της Δήμητρας Σπανού καθηγήτριας χημικού 1ου Γυμν. Δάφνης
ΕΙΣΑΓΩΓΗ
Η ροή ενέργειας στο φυσικό περιβάλλον, εξελικτική διαδικασία και διαμόρφωση ισορροπιών (απόσπασμα)
Η ροή και ανακύκλυση ενέργειας και ύλης γίνεται με τους βιογεωχημικούς κύκλους
Οι βιογεωχημικοί κύκλοι περιλαμβάνουν α. φυσικούς μετασχηματισμούς όπως διάλυση, κατακρήμνηση, αεριοποίηση και ενσωμάτωση
β. χημικές μετατροπές όπως βιοσύνθεση, βιοδιάσπαση, οξειδοαναγωγή και βιομετατροπές
γ. συνδυασμόυς φυσικών και χημικών μετατροπών που μπορούν να προξενίσουν μετάθεση υλικών στον χώρο όπως ιζηματοποίηση , εξαέροση κ.α.
Με τον τρόπο αυτό η παραγώμενη ενέργεια απορροφάται, μετατρέπεται και παροδικά αποθηκεύεται και διασκορπίζεται με τέτοιο τρόπο ώστε να συμβαίνει ενεργειακή ροή ή ροή ενέργειας που είναι απαραίτητη για την λειτουργία των οικοσυστημάτων.
Περιγράφοντας το φυσικό περιβάλλον και τους γεωβιοχημικούς κύκλους της ύλης
Οι παράγοντες που αποτελούν ένα οικοσύστημα και αλληλοεπιδρούν είναι παράγοντες ύλης και ενέργειας
Η ύλη στο γήϊνο οικοσύστημα παραμένει σχεδόν ανεπιρρέαστη εφόσον τα ποσά ύλης που δέχεται ο πλανήτης από το διάστημα (μετεωρίτες κ.α.) είναι αναλογικά πολύ μικρά. Τα χημικά στοιχεία που επικρατούν στην ζωή (άνθρακας, υδρογόνο, οξυγόνο, άζωτο, θείο, φωσφόρος, κ.α.) αλλά και τα άλλα σε μικρότερες αναλογίες είναι κυρίως αυτά που κυκλοφορούν σε βιοχημικούς κύκλους χημικών στοιχείων ώστε να γίνονται εκ νέου διαθέσιμα. Κύκλος του άνθρακα, κύκλος του αζώτου, κύκλος του οξυγόνου, κύκλος του θείου.
Ανακυκλώνονται επίσης αλλά με μικρότερη ένταση δευτερεύοντα στοιχεία των οργανισμών όπως μαγνήσιο, κάλιο, νάτριο και αλογόνα αλλά και ή ιχνοστοιχεία
Ο βαθμός ανάλυσης και λεπτομέριας στην ροή των κύκλων έχει ορισμένα χαρακτηριστικά όπως
η δεξαμενή αποθήκευσης (τα υλικά κινούνται αργά) η δεξαμενή ανταλλαγής (μικρότερο τμήμα ανταλλαγής συστατικών) και επίσης οι γεωβιοχημικοί κύκλοι διακρίνονται σε αέριες (υδρογόνου, οξυγόνου κ.α.) και ιζηματογενείς (φωσφόρου, θείου κ.α.) Οι μετακινήσεις μεταξύ των χώρων αυτών γίνονται μέσα από δρόμους μεταφοράς
Αυτές οι μετακινήσεις είναι φυσικές και προυπήρχαν της εμφάνισης του ανθρώπου. όμως οι ανθρώπινες δραστηριότητες τους επρρεάζουν, είτε μεταβάλλοντας τους ρυθμούς μετακίνησης ή τις ποσότητες που εγκαθίστανται σε δεξαμενές είτε προσθέτοντας νέες ουσίες στο περιβάλλον
Οι μοναδικές ιδιότητες του νερού που το κάνουν να θεωρείται
"Ουσία της ζωής στη Γη "
Το νερό αποτελεί την σημαντικότερη ουσία για την διμιουργία και τη διατήρηση της ζωής στηνΓη.
Αυτό συμβαίνει επειδή είναι μια πολύ ιδιαίτερη ουσία με μοναδικές ιδιότητες.
Τα μόρια του νερού είναι πολικά.
Λόγω της πολικότητάς του τα μόρια του νερού, ελκονται μεταξύ τους σχηματίζοντας δεσμούς υδρογόνου.
Εμφανίζονται εφόσον το υδρογόνο του ενός μορίου έλκεται από το οξυγόνο του άλλου. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα
- Η συμμετοχή του στην εμφάνιση και διατήρηση της ζωής στη γη
τα μόρια του νερού οργανώνονται σε έναν υψηλότερο βαθμό οργάνωσης πράγμα που βοηθά την διατήρηση της ζωής στη γη
Οι δεσμοί υδρογόνου σχηματίζονται περισσότερο κατά 15% κατά την στερεοποίηση του νερού με τον σχηματισμό πάγου
- Η μείωση της πυκνότητας του πάγου σε σχέση με το νερό
Στον πάγο, κάθε άτομο οξυγόνου περιβάλλεται τετραεδρικά από 4 άτομα υδρογόνου, τα δύο συνδεδεμένα με ομοιοπολικούς δεσμούς έτσι που να σχηματίζεται μόριο νερού, και τα άλλα δύο από γειτονικά μόρια νερού με ομοιοπολικούς δεσμούς. Έτσι ο πάγος αποκτά μια πιο ανοικτή κρυσταλλική τρισδιάστατη δομή με πολλά κενά, πράγμα που συντελεί σε μείωση της πυκνότητάς του. Το γεγονός αυτό έχει σαν αποτέλεσμα, ο πάγος να σχηματίζεται στην κορυφή του νερού
Αντίθετα στο υγρό νερό όπου ένα ποσοστό δεσμών υδρογόνου έχει καταστραφεί εμφανίζει αυξημένη πυκνότητα έως τους 4ο Κελσίου όπου επικρατούν πάλι
Τα τριχοειδή φαινόμενα που συναντώνται σε διάφορες περιπτώσεις όπως στην άνοδο νερού από την γη στους βλαστους και φύλλα των φυτών
Η μεγάλη επιφανειακή τάση του νερού λόγω έλξης των μορίων του συνέπεια των δεσμών υδρογόνου δημιουργεί τριχοειδή φαινόμενα στα οποία οφείλεται η άνοδος του νερού από την γη στους βλαστούς και στα φύλλα των φυτών μέσα από ηθμούς.
- Η ιδιότητά του σαν σημσντικού διαλύτη
Στην πολικότητα του νερού, οφείλεται η μεγάλη ικανότητα του νερού να διαλύει πολλές ουσίες. Κυρίως ουσίες που εμφανίζουν πολικότητα ή διαθέτουν πολικές ομάδες
Ένα άλλο ιδιαίτερο φαινόμενο που παρατηρείται στο νερό, είναι η ασυνήθιστα μεγάλη θερμότητα εξάτμισής του νερού ασκεί σημαντική επίδραση στον καιρό και στον υδρολογι κό κύκλο του νερού. Η εξάτμιση των επιφανειακών νερών απορροφά 30% της ηλιακής ενέργειας και ελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα κατά την συμπύκνωση των υδρατμών.
Αυτό δρα κατά της υπερθέρμανσης της επιφάνειας της γης
(Έχουμε παρατηρήσει ότι η θερμοκρασία της ατμόσφαιρας είναι ανεβασμένη κατά τις βροχερές ημέρες).
Έτσι τον κύκλο του νερού συμβαίνει συγχρόνως και μεγάλη μεταφορά ενέργειας στην γη και στην ατμόσφαιρα
Εξ άλλου, η μεγάλη θερμοχωρητικότητα του νερού ασκεί επίσης σημαντική επίδραση στον καιρό και την διαμόρφωση του κλίματος.
- Το στερεοποιημένο νερό (πάγος) έχει πυκνότητα μεγαλύτερη από το νερό. Σε θερμοκρασία κάτω από τους 4ο Κελσίου το νερό αποκτά όλο και πιο ανοικτή δομή και μικρότερη πυκνότητα. Έτσι ο πάγος σχηματίζεται στην κορυφή των νερών. Η φυσιολογική κατάσταση της ύλης όπου η αύξηση της θερμοκρασίας έχει σαν αποτέλεσμα την μείωση της πυκνότητας επανενέρχεται στο νερό σε θερμοκρασία πάνω από τους 4ο Κελσίου, στους οποίους το νερό έχει την μέγιστη πυκνότητα
Ο κύκλος του νερού στη φύση είναι γνωστός. Με την διαδικασία αυτή το νερό επιτελεί όλες τις λειτουργίες του. Ρυθμίζει το κλίμα, συντηρεί την ζωή, μεταφέρει υλικά, διαλύει και δημιουργεί τα πετρώματα του φλοιού, αυτοκαθαρίζεται, συντελεί στην σταθερότητα του εδάφους και την ισορροπία της υδρόγειου σφαίρας κ.α.
Δήμητρα Σπανού
ακατέργαστο
Μελέτη των θρεπτικών αναγκών των μαθημάτων προκαρυωτικών
3.4 Νερό
Από όλες τις χημικές ενώσεις για τη ζωή στη Γη, το νερό είναι το πιο σημαντικό. Το νερό χρησιμεύει ως καλός διαλύτης για τις περισσότερες βιολογικά σημαντικές ουσίες, συμπεριλαμβανομένου του Ο2ΜΕ2, ανόργανα άλατα και οργανικές ενώσεις.
Η ποσότητα νερού σε διαφορετικά κύτταρα κυμαίνεται από 60 έως 90%, ακόμη και τα βακτηριακά σπόρια περιέχουν έως και 18... 20%. Το νερό είναι απαραίτητο για να μεταβολιστούν και να αναπτυχθούν τα κύτταρα. Η διαθεσιμότητα του νερού καθορίζεται από τη δραστηριότητά του στο περιβάλλον (αw), και εξαρτάται επίσης από την οσμωτική
πίεση του διαλύματος (p). Ελάχιστη τιμή ενόςwΣε ποια βακτήρια μπορούν να αναπτυχθούν ποικίλλει σημαντικά, αλλά για τα περισσότερα είδη υπερβαίνει το 0,99. Ορισμένα αλόφιλα βακτήρια αναπτύσσονται με τιμή δραστηριότητας 0,8. Διακυμάνσεις στο μέγεθος ενόςw μπορεί να επηρεάσει τον ρυθμό ανάπτυξης των βακτηρίων, τη σύνθεσή τους και τη μεταβολική τους δραστηριότητα. Τύπος για τον υπολογισμό της ενεργότητας του νερού:
,
όπου x είναι ο αριθμός των ιόντων που σχηματίζονται ανά 1 μόριο του διαλύματος, m είναι η molality του υγρού και είναι ο μοριακός οσμωτικός συντελεστής [6, 34, 35].
Τα φωτοσυνθετικά βακτήρια χρησιμοποιούν το νερό πιο ενεργά σε χημικούς όρους, στους οποίους είναι δότης ηλεκτρονίων (κυανοβακτήρια). Τα μωβ και πράσινα βακτήρια θείου χρησιμοποιούν επίσης νερό όταν οξειδώνουν το στοιχειακό θείο [25].
3.5 Οργανικές ενώσεις ως πηγές οξυγόνου και υδρογόνου
Τα μη θειικά μοβ βακτήρια μπορούν να χρησιμοποιήσουν διάφορες οργανικές ουσίες αντί για ανόργανο δότη υδρογόνου: δικαρβοξυλικά οξέα, πυροσταφυλικό, γαλακτικό, οξικό, μυρμηκικό, βενζοϊκό, αιθανόλη, μηλικό, ηλεκτρικό, βουτυρικό, μανίτη και άλλα.
Τα ετερότροφα λαμβάνουν αυτά τα στοιχεία από απαραίτητα οργανικά θρεπτικά συστατικά.
Προκειμένου να καλυφθούν οι ανάγκες των μικροβίων για δύο οργανογόνα - οξυγόνο και υδρογόνο - στις περισσότερες περιπτώσεις, τα άτομα οξυγόνου και υδρογόνου που περιέχονται στα μόρια οργανικών ουσιών και στο νερό είναι επαρκή. Οι εξαιρέσεις είναι τα βακτήρια υδρογόνου, καθώς και τα πράσινα και μοβ βακτήρια. Οι αερόβιοι μικροοργανισμοί δεν μπορούν να αναπτυχθούν χωρίς πρόσβαση σε οξυγόνο [10, 13, 25].
3. Πηγές οξυγόνου και υδρογόνου
Το οξυγόνο και το υδρογόνο, μαζί με το άζωτο και τον άνθρακα, είναι τα κύρια συστατικά των οργανικών ενώσεων που περιέχονται στους ιστούς διαφόρων οργανισμών.
Οι πηγές οξυγόνου για μικροοργανισμούς είναι Ο2, H2O, Κολοράντο2 και οργανικές ενώσεις.
Οι πηγές υδρογόνου είναι H2, H2O και οργανικές ενώσεις.
Αυτά τα στοιχεία, μαζί με τον άνθρακα, δεν είναι μόνο τα κύρια συστατικά του κυττάρου, αλλά χρησιμεύουν επίσης ως σημαντικά υποστρώματα για την παραγωγή ενέργειας από μικροοργανισμούς [5].
3.1 Μοριακό οξυγόνο
Σε σχέση με το οξυγόνο, οι μικροοργανισμοί χωρίζονται σε υποχρεωτικά αερόβια, προαιρετικά αναερόβια, αεροαναερόβια και υποχρεωτικά αναερόβια. Οι περισσότεροι μικροοργανισμοί είναι υποχρεωτικά αερόβια και το μοριακό οξυγόνο είναι απαραίτητο για την ανάπτυξή τους. Ορισμένα είδη μπορούν να αναπτυχθούν ακόμη και σε ατμόσφαιρα καθαρού οξυγόνου. Μαζί με αυτό, υπάρχουν μικροοργανισμοί που, αν και χρειάζονται2, αλλά μπορεί να αναπτυχθεί ή να αναπτυχθεί καλύτερα μόνο όταν το περιεχόμενό του είναι χαμηλό (2-10%). Τέτοιοι μικροοργανισμοί ονομάζονται μικροαερόφιλα και οι συνθήκες υπό τις οποίες αναπτύσσονται είναι μικροαερόβιες.
Τα προαιρετικά αναερόβια αναπτύσσονται τόσο παρουσία όσο και απουσία Ο2. Αλλά ανάλογα με τις συνθήκες ανάπτυξης, συμβαίνουν αλλαγές στο μεταβολισμό τους, κυρίως στις ενεργειακές διεργασίες. Κατά κανόνα, παρουσία μοριακού οξυγόνου, τέτοιοι μικροοργανισμοί μεταβαίνουν στην οξείδωση του υποστρώματος με τη συμμετοχή του Ο2, δηλαδή αερόβια αναπνοή, δεδομένου ότι είναι πιο κερδοφόρα από την απόκτηση ενέργειας ως αποτέλεσμα αναερόβιων διεργασιών. Αυτοί είναι εκπρόσωποι του γένους Bacillus, Escherichia, Paracoccus denitrificans και πολλών άλλων.
Πολλά βακτήρια γαλακτικού οξέος ανήκουν σε αεροανθεκτικά αναερόβια, τα οποία είναι ικανά να αναπτυχθούν παρουσία μοριακού οξυγόνου, αλλά ταυτόχρονα ο μεταβολισμός τους παραμένει ο ίδιος όπως σε αναερόβιες συνθήκες. Και στις δύο περιπτώσεις, ζυμώνουν.
Τα υποχρεωτικά αναερόβια όχι μόνο δεν χρειάζονται την παρουσία μοριακού οξυγόνου για ανάπτυξη, αλλά για πολλά είδη είναι τοξικά ακόμη και σε χαμηλές συγκεντρώσεις.
Τα υποχρεωτικά αναερόβια όχι μόνο δεν χρειάζονται την παρουσία μοριακού οξυγόνου για ανάπτυξη, αλλά για πολλά είδη είναι τοξικά ακόμη και σε χαμηλές συγκεντρώσεις.
Πρέπει να σημειωθεί ότι παρουσία φωτός, το οξυγόνο μπορεί να προκαλέσει επιβλαβείς επιδράσεις, καθώς η επίδραση του υπεριώδους φωτός στα συστατικά των κυττάρων συμβάλλει στο σχηματισμό ριζών οξυγόνου, οι οποίες καταστρέφουν, μεταξύ άλλων, νουκλεϊνικά οξέα [7, 28].
3.3 Μοριακό υδρογόνο
Ο αριθμός των χημειολιθοαυτοτροφικών μικροοργανισμών που οξειδώνουν το H2, περιλαμβάνουν υδρογόνο, βακτήρια που σχηματίζουν μεθάνιο, ορισμένους εκπροσώπους βακτηρίων που σχηματίζουν οξικό, θειικά και θειοαναγωγικά βακτήρια. Τα στελέχη που χρησιμοποιούν μοριακό υδρογόνο χαρακτηρίζονται από την παρουσία υδρογονάσης. Λόγω του μοριακού υδρογόνου, το CO μειώνεται2 [7, 25].