Ciclo del hierro
El ciclo del hierro (Fe) es el ciclo biogeoquímico del hierro a través de la atmósfera, la hidrosfera, la biosfera y la litosfera. Si bien el Fe es muy abundante en la corteza terrestre, es menos común en las aguas superficiales oxigenadas. El hierro es un micronutriente clave en la productividad primaria y un nutriente limitante en el océano Austral, el Pacífico ecuatorial oriental y el Pacífico subártico, denominados regiones del océano con alto contenido de nutrientes y bajo contenido de clorofila (HNLC).
El hierro existe en una variedad de estados de oxidación de -2 a +7; sin embargo, en la Tierra se encuentra predominantemente en su estado redox +2 o +3 y es un metal primario activo redox en la Tierra. El ciclo del hierro entre sus estados de oxidación +2 y +3 se conoce como ciclo del hierro. Este proceso puede ser completamente abiótico o estar facilitado por microorganismos, especialmente bacterias oxidantes del hierro. Los procesos abióticos incluyen la oxidación de metales que contienen hierro, donde Fe2+ se oxida abióticamente a Fe3+ en presencia de oxígeno, y la reducción de Fe3+ a Fe2+ por minerales de sulfuro de hierro. El ciclo biológico del Fe2+ se realiza mediante microbios oxidantes y reductores del hierro.
El hierro es un micronutriente esencial para casi todas las formas de vida. Es un componente clave de la hemoglobina, importante para la fijación de nitrógeno como parte de la familia de enzimas nitrogenasas, y como parte del núcleo hierro-azufre de la ferredoxina, facilita el transporte de electrones en cloroplastos, mitocondrias eucariotas y bacterias. Debido a la alta reactividad del Fe2+ con el oxígeno y la baja solubilidad del Fe3+, el hierro es un nutriente limitante en la mayoría de las regiones del mundo.
Tierra antigua
En la Tierra primitiva, cuando los niveles de oxígeno atmosférico eran el 0,001 % de los presentes hoy en día, se pensaba que el Fe2+ disuelto era mucho más abundante en los océanos y, por lo tanto, más biodisponible para los microbios. vida. El sulfuro de hierro pudo haber proporcionado la energía y las superficies para los primeros organismos. En ese momento, antes del inicio de la fotosíntesis oxigénica, la producción primaria pudo haber estado dominada por fotoferrótrofos, que obtendrían energía de la luz solar y utilizarían los electrones del Fe2+ para fijar carbono.
Durante el Gran Evento de Oxidación, hace entre 2.300 y 2.500 millones de años, el hierro disuelto fue oxidado por el oxígeno producido por las cianobacterias para formar óxidos de hierro. Los óxidos de hierro eran más densos que el agua y cayeron al fondo del océano formando formaciones de hierro en bandas (BIF). Con el tiempo, el aumento de los niveles de oxígeno eliminó cantidades cada vez mayores de hierro del océano. Los BIF han sido una fuente clave de mineral de hierro en los tiempos modernos.
Ecosistemas terrestres
El ciclo del hierro es un componente importante de los ecosistemas terrestres. La forma ferrosa del hierro, Fe2+, es dominante en el manto, el núcleo o la corteza profunda de la Tierra. La forma férrica, Fe3+, es más estable en presencia de oxígeno gaseoso. El polvo es un componente clave en el ciclo del hierro de la Tierra. La meteorización química y biológica descompone los minerales que contienen hierro y libera el nutriente a la atmósfera. Los cambios en el ciclo hidrológico y la cubierta vegetal afectan estos patrones y tienen un gran impacto en la producción global de polvo, con estimaciones de deposición de polvo que oscilan entre 1000 y 2000 Tg/año. El polvo eólico es una parte fundamental del ciclo del hierro al transportar partículas de hierro desde la tierra de la Tierra a través de la atmósfera hasta el océano.
Las erupciones volcánicas también contribuyen de manera clave al ciclo del hierro terrestre, liberando polvo rico en hierro a la atmósfera en grandes explosiones o en períodos más pequeños a lo largo del tiempo. El transporte atmosférico de polvo rico en hierro puede afectar las concentraciones de los océanos.
Ecosistema oceánico
El océano es un componente crítico del sistema climático de la Tierra, y el ciclo del hierro desempeña un papel clave en la productividad primaria de los océanos y el funcionamiento de los ecosistemas marinos. Se sabe que la limitación de hierro limita la eficiencia de la bomba biológica de carbono. La mayor fuente de hierro que llega a los océanos proviene de los ríos, donde queda suspendido en forma de partículas de sedimento. Las aguas costeras reciben aportes de hierro provenientes de ríos y sedimentos anóxicos. Otras fuentes importantes de hierro al océano incluyen las partículas glaciales, el transporte de polvo atmosférico y los respiraderos hidrotermales. El suministro de hierro es un factor importante que afecta el crecimiento del fitoplancton, la base de la red alimentaria marina. Las regiones costeras dependen de la deposición y el afloramiento de polvo atmosférico. Otras fuentes importantes de hierro al océano incluyen las partículas glaciales, los respiraderos hidrotermales y las cenizas volcánicas. En las regiones costeras, las bacterias también compiten con el fitoplancton por la absorción de hierro. En las regiones HNLC, el hierro limita la productividad del fitoplancton.
Más comúnmente, el hierro estaba disponible como fuente inorgánica para el fitoplancton; sin embargo, diatomeas específicas también pueden utilizar formas orgánicas de hierro que utilizan un proceso de mecanismo de reductasa superficial. La absorción de hierro por el fitoplancton conduce a concentraciones más bajas de hierro en el agua de mar superficial. La remineralización ocurre cuando el fitoplancton que se hunde es degradado por el zooplancton y las bacterias. Las surgencias reciclan el hierro y provocan mayores concentraciones de hierro en aguas profundas. En promedio hay 0,07±0,04 nmol Fe kg−1 en la superficie (<200 m) y 0,76±0,25 nmol Fe kg−1 en la profundidad (>500 metro). Por lo tanto, las zonas de surgencia contienen más hierro que otras áreas de la superficie de los océanos. El hierro soluble en forma ferrosa está biodisponible para su utilización, que comúnmente proviene de recursos eólicos.
El hierro está presente principalmente en fases particuladas como hierro férrico, y la fracción de hierro disuelto se elimina de la columna de agua mediante coagulación. Por este motivo, la reserva de hierro disuelto se renueva rápidamente, en unos 100 años.
Interacciones con otros ciclos elementales
El ciclo del hierro interactúa significativamente con los ciclos del azufre, nitrógeno y fósforo. El Fe(II) soluble puede actuar como donante de electrones, reduciendo los receptores de electrones orgánicos e inorgánicos oxidados, incluidos O2 y NO3, y oxidarse a Fe(III). La forma oxidada del hierro puede ser entonces el aceptor de electrones para compuestos de azufre reducido, H2 y carbono orgánico. Esto devuelve el hierro al estado reducido de Fe (II), completando el ciclo.
La transición del hierro entre Fe(II) y Fe(III) en los sistemas acuáticos interactúa con el ciclo del fósforo de agua dulce. Con oxígeno en el agua, el Fe (II) se oxida a Fe (III), ya sea de forma abiótica o por microbios mediante oxidación litotrófica. El Fe (III) puede formar hidróxidos de hierro, que se unen firmemente al fósforo, eliminándolo de la reserva de fósforo biodisponible, limitando la productividad primaria. En condiciones anóxicas, el Fe (III) puede reducirse y los microbios lo utilizan como aceptor final de electrones del carbono orgánico o del H2. Esto libera el fósforo nuevamente al agua para uso biológico.
El ciclo del hierro y el azufre pueden interactuar en varios puntos. Las bacterias de azufre púrpura y las bacterias de azufre verdes pueden utilizar Fe (II) como donante de electrones durante la fotosíntesis anóxica. Las bacterias reductoras de sulfato en ambientes anóxicos pueden reducir el sulfato a sulfuro, que luego se une al Fe (II) para crear sulfuro de hierro, un mineral sólido que precipita en el agua y elimina el hierro y el azufre. Los ciclos del hierro, el fosfato y el azufre pueden interactuar entre sí. El sulfuro puede reducir el Fe (III) del hierro que ya está unido al fosfato cuando no hay más iones metálicos disponibles, lo que libera el fosfato y crea sulfuro de hierro.
El hierro juega un papel importante en el ciclo del nitrógeno, además de su papel como parte de las enzimas implicadas en la fijación de nitrógeno. En condiciones anóxicas, el Fe(II) puede donar un electrón que es aceptado por el NO3-, que se oxida a varias formas diferentes de compuestos de nitrógeno, NO2< /sub>−, N2O, N2 y NH4+, mientras que el Fe(II) se reduce a Fe(III).
Influencias antropogénicas
El impacto humano en el ciclo del hierro en el océano se debe al aumento de las concentraciones de polvo al comienzo de la era industrial. Hoy en día, hay aproximadamente el doble de cantidad de hierro soluble en los océanos que en la época preindustrial procedente de contaminantes antropogénicos y fuentes de combustión de hierro soluble. Los cambios en las actividades humanas en el uso de la tierra y en el clima han aumentado los flujos de polvo, lo que aumenta la cantidad de polvo eólico que llega a las regiones abiertas del océano. Otras fuentes antropogénicas de hierro se deben a la combustión. Las tasas más altas de combustión de hierro se producen en el este de Asia, que contribuye al 20-100% de las deposiciones oceánicas en todo el mundo.
Los seres humanos han alterado el ciclo del nitrógeno procedente de la quema de combustibles fósiles y la agricultura a gran escala. Debido al aumento de hierro y nitrógeno, aumenta la fijación de nitrógeno marino en el Océano Pacífico subtropical norte y sur. En las regiones subtropicales, tropicales y HNLC, el aumento de los aportes de hierro puede conducir a una mayor absorción de CO2, lo que afectará el ciclo global del carbono.