수소순환

Hydrogen cycle
다음에 대한 시리즈 일부
바이오게화학주기
Rock cycle nps 2.png
물 순환
탄소 순환
영양 사이클
록 사이클
마린 사이클
메탄 사이클
기타 사이클
관련 항목
연구단체

수소 순환은 생물학적(생존적)과 아바이오틱(비생존적) 원천과 수소 함유 화합물의 싱크대 사이의 수소 교환으로 이루어진다.

수소(H)는 우주에서 가장 풍부한 원소다.[1] 지구에서 흔히 볼 수 있는 H 함유 무기 분자는 물(HO2), 수소 가스(H2), 황화수소(HS2), 암모니아(NH3) 등이다. 많은 유기 화합물들 또한 탄화수소와 유기 물질과 같은 H 원자를 포함하고 있다. 무기질 및 유기화학 화합물 내 수소 원자의 편재성을 감안할 때 수소 주기는 분자 수소 H에2 초점이 맞춰져 있다.

수소 가스는 암석수 상호작용을 통해 자연적으로 생성되거나 미생물 대사물의 부산물로 생성될 수 있다. 자유 H는2 다른 미생물에 의해 소비되거나 대기 중에 광화학적으로 산화되거나 우주로 사라질 수 있다. 수소는 또한 생물학 이전의 화학 작용과 지구, 그리고 잠재적으로 태양계의 다른 곳에서 생명체의 초기 진화에 중요한 반응 물질로 여겨진다.[2]

아바이오틱스 사이클

원천

수소 가스의 아바이오틱스 공급원으로는 물암과 광화학 반응이 있다. 물과 올리빈 광물 사이의 발열성 독사화 반응은 해양이나 지상 지하 표면에서 H를2 생성한다.[3][4] 바다에서는 열수 분출구가 마그마와 풍부한 H를 포함한2 해수 액체를 온도계와 숙주암 구성에 따라 변화시킨다.[5][4] 분자 수소는 또한 양극성 수성 환경에서 사이다와 같은 일부 광물종의 광산화(태양 UV 복사를 통해)를 통해 생성될 수 있다. 이것은 초기 지구의 고고학 대양의 상부 지역에서 중요한 과정이었을 것이다.[6]

싱크대

H는2 가장 가벼운 원소이기 때문에 대기 중 H는2 지구의 순 질량 손실을 유발하는 되돌릴 수 없는 과정인 청바지 탈출로 우주에 쉽게 손실될 수 있다.[7] CH나4 HO와2 같이 빠져나오기 쉬운 무거운 화합물의 광분해 또한 H를2 상층 대기에서 해방시켜 이 과정에 기여할 수 있다. 자유 대기 H의2 또 다른 주요한 싱크로는 물을 형성하는 히드록실산기(•OH)에 의한 광화학 산화다.

H의2 인공 흡수원에는 피셔-트로프슈 반응을 통한 합성 연료 생산과 질소 비료를 생산하기 위한 하버-보쉬 공정을 통한 인공 질소 고정 등이 포함된다.

생체 주기

많은 미생물 대사물은 H를2 생성하거나 소비한다.

생산

수소는 많은 미생물의 수소화효소와 질소화효소에 의해 생성되는데, 그 중 일부는 바이오연료 생산 잠재력으로 연구되고 있다.[8][9] 이러한 H-메타볼라이징2 효소는 생명체의 3개 영역 모두에서 발견되며, 미생물 세자의 30%가 넘는 알려진 게놈 중 수소효소 유전자를 함유하고 있다.[10] 발효는 혐기성 미생물 먹이 사슬의[11] 일부로서 빛에 의존하거나 빛에 의존하지 않는 경로를 통해 유기물로부터 H를2 생산한다.[8]

소비

생물학적 토양 흡수는 대기 중 H의2 지배적인 흡수원이다.[12] 에어로빅과 혐기성 미생물 대사물 모두 호흡2 중 다른 화합물을 줄이기 위해 H를 산화시켜 소비한다. 에어로빅 H 산화는2 크날가스 반응으로 알려져 있다.[13]

혐기성 H2 산화는 발효 중 생성된 H가2 다른 유기체에 전달되는 이종 간 수소 전달 과정에서 종종 발생하는데, 이 H를2 사용하여 CO를2 CH나4 아세테이트로, SO를42- HS로2, Fe를3+ Fe로2+ 감소시킨다. 종간 수소 전달은 H의2 부분 압력이 증가함에 따라 발효가 열역학적으로 덜 유리해지기 때문에 대부분의2 환경에서 H 농도를 매우 낮게 유지한다.[11]

지구 기후 관련성

H는2 대기 중의 메탄, 즉 온실 가스 제거를 방해할 수 있다. 일반적으로 대기 CH는4 히드록실산기(•OH)에 의해 산화되지만, H도2 •OH와 반응하여 HO로2 줄일 수 있다.[14]

우주생물학에 대한 시사점

열수 H는2 생물학 이전의 화학 작용에 큰 역할을 했을지도 모른다.[15] 독사에 의한 H의2 생산은 생명의 철-황산 세계 기원에서 제안된 반응물질의 형성을 지지했다.[16] 이후 수소영양성 메탄노제시스의 진화는 지구상에서 가장 초기 대사물 중 하나로 가정된다.[17][2]

독사화는 콘드리트적 구성을 가진 모든 행성체에서 발생할 수 있다. 엔셀라두스와 같은 다른 해양 세계에서 H가2 발견된 것은 우리 태양계의 다른 곳에서도 그리고 잠재적으로 다른 태양계에서도 유사한 과정이 진행 중임을 시사한다.[18][19][20][13]

참고 항목

참조

  1. ^ Cameron AG (1973). "Abundances of the elements in the solar system". Space Science Reviews. 15 (1): 121. Bibcode:1973SSRv...15..121C. doi:10.1007/BF00172440. ISSN 0038-6308. S2CID 120201972.
  2. ^ a b Colman DR, Poudel S, Stamps BW, Boyd ES, Spear JR (July 2017). "The deep, hot biosphere: Twenty-five years of retrospection". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 114 (27): 6895–6903. doi:10.1073/pnas.1701266114. PMC 5502609. PMID 28674200.
  3. ^ Russell MJ, Hall AJ, Martin W (December 2010). "Serpentinization as a source of energy at the origin of life". Geobiology. 8 (5): 355–71. doi:10.1111/j.1472-4669.2010.00249.x. PMID 20572872.
  4. ^ a b Konn C, Charlou JL, Holm NG, Mousis O (May 2015). "The production of methane, hydrogen, and organic compounds in ultramafic-hosted hydrothermal vents of the Mid-Atlantic Ridge". Astrobiology. 15 (5): 381–99. Bibcode:2015AsBio..15..381K. doi:10.1089/ast.2014.1198. PMC 4442600. PMID 25984920.
  5. ^ Petersen JM, Zielinski FU, Pape T, Seifert R, Moraru C, Amann R, et al. (August 2011). "Hydrogen is an energy source for hydrothermal vent symbioses". Nature. 476 (7359): 176–80. Bibcode:2011Natur.476..176P. doi:10.1038/nature10325. PMID 21833083. S2CID 25578.
  6. ^ Kim JD, Yee N, Nanda V, Falkowski PG (June 2013). "Anoxic photochemical oxidation of siderite generates molecular hydrogen and iron oxides". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110 (25): 10073–7. Bibcode:2013PNAS..11010073K. doi:10.1073/pnas.1308958110. PMC 3690895. PMID 23733945.
  7. ^ Catling DC, Zahnle KJ, McKay C (August 2001). "Biogenic methane, hydrogen escape, and the irreversible oxidation of early Earth". Science. 293 (5531): 839–43. Bibcode:2001Sci...293..839C. doi:10.1126/science.1061976. PMID 11486082. S2CID 37386726.
  8. ^ a b Khetkorn W, Rastogi RP, Incharoensakdi A, Lindblad P, Madamwar D, Pandey A, Larroche C (November 2017). "Microalgal hydrogen production - A review". Bioresource Technology. 243: 1194–1206. doi:10.1016/j.biortech.2017.07.085. PMID 28774676.
  9. ^ Das D (2001). "Hydrogen production by biological processes: a survey of literature". International Journal of Hydrogen Energy. 26 (1): 13–28. doi:10.1016/S0360-3199(00)00058-6.
  10. ^ Peters JW, Schut GJ, Boyd ES, Mulder DW, Shepard EM, Broderick JB, King PW, Adams MW (June 2015). "[FeFe]- and [NiFe]-hydrogenase diversity, mechanism, and maturation" (PDF). Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular Cell Research. 1853 (6): 1350–69. doi:10.1016/j.bbamcr.2014.11.021. PMID 25461840.
  11. ^ a b Kirchman DL (2011-02-02). Processes in Microbial Ecology. Oxford University Press. doi:10.1093/acprof:oso/9780199586936.001.0001. ISBN 9780199586936.
  12. ^ Rhee TS, Brenninkmeijer CA, Röckmann T (2006-05-19). "The overwhelming role of soils in the global atmospheric hydrogen cycle". Atmospheric Chemistry and Physics. 6 (6): 1611–1625. Bibcode:2006ACP.....6.1611R. doi:10.5194/acp-6-1611-2006.
  13. ^ a b Seager S, Schrenk M, Bains W (January 2012). "An astrophysical view of Earth-based metabolic biosignature gases". Astrobiology. 12 (1): 61–82. Bibcode:2012AsBio..12...61S. doi:10.1089/ast.2010.0489. hdl:1721.1/73073. PMID 22269061.
  14. ^ Novelli PC, Lang PM, Masarie KA, Hurst DF, Myers R, Elkins JW (1999-12-01). "Molecular hydrogen in the troposphere: Global distribution and budget". Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 104 (D23): 30427–30444. Bibcode:1999JGR...10430427N. doi:10.1029/1999jd900788.
  15. ^ Colín-García M (2016). "Hydrothermal vents and prebiotic chemistry: a review". Boletín de la Sociedad Geológica Mexicana. 68 (3): 599–620. doi:10.18268/BSGM2016v68n3a13.
  16. ^ Wächtershäuser G. "Origin of life in an iron–sulfur world". =The Molecular Origins of Life. Cambridge University Press. pp. 206–218. ISBN 9780511626180.
  17. ^ Boyd ES, Schut GJ, Adams MW, Peters JW (2014-09-01). "Hydrogen Metabolism and the Evolution of Biological Respiration". Microbe Magazine. 9 (9): 361–367. doi:10.1128/microbe.9.361.1.
  18. ^ Seewald JS (April 2017). "Detecting molecular hydrogen on Enceladus". Science. 356 (6334): 132–133. Bibcode:2017Sci...356..132S. doi:10.1126/science.aan0444. PMID 28408557. S2CID 206658660.
  19. ^ Hsu HW, Postberg F, Sekine Y, Shibuya T, Kempf S, Horányi M, et al. (March 2015). "Ongoing hydrothermal activities within Enceladus". Nature. 519 (7542): 207–10. Bibcode:2015Natur.519..207H. doi:10.1038/nature14262. PMID 25762281. S2CID 4466621.
  20. ^ Glein CR, Baross JA, Waite Jr JH (2015). "The pH of Enceladus' ocean". Geochimica et Cosmochimica Acta. 162: 202–219. arXiv:1502.01946. Bibcode:2015GeCoA.162..202G. doi:10.1016/j.gca.2015.04.017. S2CID 119262254.