Thermodynamic Consideration on the Occurrence of -Tridecamer in the Natural Conditions

Despite the ecological importance of potentially phytotoxic $Al_{13}$-tridecamer and its formation in the simulated condition, it was not recognized in the natural soil environment. Here we performed thermodynamic calculations to examine the stability condition of $Al_{13}$-tridecamer based on the solubility of AI in the Bo horizon of Andisols, Jeju Island, dominantly composed of AI-containing solid phases such as $Al(OH)_{3}$, proto-imogolite and/or imogolite. We have found that $Al(OH)_{3}$, proto-imogolite and/or imogolite may control Al solubility in the moderate acid condition. It means that AI total activity of the soil solution equilibrated with these solid phases ranges from $10^{-6}$ ~ $10^{-8}$M in the pH 5 to 7. Calculations based on the thermodynamic data strongly indicate that the formation of $Al_{13}$-tridecamer closely related to the total activity of AI in the system. For example, for the formation of $Al_{13}$-tridecamer of $10^{-5}$M, Al total activity of $3{\times}10^{-3}$M are needed at pH 4, and $2{\times}10^{-5}$M in the pH 5 to 7. Therefore, this research and the thermodynamic consideration suggest strongly that $Al_{13}$-tridecamer should be negligible in natural soils, especially Andisols and Spodosols, These mainly contain $Al(OH)_{3}$, proto-imogolite and/or imogolite, which could prevent the formation of $Al_{13}$-tridecamer by controlling the AI total activity low. It means that the toxicity of $Al_{13}$-tridecamer with the increase of soil acidification may be considered to be definitely low.

-Tridecamer의 자연계 생성조건에 대한 열역학적 고찰

토양 산성화에 따른 알루미늄 독성현상과 관련하여 자연환경에서의 존재 가능성이 제기되어온 $Al_{13}$-tridecamer 의 열역학적 생성조건에 대한 고찰을 Al-함유 광물상을 다량 함유하고 있는 제주도 나디졸 토양 Bo층 시료의 실내 평형실험 결과를 기초로 실시하였다. 대강토양은 평형상태일 경우 $Al(OH)_{3}$, 이모골라이트 혹은 프로토-이모골라이트가 반응액의 알루미늄 총활동도를 조절하는 주 고상인 것으로 나타났다. 이 경우 반응액의 알루미늄 총활동도는 pH 5~7환경에서 $10^{-6}$~$10^{-8}$~M 로 매우 낮게 나타난다. 기존의 열역학 자료들을 이용한 $Al_{13}$-tridecamer생성조건 고찰 결과, 알루미늄의 총활동도가 $Al_{13}$-tridecamer의 생성 여부를 결정하는 가창 주요 요인으로, 예를 들어, 그 활동도가 $10^{-5}$/M이 되기 위하여는 pH=5~7 구간에서는 약 $2{\times}10^{-5}$M, pH=4에서는 약 $3{\times}10^{-3}$M 이상치 알루미늄이 자연수에 용해되어 있야 한다. 따라서 $Al(OH)^{3}$, 이모골라이트 혹은 프로토-이모골라이트 등에 의해 알루미늄 총활동도가 제안되는 토양계에서는 평형조건에서 $Al^{13}$/-tridecamer 생성을 위한 알루미늄 총활동도 조건을 충족시키지 못한다 이러한 결과는 Al-함유고상들에 의해 알루미늄 총활동도가 조절되는 평형조건에 근접한 자연계 토양에서는 $Al_{13}$-tridecamer치 생성확인 가능성이 배우 낮음을 제시하며, 단지 pH 3 내외의 산성화가 심화된 극히 일부 토양, 또는 산성환경에서 형성된 높은 일루미늄 총활동토플 갖는 용액이 부분적으로 중화되는 비평형 환경 등, 극히 제한적인 환경에서만이 다량의 $Al_{13}$-tridecamer생성이 가능할 것이다. 이러한 열역학적 고찰 결과는 깁사이트 및 이모 라이트가 알루미늄 거동의 주요 영향인자인 안디졸 및 스포도졸 토양에서의$Al_{13}$-tridecamer의 인지 가능성은 매우 희박함을 지시해 주며, 따라서 이 같은 토양에서의 $Al_{13}$-tridecamer에 의한 독성현상은 그 가능성은 극히 낮을 것으로 생각된다.