유기 완충제는 비생물적 및 생물학적 망간 산화물의 환원제 역할을 합니다.

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 6498(2023) 이 기사 인용

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양성자 활동은 많은 생지화학적 반응의 주요 변수입니다. pH를 조절하기 위해 망간(Mn) 산화물과 같은 산화환원에 민감한 광물과 관련된 실험실 연구에서는 유기 완충제(일반적으로 Good's 완충제)를 자주 사용합니다. 그러나 두 가지 Good 완충제인 HEPES와 MES는 Mn(IV)를 Mn(III)으로 감소시키는 것으로 나타났습니다. Mn(III)은 광물 반응성을 강력하게 제어하므로 혼란스러운 결과를 피하기 위해 Mn(III) 함량을 증가시키는 실험적 인공물을 피하는 것이 중요합니다. 여기에서는 Mn 산화물과 여러 Good 완충액(MES, pKa = 6.10; PIPES, pKa = 6.76; MOPS, pKa = 7.28; HEPES, pKa = 7.48) 및 TRIS(pKa = 8.1) 사이의 반응 시 Mn 감소 정도를 정량화했습니다. 완충기. δ-MnO2의 경우 Mn 감소가 빨랐으며 Good 완충액과 반응한 지 1시간 이내에 최대 35%의 고체상 Mn(III)이 생성되었습니다. 수성 Mn은 pH가 완충액 pKa보다 한 단위 낮고 반응이 24시간 동안 진행된 경우를 제외하고 모든 Good 완충액 실험에서 최소였습니다. 또한, 24시간 후 Mn 감소 정도는 MES < MOPS < PIPES < HEPES << TRIS 순으로 증가했습니다. 테스트된 변수 중에서 초기 Mn(II,III) 함량은 환원 민감성에 가장 큰 영향을 미쳤으며, Mn 감소는 산화물의 초기 평균 산화수(AMON)에 반비례하여 확장되었습니다. Mn 산화물, 박테리아 세포 및 세포외 고분자 물질의 혼합물로 구성된 생체 Mn 산화물의 경우 Mn 감소 정도는 비생물적 유사체를 사용한 실험에서 예측된 것보다 낮았으며 감소된 Mn의 생물학적 재산화 또는 비생물적 산화물과 생물학적 산화물의 환원성. 이 연구의 결과는 모르폴리닉 및 피페라진 굿 완충제와 TRIS를 포함한 유기 완충제는 전자를 Mn으로 전달하는 능력으로 인해 Mn 산화물 시스템의 pH 제어를 위해 피해야 한다는 것을 보여줍니다. 이는 이러한 산화환원 활성 물질의 구성과 반응성을 수정합니다. 탄산수.

양성자 활동은 물-입자 경계면에서 발생하는 대부분의 생지화학적 과정과 반응의 주요 변수입니다. 다양한 육상 및 수생 환경1,2,3에 편재하는 층형 Mn 산화물(MnOx)의 경우 오염물질 산화 및 흡착의 동역학과 정도뿐만 아니라 층간 양이온 함량, 결정 크기, 응집과 상 변환을 겪는 능력은 현탁액 pH4,5,6,7에 크게 의존합니다. 따라서 MnOx와 관련된 계면 공정을 연구하려면 pH 제어가 필요하며, 이는 일반적으로 무기(예: 인산염8, 탄산염9,10,11, 붕산염12,13) 또는 유기 완충제(가장 널리 사용되는 Good 완충제)를 사용하여 달성됩니다. 무기 완충액은 일반적으로 산화에 저항성이 있지만 표면 복합체 형성이나 수성 복합체 형성 또는 침전 반응을 통해 용액에서 유리 금속 이온을 제거함으로써 미네랄 반응성에 영향을 줄 수 있습니다.

Good's 완충액은 인산염 및 TRIS(트리스(하이드록시메틸)아미노메탄)과 같은 pH 완충액의 대안으로 개발된 N-치환 아미노술폰산으로, 생리학적 pH 조건에서 완충 능력이 좋지 않거나 착화, 침전 또는 금속과 상호작용합니다. 산화반응14. MES, (2-(N-모르폴리노)에탄술폰산)은 MOPS(3-(N-모르폴리노)프로판술폰산) 및 PIPES(피페라진-N,N'-비스(2-에탄술폰산))와 함께 3가지입니다. 금속 이온과 착물을 형성하지 않도록 제안된 20개의 잘 알려진 Good 완충액16; 다른 Good 완충액은 하나의 알코올 산소와 가장 가까운 아민 그룹을 사용하여 두자리 킬레이트 고리를 형성하는 수화된 금속 이온과 상호 작용하는 것으로 알려져 있습니다. HEPES(4-(2-히드록시에틸)-1-피페라진에탄술폰산)과 같은 완충액을 함유한 피페라진 고리는 라디칼 종을 형성하므로 산화환원에 민감한 금속에 반응합니다. pKa2가 7.48인 HEPES는 자연 시스템과 관련된 범위에 걸쳐 pH를 완충하는 능력으로 인해 가장 일반적으로 사용되는 Good 완충액 중 하나입니다17. HEPES는 또한 Mn 생광물화 연구에서 미생물 성장 배지와 생지화학적 연구에 사용하기 위한 생체 Mn 산화물 생산에 사용됩니다3,20,21. 생화학 문헌에서는 20여년 전에 산화환원에 민감한 과정 연구에서 Good 완충액을 사용하는 것에 대해 경고했지만17,18, 환경 과학계는 이러한 발견을 느리게 채택했습니다16,22,23,24,25,26,27 ,28,29,30,31,32,33,34,35. 철 및 망간 산화물과 관련된 수많은 연구에서는 높은 Good 완충 농도(10-30mM)36,37,38,39,40,41를 사용했지만 최근 일부 연구에서는 완충액에 의한 금속 환원이 인정되었습니다42,43,44,45. 46,47.

8.563, surface catalysed oxidation of Mn2+ by oxygen may contribute to the decreased Mn reduction observed at the highest pH treatments (pKa + 1) for HEPES- and TRIS-reacted δ-MnO2./p>

10 HEPES: MnTOT molar ratio, pH 7.5) together with available literature values (Supplementary Table S5). Overall, this data compilation shows that the initial AMON value is a strong indicator of the susceptibility of the mineral to reduction: minerals with lower AMON values are less susceptible to reduction by organic buffers. Manganese reduction in biogenic Mn oxides was lower than predicted from the abiotic trendline notwithstanding the high HEPES:Mn ratio in biogenic MnO2 relative to abiotic Mn oxides and the presence of a biofilm matrix rich in reduced carbon moeities. The hypothesis proposed in the previous section—that bacterial re-oxidation of Mn(II)/Mn(III) generated through HEPES reduction may explain the muted decrease in AMON values of biogenic relative to abiotic oxides is also supported by the low position of the biogenic Mn oxides in Fig. 5. Accordingly, our results suggest that the presence of an active Mn oxidizing culture plays a critical role in maintaining the redox state of biogenic Mn oxides./p>

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유기 완충제는 비생물적 및 생물학적 망간 산화물의 환원제 역할을 합니다.