극한 기후 조건에서 안도솔의 산화철(수)생성

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 2818(2023) 이 기사 인용

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철의 산화환원 기반 생지화학적 순환은 탄소 순환, 영양분의 운명 및 온실가스 배출과 같은 생태계의 복잡한 과정 네트워크에서 필수적인 역할을 합니다. 우리는 이 민감한 피요르드 생태계에 대한 육상 철 순환의 생태학적 관련성을 평가하기 위해 남부 파타고니아 안도솔의 산성 표토에 있는 유문암 테프라의 Fe-(수)산화물(변환)형성 경로를 조사합니다. 개별 토양 집합체와 테프라 부석에 대한 마이크로미터 규모 측정과 결합된 대량 지구화학적 분석을 사용하여 우리는 유리 테프라 매트릭스와 티타노마그네타이트 반정에서 방출되는 Fe의 생물적 및 비생물적 경로를 문서화합니다. 다습한 기후에서 빈번한 수문학적 교란에 의해 제어되는 연속적인 산화환원 주기 동안, 페리하이드라이트-유기물 공침전, 마그헤마이트 및 적철광의 (변형)형성은 테프라 풍화 및 유기물 전환과 밀접하게 연관되어 있습니다. 이러한 Fe-(수)산화물은 준안정 전구체로부터의 자기화 또는 용해-(재)결정화 공정을 통해 유리 용해 및 유기 리간드와의 복합체화 후에 핵을 생성합니다. 궁극적으로, 적철석은 이러한 조건에서 형성되고 산화환원 경계면에 물리적으로 축적되는 열역학적으로 가장 안정적인 Fe-(수)산화물을 나타내는 반면, 페리하이드라이트 공침전물은 피요르드의 생물 생산성을 위해 지금까지 과소평가된 육상 육상 공급원을 나타냅니다. 안도솔의 Fe-(수)산화물(변환)형성에 대한 통찰력은 이 독특한 파타고니아 피요르드 생태계에서 철의 생지화학적 순환을 더 잘 이해하는 데 도움이 됩니다.

자연적인 Fe-(수)산화물(변형)형성 과정은 육상 및 수생/해양 환경 모두에서 중요한 반응으로, 예를 들어 생지화학적 순환1,2, 고대 환경 조건의 재구성3, 줄무늬 철의 기원에 대한 더 깊은 이해에 중요한 영향을 미칩니다. 구조물4, 심지어 외계 탐사5까지. 토양과 퇴적물에서 이러한 2차 Fe 상은 주로 비생물적 또는 생물적 경로를 따라 (형질)형성되는 산화물, 수산화물 및 옥시수산화물로 발생합니다6. 그중에서도 페리하이드라이트(Fe10O14(OH)2), 침철석(α-FeOOH), 레피도크로사이트(γ-FeOOH), 적철석(α-Fe2O3), 마그헤마이트(γ-Fe2O3), 자철광(Fe3O4)으로 구성됩니다. 열역학적 안정성과 결정성7.

Fe-(수)산화물은 제1철(Fe2+) 및/또는 제2철(Fe3+) 철을 함유한 용액에서 침전되거나, Fe 함유 광물에서 용해 또는 (재)침전되거나, 준안정 전구체 단계에서 (트랜스)형성된 유사형을 구성합니다7. Fe-(수)산화물 침전 중 성장 메커니즘은 주로 초기 나노 크기 화합물이 열역학적으로 안정한 결정화 생성물로 변환되는 핵 생성 기반 응집 경로에 의해 정의됩니다8,9. 그러나 이러한 Fe-(수)산화물의 성질과 풍부함은 이들이 (변환)형성되는 환경의 생물물리화학적 및 열역학적 특성에 따라 달라집니다6. 결과적으로, 특정 Fe-(수산화물)의 침전 및 성장을 위한 경계 조건은 다양한 제어 매개변수7의 동적 상호 작용에 의해 정의됩니다. 이 상호 작용은 복잡하며 모재 또는 별개의 전구체 광물의 광물학적/지화학적 조성과 수상, 풍부한 유기물(OM), 철 산화/환원 미생물 및 일반적인 산화환원 pH 조건 하의 다양한 온도 간의 상호 작용을 포함합니다2 ,10,11.

철(수)산화물은 예를 들어 육상 생태계의 영양 상태2,12,13 또는 해양 일차 생태계의 규제를 위한 철 및 기타 필수 생물학적 이용 가능 요소의 고정 또는 동원을 통해 탄소 격리 및 생지화학적 순환에서 중요한 역할을 합니다. 생산성14. 습한 환경에서 진화한 화산재 토양은 다량의 Fe 및 OM이 풍부한 콜로이드15,16를 방출할 수 있는 반면, 이탄지에서 공급되는 이러한 콜로이드에 의한 원소 수송은 해안 지역과 중산층 및 고지대 피요르드의 영양분 공급을 위한 핵심 메커니즘을 나타냅니다. -위도 17,18,19. 특히 마젤란 황무지의 이탄질 안도솔은 과습한 기후 조건에서 Fe-(수)산화물과 OM이 뚜렷하게 방출되는 등 특수 원소 동원 과정이 특징입니다20. 여기, 남쪽 서쪽 풍대21(SWW)의 핵심 구역에서는 가변적이고 특별한 높은 강수량22이 모래 Andosol 기질20의 수위 변동에 직접적인 영향을 미칩니다. 이러한 역동적인 생지화학적-수문학적 환경에서 유기 및 무기 화합물의 반응성은 초기에 풍부한 산화환원 활성 준안정상(RAMP)에 의해 유지됩니다. 풍부한 RAMP는 또한 영양분 순환 및 가스 배출12,23(예: CO2, CH4 및 N2O)과 같은 규모에 걸쳐 생태계 반응을 규제합니다.