Ciclo do hidrogênio

O ciclo do hidrogênio consiste nas trocas de hidrogênio entre fontes e sumidouros bióticos (vivos) e abióticos (não vivos) de compostos contendo hidrogênio.

O hidrogênio (H) é o elemento mais abundante no universo.[1] Na Terra, moléculas inorgânicas comuns que contêm hidrogênio incluem água (H2O), gás hidrogênio (H2), sulfeto de hidrogênio (H2S) e amônia (NH3). Muitos compostos orgânicos também contêm átomos de hidrogênio, como hidrocarbonetos e matéria orgânica. Dada a ubiquidade dos átomos de hidrogênio em compostos químicos inorgânicos e orgânicos, o ciclo do hidrogênio concentra-se no hidrogênio molecular, H2.

Como resultado de metabolismos microbianos ou interações naturais entre rochas e água, o gás hidrogênio pode ser produzido. Outras bactérias podem consumir o H2 livre, que também pode ser oxidado fotoquimicamente na atmosfera ou perdido para o espaço. O hidrogênio também é considerado um reagente importante na química prebiótica e na evolução inicial da vida na Terra, e potencialmente em outros lugares do Sistema Solar.[2]

Ciclos abióticos

Fontes

Fontes abióticas de gás hidrogênio incluem reações entre água e rochas e reações fotoquímicas. Reações exotérmicas de serpentinização entre água e minerais de olivina liberam H2 no subsolo marinho ou terrestre.[3][4] No oceano, fontes hidrotermais expelem magma e fluidos de água do mar alterados, incluindo quantidades abundantes de H2, dependendo do regime de temperatura e da composição da rocha hospedeira.[5][4] O hidrogênio molecular também pode ser produzido por foto-oxidação (via radiação UV solar) de algumas espécies minerais, como siderita, em ambientes aquosos anóxicos. Esse processo pode ter sido importante nas regiões superiores dos oceanos do Arqueano inicial da Terra.[6]

Sumidouros

Por ser o elemento mais leve, o H2 atmosférico pode ser facilmente perdido para o espaço por meio do escape de Jeans, um processo irreversível que contribui para a perda de massa líquida da Terra.[7] A fotólise de compostos mais pesados que não são propensos a escapar, como CH4 ou H2O, também pode liberar H2 da atmosfera superior e contribuir para esse processo. Outro sumidouro importante de H2 atmosférico livre é a oxidação fotoquímica por radicais hidroxila (•OH), que forma água.

Sumidouros antropogênicos de H2 incluem a produção de combustíveis sintéticos por meio da reação de síntese de Fischer-Tropsch e a fixação artificial de nitrogênio pelo processo Haber-Bosch para produzir fertilizantes nitrogenados.

Ciclos bióticos

Muitos metabolismos microbianos produzem ou consomem H2.

Produção

O hidrogênio é produzido por enzimas hidrogenases e nitrogenases em muitos microrganismos, alguns dos quais estão sendo estudados por seu potencial na produção de biocombustíveis.[8][9] Essas enzimas metabolizadoras de H2 são encontradas nos três domínios da vida, e mais de 30% dos genomas microbianos conhecidos contêm genes de hidrogenase.[10] A fermentação produz H2 a partir de matéria orgânica como parte da cadeia alimentar microbiana anaeróbica[11] por meio de vias dependentes ou independentes de luz.[8]

Consumo

A captação biológica do solo é o principal sumidouro de H2 atmosférico.[12] Tanto metabolismos microbianos aeróbicos quanto anaeróbicos consomem H2 ao oxidá-lo para reduzir outros compostos durante a respiração. A oxidação aeróbica de H2 é conhecida como reação de Knallgas.[13]

A oxidação anaeróbica de H2 frequentemente ocorre durante a transferência interespecífica de hidrogênio, na qual o H2 produzido durante a fermentação é transferido para outro organismo, que utiliza o H2 para reduzir CO2 a CH4 ou acetato, SO2−
4 a H2S, ou Fe3+ a Fe2+. A transferência interespecífica de hidrogênio mantém as concentrações de H2 muito baixas na maioria dos ambientes, pois a fermentação se torna menos termodinamicamente favorável à medida que a pressão parcial de H2 aumenta.[11]

Relevância para o clima global

O hidrogênio geralmente atua como um doador de elétrons.[14] Essa característica tem implicações para a química atmosférica global, possivelmente retardando a degradação e aumentando a abundância de gases de efeito estufa. Isso torna o hidrogênio um gás de efeito estufa indireto.[15] Por exemplo, o H2 pode interferir na remoção de metano da atmosfera. Normalmente, o CH4 atmosférico é oxidado por radicais hidroxila (•OH), mas o H2 também pode reagir com •OH para reduzi-lo a H2O.[16]

CH4 + •OH → •CH3 + H2O
H2 + •OH → H• + H2O

Implicações para a astrobiologia

O H2 hidrotermal pode ter desempenhado um papel importante na química prebiótica.[17] A liberação de H2 por serpentinização pode ter apoiado a formação dos reagentes propostos na hipótese do mundo de ferro-enxofre para a origem da vida.[18] A subsequente evolução da metanogênese hidrogenotrófica é hipotetizada como um dos primeiros metabolismos na Terra.[19][2]

A serpentinização pode ocorrer em qualquer corpo planetário com composição condrítica. A descoberta de H2 em outros planetas oceânicos, como Encélado,[20][21][22] sugere que processos semelhantes estão ocorrendo em outros lugares do Sistema Solar, e potencialmente em outros sistemas planetários.[13]

Ver também

Referências

  1. ↑ Cameron AG (1973). «Abundances of the elements in the solar system». Space Science Reviews (em inglês). 15 (1). 121 páginas. Bibcode:1973SSRv...15..121C. ISSN 0038-6308. doi:10.1007/BF00172440 
  2. ↑ a b Colman DR, Poudel S, Stamps BW, Boyd ES, Spear JR (julho de 2017). «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. Bibcode:2017PNAS..114.6895C. PMC 5502609Acessível livremente. PMID 28674200. doi:10.1073/pnas.1701266114Acessível livremente 
  3. ↑ Russell MJ, Hall AJ, Martin W (dezembro de 2010). «Serpentinization as a source of energy at the origin of life». Geobiology. 8 (5): 355–71. Bibcode:2010Gbio....8..355R. PMID 20572872. doi:10.1111/j.1472-4669.2010.00249.x 
  4. ↑ a b Konn C, Charlou JL, Holm NG, Mousis O (maio de 2015). «The production of methane, hydrogen, and organic compounds in ultramafic-hosted hydrothermal vents of the Mid-Atlantic Ridge». Astrobiology. 15 (5): 381–99. Bibcode:2015AsBio..15..381K. PMC 4442600Acessível livremente. PMID 25984920. doi:10.1089/ast.2014.1198 
  5. ↑ Petersen JM, Zielinski FU, Pape T, Seifert R, Moraru C, Amann R, et al. (agosto de 2011). «Hydrogen is an energy source for hydrothermal vent symbioses». Nature. 476 (7359): 176–80. Bibcode:2011Natur.476..176P. PMID 21833083. doi:10.1038/nature10325 
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