إعادة التمعدن

📅 آخر تحديث: ٣١ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣١ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 10 صور
الموسوعة الحرة

في علم الكيمياء الحيوية الجيولوجية ، تشير إعادة التمعدن إلى تحلل أو تحويل المادة العضوية (الجزيئات المشتقة من مصدر بيولوجي) إلى أبسط أشكالها غير العضوية . تشكل هذه التحولات حلقة وصل أساسية في النظم البيئية ، إذ إنها مسؤولة عن تحرير الطاقة المخزنة في الجزيئات العضوية وإعادة تدوير المادة داخل النظام لإعادة استخدامها كمغذيات من قبل الكائنات الحية الأخرى . [ 1 ]

تُعتبر عملية إعادة التمعدن عادةً مرتبطة بدورة العناصر البيولوجية الرئيسية مثل الكربون والنيتروجين والفوسفور . ورغم أهميتها البالغة لجميع النظم البيئية، إلا أن هذه العملية تحظى باهتمام خاص في البيئات المائية ، حيث تُشكل حلقة وصل مهمة في الديناميكيات البيوجيوكيميائية ودورة العناصر في النظم البيئية المائية .

دورها في الكيمياء الحيوية الجيولوجية

يُستخدم مصطلح "إعادة التمعدن" في سياقات متعددة ضمن مختلف التخصصات. ويُستخدم هذا المصطلح بشكل شائع في المجالين الطبي والفسيولوجي ، حيث يصف تكوين أو إعادة تكوين البنى المعدنية في الكائنات الحية، مثل الأسنان والعظام . أما في مجال الكيمياء الحيوية الجيولوجية ، فيُستخدم مصطلح "إعادة التمعدن" لوصف حلقة في سلسلة دورة العناصر ضمن نظام بيئي محدد. وعلى وجه الخصوص، تمثل إعادة التمعدن النقطة التي تتحلل فيها المواد العضوية التي تُشكلها الكائنات الحية إلى مكونات غير عضوية أساسية يصعب تحديد مصدرها العضوي. وهذا يختلف عن عملية التحلل ، التي تُعد وصفًا أعم للبنى الكبيرة التي تتحلل إلى بنى أصغر.

يدرس علماء الكيمياء الحيوية الجيولوجية هذه العملية في جميع النظم البيئية لأسباب متعددة. ويتم ذلك أساسًا لدراسة تدفق المواد والطاقة في نظام معين، وهو أمر أساسي لفهم إنتاجية هذا النظام البيئي وكيفية إعادة تدوير المواد فيه مقارنةً بكمية المواد الداخلة إليه. كما أن فهم معدلات وديناميكيات إعادة تمعدن المادة العضوية في نظام معين يساعد في تحديد كيف ولماذا قد تكون بعض النظم البيئية أكثر إنتاجية من غيرها.

تفاعلات إعادة التمعدن

على الرغم من أن عملية إعادة التمعدن عبارة عن سلسلة من المسارات الكيميائية الحيوية المعقدة [داخل الكائنات الدقيقة]، إلا أنه يمكن تبسيطها في كثير من الأحيان إلى سلسلة من العمليات أحادية الخطوة لنماذج وحسابات مستوى النظام البيئي. ويُوضح الشكل العام لهذه التفاعلات كما يلي:

عضوي موضوع+مؤكسد⟶مُحرَّر بسيط العناصر الغذائية+CO2الكربون ثاني أكسيد+ح2ياماء{\displaystyle {\ce {{المادة العضوية}+المؤكسد->{المغذيات البسيطة المتحررة}+{\underset {ثاني أكسيد الكربون}{CO2}}+{\underset {الماء}{H2O}}}}}

تبدأ المعادلة العامة المذكورة أعلاه بمتفاعلين: مادة عضوية (مكونة من الكربون العضوي) وعامل مؤكسد. يوجد معظم الكربون العضوي في صورة مُختزلة، ثم يتأكسد بواسطة العامل المؤكسد (مثل الأكسجين ) إلى ثاني أكسيد الكربون وطاقة يمكن للكائن الحي استغلالها. تُنتج هذه العملية عادةً ثاني أكسيد الكربون والماء ومجموعة من العناصر الغذائية البسيطة مثل النترات أو الفوسفات التي يمكن للكائنات الحية الأخرى امتصاصها. عند اعتبار الأكسجين عاملًا مؤكسدًا، فإن الصيغة العامة المذكورة أعلاه تمثل معادلة التنفس. في هذا السياق تحديدًا، تُمثل المعادلة المذكورة أعلاه التنفس البكتيري ، على الرغم من أن المتفاعلات والنواتج تُشابه إلى حد كبير المعادلات المختصرة المستخدمة في التنفس متعدد الخلايا.

سلسلة مستقبلات الإلكترون

رسم تخطيطي لمستقبلات الإلكترون الرئيسية في المياه المسامية للرواسب البحرية بناءً على أعماق نسبية مثالية

يُسهّل تحلل المواد العضوية عبر التنفس في المحيطات الحديثة وجود مستقبلات إلكترونية مختلفة، وتعتمد أفضليتها على قانون طاقة جيبس ​​الحرة وقوانين الديناميكا الحرارية . [ 2 ] تُشكّل كيمياء الأكسدة والاختزال هذه أساس الحياة في رواسب أعماق البحار، وتُحدّد مدى توفر الطاقة للكائنات الحية التي تعيش هناك. بدءًا من سطح الماء باتجاه الرواسب الأعمق، يكون ترتيب هذه المستقبلات كالتالي: الأكسجين ، النترات ، المنغنيز ، الحديد ، والكبريتات . يُمكن ملاحظة توزيع هذه المستقبلات المفضلة في الشكل 1. عند النزول من السطح عبر توزيع رواسب أعماق المحيط، تُستهلك المستقبلات وتنضب. بمجرد نضوبها، يحلّ محلها مستقبل آخر أقل تفضيلًا. من الناحية الديناميكية الحرارية، يُمثّل الأكسجين مستقبل الإلكترونات الأكثر تفضيلًا، ولكنه يُستهلك بسرعة عند سطح الماء-الرواسب، ولا يتجاوز تركيز الأكسجين (O2 ) بضعة ملليمترات إلى سنتيمترات في الرواسب في معظم مواقع أعماق البحار. تشير هذه الميزة إلى قدرة الكائن الحي على الحصول على طاقة أعلى من التفاعل، مما يساعده على التنافس مع الكائنات الحية الأخرى. [ 3 ] في غياب هذه المستقبلات، يمكن أيضًا تحلل المادة العضوية من خلال عملية إنتاج الميثان، ولكن الأكسدة الكلية لهذه المادة العضوية لا تُمثلها هذه العملية تمثيلًا كاملًا. يرد في الجدول 1 كل مسار ونسبة التفاعل فيه. [ 3 ]

نتيجةً لهذا النضوب السريع للأكسجين في الرواسب السطحية، تستخدم غالبية الكائنات الدقيقة مسارات لاهوائية لاستقلاب أكاسيد أخرى مثل المنغنيز والحديد والكبريتات. [ 4 ] من المهم أيضًا مراعاة الاضطراب الحيوي والخلط المستمر لهذه المواد، مما قد يُغير الأهمية النسبية لكل مسار تنفسي. للاطلاع على منظور الكائنات الدقيقة، يُرجى الرجوع إلى سلسلة نقل الإلكترون .

إعادة التمعدن في الرواسب

ردود الفعل

التفضيل النسبي لتفاعلات الاختزال في الرواسب البحرية بناءً على الديناميكا الحرارية. يشير منشأ الأسهم إلى الطاقة المرتبطة بتفاعل نصف الخلية. يشير طول السهم إلى تقدير ΔG للتفاعل (مقتبس من ليبس، 2011).

يصل ربع المواد العضوية التي تخرج من المنطقة الضوئية إلى قاع البحر دون أن تخضع لإعادة التمعدن، بينما تخضع 90% من هذه المواد المتبقية لإعادة التمعدن في الرواسب نفسها. [ 1 ] وبمجرد وصولها إلى الرواسب، قد تحدث إعادة التمعدن العضوي من خلال مجموعة متنوعة من التفاعلات. [ 5 ] فيما يلي التفاعلات الرئيسية لإعادة تمعدن المادة العضوية، حيث يُشار إلى المادة العضوية العامة (OM) غالبًا بالاختصار: ( CH₂O ) ₁₀₆ ( NH₃ ) ₁₆ ( H₃PO₄ ) .

التنفس الهوائي

يُعدّ التنفس الهوائي التفاعلَ المُفضّل لإعادة التمعدن نظرًا لإنتاجه العالي من الطاقة. مع ذلك، ينضب الأكسجين بسرعة في الرواسب، وعادةً ما يُستنفد على بُعد سنتيمترات قليلة من سطح التماس بين الرواسب والماء.

التنفس اللاهوائي

في البيئات شبه المؤكسدة أو الخالية من الأكسجين ، تُفضل الكائنات الحية استخدام عملية نزع النيتروجين لإعادة تمعدن المواد العضوية، لأنها تُوفر ثاني أكبر قدر من الطاقة. في الأعماق التي تُفضل فيها عملية نزع النيتروجين، تُفضل تفاعلات أخرى مثل اختزال المنجنيز، واختزال الحديد، واختزال الكبريتات، واختزال الميثان (المعروف أيضًا باسم تكوين الميثان ). وتتحكم طاقة جيبس ​​الحرة (ΔG) في هذه الأفضلية. في المسطحات المائية، أو رواسب قاع البحر، أو التربة، يُطلق على ترتيب هذه التفاعلات الكيميائية مع العمق، وفقًا للطاقة المُوفرة، اسم تدرج الأكسدة والاختزال .

نوع التنفسرد فعلΔ G
التمارين الهوائيةاختزال الأكسجينأوم+150يا2⟶106CO2+16HNO3+ح3صندوق بريد4+78ح2يا{\displaystyle {\ce {OM + 150O2 -> 106CO2 + 16HNO3 + H3PO4 + 78H2O}}}-29.9
اللاهوائيةإزالة النيتروجينأوم+104HNO3⟶106CO2+60شمال2+ح3صندوق بريد4+138ح2يا{\displaystyle {\ce {OM + 104HNO3 -> 106CO2 + 60N2 + H3PO4 + 138H2O}}}-28.4
اختزال المنغنيزأوم+260MnO2+174ح2يا⟶106CO2+8شمال2+ح3صندوق بريد4+260المنغنيز(أوه)2{\displaystyle {\ce {OM + 260MnO2 + 174H2O -> 106CO2 + 8N2 + H3PO4 + 260Mn(OH)2}}}-7.2
اختزال الحديدأوم+236Fe2يا3+410ح2يا⟶106CO2+16نيو هامبشاير3+ح3صندوق بريد4+472Fe(أوه)2{\displaystyle {\ce {OM + 236Fe2O3 + 410H2O -> 106CO2 + 16NH3 + H3PO4 + 472Fe(OH)2}}}-21.0
اختزال الكبريتاتأوم+59ح2لذا4⟶106CO2+16نيو هامبشاير3+ح3صندوق بريد4+59ح2S+62ح2يا{\displaystyle {\ce {OM + 59H2SO4 -> 106CO2 + 16NH3 + H3PO4 + 59H2S + 62H2O}}}-6.1
تخمير الميثان ( تكوين الميثان )أوم+59ح2يا⟶47CO2+59CH4+16نيو هامبشاير3+ح3صندوق بريد4{\displaystyle {\ce {OM + 59H2O -> 47CO2 + 59CH4 + 16NH3 + H3PO4}}}-5.6

تقسيم المناطق المؤكسدة والمختزلة

يشير التوزيع التأكسدي-الاختزالي إلى كيفية اختلاف العمليات التي تنقل الإلكترونات النهائية نتيجة لتحلل المواد العضوية تبعًا للزمان والمكان. [ 6 ] تُفضَّل بعض التفاعلات على غيرها نظرًا لإنتاجها العالي من الطاقة، كما هو موضح بالتفصيل في سلسلة مستقبلات الطاقة المذكورة أعلاه. [ 7 ] في الظروف المؤكسدة، حيث يتوفر الأكسجين بكثرة، يُفضَّل التنفس الهوائي نظرًا لإنتاجه العالي من الطاقة. بمجرد أن يتجاوز استهلاك الأكسجين من خلال التنفس كمية الأكسجين المُدخلة نتيجة للتقليب الحيوي والانتشار، تصبح البيئة خالية من الأكسجين، وتتحلل المواد العضوية عبر وسائل أخرى، مثل نزع النتروجين واختزال المنجنيز. [ 8 ]

إعادة التمعدن في المحيط المفتوح

شبكة غذائية توضح تدفق الكربون في المحيط المفتوح

في معظم النظم البيئية للمحيطات المفتوحة، لا تصل سوى نسبة ضئيلة من المواد العضوية إلى قاع البحر. يميل النشاط البيولوجي في المنطقة الضوئية لمعظم المسطحات المائية إلى إعادة تدوير المواد بكفاءة عالية، بحيث لا يترسب سوى جزء ضئيل من المواد العضوية من تلك الطبقة الضوئية العليا. تحدث عملية إعادة التمعدن داخل هذه الطبقة العليا بسرعة، ونظرًا لارتفاع تركيز الكائنات الحية وتوفر الضوء، غالبًا ما تمتص الكائنات ذاتية التغذية هذه العناصر الغذائية المعاد تمعدنها بنفس سرعة إطلاقها.

تختلف نسبة المواد التي تتسرب باختلاف الموقع. ففي بحر الشمال، على سبيل المثال، تبلغ نسبة ترسب الكربون حوالي 1% من الإنتاج الأولي [ 9 ]، بينما تقل هذه النسبة عن 0.5% في المحيطات المفتوحة في المتوسط ​​[ 10 ] . ولذلك، تبقى معظم المغذيات في عمود الماء، حيث تعيد الكائنات الحية تدويرها . تستخدم الكائنات غيرية التغذية المواد التي تنتجها الكائنات ذاتية التغذية (والكيميائية التغذية )، وتقوم عبر عملية التنفس بإعادة تمعدن المركبات من شكلها العضوي إلى شكلها غير العضوي، مما يجعلها متاحة مرة أخرى للمنتجين الأوليين.

في معظم مناطق المحيط، تحدث أعلى معدلات إعادة تمعدن الكربون على أعماق تتراوح بين 100 و1200 متر (330-3940 قدمًا) في عمود الماء، ثم تنخفض إلى حوالي 1200 متر حيث تظل معدلات إعادة التمعدن ثابتة تقريبًا عند 0.1 ميكرومول/كجم / سنة . [ 11 ] ونتيجة لذلك، يميل مخزون الكربون المعاد تمعدنه (والذي يتخذ عمومًا شكل ثاني أكسيد الكربون) إلى الزيادة في المنطقة الضوئية .   

تتم معظم عمليات إعادة التمعدن باستخدام الكربون العضوي المذاب . وقد أظهرت الدراسات أن الجزيئات الكبيرة الغاطسة هي التي تنقل المواد إلى قاع البحر [ 12 ]، بينما تُستهلك الجزيئات العالقة والمواد العضوية المذابة في الغالب خلال عملية إعادة التمعدن. [ 13 ] ويعود ذلك جزئيًا إلى أن الكائنات الحية عادةً ما تبتلع مغذيات أصغر منها حجمًا، غالبًا بفارق عدة مراتب. [ 14 ] وبما أن المجتمع الميكروبي يشكل 90% من الكتلة الحيوية البحرية، [ 15 ] فإن الجزيئات الأصغر من الميكروبات (في حدود 10) هي التي تُساهم في إعادة التمعدن.−6 [ 16 ] ) التي سيتم أخذها لإعادة التمعدن.

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 سارمينتو، خورخي (2006). ديناميات الكيمياء الحيوية للمحيطات . مطبعة جامعة برينستون. ISBN 978-0-691-01707-5.
  2. ↑ فيرنبرغ، ف. جون (1981). "الحيوانات القاعية الكبيرة" . في: فيرنبرغ، ف. جون؛ فيرنبرغ، وينونا ب. (محرران). التكيفات الوظيفية للكائنات البحرية . دار النشر الأكاديمية. الصفحات 179-230 . ISBN  978-0-12-718280-3.
  3. 1 2 ألتنباخ، ألكسندر؛ برنارد، جوان م.؛ سيكباخ، جوزيف (20 أكتوبر 2011). نقص الأكسجين: دليل على بقاء حقيقيات النوى واستراتيجيات علم الحفريات . سبرينغر ساينس آند بيزنس ميديا. ISBN 978-94-007-1896-8.
  4. ↑ غلود، روني (2008). "ديناميكيات الأكسجين في الرواسب البحرية" (ملف PDF) . بحوث الأحياء البحرية ( FTP ). الصفحات 243-289 . doi : 10.1080/17451000801888726 . (للاطلاع على المستندات، انظر صفحة المساعدة: FTP )
  5. ↑ بيردج، ديفيد (2006). جيوكيمياء الرواسب البحرية . مطبعة جامعة برينستون. ISBN 978-0-691-09506-6.
  6. ^ بوستما، ديكي؛ جاكوبسن ، راسموس (1 سبتمبر 1996). “تقسيم الأكسدة والاختزال: قيود التوازن على واجهة تقليل الحديد (III) / SO4”. Geochimica et Cosmochimica Acta . 60 (17): 3169–3175 . بيب كود : 1996GeCoA..60.3169P . دوى : 10.1016/0016-7037(96)00156-1 .
  7. ↑ بودرو، برنارد (2001). طبقة الحدود القاعية: عمليات النقل والكيمياء الحيوية الجيولوجية . مطبعة جامعة أكسفورد. ISBN 978-0-19-511881-0.
  8. ↑ ليبس، سوزان (2009). مقدمة في الكيمياء الحيوية البحرية . دار النشر الأكاديمية. ISBN 978-0-12-088530-5.
  9. ↑ توماس، هيلموت؛ بوزيك، يان؛ إلكالاي، خالد؛ بار، هاين جيه دبليو دي (14 مايو 2004). "تحسين تخزين ثاني أكسيد الكربون في المحيط المفتوح من خلال ضخه من قاع البحر" (ملف PDF) . مجلة ساينس . 304 (5673): 1005-1008 . Bibcode : 2004Sci...304.1005T . doi : 10.1126/science.1095491 . hdl : 11370/e821600e-4560-49e8- aeec -18eeb17549e3 . ISSN 0036-8075 . PMID 15143279. S2CID 129790522 .   
  10. ↑ دي لا روشا، سي إل (2006). "المضخة البيولوجية". في: هولاند، هاينريش د.؛ توريكيان، كارل ك. (محرران). دراسة في الجيوكيمياء . المجلد 6. دار بيرغامون للنشر. ص 625. رمز Bibcode : 2003TrGeo...6...83D . doi : 10.1016/B0-08-043751-6/06107-7 . ISBN   978-0-08-043751-4.
  11. ↑ فيلي، ريتشارد أ.؛ سابين، كريستوفر ل.؛ شليتزر، راينر؛ بوليستر، جون ل.؛ ميكينغ، سابين؛ غريلي، دانا (1 فبراير 2004). "استخدام الأكسجين وإعادة تمعدن الكربون العضوي في الطبقة العليا من مياه المحيط الهادئ". مجلة علم المحيطات . 60 (1): 45-52 . doi : 10.1023/B:JOCE.0000038317.01279.aa . ISSN 0916-8370 . S2CID 67846685 .  
  12. ↑ كارل، ديفيد م.؛ كناور، جورج أ.؛ مارتن، جون هـ. (1 مارس 1988). "تدفق المواد العضوية الجسيمية إلى أسفل المحيط: مفارقة تحلل الجسيمات". مجلة نيتشر . 332 (6163): 438-441 . Bibcode : 1988Natur.332..438K . doi : 10.1038/332438a0 . ISSN 0028-0836 . S2CID 4356597 .  
  13. ↑ ليفيفري، د.؛ دينيس، م.؛ لامبرت، س. إي.؛ ميكيل، ج. -س. (1 فبراير 1996). "هل الكربون العضوي الذائب هو المصدر الرئيسي لإعادة تمعدن المادة العضوية في عمود مياه المحيط؟". مجلة الأنظمة البحرية . المحيط الساحلي من منظور التغير العالمي. 7 ( 2-4 ): 281-291 . Bibcode : 1996JMS.....7..281L . doi : 10.1016/0924-7963(95)00003-8 .
  14. ↑ شولتز، إرنست-ديتليف؛ موني، هارولد أ. (6 ديسمبر 2012). التنوع البيولوجي ووظائف النظام البيئي . سبرينغر ساينس آند بيزنس ميديا. ISBN 978-3-642-58001-7.
  15. ↑ "التعداد الدولي للميكروبات البحرية (ICoMM)" . www.coml.org . تعداد الحياة البحرية. مؤرشف من الأصل في 17 مارس 2016. تم الاطلاع عليه في 29 فبراير 2016 .
  16. ↑ "حجم الميكروب - كتاب باوندلس المفتوح" . باوندلس . تم الاطلاع عليه بتاريخ 29 فبراير 2016 .