วัฏจักรไฮโดรเจนประกอบด้วย การแลกเปลี่ยน ไฮโดรเจนระหว่างแหล่งกำเนิดและแหล่งดูดซับสารประกอบที่มีไฮโดรเจนซึ่ง เป็นสิ่งมีชีวิต ( biotic ) และสิ่งไม่มีชีวิต ( abiotic )

ไฮโดรเจน (H) เป็นธาตุที่มีมากที่สุดในจักรวาล^{[ 1 ]}บนโลก โมเลกุลอนินทรีย์ที่มี H เป็นองค์ประกอบทั่วไป ได้แก่ น้ำ (H ₂ O) ก๊าซไฮโดรเจน (H ₂ ) ไฮโดรเจนซัลไฟด์ (H ₂ S) และแอมโมเนีย (NH ₃ ) สารประกอบอินทรีย์หลายชนิดก็มีอะตอม H เป็นองค์ประกอบเช่นกัน เช่นไฮโดรคาร์บอนและสารอินทรีย์เนื่องจากอะตอมไฮโดรเจนมีอยู่ทั่วไปในสารประกอบเคมีอนินทรีย์และอินทรีย์ วัฏจักรไฮโดรเจนจึงมุ่งเน้นไปที่โมเลกุลไฮโดรเจนH ₂

ผลจากการเผาผลาญของจุลินทรีย์หรือปฏิสัมพันธ์ระหว่างหินกับน้ำที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ สามารถสร้างก๊าซไฮโดรเจนได้ จากนั้นแบคทีเรียอื่นๆ อาจบริโภค H2 อิสระ ซึ่งอาจถูกออกซิไดซ์ด้วยปฏิกิริยาเคมีแสงในชั้นบรรยากาศหรือสูญเสียไปในอวกาศ นอกจากนี้ยังเชื่อกันว่าไฮโดรเจนเป็นสารตั้งต้นที่สำคัญในเคมีก่อนกำเนิดสิ่งมีชีวิตและวิวัฒนาการช่วงแรกของสิ่งมีชีวิตบนโลก และอาจรวมถึงที่อื่นๆ ในระบบสุริยะด้วย^{[ 2 ]}

แหล่งกำเนิดก๊าซไฮโดรเจนที่ไม่ใช่สิ่งมีชีวิต ได้แก่ ปฏิกิริยาระหว่างน้ำกับหินและปฏิกิริยาทางเคมีแสงปฏิกิริยาการเกิดเซอร์เพนติไนเซชันแบบคายความร้อนระหว่างน้ำกับแร่โอลิวีนจะปลดปล่อย H2 ออกมา_ในใต้ทะเลหรือบนบก^{[ 3 ] [ 4 ]}ในมหาสมุทร ปล่องไฮโดรเทอร์มอลจะปะทุแมกมาและของเหลวน้ำทะเลที่เปลี่ยนแปลงไป รวมถึง H2 จำนวนมาก ขึ้น_อยู่กับสภาวะอุณหภูมิและองค์ประกอบของหิน^{[ 5 ] [ 4 ]}ไฮโดรเจนโมเลกุลยังสามารถผลิตได้ผ่านปฏิกิริยาออกซิเดชันด้วยแสง (ผ่านรังสี UV จากแสงอาทิตย์ ) ของแร่บางชนิด เช่นไซเดอไรต์ ในสภาพแวดล้อมที่เป็นน้ำปราศจากออกซิเจน กระบวนการนี้อาจเป็นกระบวนการสำคัญในบริเวณตอนบนของมหาสมุทร อาร์เคียนในยุคแรกของโลก^{[ 6 ]}

เนื่องจาก H2 _เป็นธาตุที่เบาที่สุด H2 ในชั้นบรรยากาศจึง_{สามารถ}สูญเสียไปในอวกาศได้ง่ายผ่าน กระบวนการ หลบหนีของ Jeansซึ่งเป็นกระบวนการที่ไม่สามารถย้อนกลับได้และเป็นสาเหตุให้มวลสุทธิของโลกลดลง [ ^{7 ] การ}สลายตัวด้วยแสงของสารประกอบที่หนักกว่าซึ่งไม่ค่อยหลุดออกไป เช่น CH4 _หรือ H2O _ก็สามารถปลดปล่อย H2 _{จาก ชั้นบรรยากาศชั้นบนและมีส่วนช่วยในกระบวนการนี้ได้เช่นกัน แหล่งกำจัด H2}ในชั้นบรรยากาศอิสระที่สำคัญอีกแหล่งหนึ่งคือการออกซิเดชันด้วยแสงโดย อนุมูลไฮดรอก ซิล (•OH) ซึ่งก่อให้เกิดน้ำ

แหล่งดูดซับไฮโดรเจนที่เกิดจากกิจกรรมของมนุษย์_{ได้แก่} การ ผลิต เชื้อเพลิงสังเคราะห์ผ่าน ปฏิกิริยา ฟิชเชอร์-โทรปช์และการตรึงไนโตรเจนเทียมผ่านกระบวนการฮาเบอร์-บอชเพื่อผลิตปุ๋ย ไนโตรเจน

กระบวนการเผาผลาญของจุลินทรีย์จำนวนมาก สร้าง หรือบริโภค_H2

ไฮโดรเจนถูกผลิตขึ้นโดย เอนไซม์ ไฮโดรจีเนสและไนโตรจีเนสในจุลินทรีย์หลายชนิด ซึ่งบางชนิดกำลังได้รับการศึกษาถึงศักยภาพในการผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพ^{[ 8 ] [ 9 ]} _{เอนไซม์ที่ย่อยสลาย H2}เหล่านี้พบได้ในสิ่งมีชีวิตทั้งสามโดเมนและจากจีโนมที่รู้จักมากกว่า 30% ของกลุ่มจุลินทรีย์มีจีนไฮโดรจีเนส^{[ 10 ]}การหมักผลิต H2 _จากสารอินทรีย์ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของห่วงโซ่อาหารจุลินทรีย์แบบไม่ใช้ออกซิเจน^{[ 11 ]}ผ่านทางเส้นทางที่ขึ้นอยู่กับแสงหรือไม่ขึ้นอยู่กับแสง^{[ 8 ]}

การดูดซับทางชีวภาพของดินเป็นแหล่งดูดซับหลักของ H2 ในบรรยากาศ_[ ^{12 ] ทั้ง}กระบวนการ เผาผลาญ ของจุลินทรีย์แบบใช้ออกซิเจนและไม่ใช้ออกซิเจนต่าง ก็ใช้ H2 _โดยการออกซิไดซ์เพื่อลดสารประกอบอื่นๆ ในระหว่างการหายใจ การออกซิเดชันของ _H2แบบใช้ออกซิเจนเรียกว่าปฏิกิริยาKnallgas ^{[ 13 ]}

การออกซิเดชัน ของไฮโดรเจน_แบบ ไม่ใช้ออกซิเจน มักเกิดขึ้นระหว่างการถ่ายโอนไฮโดรเจนระหว่างสายพันธุ์โดยไฮโดรเจน_ที่ผลิตขึ้นระหว่างการหมักจะถูกถ่ายโอนไปยังสิ่งมีชีวิตอื่น ซึ่งจะใช้ไฮโดรเจนนั้น_ในการรีดิวซ์คาร์บอนไดออกไซด์ให้กลาย_เป็นมีเทน_หรืออะซิเตตและซัลเฟต²⁻ ₄ไปยัง H ₂ S หรือ Fe ³⁺ไปยัง Fe ²⁺การถ่ายโอนไฮโดรเจนระหว่างสายพันธุ์ทำให้ความเข้มข้นของ H ₂อยู่ในระดับต่ำมากในสภาพแวดล้อมส่วนใหญ่ เนื่องจากกระบวนการหมักจะไม่เอื้ออำนวยทางอุณหพลศาสตร์ มากขึ้นเมื่อ ความดันย่อยของ H ₂เพิ่มขึ้น^{[ 11 ]}

โดยทั่วไปไฮโดรเจนทำหน้าที่เป็น ผู้ ให้อิเล็กตรอน^{[ 14 ]}คุณสมบัตินี้มีผลต่อเคมีบรรยากาศ โลก ซึ่งอาจทำให้การเสื่อมสภาพช้าลงและเพิ่มปริมาณของก๊าซเรือนกระจกทำให้ไฮโดรเจนเป็นก๊าซเรือนกระจกทางอ้อม^{[ 15 ]}ตัวอย่างเช่น H ₂สามารถขัดขวางการกำจัดมีเทน ออก จากชั้นบรรยากาศได้ โดยทั่วไป CH ₄ ในชั้นบรรยากาศ จะถูกออกซิไดซ์โดย อนุมูลไฮดรอก ซิล ( ^• OH) แต่ H ₂ยังสามารถทำปฏิกิริยากับ^• OH เพื่อลดให้เป็น H ₂ O ได้อีกด้วย ^{[ 16 ]}

CH ₄ + ^• OH → ^• CH ₃ + H ₂ O

H ₂ + ^• OH → H ^• + H ₂ O

ไฮโดรเทอร์มอล H ₂อาจมีบทบาทสำคัญในเคมีก่อนกำเนิดสิ่งมีชีวิต [ ^{17 ] การ}ปลดปล่อย H ₂โดยเซอร์เพนติไนเซชันอาจสนับสนุนการก่อตัวของสารตั้งต้นที่เสนอไว้ในสมมติฐานกำเนิดชีวิต ใน โลกเหล็ก-กำมะถัน^{[ 18 ]}วิวัฒนาการต่อมาของเมทาโนเจเนซิสแบบไฮโดรโทร ฟิก ถูกตั้งสมมติฐานว่าเป็นหนึ่งในกระบวนการเผาผลาญ ที่เก่าแก่ที่สุด บนโลก^{[ 19 ] [ 2 ]}

กระบวนการ เซอร์เพนติไนเซชันสามารถเกิดขึ้นได้บนวัตถุดาวเคราะห์ ใดๆ ที่มี องค์ประกอบแบบ คอนไดรต์การค้นพบ H2 _บนโลกมหาสมุทร อื่นๆ เช่นเอนเซลาดัส [ ^{20 ] [ 21 ] [ 22 ]}ชี้ให้เห็นว่ากระบวนการที่คล้ายกันนี้กำลังดำเนินอยู่ ณ ที่อื่นๆ ในระบบสุริยะและอาจเกิดขึ้นในระบบดาวเคราะห์อื่นๆ^ด้วยเช่นกัน^{[ 13 ]}

• วัฏจักรทางชีวธรณีเคมี
• วัฏจักรคาร์บอน
• ไฮโดรเจน
• มีเทน
• เซอร์เพนติไนเซชัน
• การถ่ายโอนไฮโดรเจนระหว่างสายพันธุ์
• การหมัก
• ปล่องไฮโดรเทอร์มอล
• วัฏจักรของน้ำ
• โครงการสำรวจโลกมหาสมุทร