Реминерализация органического вещества в биогеохимических циклах.

Введение

Распад органического вещества на простые химические вещества живыми организмами

В биогеохимии реминерализация (или реминерализация) – это процесс разложения или трансформации органического вещества (молекул, образованных из биологических источников) в его простейшие неорганические формы. Эти преобразования являются важнейшим звеном в экосистемах, поскольку они обеспечивают высвобождение энергии, запасенной в органических молекулах, и круговорот веществ в системе для повторного использования другими организмами в качестве питательных веществ. Реминерализация обычно рассматривается в контексте круговорота основных биологически важных элементов, таких как углерод, азот и фосфор. Хотя этот процесс имеет решающее значение для всех экосистем, он приобретает особое значение в водных средах, где он является важным компонентом биогеохимической динамики и круговорота веществ в водных экосистемах.

Роль в биогеохимии

Термин "реминерализация" используется в различных контекстах в разных дисциплинах. Чаще всего этот термин встречается в медицине и физиологии, где он описывает развитие или восстановление минерализованных структур в организмах, таких как зубы или кости. Однако в биогеохимии реминерализация используется для описания звена в цикле круговорота элементов в конкретной экосистеме. В частности, реминерализация – это стадия, на которой органическое вещество, созданное живыми организмами, распадается на основные неорганические компоненты, которые не позволяют однозначно определить их органическое происхождение. Это отличается от разложения, которое является более общим описанием распада крупных структур на более мелкие. Биогеохимики изучают этот процесс во всех экосистемах по разным причинам, в первую очередь для изучения потока вещества и энергии в данной системе, что необходимо для понимания продуктивности экосистемы, а также соотношения между переработкой вещества внутри неё и поступлением нового вещества извне. Понимание скорости и динамики реминерализации органического вещества в конкретной системе может помочь определить, почему одни экосистемы более продуктивны, чем другие.

Каскад электронного приемника

Деградация органического вещества в современном океане облегчается различными электронными акцепторами, их предпочтительность определяется законом свободной энергии Гиббса и законами термодинамики. Эта окислительно-восстановительная химия лежит в основе жизни в глубоководных отложениях и определяет доступность энергии для обитающих там организмов. При движении от границы с водой к более глубоким слоям отложений, последовательность этих акцепторов следующая: кислород, нитрат, марганец, железо и сульфат. Зональность этих предпочтительных акцепторов представлена на рисунке 1. При движении вниз от поверхности через эту зональность глубоководных отложений, акцепторы используются и истощаются. Как только акцептор истощается, его место занимает следующий, менее предпочтительный. С термодинамической точки зрения, кислород является наиболее предпочтительным акцептором электронов, но он быстро расходуется в зоне контакта воды с отложениями, и концентрация O2 простирается лишь на миллиметры или сантиметры вглубь отложений в большинстве районов глубокого моря. Эта предпочтительность указывает на способность организма получать больше энергии от реакции, что помогает ему конкурировать с другими организмами. В отсутствие этих акцепторов органическое вещество также может разлагаться посредством метаногенеза, однако чистое окисление этого органического вещества не полностью отражается в этом процессе. Каждый путь и стехиометрия соответствующей реакции приведены в таблице 1. Также важно учитывать биотурбацию и постоянное перемешивание материала, что может изменить относительную значимость каждого пути дыхания. Для понимания с микробиологической точки зрения, обратитесь к цепочке переноса электронов.

Реакции

Четверть всего органического материала, покидающего фотическую зону, достигает морского дна, не подвергаясь реминерализации, и 90% этого оставшегося материала реминерализуется непосредственно в отложениях. Нижеследующие реакции являются основными путями реминерализации органического вещества, в которых общее органическое вещество (ОМ) часто обозначается сокращенно как: |(CH2O)106(NH3)16(H3PO4).

Аэробное дыхание

Аэробное дыхание – наиболее предпочтительная реакция реминерализации благодаря высокой энергетической эффективности. Однако кислород быстро истощается в отложениях и, как правило, полностью расходуется на расстоянии нескольких сантиметров от границы отложения и воды.

Анаэробное дыхание

В случаях, когда среда субоксическая или аноксичная, организмы предпочитают использовать денитрификацию для реминерализации органического вещества, поскольку она обеспечивает второе по величине количество энергии. На глубинах, где денитрификация является более выгодной, последовательно становятся более выгодными такие реакции, как восстановление марганца, восстановление железа, восстановление сульфатов, восстановление метана (также известное как метаногенез). Эта выгодность определяется свободной энергией Гиббса (ΔG). В водоеме, донных отложениях или почве, упорядочение этих химических реакций по глубине в соответствии с выделяемой энергией называется редокс-градиентом. Тип дыхательной реакции ΔG Аэробная редукция кислорода OM + 150O2 > 106CO2 + 16HNO3 + H3PO4 + 78H2O 29.9 Анаэробная денитрификация OM + 104HNO3 > 106CO2 + 60N2 + H3PO4 + 138H2O 28.4 Восстановление марганца OM + 260MnO2 + 174H2O > 106CO2 + 8N2 + H3PO4 + 260Mn(OH)2 7.2 Восстановление железа OM + 236Fe2O3 + 410H2O > 106CO2 + 16NH3 + H3PO4 + 472Fe(OH)2 21.0 Восстановление сульфатов OM + 59H2SO4 > 106CO2 + 16NH3 + H3PO4 + 59H2S + 62H2O 6.1 Метаногенез (метановое брожение) OM + 59H2O > 47CO2 + 59CH4 + 16NH3 + H3PO4 5.6

Редокс-зонация

Редокс-зонация описывает, как процессы переноса конечных электронов в результате разложения органического вещества изменяются во времени и пространстве. Определенные реакции будут предпочтительнее других из-за их энергетического выхода, как подробно описано в каскаде акцепторов энергии, представленном выше. В оксических условиях, когда кислород легко доступен, аэробное дыхание будет доминировать благодаря своей высокой энергетической эффективности. Как только скорость потребления кислорода при дыхании превысит скорость его поступления за счет биотурбации и диффузии, среда станет аноксичной, и органическое вещество будет разлагаться другими путями, такими как денитрификация и восстановление марганца.

Реминерализация в открытом океане

В большинстве открытых океанических экосистем лишь небольшая часть органического вещества достигает морского дна. Биологическая активность в фототической зоне большинства водных объектов эффективно перерабатывает материал, так что лишь небольшая часть органического вещества опускается из верхнего фотосинтезирующего слоя. Реминерализация в этом верхнем слое происходит быстро, и благодаря более высокой концентрации организмов и доступности света, реминерализованные питательные вещества часто поглощаются автотрофами с той же скоростью, с которой они высвобождаются. Доля вещества, избегающего рециркуляции, варьируется в зависимости от местоположения. Например, в Северном море отложение углерода составляет около 1% от первичной продукции, в то время как в открытом океане в среднем это значение составляет менее 0,5%. Таким образом, большая часть питательных веществ остается в водной толще, перерабатываясь биотой. Гетеротрофные организмы используют материалы, произведенные автотрофными (и хемотрофными) организмами, и посредством дыхания реминерализуют соединения из органической формы обратно в неорганическую, делая их снова доступными для первичных производителей. Для большинства районов океана наивысшие скорости реминерализации углерода наблюдаются на глубинах в водной толще, снижаясь до примерно 1200 м, где скорости реминерализации остаются относительно постоянными на уровне 0,1 мкмоль кг−1 год−1. В результате этого запасы реминерализованного углерода (обычно в форме углекислого газа) имеют тенденцию к увеличению в фототической зоне. Большая часть реминерализации происходит с участием растворенного органического углерода (DOC). Исследования показали, что именно более крупные оседающие частицы транспортируют вещество на морское дно, в то время как взвешенные частицы и растворенные органические вещества в основном потребляются в процессе реминерализации. Это происходит отчасти потому, что организмы обычно поглощают питательные вещества, значительно меньшие за размер, часто на несколько порядков. Поскольку микробы составляют 90% морской биомассы, для реминерализации используются частицы, меньшие, чем сами микробы (порядка).

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.