Водородный цикл состоит из водорода обменов между биотическим (живых) и абиотических (неживых) источников и поглотителей водородсодержащих соединений.
Водород (H) - самый распространенный элемент во Вселенной. [1] На Земле обычные H-содержащие неорганические молекулы включают воду (H 2 O), газообразный водород (H 2 ), сероводород (H 2 S) и аммиак (NH 3 ). Многие органические соединения также содержат атомы H, такие как углеводороды и органические вещества . Учитывая повсеместное распространение атомов водорода в неорганических и органических химических соединениях, водородный цикл сосредоточен на молекулярном водороде H 2 .
Газообразный водород может производиться естественным путем при взаимодействии породы с водой или в качестве побочного продукта микробного метаболизма. Затем свободный H 2 может потребляться другими микробами, фотохимически окисляться в атмосфере или теряться в космосе. Также считается, что водород является важным реагентом в предбиотической химии и ранней эволюции жизни на Земле и, возможно, в других местах нашей Солнечной системы. [2]
Абиотические циклы
Источники
Абиотические источники газообразного водорода включают воду-породу и фотохимические реакции. Экзотермические реакции серпентинизации между водой и оливиновыми минералами производят H 2 в морских или земных недрах. [3] [4] В океане гидротермальные жерла извергают магму и изменяют флюиды морской воды, включая большое количество H 2 , в зависимости от температурного режима и состава вмещающих пород. [5] [4] Молекулярный водород также может быть получен путем фотоокисления (через солнечное УФ-излучение ) некоторых минеральных видов, таких как сидерит, в бескислородных водных средах. Возможно, это был важный процесс в верхних регионах архейских океанов ранней Земли . [6]
Раковины
Поскольку H 2 является самым легким элементом, атмосферный H 2 может легко улетучиваться в космос в результате побега Джинса - необратимого процесса, который приводит к чистой потере массы Земли . [7] Фотолиз более тяжелых соединений, не склонных к утечке, таких как CH 4 или H 2 O, также может высвобождать H 2 из верхних слоев атмосферы и способствовать этому процессу. Еще одним важным стоком свободного атмосферного H 2 является фотохимическое окисление гидроксильных радикалов (• ОН), который образует воду.
Антропогенные поглотители H 2 включают производство синтетического топлива по реакции Фишера-Тропша и искусственную фиксацию азота с помощью процесса Габера-Боша для производства азотных удобрений .
Биотические циклы
Многие микробные метаболиты производят или потребляют H 2 .
Производство
Водород вырабатывается ферментами гидрогеназ и нитрогеназ у многих микроорганизмов, некоторые из которых изучаются на предмет их потенциала для производства биотоплива. [8] [9] Эти ферменты, метаболизирующие H 2 , обнаружены во всех трех сферах жизни , а из известных геномов более 30% микробных таксонов содержат гены гидрогеназы. [10] Ферментация производит H 2 из органических веществ как часть анаэробной микробной пищевой цепи [11] через светозависимые или светонезависимые пути. [8]
Потребление
Биологическое поглощение почвой является основным стоком атмосферного H 2 . [12] Как аэробный, так и анаэробный микробный метаболизм потребляет H 2 , окисляя его, чтобы уменьшить количество других соединений во время дыхания. Аэробное окисление H 2 известно как реакция Кноллгаса . [13]
Анаэробное окисление H 2 часто происходит во время межвидового переноса водорода, когда H 2, образующийся во время ферментации, передается другому организму, который использует H 2 для восстановления CO 2 до CH 4 или ацетата, SO 4 2- до H 2 S или Fe 3. + в Fe 2+ . Межвидовой перенос водорода поддерживает очень низкие концентрации H 2 в большинстве сред, поскольку ферментация становится менее термодинамически благоприятной по мере увеличения парциального давления H 2 . [11]
Актуальность для глобального климата
H 2 может препятствовать удалению из атмосферы метана, парникового газа . Обычно атмосферный CH 4 окисляется гидроксильными радикалами (• OH), но H 2 также может реагировать с • OH, восстанавливая его до H 2 O. [14]
Значение для астробиологии
Гидротермальный H 2 мог сыграть важную роль в пребиотической химии . [15] Производство H 2 путем серпентинизации поддерживало образование реагентов, предложенных в железно-серной мировой гипотезе происхождения жизни. [16] Последующая эволюция гидрогенотрофного метаногенеза предполагается как один из самых ранних метаболизмов на Земле. [17] [2]
Серпентинизация может происходить на любом планетарном теле с хондритовым составом. Открытие H 2 в других океанских мирах , таких как Энцелад [18] [19] [20], предполагает, что аналогичные процессы происходят где-то еще в нашей солнечной системе и, возможно, также в других солнечных системах. [13]
Смотрите также
- Биогеохимический цикл
- Углеродный цикл
- Водород
- Метан
- Серпентинизация
- Межвидовой перенос водорода
- Ферментация
- Гидротермальные источники
- Круговорот воды
- Программа исследования мира океана
Рекомендации
- ^ Cameron AG (1973). «Изобилие элементов в солнечной системе». Обзоры космической науки . 15 (1): 121. Bibcode : 1973SSRv ... 15..121C . DOI : 10.1007 / BF00172440 . ISSN 0038-6308 . S2CID 120201972 .
- ^ а б Colman DR, Poudel S, Stamps BW, Boyd ES, Spear JR (июль 2017 г.). «Глубокая горячая биосфера: двадцать пять лет ретроспективы» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 114 (27): 6895–6903. DOI : 10.1073 / pnas.1701266114 . PMC 5502609 . PMID 28674200 .
- ^ Рассел М.Дж., Холл А.Дж., Мартин В. (декабрь 2010 г.). «Серпентинизация как источник энергии у истоков жизни». Геобиология . 8 (5): 355–71. DOI : 10.1111 / j.1472-4669.2010.00249.x . PMID 20572872 .
- ^ а б Конн С., Чарлоу Дж. Л., Холм Н. Г., Мусис О. (май 2015 г.). «Производство метана, водорода и органических соединений в ультраосновных гидротермальных жерлах Срединно-Атлантического хребта» . Астробиология . 15 (5): 381–99. Bibcode : 2015AsBio..15..381K . DOI : 10.1089 / ast.2014.1198 . PMC 4442600 . PMID 25984920 .
- ^ Петерсен Дж. М., Зелински Ф. У., Папе Т., Зейферт Р., Морару С., Аманн Р. и др. (Август 2011 г.). «Водород - источник энергии для симбиоза гидротермальных источников». Природа . 476 (7359): 176–80. Bibcode : 2011Natur.476..176P . DOI : 10,1038 / природа10325 . PMID 21833083 . С2КИД 25578 .
- ^ Ким Дж. Д., Йи Н., Нанда В., Фальковски П. Г. (июнь 2013 г.). «Аноксическое фотохимическое окисление сидерита приводит к образованию молекулярных оксидов водорода и железа» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 110 (25): 10073–7. Bibcode : 2013PNAS..11010073K . DOI : 10.1073 / pnas.1308958110 . PMC 3690895 . PMID 23733945 .
- ^ Catling DC, Zahnle KJ, McKay C (август 2001 г.). «Биогенный метан, утечка водорода и необратимое окисление ранней Земли». Наука . 293 (5531): 839–43. Bibcode : 2001Sci ... 293..839C . DOI : 10.1126 / science.1061976 . PMID 11486082 . S2CID 37386726 .
- ^ а б Хеткорн В., Растоги Р.П., Инчароенсакди А., Линдблад П., Мадамвар Д., Панди А., Ларроч С. (ноябрь 2017 г.). «Производство водорода из микроводорослей - обзор». Биоресурсные технологии . 243 : 1194–1206. DOI : 10.1016 / j.biortech.2017.07.085 . PMID 28774676 .
- ^ Das D (2001). «Производство водорода биологическими процессами: обзор литературы». Международный журнал водородной энергетики . 26 (1): 13–28. DOI : 10.1016 / S0360-3199 (00) 00058-6 .
- ^ Питерс Дж. В., Шут Дж. Дж., Бойд Е. С., Малдер Д. В., Шепард Е. М., Бродерик Дж. Б., Кинг П. В., Адамс М. В. (июнь 2015 г.). «Разнообразие, механизм и созревание [FeFe] - и [NiFe] -гидрогеназ» (PDF) . Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Исследование молекулярных клеток . 1853 (6): 1350–69. DOI : 10.1016 / j.bbamcr.2014.11.021 . PMID 25461840 .
- ^ а б Кирхман Д.Л. (02.02.2011). Процессы в микробной экологии . Издательство Оксфордского университета. DOI : 10.1093 / acprof: oso / 9780199586936.001.0001 . ISBN 9780199586936.
- ^ Ри Т.С., Бреннинкмейер КА, Рёкманн Т. (19 мая 2006 г.). «Подавляющая роль почв в глобальном круговороте водорода в атмосфере» . Химия и физика атмосферы . 6 (6): 1611–1625. DOI : 10,5194 / ACP-6-1611-2006 .
- ^ а б Сигер С., Шренк М., Бейнс В. (январь 2012 г.). «Астрофизический взгляд на метаболические биосигнатурные газы на Земле». Астробиология . 12 (1): 61–82. Bibcode : 2012AsBio..12 ... 61S . DOI : 10.1089 / ast.2010.0489 . ЛВП : 1721,1 / 73073 . PMID 22269061 .
- ^ Novelli PC, Лэнг П.М., Масари К.А., Херст Д.Ф., Майерс Р., Элкинс Дж. В. (1999-12-01). «Молекулярный водород в тропосфере: глобальное распределение и бюджет» . Журнал геофизических исследований: атмосферы . 104 (D23): 30427–30444. Bibcode : 1999JGR ... 10430427N . DOI : 10.1029 / 1999jd900788 .
- ^ Колин-Гарсия М (2016). «Гидротермальные источники и пребиотическая химия: обзор» . Boletín de la Sociedad Geológica Mexicana . 68 (3): 599–620. DOI : 10.18268 / BSGM2016v68n3a13 .
- ^ Вехтерсхойзер Г. «Происхождение жизни в железо-серном мире». = Молекулярное происхождение жизни . Издательство Кембриджского университета. С. 206–218. ISBN 9780511626180.
- ^ Бойд Э. С., Шут Г. Дж., Адамс М. В., Петерс Дж. В. (01.09.2014). «Водородный метаболизм и эволюция биологического дыхания» . Журнал Microbe . 9 (9): 361–367. DOI : 10,1128 / microbe.9.361.1 .
- ^ Seewald JS (апрель 2017 г.). «Обнаружение молекулярного водорода на Энцеладе». Наука . 356 (6334): 132–133. Bibcode : 2017Sci ... 356..132S . DOI : 10.1126 / science.aan0444 . PMID 28408557 . S2CID 206658660 .
- ^ Hsu HW, Postberg F, Sekine Y, Shibuya T., Kempf S, Horányi M и др. (Март 2015 г.). «Текущая гидротермальная деятельность на Энцеладе». Природа . 519 (7542): 207–10. Bibcode : 2015Natur.519..207H . DOI : 10,1038 / природа14262 . PMID 25762281 . S2CID 4466621 .
- ^ Глейн CR, Баросс Дж. А., Уэйт-младший Дж. Х. (2015). «PH океана Энцелада». Geochimica et Cosmochimica Acta . 162 : 202–219. arXiv : 1502.01946 . Bibcode : 2015GeCoA.162..202G . DOI : 10.1016 / j.gca.2015.04.017 . S2CID 119262254 .