El hierro circula a través de la atmósfera, la litosfera y los océanos. Las flechas marcadas muestran el flujo en Tg de hierro por año. [1] [2] [3] [4] El hierro en el océano circula entre el plancton, las partículas agregadas (hierro no biodisponible) y el hierro disuelto (hierro biodisponible), y se convierte en sedimentos a través del entierro. [1] [5] [6] Los respiraderos hidrotermales liberan hierro ferroso al océano [7] además de los aportes de hierro oceánico de fuentes terrestres. El hierro llega a la atmósfera a través del vulcanismo , [8] la actividad eólica , [9] y algo a través de la combustión por parte de los humanos. En el Antropoceno , el hierro se extrae de las minas en la corteza y una parte se vuelve a depositar en depósitos de desechos. [4] [6]
El hierro existe en un rango 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 redox activo primario en la Tierra. [13] El ciclo del hierro entre sus estados de oxidación +2 y +3 se conoce como el ciclo del hierro. Este proceso puede ser completamente abiótico o facilitado por microorganismos , especialmente bacterias oxidantes de hierro . Los procesos abióticos incluyen la oxidación de metales que contienen hierro, donde Fe 2+ se oxida abióticamente a Fe 3+ en presencia de oxígeno, y la reducción de Fe 3+ a Fe 2+ por minerales de sulfuro de hierro. El ciclo biológico de Fe 2+ se realiza mediante microbios oxidantes y reductores de hierro. [14] [15]
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 de hierro y azufre de la ferredoxina, facilita el transporte de electrones en los cloroplastos, las mitocondrias eucariotas y las bacterias. Debido a la alta reactividad del Fe 2+ con el oxígeno y la baja solubilidad del Fe 3+ , 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, se pensaba que el Fe 2+ disuelto era mucho más abundante en los océanos y, por lo tanto, más biodisponible para la vida microbiana. [16] El sulfuro de hierro puede haber proporcionado la energía y las superficies para los primeros organismos. [17] En este momento, antes del inicio de la fotosíntesis oxigénica , la producción primaria puede haber estado dominada por fotoferrotrofos, que obtendrían energía de la luz solar y usarían los electrones del Fe 2+ para fijar el carbono. [18]
Durante el Gran Evento de Oxidación , hace entre 2.300 y 2.500 millones de años, el hierro disuelto se oxidó con 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). [19] Con el tiempo, el aumento de los niveles de oxígeno eliminó cantidades cada vez mayores de hierro del océano. Las BIF han sido una fuente clave de mineral de hierro en los tiempos modernos. [20] [21]
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. [22] El polvo es un componente clave en el ciclo del hierro de la Tierra. La erosión química y biológica descompone los minerales que contienen hierro, liberando 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 varían entre 1000 y 2000 Tg/año. [2] El polvo eólico es una parte crítica del ciclo del hierro al transportar partículas de hierro desde la superficie terrestre a través de la atmósfera hasta el océano. [23]
Las erupciones volcánicas también son un factor clave en el ciclo del hierro terrestre, liberando polvo rico en hierro a la atmósfera en grandes oleadas o en pequeñas cantidades a lo largo del tiempo. [24] El transporte atmosférico de polvo rico en hierro puede afectar las concentraciones en los océanos. [2]
Ecosistema oceánico
El océano es un componente crítico del sistema climático de la Tierra , y el ciclo del hierro juega un papel clave en la productividad primaria del océano y el funcionamiento del ecosistema marino. Se sabe que la limitación de hierro limita la eficiencia de la bomba biológica de carbono. El mayor suministro de hierro a los océanos proviene de los ríos, donde está suspendido como partículas de sedimento. [25] Las aguas costeras reciben aportes de hierro de los ríos y sedimentos anóxicos. [21] Otras fuentes importantes de hierro al océano incluyen partículas glaciales, transporte de polvo atmosférico y respiraderos hidrotermales . [26] El suministro de hierro es un factor importante que afecta el crecimiento del fitoplancton , la base de la red alimentaria marina. [27] Las regiones marinas dependen de la deposición y afloramiento de polvo atmosférico. [21] Otras fuentes importantes de hierro al océano incluyen partículas glaciales, respiraderos hidrotermales y ceniza volcánica. [28] En las regiones marinas, las bacterias también compiten con el fitoplancton por la absorción de hierro. [21] En las regiones HNLC, el hierro limita la productividad del fitoplancton. [29]
En general, el hierro estaba disponible como una fuente inorgánica para el fitoplancton; sin embargo, las formas orgánicas de hierro también pueden ser utilizadas por diatomeas específicas que utilizan un proceso de mecanismo de reductasa de superficie. 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. El afloramiento recicla el hierro y causa 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 m). [21] Por lo tanto, las zonas de afloramiento contienen más hierro que otras áreas de los océanos superficiales. El hierro soluble en forma ferrosa está biodisponible para su utilización, que comúnmente proviene de recursos eólicos.
El hierro se encuentra 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, el depósito de hierro disuelto se renueva rápidamente, en unos 100 años. [21]
Interacciones con otros ciclos elementales
Ciclo biogeoquímico del hierro disuelto en la superficie del océano [31]
L S , ligando fuerte de unión al hierro; L W , ligando débil de unión al hierro; FeL S , hierro complejado por un ligando fuerte de unión al hierro ; FeL w , hierro complejado por un ligando débil de unión al hierro; Fe(II), la suma de todas las especies de Fe(II); Fe′, la suma de todas las especies inorgánicas de Fe(III); Fe col , especie de hierro coloidal; Fe part , hierro en la fase particulada; hv, flujo de fotones; O 2 , oxígeno disuelto; y H 2 O 2 , peróxido de hidrógeno disuelto.
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 entonces ser el aceptor de electrones para azufre reducido, H2 y compuestos orgánicos de carbono. Esto devuelve el hierro al estado Fe(II) reducido, completando el ciclo. [32]
La transición del hierro entre Fe(II) y Fe(III) en los sistemas acuáticos interactúa con el ciclo del fósforo en agua dulce . Con el oxígeno en el agua, el Fe(II) se oxida a Fe(III), ya sea de forma abiótica o por acción de microbios a través de la oxidación litotrófica . El Fe(III) puede formar hidróxidos de hierro, que se unen fuertemente al fósforo, eliminándolo del conjunto de fósforo biodisponible, lo que limita la productividad primaria. En condiciones anóxicas, el Fe(III) puede reducirse y ser utilizado por microbios para ser el aceptor final de electrones, ya sea del carbono orgánico o del H2 . Esto libera el fósforo nuevamente en el agua para uso biológico. [33]
El ciclo del hierro y el azufre puede interactuar en varios puntos. Las bacterias púrpuras del azufre y las bacterias verdes del azufre pueden utilizar el Fe(II) como donante de electrones durante la fotosíntesis anóxica. [34] Las bacterias reductoras de sulfato en entornos anóxicos pueden reducir el sulfato a sulfuro, que luego se une al Fe(II) para crear sulfuro de hierro, un mineral sólido que se precipita del 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 ya no hay más iones metálicos disponibles, lo que libera el fosfato y crea sulfuro de hierro. [35]
El hierro desempeña un papel importante en el ciclo del nitrógeno , además de su papel como parte de las enzimas implicadas en la fijación del nitrógeno. En condiciones anóxicas, el Fe(II) puede donar un electrón que es aceptado por el NO 3 − que se oxida a varias formas diferentes de compuestos de nitrógeno, NO 2 − , N 2 O, N 2 y NH 4 + , mientras que el Fe(II) se reduce a Fe(III). [33]
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 la cantidad de hierro soluble en los océanos que en la época preindustrial debido a contaminantes antropogénicos y fuentes de combustión de hierro soluble. [29] Los cambios en las actividades humanas de uso de la tierra y el clima han aumentado los flujos de polvo, lo que aumenta la cantidad de polvo eólico en las regiones abiertas del océano. [28] Otras fuentes antropogénicas de hierro se deben a la combustión. Las tasas más altas de combustión de hierro se dan en Asia Oriental, que contribuye al 20-100% de las deposiciones oceánicas en todo el mundo. [29]
Los seres humanos han alterado el ciclo del nitrógeno proveniente de la quema de combustibles fósiles y la agricultura a gran escala. [36] Debido al aumento de hierro y nitrógeno, aumenta la fijación de nitrógeno marino en el océano Pacífico subtropical del 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 afecta al ciclo global del carbono . [36]
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Lectura adicional
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