Formazione di (idr)ossido di ferro negli Andosol in condizioni climatiche estreme

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 2818 (2023) Citare questo articolo

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Il ciclo biogeochimico del ferro guidato dal redox svolge un ruolo fondamentale nella complessa rete di processi degli ecosistemi, come il ciclo del carbonio, il destino dei nutrienti e le emissioni di gas serra. Indaghiamo i percorsi di (tras)formazione del Fe-(idr)ossido dalla tefra riolitica nei terreni superficiali acidi degli Andosols della Patagonia meridionale per valutare la rilevanza ecologica del ciclismo terrestre del ferro per questo sensibile ecosistema di fiordi. Utilizzando analisi geochimiche di massa combinate con misurazioni su scala micrometrica su singoli aggregati di suolo e pomice di tefra, documentiamo i percorsi biotici e abiotici del Fe rilasciato dalla matrice vetrosa della tefra e dai fenocristalli di titanomagnetite. Durante i successivi cicli redox controllati da frequenti perturbazioni idrologiche in clima iperumido, le (tras)formazioni di coprecipitati di ferriidrite e materia organica, maghemite ed ematite sono strettamente legate all'erosione della tefra e al turnover della materia organica. Questi ossidi di Fe-(idr)nucleano dopo la dissoluzione del vetro e la complessazione con ligandi organici, attraverso processi di maghemitizzazione o di dissoluzione-(ri)cristallizzazione da precursori metastabili. In definitiva, l'ematite rappresenta l'ossido di Fe (idr) più termodinamicamente stabile formato in queste condizioni e si accumula fisicamente alle interfacce redox, mentre i coprecipitati di ferriidrite rappresentano una fonte terrestre finora sottovalutata di ferro biodisponibile per la bioproduttività dei fiordi. Le conoscenze sulla (tras)formazione dell'ossido di Fe negli Andosol hanno implicazioni per una migliore comprensione del ciclo biogeochimico del ferro in questo ecosistema unico del fiordo della Patagonia.

I processi naturali di (tras)formazione dell'ossido di Fe (idr) sono reazioni cruciali sia negli ambienti terrestri che acquatici/marini con implicazioni significative, ad esempio, per una comprensione più profonda dei cicli biogeochimici1,2, la ricostruzione delle condizioni paleoambientali3, la genesi del ferro fasciato formazioni4 e persino l'esplorazione extraterrestre5. Nei suoli e nei sedimenti, tali fasi secondarie del Fe si presentano prevalentemente come ossidi, idrossidi e ossiidrossidi che si (tras)formano lungo percorsi abiotici o biotici6. Tra gli altri, comprendono ferriidrite (Fe10O14(OH)2), goethite (α-FeOOH), lepidocrocite (γ-FeOOH), ematite (α-Fe2O3), maghemite (γ-Fe2O3) e magnetite (Fe3O4), differenziandosi per stabilità termodinamica e cristallinità7.

Gli ossidi di Fe precipitano da soluzioni contenenti ferro ferroso (Fe2+) e/o ferrico (Fe3+), si dissolvono o (ri)precipitano da minerali contenenti Fe, o costituiscono pseudomorfi, (tras)formati da fasi precursori metastabili7. Il meccanismo di crescita durante la precipitazione dell'ossido di Fe (idr) è definito principalmente da un percorso di aggregazione basato sulla nucleazione, in cui i composti iniziali su scala nanometrica si trasformano in prodotti di cristallizzazione termodinamicamente stabili8,9. Tuttavia, la natura e l'abbondanza di questi Fe-(idr)ossidi dipende dalle proprietà bio-fisico-chimiche e termodinamiche dell'ambiente in cui vengono (tras)formati6. Di conseguenza, le condizioni al contorno per la precipitazione e la crescita di specifici Fe-(idr)ossidi sono definite dall'interazione dinamica di vari parametri di controllo7. Questa interazione è complessa e include l'interazione tra la composizione mineralogica/geochimica dei materiali originari o dei distinti minerali precursori con la fase acquosa, l'abbondante materia organica (OM), i microrganismi che ossidano/riducono il ferro e le diverse temperature nelle condizioni prevalenti di pH redox2 ,10,11.

Gli (idr)ossidi di ferro svolgono un ruolo importante nel sequestro del carbonio e nei cicli biogeochimici mediante la fissazione o la mobilitazione del ferro e di altri elementi biodisponibili essenziali per, ad esempio, lo stato nutrizionale degli ecosistemi terrestri2,12,13 o la regolazione delle risorse primarie marine. produttività14. I terreni di cenere vulcanica che si sono evoluti in ambienti umidi possono rilasciare elevate quantità di colloidi ricchi di Fe e OM15,16, mentre il trasporto degli elementi da parte di tali colloidi provenienti dalle torbiere rappresenta meccanismi chiave per l'approvvigionamento di nutrienti nelle regioni costiere e nei fiordi del medio e alto livello. -latitudine17,18,19. In particolare, gli Andosol torbosi provenienti dalle brughiere di Magellano sono caratterizzati da speciali processi di mobilitazione degli elementi, inclusa la marcata liberazione di ossidi di Fe-(idr) e OM in condizioni climatiche iperumide20. Qui, nella zona centrale della cintura del vento sud-occidentale21 (SWW), precipitazioni variabili e straordinariamente elevate22 influenzano direttamente le fluttuazioni del livello dell'acqua nei substrati sabbiosi di Andosol20. In tali ambienti biogeochimico-idrologici dinamici, la reattività dei composti organici e inorganici è inizialmente mantenuta dall'abbondanza di fasi metastabili redox-attive23 (RAMP). L'abbondanza di RAMP regola anche le risposte dell'ecosistema su più scale, come il ciclo dei nutrienti e le emissioni di gas12,23 (ad esempio, CO2, CH4 e N2O).