ledové částice, transport atmosférického prachu a hydrotermální průduchy.[23] Dodávka železa je důležitým faktorem ovlivňujícím růst fytoplankton, základna webu s mořskými potravinami.[24] Offshore regiony se spoléhají na ukládání atmosférického prachu a upwelling.[21] Mezi další významné zdroje železa do oceánu patří ledové částice, hydrotermální průduchy a sopečný popel.[25] V pobřežních oblastech bakterie také soutěží s fytoplanktonem o příjem železa.[21] V oblastech HNLC omezuje železo produktivitu fytoplanktonu.[26]

Nejčastěji bylo železo dostupné jako anorganický zdroj fytoplanktonu; organické formy železa však lze použít i specificky rozsivky které používají proces mechanismu povrchové reduktázy. Příjem železa fytoplanktonem vede k nejnižším koncentracím železa v povrchové mořské vodě. Remineralizace nastává, když se potápící fytoplankton degraduje zooplanktonem a bakteriemi. Upwelling recykluje železo a způsobuje vyšší koncentrace železa ve vodě. V průměru je 0,07 ± 0,04 nmol Fe kg−1 na povrchu (<200 m) a 0,76 ± 0,25 nmol Fe kg−1 v hloubce (> 500 m).[21] Proto, upwelling zóny obsahují více železa než jiné oblasti povrchových oceánů. Rozpustné železo ve formě železa je biologicky dostupné pro využití, které běžně pochází z větrných zdrojů.

Železo je primárně přítomno v částicových fázích jako železité železo a rozpuštěná železná frakce je odstraněna z vodního sloupce koagulací. Z tohoto důvodu se směs rozpuštěného železa rychle obrací, přibližně za 100 let.[21]

Pozemské ekosystémy

Cyklus železa je důležitou součástí suchozemských ekosystémů. Železná forma železa, Fe2+, je dominantní v zemském plášti, jádru nebo hluboké kůře. Železitá forma, Fe3+, je stabilnější v přítomnosti plynného kyslíku.[27] Prach je klíčovou součástí cyklu železa na Zemi. Chemické a biologické zvětrávání rozkládají minerály obsahující železo a uvolňují živinu do atmosféry. Změny hydrologického cyklu a vegetačního krytu ovlivňují tyto vzorce a mají velký dopad na celosvětovou produkci prachu, přičemž odhady depozice prachu se pohybují mezi 1 000 a 2 000 Tg / rok.[2] Liparský prach je kritickou součástí cyklu železa transportem železných částic ze zemské země přes atmosféru do oceánu.[28]

Sopečné erupce jsou také klíčovým přispěvatelem do suchozemského cyklu železa a uvolňují prach bohatý na železo do atmosféry buď ve velkém výbuchu, nebo v menších proudech v průběhu času.[29] Atmosférický transport prachu bohatého na železo může ovlivnit koncentrace oceánů.[2]

Interakce s jinými elementárními cykly

Cyklus železa významně interaguje s cykly síry, dusíku a fosforu. Rozpustný Fe (II) může působit jako donor elektronů, čímž redukuje oxidované organické a anorganické receptory elektronů, včetně O2 a žádná3a oxidují se na Fe (III). Oxidovaná forma železa pak může být akceptorem elektronů pro redukovanou síru, H2a organické sloučeniny uhlíku. Tím se železo vrátí do stavu oxidovaného Fe (II) a cyklus se dokončí.[30]

Přechod železa mezi Fe (II) a Fe (III) ve vodních systémech interaguje se sladkou vodou fosforový cyklus. S kyslíkem ve vodě dochází k oxidaci Fe (II) na Fe (III), a to buď abioticky, nebo mikroby prostřednictvím litotrofní oxidace. Fe (III) může tvořit hydroxidy železa, které se pevně váží na fosfor a odstraňují jej z biologicky dostupné zásoby fosforu, což omezuje primární produktivitu. V anoxických podmínkách může být redukován Fe (III), který mikroby používají jako konečný akceptor elektronů buď z organického uhlíku, nebo z H2. Tím se uvolní fosfor zpět do vody pro biologické použití.[31]

Žehlička a sírový cyklus mohou komunikovat v několika bodech. Fialové sirné bakterie a zelené bakterie síry mohou používat Fe (II) jako donor elektronů během anoxické fotosyntézy.[32] Bakterie redukující sulfát v anoxickém prostředí mohou redukovat sulfát na sulfid, který se pak váže na Fe (II) za vzniku sulfidu železa, pevného minerálu, který se vysráží z vody a odstraní železo a síru. Cykly železa, fosfátů a síry mohou navzájem interagovat. Sulfid může redukovat Fe (III) ze železa, které je již vázáno na fosfát, když již nejsou k dispozici žádné kovové ionty, což uvolňuje fosfát a vytváří sulfid železa.[33]

Železo hraje velmi důležitou roli v dusíkový cyklus, kromě jeho role jako součásti enzymů zapojených do fixace dusíku. Za anoxických podmínek může Fe (II) darovat elektron, který je přijímán NO3− který se oxiduje na několik různých forem sloučenin dusíku, NO2−, N20, N2a NH4+, zatímco Fe (II) se redukuje na Fe (III).[31]

Antropogenní vlivy

Dopad člověka na cyklus železa v oceánu je způsoben zvyšováním koncentrací prachu na začátku průmyslové éry. Dnes existuje přibližně dvojnásobné množství rozpustného železa v oceánech než v předindustriální době z antropogenních znečišťujících látek a zdrojů spalování rozpustného železa.[26] Změny v lidských činnostech ve využívání půdy a klimatu zvýšily toky prachu, což zvyšuje množství větrného prachu do otevřených oblastí oceánu.[25] Další antropogenní zdroje železa jsou způsobeny spalováním. Nejvyšší rychlosti spalování železa se vyskytuje ve východní Asii, která přispívá k 20–100% usazování oceánů po celém světě.[26]

Lidé změnili cyklus dusíku ze spalování fosilních paliv a z velkého zemědělství.[34] V důsledku zvýšeného obsahu železa a dusíku se zvyšuje fixace mořského dusíku v subtropickém severním a jižním Tichém oceánu. V subtropech, tropech a oblastech HNLC může zvýšené vstupy železa vést ke zvýšení CO2 absorpce, ovlivňující globální uhlíkový cyklus.[34]

Viz také

Reference

  1. ^ A b Nickelsen L, Keller D, Oschlies A (2015-05-12). „Dynamický námořní cyklus cyklu železa spojený s modelem systému Země University of Victoria: Kielský mořský biogeochemický model 2 pro UVic 2.9“. Vývoj geovědního modelu. 8 (5): 1357–1381. Bibcode:2015GMD ..... 8.1357N. doi:10.5194 / gmd-8-1357-2015.
  2. ^ A b C Jickells TD, An ZS, Andersen KK, Baker AR, Bergametti G, Brooks N a kol. (Duben 2005). „Globální spojení železa mezi pouštním prachem, oceánskou biogeochemií a klimatem“. Věda. 308 (5718): 67–71. Bibcode:2005Sci ... 308 ... 67J. doi:10.1126 / science.1105959. PMID  15802595.
  3. ^ Raiswell R, Canfield DE (2012). „Železný biogeochemický cyklus minulost a současnost“ (PDF). Geochemické perspektivy. 1: 1–232. doi:10,7185 / geochempersp.1.1.
  4. ^ A b Wang T, Müller DB, Graedel TE (2007-07-01). „Kování antropogenního cyklu železa“. Věda o životním prostředí a technologie. 41 (14): 5120–5129. Bibcode:2007EnST ... 41,5120 W. doi:10.1021 / es062761t. PMID  17711233.
  5. ^ Völker C, Tagliabue A (červenec 2015). „Modelování organických ligandů vázajících železo v trojrozměrném biogeochemickém oceánském modelu“ (PDF). Marine Chemistry. 173: 67–77. doi:10.1016 / j.marchem.2014.11.008.
  6. ^ A b Matsui H, Mahowald NM, Moteki N, Hamilton DS, Ohata S, Yoshida A, Koike M, Scanza RA, Flanner MG (duben 2018). „Antropogenní spalovací železo jako složitý činitel klimatu“. Příroda komunikace. 9 (1): 1593. Bibcode:2018NatCo ... 9,1593 mil. doi:10.1038 / s41467-018-03997-0. PMC  5913250. PMID  29686300.
  7. ^ Emerson D (2016). „Ironie železa - biogenní oxidy železa jako zdroj železa v oceánu“. Hranice v mikrobiologii. 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 a kol. (2011). „Povrchové oceánské hnojení železem: Role vzdušného sopečného popela ze subdukční zóny a sopek horkých míst a souvisejících toků železa do Tichého oceánu“ (PDF). Globální biogeochemické cykly. 25 (4): n / a. Bibcode:2011GBioC..25.4001O. doi:10.1029 / 2009GB003761.
  9. ^ Gao Y, Kaufman YJ, Tanre D, Kolber D, Falkowski PG (01.01.2001). „Sezónní distribuce toků eolického železa do globálního oceánu“. Dopisy o geofyzikálním výzkumu. 28 (1): 29–32. Bibcode:2001GeoRL..28 ... 29G. doi:10.1029 / 2000GL011926.
  10. ^ Taylor SR (1964). "Množství chemických prvků v kontinentální kůře: nová tabulka". Geochimica et Cosmochimica Acta. 28 (8): 1273–1285. Bibcode:1964 GeCoA..28.1273T. doi:10.1016/0016-7037(64)90129-2.
  11. ^ Tagliabue A, Bowie AR, Boyd PW, Buck KN, Johnson KS, Saito MA (březen 2017). „Integrální role železa v oceánské biogeochemii“ (PDF). Příroda. 543 (7643): 51–59. Bibcode:2017Natur.543 ... 51T. doi:10.1038 / nature21058. PMID  28252066.
  12. ^ Martin JH, Fitzwater SE (1988). „Nedostatek železa omezuje růst fytoplanktonu v subarktické oblasti severovýchodního Pacifiku.“ Příroda. 331 (6154): 341–343. Bibcode:1988Natur.331..341M. doi:10.1038 / 331341a0.
  13. ^ Melton ED, Swanner ED, Behrens S, Schmidt C, Kappler A (prosinec 2014). „Souhra mikrobiálně zprostředkovaných a abiotických reakcí v biogeochemickém cyklu Fe“. Recenze přírody. Mikrobiologie. 12 (12): 797–808. doi:10.1038 / nrmicro3347. PMID  25329406.
  14. ^ Schmidt C, Behrens S, Kappler A (2010). „Fungování ekosystému z geomikrobiologické perspektivy - koncepční rámec pro biogeochemické cyklování železa“. Chemie životního prostředí. 7 (5): 399. doi:10.1071 / EN10040.
  15. ^ Kappler, Andreas; Straub, Kristina L. (01.01.2005). "Geomikrobiologické cyklování železa". Recenze v mineralogii a geochemii. 59 (1): 85–108. doi: 10,2138 / rmg.2005.59.5. ISSN  1529-6466.
  16. ^ Canfield DE, Rosing MT, Bjerrum C (říjen 2006). „Brzy anaerobní metabolismus“. Filozofické transakce Královské společnosti v Londýně. Série B, Biologické vědy. 361 (1474): 1819–34, diskuse 1835–6. doi:10.1098 / rstb.2006.1906. PMC  1664682. PMID  17008221.
  17. ^ Schröder, Christian; Köhler, Inga; Muller, Francois L. L .; Chumakov, Aleksandr I .; Kupenko, Ilya; Rüffer, Rudolf; Kappler, Andreas (2016). „Biogeochemický cyklus železa a astrobiologie“. Hyperjemné interakce. 237: 85. Bibcode:2016HyInt.237 ... 85S. doi:10.1007 / s10751-016-1289-2.
  18. ^ Camacho A, Walter XA, Picazo A, Zopfi J (2017). „Fotoferrotrofie: pozůstatky starověké fotosyntézy v moderním prostředí“. Hranice v mikrobiologii. 8: 323. doi:10.3389 / fmicb.2017.00323. PMC  5359306. PMID  28377745.
  19. ^ „Velká událost okysličení - když se Země poprvé nadechla - vědecké čmáranice“. Citováno 2020-04-10.
  20. ^ Thompson, Katharine J .; Kenward, Paul A .; Bauer, Kohen W .; Warchola, Tyler; Gauger, Tina; Martinez, Raul; Simister, Rachel L .; Michiels, Céline C .; Llirós, Marc; Reinhard, Christopher T .; Kappler, Andreas (01.11.2019). „Fotoferrotrofie, depozice pruhovaných železných formací a produkce metanu v archeanských oceánech“. Vědecké zálohy. 5 (11): eaav2869. Bibcode:2019SciA .... 5.2869T. doi:10.1126 / sciadv.aav2869. ISSN  2375-2548. PMC  6881150. PMID  31807693.
  21. ^ A b C d E F Tortell, Philippe D .; Maldonado, Maria T .; Grangerová, Julie; Price, Neil M. (01.05.1999). „Mořské bakterie a biogeochemické cyklování železa v oceánech“. Ekologie mikrobiologie FEMS. 29 (1): 1–11. doi:10.1111 / j.1574-6941.1999.tb00593.x. ISSN  0168-6496.
  22. ^ Poulton SW (2002). „Nízkoteplotní geochemický cyklus železa: od kontinentálních toků po ukládání mořských sedimentů“ (PDF). American Journal of Science. 302 (9): 774–805. Bibcode:2002AmJS..302..774P. doi:10,2475 / ajs.302.9.774.
  23. ^ Duggen S, Olgun N, Croot P, Hoffmann LJ, Dietze H, Delmelle P, Teschner C (2010). „Role vzdušného sopečného popela pro povrchový oceánský biogeochemický cyklus železa: přehled“. Biogeovědy. 7 (3): 827–844. Bibcode:2010BGeo .... 7..827D. doi:10.5194 / bg-7-827-2010.
  24. ^ Hutchins DA, Boyd PW (2016). "Mořský fytoplankton a měnící se oceánský cyklus železa". Přírodní změna podnebí. 6 (12): 1072–1079. Bibcode:2016NatCC ... 6.1072H. doi:10.1038 / nclimate3147.
  25. ^ A b Leeuwen, H. P. (Herman) van, Riemsdijk, W. H. van, Hiemstra, T. J. (Tjisse), Krebs, C. J., Hiemstra, T. J. (Tjisse) a Krebs, C. J. (2008). Biogeochemický cyklus železa: Role přírodních organických látek.
  26. ^ A b C Luo, Chao; Mahowald, N .; Bond, T .; Chuang, P. Y .; Artaxo, P .; Siefert, R .; Chen, Y .; Schauer, J. (2008). "Distribuce a depozice spalovacího železa". Globální biogeochemické cykly. 22 (1): n / a. Bibcode:2008GBioC..22.1012L. doi:10.1029 / 2007GB002964.
  27. ^ Johnson CM, Beard BL (srpen 2005). "Geochemie. Biogeochemické cyklování izotopů železa". Věda. 309 (5737): 1025–7. doi:10.1126 / science.1112552. PMID  16099969.
  28. ^ Fan, Song-Miao; Moxim, Walter J .; Levy, Hiram (2006). "Liparský vstup biologicky dostupného železa do oceánu". Dopisy o geofyzikálním výzkumu. 33 (7): L07602. Bibcode:2006GeoRL..33.7602F. doi:10.1029 / 2005GL024852. ISSN  0094-8276.
  29. ^ Achterberg EP, Moore CM, Henson SA, Steigenberger S, Stohl A, Eckhardt S a kol. (2013). „Přírodní hnojení železem vulkanickou erupcí Eyjafjallajökull“ (PDF). Dopisy o geofyzikálním výzkumu. 40 (5): 921–926. Bibcode:2013GeoRL..40..921A. doi:10,1002 / ml. 50221.
  30. ^ Roden, Eric; Sobolev, Dmitri; Glazer, Brian; Luther, George (01.09.2004). „Potenciál pro cyklování mikroskopických bakteriálních Fe redoxů na aerobně-anaerobním rozhraní“. Geomikrobiologický deník. 21 (6): 379–391. doi:10.1080/01490450490485872.
  31. ^ A b Burgin, Amy J .; Yang, Wendy H .; Hamilton, Stephen K .; Silver, Whendee L. (2011). „Kromě uhlíku a dusíku: jak mikrobiální energetická ekonomika spojuje elementární cykly v různých ekosystémech“. Hranice v ekologii a životním prostředí. 9 (1): 44–52. doi:10.1890/090227. hdl:1808/21008. ISSN  1540-9309.
  32. ^ Haaijer, Suzanne; Crienen, Gijs; Jetten, Mike; Op den Camp, Huub (03.02.2012). „Anoxické bakterie cyklující na železo ze sladkovodního prostředí bohatého na sulfidy a dusičnany“. Hranice v mikrobiologii. 3: 26. doi:10.3389 / fmicb.2012.00026. PMC  3271277. PMID  22347219.
  33. ^ Haaijer, Suzanne C. M .; Lamers, Leon P. M .; Smolders, Alfons J. P .; Jetten, Mike S. M .; Camp, Huub J. M. Op den (2007-08-14). „Sulfid železitý a pyrit jako potenciální dárci elektronů pro snížení mikrobiálních dusičnanů ve sladkovodních mokřadech“. Geomikrobiologický deník. 24 (5): 391–401. doi:10.1080/01490450701436489. ISSN  0149-0451.
  34. ^ A b Krishnamurthy, Aparna; Moore, J. Keith; Mahowald, Natalie; Luo, Chao; Doney, Scott C .; Lindsay, Keith; Zender, Charles S. (2009). "Dopady rostoucí antropogenní rozpustné depozice železa a dusíku na oceánskou biogeochemii". Globální biogeochemické cykly. 23 (3): n / a. Bibcode:2009GBioC..23.3016K. doi:10.1029 / 2008GB003440. hdl:1912/3418. ISSN  1944-9224.

Další čtení