دورة الهيدروجين

الموسوعة الحرة
جزء من سلسلة عن
الدورات البيوكيميائية
دورة المياه
دورة الكربون
دورة التغذية
دورة الصخور
الدورة البحرية
دورة الميثان
دورات أخرى
مواضيع ذات صلة
مجموعات البحث
  •  فئة
  • ف
  • ت
  • هـ

تتكون دورة الهيدروجين من تبادلات الهيدروجين بين المصادر والمصارف الحيوية (الحية) وغير الحيوية (غير الحية) للمركبات المحتوية على الهيدروجين.

الهيدروجين (H) هو العنصر الأكثر وفرة في الكون. [1] على الأرض، تشمل الجزيئات غير العضوية التي تحتوي على الهيدروجين الماء (H 2 O)، وغاز الهيدروجين (H 2 )، وكبريتيد الهيدروجين (H 2 S)، والأمونيا (NH 3 ). تحتوي العديد من المركبات العضوية أيضًا على ذرات الهيدروجين، مثل الهيدروكربونات والمواد العضوية . ونظرًا لانتشار ذرات الهيدروجين في المركبات الكيميائية غير العضوية والعضوية، فإن دورة الهيدروجين تركز على الهيدروجين الجزيئي، H 2 .

نتيجة لعمليات التمثيل الغذائي الميكروبية أو التفاعلات الطبيعية بين الصخور والمياه، يمكن تكوين غاز الهيدروجين. وقد تستهلك بكتيريا أخرى بعد ذلك الهيدروجين الحر، والذي قد يتأكسد أيضًا ضوئيًا في الغلاف الجوي أو يفقد في الفضاء. يُعتقد أيضًا أن الهيدروجين متفاعل مهم في الكيمياء ما قبل الحيوية والتطور المبكر للحياة على الأرض، وربما في أماكن أخرى من النظام الشمسي . [2]

الدورات غير الحيوية

مصادر

تشمل المصادر غير الحيوية لغاز الهيدروجين تفاعلات الماء والصخور والتفاعلات الكيميائية الضوئية. تنتج تفاعلات السربنتين الطاردة للحرارة بين الماء ومعادن الزبرجد الزيتوني H 2 في باطن الأرض أو البحر. [3] [4] في المحيط، تنفث الفتحات الحرارية المائية الصهارة وسوائل مياه البحر المتغيرة بما في ذلك H 2 الوفير ، اعتمادًا على نظام درجة الحرارة وتركيبة الصخور المضيفة. [5] [4] يمكن أيضًا إنتاج الهيدروجين الجزيئي من خلال الأكسدة الضوئية (عبر الأشعة فوق البنفسجية الشمسية ) لبعض أنواع المعادن مثل السيدريت في البيئات المائية الخالية من الأكسجين. ربما كانت هذه عملية مهمة في المناطق العليا من محيطات الأرض القديمة المبكرة. [6]

الأحواض

نظرًا لأن H 2 هو أخف العناصر، يمكن بسهولة فقدان H 2 الجوي في الفضاء عبر هروب جينز ، وهي عملية لا رجعة فيها تؤدي إلى فقدان كتلة الأرض الصافية . [7] يمكن للتحلل الضوئي للمركبات الأثقل غير المعرضة للهروب، مثل CH 4 أو H 2 O، أن يحرر H 2 أيضًا من الغلاف الجوي العلوي ويساهم في هذه العملية. هناك مصدر رئيسي آخر لـ H 2 الجوي الحر وهو الأكسدة الضوئية بواسطة الجذور الهيدروكسيلية (•OH)، والتي تشكل الماء. [ بحاجة لمصدر ]

تشمل مصادر H2 البشرية إنتاج الوقود الاصطناعي من خلال تفاعل فيشر-تروبش وتثبيت النيتروجين الاصطناعي من خلال عملية هابر-بوش لإنتاج الأسمدة النيتروجينية . [ بحاجة لمصدر ]

الدورات الحيوية

تنتج أو تستهلك العديد من الأيضات الميكروبية غاز الهيدروجين .

إنتاج

يتم إنتاج الهيدروجين بواسطة إنزيمات الهيدروجيناز والنيتروجيناز في العديد من الكائنات الحية الدقيقة، وبعضها قيد الدراسة لإمكاناتها لإنتاج الوقود الحيوي. [8] [9] توجد إنزيمات استقلاب الهيدروجين هذه في جميع المجالات الثلاثة للحياة ، ومن بين الجينومات المعروفة، تحتوي أكثر من 30٪ من الأصناف الميكروبية على جينات الهيدروجيناز. [ 10] تنتج التخمير الهيدروجين من المادة العضوية كجزء من سلسلة الغذاء الميكروبية اللاهوائية [11] عبر مسارات تعتمد على الضوء أو مستقلة عن الضوء. [8]

استهلاك

الامتصاص البيولوجي للتربة هو المصدر الرئيسي لـ H 2 الجوي . [12] تستهلك كل من عمليات التمثيل الغذائي الميكروبية الهوائية واللاهوائية H 2 عن طريق أكسدته من أجل تقليل المركبات الأخرى أثناء التنفس . تُعرف أكسدة H 2 الهوائية باسم تفاعل Knallgas . [13 ]

غالبًا ما يحدث أكسدة الهيدروجين اللاهوائي أثناء نقل الهيدروجين بين الأنواع حيث يتم نقل الهيدروجين الناتج أثناء التخمير إلى كائن حي آخر، والذي يستخدم الهيدروجين لاختزال ثاني أكسيد الكربون إلى CH 4 أو أسيتات SO2-4
​إلى H 2 S، أو Fe 3+ إلى Fe 2+ . يحافظ نقل الهيدروجين بين الأنواع على تركيزات H 2 منخفضة للغاية في معظم البيئات لأن التخمير يصبح أقل ملاءمة من الناحية الديناميكية الحرارية مع زيادة الضغط الجزئي لـ H 2. [11]

الأهمية بالنسبة للمناخ العالمي

يمكن أن يتداخل H2 مع إزالة الميثان من الغلاف الجوي ، وهو غاز دفيئة . عادةً، يتأكسد CH 4 الجوي بواسطة الجذور الهيدروكسيلية ( • OH)، ولكن يمكن لـ H2 أيضًا أن يتفاعل مع • OH لاختزاله إلى H2O . [ 14]

CH 4 + • OH → • CH 3 + H 2 O
H 2 + • OH → H • + H 2 O

التأثيرات على علم الأحياء الفلكي

ربما لعب الهيدروجين الحراري المائي دورًا رئيسيًا في الكيمياء ما قبل الحيوية . [15] دعم إنتاج الهيدروجين عن طريق السربنتين تكوين المتفاعلات المقترحة في فرضية أصل الحياة في عالم الحديد والكبريت . [16] يُفترض أن التطور اللاحق لعملية تكوين الميثان الهيدروجيني هو أحد أقدم عمليات التمثيل الغذائي على الأرض . [17] [2]

يمكن أن يحدث التحول السربنتيني على أي جسم كوكبي ذو تركيبة كوندريتية . يشير اكتشاف الهيدروجين على عوالم محيطية أخرى ، مثل إنسيلادوس ، [18] [19] [20] إلى أن عمليات مماثلة جارية في أماكن أخرى في النظام الشمسي ، وربما في أنظمة كوكبية أخرى أيضًا. [13]

انظر أيضا

مراجع

  1. ^ كاميرون إيه جي (1973). "وفرة العناصر في النظام الشمسي". مراجعات علوم الفضاء . 15 (1): 121. رمز Bibcode :1973SSRv...15..121C. doi :10.1007/BF00172440. ISSN  0038-6308. S2CID  120201972.
  2. ^ ab Colman DR, Poudel S, Stamps BW, Boyd ES, Spear JR (يوليو 2017). "المحيط الحيوي العميق الساخن: خمسة وعشرون عامًا من التأمل". وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم في الولايات المتحدة الأمريكية . 114 (27): 6895–6903. Bibcode :2017PNAS..114.6895C. doi : 10.1073/pnas.1701266114 . PMC 5502609. PMID  28674200 . 
  3. ^ راسل إم جيه، هول إيه جيه، مارتن دبليو (ديسمبر 2010). "التحول إلى شكل ثعباني كمصدر للطاقة في أصل الحياة". علم الأحياء الجيولوجية . 8 (5): 355-71. رمز Bibcode : 2010Gbio....8..355R. doi : 10.1111/j.1472-4669.2010.00249.x. PMID  20572872.
  4. ^ ab Konn C, Charlou JL, Holm NG, Mousis O (مايو 2015). "إنتاج الميثان والهيدروجين والمركبات العضوية في الفتحات الحرارية المائية المستضافة فوق المافية في سلسلة جبال وسط المحيط الأطلسي". Astrobiology . 15 (5): 381–99. Bibcode :2015AsBio..15..381K. doi :10.1089/ast.2014.1198. PMC 4442600. PMID  25984920 . 
  5. ^ Petersen JM, Zielinski FU, Pape T, Seifert R, Moraru C, Amann R, et al. (أغسطس 2011). "الهيدروجين مصدر طاقة للتفاعلات التكافلية بين الفتحات الحرارية المائية". مجلة نيتشر . 476 (7359): 176–80. رمز Bibcode :2011Natur.476..176P. doi :10.1038/nature10325. PMID  21833083. S2CID  25578.
  6. ^ كيم جيه دي، يي إن، ناندا في، فالكوفسكي بي جي (يونيو 2013). "الأكسدة الضوئية الكيميائية غير المؤكسدة للسيدريت تولد أكاسيد الهيدروجين والحديد الجزيئية". وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم في الولايات المتحدة الأمريكية . 110 (25): 10073-7. رمز Bibcode : 2013PNAS..11010073K. doi : 10.1073/pnas.1308958110 . PMC 3690895. PMID  23733945 . 
  7. ^ Catling DC, Zahnle KJ, McKay C (August 2001). "الميثان الحيوي، وهروب الهيدروجين، والأكسدة غير القابلة للعكس للأرض المبكرة". Science . 293 (5531): 839–43. Bibcode :2001Sci...293..839C. doi :10.1126/science.1061976. PMID  11486082. S2CID  37386726.
  8. ^ ab Khetkorn W, Rastogi RP, Incharoensakdi A, Lindblad P, Madamwar D, Pandey A, Larroche C (نوفمبر 2017). "إنتاج الهيدروجين من الطحالب الدقيقة - مراجعة". Bioresource Technology . 243 : 1194–1206. Bibcode :2017BiTec.243.1194K. doi :10.1016/j.biortech.2017.07.085. PMID  28774676.
  9. ^ Das D (2001). "إنتاج الهيدروجين من خلال العمليات البيولوجية: دراسة استقصائية للأدبيات". المجلة الدولية لطاقة الهيدروجين . 26 (1): 13-28. Bibcode :2001IJHE...26...13D. doi :10.1016/S0360-3199(00)00058-6.
  10. ^ Peters JW, Schut GJ, Boyd ES, Mulder DW, Shepard EM, Broderick JB , King PW, Adams MW (يونيو 2015). "تنوع هيدروجيناز [FeFe] و[NiFe] والآلية والنضج" (PDF) . Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular Cell Research . 1853 (6): 1350–69. doi : 10.1016/j.bbamcr.2014.11.021 . PMID  25461840.
  11. ^ ab Kirchman DL (2011-02-02). Processes in Microbial Ecology . Oxford University Press. doi :10.1093/acprof:oso/9780199586936.001.0001. ISBN 9780199586936.
  12. ^ Rhee TS, Brenninkmeijer CA, Röckmann T (2006-05-19). "الدور الهائل للتربة في دورة الهيدروجين الجوية العالمية". الكيمياء الجوية والفيزياء . 6 (6): 1611–1625. Bibcode :2006ACP.....6.1611R. doi : 10.5194/acp-6-1611-2006 .
  13. ^ أ ب سيجر إس، شرينك إم، باينز دبليو (يناير 2012). “نظرة فيزيائية فلكية لغازات الأيض الحيوي الأرضية”. علم الأحياء الفلكي . 12 (1): 61-82. بيب كود :2012AsBio..12...61S. دوى :10.1089/ast.2010.0489. اتش دي ال : 1721.1/73073 . بميد  22269061.
  14. ^ Novelli PC, Lang PM, Masarie KA, Hurst DF, Myers R, Elkins JW (1999-12-01). "الهيدروجين الجزيئي في طبقة التروبوسفير: التوزيع العالمي والميزانية". مجلة البحوث الجيوفيزيائية: الغلاف الجوي . 104 (D23): 30427–30444. رمز Bibcode :1999JGR...10430427N. doi : 10.1029/1999jd900788 .
  15. ^ كولين جارسيا م (2016). “الفتحات الحرارية المائية والكيمياء الحيوية: مراجعة”. Boletín de la Sociedad Geológica Mexicana . 68 (3): 599-620. دوى : 10.18268/BSGM2016v68n3a13 .
  16. ^ Wächtershäuser G. "Origin of life in an iron–sulfur world". The Molecular Origins of Life . Cambridge University Press. pp. 206–218. ISBN 9780511626180.
  17. ^ Boyd ES, Schut GJ, Adams MW, Peters JW (2014-09-01). "استقلاب الهيدروجين وتطور التنفس البيولوجي". مجلة الميكروب . 9 (9): 361–367. doi :10.1128/microbe.9.361.1.
  18. ^ Seewald JS (أبريل 2017). "اكتشاف الهيدروجين الجزيئي على إنسيلادوس". مجلة العلوم . 356 (6334): 132–133. رمز Bibcode :2017Sci...356..132S. doi :10.1126/science.aan0444. PMID  28408557. S2CID  206658660.
  19. ^ Hsu HW، Postberg F، Sekine Y، Shibuya T، Kempf S، Horányi M، وآخرون (مارس 2015). "الأنشطة الحرارية المائية الجارية داخل إنسيلادوس". Nature . 519 (7542): 207–10. Bibcode :2015Natur.519..207H. doi :10.1038/nature14262. PMID  25762281. S2CID  4466621.
  20. ^ جلين سي آر، باروس جا، وايت جونيور جيه إتش (2015). “الرقم الهيدروجيني لمحيط إنسيلادوس”. Geochimica et Cosmochimica Acta . 162 : 202-219. أرخايف : 1502.01946 . بيب كود :2015GeCoA.162..202G. دوى :10.1016/j.gca.2015.04.017. S2CID  119262254.
تم الاسترجاع من "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=دورة_الهيدروجين&oldid=1251530867"
Original text
Rate this translation
Your feedback will be used to help improve Google Translate