Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Железный цикл
Биогеохимический цикл железа: железо циркулирует в атмосфере, литосфере и океанах. Обозначенные стрелки показывают поток железа в Тг в год. [1] [2] [3] [4] Железо в океане циклически колеблется между планктоном, агрегированными частицами (небиодоступное железо) и растворенным (биодоступное железо) и превращается в отложения при захоронении. [1] [5] [6] Гидротермальные источники выделяют в океан двухвалентное железо [7] в дополнение к поступлению океанического железа из наземных источников. Железо попадает в атмосферу посредством вулканизма [8], эолового ветра [9] и некоторого количества при сгорании человеком. В антропоцене, железо удаляется из шахт в коре, а часть повторно депонируется 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 одним из ключевых питательных микроэлементов в первичной продуктивности , [11] и питательным веществом в Южном океане, восточной экваториальной части Тихого океана, и субарктической части Тихого океана называют как высоким содержанием питательных веществ, Low-Хлорофилл (HNLC) областях океана. [12]

Железо существует в диапазоне степеней 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 может быть полностью абиотическим или ему могут способствовать микроорганизмы , особенно бактерии, окисляющие железо . Абиотические процессы включают ржавление железосодержащих металлов, когда Fe 2+ абиотически окисляется до Fe 3+ в присутствии кислорода, и восстановление Fe 3+ до Fe 2+.железо-сульфидными минералами. Биологический цикл Fe 2+ осуществляется микробами, окисляющими и восстанавливающими железо. [14] [15]

Железо является важным микроэлементом почти для каждой формы жизни. Это является ключевым компонентом гемоглобина, важен фиксации азота в составе нитрогеназного семейства ферментов, и как часть сердечника железа-сере ферредоксина облегчает перенос электронов в хлоропластах, эукариотические митохондрии, и бактерию. 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 [ править ]

На ранней Земле, когда уровень кислорода в атмосфере составлял 0,001% от сегодняшнего, считалось , что растворенного Fe 2+ в океанах было намного больше, и, следовательно, он был более биодоступным для микробной жизни. [16] Сульфид железа мог обеспечить энергию и поверхность для первых организмов. [17] В это время, до начала кислородного фотосинтеза , в первичной продукции могли доминировать фотоферротрофы, которые получали энергию от солнечного света и использовали электроны из Fe 2+ для фиксации углерода. [18]

Во время Великого окисления , 2,3–2,5 миллиарда лет назад, растворенное связанное железо окислялось кислородом, производимым цианобактериями, с образованием оксидов железа. Оксиды железа были более плотными, чем вода, и падали на дно океана, образуя полосчатые образования железа (BIF). [19] Со временем увеличение количества кислорода удалило из океана все большее количество железа. BIF - важный запас железа в наше время. [20] [21]

Oceanic [ править ]

Океан является важнейшим компонентом климатической системы Земли , а цикл железа играет ключевую роль в первичной продуктивности океана и функционировании морских экосистем. Известно, что ограничение содержания железа ограничивает эффективность биологического угольного насоса. Наибольшее количество железа в океаны поступает из рек, где оно находится во взвешенном состоянии 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 фитопланктона , основы 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 и 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 в качестве неорганического источника; однако органические формы железа могут также использоваться некоторыми диатомовыми водорослями, которые используют процесс 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 глубоководного железа. В среднем 0,07 ± 0,04 нмоль Fe кг -1 на поверхности (<200 м) и 0,76 ± 0,25 нмоль Fe кг -1 на глубине (> 500 м). [21] Следовательно, апвеллингзоны 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 резервуар растворенного железа быстро обновляется примерно за 100 лет. [21]

Наземные экосистемы [ править ]

Круговорот железа - важный компонент наземных экосистем. Двухвалентная форма железа, Fe 2+ , доминирует в мантии, ядре или глубокой коре Земли. Форма трехвалентного железа, Fe 3+ , более устойчива в присутствии газообразного кислорода. [27] Пыль - ключевой компонент в круговороте железа на Земле. Химическое и биологическое выветривание разрушает 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 пыльявляется критически важной частью цикла железа, транспортируя частицы железа с суши через атмосферу в океан. [28]

Вулканические извержения также являются ключевым фактором в круговороте земного железа, выбрасывая богатую железом пыль в атмосферу либо большими, либо меньшими всплесками с течением времени. [29] Атмосферный перенос богатой железом пыли может повлиять на концентрацию в океане. [2]

Взаимодействие с другими элементными циклами [ править ]

Цикл железа значительно 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 быть акцептором электронов для восстановленной серы, H 2 и органических соединений 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 круговоротом фосфора пресной воды . С кислородом 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 микробы используют его в качестве конечного акцептора электронов либо от органического углерода, либо от H 2 . Это высвобождает фосфор обратно в воду для биологического использования. [31]

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. [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 азотном цикле , помимо своей роли в составе ферментов, участвующих в азотфиксации. В бескислородных условиях Fe (II) может отдавать электрон, который принимается N0 3 -, который окисляется до нескольких различных форм соединений азота, NO 2 - , N 2 0, N 2 и NH 4 + , в то время как Fe (II ) восстанавливается до Fe (III). [31]

Антропогенные влияния [ править ]

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 открытые районы 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 поглощения CO 2 , влияя на глобальный углеродный цикл . [34]

См. Также [ править ]

  • Удобрение железом
  • Области с высоким содержанием питательных веществ и низким содержанием хлорофилла
  • Биогеохимический цикл

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b Никельсен L, Келлер D, Oschlies A (2015-05-12). «Модуль динамического морского цикла железа в сочетании с моделью системы Земли Университета Виктории: Морская биогеохимическая модель 2 в Киле для UVic 2.9» . Разработка геонаучных моделей . 8 (5): 1357–1381. Bibcode : 2015GMD ..... 8.1357N . DOI : 10.5194 / GMD-8-1357-2015 .
  2. ^ a b 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 : 2005Sci ... 308 ... 67J . DOI : 10.1126 / science.1105959 . PMID 15802595 . 
  3. ^ Raiswell R, Кэнфилд DE (2012). «Биогеохимический цикл железа в прошлом и настоящем» (PDF) . Геохимические перспективы . 1 : 1–232. DOI : 10,7185 / geochempersp.1.1 .
  4. ^ а б Ван Т., Мюллер ДБ, Graedel TE (2007-07-01). «Формирование антропогенного железного цикла». Наука об окружающей среде и технологии . 41 (14): 5120–5129. Bibcode : 2007EnST ... 41.5120W . DOI : 10.1021 / es062761t . PMID 17711233 . 
  5. ^ Фёлькер С, Tagliabue А (июль 2015). «Моделирование органических железосвязывающих лигандов в трехмерной биогеохимической модели океана» (PDF) . Морская химия . 173 : 67–77. DOI : 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 : 2018NatCo ... 9.1593M . DOI : 10.1038 / s41467-018-03997-0 . PMC 5913250 . PMID 29686300 .  
  7. Перейти ↑ Emerson D (2016). «Ирония железа - биогенные оксиды железа как источник железа в океане» . Границы микробиологии . 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, 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 . DOI : 10.1029 / 2009GB003761 .
  9. Перейти ↑ Gao Y, Kaufman YJ, Tanre D, Kolber D, Falkowski PG (2001-01-01). «Сезонные распределения потоков эолового железа в Мировой океан» . Письма о геофизических исследованиях . 28 (1): 29–32. Bibcode : 2001GeoRL..28 ... 29G . DOI : 10.1029 / 2000GL011926 .
  10. ^ Тейлор SR (1964). «Изобилие 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, Бак К.Н., Джонсон К.С., Сайто MA (март 2017). «Неотъемлемая роль железа в биогеохимии океана» (PDF) . Природа . 543 (7643): 51–59. Bibcode : 2017Natur.543 ... 51T . DOI : 10,1038 / природа21058 . PMID 28252066 .  
  12. ^ Мартин JH, Fitzwater SE (1988). «Дефицит железа ограничивает рост фитопланктона в северо-восточной части субарктики Тихого океана». Природа . 331 (6154): 341–343. Bibcode : 1988Natur.331..341M . DOI : 10.1038 / 331341a0 .
  13. ^ Мелтон ED, ED Swanner Беренс S, Шмидт C, Каплер A (декабрь 2014). «Взаимодействие микробно-опосредованных и абиотических реакций в биогеохимическом цикле Fe». Обзоры природы. Микробиология . 12 (12): 797–808. DOI : 10.1038 / nrmicro3347 . PMID 25329406 . 
  14. Перейти ↑ Schmidt C, Behrens S, Kappler A (2010). «Функционирование экосистемы с геомикробиологической точки зрения - концептуальная основа для биогеохимического круговорота железа» . Химия окружающей среды . 7 (5): 399. DOI : 10,1071 / EN10040 .
  15. ^ Капплер, Андреас; Штрауб, Кристина Л. (01.01.2005). «Геомикробиологический круговорот железа». Обзоры по минералогии и геохимии . 59 (1): 85–108. DOI : 10.2138 / rmg.2005.59.5. ISSN  1529-6466.
  16. Перейти ↑ 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. DOI : 10.1098 / rstb.2006.1906 . PMC 1664682 . PMID 17008221 .  
  17. ^ Шредер, Кристиан; Келер, 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 .
  18. ^ Камачо А, Вальтер ХА, Picazo А, Zopfi J (2017). «Фотоферротрофия: остатки древнего фотосинтеза в современных средах» . Границы микробиологии . 8 : 323. DOI : 10,3389 / fmicb.2017.00323 . PMC 5359306 . PMID 28377745 .  
  19. ^ «Великое событие оксигенации - когда Земля сделала свой первый вздох - Научные каракули» . Проверено 10 апреля 2020 .
  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» . Наука продвигается . 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 .; 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. DOI : 10.1111 / j.1574-6941.1999.tb00593.x . ISSN 0168-6496 . 
  22. ^ Poulton 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 . DOI : 10,2475 / ajs.302.9.774 .
  23. ^ Duggen S, Olgun Н, Р Крут, Хоффман LJ, Dietze Н, Delmelle Р, 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 . DOI : 10.5194 / BG-7-827-2010 .
  24. Перейти ↑ Hutchins DA, Boyd PW (2016). «Морской фитопланктон и изменение цикла железа в океане». Изменение климата природы . 6 (12): 1072–1079. Bibcode : 2016NatCC ... 6.1072H . DOI : 10.1038 / nclimate3147 .
  25. ^ a b Леувен, HP (Герман) ван, Римсдейк, Ван Ван, Хиемстра, Т.Дж. (Тжисс), Кребс, Си-Джей, Хиемстра, Т.Дж. (Тжисс), и Кребс, Си-Джей (2008). Биогеохимический цикл железа: роль естественного органического вещества.
  26. ^ a b c Ло, Чао; Mahowald, N .; Бонд, Т .; Чуанг, штат Пенсильвания; Artaxo, P .; Siefert, R .; Chen, Y .; Шауэр, Дж. (2008). «Распределение и осаждение шлама» . Глобальные биогеохимические циклы . 22 (1): н / д. Bibcode : 2008GBioC..22.1012L . DOI : 10.1029 / 2007GB002964 .
  27. Перейти ↑ Johnson CM, Beard BL (август 2005 г.). «Геохимия. Биогеохимический круговорот изотопов железа». Наука . 309 (5737): 1025–7. DOI : 10.1126 / science.1112552 . PMID 16099969 . 
  28. ↑ Fan, Song-Miao; Moxim, Walter J .; Леви, Хирам (2006). «Эоловые поступления биодоступного железа в океан» . Письма о геофизических исследованиях . 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 и др. (2013). «Удобрение естественным железом в результате извержения вулкана Эйяфьятлайокудль» (PDF) . Письма о геофизических исследованиях . 40 (5): 921–926. Bibcode : 2013GeoRL..40..921A . DOI : 10.1002 / grl.50221 .
  30. ^ Роден, Эрик; Соболев, Дмитрий; Глейзер, Брайан; Лютер, Джордж (2004-09-01). «Потенциал микромасштабного бактериального окислительно-восстановительного цикла Fe на аэробно-анаэробном интерфейсе» . Геомикробиологический журнал . 21 (6): 379–391. DOI : 10.1080 / 01490450490485872 .
  31. ^ a b Бургин, Эми Дж .; Ян, Венди Х .; Гамильтон, Стивен К .; Сильвер, Whendee L. (2011). «Помимо углерода и азота: как микробная энергетическая экономика объединяет элементарные циклы в различных экосистемах». Границы экологии и окружающей среды . 9 (1): 44–52. DOI : 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, участвующие в циклическом цикле железа, из пресной воды, богатой сульфидом и нитратами железа" . Границы микробиологии . 3 : 26. DOI : 10,3389 / fmicb.2012.00026 . PMC 3271277 . PMID 22347219 .  
  33. ^ Haaijer, Сюзанна CM; Ламерс, Леон П.М.; Smolders, Alfons JP; Джеттен, Майк С.М.; Лагерь, Huub JM Op den (14 августа 2007 г.). «Сульфид железа и пирит как потенциальные доноры электронов для снижения содержания нитратов микробов в пресноводных водно-болотных угодьях». Геомикробиологический журнал . 24 (5): 391–401. DOI : 10.1080 / 01490450701436489 . ISSN 0149-0451 . 
  34. ^ а б Кришнамурти, Апарна; Мур, Дж. Кейт; Маховальд, Натали; Ло, Чао; Дони, Скотт С .; Линдси, Кит; 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 . DOI : 10.1029 / 2008GB003440 . hdl : 1912/3418 . ISSN 1944-9224 . 

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Перес-Гусман Л., Богнер К.Р., Нижняя BH (2010). "Железное колесо Земли" . Знания о естественном просвещении . 3 (10): 32.