Ciclo del hidrógeno

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El ciclo del hidrógeno consiste en intercambios de hidrógeno entre fuentes bióticas (vivas) y abióticas (no vivas) y sumideros de compuestos que contienen hidrógeno.

El hidrógeno (H) es el elemento más abundante.[1]​ En la Tierra, las moléculas inorgánicas comunes que contienen H incluyen agua (H2O), hidrógeno gaseoso (H2h), ácido sulfhídrico (H2S), y amoníaco (NH3). Muchos compuestos orgánicos también contienen átomos de hidrógeno, como hidrocarburos y materia orgánica. Dada la ubicuidad de los átomos de hidrógeno en compuestos químicos orgánicos e inorgánicos, el ciclo del hidrógeno se centra en el hidrógeno molecular, H2.

El hidrógeno gaseoso se puede producir de forma natural a través de interacciones roca-agua o como subproducto de metabolismos microbianos. El H2 libre puede luego ser consumido por otros microbios, oxidarse fotoquímicamente en la atmósfera o perderse en el espacio. También se cree que el hidrógeno es un reactivo importante en la química prebiótica y en la evolución temprana de la vida en la Tierra, y potencialmente en otras partes de nuestro sistema solar.[2]​

Ciclos abióticos[editar]

Fuentes[editar]

Las fuentes abióticas de gas hidrógeno incluyen reacciones fotoquímicas y agua-roca. Las reacciones de serpentinización exotérmica entre el agua y los minerales de olivino producen H2 en el subsuelo marino o terrestre.[3]​[4]​ En el océano, las fuentes hidrotermales hacen erupción de magma y alteran los fluidos del agua de mar, incluido el H2 abundante, según el régimen de temperatura y la composición de la roca huésped.[5]​[4]​ El hidrógeno molecular también se puede producir a través de la fotooxidación (a través de la radiación ultravioleta) de algunas especies minerales como la siderita en ambientes acuosos anóxicos. Este puede haber sido un proceso importante en las regiones superiores de los océanos arcaicos de la Tierra primitiva.[6]​

Sumideros[editar]

Debido a que el H2 es el elemento más liviano, el H2 atmosférico se puede perder fácilmente en el espacio a través del escape atmosférico, un proceso irreversible que impulsa la pérdida neta de masa de la Tierra.[7]​ La fotólisis de compuestos más pesados que no son propensos a escapar, como el CH4 o el H2O, también puede liberar H2 de la atmósfera superior y contribuir a este proceso. Otro sumidero importante de H2 atmosférico libre es la oxidación fotoquímica por radicales hidroxilo (•OH), que forman agua.

Los sumideros antropogénicos de H2 incluyen la producción de combustible sintético a través de la reacción de Fischer-Tropsch y la fijación artificial de nitrógeno a través del proceso Haber-Bosch para producir fertilizantes nitrogenados.

Ciclos bióticos[editar]

Muchos metabolismos microbianos producen o consumen H2.

Producción[editar]

El hidrógeno es producido por enzimas hidrogenasas y nitrogenasas en muchos microorganismos, algunos de los cuales se están estudiando por su potencial para la producción de biocombustibles.[8]​[9]​ Estas enzimas metabolizadoras de H2 se encuentran en los tres dominios de la vida y, de los genomas conocidos, más del 30% de los taxones microbianos contienen genes de hidrogenasa.[10]​ La fermentación produce H2 a partir de materia orgánica como parte de la cadena alimentaria microbiana anaeróbica a través de vías dependientes o independientes de la luz.[11]​[8]​

Consumo[editar]

La absorción biológica del suelo es el sumidero dominante de H2 atmosférico.[12]​ Tanto el metabolismo microbiano aeróbico como el anaeróbico consumen H2 oxidándolo para reducir otros compuestos durante la respiración. La oxidación aerobia de H2 se conoce como reacción de Knallgas.[13]​

La oxidación anaeróbica de H2 a menudo ocurre durante la transferencia de hidrógeno entre especies en la que el H2 producido durante la fermentación se transfiere a otro organismo, que usa el H2 para reducir el CO2 a CH4 (acetato), SO42- a H2S o Fe3+ a Fe2+. La transferencia de hidrógeno entre especies mantiene las concentraciones de H2 muy bajas en la mayoría de los entornos porque la fermentación se vuelve menos favorable termodinámicamente a medida que aumenta la presión parcial de H2 increases.[11]​

Relevancia para el clima global[editar]

El H2 puede interferir con la eliminación de metano de la atmósfera, un gas de efecto invernadero. Normalmente, el CH4 atmosférico se oxida mediante radicales hidroxilo (•OH), pero el H2 también puede reaccionar con •OH para reducirlo a H2O.[14]​

Implicaciones para la astrobiología[editar]

El H2 hidrotermal puede haber jugado un papel importante en la química prebiótica.[15]​ La producción de H2 por serpentinización apoyó la formación de los reactivos propuestos en la hipótesis del origen de la vida en un mundo de hierro-azufre.[16]​ Se plantea la hipótesis de que la evolución posterior de la metanogénesis hidrogenotrófica es uno de los primeros metabolismos de la Tierra.[17]​[2]​

La serpentinización puede ocurrir en cualquier cuerpo planetario con composición condrítica. El descubrimiento de H2 en otros mundos oceánicos, como en Encélado,[18]​[19]​[20]​ sugiere que se están llevando a cabo procesos similares en otras partes de nuestro sistema solar y, potencialmente, también en otros sistemas solares.[13]​

Véase también[editar]

Referencias[editar]

  1. ↑ «Abundances of the elements in the solar system». Space Science Reviews (en inglés) 15 (1): 121. 1973. Bibcode:1973SSRv...15..121C. ISSN 0038-6308. doi:10.1007/BF00172440. 
  2. ↑ a b «The deep, hot biosphere: Twenty-five years of retrospection». Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 114 (27): 6895-6903. July 2017. PMC 5502609. PMID 28674200. doi:10.1073/pnas.1701266114. 
  3. ↑ «Serpentinization as a source of energy at the origin of life». Geobiology 8 (5): 355-71. December 2010. PMID 20572872. doi:10.1111/j.1472-4669.2010.00249.x. 
  4. ↑ a b «The production of methane, hydrogen, and organic compounds in ultramafic-hosted hydrothermal vents of the Mid-Atlantic Ridge». Astrobiology 15 (5): 381-99. May 2015. Bibcode:2015AsBio..15..381K. PMC 4442600. PMID 25984920. doi:10.1089/ast.2014.1198. 
  5. ↑ «Hydrogen is an energy source for hydrothermal vent symbioses». Nature 476 (7359): 176-80. August 2011. Bibcode:2011Natur.476..176P. PMID 21833083. doi:10.1038/nature10325. 
  6. ↑ «Anoxic photochemical oxidation of siderite generates molecular hydrogen and iron oxides». Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 110 (25): 10073-7. June 2013. Bibcode:2013PNAS..11010073K. PMC 3690895. PMID 23733945. doi:10.1073/pnas.1308958110. 
  7. ↑ «Biogenic methane, hydrogen escape, and the irreversible oxidation of early Earth». Science 293 (5531): 839-43. August 2001. Bibcode:2001Sci...293..839C. PMID 11486082. doi:10.1126/science.1061976. 
  8. ↑ a b «Microalgal hydrogen production - A review». Bioresource Technology 243: 1194-1206. November 2017. PMID 28774676. doi:10.1016/j.biortech.2017.07.085. 
  9. ↑ «Hydrogen production by biological processes: a survey of literature». International Journal of Hydrogen Energy (en inglés) 26 (1): 13-28. 2001. doi:10.1016/S0360-3199(00)00058-6. 
  10. ↑ «[FeFe]- and [NiFe]-hydrogenase diversity, mechanism, and maturation». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular Cell Research 1853 (6): 1350-69. June 2015. PMID 25461840. doi:10.1016/j.bbamcr.2014.11.021. 
  11. ↑ a b Kirchman, David L. (2 de febrero de 2011). Processes in Microbial Ecology. Oxford University Press. ISBN 9780199586936. doi:10.1093/acprof:oso/9780199586936.001.0001. 
  12. ↑ «The overwhelming role of soils in the global atmospheric hydrogen cycle». Atmospheric Chemistry and Physics 6 (6): 1611-1625. 19 de mayo de 2006. Bibcode:2006ACP.....6.1611R. doi:10.5194/acp-6-1611-2006. 
  13. ↑ a b «An astrophysical view of Earth-based metabolic biosignature gases». Astrobiology 12 (1): 61-82. January 2012. Bibcode:2012AsBio..12...61S. PMID 22269061. doi:10.1089/ast.2010.0489. 
  14. ↑ «Molecular hydrogen in the troposphere: Global distribution and budget». Journal of Geophysical Research: Atmospheres 104 (D23): 30427-30444. 1 de diciembre de 1999. Bibcode:1999JGR...10430427N. doi:10.1029/1999jd900788. 
  15. ↑ Colín-García, María (2016). «Hydrothermal vents and prebiotic chemistry: a review». Boletín de la Sociedad Geológica Mexicana 68 (3): 599-620. doi:10.18268/BSGM2016v68n3a13. 
  16. ↑ Wächtershäuser, Günter. «Origin of life in an iron–sulfur world». =The Molecular Origins of Life. Cambridge University Press. pp. 206-218. ISBN 9780511626180. 
  17. ↑ «Hydrogen Metabolism and the Evolution of Biological Respiration». Microbe Magazine 9 (9): 361-367. 1 de septiembre de 2014. doi:10.1128/microbe.9.361.1. 
  18. ↑ «Detecting molecular hydrogen on Enceladus». Science 356 (6334): 132-133. April 2017. Bibcode:2017Sci...356..132S. PMID 28408557. doi:10.1126/science.aan0444. 
  19. ↑ «Ongoing hydrothermal activities within Enceladus». Nature 519 (7542): 207-10. March 2015. Bibcode:2015Natur.519..207H. PMID 25762281. doi:10.1038/nature14262. 
  20. ↑ «The pH of Enceladus' ocean». Geochimica et Cosmochimica Acta (en inglés) 162: 202-219. 2015. Bibcode:2015GeCoA.162..202G. arXiv:1502.01946. doi:10.1016/j.gca.2015.04.017. 
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