Formation d’(hydroxy)oxyde de fer dans les Andosols dans des conditions climatiques extrêmes

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 2818 (2023) Citer cet article

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Le cycle biogéochimique du fer induit par redox joue un rôle essentiel dans le réseau de processus complexe des écosystèmes, tels que le cycle du carbone, le devenir des nutriments et les émissions de gaz à effet de serre. Nous étudions les voies de (trans)formation du Fe-(hydr)oxyde à partir du téphra rhyolitique dans les couches arables acides des andosols de Patagonie méridionale afin d'évaluer la pertinence écologique du cycle terrestre du fer pour cet écosystème de fjord sensible. À l’aide d’analyses géochimiques globales combinées à des mesures à l’échelle micrométrique sur des agrégats de sol individuels et de la pierre ponce de téphra, nous documentons les voies biotiques et abiotiques du Fe libéré par la matrice vitreuse de téphra et les phénocristaux de titanomagnétite. Au cours de cycles redox successifs contrôlés par de fréquentes perturbations hydrologiques sous un climat hyper-humide, les (trans)formations de coprécipités ferrihydrite-matière organique, maghémite et hématite sont étroitement liées à l'altération du téphra et au renouvellement de la matière organique. Ces (hydr)oxydes de Fe sont nucléés après dissolution du verre et complexation avec des ligands organiques, par des processus de maghémitisation ou de dissolution-(re)cristallisation à partir de précurseurs métastables. En fin de compte, l'hématite représente le (hydr)oxyde de Fe le plus thermodynamiquement stable formé dans ces conditions et s'accumule physiquement aux interfaces rédox, tandis que les coprécipités de ferrihydrite représentent une source terrestre jusqu'à présent sous-estimée de fer biodisponible pour la bioproductivité des fjords. Les connaissances sur la (trans)formation de Fe-(hydr)oxyde dans les Andosols ont des implications pour une meilleure compréhension du cycle biogéochimique du fer dans cet écosystème unique de fjord de Patagonie.

Les processus naturels de (trans)formation de Fe-(hydr)oxyde sont des réactions cruciales dans les environnements terrestres et aquatiques/marins avec des implications significatives, par exemple, pour une compréhension plus approfondie des cycles biogéochimiques1,2, la reconstruction des conditions paléoenvironnementales3, la genèse du fer rubané. formations4, et même l’exploration extraterrestre5. Dans les sols et les sédiments, ces phases Fe secondaires se présentent principalement sous forme d’oxydes, d’hydroxydes et d’oxyhydroxydes qui se (trans)forment le long de voies abiotiques ou biotiques6. Entre autres, ils comprennent la ferrihydrite (Fe10O14(OH)2), la goethite (α-FeOOH), la lépidocrocite (γ-FeOOH), l'hématite (α-Fe2O3), la maghémite (γ-Fe2O3) et la magnétite (Fe3O4), différant par stabilité thermodynamique et cristallinité7.

Les (hydr)oxydes de Fe précipitent à partir de solutions contenant du fer ferreux (Fe2+) et/ou ferrique (Fe3+), se dissolvent ou (re)précipitent à partir de minéraux ferreux, ou constituent des pseudomorphes, (trans)formés à partir de phases précurseurs métastables7. Le mécanisme de croissance lors de la précipitation du (hydr)oxyde de Fe est principalement défini par une voie d'agrégation basée sur la nucléation, dans laquelle les composés initiaux à l'échelle nanométrique se transforment en produits de cristallisation thermodynamiquement stables8,9. Cependant, la nature et l’abondance de ces (hydr)oxydes de Fe dépendent des propriétés bio-physicochimiques et thermodynamiques de l’environnement dans lequel ils sont (trans)formés6. Par conséquent, les conditions limites pour la précipitation et la croissance de Fe-(hydr)oxydes spécifiques sont définies par l’interaction dynamique de divers paramètres de contrôle7. Cette interaction est complexe et comprend l'interaction entre la composition minéralogique/géochimique des matériaux d'origine ou des minéraux précurseurs distincts avec la phase aqueuse, la matière organique (MO) abondante, les micro-organismes oxydants/réducteurs de fer et les différentes températures dans les conditions de pH rédox dominantes2. ,10,11.

Les (hydroxydes) de fer jouent un rôle important dans la séquestration du carbone et dans les cycles biogéochimiques par la fixation ou la mobilisation du fer et d'autres éléments biodisponibles essentiels pour, par exemple, l'état nutritionnel des écosystèmes terrestres2,12,13 ou la régulation des matières premières marines. productivité14. Les sols de cendres volcaniques qui ont évolué dans des environnements humides peuvent libérer de grandes quantités de colloïdes riches en Fe et en OM15,16, tandis que le transport d'éléments par ces colloïdes provenant de tourbières représente des mécanismes clés pour l'approvisionnement en nutriments dans les régions côtières et les fjords de moyenne et haute altitude. -latitudes17,18,19. En particulier, les andosols tourbeux des landes de Magellan sont caractérisés par des processus particuliers de mobilisation d’éléments, notamment la libération prononcée d’oxydes de Fe et de MO dans des conditions climatiques hyper-humides20. Ici, dans la zone centrale de la ceinture de vent sud-ouest21 (SWW), des précipitations variables et extraordinairement élevées22 influencent directement les fluctuations du niveau d’eau dans les substrats sableux d’Andosol20. Dans de tels environnements biogéochimiques et hydrologiques dynamiques, la réactivité des composés organiques et inorganiques est initialement maintenue par l'abondance de phases métastables rédox-actives (RAMP). L'abondance des RAMP régule également les réponses des écosystèmes à plusieurs échelles, telles que le cycle des nutriments et les émissions de gaz12,23 (p. ex. CO2, CH4 et N2O).