Водородный цикл
| Часть серии о |
| Биогеохимические циклы |
|---|
 |
Водородный цикл состоит из обмена водорода между биотическими (живыми) и абиотическими (неживыми) источниками и поглотителями водородсодержащих соединений.
Водород (H) — самый распространенный элемент во Вселенной. [1] На Земле распространенными H-содержащими неорганическими молекулами являются вода (H 2 O), газообразный водород (H 2 ), сероводород (H 2 S) и аммиак (NH 3 ). Многие органические соединения также содержат атомы H, например, углеводороды и органические вещества . Учитывая повсеместное распространение атомов водорода в неорганических и органических химических соединениях, водородный цикл ориентирован на молекулярный водород H 2 .
В результате микробного метаболизма или естественного взаимодействия камня и воды может образовываться газообразный водород. Другие бактерии затем могут потреблять свободный H2, который также может фотохимически окисляться в атмосфере или улетучиваться в космос. Водород также считается важным реагентом в добиотической химии и ранней эволюции жизни на Земле и, возможно, в других частях Солнечной системы . [2]
Абиотические циклы
[ редактировать ]Источники
[ редактировать ]Абиотические источники газообразного водорода включают в себя вода-порода и фотохимические реакции. Экзотермические реакции серпентинизации между водой и минералами оливина производят H 2 в морских или наземных недрах. [3] [4] В океане гидротермальные жерла извергают магму и изменяют жидкости морской воды, включая большое количество H 2 , в зависимости от температурного режима и состава вмещающих пород. [5] [4] Молекулярный водород также можно получить путем фотоокисления (посредством солнечного УФ-излучения ) некоторых видов минералов, таких как сидерит, в бескислородной водной среде. Возможно, это был важный процесс в верхних регионах архейских океанов ранней Земли. [6]
Раковины
[ редактировать ]Поскольку H 2 является самым легким элементом, атмосферный H 2 может легко улетучиться в космос из-за утечки Джинса , необратимого процесса, который приводит к общей потере массы Земли . [7] 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. Другим крупным поглотителем свободного атмосферного H 2 является фотохимическое окисление гидроксильными радикалами (•OH), в результате которого образуется вода. [ нужна ссылка ]
Антропогенные поглотители H 2 включают производство синтетического топлива посредством реакции Фишера-Тропша и искусственную фиксацию азота посредством процесса Габера-Боша для производства азотных удобрений . [ нужна ссылка ]
Биотические циклы
[ редактировать ]Многие микробные метаболизмы производят или потребляют H 2 .
Производство
[ редактировать ]Водород вырабатывается ферментами гидрогеназ и нитротаз во многих микроорганизмах, некоторые из которых изучаются на предмет их потенциала для производства биотоплива. [8] [9] Эти ферменты, метаболизирующие H 2 , обнаружены во всех трех сферах жизни , а из известных геномов более 30% микробных таксонов содержат гены гидрогеназы. [10] Ферментация производит H 2 из органических веществ как часть анаэробной микробной пищевой цепи. [11] по светозависимым или светонезависимым путям. [8]
Потребление
[ редактировать ]Биологическое поглощение почвой является доминирующим стоком атмосферного H 2 . [12] И аэробный, и анаэробный микробный метаболизм потребляют H 2 путем его окисления с целью восстановления других соединений во время дыхания. Аэробное окисление H 2 известно как реакция Кналлгаза . [13]
Анаэробное окисление H 2 часто происходит во время межвидового переноса водорода , при котором H 2, образующийся в ходе ферментации, передается другому организму, который использует H 2 для восстановления CO 2 до CH 4 или ацетата SO. 2−
4 к H 2 S или Fe 3+ в Фе 2+ . Межвидовой перенос водорода поддерживает очень низкие концентрации H 2 в большинстве сред, поскольку ферментация становится менее термодинамически выгодной по мере увеличения парциального давления H 2 . [11]
Актуальность для глобального климата
[ редактировать ]H 2 может препятствовать удалению из атмосферы метана, парникового газа . Обычно атмосферный CH 4 окисляется гидроксильными радикалами ( • OH), но H 2 может реагировать и с • OH, чтобы восстановить его до H 2 O. [14]
- СН 4 + • ОХ → • СН3 + 2Н2О
- Н 2 + • ОХ → Ч • + Н 2 О
Последствия для астробиологии
[ редактировать ]Гидротермальный H 2 , возможно, сыграл важную роль в добиотической химии . [15] Образование H 2 серпентинизацией способствовало образованию реагентов, предложенных в в железо-серном мире . гипотезе происхождения жизни [16] Последующая эволюция гидрогенотрофного метаногенеза предполагается как один из самых ранних метаболизмов на Земле. [17] [2]
Серпентинизация может произойти на любом планетарном теле хондритического состава. Открытие H 2 на других океанских мирах , таких как Энцелад , [18] [19] [20] предполагает, что аналогичные процессы происходят и в других частях Солнечной системы, а возможно, и в других планетных системах. [13]
См. также
[ редактировать ]- Биогеохимический цикл
- Углеродный цикл
- Водород
- Метан
- Серпентинизация
- Межвидовой перенос водорода
- Ферментация
- Гидротермальные источники
- Водный цикл
- Программа исследования мира океана
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Кэмерон А.Г. (1973). «Распространенность элементов в Солнечной системе». Обзоры космической науки . 15 (1): 121. Бибкод : 1973ССРв...15..121С . дои : 10.1007/BF00172440 . ISSN 0038-6308 . S2CID 120201972 .
- ^ Jump up to: а б Колман Д.Р., Пудель С., Стэмпс Б.В., Бойд Э.С., Спир Дж.Р. (июль 2017 г.). «Глубокая, горячая биосфера: двадцать пять лет ретроспективы» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 114 (27): 6895–6903. Бибкод : 2017PNAS..114.6895C . дои : 10.1073/pnas.1701266114 . ПМК 5502609 . ПМИД 28674200 .
- ^ Рассел М.Дж., Холл А.Дж., Мартин В. (декабрь 2010 г.). «Серпентинизация как источник энергии в зарождении жизни». Геобиология . 8 (5): 355–71. Бибкод : 2010Gbio....8..355R . дои : 10.1111/j.1472-4669.2010.00249.x . ПМИД 20572872 .
- ^ Jump up to: а б Конн С., Чарлу Дж.Л., Холм Н.Г., Мусис О. (май 2015 г.). «Производство метана, водорода и органических соединений в ультраосновных гидротермальных источниках Срединно-Атлантического хребта» . Астробиология . 15 (5): 381–99. Бибкод : 2015AsBio..15..381K . дои : 10.1089/ast.2014.1198 . ПМК 4442600 . ПМИД 25984920 .
- ^ Петерсен Дж.М., Зелински Ф.У., Папе Т., Зейферт Р., Морару С., Аманн Р. и др. (август 2011 г.). «Водород является источником энергии для симбиозов гидротермальных источников». Природа . 476 (7359): 176–80. Бибкод : 2011Natur.476..176P . дои : 10.1038/nature10325 . ПМИД 21833083 . S2CID 25578 .
- ^ Ким Дж.Д., Йи Н., Нанда В., Фальковски П.Г. (июнь 2013 г.). «Бескислородное фотохимическое окисление сидерита приводит к образованию молекулярных оксидов водорода и железа» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 110 (25): 10073–7. Бибкод : 2013PNAS..11010073K . дои : 10.1073/pnas.1308958110 . ПМК 3690895 . ПМИД 23733945 .
- ^ Кэтлинг, округ Колумбия, Занле К.Дж., Маккей С. (август 2001 г.). «Биогенный метан, утечка водорода и необратимое окисление ранней Земли». Наука . 293 (5531): 839–43. Бибкод : 2001Sci...293..839C . дои : 10.1126/science.1061976 . ПМИД 11486082 . S2CID 37386726 .
- ^ Jump up to: а б Хеткорн В., Растоги Р.П., Инчароенсакди А., Линдблад П., Мадамвар Д., Панди А., Ларрош С. (ноябрь 2017 г.). «Производство водорода микроводорослями - обзор». Биоресурсные технологии . 243 : 1194–1206. Бибкод : 2017BiTec.243.1194K . doi : 10.1016/j.biortech.2017.07.085 . ПМИД 28774676 .
- ^ Дас Д (2001). «Производство водорода биологическими процессами: обзор литературы». Международный журнал водородной энергетики . 26 (1): 13–28. Бибкод : 2001IJHE...26...13D . дои : 10.1016/S0360-3199(00)00058-6 .
- ^ Питерс Дж.В., Шут Г.Дж., Бойд Э.С., Малдер Д.В., Шепард Э.М., Бродерик Дж.Б. , Кинг П.В., Адамс М.В. (июнь 2015 г.). «Разнообразие, механизм и созревание [FeFe]- и [NiFe]-гидрогеназ» (PDF) . Biochimica et Biophysical Acta (BBA) - Исследования молекулярных клеток . 1853 (6): 1350–69. дои : 10.1016/j.bbamcr.2014.11.021 . ПМИД 25461840 .
- ^ Jump up to: а б Кирхман Д.Л. (2 февраля 2011 г.). Процессы в микробной экологии . Издательство Оксфордского университета. doi : 10.1093/acprof:oso/9780199586936.001.0001 . ISBN 9780199586936 .
- ^ Ри Т.С., Бреннинкмейер К.А., Рёкманн Т. (19 мая 2006 г.). «Подавляющая роль почв в глобальном круговороте водорода в атмосфере» . Химия и физика атмосферы . 6 (6): 1611–1625. Бибкод : 2006ACP.....6.1611R . дои : 10.5194/acp-6-1611-2006 .
- ^ Jump up to: а б Сигер С., Шренк М., Бэйнс В. (январь 2012 г.). «Астрофизический взгляд на земные метаболические биосигнатурные газы». Астробиология . 12 (1): 61–82. Бибкод : 2012AsBio..12...61S . дои : 10.1089/ast.2010.0489 . hdl : 1721.1/73073 . ПМИД 22269061 .
- ^ Новелли ПК, Ланг П.М., Масари К.А., Херст Д.Ф., Майерс Р., Элкинс Дж.В. (1 декабря 1999 г.). «Молекулярный водород в тропосфере: глобальное распределение и бюджет» . Журнал геофизических исследований: Атмосфера . 104 (Д23): 30427–30444. Бибкод : 1999JGR...10430427N . дои : 10.1029/1999jd900788 .
- ^ Колин-Гарсия М (2016). «Гидротермальные источники и пребиотическая химия: обзор» . Бюллетень Мексиканского геологического общества . 68 (3): 599–620. дои : 10.18268/BSGM2016v68n3a13 .
- ^ Вехтерсхойзер Г. «Происхождение жизни в железо-серном мире». Молекулярное происхождение жизни . Издательство Кембриджского университета. стр. 206–218. ISBN 9780511626180 .
- ^ Бойд Э.С., Шут Г.Дж., Адамс М.В., Питерс Дж.В. (1 сентября 2014 г.). «Водородный обмен и эволюция биологического дыхания». Журнал «Микроб» . 9 (9): 361–367. дои : 10.1128/микроб.9.361.1 .
- ^ Зеевальд Дж.С. (апрель 2017 г.). «Обнаружение молекулярного водорода на Энцеладе». Наука . 356 (6334): 132–133. Бибкод : 2017Sci...356..132S . дои : 10.1126/science.aan0444 . ПМИД 28408557 . S2CID 206658660 .
- ^ Сюй Х.В., Постберг Ф., Секин Ю., Сибуя Т., Кемпф С., Хораньи М. и др. (март 2015 г.). «Текущая гидротермальная деятельность на Энцеладе». Природа . 519 (7542): 207–10. Бибкод : 2015Natur.519..207H . дои : 10.1038/nature14262 . ПМИД 25762281 . S2CID 4466621 .
- ^ Гляйн Ч.Р., Баросс Дж.А., Уэйт-младший Дж.Х. (2015). «РН океана Энцелада». Geochimica et Cosmochimica Acta . 162 : 202–219. arXiv : 1502.01946 . Бибкод : 2015GeCoA.162..202G . дои : 10.1016/j.gca.2015.04.017 . S2CID 119262254 .