리독스 그라데이션

Redox gradient
이 항목에 대한 자세한 내용은 Redox 및 Reduction probable을 참조하십시오.
환경에서의 일반적인 리독스 반응 묘사. 장과[1] 고니가 수치로 각색한 것이다.[2] 레독스 쌍은 산화제(전자 수용기)와 함께 적색으로, 환원기(전자 도너레이터)는 흑색으로 표시된다.
에너지에 기반한 해양 퇴적물에서 리독스 반응의 상대적 선호도. 화살표의 시작점은 반전지 반응과 관련된 에너지를 나타낸다. 화살표의 길이는 높은 ΔG가 더 에너지적으로 유리한 반응에 대한 Gibb의 자유 에너지(ΔG)[3]의 추정치를 나타낸다(Libes, 2011).

redox gradient는 redox 잠재력에 따라 정렬된 일련의 redox-oxidation(redox) 반응이다.[4][5] redox 사다리에는 redox 쌍에서 얻은 자유 에너지를 바탕으로 redox 반응이 발생하는 순서를 표시한다.[4][5][6] 이러한 리독스 그라데이션은 미생물 과정, 환경의 화학적 구성, 산화적 전위의 차이로 인해 공간적으로나 일시적으로 모두 형성된다.[5][4] 리독스 그라데이션이 존재하는 일반적인 환경은 해안 습지, 호수, 오염 플럼, 토양이다.[1][4][5][6]

지구는 지표면에 산화 환경이 있고 지표면 아래의 조건들이 점점 감소하는 지구적 리독스 구배를 가지고 있다.[4] 리독스 그라데이션은 일반적으로 매크로 수준에서 이해되지만, 마이크로 스케일에서 이기종 환경에서 리독스 반응을 특성화하려면 추가 연구와 보다 정교한 측정 기법이 필요하다.[5][1][7][6]

리독스 조건 측정

리독스 조건은 전자가 전자 공여자에서 전자 수용기로 전달되는 경향을 나타내는 리독스 전위(Eh)에 따라 전압 단위로 측정된다. E는h 반반응과 네른스트 방정식을 사용하여 계산할 수 있다.[1] 0의 E는h 표준 수소 전극 H+/H의2,[8] 리독스 부부를 나타내며, 양극h E는 산화 환경(전자가 수용됨), 음극 E는h 감소 환경(전자가 기증됨)을 나타낸다.[1] 리독스 구배에서 가장 정력적으로 유리한 화학반응은 리독스 사다리의 "상단"에서, 가장 정력적으로 유리한 반응은 사다리의 "하단"에서 일어난다.[1]

E는h 현장에서 시료를 채취하고 실험실에서 분석을 수행하거나, 전극을 환경에 삽입해 현장 측정으로 채취할 수 있다.[6][5][1] 리독스 전위를 측정하기 위한 대표적인 환경은 물, 토양, 퇴적물 체내에 있으며, 이 모든 환경은 높은 수준의 이질성을 나타낼 수 있다.[5][1] 많은 수의 샘플을 수집하면 높은 공간 분해능을 얻을 수 있지만 샘플은 단수 a 스냅샷만 제때 반영하기 때문에 시간 분해능이 낮은 비용을 들일 수 있다.[8][1][5] 현장 모니터링은 연속적인 실시간 측정을 수집하여 시간적 분해능이 높을 수 있지만 전극이 고정된 위치에 있기 때문에 공간 분해능이 낮다.[1][5]

레독스 성질은 유도-극화 영상의 활용을 통해 높은 공간적·시간적 분해능으로도 추적할 수 있지만, 양극화에 대한 레독스 종의 기여를 충분히 이해하기 위한 추가 연구가 필요하다.[6]

환경조건

레독스 그라데이션은 특히 토양과 수생 환경에서 공간과 시간의 함수로서 환경에 흔히 발견된다.[9][8][8][6] 구배는 산소 가용성, 토양수문학, 존재하는 화학종, 미생물 과정 등 다양한 생리화학적 특성에 의해 발생한다.[1][4][9][8] 일반적으로 리독스 경사로 특징지어지는 특정 환경에는 수분이 많은 토양, 습지,[8] 오염 플럼,[9][4] 해양 피질 및 헤미펠러성 퇴적물이 포함된다.[4]

산화부터 환원( 괄호 안에 반응을 수행하는 기관)까지 환경에서 발생하는 공통 반응의 목록은 다음과 같다.[1]

  1. 유산소 호흡(에로브스: 유산소 유기체)
  2. 디니트리피케이션(디니트리피어: 디니트리피케이션 박테리아)
  3. 망간 환원(망간 환원기)
  4. 철분감소(철분해제:철분해세균)
  5. 황산염 환원(황산 환원기: 황 감소세균)
  6. 메타노제시스(메타노제스)

아쿠아틱 환경

리독스 그라데이션은 물기둥과 그 퇴적물에 형성된다. 물기둥 내의 다양한 산소 수준(독성, 아산화, 저산소)은 레독스 화학작용을 변화시키며, 어떤 레독스 반응이 일어날 수 있는가를 변화시킨다.[10] 산소 최소 구역의 개발은 또한 리독스 구배 형성에 기여한다.

벤트식 침전물은 광물 구성, 유기물 가용성, 구조 및 흡착 역학의 변화에 의해 생성된 리독스 그라데이션이 나타난다.[5] 표면 아래 퇴적물을 통한 용해 전자의 제한된 이동은 다양한 모공 크기의 퇴적물과 결합되어 벤트릭 퇴적물에서 상당한 이질성을 생성한다.[5] 침전물의 산소 가용성은 어떤 미생물 호흡 경로가 발생할 수 있는지 결정하며, 깊이와 함께 산소 가용성이 감소함에 따라 리독스 공정이 수직으로 층화된다.[5]

지상 환경

토양 E도h 크게 수문학적 조건의 함수다.[1][8][6] 홍수가 나면 포화토양이 난독에서 무옥시로 옮겨갈 수 있어 혐기성 미생물 공정이 지배하면서 환경이 축소된다.[1][8] 게다가, 작은 양극성 핫스팟은 토양 모공 공간 내에서 발달하여 감소 조건을 만들어낼 수 있다.[6] 시간이 흐르면 물이 빠지고 토양이 마르면 토양의 시작h E가 복원될 수 있다.[1][8] 상승 지하수에 의해 형성된 레독스 경사가 있는 토양은 글레솔로 분류되며, 정체된 물에 의해 경사가 형성된 토양은 리독솔과 플라노솔로 분류된다.

토양 E는h 일반적으로 -300에서 +900mV까지 다양하다.[8] 아래 표에는 다양한 토양 조건에 대한 대표적인 Eh 값이 요약되어 있다.[1][8]

토양 조건 일반 E 범위h(mV)

[1][8]

물에 잠김 Eh < +250
공기 주입 - 적당히 감소 +100 < Eh < +400
공기 주입 - 감소됨 -100 < Eh < +100 >
공기 주입 - 고도로 감소 -300 < Eh < -100>
배양된 +300 < Eh > +500

식물이 견딜 수 있는 일반적으로 허용되는 Eh 한계는 +300 < Eh > +700 mV이다.[8] 300 mV는 습지 토양에서 에어로빅과 혐기성 조건을 구분하는 경계 값이다.[1] 레독스 전위(Eh)도 pH와 밀접하게 연관되어 있으며, 둘 다 토양-식물-미생물계통의 기능에 상당한 영향을 미친다.[1][8] 토양에서 전자의 주요 공급원은 유기 물질이다.[8] 유기물은 분해하면서 산소를 소비하여 토양 조건을 줄이고 E를h 낮추는 결과를 낳는다.[8]

환경의 redox 그라데이션 예제
  • A researcher’s right hand holds out a thin metal sediment corer containing wetland soil from Morrow Mountain. The left hand holds out small bits of soil in the foreground of the image.

    습지 토양은 종종 역류 구배를 경험한다.

  • Scientific schematic diagram of a continental shelf experiencing an oxygen minimum zone. The oxygen minimum zone is colored red. Arrows indicate processes such as upwelling, winds from the north, and seaward surface currents. Green dots indicate a phytoplankton bloom in surface waters.

    생산적인 해양 지역과 밀폐된 분지에서 산소 최소 구역과 저산소 구역은 심해에서 리독스 구배를 경험할 수 있다.

  • A researcher wearing a beige shirt and hat kneels in a wetland with tall grasses and pools of dark water. He is reaching into the soils of the wetland with one arm.

    습지에서는 유기농이 풍부한 토양이 시간이 흐르면서 쌓이고, 이러한 토양은 리독스 그라데이션(redox gradient)을 경험하는 경우가 많다.

  • An image of a vertical slice of soil which has different colors in layers from light brown at the surface to red at depth.

    일부 토양은 복강 구배를 경험한다.

  • A diver’s blue-gloved hands holds a cylindrical sediment core. The core is inside a plastic tube through which dark sediments and murky water can be seen. Image text reads “McCormick & Baxter Portland Harbor, OR Sediment Core Sampling.” In the background there is the deck of a boat, water, a bridge, and a forested ridge.

    하류, 강, 호수, 베이에서 채취한 침전물 코어와 같은 침전물 코어는 코어의 깊이가 깊은 리독스 그라데이션이 있는 경우가 많다.

  • A red-and-white striped stick leans against a cut bank of soil. The soil has layers in colors from grey to brown and many plant roots. At the top of the image there are plants with large green leaves.

    독일 남방 흑림에서 이와 같은 갈리솔이나 골리 토양은 종종 레독스 그라데이션(redox gradient)을 경험한다.

미생물의 역할

Redox 그라데이션은 자원 가용성과 생리화학 조건(pH, 염도, 온도)을 기반으로 형성되며 미생물의 층화된 공동체를 지원한다.[1][5][9][8][7] 미생물은 주변의 조건에 따라 서로 다른 호흡 과정(ethanogenesis, 황산염 감소 등)을 수행하고 환경에 존재하는 리독스 그라데이션(redox gradients)을 더욱 증폭시킨다.[9][1][8] 그러나 미생물의 분포는 열역학(redox ladder)만으로 판단할 수 없고 생태학적, 생리학적 요인에 의해서도 영향을 받는다.[6][5]

리독스 경사는 수생 및 육지 환경 모두에서 오염 물질 플럼을 따라 형성되며, 오염 물질 농도와 오염 물질이 관련 화학 공정 및 미생물 집단에 미치는 영향의 함수다.[1][9] 리독스 구배를 따른 유기 오염물질 분해율이 가장 높은 것은 난독성-난독성 인터페이스에서 찾을 수 있다.[1] 지하수에서는 이 난독성 환경을 모세관 가장자리라고 하는데, 물탁자가 흙과 만나 빈 모공을 채우는 곳이다. 이 전환지대는 난독성과 무옥시성을 모두 갖기 때문에 전자수용체와 기증자가 풍부하고 미생물 활성도가 높아 오염물질인 생분해율이 가장 높다.[1][9]

벤트식 퇴적물은 본질적으로 이질적이어서 결과적으로 리독스 그라데이션이 나타난다.[5] 이러한 이질성 때문에 화학종 감소와 산화작용의 구배는 틈새 미생물 집단의 전자전달 요구를 지원할 수 있을 정도로 항상 중복되는 것은 아니다.[5] 케이블 박테리아는 공급 부족과 과잉 전자의 이러한 영역을 연결하여 그렇지 않으면 사용할 수 없는 리독스 반응에 대한 전자 전송을 완료하는 데 도움을 주는 황화 산화 박테리아로 특징지어져 왔다.[5]

갯벌, 빙하, 열수 분출구, 수생 환경 하단에서 발견되는 바이오필름도 리독스 그라데이션이 나타난다.[5] 종종 금속이나 황산염 감소 박테리아와 같은 미생물 집단은 공간적 물리화학적 변동성의 함수로서 마이크로미터 척도의 레독스 그라데이션(redox gradient)을 생산한다.[5]

SMTZ의 미생물 프로세스에 대한 적용 범위는 황산염-메탄 전환 구역을 참조하십시오.

참고 항목

참조

  1. ^ a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x Zhang, Zengyu; Furman, Alex (2021). "Soil redox dynamics under dynamic hydrologic regimes - A review". Science of the Total Environment. 763: 143026. Bibcode:2021ScTEn.763n3026Z. doi:10.1016/j.scitotenv.2020.143026. ISSN 0048-9697. PMID 33143917. S2CID 226249448.
  2. ^ Gorny, J.; Billon, G.; Lesven, L.; Dumoulin, D.; Madé, B.; Noiriel, C. (2015). "Arsenic behavior in river sediments under redox gradient: a review". The Science of the Total Environment. 505: 423–434. doi:10.1016/j.scitotenv.2014.10.011. PMID 25461044. S2CID 24877798.
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  4. ^ a b c d e f g h Borch, Thomas; Kretzschmar, Ruben; Kappler, Andreas; Cappellen, Philippe Van; Ginder-Vogel, Matthew; Voegelin, Andreas; Campbell, Kate (2009). "Biogeochemical Redox Processes and their Impact on Contaminant Dynamics". Environmental Science & Technology. American Chemical Society (ACS). 44 (1): 15–23. doi:10.1021/es9026248. ISSN 0013-936X. PMID 20000681.
  5. ^ a b c d e f g h i j k l m n o p q r s Lau, Maximilian Peter; Niederdorfer, Robert; Sepulveda-Jauregui, Armando; Hupfer, Michael (2018). "Synthesizing redox biogeochemistry at aquatic interfaces". Limnologica. 68: 59–70. doi:10.1016/j.limno.2017.08.001.
  6. ^ a b c d e f g h i Peiffer, S.; Kappler, A.; Haderlein, S. B.; Schmidt, C.; Byrne, J. M.; Kleindienst, S.; Vogt, C.; Richnow, H. H.; Obst, M.; Angenent, L. T.; Bryce, C. (2021). "A biogeochemical–hydrological framework for the role of redox-active compounds in aquatic systems". Nature Geoscience. 14 (5): 264–272. doi:10.1038/s41561-021-00742-z. ISSN 1752-0894.
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