In nature, iron occurs mostly in tw

In nature, iron occurs mostly in two oxidation states (+2 and +3). Which form of iron predominates depends greatly on prevailing environmental physicochemical para- meters, such as pH, oxygen concentration and redox potential (Stumm & Morgan, 1996). Ferrous iron is stable in anoxic environments, but is susceptible to spontaneous

general toxicity of anions (other than sulfate) to acid- ophiles (Ingledew & Norris, 1992) mean that this is not a feasible alternative to molecular oxygen. The redox potential of the oxygen/water couple (equation [2]) is pH-dependent, since protons are involved in the net reaction:

chemical oxidation by molecular oxygen. The rate at which this occurs depends on temperature, and on the concen-

0.5O2+2H

++2e

2«H2O [2]

trations of protons (hydronium ions), dissolved oxygen and ferrous iron, as shown in equation [1] (Stumm & Morgan, 1996):
2d½FeðIIÞ] ~ k½O2]

At pH 2, the redox potential of the oxygen/water couple is some 300 mV more positive than at pH 7 (Fig. 1), making oxygen a more energetically favourable electron acceptor for acidophiles than it is for neutrophiles (Ferguson &
Ingledew, 2008). However, ferrous iron oxidation is

dt ½Hþ]2 ½FeðIIÞ] ½1]

where k is a temperature-dependent constant (3610212 mol l21 min21 at 20 uC). In most environments, rates of spon- taneous chemical oxidation of ferrous iron are very low at pH ,4, though these become appreciably greater at higher pH values. Although ferric iron is thermodynamically stable in aerated waters, its strong tendency to hydrolyse (react with water) means that it is present at extremely low concentrations in most water bodies, though in the presence of complexing agents (e.g. chelating organic acids and humic colloids), concentrations of soluble ferric iron can be significantly greater. However, the solubility of non- complexed ferric iron is also pH-related, and extremely acidic waters (pH of ~2.5 or less) may contain highly elevated concentrations of this ionic species, which is a powerful oxidizing agent.
Another important aspect of iron chemistry, which greatly affects its use by prokaryotes as a source of energy, is the redox potential of the ferrous/ferric couple. This is again dictated by (i) solution pH, as this effects both ferric iron solubility and, to a smaller extent, that of ferrous iron, and
(ii) the presence (or not) of complexing agents. As shown in Fig. 1, the most positive redox potential of the ferrous/ ferric couple is observed in extremely acidic liquors where both species are soluble, while at circum-neutral pH the redox potential of typical non-soluble ferrous/ferric phases that exist under such conditions (ferrous carbonate and ferric hydroxide) is much less positive. Soluble ferrous/ ferric complexes also tend to have less positive redox potentials than that of the free forms of the ions (Fig. 1).
The combination of abiotic ferrous iron oxidation, iron solubilities and the redox potentials of the ferrous/ferric couple has an overwhelming bearing on microbiological strategies that have evolved to convert the energy available from iron oxidation into usable energy. Micro-organisms that live in extremely acidic environments (acidophiles) are faced with thermodynamic constraints that mean that only molecular oxygen can act as electron acceptor for iron oxidation, if energy is to be conserved (Fig. 1). Although perchlorate (ClO2) can in theory act as an alternative electron acceptor for ferrous iron oxidation in extremely low pH liquors, its scarcity in the environment and the

inevitably a low energy-yielding reaction (~30 kJ mol21 at pH 2), and the autotrophic acidophile Acidithiobacillus ferrooxidans (At. ferrooxidans) has been estimated to oxidize about 71 moles of ferrous iron to fix one mole of CO2 (Kelly, 1978). On the other hand, at pH 7, the ferrous carbonate/ferric hydroxide couple redox potential is sufficiently low to allow other compounds, such as nitrate and nitrite, to be used as alternative electron acceptors to oxygen (Fig. 1). Iron oxidation at circum-neutral pH can also be coupled to photosynthesis by phototrophic purple bacteria, since the midpoint potential of photosystem I is
~450 mV (Widdel et al., 1993). This means that, in contrast to acidic environments, dissimilatory iron oxida- tion can be mediated in anoxic as well as in oxic environments in circum-neutral pH situations. However, the redox differential between electron donor and acceptor (230 mV when iron oxidation is coupled with the reduction of nitrate to nitrite) again limits the amount of energy available for anoxic metabolism. Coupling iron oxidation to oxygen reduction at pH 7 is much more energetically favourable, but the downside here is the potential for spontaneous oxidation of iron by molecular oxygen, as noted above. However, as indicated in equation [1], spontaneous iron oxidation is much slower in micro- aerobic than in more oxygenated waters, so that bacteria that are able to exploit such environmental niches have the potential to maximize the energy yield available from oxidizing iron.

Kết quả (Việt) 1:

Trong tự nhiên, sắt xảy ra chủ yếu ở hai trạng thái ôxy hóa (+ 2 và + 3). Hình thức của sắt predominates phụ thuộc rất nhiều vào hiện hành môi trường hóa lý para-mét, chẳng hạn như pH, nồng độ oxy và redox tiềm năng (Stumm & Morgan, 1996). Kim sắt là ổn định trong môi trường thiếu ôxy, nhưng dễ bị tự phát các độc tính tổng quát của anion (khác hơn là sulfat) để axit-ophiles (Ingledew & Norris, 1992) có nghĩa là rằng đây không phải là một thay thế khả thi cho phân tử oxy. Redox tiềm năng của các cặp vợ chồng oxy/nước (phương trình [2]) là phụ thuộc vào độ pH, kể từ khi proton có liên quan trong phản ứng lưới: hóa học quá trình oxy hóa bởi oxy phân tử. Mức độ mà điều này xảy ra phụ thuộc vào nhiệt độ, và trên concen- 0.5O2 + 2 H ++ 2e 2 «H2O [2] trations của proton (hydronium ion), hòa tan oxy và màu sắt, như được hiển thị trong phương trình [1] (Stumm & Morgan, 1996):2D½FeðIIÞ] ~ k½O2] Ở pH 2, redox tiềm năng của các cặp vợ chồng oxy/nước là một số 300 mV tích cực hơn so với ở pH 7 (hình 1), làm cho oxy một thuận lợi hơn hăng hái điện tử tìm cho acidophiles hơn là cho neutrophiles (Ferguson &Ingledew, 2008). Tuy nhiên, quá trình oxy hóa bằng sắt là DT ½Hþ] 2 ½FeðIIÞ] ½1]k là một hằng số phụ thuộc vào nhiệt độ (3610212 mol l21 min21 tại 20 uC). Trong môi trường hầu hết, tỷ lệ spon - taneous hóa học quá trình oxy hóa bằng sắt là rất thấp ở pH, 4, mặc dù chúng trở thành appreciably lớn hơn tại giá trị pH cao hơn. Mặc dù sắt III là thermodynamically ổn định trong vùng nước bọt, xu hướng mạnh mẽ để hydrolyse (phản ứng với nước) có nghĩa là rằng nó là hiện tại ở nồng độ rất thấp trong hầu hết các cơ quan của nước, mặc dù sự hiện diện của bở đại lý (ví dụ như chelating axit hữu cơ và humic hệ keo), nồng độ hòa tan chất sắt III có thể lớn hơn đáng kể. Tuy nhiên, độ hòa tan của không loại III sắt là cũng liên quan đến độ pH, và cực kỳ có tính axit nước (pH của ~2.5 hoặc ít hơn) có thể chứa các nồng độ rất cao của loài này ion, là một chất ôxi hóa mạnh.Một khía cạnh quan trọng của hóa học sắt, mà rất nhiều ảnh hưởng đến việc sử dụng nó bởi sinh như một nguồn năng lượng, là redox tiềm năng của các cặp vợ chồng màu/III. Điều này một lần nữa là khiển bởi (i) giải pháp pH, như điều này ảnh hưởng cả hai độ hòa tan sắt sắt và, đến một mức độ nhỏ hơn, kim sắt, và(ii) sự hiện diện (hay không) của bở đại lý. Như minh hoạ trong hình 1, tiềm năng redox tích cực nhất của các cặp vợ chồng màu / III được quan sát thấy trong rất chua rượu, nơi cả hai loài được hòa tan, trong khi ở trung lập mục pH redox tiềm năng của điển hình giai đoạn đen/III phòng không hòa tan mà tồn tại trong các điều kiện (màu cacbonat và hydroxit III) là ít hơn nhiều tích cực. Hòa tan các tổ hợp màu / III cũng có xu hướng có ít tích cực redox tiềm năng hơn hình thức miễn phí các ion (hình 1).Sự kết hợp của quá trình oxy hóa abiotic bằng sắt, sắt solubilities và tiềm năng redox của các cặp vợ chồng màu/III có một mang áp đảo về chiến lược vi sinh đã tiến hóa để chuyển đổi năng lượng có sẵn từ sắt quá trình oxy hóa thành năng lượng có thể sử dụng. Vi sinh vật sống trong môi trường rất chua (acidophiles) đang phải đối mặt với những hạn chế nhiệt có nghĩa là chỉ phân tử oxy có thể hành động như điện tử tìm cho sắt quá trình oxy hóa, nếu năng lượng là phải bảo tồn (hình 1). Mặc dù perclorat (ClO2) có thể trong lý thuyết hoạt động như một điện tử tìm cho quá trình oxy hóa bằng sắt ở pH rất thấp liquors, sự khan hiếm của nó trong môi trường và các chắc chắn một thấp năng lượng, năng suất phản ứng (~ 30 kJ mol21 ở pH 2), và thực acidophile Acidithiobacillus ferrooxidans (lúc ferrooxidans) đã được ước tính để ôxi hóa các nốt ruồi khoảng 71 bằng sắt để sửa chữa một nốt ruồi của CO2 (Kelly, 1978). Mặt khác, ở pH 7, màu cacbonat/III hydroxit vài redox tiềm năng là đủ thấp để cho phép các hợp chất khác, chẳng hạn như nitrat và nitrit, được sử dụng như là chất nhận điện tử khác ở ôxy (hình 1). Sắt quá trình oxy hóa ở pH trung tính mục cũng có thể được kết hợp để quá trình quang hợp bằng những vi khuẩn màu tím, kể từ khi tiềm năng trung điểm của photosystem tôi là~ 450 mV (Widdel và ctv., 1993). Điều này có nghĩa rằng, trái ngược với môi trường có tính axit, dissimilatory sắt oxida-tion có thể được trung gian trong thiếu ôxy cũng như trong các môi trường oxic ở độ pH trung tính mục tình huống. Tuy nhiên, redox khác biệt giữa các nhà tài trợ điện tử và tìm (230 mV khi sắt quá trình oxy hóa kết hợp với việc giảm nitrat để nitrit) một lần nữa giới hạn số lượng năng lượng có sẵn cho sự trao đổi chất thiếu ôxy. Khớp nối sắt quá trình oxy hóa để giảm oxy ở pH 7 là hăng hái hơn nhiều thuận lợi, nhưng nhược điểm ở đây là tiềm năng cho các quá trình oxy hóa tự phát của sắt bởi phân tử oxy, như lưu ý ở trên. Tuy nhiên, như được chỉ ra trong phương trình [1], quá trình oxy hóa tự nhiên sắt là chậm hơn nhiều trong micro-hiếu khí hơn nhiều ôxy các vùng nước, do đó, rằng vi khuẩn có thể khai thác các hốc môi trường có tiềm năng để tối đa hóa năng suất năng lượng có sẵn từ oxy hóa sắt.

Kết quả (Việt) 2:

Trong tự nhiên, sắt xảy ra chủ yếu ở hai trạng thái oxy hóa (2 và 3). Mà hình thức của sắt chiếm ưu thế phụ thuộc nhiều vào hiện hành mét para- hóa lý môi trường, chẳng hạn như pH, nồng độ oxy và oxy hóa khử (Stumm & Morgan, 1996). Sắt II là ổn định trong môi trường thiếu ôxy, nhưng là dễ bị tự phát độc tính chung của các anion (trừ sulfate) để chịu acid ophiles (Ingledew & Norris, 1992) có nghĩa rằng đây không phải là một lựa chọn khả thi để oxy phân tử. Thế oxi hóa khử của cặp đôi oxy / nước (phương trình [2]) là pH phụ thuộc, kể từ proton được tham gia vào các phản ứng net: hóa chất oxy hóa bởi oxy phân tử. Tốc độ mà điều này xảy ra phụ thuộc vào nhiệt độ, và trên nồng 0.5O2 + 2H ++ 2e 2 «H2O [2] trations proton (ion hydronium), oxy hòa tan và sắt màu, như thể hiện trong phương trình [1] ( Stumm & Morgan, 1996): 2d½FeðIIÞ] ~ k½O2] Tại pH 2, thế oxi hóa khử của oxy / vài nước là khoảng 300 mV tích cực hơn ở pH 7 (Hình 1), làm cho oxy chất nhận electron hăng hái thuận lợi hơn cho. acidophiles hơn là cho neutrophiles (Ferguson & Ingledew, 2008). Tuy nhiên, quá trình oxy hóa sắt II được dt ½Hþ] 2 ½FeðIIÞ] ½1] với k là một hằng số nhiệt độ phụ thuộc (3.610.212 mol L21 min21 ở 20 UC). Trong hầu hết các môi trường, tỷ lệ Reach tài oxy hóa hóa học taneous của sắt II là rất thấp ở pH, 4, mặc dù những trở đáng kể lớn hơn tại các giá trị pH cao hơn. Mặc dù sắt III là nhiệt động ổn định trong nước có ga, xu hướng mạnh mẽ của nó để thủy phân (phản ứng với nước) có nghĩa rằng nó hiện diện với nồng độ rất thấp trong hầu hết các cơ quan nước, mặc dù có sự hiện diện của các tác nhân tạo phức (ví dụ như chelating axit hữu cơ và chất keo humic) , nồng độ hòa tan sắt III có thể lớn hơn đáng kể. Tuy nhiên, độ hòa tan của phi sắt III complexed cũng là pH liên quan, và các vùng nước rất chua (pH ~ 2,5 hoặc ít hơn) có thể chứa nồng độ cao cao của loài ion này, đó là một chất oxy hóa mạnh mẽ. Một khía cạnh quan trọng của sắt hóa học, ảnh hưởng lớn đến việc sử dụng nó bởi prokaryote như một nguồn năng lượng, là tiềm năng oxi hóa khử của cặp đôi màu / sắt. Điều này một lần nữa được quyết định bởi (i) pH dung dịch, như hiệu ứng này cả sắt hòa tan sắt và, đến một mức độ nhỏ hơn, mà sắt màu, và (ii) sự hiện diện (hay không) của các cơ phức. Như thể hiện trong hình. 1, thế oxi hóa khử tích cực nhất của cặp đôi màu / ferric được quan sát thấy trong rượu cực kỳ có tính axit, nơi cả hai loài đều hòa tan, trong khi tại circum-trung tính pH thế oxi hóa khử của các pha màu không tan trong điển hình / sắt tồn tại trong điều kiện như vậy (màu cacbonat và ferric hydroxide) là ít hơn nhiều tích cực. Phức ferric / màu hòa tan cũng có xu hướng có tiềm năng oxi hóa khử ít tích cực hơn so với các hình thức miễn phí của các ion (Fig. 1). Sự kết hợp của vô sinh sắt bị oxy hóa màu, tính tan sắt và tiềm năng oxi hóa khử của cặp đôi màu / sắt có chịu áp đảo trên chiến lược vi sinh vật đã tiến hóa để chuyển đổi năng lượng có sẵn từ sắt bị oxy hóa thành năng lượng sử dụng được. Vi sinh vật sống trong môi trường cực kỳ có tính axit (acidophiles) đang phải đối mặt với những hạn chế nhiệt động lực đó có nghĩa là chỉ có oxy phân tử có thể hoạt động như là chất nhận electron cho quá trình oxy hóa sắt, nếu năng lượng là cần được bảo tồn (Hình. 1). Mặc dù perchlorate (ClO2) có thể trong lý thuyết hành động như một chất nhận thay thế điện tử cho quá trình oxy hóa sắt màu rượu pH rất thấp, sự khan hiếm của nó trong môi trường và các phản ứng chắc chắn thấp năng lượng năng suất (~ 30 kJ mol21 ở pH 2), và các tự dưỡng acidophile Acidithiobacillus ferrooxidans (Tại. ferrooxidans) đã được ước tính để oxy hóa khoảng 71 mol sắt màu để sửa chữa một mol CO2 (Kelly, 1978). Mặt khác, ở pH 7, cacbonat màu / ferric hydroxide vài oxi hóa khử tiềm năng là đủ thấp để cho phép các hợp chất khác, chẳng hạn như nitrate và nitrite, để được sử dụng như là chất nhận electron thay thế với oxy (Fig. 1). Sắt oxy hóa ở pH circum trung lập cũng có thể được kết hợp để quang hợp của vi khuẩn quang hợp Phototrophic tím, vì tiềm năng trung điểm của quang hợp I là ~ 450 mV (Widdel et al., 1993). Điều này có nghĩa rằng, trái ngược với môi trường axit, chất sắt dissimilatory oxy hóa tion có thể được trung gian trong thiếu oxy cũng như trong môi trường trong môi trường khí trong các tình huống pH circum trung lập. Tuy nhiên, sự khác biệt oxi hóa khử giữa nhà tài trợ và electron acceptor (230 mV khi quá trình oxy hóa sắt được kết hợp với khử nitrate thành nitrite) lại giới hạn số lượng năng lượng có sẵn cho sự trao đổi chất thiếu ôxy. Khớp nối sắt bị oxy hóa để giảm oxy ở pH 7 là nhiều hăng hái thuận lợi hơn, nhưng nhược điểm ở đây là tiềm năng cho quá trình oxy hóa tự phát của sắt bằng oxy phân tử, như đã nói ở trên. Tuy nhiên, như được chỉ ra trong phương trình [1], sắt bị oxy hóa tự nhiên là trong vi hiếu khí chậm hơn nhiều so với ở các vùng nước oxy hơn, nên vi khuẩn có khả năng khai thác hốc môi trường như vậy có tiềm năng để tối đa hóa năng suất năng lượng có sẵn từ oxy hóa sắt.