دورة الحديد

دورة الحديد (Fe) هي الدورة البيوجيوكيميائية للحديد عبر الغلاف الجوي ، والغلاف المائي ، والغلاف الحيوي، والغلاف الصخري . وبينما يتواجد الحديد بوفرة في قشرة الأرض، ^{[ 10 ]} فإنه أقل شيوعًا في المياه السطحية المؤكسجة. يُعد الحديد عنصرًا غذائيًا دقيقًا أساسيًا في الإنتاجية الأولية ، ^{[ 11 ]} وعنصرًا غذائيًا محددًا في المحيط الجنوبي، وشرق المحيط الهادئ الاستوائي، ومنطقة المحيط الهادئ شبه القطبية، والتي تُعرف باسم مناطق المحيط الغنية بالعناصر الغذائية والفقيرة بالكلوروفيل (HNLC) . ^{[ 12 ]}

على الرغم من أن الحديد يمكن أن يوجد في نطاق واسع من حالات الأكسدة من -2 إلى +7، إلا أنه على سطح الأرض يوجد في الغالب في حالتي الأكسدة والاختزال +2 أو +3. وهو معدن نشط في تفاعلات الأكسدة والاختزال في الطبيعة. ^{[ 13 ]} تُعرف دورة الحديد بين حالتي الأكسدة +2 و+3 بدورة الحديد. قد تكون هذه العملية غير حيوية تمامًا أو تتم بمساعدة الكائنات الحية الدقيقة ، وخاصة البكتيريا المؤكسدة للحديد . تشمل العمليات غير الحيوية صدأ المعادن، والذي يتضمن، بالإضافة إلى أكسدة المعدن، أكسدة Fe(II) في وجود الأكسجين. ومن العمليات غير الحيوية الأخرى اختزال Fe³⁺ ^إلى Fe²⁺ ^بواسطة معادن الكبريتيد. أما الدورة الحيوية لـ Fe²⁺ ^فتتم بوساطة الميكروبات المؤكسدة والمختزلة للحديد. ^{[ 14 ] [ 15 ]}

يُعدّ الحديد عنصرًا غذائيًا دقيقًا أساسيًا للكائنات الحية. فهو مُكوّن رئيسي للهيموجلوبين، وله دورٌ هام في تثبيت النيتروجين كجزء من عائلة إنزيمات النيتروجيناز ، كما أنه يُسهّل نقل الإلكترونات في البلاستيدات الخضراء، والميتوكوندريا في حقيقيات النوى، والبكتيريا، وذلك كجزء من النواة الحديدية الكبريتية للفيريدوكسين . ونظرًا لتفاعل أيونات الحديد ^{الثنائي} (Fe²⁺) العالي مع الأكسجين، وانخفاض ذوبان أيونات الحديد الثلاثي (Fe³⁺ ⁾ ، يُعتبر الحديد عنصرًا غذائيًا مُحددًا في معظم مناطق العالم.

في بدايات الأرض، عندما كانت مستويات الأكسجين في الغلاف الجوي لا تتجاوز 0.001% من مستوياتها الحالية، كان يُعتقد أن الحديد الثنائي المذاب (Fe²⁺ ⁾ كان أكثر وفرة في المحيطات، وبالتالي أكثر توافرًا بيولوجيًا. ^{[ 16 ]} ربما وفر كبريتيد الحديد الطاقة والأسطح للكائنات الحية الأولى. ^{[ 17 ]} قبل بدء عملية التمثيل الضوئي الأكسجيني ، كانت الكائنات الحية التي تتغذى على الحديد الضوئي قادرة على الحصول على الطاقة من ضوء الشمس، واستخدام الإلكترونات من الحديد الثنائي (Fe²⁺ ⁾ لتثبيت ثاني أكسيد الكربون. ^{[ 18 ]}

خلال حدث الأكسدة العظيم ، قبل 2.3 إلى 2.5 مليار سنة، تأكسد الحديد المذاب بفعل الأكسجين الذي تنتجه البكتيريا الزرقاء، مُكَوِّنًا أكاسيد الحديد. كانت أكاسيد الحديد أكثر كثافة من الماء، فسقطت إلى قاع المحيط مُكَوِّنةً تكوينات الحديد الشريطية (BIF). ^{[ 19 ]} مع مرور الوقت، أدى ارتفاع مستويات الأكسجين إلى إزالة كميات متزايدة من الحديد من المحيط. وقد أصبحت تكوينات الحديد الشريطية مصدرًا رئيسيًا لخام الحديد في العصر الحديث. ^{[ 20 ] [ 21 ]}

تُعدّ دورة الحديد عنصرًا هامًا في النظم البيئية الأرضية. يسود الحديدوز (Fe²⁺ ⁾ في وشاح الأرض ونواتها وقشرتها العميقة. أما الحديديك (Fe³⁺) فهو أكثر استقرارًا في وجود غاز الأكسجين. [22] يُعدّ الغبار عنصرًا أساسيًا في دورة الحديد على الأرض. إذ تعمل عوامل التجوية الكيميائية والبيولوجية على تفتيت المعادن الحاملة للحديد، مُطلقةً إياه ^في الغلاف ^{الجوي . وتؤثر} التغيرات في الدورة الهيدرولوجية والغطاء النباتي على هذه الأنماط، ولها تأثير كبير على إنتاج الغبار العالمي، حيث تتراوح تقديرات ترسب الغبار بين 1000 و2000 تيراغرام سنويًا. ^{[ 2 ]} ويُشكّل الغبار المنقول بالرياح جزءًا بالغ الأهمية من دورة الحديد، إذ ينقل جزيئات الحديد من اليابسة عبر الغلاف الجوي إلى المحيط. ^{[ 23 ]}

تساهم الانفجارات البركانية أيضًا في دورة الحديد الأرضية، إذ تُطلق غبارًا غنيًا بالحديد في الغلاف الجوي ^{[ 24 ]} إما دفعةً واحدةً أو على دفعات أصغر مع مرور الوقت. ومع ذلك، فإن توزيع الرماد البركاني غير متساوٍ عبر المحيطات ويعتمد على منطقة الاندساس. ^{[ 25 ]} عند درجات حرارة أعلى داخل عمود الدخان البركاني، يمكن أن يحدد التفاعل بين جزيئات الرماد البركاني والغازات الصهارية ذوبان الحديد. ^{[ 26 ]} يمكن أن يؤثر النقل الجوي للغبار الغني بالحديد على تركيزاته في المحيطات، ^{[ 2 ]} مما يعزز إنتاجية النظم البيئية البحرية من خلال تغذية نمو العوالق النباتية، وزيادة امتصاص الكربون، بالإضافة إلى تبادل _{ثاني أكسيد الكربون بين المحيط والغلاف الجوي.} ^{[ 27 ]}

يُعدّ المحيط عنصرًا أساسيًا في نظام مناخ الأرض ، وتلعب دورة الحديد دورًا محوريًا في الإنتاجية الأولية للمحيطات ووظائف النظام البيئي البحري. ومن المعروف أن نقص الحديد يُحدّ من كفاءة المضخة البيولوجية للكربون. ويُعدّ نقص الحديد عاملًا رئيسيًا يُسيطر على نمو العوالق النباتية، لا سيما في المناطق الغنية بالمغذيات والفقيرة بالكلوروفيل، حيث يُقيّد توافر الحديد الإنتاجية البيولوجية على الرغم من وفرة المغذيات الكبرى. وقد أدّى ازدياد ترسب الحديد الناتج عن الأنشطة البشرية إلى تغيير الإنتاج الأولي البحري، لا سيما من خلال تحفيز تثبيت النيتروجين في المناطق شبه الاستوائية والتأثير على بنية مجتمع العوالق النباتية. ^{[ 28 ]} ويأتي أكبر مصدر للحديد إلى المحيطات من الأنهار، حيث يُعلق على شكل جزيئات رسوبية. ^{[ 29 ]} وتتلقى المياه الساحلية مدخلات من الحديد من الأنهار والرواسب اللاهوائية. ^{[ 30 ]} وتشمل المصادر الرئيسية الأخرى للحديد في المحيط الجسيمات الجليدية، ونقل الغبار الجوي، والفتحات الحرارية المائية . ^{[ 31 ]} يُعدّ إمداد الحديد عاملاً هاماً يؤثر على نمو العوالق النباتية ، وهي أساس السلسلة الغذائية البحرية. وتعتمد المناطق البحرية المفتوحة على ترسب الغبار الجوي والتيارات الصاعدة. ^{[ 30 ]} تشمل المصادر الرئيسية الأخرى للحديد في المحيط الجسيمات الجليدية، والفتحات الحرارية المائية، والرماد البركاني. وفي المناطق البحرية المفتوحة، تتنافس البكتيريا أيضاً مع العوالق النباتية على امتصاص الحديد. أما في المناطق ذات المحتوى العالي من الحديد والمنخفض منه، فيحدّ الحديد من إنتاجية العوالق النباتية. ^{[ 32 ]}

في أغلب الأحيان، كان الحديد متاحًا كمصدر غير عضوي للعوالق النباتية؛ ومع ذلك، يمكن أيضًا استخدام الأشكال العضوية للحديد بواسطة أنواع معينة من الدياتومات التي تستخدم عملية آلية الاختزال السطحي.

[تعديل] يؤدي امتصاص الحديد بواسطة العوالق النباتية إلى انخفاض تركيز الحديد في مياه البحر السطحية بشكل كبير، نظرًا لاستهلاك الحديد السريع في العمليات البيولوجية. يُعد الحديد غير العضوي الشكل الأكثر شيوعًا المتاح للعوالق النباتية، ولكن يمكن لبعض أنواع الدياتومات أيضًا الوصول إلى الحديد العضوي من خلال آليات الاختزال السطحية. تحدث إعادة التمعدن عندما تتحلل العوالق النباتية الغارقة بواسطة العوالق الحيوانية والبكتيريا. تعمل تيارات الصعود على إعادة تدوير الحديد، مما يؤدي إلى ارتفاع تركيزه في المياه العميقة. في المتوسط، يبلغ تركيز الحديد 0.07 ± 0.04 نانومول من الحديد لكل كيلوغرام ^على السطح (أقل من 200 متر) و0.76 ± 0.25 نانومول من الحديد ^لكل كيلوغرام في الأعماق (أكثر من 500 متر). ^{[ 30 ]} لذلك، تحتوي مناطق تيارات الصعود على كمية حديد أكبر من غيرها من مناطق المحيطات السطحية. يتوفر الحديد الذائب في صورة الحديدوز بيولوجيًا للاستخدام، ويأتي عادةً من مصادر هوائية.  

يوجد الحديد بشكل أساسي في صورة جسيمات على هيئة حديد ثلاثي التكافؤ، ويُزال الجزء الذائب منه بسرعة من عمود الماء عن طريق التخثر. ونتيجة لذلك، يبلغ معدل دوران مخزون الحديد الذائب حوالي 100 عام. يُعدّ توفر الحديد الذائب من المصادر الريحية بالغ الأهمية لاستدامة النشاط البيولوجي في المناطق التي تعاني من نقص الحديد. ومع استمرار الأنشطة البشرية في تغيير أنماط ترسب الحديد، قد يختل توازن الدورات البيوجيوكيميائية البحرية، مما قد يؤثر على عزل الكربون العالمي وديناميات النظام البيئي البحري. ^{[ 30 ]}

تتفاعل دورة الحديد بشكلٍ كبير مع دورات الكبريت والنيتروجين والفوسفور. يمكن للحديد الثنائي الذائب أن يعمل كمانح للإلكترونات، مختزلاً مستقبلات الإلكترونات العضوية وغير العضوية المؤكسدة، بما في ذلك الأكسجين (O₂) _{والنترات (} NO₃ )، ليتحول إلى حديد ثلاثي (Fe³⁺). بعد ذلك، يمكن للحديد المؤكسد أن يكون مستقبلًا للإلكترونات للكبريت المختزل والهيدروجين (H₂ ₎ ومركبات الكربون العضوية. هذا يُعيد الحديد إلى حالته المختزلة (Fe²⁺)، مُكملاً بذلك الدورة. ^{[ 35 ]}

يتفاعل تحول الحديد بين حالتي Fe(II) وFe(III) في الأنظمة المائية مع دورة الفوسفور في المياه العذبة . بوجود الأكسجين في الماء، يتأكسد Fe(II) إلى Fe(III)، إما لا حيويًا أو بواسطة الميكروبات عبر الأكسدة الليثوتروفية . يمكن لـ Fe(III) أن يُكوّن هيدروكسيدات الحديد، التي ترتبط بقوة بالفوسفور، مما يُزيله من مخزون الفوسفور المتاح بيولوجيًا، ويُحدّ من الإنتاجية الأولية. في الظروف اللاهوائية، يمكن اختزال Fe(III)، حيث تستخدمه الميكروبات كمستقبل نهائي للإلكترونات من الكربون العضوي أو الهيدروجين ^. هذا يُحرر الفوسفور مرة أخرى إلى الماء للاستخدام البيولوجي. ^{[ 36 ]}

تتفاعل دورة الحديد والكبريت في عدة نقاط. تستخدم بكتيريا الكبريت الأرجوانية وبكتيريا الكبريت الخضراء أيونات الحديد الثنائي (Fe(II)) كمانح للإلكترونات خلال عملية التمثيل الضوئي في ظروف نقص الأكسجين. ^{[ 37 ]} تستطيع البكتيريا المختزلة للكبريتات في البيئات اللاهوائية اختزال الكبريتات إلى كبريتيد، والذي يرتبط بدوره بأيونات الحديد الثنائي (Fe(II)) لتكوين كبريتيد الحديد، وهو معدن صلب يترسب من الماء ويزيل الحديد والكبريت. تتفاعل دورات الحديد والفوسفات والكبريت فيما بينها. يستطيع الكبريتيد اختزال أيونات الحديد الثلاثي (Fe(III)) من الحديد المرتبط بالفوسفات عند نفاد أيونات المعادن، مما يؤدي إلى تحرير الفوسفات وتكوين كبريتيد الحديد. ^{[ 38 ]}

يلعب الحديد دورًا هامًا في دورة النيتروجين ، بالإضافة إلى دوره كجزء من الإنزيمات المشاركة في تثبيت النيتروجين. في الظروف اللاهوائية، يمكن لأيون الحديد الثنائي (Fe(II)) أن يمنح إلكترونًا تستقبله أيونات النترات (NO₃⁻ ₎ ^التي تتأكسد إلى عدة أشكال مختلفة من مركبات النيتروجين، مثل النترات (NO₂⁻ ₎ ^، وأكسيد النيتروز (N₂O ₎ ، والنيتروجين (N₂ ₎ ، والأمونيوم (NH₄⁺ ⁾ ، بينما يُختزل الحديد الثنائي (Fe(II)) إلى الحديد الثلاثي (Fe(III)) _. ^{[ 36 ]}

تؤثر البكتيريا على دورة الحديد من خلال إجراء تفاعلات الأكسدة والاختزال على الحديد الحر في بيئتها. يمكن أن تحدث هذه التفاعلات إما داخل الخلية بواسطة البكتيريا المؤكسدة للحديد أو خارج الخلية من خلال نقل الإلكترونات خارج الخلية. ^{[ 39 ] [ 40 ]}

تؤدي البكتيريا المؤكسدة للحديد دورًا هامًا في دورة الحديد، حيث تحول الحديدوز الذائب ، Fe(II)، إلى حديديك غير ذائب ، Fe(III). ^{[ 39 ] [ 41 ] [ 42 ]} ويمكن أن تكون هذه البكتيريا ذاتية التغذية أو غيرية التغذية ، وتنتشر بكثرة في البيئات منخفضة الأكسجين، لأن نقص الأكسجين يُفضل الكائنات الحية التي تستخدم مستقبلًا نهائيًا مختلفًا للإلكترونات. ^{[ 39 ]} ومن أمثلة هذه البكتيريا: Acidithiobacillus ferrooxidans و Gallionella ferruginea و Rhodopseudomonas spp. ^{[ 43 ]} . ويؤدي وجود هذه البكتيريا إلى انخفاض تركيز الحديد الذائب في البيئة، مما يُسبب تباطؤ نمو النباتات، وتغير لون الجداول، وانخفاض امتصاص أيونات الفوسفور الحرة. ^{[ 44 ] [ 45 ]}

تؤثر البكتيريا على دورة الحديد بطريقة أخرى، وهي نقل الإلكترونات خارج الخلية. يحدث هذا النقل عندما تستخدم البكتيريا، في غياب الأكسجين، المعادن الموجودة في بيئتها كمستقبل نهائي للإلكترونات. ^{[ 40 ]} يتضمن ذلك ضخ الإلكترونات خارج الخلية إلى المعادن الموجودة خارجها لإكمال سلسلة نقل الإلكترونات . ^{[ 40 ]} يُعد الحديد الثلاثي (Fe(III)) أحد المعادن الشائعة التي تستخدمها البكتيريا في نقل الإلكترونات خارج الخلية. ^{[ 40 ]} تستخدم أنواع من البكتيريا، مثل شيوانيلا (Shewanella spp .) وجيوباكتر (Geobacter spp.) وبعض أنواع إنتيروكوكوس (Enterococcus spp.)، هذا النوع من الأيض. ^{[ 46 ]} تُعد هذه العملية الأيضية مهمة لأنها تُختزل الحديد الثلاثي إلى حديد ثنائي، وهو أكثر توافرًا حيويًا. ^{[ 42 ]} وبالتالي، فإن لنقل الإلكترونات خارج الخلية تأثيرات مشابهة لتأثيرات البكتيريا المؤكسدة للحديد على دورة الحديد. بالإضافة إلى دورة الحديد، يؤثر نقل الإلكترونات خارج الخلية أيضًا على البيئة من خلال زيادة نمو الأغشية الحيوية وزيادة حموضتها. ^{[ 46 ] [ 47 ]} بالابتعاد عن الأرض، تم افتراض أن البكتيريا القادرة على نقل الإلكترونات خارج الخلية قد توجد على سطح المريخ بسبب محتواه العالي من معادن أكسيد الحديد. ^{[ 48 ]}

تؤكد هاتان العمليتان الأيضيتان معاً على الدور المهم الذي تلعبه البكتيريا في دورة الحديد وفي البيئة ككل.

يعود تأثير الإنسان على دورة الحديد في المحيطات إلى ازدياد تركيزات الغبار مع بداية العصر الصناعي. واليوم، يوجد في المحيطات ما يقارب ضعف كمية الحديد الذائب مقارنةً بما كانت عليه قبل الثورة الصناعية، وذلك نتيجةً للملوثات البشرية المنشأ ومصادر احتراق الحديد الذائب. ^{[ 32 ]} وتساهم التغيرات في أنشطة استخدام الأراضي البشرية والمناخ في هذا التأثير.

أدت زيادة تدفقات الغبار إلى زيادة كمية الغبار المحمول بالرياح إلى المناطق المفتوحة من المحيط. ^{[ 49 ]} ومن المصادر البشرية الأخرى للحديد الاحتراق. وتحدث أعلى معدلات احتراق الحديد في شرق آسيا، والتي تساهم بنسبة 20-100% من الترسبات البحرية حول العالم. ^{[ 32 ]}

أدى النشاط البشري إلى تغيير دورة النيتروجين نتيجة احتراق الوقود الأحفوري والزراعة واسعة النطاق. ^{[ 50 ]} ونتيجةً لزيادة الحديد والنيتروجين، يرتفع تثبيت النيتروجين البحري في شمال وجنوب المحيط الهادئ شبه الاستوائي. في المناطق شبه الاستوائية والاستوائية والمناطق ذات المحتوى العالي من النيتروجين والمنخفض من الكربون، قد تؤدي زيادة مدخلات الحديد إلى زيادة امتصاص ثاني أكسيد الكربون _، مما يؤثر على دورة الكربون العالمية . ^{[ 50 ]}

• تخصيب الحديد
• البكتيريا المؤكسدة للحديد