چرخه آهن

تصورات بر این است که در اولین سال‌های تشکیل‌زمین، زمانی که سطح‌اکسیژن اتمسفر ۰٫۰۰۱ درصد اکسیژنی که امروزه موجود است بود، آهن +۲ محلول در اقیانوس‌ها بسیارفراوان‌تر بوده‌است و در نتیجه برای حیات میکروبی بیشتر دردسترس بوده‌است. سولفیدآهن ممکن است انرژی و سطوح را برای اولین‌موجودات فراهم کرده باشد. در این‌زمان، قبل از شروع فتوسنتز اکسیژنی، تولید اولیه ممکن است تحت تسلط فتو فروتروف‌ها بوده باشد که انرژی را از نور خورشید دریافت می‌کنند و از الکترون‌های آهن+۲ برای تثبیت کربن استفاده می‌کنند.

در طی رویداد بزرگ اکسیژنی، ۲٫۳–۲٫۵ میلیاردسال پیش، آهن‌محلول توسط اکسیژنی که توسط سیانوباکتری‌ها تولید شده بود، اکسید شد تا اکسیدهای آهن را تشکیل بدهد. اکسیدهای آهن متراکم‌تر از آب بودند و به کف‌اقیانوس سقوط کرده و سازندهای آهن نواری (BIF) را تشکیل دادند. با سپری شدن زمان، افزایش میزان اکسیژن، مقدار زیادشونده‌ای از آهن را از اقیانوس حذف کرد. BIFها منبع کلیدی سنگ‌آهن در دوران مدرن بوده‌اند.

چرخه آهن یکی از اجزاء مهم اکوسیستم‌های زمینی است. شکل آهن+۲ در گوشته، هسته یا پوسته عمیق زمین غالب است. آهن به فرم آهن +۳ در حضور گاز اکسیژن پایدارتر می‌باشد. گردوغبار یک‌جزء کلیدی در چرخه آهن زمین است. هوازدگی شیمیایی و بیولوژیکی، مواد معدنی دارای آهن را تجزیه کرده و موادمغذی را در اتمسفر آزاد می‌کند. تغییرات در چرخه هیدرولوژیکی و پوشش رویشی بر این الگوها تأثیرگذار می‌باشد و تأثیر زیادی بر تولید جهانی گردوغبار دارد. تخمین‌های رسوب گرد و غبار بین ۱۰۰۰ تا 2000 Tg در سال است. گرد و غبار بادی با انتقال ذره‌های آهن از زمین از طریق جو به اقیانوس، بخش مهمی از چرخه آهن می‌باشد.

همین‌طور فوران‌های آتشفشانی نیز یکی از عامل‌های مهم چرخه‌آهن زمینی می‌باشد و غبار غنی از آهن را در جو در انفجاری بزرگ یا در فوران‌های کوچک‌تر در طول زمان آزاد می‌کنند. حمل‌ونقل جوی غبار غنی از آهن می‌تواند بر غلظت اقیانوس‌ها تأثیر بگذارد.

اقیانوس جزء اساسی سامانه آب و هوایی زمین می‌باشد و چرخه‌آهن نقش مهمی در بهره‌وری اولیه اقیانوس و عملکرد اکوسیستم دریایی دارد. محدودیت آهن برای محدود کردن کارایی پمپ‌کربن بیولوژیکی شناخته شده‌است. عظیم‌ترین منبع آهن برای اقیانوس‌ها از رودخانه‌ها است، جایی که به صورت ذره‌های رسوب معلق می‌باشد. آب‌های ساحلی آهن را از رودخانه‌ها و رسوبات بدون اکسیژن دریافت می‌کنند. دیگر منبع‌های اصلی آهن برای اقیانوس‌ها عبارتند از ذرات یخبندان، انتقال گردوغبار جوی، و چاه گرمابی. تأمین آهن یک‌عامل مهم است که مؤثر بر رشد فیتوپلانکتون به عنوان پایه شبکه غذایی دریایی می‌باشد. مناطق فراساحلی وابسته به رسوب گرد و غبار جوی و همچنین بالا آمدن آن می‌باشند. دیگر من‌های اصلی آهن برای اقیانوس‌ها ذرات یخبندان، دریچه‌های گرمابی و خاکستر آتشفشانی می‌باشند. در منطقه‌های دور از ساحل، باکتری‌ها هم برای جذب آهن با فیتوپلانکتون‌ها وارد رقابت می‌شوند. در مناطق HNLC، آهن موجب محدود شدن بهره‌وری فیتوپلانکتون می‌شود.

معمولاً آهن به عنوان منبعی معدنی برای فیتوپلانکتون در دسترس بود. با این وجود، شکل‌های آلی آهن را می‌توان توسط دیاتومه‌ های مخصوصی که از فرایند مکانیسم ردوکتاز سطحی استفاده می‌کنند نیز استفاده کرد. جذب آهن توسط فیتوپلانکتون دلیلی بر کمترین غلظت آهن در آب‌های سطحی دریا می‌باشد. رمینرالیزاسیون زمانی رخ می‌دهد که فیتوپلانکتون‌های در حال غرق شدن توسط زئوپلانکتون‌ها و باکتری‌ها تخریب شوند. حرکت فرازین آبها آهن را بازیافت می‌کند و موجب افزایش غلظت آهن در آب‌های عمیق می‌شود. به‌طور متوسط است ۰٫۰۴ ± ۰٫۰۷ نانومول آهن کیلوگرم در سطح (<۲۰۰ متر) و ۰٫۲۵ ± ۰٫۷۶ نانومول آهن کیلوگرم در عمق (> ۵۰۰ متر) وجود دارد. درنتیجه مناطق خیزش آب شامل آهن بیشتری نسبت به سایر منطقه‌های سطح اقیانوس‌ها هستند. آهن محلول به شکل آهنی برای استفاده زیستی در دسترس است که معمولاً از منبع بادی بدست می‌آید.

آهن غالباً در فازهای ذره‌ای به‌صورت آهن فریک وجود دارد و کسر آهن محلول با انعقاد از ستون آب خارج می‌شود. به‌همین علت حوضچه‌آهن حل‌شده به سرعت در حدود ۱۰۰ سال تغییر می‌کند.

چرخه‌آهن به‌طور قابل‌توجهی با چرخه‌های‌گوگرد، نیتروژن و فسفر در تعامل است. Fe(II) محلول می‌تواند به عنوان الکترون‌دهنده عمل‌کند و گیرنده‌های الکترونی آلی و معدنی اکسیدشده از جمله O ₂ و NO ₃ را کاهش بدهد و به Fe(III) اکسید شود. پس از آن شکل اکسیدشده آهن می‌تواند برای گوگرد احیاشده، H ₂ و ترکیبات کربن آلی گیرنده الکترون باشد. با این کار، آهن به حالت اکسیدشده Fe(II) برمی‌گردد و چرخه کامل می‌شود.

انتقال‌آهن میان Fe(II) و Fe(III) در سیستم‌های آبی با چرخه فسفر آب‌شیرین در تعامل است. با اکسیژنی که در آب وجود دارد، Fe(II) به صورت غیرزیستی یا توسط میکروب‌ها از طریق اکسیداسیون لیتوتروفیک به Fe(III) اکسید می‌شود. Fe(III) می‌تواند هیدروکسیدهای آهن را تشکیل بدهد، که محکم به فسفر چسبیده و آن را از مخزن فسفر زیستی خارج کرده و بهره‌وری اولیه را محدود می‌کند. در شرایطی که اکسیژن موجود باشد، آهن (III) می‌تواند کاهش یابد، توسط میکروب‌ها استفاده شود تا پذیرنده نهایی الکترون از هر دو کربن آلی یا H باشد. این باعث آزاد شدن فسفر برای استفاده بیولوژیکی در آب می‌شود.

چرخه گوگرد و آهن می‌تواند در نقطه‌های زیادی برهم کنش داشته باشد. باکتری‌های گوگرد بنفش و باکتری‌های گوگردسبز می‌توانند از Fe(II) به عنوان الکترون‌دهنده در حین فتوسنتز بدون اکسیژن استفاده‌کنند. باکتری‌های کاهش‌دهنده سولفات در محیط‌های بدون اکسیژن می‌توانند سولفات را تبدیل به سولفید کنند، که سپس به Fe(II) برای ایجاد کردن سولفید آهن، ماده‌ای معدنی جامد که از آب رسوب می‌کند و آهن و گوگرد را حذف می‌کند، متصل می‌شود. چرخه‌های آهن، فسفات و گوگرد همه می‌توانند با یکدیگر در تعامل باشند. سولفید می‌تواند زمانی که یون‌های فلزی موجود نیستند آهن (III) را از آهنی که قبلاً به فسفات وصل شده‌است کاهش دهد، که فسفات را آزاد می‌کند و سولفید آهن ایجاد می‌کند.

آهن نقشی مهم در چرخه نیتروژن دارد، جدای از نقشی که به عنوان بخشی از آنزیم‌های دخیل در تثبیت نیتروژن ایفا می‌کند. در شرایط اکسیژن دار، آهن (II) می‌تواند یک الکترون که توسط N0 ₃ (که به چند شکل متفاوت از ترکیب نیتروژن،NO ₂ اکسیده N ₂ 0، N _2، و NH ₄) پذیرفته شده اهدا کند،

در حالی که آهن (II) به آهن (III) کاهش می‌یابد.

تأثیر انسان بر چرخه‌آهن در اقیانوس‌ها به دلیل زیادشدن غلظت غبار در آغاز عصر صنعتی است. امروزه مقدار آهن محلول در اقیانوس‌ها تقریباً نسبت به دوران قبل از صنعتی‌شدن از آلاینده‌های انسانی و منابع احتراق آهن محلول، دو برابر است. تغییرات در فعالیت‌های کاربری زمین و آب‌وهوا باعث افزایش شار گردوغبار شده‌است که میزان گردوغبار را به منطقه‌های باز اقیانوس افزایش می‌دهد. باقی منابع انسانی آهن ناشی از احتراق می‌باشد. بالاترین نرخ‌های احتراق آهن در شرق آسیا رخ می‌دهد که ۲۰ تا ۱۰۰ درصد از رسوبات اقیانوس‌ها در پیرامون جهان را تشکیل می‌دهد.

انسان چرخه‌نیتروژن حاصل از سوختن سوخت‌های فسیلی و کشاورزی در مقیاس بزرگ را دگرگون کرده‌است. به دلیل آهن و نیتروژن افزایش یافته، تثبیت نیتروژن دریایی در اقیانوس آرام نیمه گرمسیری شمالی و جنوبی افزایش می‌یابد. در منطقه‌های نیمه‌گرمسیری، گرمسیری و مناطق HNLC، افزایش ورودی آهن امکان دارد موجب افزایش جذب کربن دی‌اکسید شود که بر چرخه کربن در جهان تأثیر گذار است.

• بارآوری آهن
• چرخه کربن
• چرخه فسفر
• چرخه نیتروژن
• چرخه گوگرد

1. ↑ 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.
2. ↑ 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.
3. ↑ 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.
4. ↑ 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.
5. ↑ 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.
6. ↑ Kappler, Andreas; Straub, Kristina L. (2005-01-01). "Geomicrobiological Cycling of Iron". Reviews in Mineralogy and Geochemistry. 59 (1): 85–108. doi:10.2138/rmg.2005.59.5. ISSN 1529-6466.
7. ↑ 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.
8. ↑ 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.
9. ↑ 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.
10. ↑ "The Great Oxygenation Event – when Earth took its first breath – Scientific Scribbles" (به انگلیسی). Retrieved 2020-04-10.
11. ↑ Thompson, Katharine J.; Kenward, Paul A.; Bauer, Kohen W.; Warchola, Tyler; Gauger, Tina; Martinez, Raul; Simister, Rachel L.; Michiels, Céline C.; Llirós, Marc (2019-11-01). "Photoferrotrophy, deposition of banded iron formations, and methane production in Archean oceans". Science Advances (به انگلیسی). 5 (11): eaav2869. Bibcode:2019SciA....5.2869T. doi:10.1126/sciadv.aav2869. ISSN 2375-2548. PMC 6881150. PMID 31807693.
12. ↑ 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 (به انگلیسی). 29 (1): 1–11. doi:10.1111/j.1574-6941.1999.tb00593.x. ISSN 0168-6496.
13. ↑ Johnson CM, Beard BL (August 2005). "Geochemistry. Biogeochemical cycling of iron isotopes". Science. 309 (5737): 1025–7. doi:10.1126/science.1112552. PMID 16099969.
14. ↑ 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.
15. ↑ Fan, Song-Miao; Moxim, Walter J.; Levy, Hiram (2006). "Aeolian input of bioavailable iron to the ocean". Geophysical Research Letters (به انگلیسی). 33 (7): L07602. Bibcode:2006GeoRL..33.7602F. doi:10.1029/2005GL024852. ISSN 0094-8276.
16. ↑ 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.
17. ↑ 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.
18. ↑ 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.
19. ↑ 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.
20. ↑ Leeuwen, H. P. (Herman) van, Riemsdijk, W. H. van, Hiemstra, T. J. (Tjisse), Krebs, C. J. , Hiemstra, T. J. (Tjisse), & Krebs, C. J. (2008). The biogeochemical cycle of Iron: The role of Natural Organic Matter.
21. ↑ 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.
22. ↑ Ratnarajah, Lavenia; Nicol, Steve; Bowie, Andrew R. (2018). "Pelagic Iron Recycling in the Southern Ocean: Exploring the Contribution of Marine Animals". Frontiers in Marine Science. 5. doi:10.3389/fmars.2018.00109. S2CID 4376458. Material was copied from this source, which is available under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
23. ↑ Croot, Peter L.; Heller, Maija I. (2012). "The Importance of Kinetics and Redox in the Biogeochemical Cycling of Iron in the Surface Ocean". Frontiers in Microbiology. 3: 219. doi:10.3389/fmicb.2012.00219. PMC 3377941. PMID 22723797. Material was copied from this source, which is available under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
24. ↑ 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.
25. ↑ 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 (به انگلیسی). 9 (1): 44–52. doi:10.1890/090227. ISSN 1540-9309.
26. ↑ 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.
27. ↑ 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.
28. ↑ 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 (به انگلیسی). 23 (3): n/a. Bibcode:2009GBioC..23.3016K. doi:10.1029/2008GB003440. ISSN 1944-9224.