활성 산소종은 투과성 조간대에서 광물화 과정의 잠재력에 영향을 미칩니다

Nature Communications 14권, 기사 번호: 938(2023) 이 기사 인용

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조간대 투과성 퇴적물은 유기물 재광화의 중요한 장소입니다. 이러한 퇴적물은 호기성-무산소성 경계의 이동과 강렬한 철-황 순환으로 인해 활성 산소종(ROS)을 생성할 수 있는 용량이 큰 것으로 보입니다. 여기에서는 마이크로센서를 사용하고 추출된 공극수에 대한 화학발광 분석을 사용하여 조간대 퇴적물에 고농도의 ROS 과산화수소가 존재한다는 것을 보여줍니다. 우리는 또한 호기성 조건에서 무산소성 조건으로 전환된 슬러리를 사용하여 일시적인 산소 공급 후 조간대 표면 퇴적물의 미생물 분해 과정의 잠재적 속도에 대한 ROS의 영향을 조사합니다. ROS의 효소 제거는 호기성 호흡, 황산염 감소 및 수소 축적 속도를 크게 증가시킵니다. 우리는 ROS가 퇴적물에서 형성되고 이후 미생물 광물화 과정 속도가 적당하다고 결론을 내립니다. 황산염 환원은 호기 기간에 완전히 억제되지만 무산소 상태에서는 즉시 재개됩니다. 이 연구는 조간대 퇴적물의 생지화학에 대한 ROS와 일시적 산소 공급의 강력한 효과를 보여줍니다.

활성 산소종(ROS)은 초산화물, 과산화수소 및 수산기 라디칼을 포함하여 수명이 몇 초에서 몇 시간에 이르는 수명이 짧은 산소 함유 중간체입니다. 그들은 다양한 광화학, 비생물적, 생물적 과정에 의해 형성됩니다1. 생물학적 형성은 대사 및 기타 생리학적 메커니즘의 부산물로 세포내 및 세포외에서 발생합니다2. 광화학적 경로 외에도, 황화물 및 철(Fe2+)3,4의 산화와 황철석과의 혐기성 반응을 포함한 여러 가지 빛 독립적 비생물적 과정이 ROS 형성을 유발할 수 있습니다5. 세포내 ROS는 다양한 산화 과정을 통해 DNA, 단백질, 지질과 같은 세포 구성 요소를 손상시킬 수 있으며, 따라서 높은 수준에서는 미생물에 해로울 수 있습니다. 그러나 세포 내 및 세포 외 ROS는 모두 병원체 저항성7, 영양소 획득8, 미생물 성장9 및 신호 분자10를 비롯한 유익한 역할을 합니다. 따라서 ROS 수준은 초과산화물을 과산화수소로 전환하는 슈퍼옥사이드 디스무타제, 과산화수소를 산소와 물로 전환하는 카탈라제와 같은 분해 효소2에 의해 엄격하게 제어됩니다. 전자 공여체 구동 메커니즘은 또한 금속 및 유기 물질과의 반응을 통해 ROS를 적극적으로 저하시킵니다.

미생물 과정에 영향을 미치는 ROS의 큰 잠재력에도 불구하고 해양 퇴적물에서 과산화수소를 포함한 ROS의 분포는 제대로 연구되지 않았습니다. 현재까지 퇴적물의 과산화수소 농도를 조사한 연구는 거의 없으며 대부분은 산소화 또는 황화물 노출 시 퇴적물이 과산화수소를 생성할 가능성에 초점을 맞췄습니다. 무산소 토양과 대수층 퇴적물에 대한 연구는 재산소화 시 ROS 생성에 대한 큰 잠재력을 보여 주며 ROS가 CO2 진화에 직접적인 영향을 미치는 것으로 나타났습니다13,14,15,16,17. 과산화수소는 미생물에 자극 효과와 억제 효과를 모두 갖는 것으로 입증되었으므로6,7,10 해양 퇴적물의 탄소 순환에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.

특히 조간대 투과성 퇴적물에서 자주 발생하는 교란 사건과 호기-무산소 경계면에서 ROS 수준이 높아질 것으로 예상됩니다. 산소가 조간대 투과성 퇴적물에 침투하는 깊이는 조수, 해류, 폭풍 및 생물 교란에 따라 다릅니다21. 호기성 구역은 하루에 여러 번 수 mm에서 수 cm 깊이로 이동할 수 있습니다22. 그럼에도 불구하고, 상부 퇴적물의 혐기성 미생물은 황산염 감소, 질산염 소멸 감소, 발효 및 기타 혐기성 과정의 높은 비율을 유지합니다23,24,25. 높은 비율의 탄소 및 질소 재석회화로 인해 이러한 퇴적물은 얕은 물 생태계의 기능에 필수적인 생체촉매 필터를 만듭니다. 결과적으로, ROS는 동적 해안 퇴적물의 생지화학에서 제대로 평가되지 않은 역할을 할 수 있습니다.