물질 순환, 물질의 화학 순환계(탄소순환,인순환,질소순환,황순환,철순환 등)

소개글

물질 순환, 물질의 화학 순환계(탄소순환,인순환,질소순환,황순환,철순환 등)에 대한 보고서 자료입니다.

목차

◇ 원소의 전체적인 순환

◇ 탄소의 순환

◇ 탄소의 산화-환원 순환

◇ 지구에서의 최대의 탄소 저장소

본문내용

HS- (+ SO32-) → H2S
- 유기물질 유래 수소 필요 → 유기물질 많은 곳에서 활발
- 하수나 하수오물의 바다로의 유입 → 해저 침전물로부터 H2S의 생성 촉진 → 해저 생태계에 독성물질 생성
- HS- : 철분, 구리, 수은 등 중금속과 결합 → 불용성의 황화 중금속 화합물 생성
2) Sulfide와 황원소의 산화
◇ 중성 pH, HS- →원소상태의 황(S)이나 thiosulfate로 산화(산소 존재시)
- sulfide의 농도, sulfide와 산소의 비, 금속촉매의 유무에 따라 생성물 결정
- 황 산화세균에 의한 산화는 자발적인 산화에 비해 미미한 편
- 광합성 세균에 의해서도 HS-의 산화(혐기성 상태, 광 존재시)
◇ 황 원소(S)의 산화
- 황 산화세균에 의해 쉽게 산화
- Thiobacillus : 원소상태의 황을 산화시키는 대표적 미생물, 불용성 황 결정체에 결합
- 황 원소의 산화 → SO4-, H+ → 주위 환경의 pH ↓ → 토양의 산성화
D. 인의 순환
◇ 인
- 모든 생물에 절대 필요한 원소
- 주로 토양이나 수중환경에서 미생물 작용에 의해 순환
- 암석이나 토양 : 인산마그네슘(Mg(H2PO4)2, MgH(PO4)2, Mg3(PO4)2), 인산철, 인산칼슘의 형태로 풍부히 분포
- 물에는 적은 양 존재, 수중 조류에 의해 농축, 유기화합물 형태로 식물성 플랑크톤을 통해 동물에 전이
- 수중 생물체내의 인 : 수용성 무기인산, 육지나 수중 침전물 속의 인 : 불용성 무기인산
◇ 인의 순환 : 미생물에 의한 화학작용
- 종속영양성 박테리아와 균류 : 유기화합물 → 무기질화, orthophosphate(H3PO4)를 회수
- 광합성 독립영양 및 종속영양성 미생물 : 무기인의 고정화(immobilization) → 인의 공급원 ↓
- 불용성 무기인산의 수용화 : Ca(PO4)2 →인 용해(생물에 의해 생성된 유기산, 질산, 황산 등에 의해 인이 수용화, H2S에 의해 인산철(ferric phosphate, FePO4)의 용해
◇ 생물계 중의 인 : 무기인이나 유기인 중 하나의 산화상태로 존재
- 인산이온 : 죽은 생물체나 유기물질로 강 → 바다에 모여 침전
- 극히 적은 양이 새에 의해 육지로
◇ 인의 회수과정
- 종속영양성 생물에 의해 인을 회수
- 토양이나 수중의 박테리아와 토양의 균류가 주로 관여
- 토양의 방선균류(Actinomycetes) : 유기물로부터 인을 떼어냄
- 생물세포 구성성분으로부터의 인의 무기질화
- 독립성 및 종속성 생물세포의 합성에 절대 필요
- 농경지나 수중 : 생물에 의한 유리 인산의 흡수 신속 → 인의 고갈 (인산비료의 시비로 인을 공급)
E. 철과 망간의 순환
◇ 철
- 지각에서 가장 흔한 원소중 하나
- 수용성 → 수중환경에 비교적 적게 분포
- 자연계의 철 : Fe2+(ferrous), Fe3+(ferric) 이온으로 존재
◇ 철의 존재 형태 : pH와 산소에 의해 좌우
- Fe2+ 산화시킬수 있는 전자수용체 : 산소
- 중성 pH, Fe2+ → Fe3+ →Fe(OH)3, Fe2O3(ferric oxide) 불용성 침전물
- 유기물과 함께 chelate → 수용성 유지
- Fe3+ →Fe2+ 환원 : 철의 수용화
1) 박테리아에 의한 철의 산화-환원
◇ 철의 환원 : 주로 박테리아에 의함, 철의 수용성 주원인
- 불완전 혐기성균 : Fe+3을 전자수용체로 사용(산소도 가능)
- 박테리아에 의해 수소를 전자공여체로 사용하는 Fe의 환원과정 : Fe(OH)3 + 1/2H2 → Fe2+ + 2OH- + H2O
- 혐기성 환경에서와 같이 HS- + Fe3+ →FeS 형성
- Fe3+의 환원 : 침수된 토양이나 호수의 혐기성 침전물 안에서 흔히 발생 →환원된 철은 지하수로 운반
- 철분 함유 물 : 공기와 접하면 → Fe3+로 산화 →적갈색의 침전 형성
- 늪이나 철광 지역의 하천에서 흔한 현상, 철관의 심각한 문제 야기
◇ Fe2+의 산화
- Fe2+ + 1/4O2 + H+ → Fe3+ + 1/2H2O
- Fe3+ + OH- → Fe(OH)2 (적갈색 침전물)
- OH- 소모 → 산성환경 형성
- 호산성 독립영양성 박테리아 Thiobacillus ferrooxidans에 의해 Fe3+로 산화(에너지 획득위해 CO2 이용)
- 철 산화 박테리아 : 호산성, 산성 철광의 배수나 산성 생물 주위에 서식
2) 황철광(Pyrite)의 산화
◇ 황철광
- 자연에 풍부한 철과 황의 화합물, FeS2의 분자식
- 황철광의 산화 : 광산이나 광산배수로가 산성화되는 주 원인, 미생물에 의한 광석 제련의 원리
◇ 황철광의 산화
- 자발적 반응 + 박테리아에 의한 반응 (복합반응)
- O2, Fe3+ : 전자수용체로 작용
- pH < 2.5 (산성환경) → Fe3+ 만 존재
- pH > 2.5 : Fe3+ + H2O → Fe(OH)3(불용성 수화철)
- FeS2 + 3/2O2 + H2O → Fe2+ + 2SO42- + 2H+ : 산성화 유도반응(initiation reaction)
- 산성화 → Fe2+ : 산소 존재하도 안정
- Thiobacillus ferooxidans에 의한 Fe2+ →Fe3+ 산화
- FeS2 + 14Fe3+ + 8H2O →15Fe2+ + 2SO42- + 16H+ : 증폭 순환(propagation cycle)
3) 망간(Mn)
◇ 망간의 산화 상태 : Mn2+, Mn3+, Mn4+, Mn6+
- 보편적 존재 형태 : Mn2+, Mn4+
- Mn2+ : 수용성, 호기성 환경시 pH < 5.5에서, 혐기성 환경시 pH > 5.5에서
- pH > 8 → Mn2+의 자발적 산화 → Mn4+ → 불용성 산화물 MnO2(manganese oxide) 형성
- 해양, 담수, 호수 : MnO2의 침전물 형성 → 산화망간괴
◇ 망간의 산화-환원
- pH의 변화나 산소량의 변화에 의해 자발적 발생
- 미생물 활동에 따라 산소량 변화 (특수한 미생물) → 망간의 변화(산화)
◇ 수은회로 :
혐기성 침전물의 미생물은 주로 Desulfovibrio로 수은을 메칠화하여 물과 대기로 이동

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