Образование (гидр)оксида железа в андосолей в экстремальных климатических условиях

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 2818 (2023) Цитировать эту статью

1370 Доступов

6 Альтметрика

Подробности о метриках

Биогеохимический круговорот железа, обусловленный окислительно-восстановительным процессом, играет важную роль в сложной сети процессов экосистем, таких как круговорот углерода, судьба питательных веществ и выбросы парниковых газов. Мы исследуем пути (транс)образования Fe-(гидр)оксида из риолитовой тефры в кислых верхних слоях почв южно-патагонских Андосолей, чтобы оценить экологическую значимость круговорота земного железа для этой чувствительной экосистемы фьорда. Используя объемный геохимический анализ в сочетании с измерениями в микрометровом масштабе на отдельных почвенных агрегатах и ​​пемзе тефры, мы документируем биотические и абиотические пути высвобождения Fe из стекловидной матрицы тефры и вкрапленников титаномагнетита. Во время последовательных окислительно-восстановительных циклов, которые контролируются частыми гидрологическими возмущениями в условиях гипервлажного климата, (транс)образование соосаждений ферригидрит-органического вещества, маггемита и гематита тесно связано с выветриванием тефры и круговоротом органических веществ. Эти Fe-(гидр)оксиды зарождаются после растворения стекла и образования комплексов с органическими лигандами в результате процессов маггемитизации или растворения-(пере)кристаллизации из метастабильных предшественников. В конечном счете, гематит представляет собой наиболее термодинамически стабильный Fe-(гидр)оксид, образующийся в этих условиях, и физически накапливается на окислительно-восстановительных границах раздела, тогда как соосаждения ферригидрита представляют собой пока недооцененный земной источник биодоступного железа для биопродуктивности фьордов. Понимание (транс)образования Fe-(гидр)оксида в Андосоле имеет значение для лучшего понимания биогеохимического круговорота железа в этой уникальной экосистеме патагонских фьордов.

Природные процессы (транс)образования Fe-(гидр)оксида являются важнейшими реакциями как в наземной, так и в водной/морской среде, имеющими важное значение, например, для более глубокого понимания биогеохимических циклов1,2, реконструкции палеоэкологических условий3, генезиса полосчатого железа. формации4 и даже внеземные исследования5. В почвах и отложениях такие вторичные Fe-фазы встречаются преимущественно в виде оксидов, гидроксидов и оксигидроксидов, которые (транс)образуются по абиотическим или биотическим путям6. Среди них представлены ферригидрит (Fe10O14(OH)2), гетит (α-FeOOH), лепидокрокит (γ-FeOOH), гематит (α-Fe2O3), маггемит (γ-Fe2O3) и магнетит (Fe3O4), различающиеся по термодинамическая стабильность и кристалличность7.

Fe-(гидр)оксиды осаждаются из растворов, содержащих двухвалентное (Fe2+) и/или трехвалентное (Fe3+) железо, растворяются или (пере)осаждаются из Fe-содержащих минералов или представляют собой псевдоморфозы, (транс)образующиеся из метастабильных фаз-предшественников7. Механизм роста во время осаждения Fe-(гидр)оксида в основном определяется путем агрегации, основанным на нуклеации, при котором исходные наноразмерные соединения превращаются в термодинамически стабильные продукты кристаллизации8,9. Однако природа и распространенность этих Fe-(гидр)оксидов зависит от биофизико-химических и термодинамических свойств среды, в которой они (транс)образуются6. Следовательно, граничные условия осаждения и роста конкретных Fe-(гидр)оксидов определяются динамическим взаимодействием различных управляющих параметров7. Это взаимодействие является сложным и включает взаимодействие минералогического/геохимического состава исходных материалов или отдельных минералов-предшественников с водной фазой, обильным органическим веществом (ОВ), железоокисляющими/восстанавливающими микроорганизмами и различными температурами в преобладающих окислительно-восстановительных условиях pH2. ,10,11.

(Гидрид)оксиды железа играют важную роль в секвестрации углерода и в биогеохимических циклах путем фиксации или мобилизации железа и других важных биодоступных элементов, например, для поддержания питательного статуса наземных экосистем2,12,13 или регулирования морских первичных производительность14. Почвы из вулканического пепла, образовавшиеся во влажной среде, могут выделять большое количество коллоидов, богатых железом и ОВ15,16, в то время как транспорт элементов такими коллоидами, полученными из торфяников, представляет собой ключевые механизмы обеспечения питательными веществами в прибрежных регионах и фьордах средней и высокой температуры. -широты 17,18,19. В частности, торфяные Андосоли Магеллановых болот характеризуются особыми процессами мобилизации элементов, в том числе выраженным высвобождением Fe-(гидр)оксидов и ОВ в условиях гипервлажного климата20. Здесь, в центральной зоне пояса южно-западных ветров21 (ЮЗЗ), переменное и необычайно большое количество осадков22 напрямую влияет на колебания уровня воды в песчаных субстратах Андосола20. В таких динамичных биогеохимико-гидрологических средах реакционная способность органических и неорганических соединений первоначально поддерживается за счет обилия окислительно-восстановительных метастабильных фаз23 (RAMP). Обилие RAMP также регулирует реакцию экосистемы в различных масштабах, например, круговорот питательных веществ и выбросы газов12,23 (например, CO2, CH4 и N2O).