Ремнерализация

В биогеохимии (тех молекул , реминерализация (или реминерализация ) относится к разрушению или трансформации органического вещества полученных из биологического источника) в его самые простые неорганические формы. Эти преобразования образуют важную связь в экосистемах , поскольку они ответственны за освобождение энергии, хранящейся в органических молекулах и переработке веществ в системе, которые будут использоваться в качестве питательных веществ другими организмами . ^{[ 1 ]}

Ремнерализация обычно рассматривается в связи с велосипедом основных биологически важных элементов, таких как углерод , азот и фосфор . Хотя этот процесс имеет решающее значение для всех экосистем, он получает особое внимание в водных условиях, где он образует значительную связь в биогеохимической динамике и езде на велосипеде водных экосистем.

Роль в биогеохимии

Термин «реминерализация» используется в нескольких контекстах в разных дисциплинах. Термин чаще всего используется в лекарственных и физиологических областях, где он описывает развитие или перепланировку минерализованных структур в организмах, таких как зубы или кость. Однако в области биогеохимии реминерализация используется для описания связи в цепочке элементарного циклирования в определенной экосистеме. В частности, реминерализация представляет собой точку, в которой органический материал, построенный живыми организмами, разбивается на базальные неорганические компоненты, которые явно не идентифицируются как из органического источника. Это отличается от процесса разложения , который является более общим дескриптором более крупных структур, разлагающихся до более мелких структур.

Биогеохимики изучают этот процесс во всех экосистемах по разным причинам. Это делается в первую очередь для изучения потока материала и энергии в данной системе, что является ключом к пониманию производительности этой экосистемы, а также то, как он перерабатывает материал в зависимости от того, сколько входит в систему. Понимание ставок и динамики реминерализации органического вещества в данной системе может помочь в определении того, как или почему некоторые экосистемы могут быть более продуктивными, чем другие.

Реакции реминерализации

Хотя важно отметить, что процесс реминерализации представляет собой серию сложных биохимических путей [внутри микробов], его часто можно упростить в качестве серии одностадийных процессов для моделей и расчетов уровня экосистемы. Общая форма этих реакций показана:

{\ce {{Organic\ Matter}+Oxidant->{Liberated\ Simple\ Nutrients}+{\underset {Carbon~Dioxide}{CO2}}+{\underset {Water}{H2O}}}}

Вышеупомянутое общее уравнение начинается с двух реагентов: некоторых кусочков органического вещества (состоит из органического углерода) и окислителя. Большая часть органического углерода существует в уменьшенной форме, которая затем окисляется окислителем (например O ₂ ) в CO ₂ и энергию, которая может быть использована организмом. Этот процесс, как правило, производит CO ₂ , воду и набор простых питательных веществ, таких как нитрат или фосфат, которые затем могут быть подкреплены другими организмами. Вышеупомянутая общая форма при рассмотрении O ₂ как окислитель, является уравнением дыхания. В частности, в этом контексте приведенное выше уравнение представляет бактериальное дыхание , хотя реагенты и продукты по существу аналогичны уравнениям с коротким руком, используемыми для многоклеточного дыхания.

Электронно -акцепторный каскад

Деградация органического вещества посредством дыхания в современном океане способствует различным акцепторам электронов, их благоприятным условиям, основанным на законе о свободной энергии Гиббса и законами термодинамики . ^{[ 2 ]} Эта окислительно -восстановительная химия является основой для жизни в глубоководных отложениях и определяет получение энергии для организмов, которые там живут. От раздела воды, движущегося к более глубоким отложениям, порядок этих акцепторов - кислород , нитрат , марганец , железо и сульфат . Зонирование этих предпочтительных акцепторов можно увидеть на рисунке 1. Двигается вниз от поверхности через зонацию этих глубоких океанских отложений, используются и истощаются акцепторы. После того, как займет следующий акцептор более низкой благоприятности. Термодинамически, кислород представляет собой наиболее благоприятный электрон, принятый, но быстро используется на границе раздела водных отложений и O ₂ концентрации простираются только на миллиметры до сантиметров вниз до отложения в большинстве мест глубокого моря. Эта благоприятность указывает на способность организма получать более высокую энергию от реакции, которая помогает им конкурировать с другими организмами. ^{[ 3 ]} В отсутствие этих акцепторов органическое вещество также может быть ухудшено с помощью метаногенеза, но чистое окисление этого органического вещества не полностью представлено этим процессом. Каждый путь и стехиометрия его реакции перечислены в таблице 1. ^{[ 3 ]}

Из -за этого быстрого истощения O ₂ В поверхностных отложениях большинство микробов используют анаэробные пути для метаболизации других оксидов, таких как марганец, железо и сульфат. ^{[ 4 ]} Также важно фигурировать в биотурбации и постоянном смешивании этого материала, который может изменить относительную важность каждого пути дыхания. Для микробной перспективы обратите внимание на электронную транспортную цепь .

Ремнерализация в отложениях

Реакция

Четверть всего органического материала, который выходит из фото -зоны, добирается до морского дна, не повсеместно разбираясь, и 90% этого оставшегося материала реминерализируется в самих отложениях. ^{[ 1 ]} Оказавшись в отложении, органическая реминерализация может происходить через различные реакции. ^{[ 5 ]} Следующие реакции являются основными способами, которыми органическое вещество повсеместно повторно, в них общее органическое вещество (ОМ) часто представлено сокращением: (Ch ₂ O) ₁₀₆ (NH ₃ ) ₁₆ (H ₃ PO ₄ ) .

Аэробное дыхание

Аэробное дыхание является наиболее предпочтительной реакцией реминерализации из -за его высокой энергии. Хотя кислород быстро истощается в отложениях и, как правило, истощается сантиметрами из границы раздела отложений.

Анаэробное дыхание

В тех случаях, когда окружающая среда является суставкой или аноксичностью , организмы предпочитают использовать денитрификацию для реминерализации органического вещества, поскольку оно обеспечивает второе по величине количество энергии. По глубине ниже, где денитрификация предпочитается, реакции, такие как восстановление марганца, восстановление железа, восстановление сульфата, восстановление метана (также известное как метаногенез ), становятся предпочтительными соответственно. Эта благоприятность регулируется свободной энергией Гиббса (ΔG). В водоснабжении, осадках морского дна или почвы сортировка этих химических реакций с глубиной в порядке предоставляемой энергии называется окислительно -восстановительным градиентом .

Тип дыхания	Реакция		Δ G.
Аэробный	Сокращение кислорода	${\ce {OM + 150O2 -> 106CO2 + 16HNO3 + H3PO4 + 78H2O}}$	-29.9
Анаэробный	Денитрификация	${\ce {OM + 104HNO3 -> 106CO2 + 60N2 + H3PO4 + 138H2O}}$	-28.4
	Сокращение марганца	${\ce {OM + 260MnO2 + 174H2O -> 106CO2 + 8N2 + H3PO4 + 260Mn(OH)2}}$	-7.2
	Сокращение железа	${\ce {OM + 236Fe2O3 + 410H2O -> 106CO2 + 16NH3 + H3PO4 + 472Fe(OH)2}}$	-21.0
	Сокращение сульфата	${\ce {OM + 59H2SO4 -> 106CO2 + 16NH3 + H3PO4 + 59H2S + 62H2O}}$	-6.1
	Ферментация метана ( метаногенез )	${\ce {OM + 59H2O -> 47CO2 + 59CH4 + 16NH3 + H3PO4}}$	-5.6

Окислительно -восстановительное зонирование

Окислительно -восстановительная зонация относится к тому, как процессы, которые переносят терминальные электроны в результате деградации органического вещества, варьируются в зависимости от времени и пространства. ^{[ 6 ]} Определенные реакции будут предпочтительнее других из -за их энергетического урожая, как подробно описано в каскаде акцептора энергии, подробно описанным выше. ^{[ 7 ]} В условиях оксика, в которых кислород легко доступен, аэробное дыхание будет предпочтительнее из -за его высокого уровня энергии. После того, как использование кислорода через дыхание превышает вход кислорода из -за биотурбации и диффузии, окружающая среда станет аноксическим, а органическое вещество будет разбито другими средствами, такими как денитрификация и снижение марганца. ^{[ 8 ]}

Ремнерализация в открытом океане

В большинстве экосистем открытого океана лишь небольшая часть органического вещества достигает морского дна. Биологическая активность в фотоамериканской зоне большинства водоемов имеет тенденцию перерабатывать материал настолько хорошо, что лишь небольшая часть органического вещества когда -либо погружается из этого верхнего фотосинтетического слоя. Ремнерализация в этом верхнем слое происходит быстро, и из -за более высоких концентраций организмов и наличия света эти повторные питательные вещества часто воспринимаются автотрофами так же быстро, как и их.

Какая фракция выходит, варьируется в зависимости от места интереса. Например, в Северном море значения осаждения углерода составляют ~ 1% от первичного производства ^{[ 9 ]} в то время как это значение в среднем <0,5% в открытых океанах. ^{[ 10 ]} Следовательно, большинство питательных веществ остаются в толще воды, переработанной биотой . Гетеротрофные организмы будут использовать материалы, продуцируемые автотрофическими (и хемотрофными ) организмом, и через дыхание будет реминерализует соединения от органической формы обратно в неорганическую, что делает их доступными для первичных производителей.

Для большинства областей океана самые высокие показатели углеродной реминерализации встречаются на глубине от 100 до 1 200 м (330–3 940 футов) в толще воды, уменьшаясь до 1200 м, где скорости реминерализации остаются довольно постоянными при 0,1 мкмоль кг. ⁻¹ а ⁻¹. ^{[ 11 ]} В результате этого пул реминерализированного углерода (который обычно принимает форму углекислого газа), как правило, увеличивается в фотоамериканской зоне.

Большая часть реминерализации выполняется с растворенным органическим углеродом (DOC). Исследования показали, что это большие тонущие частицы, которые переносят вещество вниз на морское дно ^{[ 12 ]} в то время как взвешенные частицы и растворенные органические вещества в основном потребляются реминерализацией. ^{[ 13 ]} Частично это происходит из -за того, что организмы обычно должны принимать питательные вещества меньше, чем они, часто по порядку. ^{[ 14 ]} С микробным сообществом, составляющим 90% морской биомассы, ^{[ 15 ]} это частицы меньше микробов (по порядку 10 ⁻⁶^{[ 16 ]}) это будет принято для реминерализации.

Смотрите также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^{беременный} Сармьенто, Хорхе (2006). Океан биогеохимическая динамика . ПРИЗНАЯ УНИВЕРСИТЕТА ПРИСЕТА. ISBN 978-0-691-01707-5 .
^ Вернберг, Ф. Джон (1981). "Бентисная макрофауна" . В Вернберге, Ф. Джон; Вернберг, Вайнона Б. (ред.). Функциональные адаптации морских организмов . Академическая пресса. С. 179–230 . ISBN 978-0-12-718280-3 .
^ Jump up to: ^а ^{беременный} Альтенбах, Александр; Бернхард, Джоан М.; Секбах, Джозеф (20 октября 2011 г.). Аноксия: доказательства выживания эукариота и палеонтологических стратегий . Springer Science & Business Media. ISBN 978-94-007-1896-8 .
^ Глюд, Ронни (2008). «Кислородная динамика морских отложений» (PDF) . Морская биологическая исследование . 4 (4): 243–289. doi : 10.1080/17451000801888726 .
^ Burdige, David (2006). Геохимия морских отложений . ПРИЗНАЯ УНИВЕРСИТЕТА ПРИСЕТА. ISBN 978-0-691-09506-6 .
^ Постма, Дик; Якобсен, Расмус (1 сентября 1996 г.). «Окислительно-восстановительное зонатация: равновесие на границе раздела Fe (III)/SO4-восстановление» Geochimica et cosmochimica acta 60 (17): 3169–3 Bibcode : 1996gecoa..60.3169p Doi : 10.1016/0016-7037 (96) 00156-1
^ Будро, Бернард (2001). Бентический пограничный слой: транспортные процессы и биогеохимия . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-511881-0 .
^ Либес, Сьюзен (2009). Введение в морскую биогеохимию . Академическая пресса. ISBN 978-0-12-088530-5 .
^ Томас, Хельмут; Бозек, Янн; Elkalay, Khalid; Баар, Хейн Дж.В. де (14 мая 2004 г.). «Усовершенствованное хранение в открытом океане CO2 от Shelf Sea Pucling» (PDF) . Наука . 304 (5673): 1005–1008. Bibcode : 2004sci ... 304.1005t . doi : 10.1126/science.1095491 . HDL : 11370/E821600E-4560-49E8-EAEC-18EEB17549E3 . ISSN 0036-8075 . PMID 15143279 . S2CID 129790522 .
^ De La Rocha, CL (2006). «Биологический насос». В Голландии, Генрих Д.; Турекиан, Карл К. (ред.). Трактат по геохимии . Тол. 6. Pergamon Press. п. 625. Bibcode : 2003trgeo ... 6 ... 83d . doi : 10.1016/b0-08-043751-6/06107-7 . ISBN 978-0-08-043751-4 .
^ Фели, Ричард А.; Сабина, Кристофер Л.; Шлицер, Рейнер; Буллистер, Джон Л.; Мик, Сабина; Грили, Дана (1 февраля 2004 г.). «Использование кислорода и органическая реминерализация углеродного углерода в верхней части воды Тихого океана». Журнал океанографии . 60 (1): 45–52. doi : 10.1023/b: joce.0000038317.01279.aa . ISSN 0916-8370 . S2CID 67846685 .
^ Карл, Дэвид М.; Кнауэр, Джордж А.; Мартин, Джон Х. (1 марта 1988 г.). «Нисходящий поток органического вещества частиц в океане: парадокс разложения частиц». Природа . 332 (6163): 438–441. Bibcode : 1988nater.332..438k . doi : 10.1038/332438A0 . ISSN 0028-0836 . S2CID 4356597 .
^ Лефевр, Д.; Денис, М.; Ламберт, CE; Микель, J. -C. (1 февраля 1996 г.). «Является ли Док основным источником реминерализации органического вещества в столбце водой океана?». Журнал морских систем . Прибрежный океан с точки зрения глобальных изменений. 7 (2–4): 281–291. Bibcode : 1996jms ..... 7.. 281L . doi : 10.1016/0924-7963 (95) 00003-8 .
^ Шульце, Эрнст-Детлеф; Муни, Гарольд А. (6 декабря 2012 г.). Биоразнообразие и функция экосистемы . Springer Science & Business Media. ISBN 978-3-642-58001-7 .
^ «Международная перепись морских микробов (ICOMM)» . www.coml.org . Перепись морской жизни. Архивировано с оригинала 17 марта 2016 года . Получено 29 февраля 2016 года .
^ «Размер микроба - безграничный открытый учебник» . Безграничный . Получено 29 февраля 2016 года .

[:2-1] Jump up to: ^а ^{беременный} Сармьенто, Хорхе (2006). Океан биогеохимическая динамика . ПРИЗНАЯ УНИВЕРСИТЕТА ПРИСЕТА. ISBN 978-0-691-01707-5 .

[2] Вернберг, Ф. Джон (1981). "Бентисная макрофауна" . В Вернберге, Ф. Джон; Вернберг, Вайнона Б. (ред.). Функциональные адаптации морских организмов . Академическая пресса. С. 179–230 . ISBN 978-0-12-718280-3 .

[:0-3] Jump up to: ^а ^{беременный} Альтенбах, Александр; Бернхард, Джоан М.; Секбах, Джозеф (20 октября 2011 г.). Аноксия: доказательства выживания эукариота и палеонтологических стратегий . Springer Science & Business Media. ISBN 978-94-007-1896-8 .

[4] Глюд, Ронни (2008). «Кислородная динамика морских отложений» (PDF) . Морская биологическая исследование . 4 (4): 243–289. doi : 10.1080/17451000801888726 .

[5] Burdige, David (2006). Геохимия морских отложений . ПРИЗНАЯ УНИВЕРСИТЕТА ПРИСЕТА. ISBN 978-0-691-09506-6 .

[:1-6] Постма, Дик; Якобсен, Расмус (1 сентября 1996 г.). «Окислительно-восстановительное зонатация: равновесие на границе раздела Fe (III)/SO4-восстановление» Geochimica et cosmochimica acta 60 (17): 3169–3 Bibcode : 1996gecoa..60.3169p Doi : 10.1016/0016-7037 (96) 00156-1

[7] Будро, Бернард (2001). Бентический пограничный слой: транспортные процессы и биогеохимия . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-511881-0 .

[8] Либес, Сьюзен (2009). Введение в морскую биогеохимию . Академическая пресса. ISBN 978-0-12-088530-5 .

[9] Томас, Хельмут; Бозек, Янн; Elkalay, Khalid; Баар, Хейн Дж.В. де (14 мая 2004 г.). «Усовершенствованное хранение в открытом океане CO2 от Shelf Sea Pucling» (PDF) . Наука . 304 (5673): 1005–1008. Bibcode : 2004sci ... 304.1005t . doi : 10.1126/science.1095491 . HDL : 11370/E821600E-4560-49E8-EAEC-18EEB17549E3 . ISSN 0036-8075 . PMID 15143279 . S2CID 129790522 .

[10] De La Rocha, CL (2006). «Биологический насос». В Голландии, Генрих Д.; Турекиан, Карл К. (ред.). Трактат по геохимии . Тол. 6. Pergamon Press. п. 625. Bibcode : 2003trgeo ... 6 ... 83d . doi : 10.1016/b0-08-043751-6/06107-7 . ISBN 978-0-08-043751-4 .

[11] Фели, Ричард А.; Сабина, Кристофер Л.; Шлицер, Рейнер; Буллистер, Джон Л.; Мик, Сабина; Грили, Дана (1 февраля 2004 г.). «Использование кислорода и органическая реминерализация углеродного углерода в верхней части воды Тихого океана». Журнал океанографии . 60 (1): 45–52. doi : 10.1023/b: joce.0000038317.01279.aa . ISSN 0916-8370 . S2CID 67846685 .

[12] Карл, Дэвид М.; Кнауэр, Джордж А.; Мартин, Джон Х. (1 марта 1988 г.). «Нисходящий поток органического вещества частиц в океане: парадокс разложения частиц». Природа . 332 (6163): 438–441. Bibcode : 1988nater.332..438k . doi : 10.1038/332438A0 . ISSN 0028-0836 . S2CID 4356597 .

[13] Лефевр, Д.; Денис, М.; Ламберт, CE; Микель, J. -C. (1 февраля 1996 г.). «Является ли Док основным источником реминерализации органического вещества в столбце водой океана?». Журнал морских систем . Прибрежный океан с точки зрения глобальных изменений. 7 (2–4): 281–291. Bibcode : 1996jms ..... 7.. 281L . doi : 10.1016/0924-7963 (95) 00003-8 .

[14] Шульце, Эрнст-Детлеф; Муни, Гарольд А. (6 декабря 2012 г.). Биоразнообразие и функция экосистемы . Springer Science & Business Media. ISBN 978-3-642-58001-7 .

[15] «Международная перепись морских микробов (ICOMM)» . www.coml.org . Перепись морской жизни. Архивировано с оригинала 17 марта 2016 года . Получено 29 февраля 2016 года .

[16] «Размер микроба - безграничный открытый учебник» . Безграничный . Получено 29 февраля 2016 года .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]