Войти
В биогеохимии, реминерализация (или реминерализация ) относится к разложению или преобразованию органического вещества (молекул, полученных из биологического источника) в его простейшие неорганические формы. Эти преобразования образуют важнейшее звено в экосистемах, поскольку они отвечают за высвобождение энергии, хранящейся в органических молекулах, и повторное использование вещества в системе для повторного использования в качестве питательных веществ другие организмы.
Реминерализацию обычно рассматривают, поскольку она связана с круговоротом основных биологически важных элементов, таких как углерод, азот и фосфор. Хотя этот процесс имеет решающее значение для всех экосистем, ему уделяется особое внимание в водных условиях, где он является важным звеном в биогеохимической динамике и круговороте водных экосистем.
Термин «реминерализация» используется в нескольких контекстах в разных дисциплинах. Этот термин чаще всего используется в областях медицины и физиологии, где он описывает развитие или восстановление минерализованных структур в организмах, таких как зубы или кость. Однако в области биогеохимии реминерализация используется для описания звена в цепи круговорота элементов в конкретной экосистеме. В частности, реминерализация представляет собой точку, в которой органический материал, созданный живыми организмами, распадается на основные неорганические компоненты, которые, очевидно, не могут быть идентифицированы как происходящие из органического источника. Это отличается от процесса декомпозиции, который является более общим дескриптором более крупных структур, распадающихся на более мелкие структуры.
Биогеохимики изучают этот процесс во всех экосистемах по разным причинам. Это делается в первую очередь для исследования потока материала и энергии в данной системе, что является ключом к пониманию продуктивности этой экосистемы, а также того, как она перерабатывает материал в зависимости от количества, поступающего в систему. Понимание скорости и динамики реминерализации органического вещества в данной системе может помочь определить, как и почему одни экосистемы могут быть более продуктивными, чем другие.
Хотя важно отметить, что процесс реминерализации представляет собой серию сложных биохимических путей [внутри микробов], его часто можно упростить как серию одноэтапных процессов. для моделей и расчетов на уровне экосистемы. Типичная форма этих реакций представлена следующим образом:
Приведенное выше общее уравнение начинается с двух реагентов: некоторого количества органического вещества (состоящего из органического углерода) и окислителя. Большая часть органического углерода существует в восстановленной форме, которая затем окисляется окислителем (например, O 2) до CO. 2 и энергии, которая может быть использована организмом. Этот процесс обычно производит CO. 2, воду и набор простых питательных веществ, таких как нитрат или фосфат, которые затем могут быть поглощаются другими организмами. Приведенная выше общая форма, если рассматривать O 2как окислитель, это уравнение для дыхания. В данном контексте, в частности, приведенное выше уравнение представляет бактериальное дыхание, хотя реагенты и продукты по существу аналогичны сокращенным уравнениям, используемым для многоклеточного дыхания.
Схема основных акцепторов электронов в поровых водах морских отложений на основе идеализированных относительных глубин Разложению органического вещества через дыхание в современном океане способствуют различные акцепторы электронов, основанные на их предпочтении по закону свободной энергии Гиббса и законам термодинамики. Этот окислительно-восстановительный химический состав является основой жизни в глубоководных отложениях и определяет доступность энергии для организмов, которые там живут. От поверхности раздела воды к более глубоким отложениям эти акцепторы располагаются в следующем порядке: кислород, нитрат, марганец, железо и <147.>сульфат. Зональность этих предпочтительных акцепторов можно увидеть на рисунке 1. Двигаясь вниз от поверхности через зональность этих глубоководных океанических отложений, акцепторы используются и истощаются. После истощения его место занимает следующий акцептор с более низким уровнем благоприятствования. С термодинамической точки зрения кислород представляет собой наиболее благоприятный для восприятия электрон, но он быстро расходуется на границе раздела водных отложений, а концентрация O. 2 распространяется только от миллиметров до сантиметров в донные отложения в большинстве глубоководных районов моря. Эта благоприятность указывает на способность организма получать более высокую энергию от реакции, которая помогает им конкурировать с другими организмами. В отсутствие этих акцепторов органическое вещество также может разлагаться в результате метаногенеза, но чистое окисление этого органического вещества не полностью представлено этим процессом. Каждый путь и стехиометрия его реакции перечислены в таблице 1.
Из-за этого быстрого истощения O. 2 в поверхностных отложениях большинство микробов используют анаэробные пути для метаболизирует другие оксиды, такие как марганец, железо и сульфаты. Также важно учитывать в биотурбацию и постоянное перемешивание этого материала, которое может изменить относительную важность каждого дыхательного пути. С точки зрения микробов, пожалуйста, обратитесь к цепи переноса электронов.
Относительная благоприятность реакций восстановления в морских отложениях, основанная на термодинамической энергии. Начало стрелок указывает энергию, связанную с реакцией полуячейки. Длина стрелки указывает на оценку ΔG реакции (адаптировано из Libes, 2011). Четверть всего органического материала, выходящего из световой зоны, попадает на морское дно без реминерализации и 90% оставшийся материал реминерализуется в самих отложениях. Попав в осадок, органическая реминерализация может происходить в результате различных реакций. Следующие реакции являются основными способами реминерализации органических веществ, в них общее органическое вещество (ОВ) часто обозначается сокращением: (CH. 2O). 106 (NH. 3). 16 (H. 3PO. 4).
Аэробное дыхание является наиболее предпочтительной реакцией реминерализации из-за его высокого выхода энергии. Хотя кислород быстро истощается в отложениях и обычно истощается в сантиметрах от границы раздела отложений и воды.
В случаях, когда окружающая среда субкислая или бескислородная, организмы предпочтут использовать денитрификацию для реминерализации органических веществ, поскольку она обеспечивает второе по величине количество энергии. На более глубоких участках, где предпочтительна денитрификация, соответственно становятся предпочтительными такие реакции, как восстановление марганца, восстановление железа, сульфатное восстановление, восстановление метана (также известное как метаногенез ). Эта благоприятность регулируется свободной энергией Гиббса (ΔG).
| Тип дыхания | Реакция | ΔG | |
|---|---|---|---|
| Аэробная | Восстановление кислорода |  | -29.9 |
| Анаэробная | <662>Денит>OM + 104 HNO 3 ⟶ 106 CO 2 + 60 N 2 + H 3 PO 4 + 138 H 2 O {\ displaystyle {\ ce {OM + 104HNO3 ->106CO2 + 60N2 + H3PO4 + 138H2O}}-28,4 | ||
| Восстановление марганца |  | -7,2 | |
| Восстановление железа |  | -21.0 | |
| Снижение сульфатов |  | -6.1 | |
| Метановое брожение (Метаногенез ) |  | -5.6 | |
Редокс-зонирование относится к тому, как процессы, которые переносят конечные электроны в результате разложения органического вещества, меняются в зависимости от времени и пространства. Определенные реакции будут предпочтительнее других из-за их выхода энергии, как подробно описано в каскаде акцепторов энергии, подробно описанном выше. В кислородных условиях, когда кислород легко доступен, аэробное дыхание будет предпочтительным из-за его высокого выхода энергии. Как только использование кислорода через дыхание превышает поступление кислорода из-за биотурбации и диффузии, окружающая среда становится бескислородной, и органическое вещество разлагается другими способами, такими как денитрификация и восстановление марганца.
Пищевая сеть, показывающая поток углерода в открытом океане В большинстве экосистем открытого океана лишь небольшая часть органического вещества достигает морского дна. Биологическая активность в фотической зоне большинства водоемов имеет тенденцию так хорошо перерабатывать материал, что только небольшая часть органического вещества когда-либо опускается из этого верхнего фотосинтетического слоя. Реминерализация в этом верхнем слое происходит быстро, и из-за более высокой концентрации организмов и доступности света эти реминерализованные питательные вещества часто поглощаются автотрофами так же быстро, как и высвобождаются.
Какая часть ускользает, зависит от интересующего места. Например, в Северном море значения отложения углерода составляют ~ 1% от первичной продукции, в то время как это значение составляет <0.5% in the open oceans on average. Therefore, most of nutrients remain in the water column, recycled by the биота. Гетеротрофные организмы будут использовать материалы, производимые автотрофными (и хемотрофными ) организмами, и посредством дыхания реминерализуют соединения из органической формы обратно в неорганическую, делая их снова доступен для основных производителей.
Для большинства районов океана самые высокие скорости реминерализации углерода происходят на глубинах от 100 до 1200 м (330-3 940 футов) в водной толще, снижаясь примерно до 1200 м, где скорость реминерализации остается довольно постоянной. при 0,1 мкмоль кг год. В результате этого запас реминерализованного углерода (который обычно принимает форму диоксида углерода) имеет тенденцию к увеличению th
Большая часть реминерализации осуществляется с помощью растворенного органического углерода (DOC). Исследования показали, что именно более крупные тонущие частицы переносят вещество на морское дно, в то время как взвешенные частицы и растворенные органические вещества в основном потребляются при реминерализации. Это происходит отчасти из-за того, что организмы обычно должны потреблять питательные вещества меньшего размера, чем они есть, часто на порядки. Поскольку микробное сообщество составляет 90% морской биомассы, для реминерализации будут использоваться частицы меньшего размера, чем микробы (порядка 10).
