Разложение воды под действием ионизирующего излучения накормило морские бактерии

Распространенные в морском грунте геологические материалы служат катализатором разложения воды под действием ионизирующего излучения. К такому выводу пришли океанологи, которые исследовали 20 образцов подводного грунта из разных точек Мирового океана. Молекулярный водород, один из продуктов радиолиза, — химический источник энергии для подводных экосистем: бактерии используют его как донор электронов, то есть еду. Ученые предполагают, что схожие с найденными образцами грунта каталитические материалы могут поддерживать жизнь на других планетах и их спутниках. Работа опубликована в Nature Communications.

Радионуклиды (радиоактивные атомы) часто встречаются в грунте и в горных породах, где их накопление способствует радиолизу воды, то есть распаду молекул под воздействием ионизирующего излучения. В результате образуется молекулярный водород (Н₂) и ряд окислителей. В чистой воде этот процесс ограничен, но некоторые минералы, например кальцит, увеличивают радиолитический выход молекулярного водорода, если подвергаются альфа- или гамма-излучению. Как природные грунты, сложные по своему минералогическому составу, влияют на количество получаемого водорода, ранее не было исследовано.

Молекулярный водород, который образуется в результате радиолиза, важен для подземных и подводных экосистем. Для бактерий, обитающих глубоко под поверхностью Земли, он становится источником энергии. Радиолитический водород используется как донор электронов бактериальными сообществами, а другие продукты радиолиза (например, молекулярный кислород или перекись водорода) находят применение в качестве акцепторов электронов. Однако насколько бактерии полагаются на продукты радиолиза не было точно известно, в основном потому что было трудно оценить объемы получаемого водорода в природной среде.

Океанологи из Университета Род-Айленда экспериментально измерили количество водорода, которое можно получить из чистой воды, морской воды и насыщенного морской водой донного грунта при воздействии на них альфа- и гамма-излучением. Ученые использовали образцы разных типов отложений (глубинная глина, нанокаменосная глина, глинистый кремнистый ил, известковый ил, литогенный осадок), которые в сумме покрывают около 70 процентов поверхности Земли. Количество выделенных молекул водорода на каждые поглощенные 100 электронвольт оказалось одинаковым для чистой и морской воды. А вот суспензии морских отложений в тех же условиях выделяли намного больше молекулярного водорода, причем разные типы осадочных пород влияли на радиолиз с разной силой.

Несмотря на то, что радиолиз воды обеспечивает постоянный приток водорода, его концентрации в донных отложениях оказались близко к порогу детекции или даже ниже его (1-30 наномоль). Это указывало на то, что темпы потребления водорода близки к его темпам получения в осадочных породах. Самое простое объяснение этого факта — окисление водорода бактериями.

Далее ученые оценили, насколько важны продукты радиолиза в качестве источника энергии для бактерий. Оказалось, что в придонных отложениях, которые образовались за последние несколько миллионов лет, для клеточного дыхания бактерии использовали органические вещества. В отложениях постарше, наоборот, радиолитический водород оказался главным донором электронов для бактерий.

Авторы показали, насколько важны распространенные геологические материалы оказались для образования продуктов радиолиза воды, и, соответственно, поддержания экосистем. Несмотря на то, что современные донные отложения на Земле содержат большое количество биогенных компонентов (например, раковины, зубы рыб), в целом их состав во многом схож с составом грунта на ранней Земле или на других планетах. Например, цеолит, распространенный в морском грунте на Земле, встречается и на Марсе. Исследователи не исключают, что там, где вода проникает в схожий грунт на Марсе, Европе (спутнике Юпитера) и Энцеладе (спутнике Сатурна), радиолиз воды поддерживает жизнь и сегодня.

Водород — не единственное неорганическое вещество, которое бактерии могут использовать в качестве донора электронов: прокариоты успешно используют соединения азота, серы и железа. К этому списку ученые также добавили и марганец.

Вера Сысоева

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Новые фотокатализаторы ускоряют выделение кислорода из воды

Группа ученых из ФИЦ «Институт катализа им. Г. К. Борескова СО РАН» и Института неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН при поддержке Российского научного фонда разработали активный и стабильный фотокатализатор окисления воды на основе оксидов иридия, который позволяет ускорить выделение кислорода из воды. Результаты опубликованы в высокорейтинговом журнале ACS Applied Materials & Interfaces.

Фотокаталитическое разложение воды с образованием водорода и кислорода — актуальная задача получения «зеленого» водорода, экологически чистого топлива. Основная проблема в процессе расщепления воды — медленная кинетика процесса ее окисления и выделения кислорода. Разработанные стабильные фотокатализаторы на основе оксидов иридия помогают ускорить этот процесс.

«Нам удалось синтезировать стабильный комплекс иридия с нитро- и аква-лигандами, который далее мы использовали для получения композитных фотокатализаторов. Уникальность данного соединения заключается в отсутствии в его составе ионов хлора, которые могут снижать активность катализаторов. Кроме того, из данного соединения легко образуется активная форма иридия — достаточно нагревания при невысокой температуре», — рассказал старший научный сотрудник ИНХ СО РАН кандидат химических наук Данила Борисович Васильченко.

Автоклав с реакционной смесью: (А) — в начале эксперимента, (В) — в его конце. 

По словам руководителя проекта, заместителя руководителя Центра НТИ «Водород как основа низкоуглеродной экономики» ИК СО РАН, доктора химических наук, профессора РАН Екатерины Александровны Козловой, проведенная работа продолжает сделанные ранее исследования, общая цель которых — разработка катализаторов полного разложения воды.

«Ранее мы уже получили высокоактивные фотокатализаторы на основе графитоподобного нитрида углерода с нанесенной платиной для выделения водорода. Исследование процесса образования кислорода является продолжением работы, конечная цель которой заключается в разработке катализаторов полного фотокаталитического разложения воды на водород и кислород. Теперь у нас есть не только активные, но и стабильные фотокатализаторы получения кислорода с малым содержанием иридия — всего 0,25 %. Еще одно важное преимущество наших фотокатализаторов состоит в способности работать под действием видимого излучения, что открывает перспективы использования энергии солнца для разложения воды», — пояснила Екатерина Козлова.

Образцы катализатора. 

Уникальность полученного фотокатализатора для выделения кислорода также в его гетерогенности: обычно такие вещества гомогенные, что затрудняет процесс отделения катализатора от реакционной смеси. Новый катализатор находится в смеси в суспендированном состоянии, что значительно облегчает его отделение и повторное использование.

Один из авторов статьи, студент Новосибирского государственного университета, сотрудник ИК СО РАН Николай Сидоренко рассказал о практическом применении результатов исследования: «Водород из воды получить достаточно легко, но при помощи доноров, то есть добавления, например, органики, в частности, спиртов. Разложение же чистой воды на водород и кислород будет сильно удешевлять процесс, потому что ничего дополнительно добавлять не нужно. Сначала мы работали над фотокатализатором получения водорода из воды, затем — над эффективным катализатором выделения кислорода, а следующий этап — создание “общего” катализатора для одновременного разложения чистой воды на водород и кислород».

Ученые планируют получать водород с использованием солнечной энергии путем фотокаталитического разложения чистой воды и затем использовать его, например, в качестве топлива для топливных элементов. В этом случае будет замкнутый экологически чистый цикл: водород станет питать топливные элементы, которые вырабатывают электричество посредством электрохимической реакции между водородом и кислородом с образованием воды.

Источник: пресс-служба ИК СО РАН

Разложение и осаждение – Управление растениями в водах Флориды

Проще говоря, разложение – это расщепление материи на ее основные компоненты. Когда речь идет об экологических процессах, это включает расщепление мертвого органического растительного материала (листьев, стеблей и т. д.) микроорганизмами. Когда растительный материал разлагается и опускается на дно водоема, он оставляет после себя слой осадка или грязи — процесс, называемый осаждением.

Со временем из-за накопления отложений на дне озеро становится мелеющим. В конце концов, он может превратиться в болото, или даже луг, или лес.

Органические вещества производятся:

• растений
• водоросли
• частиц в дожде
• сток поверхностных вод
• эрозия береговой линии
• наполнитель для листьев
• экскременты птиц
• бытовые и промышленные сточные воды, навоз

В дополнение к органическим веществам в водоеме, эти материалы добавляют питательные вещества в виде азота и фосфора. Избыток питательных веществ способствует большему росту растений и водорослей. Когда эти дополнительные растения сбрасывают листья и стебли или умирают и разлагаются, на дно озера добавляется больше осадка.

По мере того, как озеро становится мелеющим, надводные растения, растущие вдоль береговой линии, могут расти ближе к центру озера, создавая болотоподобный водоем. Поскольку эти растения в конечном итоге умирают и разлагаются, они создают больше отложений и делают водоем более мелким, и деревья могут начать расти. Болото теперь может существовать там, где когда-то было озеро.

Эти процессы способствуют естественному старению или обогащению озера питательными веществами: эвтрофикации. Без добавления питательных веществ в результате деятельности человека (например, ливневых и сельскохозяйственных стоков) или инвазивных инвазий водных растений эвтрофикация является медленным явлением, которое способствует превращению озера в болото или болото в течение сотен или тысяч лет. Типичные скорости осаждения колеблются от 1 до 10 миллиметров в год. Это соответствует скорости 3 фута за 1000 лет и более.

Управление водными растениями и озерные процессы

Рост и размножение инвазивных водных растений ускоряет процессы разложения и осаждения, поскольку все больше растений выделяют органический материал или умирают. Когда руководители заводов обрабатывают озеро, чтобы контролировать вредные растения, плотные скопления растений умирают, разлагаются и накапливаются на дне озера. Этот процесс не только добавляет осадок, но и разлагающиеся растения также используют кислород в воде — кислород, который необходим местным растениям и животным для выживания.

Когда используются стратегии профилактического контроля, небольшие популяции растений-вредителей удаляются до того, как они станут крупными заражениями. Это уменьшает количество разлагающегося растительного материала в воде, тем самым уменьшая осаждение и истощение кислорода.

Несмотря на то, что осаждение обычно является медленным и естественным процессом, в некоторых озерах оно происходит быстрее. Озера Флориды, как правило, теплые и мелкие, что создает идеальные условия для быстрого роста растений и осаждения. Для озер, которые используются для отдыха, управления водными ресурсами или в эстетических целях, люди могут решить удалить накопление наносов, чтобы поддерживать озеро в соответствии с его предполагаемыми функциями. Прочтите о проекте по удалению навоза на озере Тохопекалига.

На жизненный цикл озера влияет множество факторов, включая температуру, климат, форму озера, концентрацию кислорода, химический состав воды, движение воды и деятельность человека. Управление водными растениями учитывает все эти факторы при управлении водоемами.

 

Понимание разложения и его контроля – климат, леса и лесные массивы

Опубликовано 16 мая 2019 г.0056

Разложение — это расщепление мертвого органического материала на более мелкие частицы, что способствует высвобождению питательных веществ и углерода для производства растений и микробов. Разложение превращает эти мертвые материалы в органические материалы, неорганические питательные вещества и CO ₂ . Этот процесс включает в себя ряд интегрированных физических и химических реакций, которые осуществляются широким спектром почвенных организмов, ферментов, химических веществ и физических процессов. Это разбиение ограничивает количество углерода, которое может храниться в экосистеме, позволяя материалам быть доступными для других важных функций и процессов экосистемы, таких как производство растений (что необходимо для увеличения запасов углерода в лесах). Увеличение скорости разложения может оказывать дополнительное воздействие на глобальный углеродный цикл (Davidson and Janssens 2006) за счет увеличения доступности питательных веществ для растущих растений и увеличения выделения CO 9 .0060 2

в атмосферу. Таким образом, важно понимать разложение и то, как его средства контроля влияют на круговорот углерода и другие потенциальные воздействия на экосистему.

Контроль скорости разложения

• Температура — Исследования показали, что повышение температуры непосредственно приводит к кратковременному увеличению скорости химических реакций (Pendall et al. 2004, Davidson and Janssens 2006). Косвенно более высокие температуры также увеличивают эвапотранспирацию, что может подавлять способность субстратов взаимодействовать с внеклеточными ферментами, водозависимой биотой и реакционными микросайтами. Большинство исследований сходятся во мнении, что эффект повышенной температуры недолговечен и приводит лишь к небольшим относительным изменениям скорости разложения. Однако эти изменения, умноженные на глобальном уровне, могут привести к значительным изменениям в круговороте углерода.
  

• Качество и количество субстрата — Разнообразие субстратов, содержащихся в почве, и присутствующие количества имеют большое влияние на продолжительность и скорость разложения. Легко усваиваемые углеродные субстраты (часто называемые лабильным углеродом) разрушаются быстрее, чем более сложные углеродные субстраты. Лабильные углеродные субстраты могут увеличить скорость разложения, потому что их простая химическая структура требует меньше энергии для разрушения. Для более сложных форм углерода требуется гораздо больше времени, потому что они требуют большего количества энергии. В некоторых случаях некоторые формы углерода (например, гумус) редко, если вообще когда-либо, расщепляются, что позволяет со временем накапливать почвенный углерод. Таким образом, когда концентрация сложных углеродных субстратов высока, скорость разложения снижается.
  

Кроме того, субстраты с высоким содержанием азота (N) также имеют тенденцию к ускорению разложения, в то время как материалы с высоким содержанием лигнина имеют тенденцию к замедлению скорости разложения (Norby et al. 2001). Скорость разложения подстилки связана с начальной концентрацией N, исходной концентрацией лигнина, общим соотношением C:N в почвах и соотношением лигнина:N (Melillo et al., 1982). Эти компоненты представляют собой важные элементы управления скоростью разложения.

• Состав почвы — Физический состав почвы может иметь большое влияние на скорость разложения. Большое количество глины образует агрегаты в почве, которые могут защитить запасы углерода в почве от разложения, что способствует большему накоплению подземного углерода. Кроме того, заряды, обнаруженные у некоторых почвенных ионов, могут повышать их способность притягивать органические материалы, делая их недоступными и замедляя скорость разложения.

• Нарушение — Нарушение может ускорить разложение, способствуя открытию новых поверхностей, способствуя аэрации и временно увеличивая влажность почвы. Это может увеличить дыхание из почвы и привести к более высокому обороту органического материала. Нарушение почвы может быть вызвано естественными явлениями, такими как пожары или погодные явления, или антропогенными воздействиями, такими как вспашка или обработка почвы.

• Доступность воды — Вода выполняет множество важных функций по разложению, включая ускорение физического и химического распада органических материалов, позволяя почвенной биоте получать питательные вещества и способствуя секреции ферментов микроорганизмами. Вода должна поддерживаться в правильном балансе, чтобы контролировать разложение. Слишком мало воды мешает почвенной биоте расщеплять материал и получать питательные вещества. Слишком много воды лишает микроорганизмы кислорода, усиливая анаэробное дыхание и приводя к увеличению выделения метана из почвы.

Ссылки Процитировано
Davidson E.A. и И.А. Янссенс. 2006. Температурная чувствительность разложения почвенного углерода и обратная связь с изменением климата. Природа . 440: 165-173.

Мелилло Дж. М., Дж. Д. Абер и Дж. М. Мураторе. 1982. Азот и лигнин контролируют динамику разложения опавших листьев лиственных пород.

Экология . 63: 621-626.

Норби Р.Дж., М.Ф. Котруфо, П. Инесон, Э.Г. О’Нил и Дж.Г. Канаделл. 2001. Повышенный уровень CO ₂ , химия подстилки и разложение: синтез. Экология . 127: 153-165.

Пендалл Э., С. Бриджэм, П. Дж. Хэнсон, Б. Хангейт, Д. У. Киклайтер, Д.В. Джонсон, Б.Е. Лоу, Ю.