Remineralizasyon - Remineralisation

Gelen biyojeokimyası , remineralizasyonu (ya da re-mineralizasyon ) arıza veya dönüşümü belirtir organik maddenin en basit olarak (bu moleküller, bir biyolojik kaynaktan türetilmiştir) inorganik formları. Bu dönüşümler , organik moleküllerde depolanan enerjinin serbest bırakılmasından ve diğer organizmalar tarafından besin olarak yeniden kullanılmak üzere sistemdeki maddenin geri dönüştürülmesinden sorumlu oldukları için ekosistemler içinde çok önemli bir bağlantı oluşturur .

Remineralizasyon normalde karbon , nitrojen ve fosfor gibi biyolojik olarak önemli ana elementlerin döngüsü ile ilgili olduğu için görülür . Süreç, tüm ekosistemler için çok önemli olmakla birlikte , sucul ekosistemlerin biyojeokimyasal dinamikleri ve döngüsünde önemli bir bağlantı oluşturduğu su ortamlarında özel olarak ele alınmaktadır .

Biyojeokimyadaki rolü

ilgili bir serinin parçası
biyomineralizasyon
Genel mineralize dokular biyokristalizasyon biyoarayüz biyofilm yeniden mineralizasyon
Dış iskeletler (kabuklar) Eklem bacaklı dış iskelet kütikül Brakiyopod kabuğu Kafadanbacaklı kabuğu sirrate kabuk mürekkepbalığı kemiği gladius Lorica choanoflagellate lorica protist kabuğu kokosfer kokolit diatom frustule foraminifer testi vasiyet amip deniz kabuğu derisidikenli stereomu yumuşakça kabuğu sedef chiton kabuğu karındanbacaklı kabuğu küçük kabuklu fauna pullu ayak salyangoz kabuğu Haliç kabukları sünger siğil Ölçek
İç iskeletler ( kemikler ) Omurgalı iskeleti kemik minerali kemikleşme
Dişler, pullar, dişler vb. Limpet dişleri Otolit otolitik membran Ölçek mikrofosiller diş
jeolojik formlar kireçlenme amorf kalsiyum karbonat deniz biyojenik kalsifikasyonu Aragonit oolitik aragonit kumu aragonit denizi Kalsit mikrobiyal kalsit çökeltme kalsit denizi Büyük Kalsit Kuşağı Silikat biyojenik silika silisli sızıntı silisli toprak kemik yatağı kerojen aljinit petrol şeyl Fosfat
Başka Mineral evrimi Toprakta mineralizasyon immobilizasyon balast mineralleri manyetofosil manyetozom manyetotaktik bakteri manyetoresepsiyon mikrofosiller kazınmış gen Dürzi Cupriavidus metallidurans Biyomineralize poliketler Mineral besinler mikrobiyal mat fosilleşme permineralizasyon taşlaşma Burgess Şeyli koruma
v T e

"Remineralizasyon" terimi, farklı disiplinlerde çeşitli bağlamlarda kullanılmaktadır. Terim en yaygın olarak, diş veya kemik gibi organizmalardaki mineralize yapıların gelişimini veya yeniden gelişmesini tanımladığı tıbbi ve fizyolojik alanlarda kullanılır . Bununla birlikte biyojeokimya alanında, belirli bir ekosistem içindeki elementel döngü zincirindeki bir bağlantıyı tanımlamak için remineralizasyon kullanılır. Özellikle remineralizasyon, canlı organizmalar tarafından oluşturulan organik materyalin, organik bir kaynaktan geldiği açık bir şekilde tanımlanamayan bazal inorganik bileşenlere ayrıldığı noktayı temsil eder. Bu , daha büyük yapıların daha küçük yapılara dönüşmesinin daha genel bir tanımlayıcısı olan ayrışma sürecinden farklıdır .

Biyojeokimyacılar, bu süreci çeşitli nedenlerle tüm ekosistemlerde inceler. Bu öncelikle belirli bir sistemdeki malzeme ve enerji akışını araştırmak için yapılır; bu, o ekosistemin üretkenliğini ve ayrıca malzemeyi nasıl geri dönüştürdüğünü ve sisteme ne kadar girdiğini anlamanın anahtarıdır. Belirli bir sistemdeki organik madde yeniden mineralizasyonunun oranlarını ve dinamiklerini anlamak, bazı ekosistemlerin nasıl veya neden diğerlerinden daha verimli olabileceğini belirlemeye yardımcı olabilir.

Remineralizasyon reaksiyonları

Remineralizasyon sürecinin [mikroplar içinde] bir dizi karmaşık biyokimyasal yol olduğuna dikkat etmek önemli olsa da, ekosistem düzeyinde modeller ve hesaplamalar için genellikle bir dizi tek adımlı süreç olarak basitleştirilebilir. Bu reaksiyonların genel bir formu şu şekilde gösterilmektedir:

${\displaystyle {\ce {{Organik\ Madde}+Oksidan->{Kurtarılmış\ Basit\ Besin Maddeleri}+{\underset {Karbon~Dioksit}{CO2}}+{\underset {Su}{H2O}}}}}$

Yukarıdaki genel denklem iki reaktan ile başlar: bir parça organik madde (organik karbondan oluşur) ve bir oksitleyici. Çoğu organik karbon indirgenmiş bir formda bulunur ve daha sonra oksitleyici ( O ₂ gibi ) tarafından CO'ya oksitlenir.
2ve organizmanın kullanabileceği enerji. Bu süreç genellikle CO üretir
2, su ve daha sonra diğer organizmalar tarafından alınabilen nitrat veya fosfat gibi basit besinler topluluğu. Yukarıdaki genel bir şekilde, göz önüne alındığında O ₂ oksitleyici olarak, solunum için denklem. Bu bağlamda spesifik olarak, yukarıdaki denklem bakteriyel solunumu temsil eder, ancak reaktanlar ve ürünler esasen çok hücreli solunum için kullanılan kısa-el denklemlere benzerdir.

Elektron alıcı kaskadı

İdealleştirilmiş nispi derinliklere dayalı deniz tortusu gözenek suyundaki ana elektron alıcılarının taslağı

Modern okyanusta solunum yoluyla organik maddenin bozunması, farklı elektron alıcıları, Gibbs serbest enerji yasasına ve termodinamik yasalarına dayanan tercih edilebilirlikleri tarafından kolaylaştırılır . Bu redoks kimyası, derin deniz çökellerindeki yaşamın temelidir ve orada yaşayan organizmalar için enerjinin elde edilebilirliğini belirler. Su arayüzünden daha derin tortullara doğru hareket eden bu alıcıların sırası oksijen , nitrat , manganez , demir ve sülfattır . Bu tercih edilen alıcıların bölgelenmesi Şekil 1'de görülebilir. Bu derin okyanus çökellerinin bölgelenmesi yoluyla yüzeyden aşağı doğru hareket edildiğinde, alıcılar kullanılır ve tükenir. Bir kez tükendiğinde, bir sonraki daha düşük olumlu kabul eden onun yerini alır. Termodinamik olarak oksijen, kabul edilen en uygun elektronu temsil eder, ancak su tortusu arayüzünde hızla kullanılır ve O
2Derin denizin birçok yerindeki konsantrasyonlar tortunun derinliklerine kadar yalnızca milimetreden santimetreye kadar uzanır. Bu elverişlilik, bir organizmanın reaksiyondan diğer organizmalarla rekabet etmesine yardımcı olan daha yüksek enerji elde etme yeteneğini gösterir. Bu alıcıların yokluğunda, organik madde de metanojenez yoluyla bozunabilir, ancak bu organik maddenin net oksidasyonu bu işlemle tam olarak temsil edilmez. Her yol ve reaksiyonunun stokiyometrisi tablo 1'de listelenmiştir.

O'nun bu hızlı tükenmesi nedeniyle
2yüzey tortularında, mikropların çoğu manganez, demir ve sülfat gibi diğer oksitleri metabolize etmek için anaerobik yollar kullanır. Aynı zamanda, şekil önemlidir Biyotürbasyon ve her bir solunum yolunun nispi önemini değiştirebilir bu malzemenin karıştırılması sabit. Mikrobiyal perspektif için lütfen elektron taşıma zincirine bakın .

Sedimentlerde remineralizasyon

Reaksiyonlar

Termodinamik enerjiye dayalı deniz çökellerindeki indirgeme reaksiyonlarının nispi uygunluğu. Okların kökeni, yarı hücre reaksiyonuyla ilişkili enerjiyi gösterir. Ok uzunluğu, reaksiyon için bir ΔG tahminini gösterir (Libes'ten uyarlanmıştır, 2011).

Fotik bölgeden çıkan tüm organik materyallerin dörtte biri yeniden mineralleştirilmeden deniz tabanına ulaşır ve bu kalan materyalin %90'ı sedimanlarda yeniden mineralize olur. Sedimente girdikten sonra, çeşitli reaksiyonlar yoluyla organik remineralizasyon meydana gelebilir. Aşağıdaki reaksiyonlar, organik maddenin yeniden mineralleştirilmesinin başlıca yollarıdır, bunlarda genel organik madde (OM) genellikle kısa yol ile temsil edilir: (CH
2Ö)
106(NH
3)
16(H
3PO
4) .

aerobik solunum

Aerobik solunum, yüksek enerji verimi nedeniyle en çok tercih edilen remineralizasyon reaksiyonudur. Oksijen çökeltilerde hızla tükenir ve genellikle tortu-su arayüzünden santimetrelerce tükenir.

anaerobik solunum

Çevrenin suboksik veya anoksik olduğu durumlarda , organizmalar en büyük ikinci enerji miktarını sağladığı için organik maddeyi yeniden mineralize etmek için denitrifikasyonu kullanmayı tercih edeceklerdir . Denitrifikasyonun tercih edildiği derinliklerde, sırasıyla Mangan Azaltma, Demir İndirgeme, Sülfat İndirgeme, Metan İndirgeme ( Metanojenez olarak da bilinir ) gibi reaksiyonlar tercih edilir. Bu uygunluk, Gibbs Serbest Enerjisi (ΔG) tarafından yönetilir . Bir su kütlesinde, tortu deniz yatağında veya toprakta, bu kimyasal reaksiyonların sağlanan enerji sırasına göre derinlikle sıralanmasına redoks gradyanı denir .

solunum tipi	Reaksiyon		Δ G
aerobik	Oksijen azaltma	${\displaystyle {\ce {OM + 150O2 -> 106CO2 + 16HNO3 + H3PO4 + 78H2O}}}$	-29.9
anaerobik	denitrifikasyon	${\displaystyle {\ce {OM + 104HNO3 -> 106CO2 + 60N2 + H3PO4 + 138H2O}}}$	-28.4
	manganez azaltma	${\displaystyle {\ce {OM + 260MnO2 + 174H2O -> 106CO2 + 8N2 + H3PO4 + 260Mn(OH)2}}}$	-7.2
	Demir azaltma	${\displaystyle {\ce {OM + 236Fe2O3 + 410H2O -> 106CO2 + 16NH3 + H3PO4 + 472Fe(OH)2}}}$	-21.0
	Sülfat azaltma	${\displaystyle {\ce {OM + 59H2SO4 -> 106CO2 + 16NH3 + H3PO4 + 59H2S + 62H2O}}}$	-6.1
	Metan fermantasyonu ( Metanogenez )	${\displaystyle {\ce {OM + 59H2O -> 47CO2 + 59CH4 + 16NH3 + H3PO4}}}$	-5.6

redoks bölgelemesi

Redoks bölgelemesi, organik madde bozunması sonucunda terminal elektronları transfer eden süreçlerin zamana ve mekana bağlı olarak nasıl değiştiğini ifade eder. Yukarıda ayrıntıları verilen enerji alıcı kademesinde detaylandırıldığı gibi, enerji verimleri nedeniyle belirli reaksiyonlar diğerlerine göre tercih edilecektir. Oksijenin kolayca bulunabildiği oksik koşullarda, yüksek enerji verimi nedeniyle aerobik solunum tercih edilecektir. Solunum yoluyla oksijen kullanımı, biyotürbasyon ve difüzyon nedeniyle oksijen girişini aştığında, ortam anoksik hale gelecek ve organik madde denitrifikasyon ve manganez indirgemesi gibi başka yollarla parçalanacaktır.

Açık okyanusta yeniden mineralizasyon

Açık okyanusta karbon akışını gösteren besin ağı

Çoğu açık okyanus ekosisteminde, organik maddenin sadece küçük bir kısmı deniz tabanına ulaşır. Çoğu su kütlesinin fotik bölgesindeki biyolojik aktivite, materyali o kadar iyi geri dönüştürme eğilimindedir ki, organik maddenin yalnızca küçük bir kısmı bu üst fotosentetik katmandan dışarı çıkar. Bu üst tabaka içinde yeniden mineralizasyon hızla gerçekleşir ve daha yüksek organizma konsantrasyonları ve ışığın mevcudiyeti nedeniyle, bu yeniden mineralize edilmiş besinler genellikle serbest bırakıldıkları kadar hızlı bir şekilde ototroflar tarafından alınır.

Hangi kesir kaçar, ilgilenilen yere bağlı olarak değişir. Örneğin, Kuzey Denizi'nde, karbon birikimi değerleri birincil üretimin ~%1'i iken, bu değer açık okyanuslarda ortalama <%0,5'tir. Bu nedenle, besinlerin çoğu, biyota tarafından geri dönüştürülen su sütununda kalır . Heterotrofik organizmalar, ototrofik (ve kemotropik ) organizmalar tarafından üretilen malzemeleri kullanacak ve solunum yoluyla bileşikleri organik formdan inorganik hale getirerek yeniden birincil üreticiler için kullanılabilir hale getirecektir.

Okyanus pek çok alanda, bir karbon remineralizasyon en yüksek oranda remineralizasyonu oranları 0.1 umol kg oldukça sabit kalır burada yaklaşık 1,200 m kadar azalan, su sütununda 100-1,200 m (330-3,940 ft) arasındaki derinliklerde meydana ^-1 yıl ^-1 . Bunun bir sonucu olarak, remineralize karbon havuzu (genellikle karbon dioksit şeklini alır) artma eğilimindedir.

Çoğu remineralizasyon, çözünmüş organik karbon (DOC) ile yapılır. Çalışmalar, maddeyi deniz tabanına taşıyanın daha büyük batan partiküller olduğunu, askıdaki partiküllerin ve çözünmüş organiklerin ise çoğunlukla remineralizasyon ile tüketildiğini göstermiştir. Bu kısmen, organizmaların tipik olarak, genellikle büyüklük sırasına göre, olduğundan daha küçük besinleri almaları gerektiği gerçeğinden kaynaklanır. Deniz biyokütlesinin %90'ını oluşturan mikrobiyal toplulukla, remineralizasyon için alınacak olan mikroplardan daha küçük partiküllerdir (10 ^{- 6} mertebesinde ).

Ayrıca bakınız

• biyolojik pompa
• Ayrışma
• f oranı
• John D. Hamaker (toprağın yeniden mineralleştirilmesi)
• Mineralizasyon (biyoloji)
• Mineralizasyon (toprak bilimi)
• İmmobilizasyon (toprak bilimi)

Referanslar