Questo articolo descrive il ciclo dei metalli , in particolare il ciclo del mercurio e il ciclo del ferro.
Il Mercurio è un metallo pesante naturalmente presente in tracce nelle rocce, nel suolo e nell'acqua e che, già a concentrazioni molto basse, presenta un'elevata tossicità. Il mercurio non è un micronutriente necessario per l'attività cellulare, così come non lo sono nemmeno piombo , cadmio , tallio o arsenico . Le fonti naturali di mercurio sono formate dal vulcanismo e da alcune rocce ignee . La quantità di mercurio immessa nell'atmosfera dal vulcanismo è stimata in circa 25.000 t / anno . Inoltre, l'erosione idrica delle rocce superficiali trascina nei fiumi e quindi negli oceani, una frazione del mercurio contenuto nelle rocce superficiali.
Il ciclo biogeochimico del mercurio è caratterizzato da una transizione alternata dallo stato inorganico allo stato organico e da forme ossidate a forme ridotte. Questo ciclo si svolge tra i tre compartimenti della biosfera : l' atmosfera , l' idrosfera e lo strato superficiale della litosfera .
Il mercurio si trova nella maggior parte degli ambienti naturali a concentrazioni di pochi nanogrammi per litro (ng / L). Tuttavia, la maggior parte del mercurio terrestre è intrappolato nei sedimenti per precipitazione o assorbimento .
Nell'atmosfera, si trova principalmente nella sua forma elementare, Hg metallico, che è volatile. Data l'altissima tossicità del mercurio, la volatilità del mercurio metallico a temperatura ambiente non può essere trascurata. Hg passa facilmente attraverso l'aria sotto forma di vapore e la sua inalazione è una delle principali vie di ingresso nel corpo. Per reazione fotochimica , il mercurio metallico, Hg, può essere ossidato a ione mercurico, Hg 2+ . Questo ione può essere metilato in metil mercurio catione , CH 3 Hg + da attività microbica ( Desulfovibrio ). Il metilmercurio è molto solubile nei lipidi e nei tessuti adiposi ed è quindi facilmente assimilabile da diverse forme di vita acquatica e dai pesci. Sono stati gli scarichi industriali di mercurio in mare a causare la malattia di Minamata in Giappone, dove la catena trofica e il pesce erano gravemente contaminati. Il metilmercurio può anche essere metilato in dimetilmercurio , CH 3 HgCH 3 , un composto volatile che passa nell'atmosfera e sarà poi riportato nell'acqua e nel suolo mediante precipitazione. Può anche essere assorbito in acqua da fitoplancton o macrofite e quindi passare attraverso varie reti alimentari acquatiche o terrestri.
I batteri solfati trasformano i solfati in solfuri e possono quindi indurre la precipitazione del solfuro di mercurio , HgS, da ione mercurico e H 2 S. HgS è scarsamente solubile e si trova principalmente nei sedimenti anossici dove si trova. riduzione. Se si verifica l'aerazione, i tiobacilli ossidanti possono partecipare all'ossidazione di HgS per rilasciare uno ione mercurico e uno ione solfato . Alcuni batteri sono anche in grado di scomporre il metilmercurio in metano , CH 4 e mercurio metallico.
Il ferro , simbolo Fe, è uno degli elementi più abbondanti nella crosta terrestre .
Esiste naturalmente in due forme:
Ovviamente si dovrebbe capire che gli ioni Fe 2+ e Fe 3+ non esistono da soli ma all'interno di una molecola Fe 3 O 4 , Fe 2 CO 3, FeS 2 ...
Può anche essere trovato in forma metallica (Fe 0 ) che è il risultato del ferro trasformato dalle attività umane ( ferro e acciaio ), in particolare dalla fusione dei minerali di ferro . Il ferro non rappresenta un reale pericolo per la salute o l'ambiente, tuttavia può causare alcuni inconvenienti di natura estetica o organolettica (ruggine, corrosione, sapore metallico,…).
Ossidazione del ferro ferroso a ferro ferrico Fe 2+ → Fe 3+ + 1 e -Questa ossidazione avviene in condizioni aerobiche. In acqua ben aerata, è il potenziale redox molto positivo imposto dall'ossigeno disciolto nell'acqua che è responsabile dell'ossidazione del ferro ferroso in ferro ferrico. Questo quindi precipita sotto forma di idrossido di ferro, Fe (OH) 3, che è scarsamente solubile. Questo processo di ossidazione / precipitazione consente la rimozione del ferro disciolto negli impianti di trattamento dell'acqua potabile.
Fe 2+ + ossidazione → Fe 3+ + precipitazione → Fe (OH) 3
L'ossidazione è consentita perché il potenziale redox aumenta. Ciò può essere ottenuto mediante semplice aerazione del mezzo, vale a dire che vi è contatto con il diossigeno . L'O 2 costituisce un notevole accettore di elettroni per l'ossidazione spontanea del ferro ferroso. Anzi, è l'unico in grado di effettuare questa ossidazione spontaneamente. La più importante ossidazione batterica del Fe 2+ viene effettuata a pH acido (pH <7) perché in tali condizioni il ferro ferroso è stabile e quindi non si ossida spontaneamente. Questa ossidazione genera pochissima energia ei batteri coinvolti in questa reazione devono ossidare grandi quantità di ferro per la loro crescita. Pertanto, anche un piccolo numero di cellule può essere responsabile della precipitazione di una grande quantità di ferro.
Riduzione del ferro ferrico a ferro ferroso Fe 3+ + 1 e - → Fe 2+Molti organismi possono utilizzare il ferro ferrico come accettore di elettroni. E poiché questo ione è abbondante in natura, la sua riduzione è un'importante forma di respirazione anaerobica. Il ferro ferrico può formare complessi con molti composti organici, il che aumenta la sua solubilità e lo rende nuovamente disponibile come accettore di elettroni per i batteri che riducono il ferro ferrico. Nelle paludi, nei terreni saturi d'acqua e nei sedimenti di laghi anossici, si osserva frequentemente la riduzione del ferro ferrico da parte della materia organica. L'idrossido ferrico precipitato può successivamente interagire con sostanze complessanti organiche di origine vegetale, come gli acidi umici . Il ferro ferrico complessato viene quindi ridotto a ferro ferroso.
Oltre a metalli come il ferro e il manganese , che non sono tossici, esiste una serie di metalli che hanno diversi effetti tossici sui microrganismi e sugli animali omeotermici (organismi il cui ambiente interno mantiene una temperatura costante indipendentemente dalla temperatura. Ambiente esterno). I microrganismi svolgono un ruolo importante nel modificare la tossicità di questi metalli . Esistono tre categorie principali di metalli:
Il ciclo del mercurio è di particolare interesse e illustra molte delle caratteristiche di questi metalli che possono essere metilati. Così, nel sud-ovest del Giappone ha sviluppato una malattia che ha creato gravi disturbi neurologici. Nella baia di Minamata , infatti, il mercurio inorganico accumulato nei sedimenti fangosi è stato metilato da batteri anaerobici del genere Desulfovibrio. Essendo queste forme metilate di mercurio più volatili e solubili, le concentrazioni di mercurio aumentavano nella catena alimentare e venivano poi ingerite dalla popolazione umana attraverso i pesci.
Tuttavia, alcuni microrganismi utilizzati nei cicli dei metalli possono essere tossici per gli esseri viventi come Pseudomonas aeruginosa che scompone il mercurio e può causare: