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. [1] En la Tierra, las moléculas inorgánicas que contienen H son el agua (H 2 O), el gas hidrógeno (H 2 ), el sulfuro de hidrógeno (H 2 S) y el amoníaco (NH 3 ). 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 inorgánicos y orgánicos, el ciclo del hidrógeno se centra en el hidrógeno molecular, H 2 .
Como consecuencia de los metabolismos microbianos o de las interacciones naturales entre rocas y agua, se puede crear gas hidrógeno. Otras bacterias pueden consumir entonces el 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 . [2]
Las fuentes abióticas de gas hidrógeno incluyen reacciones fotoquímicas y entre agua y roca. Las reacciones de serpentinización exotérmica entre el agua y los minerales de olivino producen H 2 en el subsuelo marino o terrestre. [3] [4] En el océano, los respiraderos hidrotermales expulsan magma y alteran los fluidos del agua de mar, incluido H 2 abundante , dependiendo del régimen de temperatura y la composición de la roca anfitriona. [5] [4] El hidrógeno molecular también se puede producir a través de la fotooxidación (a través de la radiación UV solar ) de algunas especies minerales como la siderita en entornos acuosos anóxicos. Este puede haber sido un proceso importante en las regiones superiores de los océanos arcaicos de la Tierra primitiva . [6]
Debido a que el H 2 es el elemento más ligero, el H 2 atmosférico puede perderse fácilmente en el espacio a través del escape de Jeans , un proceso irreversible que impulsa la pérdida neta de masa de la Tierra . [7] La fotólisis de compuestos más pesados que no son propensos a escapar, como el CH 4 o el H 2 O, también puede liberar H 2 de la atmósfera superior y contribuir a este proceso. Otro sumidero importante de H 2 atmosférico libre es la oxidación fotoquímica por radicales hidroxilo (•OH), que forma agua. [ cita requerida ]
Los sumideros antropogénicos de H 2 incluyen la producción de combustible sintético a través de la reacción de Fischer-Tropsch y la fijación artificial de nitrógeno a través del proceso Haber-Bosch para producir fertilizantes nitrogenados . [ cita requerida ]
Muchos metabolismos microbianos producen o consumen H 2 .
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. [8] [9] Estas enzimas metabolizadoras de H 2 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. [10] La fermentación produce H 2 a partir de materia orgánica como parte de la cadena alimentaria microbiana anaeróbica [11] a través de vías dependientes o independientes de la luz. [8]
La absorción biológica del suelo es el principal sumidero de H 2 atmosférico . [12] Tanto el metabolismo aeróbico como el anaeróbico microbiano consumen H 2 oxidándolo para reducir otros compuestos durante la respiración. La oxidación aeróbica de H 2 se conoce como reacción de Knallgas . [13]
La oxidación anaeróbica de H2 ocurre a menudo 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 para reducir el CO2 a CH4 o acetato, SO2−
4a H 2 S, o Fe 3+ a Fe 2+ . La transferencia de hidrógeno entre especies mantiene las concentraciones de H 2 muy bajas en la mayoría de los entornos porque la fermentación se vuelve menos favorable termodinámicamente a medida que aumenta la presión parcial de H 2. [11]
El H 2 puede interferir con la eliminación de metano de la atmósfera, un gas de efecto invernadero . Normalmente, el CH 4 atmosférico se oxida por radicales hidroxilo ( • OH), pero el H 2 también puede reaccionar con • OH para reducirlo a H 2 O. [14]
El H2 hidrotermal puede haber desempeñado un papel importante en la química prebiótica . [15] La producción de H2 por serpentinización respaldó la formación de los reactivos propuestos en la hipótesis del origen de la vida en el mundo de hierro y azufre . [16] Se plantea la hipótesis de que la evolución posterior de la metanogénesis hidrogenotrófica es uno de los metabolismos más tempranos de la Tierra. [17] [2]
La serpentinización puede ocurrir en cualquier cuerpo planetario con composición condrítica . El descubrimiento de H 2 en otros mundos oceánicos , como Encélado , [18] [19] [20] sugiere que procesos similares están ocurriendo en otras partes del Sistema Solar, y potencialmente también en otros sistemas planetarios. [13]