O ciclo da sílica é o ciclo biogeoquímico no qual a sílica biogênica é transportada entre os sistemas da Terra. O silício é um dos elementos mais abundantes na Terra e é considerado necessário para a vida. O ciclo da sílica apresenta significativa sobreposição com o ciclo do carbono (ver ciclo carbonato-silicato) e desempenha um papel importante no sequestro de carbono por meio do intemperismo continental, exportação biogênica e soterramento como sedimentos siliciosos em escalas de tempo geológicas.
Visão geral
O silício é o oitavo elemento mais abundante no universo e o segundo mais abundante na crosta terrestre (o mais abundante é o oxigênio). O intemperismo da crosta terrestre por água da chuva rica em dióxido de carbono é um processo chave no controle do dióxido de carbono atmosférico. Esse processo resulta na geração de ácido silícico em ambientes aquosos. O ácido silícico, Si(OH)4, é uma forma hidratada de sílica encontrada apenas como uma solução instável em água, mas desempenha um papel central no ciclo da sílica.
Silicificadores são organismos que utilizam ácido silícico para precipitar sílica biogênica, SiO2. A sílica biogênica, também chamada de opala, é precipitada por silicificadores como estruturas internas e/ou externas. Silicificadores estão entre os organismos aquáticos mais importantes. Eles incluem microrganismos como diatomáceas, rizários, silicoflagelados e várias espécies de coanoflagelados, além de macrorganismos como . Silicificadores , como diatomáceas, consomem globalmente grandes quantidades de silício, juntamente com nitrogênio (N), fósforo (P) e carbono inorgânico (C), conectando a biogeoquímica desses elementos e contribuindo para o sequestro de dióxido de carbono atmosférico no oceano. Organismos heterotróficos, como rizários, coanoflagelados e esponjas, produzem sílica biogênica independentemente do processamento fotoautotrófico de C e N.
As diatomáceas dominam a fixação e exportação de material particulado no ciclo marinho contemporâneo da sílica. Isso inclui a exportação de carbono orgânico da zona eufótica para o oceano profundo por meio da bomba biológica de carbono. Como resultado, diatomáceas e outros organismos secretores de sílica desempenham papéis cruciais no ciclo global do carbono, sequestrando carbono no oceano. A conexão entre a sílica biogênica e o carbono orgânico, juntamente com o potencial de preservação significativamente maior dos compostos siliciosos biogênicos em comparação com o carbono orgânico, torna os registros de acumulação de opala de interesse em paleoceanografia e paleoclimatologia.
Compreender o ciclo da sílica é importante para entender o funcionamento das cadeias alimentares marinhas, ciclos biogeoquímicos e a bomba biológica. O ácido silícico é fornecido ao oceano por seis vias, como ilustrado no diagrama acima, todas derivadas, em última análise, do intemperismo da crosta terrestre.
Ciclo da sílica terrestre A sílica é um nutriente importante utilizado por plantas, árvores e gramíneas na biosfera terrestre. O silicato é transportado por rios e pode ser depositado em solos na forma de vários polimorfos siliciosos. As plantas podem absorver silicato na forma de H4SiO4 para a formação de fitólitos. Os fitólitos são estruturas rígidas minúsculas encontradas dentro das células vegetais que auxiliam na integridade estrutural da planta. Os fitólitos também protegem as plantas do consumo por herbívoros, que não conseguem consumir e digerir eficientemente plantas ricas em sílica. A liberação de sílica pela degradação ou dissolução de fitólitos é estimada em uma taxa dupla em relação ao intemperismo global de minerais de silicato. Considerando o ciclo biogeoquímico dentro dos ecossistemas, a importação e exportação de sílica para e a partir de ecossistemas terrestres é pequena.
Intemperismo Os minerais de silicato são abundantes em formações rochosas em todo o planeta, compreendendo aproximadamente 90% da crosta terrestre. A principal fonte de silicato para a biosfera terrestre é o intemperismo. O processo e a taxa de intemperismo são variáveis, dependendo da precipitação, escoamento, vegetação, litologia e topografia.
Com tempo suficiente, a água da chuva pode dissolver até mesmo um mineral à base de silicato altamente resistente, como o quartzo. A água quebra as ligações entre os átomos no cristal:
A reação geral para a dissolução do quartzo resulta em ácido silícico:
SiO2 + 2H2O -> H4SiO4
Outro exemplo de mineral à base de silicato é a enstatita (MgSiO3). A água da chuva intemperiza isso em ácido silícico da seguinte forma:
MgSiO3(s) + 2CO2(g) + H2O(l) = Mg2+(aq) + 2HCO3- (aq) + SiO2(aq)
Intemperismo reverso Nos últimos anos, o efeito do sobre a sílica biogênica tem sido de interesse na quantificação do ciclo da sílica. Durante o intemperismo, a sílica dissolvida é entregue aos oceanos por meio do escoamento glacial e entradas fluviais. Essa sílica dissolvida é absorvida por diversos organismos marinhos, como diatomáceas, e usada para criar conchas protetoras. Quando esses organismos morrem, eles afundam através da coluna de água. Sem a produção ativa de SiO2 biogênico, o mineral começa a diagênese. A conversão dessa sílica dissolvida em argilas de silicato por meio do processo de intemperismo reverso constitui a remoção de 20-25% da entrada de silício.
O intemperismo reverso é frequentemente encontrado em deltas fluviais, pois esses sistemas apresentam altas taxas de acumulação de sedimentos e são observados sofrendo rápida diagênese. A formação de argilas de silicato remove a sílica reativa das águas intersticiais dos sedimentos, aumentando a concentração de sílica nas rochas que se formam nesses locais.
O intemperismo de silicatos também parece ser um processo dominante em sedimentos metanogênicos mais profundos, enquanto o intemperismo reverso é mais comum em sedimentos de superfície, mas ocorre em uma taxa menor.
Sumidouros O principal sumidouro do ciclo da sílica terrestre é a exportação para o oceano por rios. A sílica armazenada em matéria vegetal ou dissolvida pode ser exportada para o oceano por rios. A taxa desse transporte é de aproximadamente 6 Tmol Si/ano. Esse é o principal sumidouro do ciclo da sílica terrestre, bem como a maior fonte do ciclo da sílica marinha. Um sumidouro menor para a sílica terrestre é o silicato depositado em sedimentos terrestres e eventualmente exportado para a crosta terrestre.
Entradas marinhas Fluvias Até 2021, a melhor estimativa do total de entrada fluvial de ácido silícico é de 6,2 (±1,8) Tmol Si/ano. Isso é baseado em dados que representam 60% da descarga fluvial mundial e uma concentração média ponderada de ácido silícico fluvial de 158 μM−Si. No entanto, o ácido silícico não é a única forma pela qual o silício pode ser transferido de sistemas terrestres para fluviais, já que o silício particulado também pode ser mobilizado em formas cristalizadas ou amorfas. De acordo com Saccone e outros em 2007, o termo "sílica amorfa" inclui sílica biogênica (de fitólitos, diatomáceas de água doce, espículas de esponjas), sílica biogênica alterada e silicatos pedogênicos, os quais podem ter solubilidades e reatividades similares. A entrega de sílica amorfa ao sistema fluvial foi revisada por Frings e outros em 2016, que sugeriram um valor de 1,9 (±1,0) Tmol Si/ano. Portanto, a entrada fluvial total é de 8,1 (±2,0) Tmol Si/ano.
Eólica Nenhum progresso foi feito em relação à deposição de poeira eólica no oceanoTegen, I. e Kohfeld, K. E. (2006) "Atmospheric Transport of Silicon". In: The Silicon Cycle: Human Perturbations and Impacts on Aquatic Systems, editado por: Ittekot, V., Unger, D., Humborg, C., e Tac An, N. T., 7: 81–91, Island Press. e subsequente liberação de ácido silícico por meio da dissolução de poeira na água do mar desde 2013, quando Tréguer e De La Rocha somaram o fluxo de sílica dissolvível particulada e a deposição úmida de ácido silícico por precipitação. Assim, a melhor estimativa para o fluxo eólico de ácido silícico, FA, permanece em 0,5 (±0,5) Tmol Si/ano.
Praias arenosas Um estudo de 2019 propôs que, na zona de surfe das praias, a ação das ondas perturba grãos de areia abióticos e os dissolve ao longo do tempo. Para testar isso, os pesquisadores colocaram amostras de areia em recipientes fechados com diferentes tipos de água e giraram os recipientes para simular a ação das ondas. Eles descobriram que quanto maior a proporção rocha/água dentro do recipiente e mais rápido o recipiente girava, mais sílica se dissolvia na solução. Após analisar e escalonar seus resultados, eles estimaram que entre 3,2 ± 1,0 – 5,0 ± 2,0 Tmol Si/ano de DSi litogênico poderiam entrar no oceano a partir de praias arenosas, um aumento significativo em relação a uma estimativa anterior de 0,3 Tmol Si/ano.Wollast, R., & Mackenzie, F.T. (1983). "Global Cycle of Silica". In S.R. Aston (Ed.), Silicon Geochemistry and Biogeochemistry, Academic Press, páginas 39–76. Se confirmado, isso representa uma entrada significativa de LSi dissolvido que foi previamente ignorada.
Ciclo da sílica marinha
Organismos siliciosos no oceano, como diatomáceas e radiolários, são o principal sumidouro de ácido silícico dissolvido em sílica de opala. Apenas 3% das moléculas de Si dissolvidas no oceano são exportadas e depositadas permanentemente em sedimentos marinhos no fundo do mar a cada ano, demonstrando que a reciclagem do silício é um processo dominante nos oceanos. Essa rápida reciclagem depende da dissolução de sílica em matéria orgânica na coluna de água, seguida pela absorção biológica na zona fótica. O tempo de residência estimado do reservatório biológico de sílica é de cerca de 400 anos. A sílica de opala é predominantemente subssaturada nos oceanos mundiais. Essa subssaturação promove uma rápida dissolução como resultado de reciclagem constante e longos tempos de residência. O tempo de renovação estimado do Si é de 1,5x104 anos. As entradas e saídas líquidas totais de sílica no oceano são de 9,4 ± 4,7 Tmol Si/ano e 9,9 ± 7,3 Tmol Si/ano, respectivamente.
A produção de sílica biogênica na zona fótica é estimada em 240 ± 40 Tmol Si/ano. A dissolução na superfície remove cerca de 135 Tmol Si/ano enquanto o Si restante é exportado para o oceano profundo dentro de partículas que afundam. No oceano profundo, outros 26,2 Tmol Si/ano são dissolvidos antes de serem depositados nos sedimentos como chuva de opala. Mais de 90% da sílica aqui é dissolvida, reciclada e eventualmente refluída para uso novamente na zona eufótica.
Fontes As principais fontes de sílica marinha incluem rios, fluxo de águas subterrâneas, entradas de intemperismo do fundo do mar, fontes hidrotermais e deposição atmosférica (fluxo eólico). Os rios são, de longe, a maior fonte de sílica para o ambiente marinho, respondendo por até 90% de toda a sílica entregue ao oceano. Uma fonte de sílica para o ciclo biológico da sílica marinha é a sílica reciclada por ressurgência do oceano profundo e do fundo do mar.
O diagrama sobre processos de baixa temperatura mostra como esses podem controlar a dissolução de minerais siliciosos (seja amorfos ou cristalizados) na água do mar e na zona costeira e no oceano profundo, alimentando a água subterrânea submarina (FGW) e o silício dissolvido na água do mar e sedimentos (FW). Esses processos correspondem a fluxos de energia baixa e média dissipada por volume de uma partícula siliciosa na zona costeira, nas margens continentais e nas zonas abissais, e a fluxos de alta energia dissipada na zona de surfe.
Sumidouros