alt=Iron cycle|300px|thumb|upright=2.5| Željezo cirkuliše kroz atmosferu, litosferu|l i okeane. Označene strelice pokazuju fluks u Tg (=Mt) željeza godišnje. > Željezo u okeanu kruži između planktona, agregiranih čestica (nebioraspoloživo željezo) i rastvorenog (bioraspoloživo željezo), te se zatrpavanjem pretvara u sedimente. Hidrotermalni otvori ispuštaju željezo u okean Pored unosa željeza u okean sa kopnenih izvora. Željezo dospijeva u atmosferu putem vulkanizma, eolska aktivnost, a dio putem sagorijevanja od strane ljudi. U antropocenu, željezo se uklanja iz rudnika u kori, a dio se ponovo odlaže u odlagališta otpada.
Ciklus željeza (Fe) je biogeohemijski ciklus željeza kroz atmosferu, hidrosferu, biosferu i litosferu. Dok je Fe veoma zastupljen u Zemljinoj kori, Manje je uobičajeno u površinskim vodama bogatim kisikom. Željezo je ključni mikronutrijent u primarnoj produktivnosti, i ograničavajući nutrijent u Južnom okeanu, istočnom ekvatorijalnom Pacifiku i subarktičkom Pacifiku koji se naziva Regije s visokim sadržajem nutrijenata i niskim sadržajem hlorofila (HNLC) u okeanu.
Iako željezo može postojati u rasponu oksidacijskih stanja od –2 do +7, na Zemlji se pretežno nalazi u svom redoks stanju +2 ili +3. U prirodi je primarni redoks-aktivni metal. Ciklus željeza između njegovih oksidacijskih stanja +2 i +3 naziva se stvarni ciklus željeza. Ovaj proces može biti u potpunosti abiotski ili olakšan mikroorganizmima, posebno bakterijama koje oksidiraju željezo]. Abiotski procesi uključuju hrđanje metala koje, pored oksidacije metala, uključuje oksidaciju Fe(II) u prisustvu kisika. Druga vrsta abiotskog procesa je redukcija Fe3+ u Fe2+ pomoću sulfidnih minerala. Biološki ciklus Fe2+ posredovan je mikrobima koji oksidiraju i redukuju željezo.Kappler, Andreas; Straub, Kristina L. (2005-01-01). "Geomicrobiological Cycling of Iron". Reviews in Mineralogy and Geochemistry. 59 (1): 85–108. doi:10.2138/rmg.2005.59.5. ISSN 1529-6466.
Željezo je esencijalni mikronutrijent za životne oblike. Ključna je komponenta hemoglobina, važna za fiksaciju dušika kao dio porodice enzima nitrogenaze, a kao dio željezno-sumporne jezgre ferredoksina olakšava transport elektrona u hloroplastima, eukariotskim mitohondrijama i bakterijama. Zbog visoke reaktivnosti Fe2+ s kisikom i niske topljivosti Fe3+, željezo je ograničavajući nutrijent u većini regija svijeta.
Drevna Zemlja
Na ranoj Zemlji, kada su nivoi atmosferskog kisika bili 0,001% onih prisutnih danas, smatralo se da je rastvoreni Fe2+ bio mnogo obilniji u okeanima, a time i bioraspoloživije. Željezo-sulfid je možda obezbijeđivao energiju i površine za prve organizme. Prije početka kisičke fotosinteze, fotoferotrofi su mogli dobijati energiju iz sunčeve svjetlosti i koristiti elektrone iz Fe2+ za fiksiranje ugljik-dioksida.
Tokom Velikog oksidacijskog događaja, prije 2,3-2,5 milijarde godina, rastvoreno željezo je oksidirano kisikom koji proizvode cijanobakterije, formirajući željezne okside. Željezo-oksidi su bili gušći od vode i padali su na dno okeana formirajući trakaste željezne formacije (BIF). Vremenom, rastući nivoi kisika uklanjali su sve veće količine željeza iz okeana. BIF-ovi su bili ključni izvor željezne rude u moderno doba.
Kopneni ekosistemi Ciklus željeza je važna komponenta kopnenih ekosistema. Željezni oblik Fe2+, dominantan je u Zemljinom plaštu, jezgru ili dubokoj kori. Željezni oblik, Fe3+, stabilniji je u prisustvu kisika.. Prašina je ključna komponenta u ciklusu željeza na Zemlji. Hemijsko i biološko trošenje razgrađuje minerale koji sadrže željezo, oslobađajući hranjive tvari u atmosferu. Promjene u hidrološkom ciklusu i vegetacijskom pokrivaču utiču na ove obrasce i imaju veliki utjecaj na globalnu proizvodnju prašine, s procjenama taloženja prašine u rasponu od 1000 do 2000 Tg/godišnje. Eolska prašina je ključni dio ciklusa željeza, prenoseći čestice željeza sa Zemljinog kopna preko atmosfere do okeana. thumb| Ilustracija uticaja vulkana na ciklus željeza. Vulkanske erupcije također doprinose zemaljskom ciklusu željeza, ispuštajući prašinu bogatu željezom u atmosferu. bilo u velikom naletu ili u manjim naletima tokom vremena. Međutim, raspodjela vulkanskog pepela je neravnomjerna po okeanima i zavisi od zone subdukcije. Na višim temperaturama unutar vulkanskog eruptivnog oblaka, međudjelovanje čestica vulkanskog pepela i magmatskih plinova može odrediti topljivost željeza. Atmosferski transport prašine bogate željezom može utjecati na koncentracije u okeanu, povećavajući produktivnost morskih ekosistema podstičući rast fitoplanktona, povećavajući unos ugljika, kao i razmjenu CO2 između okeana i atmosfere.
Okeanski ekosistem Okean je ključna komponenta Zemljinog klimatskog sistema, a ciklus željeza igra ključnu ulogu u primarnoj produktivnosti okeana i funkciji morskog ekosistema. Poznato je da ograničenje željeza ograničava efikasnost biološke pumpe ugljika. Ograničenje željeza je glavni faktor koji kontroliše rast fitoplanktona, posebno u regijama s visokim sadržajem hranjivih tvari i niskim sadržajem hlorofila (HNLC), gdje dostupnost željeza ograničava biološku produktivnost uprkos obilnim makronutrijentima. Povećano antropogeno taloženje željeza promijenilo je primarnu morsku proizvodnju, posebno stimulirajući fiksaciju dušika u suptropskim regijama i utičući na strukturu fitoplanktonske zajednice. Najveći izvor željeza u okeanima dolazi iz rijeka, gdje se ono suspenduje kao sedimentne čestice. Obalne vode primaju željezo iz rijeka i anoksijskih sedimenata. Drugi glavni izvori željeza u okean uključuju glacijalne čestice, transport atmosferske prašine i hidrotermalne otvore. Opskrba željezom je važan faktor koji utiče na rast fitoplanktona, osnove morskog lanca ishrane. Regije na otvorenom moru oslanjaju se na taloženje atmosferske prašine i uzlazne valove. Drugi glavni izvori željeza u okean uključuju glacijalne čestice, hidrotermalne otvore i vulkanski pepeo. U regijama na otvorenom moru, bakterije se također takmiče s fitoplanktonom za unos željeza. U regijama s visokim NLC-om, željezo ograničava produktivnost fitoplanktona.
Najčešće je željezo bilo dostupno kao neorganski izvor fitoplanktonu; međutim, organske oblike željeza mogu koristiti i specifične dijatomeje, koje koriste proces mehanizma površinske reduktaze. thumb|upright=2|
Uloga morskih životinja u kruženju željeza Unos željeza od strane fitoplanktona dovodi do izuzetno niskih koncentracija željeza u površinskoj morskoj vodi, jer se željezo brzo koristi u biološkim procesima. Neorgansko željezo je najčešći oblik dostupan fitoplanktonu, ali određene dijatomeje također mogu pristupiti organskom željezu putem mehanizama površinske reduktaze. Remineralizacija se javlja kada zooplankton i bakterije razgrađuju fitoplankton koji tone. Uzlazno strujanje reciklira željezo i uzrokuje veće koncentracije željeza u dubokoj vodi. U prosjeku se na površini (<200 m) nalazi 0,07±0,04 nmol Fe kg−1, a na dubini (>500 m) 0,76±0,25 nmol Fe kg−1. Stoga, zone uzlaznog strujanja sadrže više željeza od drugih područja površinskih okeana. Rastvorljivo željezo u obliku željeza je biodostupno za korištenje, a obično dolazi iz eolskih resursa.
Željezo prvenstveno postoji u čestičnoj fazi kao željezo (feri), a rastvorena frakcija se brzo uklanja iz vodenog stupca koagulacijom. Posljedično, zaliha rastvorenog željeza ima vrijeme obrta od približno 100 godina. Dostupnost rastvorljivog željeza iz eolskih izvora posebno je važna za održavanje biološke aktivnosti u regijama s ograničenim sadržajem željeza. Kako antropogene aktivnosti nastavljaju mijenjati obrasce taloženja željeza, ravnoteža morskih biogeohemijskih ciklusa može se promijeniti, s potencijalnim posljedicama po globalnu sekvestraciju ugljika i dinamiku morskog ekosistema.
Interakcije s ostalim elementarnim ciklusima thumb|upright=2.2| LS, jaki ligand koji veže željezo; LW, slabi ligand koji veže željezo; FeLS, željezo kompleksirano jakom vezom željeza ligand; FeLw, željezo kompleksirano slabim ligandom koji veže željezo; Fe(II), zbir svih Fe(II) vrsta; Fe′, zbir svih neorganskih Fe(III) vrsta; Fecol, koloidne vrste željeza; Fepart, željezo u čestičnoj fazi; hv, fluks fotona; O2, rastvoreni kisik; i H2O2, rastvoreni vodik-peroksid.
Ciklus željeza značajno interaguje sa ciklusima sumpora, dušika i fosfora. Rastvorljivi Fe(II) može djelovati kao donor elektrona, redukujući oksidirane organske i neorganske receptore elektrona, uključujući O2 i NO3, a oksidira se u Fe(III). Oksidirani oblik željeza tada može biti akceptor elektrona za reducirani sumpor, H2 i organske ugljične spojeve . Ovo vraća željezo u reducirano Fe(II) stanje, čime se ciklus završava. Prelazak željeza između Fe(II) i Fe(III) u vodenim sistemima interaguje sa slatkovodnim ciklusom fosfora. S kisikom u vodi, Fe(II) se oksidira u Fe(III), bilo abiotski ili mikrobima putem litotrofne oksidacije. Fe(III) može formirati željezne hidrokside, koji se čvrsto vežu za fosfor, uklanjajući ga iz bioraspoloživog fonda fosfora, ograničavajući primarnu produktivnost. U anoksijskim uslovima, Fe(III) se može reducirati, a mikrobi ga mogu koristiti kao konačni akceptor elektrona iz organskog ugljika ili H2. Ovo oslobađa fosfor nazad u vodu za biološku upotrebu.
Željezo i ciklus sumpora mogu stupiti u interakciju na nekoliko mjesta. Ljubičaste sumporne bakterije i zelene sumporne bakterije mogu koristiti Fe(II) kao donor elektrona tokom anoksijske fotosinteze. Bakterije koje redukuju sulfate u anoksičnim okruženjima mogu reducirati sulfat do sulfida, koji se zatim veže za Fe(II) stvarajući željezni sulfid, čvrsti mineral koji se taloži iz vode i uklanja željezo i sumpor. Ciklusi željeza, fosfata i sumpora mogu međusobno djelovati. Sulfid može reducirati Fe(III) iz željeza koje je već vezano za fosfat kada više nema dostupnih metalnih iona, što oslobađa fosfat i stvara željezo-sulfid.
Željezo igra važnu ulogu u ciklusu dušika, pored svoje uloge kao dijela enzima uključenih u fiksaciju dušika. U anoksičnim uvjetima, Fe(II) može donirati elektron koji prihvata NO3−, koji se oksidira u nekoliko različitih oblika dušikovih spojeva, NO2−, N2O, N2i NH4+, dok se Fe(II) reducira do Fe(III)).
Bakterijski uticaji Bakterije utiču na ciklus željeza izvođenjem redoks reakcija na slobodnom željezu u svom okruženju. Ove reakcije se mogu odvijati ili unutar ćelije putem željezo-oksidirajućih bakterija ili izvan ćelije putem vanćelijskog transfera elektrona.
Željezo- oksidirajuće bakterije imaju važnu ulogu u ciklusu željeza, pretvarajući rastvorljivo fero-željezol, Fe(II), u nerastvorljivo Fe(III). Željezo- oksidirajuće bakterije mogu biti i autotrofne i heterotrofne i najrasprostranjenije su u deoksigeniranim okruženjima jer nedostatak kisika pogoduje organizmima s drugačijim konačnim akceptorom elektrona. Primjeri bakterija koje oksidiraju željezo uključuju Acidithiobacillus ferrooxidans, Gallionella ferruginea i Rhodopseudomonas spp.''. Posljedice dječpvanja željezo-oksidirajućih bakterija su da postoji manja koncentracija rastvorljivog željeza u okolišu. To dovodi do manjeg rasta biljaka, promjene boje potoka i smanjene sekvestracije slobodnih fosfornih iona. thumb|Mikroskopska slika Shewanella oneidensis