stringtranslate.com

Редокс-градиент

Изображение распространенных окислительно-восстановительных реакций в окружающей среде. Адаптировано на основе рисунков Чжана [1] и Горного. [2] Редокс-пары указаны красным: окислитель (акцептор электронов) и черный восстановитель (донор электронов).
Относительная энергетическая выгодность окислительно-восстановительных реакций в морских отложениях. Начальные точки стрелок указывают на энергию, связанную с полуклеточной реакцией. Длина стрелок указывает на оценку свободной энергии Гибба (ΔG) для реакции, где более высокое ΔG является более энергетически выгодным (Адаптировано из Libes, 2011). [3]

Окислительно -восстановительный градиент — это серия окислительно-восстановительных ( окислительно-восстановительных ) реакций, отсортированных по окислительно-восстановительному потенциалу . [4] [5] Окислительно-восстановительная лестница отображает порядок, в котором происходят окислительно-восстановительные реакции, на основе свободной энергии, полученной от окислительно-восстановительных пар. [4] [5] [6] Эти окислительно-восстановительные градиенты формируются как в пространстве, так и во времени в результате различий в микробных процессах, химическом составе окружающей среды и окислительном потенциале. [5] [4] Обычными средами, где существуют окислительно-восстановительные градиенты, являются прибрежные болота , озера , шлейфы загрязняющих веществ и почвы . [1] [4] [5] [6]

Земля имеет глобальный окислительно-восстановительный градиент с окислительной средой на поверхности и все более восстанавливающими условиями под поверхностью . [4] Градиенты окислительно-восстановительного потенциала обычно понимаются на макроуровне, но характеристика окислительно-восстановительных реакций в гетерогенных средах на микроуровне требует дальнейших исследований и более сложных методов измерения. [5] [1] [7] [6]

Измерение окислительно-восстановительных условий

Окислительно-восстановительные условия измеряются по окислительно-восстановительному потенциалу (E h ) в вольтах, который представляет собой тенденцию перехода электронов от донора электронов к акцептору электронов . E h можно рассчитать с помощью полуреакций и уравнения Нернста . [1] Нулевой E h представляет собой окислительно-восстановительную пару стандартного водородного электрода H + /H 2, [8] положительный E h указывает на окислительную среду (электроны будут приниматься), а отрицательный E h указывает на восстановительную среду. (электроны будут пожертвованы). [1] В окислительно-восстановительном градиенте наиболее энергетически выгодная химическая реакция происходит на «верху» окислительно-восстановительной лестницы, а наименее энергетически выгодная реакция происходит на «низу» лестницы. [1]

E h можно измерить путем сбора образцов в полевых условиях и проведения анализов в лаборатории или путем введения электрода в окружающую среду для проведения измерений на месте. [6] [5] [1] Типичными средами для измерения окислительно-восстановительного потенциала являются водоемы, почвы и отложения, которые могут демонстрировать высокий уровень гетерогенности. [5] [1] Сбор большого количества образцов может обеспечить высокое пространственное разрешение, но за счет низкого временного разрешения, поскольку образцы отражают только единичный снимок во времени. [8] [1] [5] Мониторинг на месте может обеспечить высокое временное разрешение за счет сбора непрерывных измерений в реальном времени, но низкое пространственное разрешение, поскольку электрод находится в фиксированном месте. [1] [5]

Редокс-свойства также можно отслеживать с высоким пространственным и временным разрешением с помощью визуализации индуцированной поляризации , однако необходимы дальнейшие исследования, чтобы полностью понять вклад окислительно-восстановительных частиц в поляризацию. [6]

Условия окружающей среды

Редокс-градиенты обычно обнаруживаются в окружающей среде как функция пространства и времени, [9] [8], особенно в почве и водной среде. [8] [6] Градиенты вызваны различными физико-химическими свойствами, включая наличие кислорода, гидрологию почвы, присутствие химических веществ и микробные процессы. [1] [4] [9] [8] Конкретные среды, которые обычно характеризуются окислительно-восстановительными градиентами, включают заболоченные почвы , водно-болотные угодья , [8] шлейфы загрязняющих веществ, [9] [4] и морские пелагические и гемипелагические отложения. [4]

Ниже приводится список распространенных реакций, происходящих в окружающей среде, в порядке от окислительных к восстановительным (в скобках указаны организмы, осуществляющие реакцию): [1]

  1. Аэробное дыхание (аэробы: аэробные организмы )
  2. Денитрификация (денитрификаторы: денитрифицирующие бактерии )
  3. Восстановление марганца (Редукторы марганца)
  4. Восстановление железа (редукторы железа: железоредуцирующие бактерии )
  5. Сульфатредукция (сульфатредукторы: сероредуцирующие бактерии )
  6. Метаногенез ( метаногены )

Водная среда

Редокс-градиенты формируются в толщах воды и их осадках. Различные уровни кислорода (кислородный, субоксический, гипоксический ) в толще воды изменяют окислительно-восстановительный химический состав и возможные окислительно-восстановительные реакции. [10] Развитие зон минимума кислорода также способствует формированию окислительно-восстановительных градиентов.

Бентосные отложения демонстрируют окислительно-восстановительные градиенты, вызванные изменениями минерального состава, наличия органических веществ, структуры и динамики сорбции. [5] Ограниченный транспорт растворенных электронов через подземные отложения в сочетании с разным размером пор отложений создает значительную гетерогенность в донных отложениях. [5] Доступность кислорода в отложениях определяет, какие пути микробного дыхания могут возникать, что приводит к вертикальной стратификации окислительно-восстановительных процессов, поскольку доступность кислорода уменьшается с глубиной. [5]

Земная среда

E h почвы также во многом зависит от гидрологических условий. [1] [8] [6] В случае наводнения насыщенные почвы могут перейти из кислородного состояния в бескислородное, создавая восстановительную среду, поскольку доминируют анаэробные микробные процессы. [1] [8] Кроме того, в порах почвы могут образовываться небольшие бескислородные горячие точки, создавая восстановительные условия. [6] Со временем стартовая E h почвы может восстановиться по мере оттока воды и высыхания почвы. [1] [8] Почвы с окислительно-восстановительными градиентами, образованными восходящими грунтовыми водами, классифицируются как глеесоли , а почвы с градиентами, образованными застойной водой, классифицируются как стагносоли и планосоли .

E h почвы обычно находится в диапазоне от −300 до +900 мВ. [8] В таблице ниже приведены типичные значения E h для различных почвенных условий: [1] [8]

Общепринятые пределы E h , переносимые растениями, составляют +300 мВ < E h < +700 мВ. [8] 300 мВ — это граничное значение, отделяющее аэробные и анаэробные условия в водно-болотных почвах. [1] Окислительно-восстановительный потенциал (E h ) также тесно связан с pH , и оба они оказывают значительное влияние на функцию систем почва-растение-микроорганизмы. [1] [8] Основным источником электронов в почве являются органические вещества . [8] Органические вещества поглощают кислород при разложении, что приводит к ухудшению состояния почвы и снижению E h . [8]

Примеры окислительно-восстановительных градиентов в окружающей среде
  • Правая рука исследователя протягивает тонкий металлический керн, содержащий почву водно-болотных угодий с горы Морроу. Левая рука протягивает небольшие кусочки почвы на переднем плане изображения.
    Почвы водно-болотных угодий часто испытывают окислительно-восстановительные градиенты.
  • Научная схематическая диаграмма континентального шельфа с зоной минимума кислорода. Зона минимума кислорода окрашена в красный цвет. Стрелки указывают на такие процессы, как апвеллинг, ветры с севера и поверхностные течения в сторону моря. Зеленые точки указывают на цветение фитопланктона в поверхностных водах.
    В продуктивных регионах океана и закрытых бассейнах зоны минимума кислорода и зоны гипоксии могут испытывать окислительно-восстановительные градиенты в глубоких водах.
  • Исследователь в бежевой рубашке и шляпе стоит на коленях среди заболоченной местности с высокой травой и лужами темной воды. Он тянется одной рукой к почве заболоченного места.
    На водно-болотных угодьях с течением времени накапливаются почвы, богатые органическими веществами, и эти почвы часто испытывают окислительно-восстановительные градиенты.
  • Изображение вертикального среза почвы, слои которого имеют разные цвета: от светло-коричневого на поверхности до красного на глубине.
    В некоторых почвах наблюдаются окислительно-восстановительные градиенты.
  • Руки дайвера в синих перчатках держат цилиндрический керн отложений. Керн находится внутри пластиковой трубки, сквозь которую видны темные осадки и мутная вода. Текст изображения гласит: «Маккормик и Бакстер Портленд-Харбор, штат Орегон, отбор проб керна отложений». На заднем плане — палуба лодки, вода, мост и лесной хребет.
    Керны отложений, подобные этому, собранные из эстуариев, рек, озер и заливов, часто имеют градиенты окислительно-восстановительного потенциала с глубиной вниз по керну.
  • Красно-белая полосатая палка прислонена к разрезанному откосу земли. Почва имеет слои цвета от серого до коричневого и множество корней растений. Вверху изображения растения с большими зелеными листьями.
    Глейсоли или глеевые почвы, подобные этой в Южном Шварцвальде в Германии, часто испытывают окислительно-восстановительные градиенты.

Роль микроорганизмов

Редокс-градиенты формируются в зависимости от наличия ресурсов и физико-химических условий (pH, соленость, температура) и поддерживают стратифицированные сообщества микробов . [1] [5] [9] [8] [7] Микробы осуществляют различные процессы дыхания ( метаногенез , сульфатредукция и т. д.) в зависимости от условий вокруг них и еще больше усиливают окислительно-восстановительные градиенты, присутствующие в окружающей среде. [9] [1] [8] Однако распространение микроорганизмов не может быть определено исключительно на основе термодинамики (окислительно-восстановительная лестница), на него также влияют экологические и физиологические факторы. [6] [5]

Градиенты окислительно-восстановительного потенциала формируются вдоль шлейфов загрязнений как в водных, так и в наземных средах в зависимости от концентрации загрязняющих веществ и их воздействия на соответствующие химические процессы и микробные сообщества. [1] [9] Самые высокие скорости разложения органических загрязнителей по окислительно-восстановительному градиенту наблюдаются на границе кислородно-бескислородной границы. [1] В грунтовых водах эта кислородно-бескислородная среда называется капиллярной каймой , где уровень грунтовых вод встречается с почвой и заполняет пустые поры. Поскольку эта переходная зона является одновременно кислородной и бескислородной, акцепторы и доноры электронов находятся в большом количестве, а также существует высокий уровень микробной активности, что приводит к самым высоким темпам биоразложения загрязняющих веществ. [1] [9]

Бентосные отложения неоднородны по своей природе и впоследствии демонстрируют окислительно-восстановительные градиенты. [5] Из-за этой гетерогенности градиенты восстанавливающих и окисляющих химических веществ не всегда перекрываются в достаточной степени для удовлетворения потребностей в транспорте электронов нишевых микробных сообществ. [5] Кабельные бактерии характеризуются как сульфид-окисляющие бактерии, которые помогают соединить эти области с недостатком и избытком электронов, чтобы завершить транспорт электронов для иначе недоступных окислительно-восстановительных реакций. [5]

Биопленки , обнаруженные в приливных отмелях , ледниках , гидротермальных источниках и на дне водной среды, также демонстрируют окислительно-восстановительные градиенты. [5] Сообщество микробов — часто металло- или сульфатредуцирующих бактерий — производит окислительно-восстановительные градиенты в микрометровом масштабе в зависимости от пространственной физико-химической изменчивости. [5]

См. зону перехода сульфат-метан для освещения микробных процессов в СМТЗ.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ abcdefghijklmnopqrstu vwx Чжан, Цзэнъюй; Фурман, Алекс (2021). «Окислительно-восстановительная динамика почвы в условиях динамических гидрологических режимов - обзор». Наука об общей окружающей среде . 763 : 143026. Бибкод : 2021ScTEn.763n3026Z. doi : 10.1016/j.scitotenv.2020.143026. ISSN  0048-9697. PMID  33143917. S2CID  226249448.
  2. ^ Горный, Дж.; Биллон, Г.; Лесвен, Л.; Дюмулен, Д.; Маде, Б.; Нуариэль, К. (2015). «Поведение мышьяка в речных отложениях в условиях окислительно-восстановительного градиента: обзор». Наука об общей окружающей среде . 505 : 423–434. doi :10.1016/j.scitotenv.2014.10.011. PMID  25461044. S2CID  24877798.
  3. ^ Либес, Сьюзен (2009). Введение в морскую биогеохимию . Амстердам Бостон: Elsevier/Academic Press. ISBN 978-0-08-091664-4. ОСЛК  643573176.
  4. ^ abcdefgh Борх, Томас; Кречмар, Рубен; Капплер, Андреас; Каппеллен, Филипп Ван; Гиндер-Фогель, Мэтью; Фогелин, Андреас; Кэмпбелл, Кейт (2009). «Биогеохимические окислительно-восстановительные процессы и их влияние на динамику загрязнений». Экологические науки и технологии . Американское химическое общество (ACS). 44 (1): 15–23. дои : 10.1021/es9026248. ISSN  0013-936X. PMID  20000681. S2CID  206997593.
  5. ^ abcdefghijklmnopqrs Лау, Максимилиан Питер; Нидердорфер, Роберт; Сепульведа-Хореги, Армандо; Хупфер, Майкл (2018). «Синтез окислительно-восстановительной биогеохимии на границах с водными средами». Лимнологика . 68 : 59–70. дои : 10.1016/j.limno.2017.08.001 .
  6. ^ abcdefghi Пайффер, С.; Капплер, А.; Хадерляйн, SB; Шмидт, К.; Бирн, Дж. М.; Кляйндиенст, С.; Фогт, К.; Ричнов, Х.Х.; Обст, М.; Ангенент, Литва; Брайс, К. (2021). «Биогеохимико-гидрологическая основа роли окислительно-восстановительных соединений в водных системах». Природа Геонауки . 14 (5): 264–272. Бибкод : 2021NatGe..14..264P. doi : 10.1038/s41561-021-00742-z. ISSN  1752-0894. S2CID  233876038.
  7. ^ аб Закем, Эмили Дж.; Польц, Мартин Ф.; Далее следует Майкл Дж. (2020). «Модели глобальных биогеохимических циклов, основанные на окислительно-восстановительном потенциале». Природные коммуникации . 11 (1): 5680. Бибкод : 2020NatCo..11.5680Z. doi : 10.1038/s41467-020-19454-w. ISSN  2041-1723. ПМЦ 7656242 . ПМИД  33173062. 
  8. ^ abcdefghijklmnopqr Хассон, Оливье (2013). «Окислительно-восстановительный потенциал (Eh) и pH как движущие силы систем почва / растение / микроорганизм: трансдисциплинарный обзор, указывающий на интегративные возможности агрономии». Растение и почва . 362 (1–2): 389–417. дои : 10.1007/s11104-012-1429-7 . ISSN  0032-079Х. S2CID  17059599.
  9. ^ abcdefg Водяницкий, Ю Н. (2016). «Биохимические процессы в почве и подземных водах, загрязненных фильтратами муниципальных свалок (Мини-обзор)». Анналы аграрной науки . 14 (3): 249–256. дои : 10.1016/j.aasci.2016.07.009 . ISSN  1512-1887.
  10. ^ Рю, Иден Л.; Смит, Джеффри Дж.; Каттер, Грегори А.; Бруланд, Кеннет В. (1997). «Реакция окислительно-восстановительных пар микроэлементов на субоксические условия в толще воды». Глубоководные исследования. Часть I: Статьи океанографических исследований . 44 (1): 113–134. Бибкод : 1997DSRI...44..113R. дои : 10.1016/S0967-0637(96)00088-X.