極端な気候条件下におけるアンドソールでの鉄(水)酸化物生成

Scientific Reports volume 13、記事番号: 2818 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

鉄の酸化還元による生物地球化学的循環は、炭素循環、栄養素の運命、温室効果ガス排出など、生態系の複雑なプロセスネットワークにおいて重要な役割を果たしています。 私たちは、この敏感なフィヨルド生態系に対する陸地鉄循環の生態学的関連性を評価するために、南パタゴニアのアンドソールの酸性表土における流紋岩テフラからの鉄（水）酸化物（トランス）生成経路を調査します。 私たちは、個々の土壌集合体やテフラ軽石のマイクロメートルスケールの測定と組み合わせたバルク地球化学分析を使用して、ガラス質テフラマトリックスとチタン磁鉄鉱斑晶から放出される鉄の生物的および非生物的な経路を記録します。 過湿な気候下での頻繁な水文学的摂動によって制御される連続的な酸化還元サイクル中に、フェリハイドライトと有機物の共沈物、マグヘマイトとヘマタイトの（変態）形成がテフラの風化と有機物の代謝回転に密接に関係しています。 これらの鉄（水）酸化物は、準安定前駆体からのマグヘマイト化または溶解（再）結晶化プロセスを通じて、ガラスの溶解および有機配位子との錯体形成後に核生成します。 結局のところ、ヘマタイトは、これらの条件下で形成される最も熱力学的に安定な鉄(水)酸化物であり、酸化還元界面に物理的に蓄積するのに対し、フェリハイドライト共沈殿物は、これまでのところ過小評価されているフィヨルドの生物生産性のための生物利用可能な鉄の陸上供給源である。 アンドソールにおける鉄（水）酸化物（変換）生成に関する洞察は、この独特なパタゴニアのフィヨルド生態系における鉄の生物地球化学的循環のより良い理解に影響を与えます。

天然の鉄（水）酸化物（変換）生成プロセスは、陸域および水生/海洋環境の両方において重要な反応であり、生物地球化学サイクル 1,2 の深い理解、古環境条件の再構成 3、縞状鉄の起源などに重要な意味を持ちます。地層4、さらには地球外探査5。 土壌や堆積物では、このような二次鉄相は主に酸化物、水酸化物、オキシ水酸化物として発生し、非生物的または生物的経路に沿って（変換）形成されます6。 とりわけ、フェリハイドライト (Fe10O14(OH)2)、ゲーサイト (α-FeO​​OH)、レピドクロサイト (γ-FeOOH)、ヘマタイト (α-Fe2O3)、マグヘマイト (γ-Fe2O3)、マグネタイト (Fe3O4) が含まれます。熱力学的安定性と結晶化度７．

Fe-(水)酸化物は、第一鉄 (Fe2+) および/または第二鉄 (Fe3+) 鉄を含む溶液から沈殿したり、鉄含有鉱物から溶解または (再) 沈殿したり、準安定前駆体相から (変態) 形成された仮像を構成したりします。 Fe-(水)酸化物沈殿中の成長メカニズムは主に、初期のナノスケール化合物が熱力学的に安定した結晶化生成物に変化する核生成ベースの凝集経路によって定義されます8,9。 ただし、これらの鉄（水）酸化物の性質と存在量は、それらが（変換）される環境の生物物理化学的および熱力学的特性に依存します6。 したがって、特定の鉄（水）酸化物の沈殿と成長の境界条件は、さまざまな制御パラメータの動的相互作用によって定義されます7。 この相互作用は複雑で、母物質または異なる前駆体鉱物の鉱物学的/地球化学的組成と、水相、豊富な有機物 (OM)、鉄酸化/還元微生物、一般的な酸化還元 pH 条件下でのさまざまな温度との間の相互作用が含まれます2。 、10、11。

鉄（水）酸化物は、陸域生態系の栄養状態2、12、13や海洋一次生物の制御など、鉄やその他の必須の生物学的に利用可能な元素の固定または動員により、炭素隔離および生物地球化学サイクルにおいて重要な役割を果たしています。生産性14. 湿潤な環境で発達した火山灰土壌は、多量の鉄および OM に富むコロイドを放出する可能性があるが 15,16、一方、泥炭地から供給されるそのようなコロイドによる元素輸送は、沿岸地域および中高地のフィヨルドにおける栄養供給の重要なメカニズムを表す。 -緯度17、18、19。 特に、マゼラン湿原の泥炭質アンドソールは、高湿度の気候条件下での鉄（水）酸化物と OM の顕著な遊離を含む、特別な元素流動プロセスによって特徴付けられます20。 ここでは、南西風帯 21 (SWW) のコアゾーンでは、変動する異常な多雨 22 が、砂質アンドソール基質の水位変動に直接影響を与えます 20。 このような動的な生物地球化学的水文学的環境では、有機および無機化合物の反応性は、最初は豊富な酸化還元活性準安定相 23 (RAMP) によって維持されます。 RAMP の豊富さは、栄養循環やガス排出 12,23 (CO2、CH4、N2O など) など、スケールを超えた生態系の反応も制御します。