연구: 가시광선은 박테리아가 망간 산화를 위한 과산화물을 생성하도록 유도합니다.

2023년 3월 31일

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망간 산화물은 천연 반응성 광물이며 수생 및 육상 환경에 널리 퍼져 있으며 하수 처리 시 흡착 및 산화를 통해 금속(예: As3+ 및 Cd2+) 및 유기 오염물질(예: 페놀 및 디클로페낙)의 거동에 영향을 미칩니다. 일반적으로 환경 내 망간(III/IV) 산화물은 비생물적 또는 생물적 과정을 통해 용해된 Mn(II)의 산화에 의해 형성되는 것으로 생각됩니다.

용존 산소에 의한 수성 Mn(II)의 산화는 열역학적으로 선호되지만, 용해된 Mn(II)에서 Mn(III/IV) 산화물로의 반응의 높은 에너지 장벽으로 인해 동역학이 느립니다. 미생물의 존재는 비생물적 화학적 산화 속도보다 4~5배 더 빠른 산화 속도를 가속화하므로 환경에서 산화망간의 초기 공급원으로 간주됩니다.

용해된 Mn(II) 이온을 용해되지 않은 Mn(III/IV) 산화물로 산화시키는 것을 촉매할 수 있는 박테리아를 일반적으로 망간 산화 박테리아라고 합니다. 세균에 의한 Mn(II) 이온의 산화는 직접산화와 간접산화로 나누어지며, 미생물 표면의 효소에 의해 촉매되는 과정을 직접산화라 한다. 간접 경로의 경우 일부 박테리아는 Mn(II) 산화를 위한 주변 환경 조건(예: pH 및 Eh)을 변경할 수 있습니다.

Roseobacter clade는 최근 연구에서 세포외 활성 산소종을 생성하여 Mn(II)을 산화시키는 것으로 입증되었습니다. 다른 박테리아 계통군도 Roseobacter와 유사한 Mn(II) 산화 과정을 가지고 있나요? Mn(II) 산화는 박테리아의 생리학적 과정과 밀접하게 연관되어 있습니까?

이러한 질문에 답하기 위해 중국과학원 Feng Zhao 교수와 그의 팀원들은 연안 표면 해수 미생물을 이용하여 가시광선 하에서 미생물 망간 산화 과정을 탐구했습니다. 미생물에 의한 수용성 Mn(II)이 불용성 Mn(III/IV) 산화물로 전환되는 것과 생리학적 역할 사이의 관계를 분석하였다. 이 연구는 2023년 Frontiers of Environmental Science & Engineering에 게재되었습니다.

이번 연구에서 연구팀은 가시광선이 Mn(II)의 산화 속도를 크게 촉진하며, 평균 속도가 64μmol/(L·d)에 달한다는 사실을 발견했다. 생성된 망간 산화물은 Mn(II) 산화에 도움이 되므로 급속한 망간 산화는 생물적, 비생물적 결합 작용의 결과였으며 생물학적 기능은 88% ± 4%를 차지합니다.

가시광선에 의해 유도된 미생물에 의해 생성된 세포외 과산화물은 우리 연구에서 빠른 망간 산화의 결정적인 요소입니다. 그러나 이러한 초과산화물 생산에는 Mn(II) 이온이 필요하지 않으며, Mn(II) 산화 공정은 의도하지 않은 부반응과 유사하여 미생물의 성장에 영향을 미치지 않습니다.

자연에 존재하는 종속 영양 미생물의 70% 이상이 자유 라디칼의 산화 특성을 기반으로 과산화물을 생성할 수 있으며, 이러한 모든 박테리아는 망간의 지구화학적 순환에 참여할 수 있습니다. 게다가, 과산화물 산화 경로는 산화망간의 중요한 천연 공급원일 수 있습니다.

이 연구는 세균성 망간 산화의 필수 경로를 밝혀냈습니다. 종속영양세균은 가시광선 조사 하에서 과산화물을 생성하고 주변 환경에서 산화망간의 주요 공급원인 Mn(II) 이온을 산화시킵니다. 생성된 Mn(III/IV) 산화물은 빛 조명 하에서 비생물적 반응을 통해 간접적으로 Mn(II) 이온을 산화시킬 수도 있습니다.