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酸化還元勾配は、酸化還元電位に従って分類された一連の還元酸化（酸化還元）反応である。[4] [5]酸化還元ラダーは、酸化還元対から得られる自由エネルギーに基づいて酸化還元反応が発生する順序を表示する。[4] [5] [6]これらの酸化還元勾配は、微生物プロセス、環境の化学組成、および酸化電位の違いの結果として、空間的にも時間的にも形成される。[5] [4] 酸化還元勾配が存在する一般的な環境は、沿岸の湿地、湖、汚染物質のプルーム、および土壌である。[1] [4] [5] [6]
地球は地球全体の酸化還元勾配を持っており、表面では酸化環境、表面下では還元環境が進んでいます。[4]酸化還元勾配はマクロレベルでは一般的に理解されていますが、ミクロスケールの不均一な環境における酸化還元反応の特性評価には、さらなる研究とより洗練された測定技術が必要です。[5] [1] [7] [6]
酸化還元状態の測定
酸化還元状態は、電子が電子供与体から電子受容体に移動する傾向を表す、ボルト単位の酸化還元電位 (E h )に従って測定されます。E hは、半反応とネルンストの式を使用して計算できます。[1] E hがゼロの場合は、標準水素電極H + /H 2の酸化還元対を表します。 [8]正の E h は酸化環境 (電子が受け入れられる) を示し、負の E h は還元環境 (電子が提供される) を示します。[1]酸化還元勾配では、最もエネルギー的に有利な化学反応が酸化還元ラダーの「上部」で発生し、最もエネルギー的に不利な反応がラダーの「下部」で発生します。[1]
E h は、現場でサンプルを採取して研究室で分析するか、環境に電極を挿入してその場で測定値を収集することによって測定できます。[6] [5] [1]酸化還元電位を測定するための一般的な環境は、水域、土壌、堆積物であり、これらはすべて高いレベルの不均一性を示す可能性があります。[5] [1]多数のサンプルを収集すると、高い空間分解能が得られますが、サンプルは時間内の単一のスナップショットのみを反映するため、時間分解能が低くなります。[8] [1] [5]現場モニタリングは、連続的なリアルタイム測定値を収集することで高い時間分解能を提供できますが、電極が固定された場所にあるため、空間分解能は低くなります。[1] [5]
酸化還元特性は、誘導分極イメージングを使用することで高い空間分解能と時間分解能で追跡することもできますが、酸化還元種が分極にどのように寄与するかを完全に理解するには、さらなる研究が必要です。[6]
環境条件
酸化還元勾配は、空間と時間の両方の関数として環境中によく見られ、[9] [8]特に土壌と水生環境において見られます。[8] [6]勾配は、酸素の利用可能性、土壌水文学、存在する化学種、微生物プロセスなどのさまざまな物理化学的特性によって引き起こされます。[1] [4] [9] [8]酸化還元勾配によって一般的に特徴付けられる特定の環境には、浸水土壌、湿地、[8]汚染物質プルーム、[9] [4]海洋遠洋性および半遠洋性の堆積物などがあります。[4]
以下は、環境中で起こる一般的な反応を酸化から還元の順に並べたリストです（括弧内の生物が反応を起こしています）：[1]
水生環境
酸化還元勾配は水柱とその堆積物中に形成される。水柱内の酸素レベル（有酸素、亜酸素、低酸素）が変化すると、酸化還元化学が変化し、どの酸化還元反応が起こるかが変化する。 [10]酸素極小帯の発達も酸化還元勾配の形成に寄与する。
底生堆積物は、鉱物組成、有機物の利用可能性、構造、吸着ダイナミクスの変動によって生じる酸化還元勾配を示す。[5]溶存電子の地下堆積物への輸送が制限されていることと、堆積物の孔径が異なることが相まって、底生堆積物に大きな不均一性が生じる。[5]堆積物中の酸素の利用可能性によって、どの微生物呼吸経路が発生するかが決まり、その結果、深さとともに酸素の利用可能性が減少するため、酸化還元プロセスの垂直層化が生じる。[5]
陸上環境
土壌のE hも、主に水文学的条件の関数です。[1] [8] [6]洪水が発生すると、飽和土壌は好気性から無酸素性に移行し、嫌気性微生物プロセスが優勢になるため、還元環境が形成されます。[1] [8]さらに、小さな無酸素ホットスポットが土壌の空隙空間内に発生し、還元条件を作り出します。[6]時間の経過とともに、水が排水され土壌が乾燥するにつれて、土壌の初期E h が回復する可能性があります。 [1] [8]上昇する地下水によって形成された酸化還元勾配を持つ土壌はグライソルに分類され、停滞水によって形成された勾配を持つ土壌はスタグノソルとプラノソルに分類されます。
土壌のE hは通常-300～+900 mVの範囲です。[8]以下の表は、さまざまな土壌条件における典型的なE h値をまとめたものです。 [1] [8]
植物が許容できる一般的なE h の限界は、+300 mV < E h < +700 mV です。[8] 300 mV は、湿地土壌の好気性条件と嫌気性条件を分ける境界値です。[1]酸化還元電位 (E h ) はpHとも密接に関係しており、どちらも土壌-植物-微生物系の機能に大きな影響を与えます。[1] [8]土壌中の電子の主な供給源は有機物です。[8]有機物は分解する際に酸素を消費するため、土壌の状態が悪化し、 E hが低下します。[8]
環境中の酸化還元勾配の例
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湿地土壌では酸化還元勾配がしばしば発生します。 -
生産性の高い海洋地域や閉鎖された盆地では、酸素極小帯や低酸素帯により深海で酸化還元勾配が発生することがあります。 -
湿地では、有機物を豊富に含む土壌が時間の経過とともに蓄積され、これらの土壌では酸化還元勾配が発生することがよくあります。 -
一部の土壌では酸化還元勾配が発生します。 -
河口、川、湖、湾から採取されたこのような堆積物コアには、コアの深さに応じて酸化還元勾配が現れることがよくあります。 -
ドイツのシュヴァルツヴァルト南部にあるこのグライソルやグレイ土壌のような土壌では、酸化還元勾配が頻繁に発生します。
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微生物の役割
酸化還元勾配は、資源の利用可能性と生理化学的条件（pH、塩分、温度）に基づいて形成され、微生物の層状コミュニティをサポートします。[1] [5] [9] [8] [7]微生物は、周囲の条件に基づいて異なる呼吸プロセス（メタン生成、硫酸還元など）を実行し、環境中に存在する酸化還元勾配をさらに増幅します。 [9] [1] [8]ただし、微生物の分布は熱力学（酸化還元ラダー）のみから決定できるわけではなく、生態学的および生理学的要因によっても影響されます。[6] [5]
酸化還元勾配は、水生環境と陸生環境の両方において、汚染物質の濃度とそれが関連する化学プロセスや微生物群集に与える影響に応じて、汚染物質のプルームに沿って形成される。[1] [9]酸化還元勾配に沿った有機汚染物質の分解速度が最も速いのは、酸素-無酸素界面である。[1]地下水では、この酸素-無酸素環境は毛細管フリンジと呼ばれ、地下水面が土壌と接して空の細孔を埋める。この遷移帯は酸素と無酸素の両方であるため、電子受容体と供与体が豊富に存在し、微生物の活動レベルが高く、汚染物質の生分解速度が最も速くなる。[1] [9]
底生堆積物は本質的に不均一であり、その結果として酸化還元勾配を示す。[5]この不均一性のため、還元化学種と酸化化学種の勾配は、必ずしもニッチ微生物群集の電子輸送のニーズをサポートするのに十分に重なるわけではない。[5] ケーブル細菌は、これらの電子が不足している領域と過剰である領域を接続して、そうでなければ利用できない酸化還元反応の電子輸送を完了するのを助ける硫化物酸化細菌として特徴付けられている。[5]
干潟、氷河、熱水噴出孔、水域の底などに見られるバイオフィルムも酸化還元勾配を示す。 [5]微生物群集（金属還元細菌や硫酸還元細菌であることが多い）は、空間的な生理化学的変動に応じてマイクロメートルスケールで酸化還元勾配を生成する。[5]
SMTZ における微生物プロセスの詳細については、 硫酸塩-メタン遷移帯を参照してください。
参照
参考文献
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