철 사이클

Iron cycle
Iron cycle
바이오게화학철기 사이클
철은 대기권, 암석권, 해양을 순환한다. 라벨로 표시된 화살표는 연간 철의 Tg에서 유속을 나타낸다.[1][2][3][4] 해양의 철은 플랑크톤, 집적 입자(생물 이용 불가능한 철), 용해(생물 이용 가능한 철) 사이에서 순환하며, 장례를 통해 퇴적물이 된다.[1][5][6]열수 분출구는 육지로부터 들어오는 해양 철분 외에 철분을 바다로[7] 방출한다. 철은 화산,[8]애올풍,[9]그리고 몇몇은 인간에 의한 연소를 통해 대기에 도달한다. 인류세에서는 철이 지각의 광산에서 제거되고 일부는 폐기물 저장소에 재입고된다.[4][6]

철 사이클(Fe)은 대기, 수력, 생물권, 암석권을 통과하는 철의 생물화학 사이클이다. Fe는 지구의 지각에서 매우 풍부하지만,[10] 산소화된 지표수에서는 덜 흔하다. 철은 일차 생산성의 핵심 미미량이며,[11] 바다의 고-영두, 저-염소엽록소(HNLC) 지역으로 언급되는 남극 태평양, 동부 적도 태평양의 제한 영양소다.[12]

철은 -2에서 +7까지의 산화 상태에 존재하지만 지구에서는 대부분 +2 또는 +3 redox 상태에 있으며 지구에서는 1차 redox-active 금속이다.[13] 철의 +2와 +3 산화 상태 사이의 철의 순환을 철 사이클이라고 한다. 이 과정은 미생물, 특히 철분 산화 박테리아에 의해 완전히 생물이거나 촉진될 수 있다. 아바이오틱스 공정은 산소가 있는 상태에서 Fe가2+ Fe로3+ 도산되는 철을 함유한 금속의 녹슬림과 철-황화 광물에 의한 Fe3+ to Fe의2+ 감소 등이 있다. Fe의2+ 생물학적 순환은 철이 미생물을 산화시키고 감소시킴으로써 이루어진다.[14][15]

철은 거의 모든 생명체에 필수적이다. 헤모글로빈의 핵심 성분으로, 질소효소 효소 계열의 일부로 질소 고정에 중요하며, 페레독신의 철-황산 코어의 일부로서 엽록체, 진핵 미토콘드리아, 박테리아에서 전자수송을 촉진한다. 산소와 함께 Fe의2+ 반응도가 높고 Fe의3+ 용해도가 낮기 때문에 철은 세계 대부분의 지역에서 제한적인 영양소다.

고대 지구

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

대기 중의 산소 농도가 오늘날 존재하는 것의 0.001%였던 초기 지구에서 용해된2+ Fe는 바다에서 훨씬 더 풍부했고, 따라서 미생물 생물이 더 많은 생물체를 이용할 수 있었다고 생각되었다.[16] 황화 철은 최초의 유기체에 에너지와 표면을 제공했을지도 모른다.[17] 이때 산소 광합성이 시작되기 전 일차 생산은 햇빛으로부터 에너지를 얻고, 탄소를 고치기 위해 Fe로부터2+ 전자를 사용하는 광프로토피에 의해 지배되었을지도 모른다.[18]

23억25억년 전 대산화 행사 당시 용해 철은 시아노박테리아에서 생산한 산소에 의해 산화돼 철산화물이 형성됐다. 철산화물은 물보다 밀도가 높았고, 띠철 형성물(BIF)을 형성하며 해저로 떨어졌다.[19] 시간이 지남에 따라, 증가하는 산소 농도는 바다에서 증가하는 양의 철분을 제거했다. 현대에는 BIF가 철광석의 주요 원천이었다.[20][21]

지구생태계

철의 순환은 지상 생태계의 중요한 구성요소다. 철의 형태인 Fe는2+ 지구의 맨틀, 코어 또는 깊은 지각에서 지배적이다. 철의 형태인 Fe는3+ 산소 가스가 있는 곳에서 더 안정적이다.[22] 먼지는 지구의 철기 주기의 핵심 성분이다. 화학적, 생물학적 풍화작용은 철을 함유한 미네랄을 분해하여 영양분을 대기 중으로 방출한다. 수문학적 사이클과 식물성 커버의 변화는 이러한 패턴에 영향을 미치며, 먼지 침적 추정치가 연간 1000~2000Tg/년 사이일 때 전지구적 먼지 생성에 큰 영향을 미친다.[2] 아이올리언 먼지는 지구의 땅에서 대기를 거쳐 바다로 철분 입자를 운반함으로써 철분 순환의 중요한 부분이다.[23]

화산 폭발은 또한 지상의 철의 순환에 주요 원인이 되어 철분이 풍부한 먼지를 시간이 지남에 따라 큰 폭발이나 작은 분출로 대기로 방출한다.[24] 철분이 많은 먼지의 대기 수송은 해양 농도에 영향을 미칠 수 있다.[2]

해양생태계

바다는 지구 기후 시스템의 중요한 구성 요소로서, 철의 순환은 해양 1차 생산성과 해양 생태계 기능에 핵심적인 역할을 한다. 철의 제한은 생물학적 탄소 펌프의 효율을 제한하는 것으로 알려져 왔다. 바다에 철을 가장 많이 공급하는 곳은 강으로, 강물은 침전물 입자로 매달려 있다.[25] 연안 해역은 강과 산화 퇴적물로부터 철분을 공급받는다.[21] 바다로 가는 철의 다른 주요 공급원으로는 빙하 입자, 대기 먼지 수송, 열수 분출구가 있다.[26] 철분 공급은 해양식품 거미줄의 기반인 식물성 플랑크톤의 성장에 영향을 미치는 중요한 요인이다.[27] 연안 지역은 대기 중의 먼지 퇴적과 상승에 의존한다.[21] 다른 주요 철분 공급원으로는 빙하 미립자, 열수 분출구, 화산재가 있다.[28] 역외 지역에서도 박테리아는 철분 흡수를 위해 식물성 플랑크톤과 경쟁한다.[21] HNLC 지역에서 철은 식물성 플랑크톤의 생산성을 제한한다.[29]

남해 철의 순환에서 해양동물의 역할

가장 일반적으로, 철은 식물성 플랑크톤에 무기물 공급원으로 이용되었다. 그러나 유기적인 형태의 철은 표면 환원효소 메커니즘을 사용하는 특정한 규조류에 의해서도 사용될 수 있다. 식물성 플랑크톤에 의한 철분 섭취는 표면 바닷물에서 철분 농도가 가장 낮은 것으로 이어진다. 추억은 가라앉는 식물성 플랑크톤이 동물성 플랑크톤과 박테리아에 의해 분해될 때 일어난다. 업웰링은 철을 재활용하고 더 높은 수심 철 농도를 유발한다. 평균적으로 표면에는 0.07±0.04nmol Fe kg−1 (<200m)), 깊이에는 0.76±0.25nmol Fe kg−1 (>500m)가 있다.[21] 그러므로, 상류 지역은 지표 해양의 다른 지역보다 더 많은 철분을 함유하고 있다. 철 형태의 용해성 철은 일반적으로 애올리언 자원으로부터 나오는 이용에 생물학적으로 이용 가능하다.

철은 주로 입자 단계에서 철로 존재하며 용해 철분수는 응고에 의해 물기둥에서 제거된다. 이 때문에 용해된 철제 풀장은 약 100년 만에 빠르게 뒤집힌다.[21]

다른 원소 주기와의 상호작용

표면해상 용해 철의 생체화학 사이클링 [31]
LS, 강한 철 결합 리간드, L, 약한W 철 결합 리간드, FeLS, 강한 철 결합 리간드에 의해 복합된 철, 약한 철 결합 리간드에 의해 복합된 철, Few(II), 모든 Fe(II) 종의 총합 모든 무기체 Fe(III)종의 합인 Fecol, 콜로이드 철종, 입자상에서의 Fepart, 철, hv, 광자속, O, 용존산소2, HO22, 과산화수소 용존.

철 주기는 황, 질소, 인 주기와 크게 상호작용한다. 수용성 Fe(II)는 전자 공여자의 역할을 할 수 있어 O와2 NO를3 포함한 산화 유기 및 무기 전자 수용체를 감소시키고 Fe(III)로 산화된다. 산화된 형태의 철은 감소된 유황2, H, 유기 탄소 화합물의 전자 수용기가 될 수 있다. 이렇게 하면 철이 산화 Fe(II) 상태로 돌아가 사이클이 완료된다.[32]

수생계통에서 Fe(II)와 Fe(III) 사이의 철의 전환은 담수인 순환과 상호 작용한다. 물 속에 산소가 있는 Fe(II)는 미생물에 의해 또는 미생물에 의해 산화된다. Fe(III)는 인과 단단하게 결합되는 철 수산화물을 형성할 수 있으며, 생물학적으로 이용 가능한 인 풀에서 제거하여 1차 생산성이 제한된다. 양극성 조건에서 Fe(III)를 줄일 수 있으며, 미생물이 유기 탄소나 H에서2 최종 전자 수용체로 사용할 수 있다. 이것은 생물학적 사용을 위해 인을 다시 물 속으로 방출한다.[33]

철과 유황 주기는 여러 지점에서 상호작용을 할 수 있다. 보라색 유황세균과 녹색 유황세균은 음산화 광합성 과정에서 전자 공여자로 Fe(II)를 사용할 수 있다.[34] 황산염을 감소시키는 무산화 환경에서 황산염을 감소시키면 황산염을 감소시킬 수 있으며, 이는 Fe(II)에 결합되어 물 밖으로 침전되어 철과 황을 제거하는 고체 광물인 황화 철을 생성하게 된다. 철, 인산염, 유황 주기는 모두 서로 상호작용을 할 수 있다. 황화물은 금속 이온이 더 이상 없을 때 이미 인산염에 묶인 철에서 Fe(III)를 감소시켜 인산염을 방출하고 철 황화물을 만들 수 있다.[35]

철은 질소 고정과 관련된 효소의 일부로서의 역할과는 별개로 질소 순환에서 중요한 역할을 한다. 음산화 조건에서 Fe(II)는 N0에3− 의해 수용되는 전자를 기증할 수 있으며, NO2−, N02, N2, NH의4+ 여러 가지 다른 형태의 질소 화합물에 산화된다. Fe(II)는 Fe(III)로 환원된다.[33]

인공적 영향

인간이 해양의 철 주기에 미치는 영향은 산업 시대 초기의 먼지 농도가 높아지기 때문이다. 오늘날, 해양에는 인공적인 오염물질과 용해성 철 연소원에서의 산업화 이전 시기보다 대략 두 배 정도의 용해성 철이 있다.[29] 인간의 토지 이용 활동과 기후의 변화로 인해 분진 유속이 증가하여 해양의 개방 지역으로의 분진량이 증가한다.[28] 철의 다른 인공적인 원천은 연소 때문이다. 철의 가장 높은 연소율은 동아시아에서 발생하며, 이는 전 세계 해양 퇴적물의 20-100%에 기여한다.[29]

인간은 화석 연료 연소와 대규모 농업에서 질소의 순환을 변화시켰다.[36] 철과 질소의 증가로 인해 아열대 북태평양과 남태평양의 해양 질소 고정 현상이 증가한다. 아열대, 열대 및 HNLC 영역에서 철의 입력 증가가 CO 흡수2 증가로 이어져 전지구 탄소 주기에 영향을 미칠 수 있다.[36]

참고 항목

참조

  1. ^ a b Nickelsen L, Keller D, Oschlies A (2015-05-12). "A dynamic marine iron cycle module coupled to the University of Victoria Earth System Model: the Kiel Marine Biogeochemical Model 2 for UVic 2.9". Geoscientific Model Development. 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, et al. (April 2005). "Global iron connections between desert dust, ocean biogeochemistry, and climate". Science. 308 (5718): 67–71. Bibcode:2005Sci...308...67J. doi:10.1126/science.1105959. PMID 15802595. S2CID 16985005.
  3. ^ Raiswell R, Canfield DE (2012). "The iron biogeochemical cycle past and present" (PDF). Geochemical Perspectives. 1: 1–232. doi:10.7185/geochempersp.1.1.
  4. ^ a b Wang T, Müller DB, Graedel TE (2007-07-01). "Forging the Anthropogenic Iron Cycle". Environmental Science & Technology. 41 (14): 5120–5129. Bibcode:2007EnST...41.5120W. doi:10.1021/es062761t. PMID 17711233.
  5. ^ Völker C, Tagliabue A (July 2015). "Modeling organic iron-binding ligands in a three-dimensional biogeochemical ocean model" (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 (April 2018). "Anthropogenic combustion iron as a complex climate forcer". Nature Communications. 9 (1): 1593. Bibcode:2018NatCo...9.1593M. doi:10.1038/s41467-018-03997-0. PMC 5913250. PMID 29686300.
  7. ^ Emerson D (2016). "The Irony of Iron - Biogenic Iron Oxides as an Iron Source to the Ocean". Frontiers in Microbiology. 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). "Surface ocean iron fertilization: The role of airborne volcanic ash from subduction zone and hot spot volcanoes and related iron fluxes into the Pacific Ocean" (PDF). Global Biogeochemical Cycles. 25 (4): n/a. Bibcode:2011GBioC..25.4001O. doi:10.1029/2009GB003761.
  9. ^ Gao Y, Kaufman YJ, Tanre D, Kolber D, Falkowski PG (2001-01-01). "Seasonal distributions of aeolian iron fluxes to the global ocean". Geophysical Research Letters. 28 (1): 29–32. Bibcode:2001GeoRL..28...29G. doi:10.1029/2000GL011926.
  10. ^ Taylor SR (1964). "Abundance of chemical elements in the continental crust: a new table". 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, Buck KN, Johnson KS, Saito MA (March 2017). "The integral role of iron in ocean biogeochemistry" (PDF). Nature. 543 (7643): 51–59. Bibcode:2017Natur.543...51T. doi:10.1038/nature21058. PMID 28252066. S2CID 2897283.
  12. ^ Martin JH, Fitzwater SE (1988). "Iron deficiency limits phytoplankton growth in the north-east Pacific subarctic". Nature. 331 (6154): 341–343. Bibcode:1988Natur.331..341M. doi:10.1038/331341a0. S2CID 4325562.
  13. ^ Melton ED, Swanner ED, Behrens S, Schmidt C, Kappler A (December 2014). "The interplay of microbially mediated and abiotic reactions in the biogeochemical Fe cycle". Nature Reviews. Microbiology. 12 (12): 797–808. doi:10.1038/nrmicro3347. PMID 25329406. S2CID 24058676.
  14. ^ Schmidt C, Behrens S, Kappler A (2010). "Ecosystem functioning from a geomicrobiological perspective – a conceptual framework for biogeochemical iron cycling". Environmental Chemistry. 7 (5): 399. doi:10.1071/EN10040.
  15. ^ 카플러, 안드레아스, 스트라우브, 크리스티나 L.(2005-01-01). "지오미크로바이러스의 철 사이클링" 광물학 및 지질화학에 대한 검토. 59(1): 85–108. 도이:10.2138/rmg. 2005.59.5. ISSN 1529-6466.
  16. ^ Canfield DE, Rosing MT, Bjerrum C (October 2006). "Early anaerobic metabolisms". Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological Sciences. 361 (1474): 1819–34, discussion 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). "The biogeochemical iron cycle and astrobiology". Hyperfine Interactions. 237: 85. Bibcode:2016HyInt.237...85S. doi:10.1007/s10751-016-1289-2.
  18. ^ Camacho A, Walter XA, Picazo A, Zopfi J (2017). "Photoferrotrophy: Remains of an Ancient Photosynthesis in Modern Environments". Frontiers in Microbiology. 8: 323. doi:10.3389/fmicb.2017.00323. PMC 5359306. PMID 28377745.
  19. ^ "The Great Oxygenation Event – when Earth took its first breath – Scientific Scribbles". Retrieved 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 (2019-11-01). "Photoferrotrophy, deposition of banded iron formations, and methane production in Archean oceans". Science Advances. 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.; Granger, Julie; Price, Neil M. (1999-05-01). "Marine bacteria and biogeochemical cycling of iron in the oceans". FEMS Microbiology Ecology. 29 (1): 1–11. doi:10.1111/j.1574-6941.1999.tb00593.x. ISSN 0168-6496.
  22. ^ Johnson CM, Beard BL (August 2005). "Geochemistry. Biogeochemical cycling of iron isotopes". Science. 309 (5737): 1025–7. doi:10.1126/science.1112552. PMID 16099969. S2CID 94734488.
  23. ^ Fan, Song-Miao; Moxim, Walter J.; Levy, Hiram (2006). "Aeolian input of bioavailable iron to the ocean". Geophysical Research Letters. 33 (7): L07602. Bibcode:2006GeoRL..33.7602F. doi:10.1029/2005GL024852. ISSN 0094-8276.
  24. ^ Achterberg EP, Moore CM, Henson SA, Steigenberger S, Stohl A, Eckhardt S, et al. (2013). "Natural iron fertilization by the Eyjafjallajökull volcanic eruption" (PDF). Geophysical Research Letters. 40 (5): 921–926. Bibcode:2013GeoRL..40..921A. doi:10.1002/grl.50221.
  25. ^ Poulton SW (2002). "The low-temperature geochemical cycle of iron: From continental fluxes to marine sediment deposition" (PDF). American Journal of Science. 302 (9): 774–805. Bibcode:2002AmJS..302..774P. doi:10.2475/ajs.302.9.774.
  26. ^ Duggen S, Olgun N, Croot P, Hoffmann LJ, Dietze H, Delmelle P, Teschner C (2010). "The role of airborne volcanic ash for the surface ocean biogeochemical iron-cycle: a review". Biogeosciences. 7 (3): 827–844. Bibcode:2010BGeo....7..827D. doi:10.5194/bg-7-827-2010.
  27. ^ Hutchins DA, Boyd PW (2016). "Marine phytoplankton and the changing ocean iron cycle". Nature Climate Change. 6 (12): 1072–1079. Bibcode:2016NatCC...6.1072H. doi:10.1038/nclimate3147.
  28. ^ a b 류웬, H. P. (헤르만) 밴, 리엠스디크, W. H. 밴, 히엠스트라, T.J. (Tjisse), 크렙스, C.J., 히엠스트라, T.J. (Tjisse), & 크렙스, C.J. (2008) 철의 생체 화학적 순환: 자연 유기 물질의 역할.
  29. ^ a b c Luo, Chao; Mahowald, N.; Bond, T.; Chuang, P. Y.; Artaxo, P.; Siefert, R.; Chen, Y.; Schauer, J. (2008). "Combustion iron distribution and deposition". Global Biogeochemical Cycles. 22 (1): n/a. Bibcode:2008GBioC..22.1012L. doi:10.1029/2007GB002964.
  30. ^ Ratnarajah, Lavenia, 니콜, 스티브, 보위, 앤드류 R(2018년)." 먼 아이언 재활용에 남해에서의:해양 동물의 기여 분석 연구".해양 과학에 국경. 5.doi:10.3389/fmars.2018.00109.S2CID 4376458.재료는 창조적 공용 귀인 4.0국제 라이센스 하에 가능하다 이 원본에서 복사되었다.
  31. ^ Croot, 피터 L.;헬러, Maija 나(2012년)."특성과 산화·환원 반응의 Biogeochemical 사이클 철의 표면에서 할 수 있는 중요도".미생물학에 국경.3:219.doi:10.3389/fmicb.2012.00219.PMC3377941.PMID 22723797.재료는 창조적 공용 귀인 4.0국제 라이센스 하에 가능하다 이 원본에서 복사되었다.
  32. ^ Roden, Eric; Sobolev, Dmitri; Glazer, Brian; Luther, George (2004-09-01). "Potential for Microscale Bacterial Fe Redox Cycling at the Aerobic-Anaerobic Interface". Geomicrobiology Journal. 21 (6): 379–391. doi:10.1080/01490450490485872. S2CID 14296044.
  33. ^ a b Burgin, Amy J.; Yang, Wendy H.; Hamilton, Stephen K.; Silver, Whendee L. (2011). "Beyond carbon and nitrogen: how the microbial energy economy couples elemental cycles in diverse ecosystems". Frontiers in Ecology and the Environment. 9 (1): 44–52. doi:10.1890/090227. hdl:1808/21008. ISSN 1540-9309.
  34. ^ Haaijer, Suzanne; Crienen, Gijs; Jetten, Mike; Op den Camp, Huub (2012-02-03). "Anoxic Iron Cycling Bacteria from an Iron Sulfide- and Nitrate-Rich Freshwater Environment". Frontiers in Microbiology. 3: 26. doi:10.3389/fmicb.2012.00026. PMC 3271277. PMID 22347219.
  35. ^ 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). "Iron Sulfide and Pyrite as Potential Electron Donors for Microbial Nitrate Reduction in Freshwater Wetlands". Geomicrobiology Journal. 24 (5): 391–401. doi:10.1080/01490450701436489. ISSN 0149-0451. S2CID 97227345.
  36. ^ a b Krishnamurthy, Aparna; Moore, J. Keith; Mahowald, Natalie; Luo, Chao; Doney, Scott C.; Lindsay, Keith; Zender, Charles S. (2009). "Impacts of increasing anthropogenic soluble iron and nitrogen deposition on ocean biogeochemistry". Global Biogeochemical Cycles. 23 (3): n/a. Bibcode:2009GBioC..23.3016K. doi:10.1029/2008GB003440. hdl:1912/3418. ISSN 1944-9224.

추가 읽기