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암흑 산소

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목차

1. 개요

암흑 산소는 생물학적 과정 없이 물리화학적 반응을 통해 산소가 생성되는 비생물적 암흑 산소 생성과 미생물이 특정 과정을 통해 산소를 생성하는 생물적 암흑 산소 생성으로 구분된다. 비생물적 암흑 산소 생성은 물의 방사선 분해, 규소 함유 광물의 표면 결합 라디칼의 산화 등을 통해 일어나며, 활성 산소종을 생성하기도 한다. 생물적 암흑 산소 생성은 아염소산염 불균등화, 일산화질소 불균등화, 메탄오박틴을 통한 물 분해 등의 미생물 과정을 통해 발생한다. 최근 연구들은 지하수 생태계와 해저 환경에서 암흑 산소의 증거를 제시하며, 이는 지구 시스템의 생지화학적 순환에 중요한 영향을 미칠 수 있다.

2. 비생물적 암흑 산소 생성

비생물적 DOP는 생물학적 과정 없이 물리화학적 반응을 통해 산소가 생성되는 현상이다.

비생물적 DOP는 다음과 같은 여러 메커니즘을 통해 발생할 수 있다.


  • 물의 방사선 분해: 이 과정은 일반적으로 대수층과 같은 어두운 지질 생태계에서 발생하며, 주변 암석의 방사성 원소 붕괴로 인해 물 분자가 분해되어 O2가 생성된다.[1]
  • 표면 결합 라디칼의 산화: 석영과 같은 규소 함유 광물의 표면에서, 표면 결합 라디칼이 산화되어 O2 생성에 기여할 수 있다.[2][3][4]


O2의 직접적인 형성 외에도, 이러한 과정들은 종종 수산화 라디칼(OH•), 초과산화물(O2•-), 과산화수소(H2O2)와 같은 활성 산소종(reactive oxygen species, ROS)을 생성한다. 이러한 ROS는 초과산화물 불균등화효소와 카탈레이스 같은 효소를 통해 생물학적으로, 또는 제일철과 다른 환원된 금속들과의 반응을 통해 비생물학적으로 O2와 물로 전환될 수 있다.[5][6]

2. 1. 물의 방사선 분해

비생물적 DOP는 다음과 같은 여러 메커니즘을 통해 발생할 수 있다.

  • 물의 방사선 분해: 이 과정은 일반적으로 대수층과 같은 어두운 지질 생태계에서 발생하며, 주변 암석의 방사성 원소 붕괴로 인해 물 분자가 분해되어 O2가 생성된다.[1]


O2의 직접적인 형성 외에도, 이러한 과정들은 종종 수산화 라디칼(OH•), 초과산화물(O2•-), 과산화수소(H2O2)와 같은 활성 산소종(reactive oxygen species, ROS)을 생성한다. 이러한 ROS는 초과산화물 불균등화효소와 카탈레이스 같은 효소를 통해 생물학적으로, 또는 제일철과 다른 환원된 금속들과의 반응을 통해 비생물학적으로 O2와 물로 전환될 수 있다.[5][6]

2. 2. 표면 결합 라디칼의 산화

석영과 같은 규소 함유 광물의 표면에서, 표면 결합 라디칼이 산화되어 O2 생성에 기여할 수 있다.[2][3][4]

2. 3. 활성 산소종의 전환

비생물적 DOP는 여러 메커니즘을 통해 발생할 수 있는데, 물의 방사선 분해[1], 표면 결합 라디칼의 산화[2][3][4] 등이 그것이다. 이러한 과정들은 활성 산소종(ROS)을 생성하며, 이 ROS는 초과산화물 불균등화효소와 카탈레이스 같은 효소를 통해 생물학적으로, 또는 제일철과 다른 환원된 금속들과의 반응을 통해 비생물학적으로 O2와 물로 전환될 수 있다.[5][6]

3. 생물적 암흑 산소 생성

생물적 DOP는 미생물들이 다음과 같은 특정 미생물 과정을 통해 수행한다.


  • 아염소산염 불균등화: 이는 아염소산염(ClO2-)을 O2와 염화물 이온으로 불균등화하는 과정이다.[7]
  • 일산화질소 불균등화: 이는 일산화질소(NO)를 산소와 질소 가스(N2) 또는 아산화질소(N2O)로 불균등화하는 과정이다.[8][9][10]
  • 메탄오박틴을 통한 물 분해: 메탄오박틴은 물 분자를 분해하여 O2를 생성할 수 있다.[11]


이러한 과정들은 미생물 군집이 산소가 부족한 환경에서도 호기성 대사를 유지할 수 있게 한다.

3. 1. 아염소산염 불균등화

아염소산염 불균등화는 아염소산염(ClO2-)을 O2와 염화물 이온으로 불균등화하는 과정이다.[7] 이러한 과정은 미생물 군집이 산소가 부족한 환경에서도 호기성 대사를 유지할 수 있도록 한다.

3. 2. 일산화질소 불균등화

일산화질소(NO)를 산소와 질소 가스(N2) 또는 아산화질소(N2O)로 불균등화하는 과정이다.[8][9][10] 이러한 과정은 미생물 군집이 산소가 부족한 환경에서도 호기성 대사를 유지할 수 있게 한다.

3. 3. 메탄오박틴을 통한 물 분해

메탄오박틴은 물 분자를 분해하여 O2를 생성할 수 있다.[11] 이러한 과정들을 통해 미생물 군집은 산소가 부족한 환경에서도 호기성 대사를 유지할 수 있게 한다.

4. 실험적 증거

쿡 제도 해안의 망간 단괴 층


최근 연구들은 다양한 지질학적 및 지하 환경에서 DOP에 대한 설득력 있는 증거를 제시하고 있다.

;지하수 생태계

이전에 무산소 상태라고 가정되었던 오래된 지하수에서 용존 산소 농도가 측정되었다.[12] 이러한 O2의 존재는 암흑 산소를 생성할 수 있는 미생물 군집과 물의 방사선 분해에 기인한 것으로 여겨진다. 메타게놈 분석과 산소 동위원소 연구는 대기와의 혼합보다는 국지적 산소 생성을 더욱 뒷받침한다.[12]

;해저 환경

최근 연구들은 심해저, 특히 다금속 단괴가 풍부한 지역에서 암흑 산소(DOP)의 증거를 제시하고 있다.[13] 이러한 단괴들은 해수 전기분해를 일으켜 산소(O2) 생성을 유도할 수 있는 충분한 전류를 생성한다고 알려져 있다.[13]

4. 1. 지하수 생태계

이전에 무산소 상태라고 가정되었던 오래된 지하수에서 용존 산소 농도가 측정되었다.[12] 이러한 O2의 존재는 암흑 산소를 생성할 수 있는 미생물 군집과 물의 방사선 분해에 기인한 것으로 여겨진다. 메타게놈 분석과 산소 동위원소 연구는 대기와의 혼합보다는 국지적 산소 생성을 더욱 뒷받침한다.[12]

4. 2. 해저 환경

최근 연구들은 심해저, 특히 다금속 단괴가 풍부한 지역에서 암흑 산소(DOP)의 증거를 제시하고 있다.[13] 이러한 단괴들은 해수 전기분해를 일으켜 산소(O2) 생성을 유도할 수 있는 충분한 전류를 생성한다고 알려져 있다.[13]

5. 함의

DOP는 다양한 경로를 가지고 있음에도 불구하고, 전통적으로 지구 시스템에서 무시할 만한 수준으로 여겨져 왔다. 그러나 최근의 증거들은 어둡고 겉보기에 무산소 상태인 환경에서 O2가 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 큰 규모로 생성되고 소비되고 있음을 시사하며, 이는 전 지구적 생지화학적 순환에 중요한 함의를 지닌다.[14][15]

참조

[1] 논문 Critical Review of Water Radiolysis Processes, Dissociation Products, and Possible Impacts on the Local Environment: A Geochemist http://www.publish.c[...] 2013
[2] 논문 An abiotic source of Archean hydrogen peroxide and oxygen that pre-dates oxygenic photosynthesis 2021-11-16
[3] 논문 A mineral-based origin of Earth's initial hydrogen peroxide and molecular oxygen 2023-03-28
[4] 논문 Tectonically-driven oxidant production in the hot biosphere 2022-08-08
[5] 논문 The influence of reactive oxygen species on "respiration" isotope effects https://linkinghub.e[...] 2022-05
[6] 논문 Reactive oxygen species at the oxide/water interface: Formation mechanisms and implications for prebiotic chemistry and the origin of life https://linkinghub.e[...] 2013-02
[7] 논문 Measurement of chlorite dismutase activities in perchlorate respiring bacteria https://linkinghub.e[...] 2003-08
[8] 논문 Bacterial oxygen production in the dark 2012
[9] 논문 Oxygen and nitrogen production by an ammonia-oxidizing archaeon https://www.science.[...] 2022-01-07
[10] 논문 Diversity and evolution of nitric oxide reduction in bacteria and archaea 2024-06-25
[11] 논문 Oxygen Generation via Water Splitting by a Novel Biogenic Metal Ion-Binding Compound 2021-06-25
[12] 논문 Hydrogen and dark oxygen drive microbial productivity in diverse groundwater ecosystems 2023-06-13
[13] 논문 Evidence of dark oxygen production at the abyssal seafloor https://www.nature.c[...] 2024-08
[14] 논문 Evidence of dark oxygen production at the abyssal seafloor https://www.nature.c[...] 2024-08
[15] 논문 Hydrogen and dark oxygen drive microbial productivity in diverse groundwater ecosystems https://www.nature.c[...] 2023-06-13


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