Ciclo del hidrógeno

El ciclo del hidrógeno consiste en intercambios de hidrógeno entre fuentes bióticas (vivas) y abióticas (no vivas) y sumideros de compuestos que contienen hidrógeno.

El hidrógeno (H) es el elemento más abundante en el universo. En la Tierra, las moléculas inorgánicas comunes que contienen H incluyen agua (H₂O), gas hidrógeno (H₂), sulfuro de hidrógeno (H₂ S) y amoníaco (NH₃). Muchos compuestos orgánicos también contienen átomos de H, como los hidrocarburos y la materia orgánica. Dada la ubicuidad de los átomos de hidrógeno en los compuestos químicos orgánicos e inorgánicos, el ciclo del hidrógeno se centra en el hidrógeno molecular, H₂.

Como consecuencia del metabolismo microbiano o de las interacciones naturales entre la roca y el agua, se puede crear gas hidrógeno. Otras bacterias pueden entonces consumir H2 libre, que también puede oxidarse fotoquímicamente en la atmósfera o perderse en el espacio. También se cree que el hidrógeno es un reactivo importante en la química prebiótica y en la evolución temprana de la vida en la Tierra, y potencialmente en otras partes del Sistema Solar.

Ciclos abióticos

Fuentes

Las fuentes abióticas de gas hidrógeno incluyen reacciones fotoquímicas y agua-roca. Las reacciones exotérmicas de serpentinización entre el agua y los minerales de olivino producen H₂ en el subsuelo marino o terrestre. En el océano, los respiraderos hidrotermales hacen erupción de magma y alteran los fluidos del agua de mar, incluido abundante H₂, dependiendo del régimen de temperatura y la composición de la roca anfitriona. El hidrógeno molecular también se puede producir mediante fotooxidación (a través de la radiación ultravioleta solar) de algunas especies minerales como la siderita en ambientes acuosos anóxicos. Este puede haber sido un proceso importante en las regiones superiores de los océanos arcaicos de la Tierra primitiva.

Fregaderos

Debido a que el H₂ es el elemento más ligero, el H₂ atmosférico puede perderse fácilmente en el espacio a través del escape de Jeans, un proceso irreversible que impulsa la masa neta de la Tierra. pérdida. La fotólisis de compuestos más pesados que no son propensos a escapar, como CH₄ o H₂O, también puede liberar H₂ de la atmósfera superior y contribuir a este proceso. Otro sumidero importante de H₂ atmosférico libre es la oxidación fotoquímica por radicales hidroxilo (•OH), que forma agua.

Los sumideros antropogénicos de H₂ incluyen la producción de combustible sintético mediante la reacción de Fischer-Tropsch y la fijación artificial de nitrógeno mediante el proceso Haber-Bosch para producir fertilizantes nitrogenados.

Ciclos bióticos

Muchos metabolismos microbianos producen o consumen H₂.

Producción

El hidrógeno es producido por enzimas hidrogenasas y nitrogenasas en muchos microorganismos, algunos de los cuales están siendo estudiados por su potencial para la producción de biocombustibles. Estas enzimas metabolizadoras de H2 se encuentran en los tres dominios de la vida y, de los genomas conocidos, más del 30% de los taxones microbianos contienen genes de hidrogenasa. La fermentación produce H₂ a partir de materia orgánica como parte de la cadena alimentaria microbiana anaeróbica a través de vías dependientes o independientes de la luz.

Consumo

La absorción biológica del suelo es el sumidero dominante de H₂ atmosférico. Tanto el metabolismo microbiano aeróbico como el anaeróbico consumen H₂ oxidándolo para reducir otros compuestos durante la respiración. La oxidación aeróbica del H₂ se conoce como reacción de Knallgas.

La oxidación anaeróbica del H₂ a menudo ocurre durante la transferencia de hidrógeno entre especies en la que el H₂ producido durante la fermentación se transfiere a otro organismo, que utiliza el H₂. sub> para reducir el CO₂ a CH₄ o acetato, SO²⁻
>₄ a H₂S, o Fe³⁺ a Fe²⁺. La transferencia de hidrógeno entre especies mantiene las concentraciones de H₂ muy bajas en la mayoría de los ambientes porque la fermentación se vuelve menos termodinámicamente favorable a medida que aumenta la presión parcial de H₂.

Relevancia para el clima global

H₂ puede interferir con la eliminación de metano de la atmósfera, un gas de efecto invernadero. Normalmente, el CH₄ atmosférico se oxida mediante radicales hidroxilo (^•OH), pero el H₂ también puede reaccionar con ^•OH para reducirlo a H₂O.

1. CH₄ + ^•Oh! ^•CH₃ + H₂O
2. H₂ + ^•OH → H^• + H₂O

Implicaciones para la astrobiología

El H₂ hidrotermal puede haber desempeñado un papel importante en la química prebiótica. La producción de H₂ por serpentinización apoyó la formación de los reactivos propuestos en la hipótesis del origen mundial de la vida hierro-azufre. Se plantea la hipótesis de que la evolución posterior de la metanogénesis hidrogenotrófica es uno de los metabolismos más antiguos de la Tierra.

La serpentinización puede ocurrir en cualquier cuerpo planetario con composición condrítica. El descubrimiento de H₂ en otros mundos oceánicos, como Encelado, sugiere que se están produciendo procesos similares en otras partes del Sistema Solar y potencialmente también en otros sistemas planetarios.