تدرج الأكسدة والاختزال

📅 آخر تحديث: ٢٢ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٢ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 8 صور
الموسوعة الحرة
تصوير تفاعلات الأكسدة والاختزال الشائعة في البيئة. مقتبس من رسومات تشانغ [ 1 ] وغورني [ 2 ] . تم إدراج أزواج الأكسدة والاختزال مع المؤكسد (مستقبل الإلكترون) باللون الأحمر والمختزل (مانح الإلكترون) باللون الأسود.
التفضيل النسبي لتفاعلات الأكسدة والاختزال في الرواسب البحرية بناءً على الطاقة. تشير نقاط بداية الأسهم إلى الطاقة المرتبطة بتفاعل نصف الخلية. تشير أطوال الأسهم إلى تقدير طاقة جيبس ​​الحرة (ΔG) للتفاعل، حيث تشير قيمة ΔG الأعلى إلى تفضيل طاقي أكبر (مقتبس من ليبس، 2011). [ 3 ]

التدرج التأكسدي-الاختزالي هو سلسلة من تفاعلات الأكسدة والاختزال ( الأكسدة والاختزال ) مرتبة وفقًا لجهد الأكسدة والاختزال . [ 4 ] [ 5 ] يُظهر سلم الأكسدة والاختزال ترتيب حدوث تفاعلات الأكسدة والاختزال بناءً على الطاقة الحرة المكتسبة من أزواج الأكسدة والاختزال. [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] تتشكل هذه التدرجات التأكسدية-الاختزالية مكانيًا وزمنيًا نتيجةً لاختلافات في العمليات الميكروبية، والتركيب الكيميائي للبيئة، وجهد الأكسدة. [ 5 ] [ 4 ] من البيئات الشائعة التي توجد فيها التدرجات التأكسدية-الاختزالية: المستنقعات الساحلية ، والبحيرات ، وأعمدة التلوث، والتربة . [ 1 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]

تتميز الأرض بتدرج أكسدة-اختزال عالمي ، حيث تسود بيئة مؤكسدة على السطح، بينما تزداد الظروف اختزالاً تحت السطح. [ 4 ] تُفهم تدرجات الأكسدة-الاختزال عمومًا على المستوى الكلي، لكن توصيف تفاعلات الأكسدة-الاختزال في البيئات غير المتجانسة على المستوى الميكروي يتطلب مزيدًا من البحث وتقنيات قياس أكثر تطورًا. [ 5 ] [ 1 ] [ 7 ] [ 6 ]

قياس ظروف الأكسدة والاختزال

تُقاس ظروف الأكسدة والاختزال وفقًا لجهد الأكسدة والاختزال (E<sub> h</sub> ) بالفولت، والذي يُمثل ميل الإلكترونات للانتقال من مانح الإلكترونات إلى مستقبلها . يُمكن حساب E <sub>h</sub> باستخدام أنصاف التفاعلات ومعادلة نرنست . [ 1 ] يُمثل E <sub> h </sub> الصفر زوج الأكسدة والاختزال لقطب الهيدروجين القياسي H <sup>+ </sup>/H <sub>2</sub>، [ 8 ] بينما يُشير E<sub> h </sub> الموجب إلى بيئة مؤكسدة (حيث يتم استقبال الإلكترونات)، ويُشير E<sub> h </sub> السالب إلى بيئة مُختزلة (حيث يتم منح الإلكترونات). [ 1 ] في تدرج الأكسدة والاختزال، يحدث التفاعل الكيميائي الأكثر تفضيلًا من الناحية الطاقية في أعلى سلم الأكسدة والاختزال، بينما يحدث التفاعل الأقل تفضيلًا من الناحية الطاقية في أسفله. [ 1 ]

يمكن قياس جهد الأكسدة والاختزال (E <sub>h</sub>) عن طريق جمع عينات ميدانية وإجراء تحليلات في المختبر، أو عن طريق إدخال قطب كهربائي في البيئة لجمع قياسات مباشرة. [ 6 ] [ 5 ] [ 1 ] تشمل البيئات النموذجية لقياس جهد الأكسدة والاختزال المسطحات المائية والتربة والرواسب، والتي قد تُظهر جميعها مستويات عالية من عدم التجانس. [ 5 ] [ 1 ] يمكن أن يؤدي جمع عدد كبير من العينات إلى دقة مكانية عالية، ولكن على حساب دقة زمنية منخفضة لأن العينات لا تعكس سوى لقطة واحدة في الزمن. [ 8 ] [ 1 ] [ 5 ] يمكن أن يوفر الرصد المباشر دقة زمنية عالية من خلال جمع قياسات مستمرة في الوقت الفعلي، ولكنه يوفر دقة مكانية منخفضة لأن القطب الكهربائي يكون في موقع ثابت. [ 1 ] [ 5 ]

يمكن أيضًا تتبع خصائص الأكسدة والاختزال بدقة مكانية وزمنية عالية باستخدام التصوير بالاستقطاب المستحث ، ومع ذلك، هناك حاجة إلى مزيد من البحث لفهم مساهمات أنواع الأكسدة والاختزال في الاستقطاب بشكل كامل. [ 6 ]

الظروف البيئية

تُعدّ تدرجات الأكسدة والاختزال شائعة في البيئة، وتعتمد على كلٍّ من المكان والزمان، [ 9 ] [ 8 ] لا سيما في التربة والبيئات المائية. [ 8 ] [ 6 ] وتنتج هذه التدرجات عن اختلاف الخصائص الفيزيائية والكيميائية، بما في ذلك توافر الأكسجين، وهيدرولوجيا التربة، والأنواع الكيميائية الموجودة، والعمليات الميكروبية. [ 1 ] [ 4 ] [ 9 ] [ 8 ] ومن البيئات التي تتميز عادةً بتدرجات الأكسدة والاختزال: التربة المشبعة بالمياه ، والأراضي الرطبة ، [ 8 ] وأعمدة التلوث، [ 9 ] [ 4 ] والرواسب البحرية السطحية وشبه السطحية . [ 4 ]

فيما يلي قائمة بالتفاعلات الشائعة التي تحدث في البيئة مرتبة من الأكسدة إلى الاختزال (الكائنات الحية التي تقوم بالتفاعل بين قوسين): [ 1 ]

  1. التنفس الهوائي (الكائنات الهوائية: الكائنات الهوائية )
  2. نزع النيتروجين (البكتيريا النازعة للنيتروجين: البكتيريا النازعة للنيتروجين )
  3. اختزال المنغنيز (مختزلات المنغنيز)
  4. اختزال الحديد (مختزلات الحديد: البكتيريا المختزلة للحديد )
  5. اختزال الكبريتات (مختزلات الكبريتات: البكتيريا المختزلة للكبريت )
  6. إنتاج الميثان ( الميثانوجينات )

البيئات المائية

تتشكل تدرجات الأكسدة والاختزال في أعمدة الماء ورواسبها. وتؤدي المستويات المتفاوتة للأكسجين (مؤكسدة، شبه مؤكسدة، ناقصة الأكسجين ) داخل عمود الماء إلى تغيير كيمياء الأكسدة والاختزال وأنواع تفاعلات الأكسدة والاختزال التي يمكن أن تحدث. [ 10 ] كما يساهم تكوّن مناطق الحد الأدنى من الأكسجين في تكوين تدرجات الأكسدة والاختزال.

تُظهر الرواسب القاعية تدرجات في تفاعلات الأكسدة والاختزال ناتجة عن اختلافات في التركيب المعدني، وتوافر المواد العضوية، والبنية، وديناميكيات الامتزاز. [ 5 ] يؤدي محدودية انتقال الإلكترونات المذابة عبر الرواسب تحت السطحية، بالإضافة إلى اختلاف أحجام مسام الرواسب، إلى عدم تجانس كبير في الرواسب القاعية. [ 5 ] يحدد توافر الأكسجين في الرواسب مسارات التنفس الميكروبي التي يمكن أن تحدث، مما ينتج عنه تدرج رأسي في عمليات الأكسدة والاختزال حيث يقل توافر الأكسجين مع العمق. [ 5 ]

البيئات الأرضية

يُعد جهد الأكسدة والاختزال (Eh ) للتربة دالةً أساسيةً للظروف الهيدرولوجية. [ 1 ] [ 8 ] [ 6 ] في حالة الفيضان، قد تتحول التربة المشبعة من بيئة مؤكسدة إلى بيئة لاهوائية، مما يخلق بيئةً مختزلةً مع سيطرة العمليات الميكروبية اللاهوائية. [ 1 ] [ 8 ] علاوةً على ذلك، قد تتشكل بؤر صغيرة لاهوائية داخل مسام التربة، مما يخلق ظروفًا مختزلة. [ 6 ] مع مرور الوقت، يمكن استعادة جهد الأكسدة والاختزال الأولي للتربة مع تصريف المياه وجفاف التربة. [ 1 ] [ 8 ] تُصنف التربة ذات تدرجات الأكسدة والاختزال الناتجة عن المياه الجوفية الصاعدة على أنها تربة غليسول ، بينما تُصنف التربة ذات التدرجات الناتجة عن المياه الراكدة على أنها تربة ستاغنوسول وتربة بلانوسول .

يتراوح جهد الاختزال (Eh ) للتربة عمومًا من -300 إلى +900  ملي فولت. [ 8 ] يلخص الجدول أدناه قيم Eh النموذجية لظروف التربة المختلفة: [ 1 ] [ 8 ]

ظروف التربةنطاق E h النموذجي (مللي فولت) [ 1 ] [ 8 ]
غارق بالمياهE h < +250
مهوى - مخفف بشكل معتدل+100 < E h < +400
مهوى - مخفض-100 < E h < +100
مهوى - مخفض للغاية−300 < E h < −100
مزروع+300 < E h < +500

تتراوح حدود جهد الأكسدة والاختزال ( Eh ) المقبولة عمومًا والتي تتحملها النباتات بين +300  ملي فولت و+700 ملي فولت. [ 8 ] وتُعدّ قيمة 300 ملي فولت الحد الفاصل بين الظروف الهوائية واللاهوائية في تربة الأراضي الرطبة. [ 1 ] ويرتبط جهد الأكسدة والاختزال (Eh ) ارتباطًا وثيقًا بدرجة الحموضة (pH )، وكلاهما يؤثر بشكل كبير على وظائف أنظمة التربة والنباتات والكائنات الدقيقة. [ 1 ] [ 8 ] ويُعدّ المادة العضوية المصدر الرئيسي للإلكترونات في التربة . [ 8 ] وتستهلك المادة العضوية الأكسجين أثناء تحللها، مما يؤدي إلى اختزال التربة وانخفاض جهد الأكسدة والاختزال (Eh ) . [ 8 ]  

دور الكائنات الدقيقة

تتشكل تدرجات الأكسدة والاختزال بناءً على توافر الموارد والظروف الفيزيائية والكيميائية (الأس الهيدروجيني، والملوحة، ودرجة الحرارة)، وتدعم مجتمعات ميكروبية متدرجة . [ 1 ] [ 5 ] [ 9 ] [ 8 ] [ 7 ] تقوم الميكروبات بعمليات تنفسية مختلفة ( مثل إنتاج الميثان ، واختزال الكبريتات، وغيرها) تبعًا للظروف المحيطة بها، مما يزيد من تضخيم تدرجات الأكسدة والاختزال الموجودة في البيئة. [ 9 ] [ 1 ] [ 8 ] ومع ذلك، لا يمكن تحديد توزيع الكائنات الدقيقة من خلال الديناميكا الحرارية (سلم الأكسدة والاختزال) فقط، بل يتأثر أيضًا بعوامل بيئية وفيزيولوجية. [ 6 ] [ 5 ]

تتشكل تدرجات الأكسدة والاختزال على طول أعمدة التلوث، في كل من البيئات المائية والبرية، كدالة لتركيز الملوث وتأثيراته على العمليات الكيميائية ذات الصلة والمجتمعات الميكروبية. [ 1 ] [ 9 ] تُسجل أعلى معدلات تحلل الملوثات العضوية على طول تدرج الأكسدة والاختزال عند الحد الفاصل بين البيئات المؤكسدة وغير المؤكسدة. [ 1 ] في المياه الجوفية، تُعرف هذه البيئة المؤكسدة وغير المؤكسدة باسم " الهامش الشعري" ، حيث يلتقي مستوى الماء الجوفي بالتربة ويملأ المسامات الفارغة. ولأن هذه المنطقة الانتقالية مؤكسدة وغير مؤكسدة في آنٍ واحد، فإن مستقبلات ومانحات الإلكترونات تكون وفيرة، كما أن مستوى النشاط الميكروبي مرتفع، مما يؤدي إلى أعلى معدلات التحلل البيولوجي للملوثات. [ 1 ] [ 9 ]

تتميز الرواسب القاعية بطبيعتها غير المتجانسة، وبالتالي تُظهر تدرجات في تفاعلات الأكسدة والاختزال. [ 5 ] وبسبب هذا التباين، لا تتداخل تدرجات الأنواع الكيميائية المختزلة والمؤكسدة دائمًا بشكل كافٍ لتلبية احتياجات نقل الإلكترون للمجتمعات الميكروبية المتخصصة. [ 5 ] وقد وُصفت بكتيريا الكابل بأنها بكتيريا مؤكسدة للكبريتيد، تُساعد في ربط هذه المناطق التي تعاني من نقص أو فائض في الإلكترونات، لإتمام نقل الإلكترونات لتفاعلات الأكسدة والاختزال التي لا تتوفر لولاها. [ 5 ]

تُظهر الأغشية الحيوية ، الموجودة في المسطحات المدية والأنهار الجليدية والفتحات الحرارية المائية وفي قيعان البيئات المائية، تدرجات في تفاعلات الأكسدة والاختزال. [ 5 ] يُنتج مجتمع الميكروبات - الذي غالبًا ما يكون بكتيريا مختزلة للمعادن أو الكبريتات - تدرجات في تفاعلات الأكسدة والاختزال على مستوى الميكرومتر كدالة للتغيرات الفيزيائية والكيميائية المكانية. [ 5 ]

انظر إلى منطقة الانتقال بين الكبريتات والميثان للاطلاع على تغطية العمليات الميكروبية في مناطق الانتقال بين الكبريتات والميثان.

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 تشانغ، زينغيو؛ فورمان، أليكس (2021). "ديناميكيات الأكسدة والاختزال في التربة في ظل أنظمة هيدرولوجية ديناميكية - مراجعة" . مجلة علوم البيئة الشاملة . 763 143026. Bibcode : 2021ScTEn.76343026Z . doi : 10.1016/j.scitotenv.2020.143026 . ISSN 0048-9697 . PMID 33143917. S2CID 226249448 .   
  2. ↑ جورني، ج.؛ بيلون، ج.؛ ليسفين، ل.؛ دومولين، د.؛ مادي، ب.؛ نويريل، س. (2015). "سلوك الزرنيخ في رواسب الأنهار تحت تأثير تدرج الأكسدة والاختزال: مراجعة". مجلة علوم البيئة الشاملة . 505 : 423-434 . doi : 10.1016/j.scitotenv.2014.10.011 . PMID 25461044. S2CID 24877798 .  
  3. ↑ ليبس، سوزان (2009). مقدمة في الكيمياء الحيوية البحرية . أمستردام بوسطن: إلسيفير/أكاديميك برس. ISBN 978-0-08-091664-4. OCLC 643573176 . 
  4. 1 2 3 4 5 6 7 8 بورش، توماس؛ كريتزشمار، روبن؛ كابلر، أندرياس؛ كابيلين، فيليب فان؛ جيندر-فوغل، ماثيو؛ فوغلين، أندرياس؛ كامبل، كيت (2009). "عمليات الأكسدة والاختزال البيوجيوكيميائية وتأثيرها على ديناميكيات الملوثات" . العلوم والتكنولوجيا البيئية . 44 (1). الجمعية الكيميائية الأمريكية (ACS): 15-23 . doi : 10.1021/es9026248 . ISSN 0013-936X . PMID 20000681. S2CID 206997593 .   
  5. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 لاو، ماكسيميليان بيتر؛ نيدردورفر، روبرت؛ سيبولفيدا-جاوريغي، أرماندو؛ هوبفر، مايكل (2018). " توليف الكيمياء الحيوية للأكسدة والاختزال عند الواجهات المائية" . ليمونولوجيكا . 68 : 59-70 . Bibcode : 2018Limng..68...59L . doi : 10.1016/j.limno.2017.08.001 .
  6. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 بيفر، س.؛ كابلر، أ.؛ هادرلين، س.ب.؛ شميدت، س.؛ بيرن، ج.م.؛ كلايندينست، س.؛ فوغت، س.؛ ريشنو، هـ.هـ.؛ أوبست، م.؛ أنجينينت، ل.ت.؛ برايس، س. (2021). "إطار بيوجيوكيميائي-هيدرولوجي لدور المركبات النشطة للأكسدة والاختزال في الأنظمة المائية" . مجلة نيتشر للعلوم الجيولوجية . 14 (5): 264-272 . Bibcode : 2021NatGe..14..264P . doi : 10.1038/s41561-021-00742-z . ISSN 1752-0894 . S2CID 233876038 .  
  7. 12Zakem, Emily J.; Polz, Martin F.; Follows, Michael J. (2020). "Redox-informed models of global biogeochemical cycles". Nature Communications. 11 (1): 5680. Bibcode:2020NatCo..11.5680Z. doi:10.1038/s41467-020-19454-w. ISSN 2041-1723. PMC 7656242. PMID 33173062.
  8. 123456789101112131415161718Husson, Olivier (2013). "Redox potential (Eh) and pH as drivers of soil/plant/microorganism systems: a transdisciplinary overview pointing to integrative opportunities for agronomy". Plant and Soil. 362 (1–2): 389–417. Bibcode:2013PlSoi.362..389H. doi:10.1007/s11104-012-1429-7. ISSN 0032-079X. S2CID 17059599.
  9. 1234567Vodyanitskii, Yu N. (2016). "Biochemical processes in soil and groundwater contaminated by leachates from municipal landfills (Mini review)". Annals of Agrarian Science. 14 (3): 249–256. Bibcode:2016AnAgS..14..249V. doi:10.1016/j.aasci.2016.07.009. ISSN 1512-1887.
  10. ↑Rue, Eden L.; Smith, Geoffrey J.; Cutter, Gregory A.; Bruland, Kenneth W. (1997). "The response of trace element redox couples to suboxic conditions in the water column". Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers. 44 (1): 113–134. Bibcode:1997DSRI...44..113R. doi:10.1016/S0967-0637(96)00088-X.