Биогенное вещество – это продукт, созданный формами жизни или из них. Хотя этот термин изначально относился к соединениям-метаболитам, которые оказывали токсическое воздействие на другие организмы, [1] он стал охватывать любые компоненты, выделения 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, трансформацию и обмен биогенных веществ можно смоделировать в окружающей среде, особенно их транспортировку по водным путям. [5]
Наблюдение и измерение биогенных веществ особенно важно в области 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 противостоять процессу диагенеза в отложениях, но также могут трансформироваться в другие материалы. [4] Это делает их полезными для геологов в качестве биомаркеров для проверки возраста, происхождения и процессов деградации различных горных пород. [4]
Биогенные вещества изучаются в рамках морской биохимии с 1960-х годов [6] , что включало изучение их производства, транспорта и трансформации в воде [5] и того, как их можно использовать в промышленных целях. [6] Большую часть биогенных соединений в морской среде производят микро- и макроводоросли, в том числе цианобактерии . [6] Из-за своих противомикробных свойств они в настоящее время являются предметом исследований как в промышленных проектах, например, в области противообрастающих красок , [1] , так и в медицине. [6]
Во время заседания секции геологии и минералогии Нью-Йоркской академии наук в 1903 году геолог Амадеус Уильям Грабау в своей статье «Обсуждение и предложения относительно новой классификации горных пород» предложил новую систему классификации горных пород. [7] В рамках основного подразделения «Эндогенные породы» – породы, образовавшиеся в результате химических процессов – существовала категория под названием «Биогенные породы», которая использовалась как синоним «Органических пород». Другими второстепенными категориями были «магматические» и «гидрогенные» 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 этих исследований в 1970-х годах в рамках изучения геологии произошел рост исследований биогенных веществ в осадочных породах. [4] Этому способствовала разработка более совершенных аналитических методов и привело к более тесному сотрудничеству между геологами и химиками-органиками в целях исследования биогенных соединений в отложениях . [4]
Кроме того, в начале 1960-х годов исследователи начали исследовать производство соединений микроорганизмами в морской среде. [6] К 1975 году в области изучения морской биохимии сложились различные области исследований . Это были «морские токсины, морские биопродукты и морская химическая экология». [6] Вслед за этим в 1994 году Тойшер и Линдквист определили биогенные вещества как «химические соединения, которые синтезируются живыми организмами и которые, если они превышают определенные концентрации, вызывают временный или необратимый ущерб или даже смерть других организмов в результате химического или физико-химического воздействия». в своей книге Biogene Gifte. [1] [8] Такой акцент в исследованиях и классификации 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 расширилось за счет цитотоксических веществ за счет использования альтернативных фармацевтических и промышленных анализов. [6]
Изучая транспорт биогенных веществ в Татарском проливе Японского моря, российская группа отметила, что биогенные вещества могут попадать в морскую среду за счет поступления как из внешних источников, переноса внутри водных масс, так и развития в результате метаболических процессов внутри водной среды. вода. [5] Они также могут расходоваться за счет процессов биотрансформации или образования биомассы микроорганизмами. В этом исследовании концентрации биогенных веществ, частота трансформации и оборот были самыми высокими в верхнем слое воды. При этом в разных районах пролива биогенные вещества с наибольшим годовым переносом были постоянными. Это O 2 , DOC и DISi, которые обычно обнаруживаются в больших концентрациях в природной воде. [5] Биогенными веществами, которые имеют тенденцию к меньшему поступлению через внешние границы пролива и, следовательно, к наименьшему переносу, являются минеральные и детритовые компоненты N и P. Эти же вещества принимают активное участие в процессах биотрансформации в морской среде и имеют более низкие годовые показатели. вывод тоже. [5]
Геохимики-органики также заинтересованы в изучении диагенеза биогенных веществ в нефти и того, как они трансформируются в осадках и окаменелостях. [4] Хотя 90% этого органического материала нерастворимо в обычных органических растворителях (так называемых керогене ), 10% находится в форме, которая растворима и может быть экстрагирована, откуда затем можно выделить биогенные соединения. [4] Насыщенные линейные жирные кислоты и пигменты имеют наиболее стабильную химическую структуру и поэтому подходят для того, чтобы противостоять разложению в процессе диагенеза и обнаруживаться в их первоначальных 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, образующиеся в результате дегидрирования хлорофилла или гемина , можно обнаружить во многих отложениях в виде комплексов никеля или ванадилов. [4] Большая часть изопреноидов в отложениях также образуется из хлорофилла. Точно так же линейные насыщенные жирные кислоты, обнаруженные в горючих сланцах Мессельского карьера в Германии, возникают 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 имеют абиогенную природу, особенно в докембрийских отложениях. Хотя моделирование синтеза изопреноидов в абиогенных условиях, проведенное Studier et al. (1968), не привело к получению длинноцепочечных изопреноидов, используемых в качестве биомаркеров в окаменелостях и отложениях, были обнаружены следы изопреноидов C 9 -C 14 . [11] Полиизопреноидные цепи также могут быть стереоселективно синтезированы с использованием таких катализаторов, 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, составляющие биогенные вещества растений, особенно те, что содержатся в экссудатах семян , можно идентифицировать с помощью различных видов хроматографии в лабораторных условиях. [3] Для определения профиля 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 использоваться для расчета пространственного переноса биогенных веществ как в горизонтальном, так и в вертикальном измерениях. [5] Данная модель учитывает водообмен и расход воды и дает значения содержания биогенных веществ для любого участка или слоя воды за любой месяц. Существует два основных метода оценки: измерение на единицу объема воды (мг/м 3 год) и измерение содержания веществ на весь объем воды в слое (т элемента/год). [5] Первый в основном используется для наблюдения за динамикой биогенных веществ и отдельными путями их движения и трансформации, а также полезен при сравнении отдельных регионов пролива или водного пути. Второй метод применяется для ежемесячных потоков вещества и должен учитывать месячные вариации объема воды в слоях. [5]
При изучении геохимии биогенные вещества можно выделить из окаменелостей и отложений путем соскабливания и дробления целевого образца породы с последующей промывкой 40% плавиковой кислотой , водой и бензолом/метанолом в соотношении 3:1. [4] После этого куски камня измельчаются и центрифугируются для получения остатка. Затем химические соединения получают посредством различных хроматографических и масс-спектрометрических разделений. [4] Однако экстракция должна сопровождаться строгими мерами предосторожности, чтобы гарантировать отсутствие примесей аминокислот из отпечатков пальцев [14] или силиконовых примесей из других методов аналитической обработки. [4]
Было обнаружено , что метаболиты, вырабатываемые морскими водорослями, обладают многими антимикробными свойствами. [1] Это связано с тем, что они производятся морскими организмами в качестве химических сдерживающих факторов и, как таковые, содержат биологически активные соединения . Основными классами морских водорослей, которые производят 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 , одной из наиболее распространенных цианобактерий, обладают противогрибковыми и противомикробными свойствами. [1] [6] Кроме того, исследование Ren et al. (2002) протестировали галогенированные фураноны , продуцируемые Delisea pulchra из класса Rhodophyceae, против роста Bacillus subtilis . [15] [1] При применении в концентрации 40 мкг/мл фуранон ингибировал образование биопленки бактериями и уменьшал толщину биопленки на 25%, а количество живых клеток на 63%. [15]
Эти характеристики затем могут быть использованы в искусственных материалах, например, при изготовлении противообрастающих красок без химикатов, наносящих вред окружающей среде. [1] Требуются экологически безопасные альтернативы ТБТ (средству против обрастания на основе олова), который выделяет токсичные соединения в воду и окружающую среду и был запрещен в ряде стран. [1] Классом биогенных соединений, которые оказывают значительное воздействие на бактерии и микроводоросли , вызывающие загрязнение, являются сесквитерпеноидные эфиры ацетилена, продуцируемые Caulerpa prolifera (из класса Chlorophyceae), которые Smyrniotopoulos et al. (2003) наблюдали ингибирование роста бактерий с эффективностью до 83% от оксида ТБТ. [16]
Текущие исследования также направлены на производство этих биогенных веществ на коммерческом уровне с использованием методов метаболической инженерии . [1] Сочетая эти методы с биохимическими инженерными разработками, водоросли и их биогенные вещества можно производить в больших масштабах с использованием фотобиореакторов . [1] Для получения разных биогенных продуктов можно использовать разные 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 окаменелостей и служить палеоэкологическими маркерами. Например, присутствие пристана указывает на то, что нефть или отложения 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 разложения биологического материала в геологической среде. [4] Сравнение органического материала геологически старых и современных пород показывает сохранение различных биохимических процессов. [4]
Другое применение биогенных веществ — синтез металлических наночастиц . [3] Существующие химические и физические методы производства наночастиц являются дорогостоящими и производят токсичные отходы и загрязнители в окружающую среду. [22] Кроме того, образующиеся 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 реакций восстановления, могут быть получены из растений различными способами, включая отвар из кипяченых листьев, [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] Другой метод 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 смешиваться с ионами металлов для синтеза металлических наночастиц. [27] [3] Экссудат M. sativa, в частности, добился успеха в эффективном производстве частиц металлического серебра, а 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 растительное происхождение, для получения наночастиц различной формы, включая треугольники, сферы, стержни и спирали. [3] Эти биогенные металлические наночастицы затем находят применение в качестве катализаторов, покрытий для стеклянных окон для теплоизоляции, 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 )