रिडॉक्स ग्रेडिएंट: Difference between revisions

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रेडॉक्स ग्रेडिएंट सामान्यतः पर्यावरण में स्थान और समय दोनों के कार्यों के रूप में पाए जाते हैं,<ref name=":1">{{Cite journal|last=Vodyanitskii|first=Yu N.|date=2016|title=नगरपालिका लैंडफिल से लीचेट द्वारा दूषित मिट्टी और भूजल में जैव रासायनिक प्रक्रियाएं (मिनी समीक्षा)|journal=Annals of Agrarian Science|volume=14|issue=3|pages=249–256|doi=10.1016/j.aasci.2016.07.009|issn=1512-1887|doi-access=free}}</ref><ref name=":2" /> विशेष रूप से मृदा और जलीय वातावरण में <ref name=":2" /><ref name=":5" /> ग्रेडिएंट ऑक्सीजन की उपलब्धता, मृदा के जल विज्ञान, उपस्थित रासायनिक प्रजातियों और माइक्रोबियल प्रक्रियाओं सहित विभिन्न भौतिक रासायनिक गुणों के कारण होते हैं।<<ref name=":0" /><ref name="Borch Kretzschmar Kappler Cappellen pp. 15–232" /><ref name=":1" /><ref name=":2" />
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निम्नलिखित सामान्य प्रतिक्रियाओं की सूची है जो ऑक्सीकरण से लेकर कम करने तक पर्यावरण में होती है (कोष्ठकों में प्रतिक्रिया करने वाले जीव):<ref name=":0" />
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For broader coverage of this topic, see रिडॉक्स and रिडक्शन की संभावना.
पर्यावरण में सामान्य रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं का चित्रण। झांग के आंकड़ों से अनुकूलित[1] और गोर्नी.[2] रेडॉक्स युग्म को लाल रंग में ऑक्सीडाइज़र (इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता) और काले रंग में रेड्यूसर (इलेक्ट्रॉन दाता) के साथ सूचीबद्ध किया गया है।
ऊर्जा पर आधारित समुद्री तलछटों में रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं की सापेक्ष अनुकूलता। तीरों के प्रारंभ बिंदु अर्ध-सेल प्रतिक्रिया से जुड़ी ऊर्जा को दर्शाते हैं। तीरों की लंबाई उस प्रतिक्रिया के लिए गिब की मुक्त ऊर्जा (ΔG) के अनुमान को दर्शाती है जहां उच्च ΔG अधिक ऊर्जावान रूप से अनुकूल है (लिब्स, 2011 से अनुकूलित)।[3]

रिडॉक्स ग्रेडिएंट रिडक्शन-ऑक्सीकरण (रेडॉक्स) प्रतिक्रियाओं की श्रृंखला है जो रिडक्शन क्षमता के अनुसार क्रमबद्ध होती है। [4][5] इस प्रकार रेडॉक्स लैडर उस क्रम को प्रदर्शित करती है जिसमें रेडॉक्स युग्म से प्राप्त मुक्त ऊर्जा के आधार पर रेडॉक्स प्रतिक्रियाएं होती हैं।[5][6] ये रेडॉक्स ग्रेडिएंट माइक्रोबियल प्रक्रियाओं, पर्यावरण की रासायनिक संरचना और ऑक्सीडेटिव क्षमता में अंतर के परिणामस्वरूप स्थानिक और अस्थायी रूप से बनते हैं।[5][4] सामान्य वातावरण जहां रेडॉक्स ग्रेडिएंट उपस्थित हैं, वह तटीय, झीलें, दूषित जलधाराएं और मृदा है।[1][4][5][6]

पृथ्वी की सतह पर ऑक्सीकरण वातावरण और सतह के नीचे तेजी से कम होने वाली स्थितियों के साथ वैश्विक रेडॉक्स ग्रेडिएंट है। इस प्रकार सूक्ष्म माप पर विषम वातावरण में रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं के लिए आगे के शोध और अधिक परिष्कृत माप तकनीकों की आवश्यकता होती है।[5][1][7][6]

रेडॉक्स स्थितियों को मापना

रेडॉक्स स्थितियों को वोल्ट में रेडॉक्स क्षमता (Eh) के अनुसार मापा जाता है, जो इलेक्ट्रॉन को इलेक्ट्रॉन दाता से इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता में स्थानांतरित करने की प्रवृत्ति का प्रतिनिधित्व करता है। इस प्रकार Eh की गणना आधी प्रतिक्रियाओं और नर्नस्ट समीकरण का उपयोग करके की जा सकती है।[1] शून्य का Eh मानक हाइड्रोजन इलेक्ट्रोड H+/H2 के रेडॉक्स युग्म का प्रतिनिधित्व करता है,[8] एक धनात्मक Eh एक ऑक्सीकरण वातावरण को इंगित करता है (इलेक्ट्रॉनों को स्वीकार किया जाएगा), और एक ऋणात्मक Eh एक रिड्यूसर वातावरण को इंगित करता है (इलेक्ट्रॉनों का दान किया जाएगा)।[1] रेडॉक्स ग्रेडिएंट में, सबसे ऊर्जावान रूप से अनुकूल रासायनिक प्रतिक्रिया रेडॉक्स लैडर के "शीर्ष" पर होती है और सबसे कम ऊर्जावान रूप से अनुकूल प्रतिक्रिया लैडर के "नीचे" पर होती है।[1]

इस प्रकार Eh क्षेत्र में प्रतिरूप एकत्र करके और प्रयोगशाला में विश्लेषण करके, या यथास्थान माप एकत्र करने के लिए वातावरण में इलेक्ट्रोड डालकर मापा जा सकता है।[6][5][1] रेडॉक्स क्षमता को मापने के लिए विशिष्ट वातावरण पानी, मृदा और तलछट के निकायों में हैं, इस प्रकार जो सभी उच्च स्तर की विविधता प्रदर्शित कर सकते हैं।[5][1] अधिक संख्या में प्रतिरूप एकत्र करने से उच्च स्थानिक रिज़ॉल्यूशन उत्पन्न हो सकता है, किन्तु कम अस्थायी रिज़ॉल्यूशन की मूल्य पर क्योंकि प्रतिरूप केवल समय में स्नैपशॉट दर्शाते हैं।[8][1][5] यथास्थान मॉनिटरिंग निरंतर वास्तविक समय माप एकत्र करके उच्च अस्थायी रिज़ॉल्यूशन प्रदान कर सकती है, किन्तु कम स्थानिक रिज़ॉल्यूशन क्योंकि इलेक्ट्रोड निश्चित स्थान पर है।[1][5]

रेडॉक्स गुणों को प्रेरित ध्रुवीकरण या प्रेरित-ध्रुवीकरण इमेजिंग के उपयोग के माध्यम से उच्च स्थानिक और लौकिक रिज़ॉल्यूशन के साथ भी ट्रैक किया जा सकता है, चूँकि, ध्रुवीकरण में रेडॉक्स प्रजातियों के योगदान को पूरी तरह से समझने के लिए और अधिक शोध की आवश्यकता है।[6]

पर्यावरणीय स्थितियाँ

रेडॉक्स ग्रेडिएंट सामान्यतः पर्यावरण में स्थान और समय दोनों के कार्यों के रूप में पाए जाते हैं,[9][8] विशेष रूप से मृदा और जलीय वातावरण में [8][6] ग्रेडिएंट ऑक्सीजन की उपलब्धता, मृदा के जल विज्ञान, उपस्थित रासायनिक प्रजातियों और माइक्रोबियल प्रक्रियाओं सहित विभिन्न भौतिक रासायनिक गुणों के कारण होते हैं।<[1][4][9][8]

विशिष्ट वातावरण जो सामान्यतः रेडॉक्स ग्रेडिएंट्स की विशेषता रखते हैं इस प्रकार उनमें हाइड्रिक मृदा, आर्द्रभूमि, सम्मिलित हैं।[8] प्रदूषक प्लम,[9][4] और समुद्री पेलजिक और हेमिपेलजिक तलछट है।[4]

निम्नलिखित सामान्य प्रतिक्रियाओं की सूची है जो ऑक्सीकरण से लेकर कम करने तक पर्यावरण में होती है (कोष्ठकों में प्रतिक्रिया करने वाले जीव):[1]

  1. एरोबिक श्वसन (एरोबिक: एरोबिक जीव)
  2. विनाइट्रीकरण (डेनिट्रिफायर: डिनाइट्रीफाइंग बैक्टीरिया)
  3. मैंगनीज रिडक्शन (मैंगनीज रिड्यूसर)
  4. आयरन रिडक्शन (आयरन रिड्यूसर: ट्रेस मेटल स्टेबल आइसोटोप बायोजियोकेमिस्ट्री आयरन रिड्यूसर बैक्टीरिया
  5. सल्फेट रिडक्शन (सल्फेट रिड्यूसर: सल्फर रिड्यूसर बैक्टीरिया)
  6. मेथनोजेनेसिस (मेथनोजेन्स)

जलीय वातावरण

रेडॉक्स ग्रेडिएंट्स पानी के स्तंभों और उनके तलछटों में बनते हैं। इस प्रकार पानी के स्तंभ के अन्दर ऑक्सीजन के अलग-अलग स्तर (ऑक्सिक, सबॉक्सिक, डेड ज़ोन (पारिस्थितिकी)) रेडॉक्स रसायन को बदल देते हैं और रेडॉक्स प्रतिक्रियाएं हो सकती हैं।[10] इस प्रकार ऑक्सीजन न्यूनतम क्षेत्र का विकास भी रेडॉक्स ग्रेडिएंट्स के निर्माण में योगदान देता है।

बेन्थिक क्षेत्र तलछट खनिज संरचना, कार्बनिक पदार्थ की उपलब्धता, संरचना और सोखने की गतिशीलता में भिन्नता से उत्पन्न रेडॉक्स ग्रेडिएंट प्रदर्शित करते हैं।[5] इस प्रकार सतह तलछटों के माध्यम से विघटित इलेक्ट्रॉनों का सीमित परिवहन, तलछट के विभिन्न छिद्र आकारों के साथ मिलकर बेंटिक तलछट में महत्वपूर्ण विविधता उत्पन्न करता है।[5] इस प्रकार तलछटों में ऑक्सीजन की उपलब्धता यह निर्धारित करती है कि कौन से माइक्रोबियल श्वसन मार्ग हो सकते हैं, जिसके परिणामस्वरूप रेडॉक्स प्रक्रियाओं का ऊर्ध्वाधर स्तरीकरण होता है क्योंकि गहराई के साथ ऑक्सीजन की उपलब्धता कम हो जाती है।[5]

स्थलीय वातावरण

मृदा Eh यह भी अधिक सीमा तक जलवैज्ञानिक स्थितियों का कार्य है।[1][8][6] इसके पश्चात् की स्थिति में, संतृप्त मृदा ऑक्सीकृत से अनॉक्सी में स्थानांतरित हो सकती है, जिससे अवायवीय माइक्रोबियल प्रक्रियाओं के प्रभाव होने से कम करने वाला वातावरण बन सकता है।[1][8] इसके अतिरिक्त, मृदा के छिद्र स्थानों के अन्दर छोटे एनोक्सिक हॉटस्पॉट विकसित हो सकते हैं, जिससे कम करने वाली स्थितियाँ उत्पन्न हो सकती हैं।[6] इस प्रकार समय के साथ, आरंभिक Eh पानी निकल जाने और मृदा सूख जाने से मृदा की स्थिति को बहाल किया जा सकता है।[1][8] इस प्रकार बढ़ते भूजल द्वारा निर्मित रेडॉक्स ग्रेडिएंट्स वाली मृदा को ग्लेसोल के रूप में वर्गीकृत किया जाता है, जबकि स्थिर पानी द्वारा निर्मित ग्रेडिएंट्स वाली मृदा को स्टैग्नोसोल और प्लैनोसोल के रूप में वर्गीकृत किया जाता है।

मृदा Eh सामान्यतः -300 से +900 mV तक होता है।[8] नीचे दी गई तालिका विभिन्न मृदा की स्थितियों के लिए विशिष्ट Eh मानों का सारांश प्रस्तुत करती है:[1][8]

मिट्टी की स्थिति Typical Eh range (mV)[1][8]
जलमग्न Eh < +250
एरेटेड - मध्यम रूप से कम +100 < Eh < +400
एरेटेड – कम −100 < Eh < +100
एरेटेड – अत्यधिक कम −300 < Eh < −100
कल्टिवेटेड +300 < Eh < +500

सामान्यतः स्वीकृत Eh सीमाएँ जो पौधों द्वारा सहन की जाती हैं वे +300 mV < Eh <+700 mV हैं।[8] 300 mV वह सीमा मान है जो आर्द्रभूमि मिट्टी में एरोबिक को अवायवीय स्थितियों से अलग करता है।[1] रेडॉक्स पोटेंशियल (Eh) भी ph से निकटता से जुड़ा हुआ है, और दोनों का मिट्टी-पौधे-सूक्ष्मजीव प्रणालियों के कार्य पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है। [1][8] इस प्रकार मिट्टी में इलेक्ट्रॉनों का मुख्य स्रोत कार्बनिक पदार्थ है। [8] इस प्रकार कार्बनिक पदार्थ विघटित होने पर ऑक्सीजन की खपत करते हैं, जिसके परिणामस्वरूप मिट्टी की स्थिति कम हो जाती है और Eh कम हो जाता है।[8]

पर्यावरण में रेडॉक्स ग्रेडियेंट के उदाहरण
  • एक शोधकर्ता का दाहिना हाथ एक पतली धातु तलछट कोरर को बाहर निकालता है जिसमें मॉरो पर्वत की आर्द्रभूमि मिट्टी होती है। बायां हाथ छवि के अग्रभूमि में मिट्टी के छोटे टुकड़े रखता है।

    वेटलैंड मिट्टी में अधिकांशतः रेडॉक्स ग्रेडिएंट का अनुभव होता है।

  • ऑक्सीजन न्यूनतम क्षेत्र का अनुभव करने वाले महाद्वीपीय शेल्फ का वैज्ञानिक योजनाबद्ध आरेख। ऑक्सीजन न्यूनतम क्षेत्र लाल रंग का है। तीर ऊपर उठने, उत्तर से आने वाली हवाओं और समुद्र की सतह की धाराओं जैसी प्रक्रियाओं का संकेत देते हैं। हरे बिंदु सतही जल में फाइटोप्लांकटन के खिलने का संकेत देते हैं।

    उत्पादक समुद्री क्षेत्रों और संलग्न घाटियों में, ऑक्सीजन न्यूनतम क्षेत्र और हाइपोक्सिक क्षेत्र गहरे पानी में रेडॉक्स ग्रेडिएंट का अनुभव कर सकते हैं।

  • बेज रंग की शर्ट और टोपी पहने एक शोधकर्ता लंबी घास और गहरे पानी के तालाबों वाली आर्द्रभूमि में घुटनों के बल बैठा है। वह एक हाथ से आर्द्रभूमि की मिट्टी में पहुँच रहा है।

    आर्द्रभूमियों में, कार्बनिक-समृद्ध मिट्टी समय के साथ जमा होती है, और ये मिट्टी अधिकांशतः रेडॉक्स ग्रेडिएंट का अनुभव करती हैं।

  • मिट्टी के एक ऊर्ध्वाधर टुकड़े की छवि जिसकी परतों में सतह पर हल्के भूरे से लेकर गहराई पर लाल तक अलग-अलग रंग हैं।

    कुछ मिट्टी में रेडॉक्स ग्रेडिएंट का अनुभव होता है।

  • एक गोताखोर के नीले दस्ताने वाले हाथों में एक बेलनाकार तलछट कोर होता है। कोर एक प्लास्टिक ट्यूब के अंदर है जिसके माध्यम से गहरे तलछट और गंदे पानी को देखा जा सकता है। छवि पाठ में लिखा है "मैककॉर्मिक और बैक्सटर पोर्टलैंड हार्बर, या सेडिमेंट कोर सैंपलिंग"। पृष्ठभूमि में एक नाव का डेक, पानी, एक पुल और एक जंगली पहाड़ी है।

    नदियों, झीलों और खाड़ियों से एकत्र किए गए इस प्रकार के तलछट कोर में अधिकांशतः कोर के नीचे गहराई के साथ रेडॉक्स ग्रेडिएंट होते हैं।

  • एक लाल और सफेद धारीदार छड़ी मिट्टी के कटे हुए किनारे पर झुकी हुई है। मिट्टी में भूरे से भूरे रंग की परतें और कई पौधों की जड़ें होती हैं। छवि के शीर्ष पर बड़े हरे पत्तों वाले पौधे हैं।

    ग्लीसोलजर्मनी में दक्षिणी ब्लैक फॉरेस्ट की इस तरह की या ग्ली मिट्टी में अधिकांशतः रेडॉक्स ग्रेडिएंट का अनुभव होता है।

सूक्ष्मजीव की भूमिका

रेडॉक्स ग्रेडिएंट संसाधन उपलब्धता और भौतिक रासायनिक स्थितियों (पीएच, लवणता, तापमान) के आधार पर बनते हैं और सूक्ष्मजीवों के स्तरीकृत समुदायों का समर्थन करते हैं।[1][5][9][8][7] सूक्ष्मजीव अपने आस-पास की स्थितियों के आधार पर अलग-अलग श्वसन (फिजियोलॉजी) प्रक्रियाएं (मेथनोजेनेसिस, सल्फेट रिडक्शन, आदि) करते हैं और पर्यावरण में उपस्थित रेडॉक्स ग्रेडिएंट्स को और बढ़ाते हैं।[9][1][8] चूँकि, सूक्ष्मजीवों का वितरण केवल थर्मोडायनामिक्स (रेडॉक्स लैडर) से निर्धारित नहीं किया जा सकता है, किन्तु पारिस्थितिक और शारीरिक कारकों से भी प्रभावित होता है।[6][5]

रेडॉक्स ग्रेडिएंट्स, जलीय और स्थलीय दोनों सेटिंग्स में, दूषित कणों के साथ बनते हैं, जो कि दूषित सांद्रता और प्रासंगिक रासायनिक प्रक्रियाओं और माइक्रोबियल समुदायों पर पड़ने वाले प्रभावों के कार्य के रूप में होते हैं।[1][9] रेडॉक्स ग्रेडिएंट के साथ कार्बनिक प्रदूषक क्षरण की उच्चतम दर ऑक्सी-एनॉक्सिक इंटरफ़ेस पर पाई जाती है।[1] इस प्रकार भूजल में, इस ऑक्सी-एनॉक्सिक वातावरण को कैपिलरी फ्रिंज के रूप में जाना जाता है, जहां जल स्तर मृदा से मिलता है और रिक्त छिद्रों को भरता है। क्योंकि यह संक्रमण क्षेत्र ऑक्सीक और एनोक्सिक दोनों है, इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता और दाता उच्च मात्रा में हैं और इसमें उच्च स्तर की माइक्रोबियल गतिविधि होती है, जिससे दूषित जैव निम्नीकरण की उच्चतम दर होती है।[1][9]

बेन्थिक ज़ोन तलछट प्रकृति में विषम हैं और इसके पश्चात् में रेडॉक्स ग्रेडिएंट प्रदर्शित करते हैं।[5] इस विविधता के कारण, रासायनिक प्रजातियों को कम करने और ऑक्सीकरण करने की प्रवणता सदैव विशिष्ट माइक्रोबियल समुदायों की इलेक्ट्रॉन परिवहन आवश्यकताओं का समर्थन करने के लिए पर्याप्त रूप से ओवरलैप नहीं होती है।[5] इस प्रकार केबल बैक्टीरिया को सल्फाइड-ऑक्सीकरण करने वाले बैक्टीरिया के रूप में जाना जाता है जो अन्यथा अनुपलब्ध रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं के लिए इलेक्ट्रॉन परिवहन को पूरा करने के लिए कम आपूर्ति वाले और अतिरिक्त इलेक्ट्रॉनों के इन क्षेत्रों को जोड़ने में सहायता करता है।[5]

ज्वारीय समतलों, हिमनद, हाइपोथर्मल वेंट और जलीय वातावरण के निचले भाग में पाए जाने वाले बायोफिल्म भी रेडॉक्स ग्रेडिएंट प्रदर्शित करते हैं।[5] इस प्रकार रोगाणुओं का समुदाय अधिकांशतः धातु या सल्फेट रिड्यूसर सूक्ष्मजीव या सल्फेट-रिड्यूसर बैक्टीरिया-स्थानिक भौतिक रासायनिक परिवर्तनशीलता के कार्य के रूप में माइक्रोमीटर माप पर रेडॉक्स ग्रेडिएंट उत्पन्न करते हैं।[5]

एसएमटीजेड में माइक्रोबियल प्रक्रियाओं के कवरेज के लिए सल्फेट-मीथेन संक्रमण क्षेत्र देखें।

यह भी देखें

संदर्भ

  1. ↑ 1.00 1.01 1.02 1.03 1.04 1.05 1.06 1.07 1.08 1.09 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 1.16 1.17 1.18 1.19 1.20 1.21 1.22 1.23 Zhang, Zengyu; Furman, Alex (2021). "गतिशील हाइड्रोलॉजिकल शासन के तहत मृदा रेडॉक्स गतिशीलता - एक समीक्षा". Science of the Total Environment (in English). 763: 143026. Bibcode:2021ScTEn.763n3026Z. doi:10.1016/j.scitotenv.2020.143026. ISSN 0048-9697. PMID 33143917. S2CID 226249448.
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  4. ↑ 4.0 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 Borch, Thomas; Kretzschmar, Ruben; Kappler, Andreas; Cappellen, Philippe Van; Ginder-Vogel, Matthew; Voegelin, Andreas; Campbell, Kate (2009). "Biogeochemical Redox Processes and their Impact on Contaminant Dynamics". Environmental Science & Technology. American Chemical Society (ACS). 44 (1): 15–23. doi:10.1021/es9026248. ISSN 0013-936X. PMID 20000681. S2CID 206997593.
  5. ↑ 5.00 5.01 5.02 5.03 5.04 5.05 5.06 5.07 5.08 5.09 5.10 5.11 5.12 5.13 5.14 5.15 5.16 5.17 5.18 Lau, Maximilian Peter; Niederdorfer, Robert; Sepulveda-Jauregui, Armando; Hupfer, Michael (2018). "जलीय इंटरफेस पर रेडॉक्स बायोजियोकैमिस्ट्री का संश्लेषण". Limnologica (in English). 68: 59–70. doi:10.1016/j.limno.2017.08.001.
  6. ↑ 6.0 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 Peiffer, S.; Kappler, A.; Haderlein, S. B.; Schmidt, C.; Byrne, J. M.; Kleindienst, S.; Vogt, C.; Richnow, H. H.; Obst, M.; Angenent, L. T.; Bryce, C. (2021). "A biogeochemical–hydrological framework for the role of redox-active compounds in aquatic systems". Nature Geoscience (in English). 14 (5): 264–272. Bibcode:2021NatGe..14..264P. doi:10.1038/s41561-021-00742-z. ISSN 1752-0894. S2CID 233876038.
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