Часть серии о |
Биогеохимические циклы |
---|
Круговорот воды |
Углеродный цикл |
Питательный цикл |
Рок-цикл |
Морской цикл |
Метановый цикл |
Другие циклы |
похожие темы |
Исследовательские группы |
|
Водородный цикл состоит из водорода обменов между биотическим (живых) и абиотических (неживых) источников и поглотителей водородсодержащих соединений.
Водород (H) - самый распространенный элемент во Вселенной. 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 в результате взаимодействия породы с водой или в качестве побочного продукта микробного метаболизма. Затем свободный H 2 может потребляться другими микробами, подвергаться фотохимическому окислению в атмосфере или уноситься в космос. Также считается, что водород является важным реагентом в предбиотической химии и ранней эволюции жизни на Земле и, возможно, в других местах нашей Солнечной системы.
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. В океане гидротермальные источники извергают магму и изменяют флюиды морской воды, в том числе много H 2, в зависимости от температурного режима и состава вмещающих пород. 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.
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. 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 посредством реакции Фишера-Тропша и искусственную фиксацию азота посредством процесса Габера-Боша для производства азотных удобрений.
Многие микробные метаболизмы производят или потребляют H 2.
Водород вырабатывается ферментами гидрогеназ и нитрогеназ у многих микроорганизмов, некоторые из которых изучаются на предмет их потенциала для производства биотоплива. Эти ферменты, метаболизирующие H 2, присутствуют во всех трех сферах жизни, и из известных геномов более 30% микробных таксонов содержат гены гидрогеназы. Ферментация производит H 2 из органических веществ как часть анаэробной микробной пищевой цепи через светозависимые или светонезависимые пути.
Биологическое поглощение почвой является основным стоком атмосферного H 2. 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.
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.
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.
Гидротермальный H 2 мог сыграть важную роль в пребиотической химии. Производство H 2 серпентинизацией поддерживало образование реагентов, предложенных в гипотезе происхождения жизни из железо-серного мира. Последующая эволюция гидрогенотрофного метаногенеза предполагается как один из самых ранних метаболизмов на Земле.
Серпентинизация может происходить на любом планетарном теле с хондритовым составом. Открытие H 2 в других океанских мирах, таких как Энцелад, предполагает, что аналогичные процессы происходят в других частях нашей Солнечной системы и, возможно, также в других солнечных системах.