天然水体氧化还原化学

氧化还原化学决定了天然水体中碳、氮、硫、铁和许多其他元素的氧化态，从而构建了从富氧地表水到缺氧沉积物的水生系统。

Definition

研究控制天然水体中溶解态和颗粒态物质氧化态的电子转移反应和氧化还原条件。

Scope

本主题涵盖天然水体中的氧化还原平衡和动力学、电子活度 (pE) 和 Eh 作为主变量的应用、微生物介导的电子受体利用顺序，以及关键元素在富氧-缺氧边界的氧化还原转化。

Core questions

• pE 和 Eh 如何描述水中的氧化还原条件？
• 为什么电子受体以可预测的顺序被利用？
• 氧化还原转变如何控制铁、锰、硫和氮的化学性质？
• 在哪些情况下，动力学而非平衡决定了氧化还原结果？

Key theories

电子受体的氧化还原阶梯

随着有机物的氧化，微生物群落按照能量产出递减的顺序利用电子受体，从氧气到硝酸盐、锰和铁氧化物、硫酸盐，最后是二氧化碳，从而产生特征性的垂直氧化还原分带。

Mechanisms

电子活度 (pE) 和 pH 共同定义了氧化还原敏感物种的稳定区域，并总结在 pE-pH 图中。在沉积物和分层水体中，微生物呼吸消耗氧气，然后依次消耗能量较低的受体，驱动硝酸盐、金属氧化物和硫酸盐的还原，并使相关元素活化或固定。

Clinical relevance

氧化还原条件控制着铁、锰、砷和营养物质的迁移性，影响地下水质量、沉积物中污染物的释放以及处理系统的设计。

History

pE-pH 框架于20世纪中叶从地球化学领域引入水生化学，随后通过生物地球化学研究阐明了微生物对氧化还原序列的控制。

Key figures

• Werner Stumm
• James J. Morgan

Seminal works

• stumm1996
• vanLoon2017

Frequently asked questions

为什么砷有时会出现在地下水中？

还原条件可以溶解吸附砷的铁氧化物，将其释放到地下水中；因此，氧化还原化学控制着这一重要的污染问题。