Биогенное вещество — это продукт, произведенный формами жизни. Хотя изначально этот термин был специфичен для метаболитных соединений, которые оказывали токсическое воздействие на другие организмы, [1] он развился, чтобы охватить любые компоненты, секреции и метаболиты растений или животных . [2] В контексте молекулярной биологии биогенные вещества называются биомолекулами . Их обычно выделяют и измеряют с помощью методов хроматографии и масс-спектрометрии . [3] [4] Кроме того, трансформация и обмен биогенными веществами могут быть смоделированы в окружающей среде, в частности, их транспортировка по водным путям. [5]
Наблюдение и измерение биогенных веществ особенно важно в областях геологии и биохимии . Большая часть изопреноидов и жирных кислот в геологических отложениях происходит из растений и хлорофилла и может быть обнаружена в образцах, относящихся к докембрию . [4] Эти биогенные вещества способны выдерживать процесс диагенеза в осадке, но также могут быть преобразованы в другие материалы. [4] Это делает их полезными в качестве биомаркеров для геологов, чтобы проверить возраст, происхождение и процессы деградации различных пород. [4]
Биогенные вещества изучаются как часть морской биохимии с 1960-х годов [6], что включает в себя исследование их производства, транспортировки и преобразования в воде [5] и того, как они могут быть использованы в промышленных целях. [6] Значительная часть биогенных соединений в морской среде производится микро- и макроводорослями, включая цианобактерии . [6] Благодаря своим антимикробным свойствам они в настоящее время являются предметом исследований как в промышленных проектах, таких как противообрастающие краски [1] , так и в медицине. [6]
На заседании секции геологии и минералогии Нью-Йоркской академии наук в 1903 году геолог Амадей Уильям Грабау предложил новую систему классификации горных пород в своей статье «Обсуждение и предложения относительно новой классификации горных пород». [7] В рамках первичного подразделения «Эндогенные горные породы» — горные породы, образованные в результате химических процессов — была категория, называемая «Биогенные горные породы», которая использовалась как синоним «Органические горные породы». Другими вторичными категориями были «Магматические» и «Гидрогенные» горные породы. [7]
В 1930-х годах немецкий химик Альфред Э. Трейбс впервые обнаружил биогенные вещества в нефти в рамках своих исследований порфиринов . [4] На основе этого исследования в 1970-х годах наблюдался рост исследований биогенных веществ в осадочных породах в рамках изучения геологии. [4] Этому способствовало развитие более совершенных аналитических методов, что привело к более тесному сотрудничеству между геологами и химиками-органиками с целью исследования биогенных соединений в отложениях . [4]
Исследователи дополнительно начали изучать производство соединений микроорганизмами в морской среде в начале 1960-х годов. [6] К 1975 году в изучении морской биохимии развились различные области исследований . Это были «морские токсины, морские биопродукты и морская химическая экология». [6] После этого в 1994 году Тойшер и Линдеквист определили биогенные вещества как «химические соединения, которые синтезируются живыми организмами и которые, если они превышают определенные концентрации, вызывают временные или постоянные повреждения или даже смерть других организмов в результате химических или физико-химических эффектов» в своей книге Biogene Gifte. [1] [8] Этот акцент в исследованиях и классификации на токсичности биогенных веществ был частично обусловлен скрининговыми анализами, направленными на цитотоксичность , которые использовались для обнаружения биологически активных соединений. [6] С тех пор разнообразие биогенных продуктов было расширено за счет цитотоксических веществ за счет использования альтернативных фармацевтических и промышленных анализов. [6]
Изучая перенос биогенных веществ в Татарском проливе Японского моря, российская группа отметила, что биогенные вещества могут попадать в морскую среду из-за поступления из внешних источников, переноса внутри водных масс или развития метаболических процессов в воде. [5] Они также могут расходоваться из-за процессов биотрансформации или образования биомассы микроорганизмами. В этом исследовании концентрации биогенных веществ, частота трансформации и оборот были самыми высокими в верхнем слое воды. Кроме того, в разных районах пролива биогенные вещества с самым высоким годовым переносом были постоянными. Это были O 2 , DOC и DISi, которые обычно находятся в больших концентрациях в естественной воде. [5] Биогенные вещества, которые, как правило, имеют меньший приток через внешние границы пролива и, следовательно, наименьший перенос, были минеральными и детритными компонентами N и P. Эти же вещества принимают активное участие в процессах биотрансформации в морской среде и также имеют меньший годовой выход. [5]
Геохимики-органики также интересуются изучением диагенеза биогенных веществ в нефти и тем, как они трансформируются в осадок и окаменелости. [4] В то время как 90% этого органического материала нерастворимо в обычных органических растворителях, называемых керогеном , 10% находится в форме, которая растворима и может быть извлечена, откуда затем могут быть выделены биогенные соединения. [4] Насыщенные линейные жирные кислоты и пигменты имеют наиболее стабильные химические структуры и поэтому подходят для того, чтобы противостоять деградации в процессе диагенеза и обнаруживаться в своих исходных формах. [4] Однако макромолекулы также были обнаружены в защищенных геологических регионах. [4] Типичные условия седиментации включают ферментативные, микробные и физико-химические процессы, а также повышенную температуру и давление, которые приводят к трансформациям биогенных веществ. [4] Например, пигменты, которые возникают в результате дегидрирования хлорофилла или гемина, можно найти во многих осадках в виде комплексов никеля или ванадила. [4] Большая часть изопреноидов в отложениях также происходит из хлорофилла. Аналогично, линейные насыщенные жирные кислоты, обнаруженные в сланце Мессель карьера Мессель в Германии, происходят из органического материала сосудистых растений . [4]
Кроме того, алканы и изопреноиды обнаружены в растворимых экстрактах докембрийских пород, что указывает на вероятное существование биологического материала более трех миллиардов лет назад. [4] Однако существует вероятность того, что эти органические соединения являются абиогенными по своей природе, особенно в докембрийских отложениях. Хотя моделирование Штудиера и др. (1968) синтеза изопреноидов в абиогенных условиях не дало длинноцепочечных изопреноидов, используемых в качестве биомаркеров в окаменелостях и отложениях, были обнаружены следы изопреноидов C 9 -C 14 . [11] Также возможно, что полиизопреноидные цепи стереоселективно синтезируются с использованием катализаторов, таких как Al(C 2 H 5 ) 3 – VCl 3 . [12] Однако вероятность того, что эти соединения будут доступны в естественной среде, маловероятна. [4]
Различные биомолекулы, которые составляют биогенные вещества растений, особенно те, что находятся в экссудатах семян , можно идентифицировать с помощью различных видов хроматографии в лабораторных условиях. [3] Для профилирования метаболитов используется газовая хроматография-масс-спектрометрия для обнаружения флавоноидов, таких как кверцетин . [3] Затем соединения можно дополнительно дифференцировать с помощью обращенно-фазовой высокоэффективной жидкостной хроматографии-масс-спектрометрии . [3]
Когда дело доходит до измерения биогенных веществ в естественной среде, такой как водоем, гидроэкологическая [13] модель CNPSi может быть использована для расчета пространственного переноса биогенных веществ, как в горизонтальном, так и в вертикальном измерении. [5] Эта модель учитывает водообмен и скорость потока и выдает значения скорости биогенных веществ для любой области или слоя воды за любой месяц. Существует два основных метода оценки: измерение на единицу объема воды (мг/м3 год ) и измерение веществ на весь объем воды слоя (т элемента/год). [5] Первый метод в основном используется для наблюдения за динамикой биогенных веществ и отдельными путями потока и трансформаций и полезен при сравнении отдельных регионов пролива или водного пути. Второй метод используется для ежемесячных потоков веществ и должен учитывать, что существуют ежемесячные изменения объема воды в слоях. [5]
При изучении геохимии биогенные вещества могут быть выделены из ископаемых и осадков посредством процесса соскабливания и дробления целевого образца породы, затем промывания 40% плавиковой кислотой , водой и бензолом/метанолом в соотношении 3:1. [4] После этого куски породы измельчаются и центрифугируются для получения остатка. Затем химические соединения извлекаются с помощью различных хроматографических и масс-спектрометрических разделений. [4] Однако извлечение должно сопровождаться строгими мерами предосторожности, чтобы гарантировать отсутствие аминокислотных загрязнений от отпечатков пальцев, [14] или силиконовых загрязнений от других методов аналитической обработки. [4]
Было обнаружено, что метаболиты, продуцируемые морскими водорослями, обладают многими антимикробными свойствами. [1] Это связано с тем, что они продуцируются морскими организмами в качестве химических отпугивателей и, как таковые, содержат биоактивные соединения . Основными классами морских водорослей, которые продуцируют эти типы вторичных метаболитов, являются Cyanophyceae , Chlorophyceae и Rhodophyceae . [1] Наблюдаемые биогенные продукты включают поликетиды , амиды , алкалоиды , жирные кислоты , индолы и липопептиды . [1] Например, более 10% соединений, выделенных из Lyngbya majuscula , которая является одной из самых распространенных цианобактерий, обладают противогрибковыми и антимикробными свойствами. [1] [6] Кроме того, исследование Ren et al. (2002) протестировало галогенированные фураноны , продуцируемые Delisea pulchra из класса Rhodophyceae, против роста Bacillus subtilis . [15] [1] При применении в концентрации 40 мкг/мл фуранон подавлял образование биопленки бактериями и уменьшал толщину биопленки на 25%, а количество живых клеток на 63%. [15]
Эти характеристики затем могут быть потенциально использованы в искусственных материалах, таких как изготовление противообрастающих красок без вредных для окружающей среды химикатов. [1] Необходимы экологически безопасные альтернативы TBT (противообрастающему веществу на основе олова), которое выделяет токсичные соединения в воду и окружающую среду и было запрещено в нескольких странах. [1] Класс биогенных соединений, который оказал значительное воздействие на бактерии и микроводоросли , вызывающие обрастание, - это ацетиленовые сесквитерпеновые эфиры, вырабатываемые Caulerpa prolifera (из класса Chlorophyceae), которые, как наблюдали Смирниотопулос и др. (2003), подавляют рост бактерий с эффективностью до 83% от эффективности оксида TBT. [16]
Текущие исследования также направлены на производство этих биогенных веществ на коммерческом уровне с использованием методов метаболической инженерии . [1] Объединяя эти методы с проектированием биохимической инженерии , водоросли и их биогенные вещества можно производить в больших масштабах с использованием фотобиореакторов . [1] Для получения различных биогенных продуктов можно использовать различные типы систем. [1]
В области палеохемотаксономии наличие биогенных веществ в геологических отложениях полезно для сравнения старых и современных биологических образцов и видов. [4] Эти биологические маркеры могут использоваться для проверки биологического происхождения ископаемых и служить палеоэкологическими маркерами. Например, присутствие пристана указывает на то, что нефть или осадок имеют морское происхождение, в то время как биогенный материал неморского происхождения, как правило, находится в форме полициклических соединений или фитана . [21] Биологические маркеры также предоставляют ценную информацию о реакциях деградации биологического материала в геологических средах. [4] Сравнение органического материала между геологически старыми и недавними породами показывает сохранение различных биохимических процессов. [4]
Другое применение биогенных веществ — синтез металлических наночастиц . [3] Современные химические и физические методы производства используемых наночастиц являются дорогостоящими и производят токсичные отходы и загрязняющие вещества в окружающей среде. [22] Кроме того, полученные наночастицы могут быть нестабильными и непригодными для использования в организме. [23] Использование биогенных веществ растительного происхождения направлено на создание экологически чистого и экономически эффективного метода производства. [3] Биогенные фитохимические вещества, используемые для этих восстановительных реакций, могут быть получены из растений различными способами, включая кипяченый листовой бульон, [24] порошок биомассы, [25] погружение всего растения в раствор, [23] или экстракты фруктовых и овощных соков. [26] Было показано, что соки C. annuum производят наночастицы Ag при комнатной температуре при обработке ионами серебра и дополнительно доставляют необходимые витамины и аминокислоты при употреблении, что делает их потенциальным агентом наноматериалов. [3] Другая процедура заключается в использовании другого биогенного вещества: экссудата прорастающих семян. Когда семена замачиваются, они пассивно выделяют фитохимические вещества в окружающую воду, которые после достижения равновесия могут быть смешаны с ионами металлов для синтеза металлических наночастиц. [27] [3] Экссудат M. sativa, в частности, имел успех в эффективном производстве металлических частиц Ag, в то время как L. culinaris является эффективным реагентом для производства наночастиц Au. [3] Этот процесс также можно дополнительно регулировать, манипулируя такими факторами, как pH, температура, разбавление экссудата и происхождение растения, для получения различных форм наночастиц, включая треугольники, сферы, стержни и спирали. [3] Эти биогенные металлические наночастицы затем находят применение в качестве катализаторов, покрытий стеклянных окон для изоляции тепла, в биомедицине и в биосенсорных устройствах. [3]
Абиогенное вещество или процесс не являются результатом настоящей или прошлой деятельности живых организмов . Абиогенными продуктами могут быть, например, минералы , другие неорганические соединения , а также простые органические соединения (например, внеземной метан , см. также абиогенез ) .
{{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )