Органикалық заттардың қарапайым химилық элементтерге ыдырауы
Remineralisation
Органикалық заттардың қарапайым химикаттарға айналуы – реминералдану. Экосистемада энергияны босату, заттарды қайта өңдеуде маңызды роль атқарады. Биогеохимия, су экожүйелері.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Тірі организмдер арқылы органикалық заттың қарапайым химиялық заттарға ыдырауы
Breakdown of organic matter to simple chemicals by living organisms
Биогеохимияда реминерализация (немесе реминерализация) – органикалық заттың (биологиялық көзден алынған молекулалардың) ең қарапайым минералдық түрлерге ыдырауы немесе өзгеруі. Бұл өзгерістер экожүйелердегі маңызды буынды құрайды, себебі олар органикалық молекулаларда сақталған энергияны босатуға және басқа организмдердің қоректік заттар ретінде қайта пайдалануына мүмкіндік беретін жүйедегі заттардың айналымын қамтамасыз етеді. Реминерализация көбінесе көміртек, азот және фосфор сияқты маңызды биологиялық элементтердің айналымымен байланысты қарастырылады. Барлық экожүйелер үшін маңызды болғанымен, бұл процесс су ортасында ерекше назарға алынады, онда ол су экожүйелерінің биогеохимиялық динамикасы мен айналымындағы маңызды буын болып табылады.
In biogeochemistry, remineralisation (or remineralization) refers to the breakdown or transformation of organic matter (those molecules derived from a biological source) into its simplest inorganic forms. These transformations form a crucial link within ecosystems as they are responsible for liberating the energy stored in organic molecules and recycling matter within the system to be reused as nutrients by other organisms. Remineralisation is normally viewed as it relates to the cycling of the major biologically important elements such as carbon, nitrogen and phosphorus. While crucial to all ecosystems, the process receives special consideration in aquatic settings, where it forms a significant link in the biogeochemical dynamics and cycling of aquatic ecosystems.
Биогеохимиядағы рөлі
"Реминерализация" термині әр түрлі салаларда әртүрлі контекстерде қолданылады. Бұл термин ең көп медицина және физиология салаларында қолданылады, онда тіс немесе сүйек сияқты организмдердегі минералданған құрылымдардың қалыптасуы немесе қайта қалыптасуы сипатталады. Дегенмен, биогеохимия саласында реминерализация белгілі бір экожүйедегі элементтік айналым тізбегіндегі байланысты сипаттау үшін қолданылады. Атап айтқанда, реминерализация – тірі организмдер құраған органикалық материалдың органикалық көзден екені анық көрінбейтін негізгі минералды емес компоненттерге ыдырайтын кезеңі. Бұл жалпырақтанған ыдырау процесінен өзгеше, ол ірі құрылымдардың кішірек құрылымдарға айналуын сипаттайды. Биогеохимиктер бұл процесті түрлі себептермен барлық экожүйелерде зерттейді. Бұл, ең алдымен, белгілі бір жүйедегі материал және энергия ағынын зерттеу үшін жасалады, бұл сол экожүйенің өнімділігін түсіну үшін, сондай-ақ материалды қайта өңдеу қабілетін және жүйеге қанша материал келіп түсетінін анықтау үшін маңызды. Белгілі бір жүйедегі органикалық заттардың реминерализациясының қарқыны мен динамикасын түсіну, кейбір экожүйелердің неге басқаларынан өнімдірек екенін анықтауға көмектеседі.
The term "remineralization" is used in several contexts across different disciplines. The term is most commonly used in the medicinal and physiological fields, where it describes the development or redevelopment of mineralized structures in organisms such as teeth or bone. In the field of biogeochemistry, however, remineralization is used to describe a link in the chain of elemental cycling within a specific ecosystem. In particular, remineralization represents the point where organic material constructed by living organisms is broken down into basal inorganic components that are not obviously identifiable as having come from an organic source. This differs from the process of decomposition which is a more general descriptor of larger structures degrading to smaller structures. Biogeochemists study this process across all ecosystems for a variety of reasons. This is done primarily to investigate the flow of material and energy in a given system, which is key to understanding the productivity of that ecosystem along with how it recycles material versus how much is entering the system. Understanding the rates and dynamics of organic matter remineralization in a given system can help in determining how or why some ecosystems might be more productive than others.
Электрон қабылдағыш каскады
Қазіргі заманғы мұхиттағы органикалық заттардың тыныс алу арқылы ыдырауына әртүрлі электрон қабылдағыштар, Гиббстің еркін энергия заңы мен термодинамика заңдарына сәйкес олардың тиімділігі ықпал етеді. Бұл тотығу-тотықсыздану химиясы терең теңіз шөгінділеріндегі тіршіліктің негізі болып табылады және онда тіршілік ететін организмдерге энергияның қолжетімділігін анықтайды. Су бетінен терең шөгінділерге қарай қозғалғанда, осы қабылдағыштардың реті – оттегі, нитрат, марганец, темір және сульфат. Осы тиімді қабылдағыштардың аймақталуы 1-суретте көрсетілген. Жер бетінен төмен қарай, осы терең мұхит шөгінділерінің аймақтары арқылы қозғалғанда, қабылдағыштар пайдаланылып, тотығып сіңеді. Тотығу процесі аяқталғаннан кейін, оның орнын тиімділігі төмен келесі қабылдағыш алмастырады. Термодинамикалық тұрғыдан алғанда, оттегі ең тиімді электрон қабылдағышы болып табылады, бірақ ол су-шөгінді интерфейсінде жылдам тотығып сіңеді және терең теңіздің көп бөлігінде О2 концентрациясы шөгіндіге миллиметрден сантиметрге ғана жетеді. Бұл тиімділік организмнің реакциядан жоғары энергия алу қабілетін көрсетеді, бұл оларға басқа организмдермен бәсекелесуге көмектеседі. Егер осы қабылдағыштар болмаса, органикалық заттар метаногенез арқылы да ыдырауы мүмкін, бірақ осы органикалық заттардың толық тотығуын осы процесс толыққанды көрсете бермейді. Әрбір жол мен оның реакциясының стехиометриясы 1-кестеде келтірілген. Сондай-ақ, биотурбация мен осы материалдың үнемі араласуын ескеру маңызды, себебі бұл әрбір тыныс алу жолының салыстырмалы маңыздылығын өзгерте алады. Микробтық тұрғысынан қарағанда, электрондық тасымалдау тізбегіне жүгініңіз.
The degradation of organic matter through respiration in the modern ocean is facilitated by different electron acceptors, their favorability based on Gibbs free energy law, and the laws of thermodynamics. This redox chemistry is the basis for life in deep sea sediments and determines the obtainability of energy to organisms that live there. From the water interface moving toward deeper sediments, the order of these acceptors is oxygen, nitrate, manganese, iron, and sulfate. The zonation of these favored acceptors can be seen in Figure 1. Moving downwards from the surface through the zonation of these deep ocean sediments, acceptors are used and depleted. Once depleted the next acceptor of lower favorability takes its place. Thermodynamically, oxygen represents the most favorable electron accepted but is quickly used up in the water sediment interface and |O2 concentrations extends only millimeters to centimeters down into the sediment in most locations of the deep sea. This favorability indicates an organism's ability to obtain higher energy from the reaction which helps them compete with other organisms. In the absence of these acceptors, organic matter can also be degraded through methanogenesis, but the net oxidation of this organic matter is not fully represented by this process. Each pathway and the stoichiometry of its reaction are listed in table 1. It is also important to figure in bioturbation and the constant mixing of this material which can change the relative importance of each respiration pathway. For the microbial perspective please reference the electron transport chain.
Реакциялар
Фотикалық аймақтан шыққан барлық органикалық материалдың ширегі қайта минералдануға ұшырамастан теңіз түбіне жетеді, ал қалған материалдың 90% шөгінділерде өзі қайта минералданады. Төмендегі реакциялар органикалық заттардың қайта минералдануының негізгі жолдары болып табылады, оларда жалпы органикалық зат (ОМ) көбінесе мына қысқарту арқылы көрсетіледі: |(CH2O)106(NH3)16(H3PO4).
A quarter of all organic material that exits the photic zone makes it to the seafloor without being remineralised and 90% of that remaining material is remineralised in sediments itself. The following reactions are the primary ways in which organic matter is remineralised, in them general organic matter (OM) is often represented by the shorthand: |(CH2O)106(NH3)16(H3PO4).
Аэробты тыныс алу
Аэробты тыныс алу энергияның жоғары мөлшерін қамтамасыз ететіндіктен, реминерализацияның ең тиімді реакциясы болып табылады. Дегенмен, оттегі шөгінділерде жылдам тозығып, шөгінді суының бетінен бірнеше сантиметр қашықтықта толыққандай азайып кетеді.
Aerobic respiration is the most preferred remineralisation reaction due to its high energy yield. Although oxygen is quickly depleted in the sediments and is generally exhausted centimeters from the sediment water interface.
Анаэробты тыныс алу
Қоршаған орта субоксикалық немесе аноксикалық болған жағдайларда, организмдер органикалық заттарды қайта минералдау үшін денитрификацияны пайдалануға бейім, себебі ол екінші ең көп мөлшерде энергия береді. Денитрификацияға қолайлы жағдайлар туатын тереңдіктен төменде, манганецтің тотығуын азайту, темірді тотығуын азайту, сульфатты тотығуын азайту, метанды тотығуын азайту (сонымен қатар метаногенез деп те аталады) сияқты реакциялар сәйкесінше артықшылыққа ие болады. Бұл артықшылық Гиббс еркін энергиясы (ΔG) арқылы анықталады. Су қоймасында, шөгінді теңіз түбінде немесе топырақта, осы химиялық реакциялардың энергия мөлшеріне қарай тереңдік бойынша реттелуі редокс градиенті деп аталады. Тыныс алу түрі Реакция ΔG Аэробтық Оттегінің тотығуын азайту OM + 150O2 > 106CO2 + 16HNO3 + H3PO4 + 78H2O 29.9 Анаэробтық Денитрификация OM + 104HNO3 > 106CO2 + 60N2 + H3PO4 + 138H2O 28.4 Манганецтің тотығуын азайту OM + 260MnO2 + 174H2O > 106CO2 + 8N2 + H3PO4 + 260Mn(OH)2 7.2 Темірдің тотығуын азайту OM + 236Fe2O3 + 410H2O > 106CO2 + 16NH3 + H3PO4 + 472Fe(OH)2 21.0 Сульфаттың тотығуын азайту OM + 59H2SO4 > 106CO2 + 16NH3 + H3PO4 + 59H2S + 62H2O 6.1 Метан ферментациясы (Метаногенез) OM + 59H2O > 47CO2 + 59CH4 + 16NH3 + H3PO4 5.6
In instances in which the environment is suboxic or anoxic, organisms will prefer to utilize denitrification to remineralise organic matter as it provides the second largest amount of energy. In depths below where denitrification is favored, reactions such as Manganese Reduction, Iron Reduction, Sulfate Reduction, Methane Reduction (also known as Methanogenesis), become favored respectively. This favorability is governed by Gibbs Free Energy (ΔG). In a water body, sediment seabed, or soil, the sorting of these chemical reactions with depth in order of energy provided is called a redox gradient. Respiration type Reaction ΔG Aerobic Oxygen reduction OM + 150O2 > 106CO2 + 16HNO3 + H3PO4 + 78H2O 29.9 Anaerobic Denitrification OM + 104HNO3 > 106CO2 + 60N2 + H3PO4 + 138H2O 28.4 Manganese reduction OM + 260MnO2 + 174H2O > 106CO2 + 8N2 + H3PO4 + 260Mn(OH)2 7.2 Iron reduction OM + 236Fe2O3 + 410H2O > 106CO2 + 16NH3 + H3PO4 + 472Fe(OH)2 21.0 Sulfate reduction OM + 59H2SO4 > 106CO2 + 16NH3 + H3PO4 + 59H2S + 62H2O 6.1 Methane fermentation (Methanogenesis) OM + 59H2O > 47CO2 + 59CH4 + 16NH3 + H3PO4 5.6
Редокс аймақтауы
Редокс аймақтастыру – органикалық заттардың ыдырауы нәтижесінде соңғы электрондардың тасымалдану процестерінің уақыт және кеңістікке байланысты өзгеруін көрсетеді. Жоғарыда сипатталған энергия қабылдау тізбегінде көрсетілгендей, әртүрлі реакциялар энергия шығымына қарай бірін-бірі басып озады. Оттегі көп мөлшерде қолжетімді оксидтік жағдайларда, жоғары энергия шығымына ие болғандықтан, аэробты тыныс алу басым болады. Бірақ, тыныс алу арқылы оттегінің жұмсалуы биотурбация және диффузия арқылы келіп түсетін оттегіден асып кеткенде, орта аноксиялыққа айналады және органикалық заттар басқа механизмдер арқылы ыдырайды, мысалы, денитрификация және марганецтің тотығуын төмендету.
Redox zonation refers to how the processes that transfer terminal electrons as a result of organic matter degradation vary depending on time and space. Certain reactions will be favored over others due to their energy yield as detailed in the energy acceptor cascade detailed above. In oxic conditions, in which oxygen is readily available, aerobic respiration will be favored due to its high energy yield. Once the use of oxygen through respiration exceeds the input of oxygen due to bioturbation and diffusion, the environment will become anoxic and organic matter will be broken down via other means, such as denitrification and manganese reduction.
Ашық мұхитта қайта минералдану
Көптеген ашық мұхит экожүйелерінде органикалық заттардың тек шағын бөлігі ғана теңіз түбіне жетеді. Көптеген су объектілерінің фототикалық аймағындағы биологиялық белсенділік материалды тиімді қайта өңдейді, сондықтан органикалық заттардың аз бөлігі ғана фотосинтездің жоғарғы қабатынан төмен түседі. Бұл жоғарғы қабаттағы реминерализация жылдам жүреді, ал организмдердің жоғары концентрациясы және жарықтың болуының арқасында реминерализацияланған қоректік заттар автотрофтармен олар шығарылғаннан кейін біршама жылдам сіңіріледі. Қандай үлес қашып шығады, қызығушылық танытқан жерге байланысты өзгереді. Мысалы, Солтүстік теңізде көміртегінің жинақталу мөлшері бастапқы өндірістің шамамен 1% құрайды, ал ашық мұхиттарда бұл көрсеткіш орташа есеппен 0,5% төмен. Сондықтан, қоректік заттардың көп бөлігі су бағанында қалып, биотамен қайта өңделеді. Гетеротрофты организмдер автотрофты (және химиотрофты) организмдер өндіретін материалдарды пайдаланады және тыныс алу арқылы органикалық формадан минералдық формаға қосылыстарды реминерализациялайды, оларды қайтадан бастапқы өндірушілерге қолжетімді етеді. Мұхиттың көп бөлігінде көміртегінің реминерализациясының ең жоғары деңгейі су бағанының тереңдігінде байқалады, шамамен 1200 м-ге дейін төмендейді, онда реминерализация деңгейі 0,1 мкмоль кг−1 жыл−1 тұрақты болып қалады. Осының нәтижесінде, фототикалық аймақта реминерализацияланған көміртек (әдетте көмірқышқыл газы түрінде) көбейеді. Реминерализацияның көп бөлігі еріген органикалық көміртек (ЭОК) арқылы жүзеге асырылады. Зерттеулер көрсеткендей, материяны теңіз түбіне үлкен, батып түсетін бөлшектер тасымалдайды, ал суспензиядағы бөлшектер мен еріген органикалық заттар көбінесе реминерализация арқылы тұтынылады. Бұл, ішінара, организмдердің әдетте өздерінен әлдеқайда кішірек қоректік заттарды жұтуы керек болғандықтарына байланысты. Микробтық қауымдастық теңіз биомассасының 90% құрайтындықтан, реминерализация үшін микробтардан кіші бөлшектер (шамамен) сіңіріледі.
In most open ocean ecosystems only a small fraction of organic matter reaches the seafloor. Biological activity in the photic zone of most water bodies tends to recycle material so well that only a small fraction of organic matter ever sinks out of that top photosynthetic layer. Remineralisation within this top layer occurs rapidly and due to the higher concentrations of organisms and the availability of light, those remineralised nutrients are often taken up by autotrophs just as rapidly as they are released. What fraction does escape varies depending on the location of interest. For example, in the North Sea, values of carbon deposition are ~1% of primary production while that value is <0.5% in the open oceans on average. Therefore, most of nutrients remain in the water column, recycled by the biota. Heterotrophic organisms will utilize the materials produced by the autotrophic (and chemotrophic) organisms and via respiration will remineralise the compounds from the organic form back to inorganic, making them available for primary producers again. For most areas of the ocean, the highest rates of carbon remineralisation occur at depths between in the water column, decreasing down to about 1,200 m where remineralisation rates remain pretty constant at 0.1 μmol kg−1 yr−1. As a result of this, the pool of remineralised carbon (which generally takes the form of carbon dioxide) tends to increase in the photic zone. Most remineralisation is done with dissolved organic carbon (DOC). Studies have shown that it is larger sinking particles that transport matter down to the sea floor while suspended particles and dissolved organics are mostly consumed by remineralisation. This happens in part due to the fact that organisms must typically ingest nutrients smaller than they are, often by orders of magnitude. With the microbial community making up 90% of marine biomass, it is particles smaller than the microbes (on the order of ) that will be taken up for remineralisation.