有機緩衝剤は非生物的および生物起源のマンガン酸化物の還元剤として機能します

Scientific Reports volume 13、記事番号: 6498 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

陽子の活動は、多くの生物地球化学反応における主変数です。 pH を制御するために、酸化マンガン (Mn) などの酸化還元に敏感な鉱物を含む実験室研究では、有機緩衝液 (通常はグッド緩衝液) が頻繁に使用されます。 しかし、2 つのグッドバッファー、HEPES と MES は、Mn(IV) を Mn(III) に還元することが示されています。 Mn(III) は鉱物の反応性を強く制御するため、混乱を招く結果を避けるためには、Mn(III) 含有量を増加させる実験上のアーチファクトを避けることが重要です。 ここでは、Mn 酸化物といくつかのグッドバッファー (MES、pKa = 6.10、PIPES、pKa = 6.76、MOPS、pKa = 7.28、HEPES、pKa = 7.48) および TRIS (pKa = 8.1) との反応による Mn の減少の程度を定量化しました。バッファ。 δ-MnO2 の場合、Mn の還元は急速で、Good's 緩衝液との反応から 1 時間以内に最大 35% の固相 Mn(III) が生成されました。 水性Ｍｎは、ｐＨが緩衝液ｐＫａより１単位低く、反応が２４時間進行した実験を除いて、すべてのグッド緩衝液実験において最小であった。 さらに、24時間後のMn減少の程度は、MES < MOPS < PIPES < HEPES << TRISの順で増加した。 試験した変数のうち、初期の Mn(II、III) 含有量が還元に対する感受性に最も大きな影響を及ぼし、Mn の還元は酸化物の初期平均酸化数 (AMON) に反比例しました。 酸化マンガン、細菌細胞および細胞外高分子物質の混合物からなる生体マンガン酸化物の場合、マンガン還元の程度は非生物類似体を使用した実験から予測されるよりも低く、還元されたマンガンの生物的再酸化または還元されたマンガンの差異に起因する可能性があります。非生物酸化物と生物起源酸化物の還元性。 この研究の結果は、モルホリン系およびピペラジン系のグッドバッファーや TRIS などの有機バッファーは、酸化還元活性物質の組成と反応性を変化させる Mn に電子を移動させる能力があるため、酸化マンガン系の pH 制御には避けるべきであることを示しています。ミネラル。

陽子の活動は、水と粒子の界面で起こるほとんどの生物地球化学プロセスおよび反応において主変数です。 陸域および水域の環境に遍在する層状マンガン酸化物 (MnOx) について 1、2、3、汚染物質の酸化と吸着の速度論と程度、層間陽イオン含有量、結晶子サイズ、凝集および相転移を受ける能力は、懸濁液の pH 4、5、6、7 に強く依存します。 したがって、MnOx が関与する界面プロセスを研究するには pH 制御が必要であり、通常は無機緩衝液 (リン酸塩 8、炭酸塩 9、10、11、ホウ酸塩 12、13) または有機緩衝液 (最も一般的なグッド緩衝液) を使用して行われます 14、15。 無機バッファーは一般に酸化に耐性がありますが、表面錯体の形成や水性錯体形成または沈殿反応による溶液からの遊離金属イオンの除去を通じて鉱物の反応性に影響を与える可能性があります。

グッドの緩衝液は、リン酸塩や TRIS (トリス(ヒドロキシメチル)アミノメタン) などの pH 緩衝液の代替品として開発された N-置換アミノスルホン酸です。 これらは、生理学的 pH 条件下では緩衝能力が低く、錯形成、沈殿、または金属と相互作用します。酸化反応14． MES (2-(N-モルホリノ) エタンスルホン酸) は、MOPS (3-(N-モルホリノ) プロパンスルホン酸) および PIPES (ピペラジン-N,N'-ビス(2-エタンスルホン酸)) とともに、次の 3 つです。金属イオンを錯体化しないことが提案された 20 個のよく知られたグッドバッファー 16。 他のグッド緩衝液は、1 つのアルコール性酸素と最も近いアミン基を使用して二座キレート環を形成する水和金属イオンと相互作用することが知られています 17。 HEPES (4-(2-ヒドロキシエチル)-1-ピペラジンエタンスルホン酸) などのピペラジン環を含む緩衝液はラジカル種を形成するため、酸化還元に敏感な金属に対して反応性があります 18,19。 pKa2 が 7.48 の HEPES は、最も一般的に使用されるグッド緩衝液の 1 つであり、その主な理由は、自然系に関連する範囲にわたって pH を緩衝する能力によるものです 17。 HEPES は、マンガンの生物鉱化の研究や、生物地球化学の研究で使用する生体マンガン酸化物の製造における微生物増殖培地にも使用されます 3,20,21。 生化学の文献は 20 年以上前に酸化還元感受性プロセスの研究におけるグッド緩衝液の使用に対して警告していましたが 17,18、環境科学コミュニティはこれらの発見を採用するのが遅かったです 16,22,23,24,25,26,27 、28、29、30、31、32、33、34、35。 鉄および酸化マンガンに関する無数の研究では、高濃度のグッド緩衝液 (10 ～ 30 mM) が使用されています 36,37,38,39,40,41 が、いくつかの最近の研究では緩衝液による金属の減少が認められています 42,43,44,45。 46、47。