معلومة

المحاضرة 07: تفاعلات الأكسدة والاختزال التمثيل الغذائي - تدفق الكربون ونقل الطاقة - علم الأحياء

المحاضرة 07: تفاعلات الأكسدة والاختزال التمثيل الغذائي - تدفق الكربون ونقل الطاقة - علم الأحياء


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

المحاضرة 07: تفاعلات الأكسدة والاختزال التمثيل الغذائي - تدفق الكربون ونقل الطاقة

من المعروف منذ فترة طويلة أن استقلاب الطاقة مرتبط بإنتاج أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) وأن الإنزيمات الحرجة المرتبطة بمسارات التمثيل الغذائي يمكن أن تتأثر بتفاعلات الأكسدة والاختزال. يصبح هذا التفاعل بين استقلاب الطاقة و ROS أكثر وضوحًا خلال عملية الشيخوخة وفي بداية وتقدم العديد من الأمراض المرتبطة بالعمر (مثل مرض السكري ومتلازمة التمثيل الغذائي وتصلب الشرايين والأمراض التنكسية العصبية). على هذا النحو ، فإن القدرة على تحديد المسارات الأيضية المشاركة في تكوين أنواع الأكسجين التفاعلية ، وكذلك الأهداف المحددة والتعديلات المؤكسدة أمر بالغ الأهمية لفهمنا للأساس الجزيئي للأمراض المرتبطة بالعمر ولتصميم استراتيجيات علاجية جديدة.

نراجع هنا تكوين المؤكسد المرتبط بالخلية والتمثيل الغذائي النشط للخلية ، ومضادات الأكسدة الرئيسية المشاركة في إزالة السموم من أنواع الأكسجين التفاعلية ، والأهداف الرئيسية للأنواع المؤكسدة في طرق التمثيل الغذائي ومناقشة أهميتها في إشارات الخلايا والأمراض المرتبطة بالعمر.


الفصل 08 - مقدمة في التمثيل الغذائي

  • مجموع التفاعلات الكيميائية للكائن يسمى التمثيل الغذائي.
  • التمثيل الغذائي هو خاصية ناشئة للحياة تنشأ من التفاعلات بين الجزيئات داخل البيئة المنظمة للخلية.

يتم تنظيم كيمياء الحياة في مسارات التمثيل الغذائي.

  • تبدأ مسارات التمثيل الغذائي بجزيء معين ، ثم يتم تغييره في سلسلة من الخطوات المحددة لتشكيل منتج معين.
  • إنزيم معين يحفز كل خطوة من المسار.
  • تطلق المسارات التقويضية الطاقة عن طريق تكسير الجزيئات المعقدة إلى مركبات أبسط.
    • المسار الرئيسي للتقويض هو التنفس الخلوي ، حيث يتم تكسير السكر الجلوكوز في وجود الأكسجين لثاني أكسيد الكربون والماء.
    • تخليق البروتين من الأحماض الأمينية هو مثال على الابتنائية.
    • الطاقة الحيوية هي دراسة كيفية إدارة الكائنات الحية لموارد طاقتها.

    الكائنات الحية تحول الطاقة.

    • الطاقة هي القدرة على القيام بالعمل.
      • توجد الطاقة بأشكال مختلفة ، والخلايا تحول الطاقة من نوع إلى آخر.
      • يمكن للكائنات المتحركة أداء العمل عن طريق نقل الحركة إلى مادة أخرى.
      • يمكن التقاط فوتونات الضوء وتسخير طاقتها لتشغيل التمثيل الضوئي في النباتات الخضراء.
      • الطاقة الحرارية أو الحرارية هي طاقة حركية مرتبطة بالحركة العشوائية للذرات أو الجزيئات.
      • الطاقة الكيميائية هي شكل من أشكال الطاقة الكامنة المخزنة في الجزيئات بسبب ترتيب ذراتها.
      • على سبيل المثال ، عندما يصعد صبي إلى منصة غطس ، فإنه يطلق الطاقة الكيميائية المخزنة في خلاياه من الطعام الذي تناوله على الغداء.
      • يتم تحويل الطاقة الحركية لحركة عضلاته إلى طاقة كامنة أثناء صعوده إلى أعلى.
      • أثناء الغوص ، يتم تحويل الطاقة الكامنة مرة أخرى إلى طاقة حركية.
      • تنتقل الطاقة الحركية إلى الماء عند دخوله إليه.
      • يتم تحويل بعض الطاقة إلى حرارة بسبب الاحتكاك.

      تخضع تحولات الطاقة في الحياة لقانونين للديناميكا الحرارية.

      • الديناميكا الحرارية هي دراسة تحولات الطاقة.
      • في هذا المجال ، يشير مصطلح النظام إلى المسألة قيد الدراسة وتشمل المناطق المحيطة كل شيء خارج النظام.
      • يتم عزل النظام المغلق ، الذي يقترب من السائل في الترمس ، عن محيطه.
      • في نظام مفتوح ، يمكن نقل الطاقة والمادة بين النظام ومحيطه.
      • الكائنات الحية أنظمة مفتوحة.
        • تمتص الطاقة - طاقة ضوئية أو كيميائية على شكل جزيئات عضوية - وتطلق الحرارة ومنتجات النفايات الأيضية مثل اليوريا أو ثاني أكسيد الكربون إلى محيطها.
        • يُعرف القانون الأول أيضًا باسم مبدأ الحفاظ على الطاقة.
        • لا تنتج النباتات طاقة بل تحول الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية.
        • إذا كانت درجة الحرارة موحدة ، كما هو الحال في الخلية الحية ، فلا يمكن استخدام الحرارة إلا لتدفئة الكائن الحي.
        • كلما كانت مجموعة المادة أكثر عشوائية ، زادت إنتروبياها.
        • بينما يمكن أن يزداد النظام محليًا ، هناك اتجاه لا يمكن إيقافه نحو التوزيع العشوائي للكون.
        • يأخذ جزء كبير من الانتروبيا المتزايدة في الكون شكل زيادة الحرارة ، وهي طاقة الحركة الجزيئية العشوائية.
        • تقوم السيارات بتحويل 25٪ فقط من الطاقة الموجودة في البنزين إلى حركة ، بينما يتم فقد الباقي كحرارة.
        • تحول الخلايا الحية بشكل لا مفر منه أشكالًا منظمة من الطاقة إلى حرارة.
        • لا يجب أن تحدث العمليات العفوية بسرعة.
        • بعض العمليات التلقائية تكون فورية ، مثل حدوث انفجار. بعضها بطيء جدًا ، مثل صدأ سيارة قديمة.
        • على سبيل المثال ، يتم ترتيب الأحماض الأمينية في سلاسل متعددة الببتيد.
        • هيكل الجسم متعدد الخلايا منظم ومعقد.
        • على سبيل المثال ، يستهلك الحيوان الجزيئات العضوية كغذاء ويقوضها إلى ثاني أكسيد الكربون منخفض الطاقة والماء.
        • هذه الزيادة في التنظيم لا تنتهك القانون الثاني للديناميكا الحرارية.
        • قد تتناقص إنتروبيا نظام معين ، مثل الكائن الحي ، طالما أن الانتروبيا الكلية للكون - النظام بالإضافة إلى محيطه - تزداد.
        • الكائنات الحية عبارة عن جزر ذات إنتروبيا منخفضة في كون عشوائي بشكل متزايد.
        • يتوافق تطور النظام البيولوجي تمامًا مع قوانين الديناميكا الحرارية.

        المفهوم 8.2: يخبرنا تغيير الطاقة الحرة للتفاعل ما إذا كان التفاعل يحدث تلقائيًا

        • كيف يمكننا تحديد التفاعلات التي تحدث بشكل تلقائي وأي التفاعلات تتطلب مدخلًا من الطاقة؟
        • يوفر مفهوم الطاقة الحرة وظيفة مفيدة لقياس عفوية النظام.
        • الطاقة الحرة هي جزء من طاقة النظام القادر على أداء العمل عندما تكون درجة الحرارة والضغط منتظمين في جميع أنحاء النظام ، كما هو الحال في الخلية الحية.
        • ترتبط الطاقة الحرة (G) في نظام ما بإجمالي المحتوى الحراري (في الأنظمة البيولوجية ، ما يعادل الطاقة) (H) والانتروبيا (S) من خلال هذه العلاقة:
          • G = H - TS ، حيث T هي درجة الحرارة بوحدات كلفن.
          • تؤدي الزيادات في درجة الحرارة إلى تضخيم مصطلح الانتروبيا.
          • ليست كل الطاقة في النظام متاحة للعمل لأنه يجب طرح مكون الانتروبيا من مكون المحتوى الحراري.
          • ما تبقى هو الطاقة المجانية المتوفرة للعمل.
          • الأنظمة عالية الطاقة الحرة - الينابيع المضغوطة ، والشحنات المنفصلة ، والبوليمرات العضوية - غير مستقرة وتميل إلى التحرك نحو حالة أكثر استقرارًا ، واحدة ذات طاقة أقل حرية.
          • الأنظمة التي تميل إلى التغيير تلقائيًا هي تلك التي تحتوي على محتوى عالٍ أو إنتروبيا منخفضة أو كليهما.
          • ΔG = الحالة Gfinal - حالة Gstarting
          • أو ΔG = ΔH - TΔS
          • يجب أن تكون ΔG سالبة حتى تكون العملية تلقائية.
          • تتميز كل عملية عفوية بانخفاض الطاقة الحرة للنظام.
          • العمليات التي تحتوي على موجب أو صفر ميكروغرام ليست تلقائية أبدًا.
          • في تفاعل كيميائي عند التوازن ، تكون معدلات التفاعلات الأمامية والخلفية متساوية ، ولا يوجد تغيير في تركيز المنتجات أو المواد المتفاعلة.
          • عند التوازن ΔG = 0 ، ولا يمكن للنظام القيام بأي عمل.
          • العملية عفوية ويمكن أن تؤدي العمل فقط عندما تتحرك نحو التوازن.
          • الحركات بعيدًا عن التوازن غير تلقائية وتتطلب إضافة طاقة من مصدر طاقة خارجي (البيئة المحيطة).
          • للتفاعل الكلي للتنفس الخلوي: C6H12O6 + 6O2 - & gt 6CO2 + 6H2O
            • ΔG = -686 كيلو كالوري / مول
            • المنتجات لديها 686 كيلو كالوري أقل من الطاقة الحرة من المواد المتفاعلة.
            • تخزن تفاعلات Endergonic الطاقة في جزيئات ΔG موجبة.
            • التفاعلات الاندرجونية غير تلقائية ، وحجم ΔG هو كمية الطاقة المطلوبة لدفع التفاعل.
            • لتحويل ثاني أكسيد الكربون والماء إلى سكر ، ΔG = +686 kcal / mol.
            • الخلية التي وصلت إلى التوازن الأيضي لديها ΔG = 0 وهي ميتة!
            • تستمر الخلية في القيام بالعمل طوال حياتها.

            يعمل المفهوم 8.3 ATP على تعزيز العمل الخلوي عن طريق الجمع بين التفاعلات المطلقة للطاقة والتفاعلات العصبية

            • تؤدي الخلية ثلاثة أنواع رئيسية من العمل:
              1. العمل الميكانيكي ، مثل ضرب الأهداب وتقلص خلايا العضلات وحركة الكروموسومات أثناء التكاثر الخلوي.
              2. عمل النقل ، ضخ المواد عبر الأغشية عكس اتجاه الحركة العفوية.
              3. العمل الكيميائي ، يقود التفاعلات endergonic مثل تخليق البوليمرات من المونومرات.
            • تدير الخلايا موارد الطاقة الخاصة بها للقيام بهذا العمل عن طريق اقتران الطاقة ، واستخدام عملية طاردة للطاقة لتحريك طاقة مفعمة بالحيوية.
            • في معظم الحالات ، المصدر المباشر للطاقة لتشغيل العمل الخلوي هو ATP.
            • ATP (أدينوسين ثلاثي الفوسفات) هو نوع من النيوكليوتيدات يتكون من القاعدة النيتروجينية الأدينين ، وريبوز السكر ، وسلسلة من ثلاث مجموعات فوسفاتية.
            • يمكن كسر الروابط بين مجموعات الفوسفات عن طريق التحلل المائي.
              • يشكل التحلل المائي لمجموعة الفوسفات النهائية ثنائي فوسفات الأدينوزين.
                • ATP - & gt ADP + Pi
                • يطلق هذا التفاعل 7.3 كيلو كالوري من الطاقة لكل مول من ATP في ظل الظروف القياسية (1 متر من كل مادة متفاعلة ومنتج ، 25 درجة مئوية ، درجة الحموضة 7).
                • ومع ذلك ، فهي غير مستقرة ، وتنتج تحللها المائي طاقة لأن المنتجات أكثر استقرارًا.
                • كل مجموعة من مجموعات الفوسفات الثلاث لها شحنة سالبة.
                • تتجمع هذه الرسوم الثلاثة المتشابهة معًا ، ويساهم تنافرها المتبادل في عدم استقرار هذه المنطقة من جزيء ATP.
                • يتم الآن فسفرة هذا الجزيء المستلم.
                • هذا الجزيء الآن أكثر تفاعلًا (أقل استقرارًا) من الجزيئات الأصلية غير المفسفرة.
                • في كل حالة ، يتم نقل مجموعة الفوسفات من ATP إلى جزيء آخر ويخضع الجزيء المُفسفر لتغيير يؤدي العمل.
                • تأتي الطاقة اللازمة لفسفوريلات ADP من تفاعلات تقويضية في الخلية.
                • تقوم خلية عضلية عاملة بإعادة تدوير مجموعتها الكاملة من ATP مرة كل دقيقة.
                • يتم استهلاك أكثر من 10 ملايين جزيء ATP وتجديدها في الثانية لكل خلية.
                • ΔG = 7.3 كيلو كالوري / مول.

                إنزيمات Concept 8.4 تعمل على تسريع التفاعلات الأيضية عن طريق خفض حواجز الطاقة

                • قد تحدث تفاعلات كيميائية عفوية ببطء شديد بحيث تصبح غير محسوسة.
                  • يعتبر التحلل المائي لسكر المائدة (السكروز) إلى الجلوكوز والفركتوز طاقة مفرطة.
                    • ΔG = -7 كيلو كالوري / مول
                    • الإنزيم هو بروتين محفز.
                    • لتحليل السكروز بالماء ، يجب كسر الرابطة بين الجلوكوز والفركتوز ويجب أن تتكون روابط جديدة مع أيونات الهيدروجين والهيدروكسيل من الماء.
                    • في القمة ، تكون الجزيئات في حالة غير مستقرة ، وهي الحالة الانتقالية.
                    • يمكن توفير طاقة التنشيط على شكل حرارة تمتصها جزيئات المادة المتفاعلة من البيئة المحيطة.
                    • تنكسر روابط المواد المتفاعلة فقط عندما تمتص الجزيئات طاقة كافية لتصبح غير مستقرة ، وبالتالي ، أكثر تفاعلية.
                    • يزيد امتصاص الطاقة الحرارية من سرعة الجزيئات المتفاعلة ، لذا فإنها تتصادم أكثر وأكثر قوة.
                    • التحريض الحراري للذرات في الجزيئات يجعل الروابط أكثر عرضة للكسر.
                    • عندما تستقر الجزيئات في ترتيبات ترابط جديدة ومستقرة ، يتم إطلاق الطاقة إلى المناطق المحيطة.
                    • في التفاعلات الخارجية ، يتم إطلاق طاقة التنشيط مرة أخرى إلى المناطق المحيطة ، ويتم إطلاق طاقة إضافية مع تكوين روابط جديدة.
                    • توفر شمعة الإشعال الطاقة لتنشيط خليط البنزين والأكسجين وتسبب الاحتراق.
                    • بدون طاقة التنشيط هذه ، تكون هيدروكربونات البنزين مستقرة جدًا بحيث لا تتفاعل مع الأكسجين.
                    • ومع ذلك ، لا توجد طاقة كافية في درجات الحرارة النموذجية للخلية للغالبية العظمى من الجزيئات العضوية لجعلها فوق الحدبة من طاقة التنشيط.
                    • ستسرع الحرارة التفاعلات ، لكنها ستفسد أيضًا طبيعة البروتينات وتقتل الخلايا.
                    • يمكن بعد ذلك الوصول إلى حالة الانتقال حتى في درجات الحرارة المعتدلة.
                    • إنهم يسرعون من ردود الفعل التي قد تحدث في نهاية المطاف.
                    • لأن الإنزيمات انتقائية للغاية ، فإنها تحدد العمليات الكيميائية التي ستحدث في أي وقت.

                    الإنزيمات محددة الركيزة.

                    • المادة المتفاعلة التي يعمل عليها الإنزيم هي الركيزة.
                    • يرتبط الإنزيم بركيزة أو ركائز مكونة مركب ركيزة إنزيم.
                    • بينما يرتبط الإنزيم والركيزة ، فإن العمل التحفيزي للإنزيم يحول الركيزة إلى المنتج أو المنتجات.
                    • يكون التفاعل المحفز بواسطة كل إنزيم محددًا جدًا.
                    • ما الذي يفسر هذا الاعتراف الجزيئي؟
                      • تنتج خصوصية الإنزيم من شكله ثلاثي الأبعاد.
                      • عادة ما يكون الموقع النشط للإنزيم عبارة عن جيب أو أخدود على سطح البروتين الذي تتناسب فيه الركيزة.
                      • عادة ما يتكون الموقع النشط من عدد قليل من الأحماض الأمينية.

                      الموقع النشط هو مركز تحفيزي للإنزيم.

                      • في معظم الحالات ، يتم تثبيت الركائز في الموقع النشط عن طريق التفاعلات الضعيفة ، مثل الروابط الهيدروجينية والروابط الأيونية.
                        • تحفز مجموعات R المكونة من عدد قليل من الأحماض الأمينية في الموقع النشط تحويل الركيزة إلى منتج.
                        • ثم يغادر المنتج الموقع النشط.
                        • يعتمد الاتجاه الفعلي على التركيزات النسبية للمنتجات والمواد المتفاعلة.
                        • تحفز الإنزيمات التفاعلات في اتجاه التوازن.
                        • في التفاعلات التي تتضمن أكثر من مادة متفاعلة ، يجمع الموقع النشط الركائز معًا في الاتجاه الصحيح حتى يستمر التفاعل.
                        • نظرًا لأن الموقع النشط يربط الركيزة ، فقد يضع ضغطًا على الروابط التي يجب كسرها ، مما يسهل على المواد المتفاعلة الوصول إلى حالة الانتقال.
                        • قد تخلق مجموعات R في الموقع النشط بيئة مكروية تفضي إلى تفاعل معين.
                          • قد يكون الموقع النشط عبارة عن جيب به درجة حموضة منخفضة ، مما يسهل نقل H + إلى الركيزة كخطوة رئيسية في تحفيز التفاعل.
                          • تعيد الخطوات اللاحقة للتفاعل مجموعات R داخل الموقع النشط إلى حالتها الأصلية.
                          • في تركيزات الركيزة المنخفضة ، زيادة في سرعات تركيز الركيزة المرتبطة بالمواقع النشطة المتاحة.
                          • ومع ذلك ، هناك حد لمدى سرعة حدوث التفاعل.
                          • في تركيزات عالية من الركيزة ، تعمل المواقع النشطة على جميع الإنزيمات.
                            • الانزيم مشبع.
                            • يتم تحديد معدل التفاعل بالسرعة التي يمكن بها للموقع النشط تحويل الركيزة إلى منتج.

                            تؤثر البيئة الفيزيائية والكيميائية للخلية على نشاط الإنزيم.

                            • يتأثر نشاط الإنزيم بالظروف البيئية العامة ، مثل درجة الحرارة ودرجة الحموضة.
                            • يعمل كل إنزيم بشكل أفضل في ظروف مثالية معينة ، والتي تفضل التكوين الأكثر نشاطًا لجزيء الإنزيم.
                            • درجة الحرارة لها تأثير كبير على معدل التفاعل.
                              • مع ارتفاع درجة الحرارة ، تحدث الاصطدامات بين الركائز والمواقع النشطة بشكل متكرر حيث تتحرك الجزيئات بسرعة أكبر.
                              • مع زيادة درجة الحرارة بشكل أكبر ، يبدأ التحريض الحراري في تعطيل الروابط الضعيفة التي تعمل على استقرار التكوين النشط للبروتين ، وتغير طبيعة البروتين.
                              • كل إنزيم له درجة حرارة مثالية.
                                • معظم الإنزيمات البشرية لها درجات حرارة مثالية حوالي 35-40 درجة مئوية.
                                • تحتوي البكتيريا التي تعيش في الينابيع الساخنة على إنزيمات بدرجة حرارة مثالية تصل إلى 70 درجة مئوية أو أعلى.
                                • هذا يقع بين الرقم الهيدروجيني 6 و 8 لمعظم الإنزيمات.
                                • ومع ذلك ، فإن الإنزيمات الهضمية في المعدة مصممة للعمل بشكل أفضل عند درجة الحموضة 2 ، في حين أن الإنزيمات الموجودة في الأمعاء لديها درجة حموضة 8.
                                • ترتبط العوامل المساعدة بالإنزيم بشكل دائم أو قابل للعكس.
                                • تشمل بعض العوامل المساعدة غير العضوية الزنك والحديد والنحاس.
                                • العديد من الفيتامينات هي أنزيمات مساعدة.
                                • إذا ارتبطت المثبطات بالإنزيم عن طريق الروابط التساهمية ، فقد يكون التثبيط غير قابل للانعكاس.
                                • إذا ارتبطت المثبطات بروابط ضعيفة ، فقد يكون التثبيط قابلاً للانعكاس.
                                • تسمى هذه الجزيئات مثبطات تنافسية.
                                • يمكن التغلب على التثبيط التنافسي عن طريق زيادة تركيز الركيزة.
                                • يؤدي الارتباط بالمثبط إلى تغيير شكل الإنزيم ، مما يجعل الموقع النشط أقل فعالية في تحفيز التفاعل.
                                • يرتبط السارين تساهميًا بالمجموعة R على الحمض الأميني سيرين.
                                • تم العثور على السيرين في الموقع النشط لأسيتيل كولينستراز ، وهو إنزيم مهم للجهاز العصبي.

                                المفهوم 8.5: يساعد تنظيم نشاط الإنزيم على التحكم في عملية التمثيل الغذائي

                                غالبًا ما يعتمد التحكم في التمثيل الغذائي على التنظيم الخيفي.

                                • في كثير من الحالات ، تتصرف الجزيئات التي تنظم نشاط الإنزيم بشكل طبيعي مثل مثبطات غير تنافسية قابلة للعكس.
                                • غالبًا ما ترتبط الجزيئات التنظيمية بشكل ضعيف بموقع خيفي ، وهو مستقبل محدد على الإنزيم بعيدًا عن الموقع النشط.
                                  • يمكن أن يؤدي الارتباط بهذه الجزيئات إلى تثبيط أو تحفيز نشاط الإنزيم.
                                  • كل وحدة فرعية لها موقعها النشط.
                                  • غالبًا ما توجد مواقع Allosteric حيث تنضم الوحدات الفرعية.
                                  • على سبيل المثال ، يرتبط ATP بعدة إنزيمات تقويضية متباينة ، مما يثبط نشاطها عن طريق تقليل تقاربها مع الركيزة.
                                  • يعمل ADP كمنشط لنفس الإنزيمات.
                                  • يؤثر ATP و ADP أيضًا على الإنزيمات الرئيسية في مسارات الابتنائية.
                                  • بهذه الطريقة ، تتحكم الإنزيمات الخيفية في معدلات التفاعلات الرئيسية في مسارات التمثيل الغذائي.
                                  • تعمل هذه الآلية على تضخيم استجابة الإنزيمات للركائز ، مما يؤدي إلى قبول الإنزيم لقبول ركائز إضافية.
                                  • يعمل المنتج كمثبط لإنزيم في المسار.

                                  يساعد توطين الإنزيمات داخل الخلية على تنظيم عملية التمثيل الغذائي.

                                  • تساعد الهياكل داخل الخلية على تنظيم مسارات التمثيل الغذائي.
                                  • يمكن تجميع فريق من الإنزيمات لعدة خطوات من المسار الأيضي كمركب متعدد الإنزيمات.
                                  • يمكن بعد ذلك أن ينتقل المنتج من التفاعل الأول بسرعة إلى الإنزيم التالي حتى يتم تحرير المنتج النهائي.
                                  • بعض الإنزيمات ومجمعات الإنزيمات لها مواقع ثابتة داخل الخلايا كمكونات هيكلية لأغشية معينة.
                                    • البعض الآخر محصور داخل عضيات حقيقية النواة محاطة بغشاء.

                                    مخطط محاضرة لبيولوجيا كامبل / ريس ، الإصدار السابع ، © Pearson Education، Inc. 8-1


                                    6.3: الأكسدة والاختزال في سياق التمثيل الغذائي

                                    • بمساهمة تيم سودربيرغ
                                    • أستاذ مشارك فخري في الكيمياء بجامعة مينيسوتا موريس

                                    فكر مرة أخرى في كيمياء الأكسدة والاختزال التي تعلمتها في دورة الكيمياء العامة. تتمثل إحدى التجارب الشائعة في مختبر الكيمياء العامة في إنشاء خلية كلفانية تتكون من قطب نحاسي مغمور في محلول مائي من نترات النحاس ، متصل بواسطة سلك بإلكترود من الزنك مغمور في محلول نترات الزنك المائي.

                                    عندما تكتمل الخلية بجسر ملح ، يبدأ تيار كهربائي في التدفق - ما لدينا هو بطارية بسيطة (الشكل أ أعلاه). بمرور الوقت ، يصبح القطب النحاسي أثقل حيث يتم ترسيب النحاس المعدني على الكاثود النحاسي ، بينما يتحلل قطب الزنك ببطء في المحلول (الشكل ب أعلاه). تفاعل الأكسدة والاختزال الذي يحدث هنا هو:

                                    [ م(aq) + Zn (s) rightarrow Cu (s) + Zn ^ <+2> (aq) + energy> ]

                                    تتدفق الإلكترونات من معدن الزنك إلى الكاتيونات النحاسية ، مما ينتج عنه كاتيونات الزنك ومعدن النحاس: بمعنى آخر ، يتأكسد معدن الزنك إلى كاتيونات الزنك ويتم تقليل الكاتيونات النحاسية إلى معدن نحاسي ، على النحو المعبر عنه في تفاعلات نصف الخلية ذات الصلة:

                                    يمكننا أن نتنبأ قبل إنشاء الخلية بأن التدفق التلقائي للإلكترونات سوف يذهب في اتجاه الزنك إلى النحاس ، فقط من خلال النظر إلى جدول إمكانات الاختزال القياسية (مثل هذا الجدول كان بلا شك في نص الكيمياء العامة).

                                    الجدول ( PageIndex <1> ): إمكانات التخفيض القياسية في (25 ^ < circ> )
                                    تقليل رد الفعل النصفي جهد الاختزال (فولت)
                                    ( م (aq) + e ^ <-> rightarrow Ag ^ <0> (s)> ) 0.800
                                    ( م(aq) + 2e ^ <-> rightarrow Cu ^ 0 (s)> ) 0.337
                                    ( م(aq) + 2e ^ <-> rightarrow H2 (g)> ) 0 (قياسي)
                                    ( م(aq) + 2e ^ <-> rightarrow Pb ^ <0> (s)> ) -0.126
                                    ( م(aq) + 2e ^ <-> rightarrow Fe ^ <0> (s)> ) -0.441
                                    ( م(aq) + 2e ^ <-> rightarrow Zn ^ 0 (s)> ) -0.763

                                    يتمتع أيون النحاس ( (Cu ^ <+ 2> )) بإمكانية خفض قياسية أعلى من أيون الزنك ( (Zn ^ <+ 2> )) ، مما يعني أنه في ظل ظروف مماثلة ، يتم إطلاق المزيد من الطاقة عن طريق تقليل واحد مول من (Cu ^ <+ 2> ) أيون إلى (Cu ^ 0 ) معدن مما يتم إطلاقه عن طريق تقليل مول واحد من (Zn ^ <+ 2> ) أيون إلى (Zn ^ 0 ) معدن .. طريقة أخرى للتفكير في هذا هو تخيل أن أيون النحاس "يريد" اكتساب إلكترونات أكثر مما يفعل أيون الزنك. على العكس من ذلك ، فإن معدن الزنك "يريد" أن يفقد الإلكترونات أكثر مما يفقده معدن النحاس. لذلك ، فإن نقل إلكترونين من معدن الزنك إلى (Cu ^ <2 +> ) هو عملية انحدار ديناميكي حراري ، في حين أن العملية العكسية - نقل إلكترونين من معدن النحاس إلى (Zn ^ <2 +> ) - هو شاق ديناميكيًا حراريًا.

                                    [ م(aq) + Zn (s) rightarrow Cu (s) + Zn ^ <+ 2> (aq) + energy> ]

                                    دعنا الآن نوسع فكرة تفاعلات الأكسدة والاختزال إلى سياق التمثيل الغذائي في الكائنات الحية. عندما نحرق الجلوكوز للحصول على الطاقة ، فإننا ننقل (عن طريق سلسلة من التفاعلات المحفزة بالإنزيم) الإلكترونات من الجلوكوز إلى الأكسجين الجزيئي ( (O_2 )) ، وأكسدة جزيئات الكربون الستة في الجلوكوز إلى ثاني أكسيد الكربون وفي نفس الوقت تقليل ذرات الأكسجين في (O_2 ) إلى الماء. المعادلة الكيميائية الشاملة هي:

                                    يعتبر نقل الإلكترونات من الجلوكوز إلى (O_2 ) عملية انحدار ديناميكي حراري لإطلاق الطاقة ، تمامًا مثل نقل الإلكترونات من معدن الزنك إلى أيون النحاس. وبينما كان بإمكانك استخدام الطاقة المنبعثة من تفاعل أكسيد الزنك / النحاس لإضاءة مصباح كهربائي صغير ، فإن خلاياك تستخدم الطاقة المنبعثة من عملية أكسدة الجلوكوز / الأكسجين لتنفيذ مجموعة متنوعة من الأنشطة التي تتطلب الطاقة ، مثل مشيًا إلى محاضرة الكيمياء العضوية.

                                    في تجربة الكيمياء العامة للنحاس / الزنك ، هل كان من الممكن عكس التفاعل بحيث يسير في اتجاه صعود - بمعنى آخر ، لأكسدة النحاس وتقليل الزنك؟

                                    [ م(aq) + Cu (s) + طاقة rightarrow Zn (s) + Cu ^ <+ 2> (aq)> ]

                                    فقط اسأل نفسك السؤال: هل من الممكن أن تتدفق المياه صعودًا؟ بالطبع هو كذلك - ولكن فقط إذا قمت بتزويد المضخة وبعض الطاقة!

                                    تنطبق الفكرة نفسها على "ضخ" الإلكترونات صعودًا في الخلية الكهروكيميائية المصنوعة من النحاس والزنك: كل ما عليك فعله هو توفير بعض الطاقة في شكل تيار كهربائي خارجي من أجل ضخ تدفق الإلكترون في اتجاه صعود. أنت تعيد شحن بطاريتك.

                                    التفكير مرة أخرى في سياق كيميائي حيوي: النباتات قادرة ، من خلال عملية تسمى التمثيل الضوئي ، على تقليل ثاني أكسيد الكربون وأكسدة الماء لتكوين الجلوكوز والأكسجين الجزيئي: إعادة شحن البطارية البيوكيميائية للنظام البيئي باستخدام الطاقة من الشمس.

                                    على نطاق عالمي ، أكسدة الكربون في الجلوكوز إلى (CO_2 ) بواسطة كائنات غير ضوئية (مثل البشر) والتخليق الاختزالي اللاحق للجلوكوز من (CO_2 ) بواسطة النباتات هو ما يشير إليه علماء البيئة باسم `` الكربون ''. دورة'.

                                    بشكل عام ، كلما انخفض الجزيء العضوي ، زادت الطاقة التي يتم إطلاقها عندما يتأكسد إلى (CO_2 ). بالعودة إلى أمثلة الكربون الأحادي ، نرى أن الميثان ، المركب الأكثر اختزالًا ، يطلق أكبر قدر من الطاقة عندما يتأكسد إلى ثاني أكسيد الكربون ، بينما يطلق حمض الفورميك أقل:

                                    يحتوي جزيء الدهون ، حيث تكون معظم الكربونات في حالة ألكان منخفضة للغاية ، على طاقة أكبر لكل جرام من الجلوكوز ، حيث توجد خمسة من أصل ستة ذرات كربون في حالة كحول مؤكسد أكثر (انظر مرة أخرى إلى بنية الجلوكوز التي رأيناها فقط بضع صفحات للخلف).

                                    بعد أن نقوم بتفكيك وأكسدة جزيئات السكر والدهون للحصول على الطاقة ، نستخدم هذه الطاقة لبناء جزيئات كبيرة ومعقدة (مثل الكوليسترول أو الحمض النووي) من السلائف الصغيرة والبسيطة. العديد من مسارات التخليق الحيوي اختزالية: تكون الكربون في منتجات الجزيء الحيوي الكبيرة في حالة مخفضة مقارنة بالسلائف الصغيرة. انظر إلى بنية الكوليسترول مقارنةً ببنية الأسيتات ، وهو الجزيء السلائف الذي تُشتق منه كل ذرات الكربون - يمكنك أن ترى أن الكوليسترول هو بشكل عام جزيء مختزل بدرجة أكبر.

                                    بينما نركز هنا على التفاصيل الآلية لتفاعلات الأكسدة والاختزال العضوية الفردية المتضمنة في عملية التمثيل الغذائي ، إذا أخذت دورة في الكيمياء الحيوية ، فسوف تتعلم المزيد عن الصورة الأكبر لكيفية توافق كل هذه التفاعلات معًا في الأنظمة الحية.


                                    أسيتيل CoA إلى CO2

                                    يتم إطلاق كربون الأسيتيل من أسيتيل CoA كثاني أكسيد الكربون في دورة حمض الستريك.

                                    أهداف التعلم

                                    صف مصير كربونات الأسيتيل CoA في دورة حمض الستريك

                                    الماخذ الرئيسية

                                    النقاط الرئيسية

                                    • تُعرف دورة حمض الستريك أيضًا بدورة كريبس أو دورة TCA (حمض الكربوكسيل).
                                    • يقوم Acetyl CoA بنقل مجموعة الأسيتيل الخاصة به إلى oxaloacetate لتكوين السترات وبدء دورة حمض الستريك.
                                    • يقترن إطلاق ثاني أكسيد الكربون بتقليل NAD + إلى NADH في دورة حامض الستريك.

                                    الشروط الاساسية

                                    • دورة TCA: اسم بديل لدورة كريبس أو دورة حامض الستريك
                                    • دورة كريبس: سلسلة من التفاعلات الأنزيمية التي تحدث في جميع الكائنات الحية الهوائية ، وهي تنطوي على التمثيل الغذائي المؤكسد لوحدات الأسيتيل وتعمل كمصدر رئيسي للطاقة الخلوية
                                    • أوكسالو أسيتات: جزيء من أربعة كربون يتلقى مجموعة أسيتيل من أسيتيل CoA لتكوين سترات ، والتي تدخل دورة حمض الستريك

                                    أسيتيل CoA إلى CO2

                                    يربط Acetyl CoA بين تحلل السكر وأكسدة البيروفات بدورة حمض الستريك. في وجود الأكسجين ، يسلم أسيتيل CoA مجموعة الأسيتيل الخاصة به إلى جزيء رباعي الكربون ، أوكسالأسيتات ، لتكوين السترات ، وهو جزيء من ستة كربون مع ثلاث مجموعات كربوكسيل. خلال هذه الخطوة الأولى من دورة حمض الستريك ، يتم إعادة تدوير إنزيم CoA ، الذي يحتوي على مجموعة سلفهيدريل (-SH) ، ويصبح متاحًا لإرفاق مجموعة أسيتيل أخرى. ستقوم السترات بعد ذلك بجمع ما تبقى من الطاقة القابلة للاستخراج مما بدأ كجزيء جلوكوز وتستمر خلال دورة حمض الستريك.

                                    في دورة حمض الستريك ، يتم إطلاق الكاربونين اللذين كانا في الأصل مجموعة الأسيتيل من الأسيتيل CoA كثاني أكسيد الكربون ، أحد المنتجات الرئيسية للتنفس الخلوي ، من خلال سلسلة من التفاعلات الأنزيمية. لكل CoA أسيتيل يدخل دورة حمض الستريك ، يتم إطلاق جزيئين من ثاني أكسيد الكربون في تفاعلات مقترنة بإنتاج جزيئات NADH من اختزال جزيئات NAD +.

                                    Acetyl CoA ودورة حامض الستريك: لكل جزيء من الأسيتيل CoA يدخل في دورة حمض الستريك ، يتم إطلاق جزيئين من ثاني أكسيد الكربون ، مما يؤدي إلى إزالة الكربون من مجموعة الأسيتيل.

                                    بالإضافة إلى دورة حمض الستريك ، المسماة على اسم أول وسيط مكون ، حمض الستريك ، أو السترات ، عندما تنضم الأسيتات إلى أوكسالو أسيتات ، تُعرف الدورة أيضًا باسمين آخرين. تم تسمية دورة TCA على اسم الأحماض ثلاثية الكربوكسيل (TCA) لأن حامض الستريك (أو السترات) والأيزوسيترات ، أول وسيطتين تم تكوينهما ، هما أحماض ثلاثية الكربوكسيل. بالإضافة إلى ذلك ، تُعرف الدورة باسم دورة كريبس ، التي سميت على اسم هانز كريبس ، الذي حدد لأول مرة خطوات المسار في ثلاثينيات القرن الماضي في عضلة طيران الحمام.


                                    المحاضرة 07: تفاعلات الأكسدة والاختزال التمثيل الغذائي - تدفق الكربون ونقل الطاقة - علم الأحياء

                                    مسارات التمثيل الغذائي II

                                    محاضر:
                                    البروفيسور إس جيه فيرجسون

                                    محاضرة 1. تحلل السكر.

                                    مسار التحلل اللاهوائي من الجلوكوز / الجليكوجين ودوره في توليد ATP. الجوانب التنظيمية لتحلل السكر وتنظيم - تنظيم الفوسفو فروكتوكيناز في عضلة القلب. دور تحلل السكر في الأنسجة المختلفة. مصير NADH حال السكر.

                                    الانهيار الهوائي للجلوكوز. أكسدة البيروفات. دورة حمض الكربوكسيل. دليل على دورة TCA. توليد انخفاض NAD و FAD. أهمية تفاعلات نزع الكربوكسيل وطاقاتها.

                                    الفسفرة المؤكسدة (1) أكسدة NADH والسكسينات والأحماض الدهنية عن طريق السلسلة التنفسية. إمكانات الأكسدة والاختزال وناقلات الإلكترون البيولوجية. دور الهيم والعوامل المساعدة المعدنية الأخرى. يوبيكوينون كحامل إلكترون متنقل. أكسدة NADH السيتوبلازمي.

                                    الفسفرة المؤكسدة (2) دليل على التشبع الكيميائي. توليد & Auml & igraveH + عن طريق سلسلة الجهاز التنفسي ، واستخدام هذا بواسطة سينسيز ATP. & lsquoCoupling & rsquo من نقل الإلكترون إلى تخليق ATP. نسب P / O. فك الاقتران في الميتوكوندريا وندش المفككات الاصطناعية والدور الفسيولوجي المحتمل.

                                    تكسير الدهون. هضم الدهون الثلاثية. نقل الأحماض الدهنية حول الجسم. نقل الأحماض الدهنية إلى الميتوكوندريا. & acirc أكسدة الأحماض الدهنية إلى acetyl CoA. تدهور الأحماض الدهنية ذات السلسلة الفردية والأحماض الدهنية غير المشبعة

                                    تخليق الدهون. تخليق الأحماض الدهنية من أسيتيل CoA. دور malonyl CoA. مجمع سينثاز الأحماض الدهنية. دور التقسيم في التخليق الحيوي / التدهور. تخليق الدهون الثلاثية في الأنسجة الدهنية.

                                    توليد من مكافئات الاختزال NADH و NADPH & ndash أدوار وتقسيم مختلفة. توليد السيتوبلازم NADPH و ndash مسار فوسفات البنتوز ونظام مالات-بيروفات. حالة الأكسدة والاختزال في السيتوبلازم والميتوكوندريا وندش دور الجلوتاثيون.

                                    استقلاب الأحماض الأمينية (1) مبادئ تحلل الأحماض الأمينية في الثدييات. التحويل ونزع الهيدروجين الجلوتامات. دورة الأورنيثين. إفراز النيتروجين.

                                    استقلاب الأحماض الأمينية (2) تكسير أحماض الكيتو المشتقة من التحويل. الأحماض الأمينية الجلوكوجينية والكيتونية. تقويض الأحماض الأمينية في حالات التغذية والجوع.

                                    هيكل الجليكوجين تحلل الجليكوجين. انهيار الجليكوجين وارتباطه بتحلل السكر. تخليق الجليكوجين. تنسيق تنظيم تكسير الجليكوجين وتكوينه وتحلل الجليكوجين. دور التنظيم الهرموني. أدوار الجليكوجين في العضلات والكبد.

                                    استحداث السكر. تخليق الجلوكوز في الكبد. مصدر الهياكل العظمية الكربونية. المسارات الاصطناعية والتدهور في نفس حجرة الخلية & ndash & lsquofutile cycles & rsquo. عدم قدرة الحيوانات على تحويل الأسيتات إلى جلوكوز. دورة الجليوكسيلات في النباتات.

                                    تكامل التمثيل الغذائي: العضلات والكبد والأنسجة الدهنية في تخزين الطاقة والاستفادة منها. اللوائح الهرمونية وغيرها. الحفاظ على نسبة السكر في الدم. تكوين أجسام الكيتون في حالة الجوع. استقلاب الفركتوز والجلاكتوز والمانوز في الكبد.

                                    التمثيل الضوئي (I) محاصرة الضوء في عملية التمثيل الضوئي. مراكز التفاعل الكيميائي الضوئي. توليد الأوكسجين وتقليل الطاقة. توليد التناضح الكيميائي لـ ATP في البلاستيدات الخضراء.

                                    التمثيل الضوئي (II) التفاعلات المظلمة لعملية التمثيل الضوئي. روبيسكو. دورة كالفين وعلاقتها بمسار بنتوز الفوسفات. مسارات C4. دورة الجليوكسيلات في النباتات.


                                    الفصل 3 - الأناموكس - فسيولوجيا النمو ، وبيولوجيا الخلية ، والتمثيل الغذائي

                                    البكتيريا اللاهوائية المؤكسدة للأمونيوم (anammox) هي آخر إضافة رئيسية إلى دورة النيتروجين (دورة N). بسبب الطبيعة الخاملة المفترضة للأمونيوم في ظل ظروف نقص الأكسجين ، تم اعتبار الكائنات الحية غير موجودة حتى حوالي 15 عامًا مضت. ومع ذلك ، يبدو أنها موجودة في أي مكان يعاني من نقص الأكسجين تقريبًا حيث يوجد النيتروجين الثابت (الأمونيوم والنترات والنتريت). في مختلف النظم البيئية البحرية ، تعد بكتيريا الأناموكس حوضًا رئيسيًا أو حتى الحوض الوحيد للنيتروجين الثابت. وفقًا للتقديرات الحالية ، فإن حوالي 50 ٪ من كل غاز النيتروجين المنطلق في الغلاف الجوي تصنعه هذه البكتيريا. إلى جانب ذلك ، قد تكون الكائنات الحية الدقيقة مناسبة تمامًا للتطبيق كبديل فعال وفعال من حيث التكلفة وصديق للبيئة لمعالجة مياه الصرف الصحي التقليدية لإزالة النيتروجين.

                                    حتى الآن ، تم إثراء تسعة أنواع مختلفة من الأناموكس مقسمة على خمسة أجناس ، ولكن لا يوجد أي منها في ثقافة نقية. هذا الرقم ليس سوى انعكاس متواضع لسلسلة متصلة من الأنواع التي اقترحتها تحليلات 16S rRNA للعينات البيئية. في بيئاتها ، تزدهر بكتيريا الأناموكس ليس فقط عن طريق المنافسة ، ولكن أيضًا من خلال التفاعلات الأيضية الدقيقة مع الكائنات الحية الأخرى ذات الدورة N. تدين بكتيريا Anammox بموقعها في دورة N إلى خاصيتها الفريدة في أكسدة الأمونيوم في غياب الأكسجين. أثبتت الأبحاث الحديثة أنهم يفعلون ذلك عن طريق تنشيط المركب في الهيدرازين (N2ح4) ، باستخدام القوة المؤكسدة لأكسيد النيتريك (NO). يتم إنتاج NO عن طريق تقليل النتريت ، متقبل الإلكترون الطرفي للعملية. يتم تحفيز تشكيل الرابطة NN في الهيدرازين بواسطة هيدرازين سينثيز ، وهو إنزيم بطيء إلى حد ما ونشاطه المنخفض ربما يفسر معدلات النمو البطيئة والمرات المضاعفة الطويلة للكائنات الحية. ينتج عن أكسدة الهيدرازين تكوين المنتج النهائي (N2) ، والإلكترونات التي يتم استثمارها في كل من فسفرة نقل الإلكترون وفي تجديد الوسطاء التقويضي (N2ح4، لا). بجانب ذلك ، توفر الإلكترونات الطاقة المخفضة لـ CO2 تثبيت. تمثل آلية الفسفرة لنقل الإلكترون خاصية فريدة أخرى ، حيث إنها على الأرجح موضعية على عضية خلوية خاصة ، وهي anammoxosome ، والتي تحيط بها طبقة ثنائية من الجلسروليبيد من الهياكل الحلقي الهكسان الحلقي الشبيهة بالسلالم ("ladderane").

                                    قد يشير استخدام الأمونيوم والنتريت كركائز وحيدة إلى وجود نظام استقلابي بسيط ، ولكن يبدو أن العكس هو الصحيح. يكشف تحليل الجينوم وأبحاث الكيمياء الحيوية الجارية عن وجود وفرة مفهومة جزئيًا في أنظمة التنفس ، والتي تتميز بمجموعة غير مسبوقة من السيتوكروم ج البروتينات. إن وجود الأجهزة التنفسية يضفي على بكتيريا الأناموكس تنوعًا في التمثيل الغذائي بدأنا للتو في تقديره. قد يوفر الاستخدام المتخصص للركائز لأنواع مختلفة من الأناموكس مكانتها البيئية.


                                    علم الأحياء 1 أ محاضرة 11 ملاحظات

                                    اليوم محاضرة مدتها 44 دقيقة عن التنفس اللاهوائي. لديهم اختبار قادم بالفعل. تريد المعلمة إجراء مراجعتها كجلسة أسئلة وأجوبة. حيلة شائعة ، لأن معظم الطلاب خجولون وهادئون للغاية. بالإضافة إلى ذلك ، لا يحتاج المرء & # 8217t إلى إعداد محاضرة. تعود إلى المنزل بشكل أسرع. متستر جدا.

                                    في الحقيقة ، يريد الطلاب فقط معرفة ما يجب دراسته. لا تريد المعلمة قول & # 8217t ، لذلك سيقوم الطلاب بمراجعة جميع المواد الخاصة بها. وهكذا ، يخسر شخص ما. هنا هو & # 8217s الطالب.

                                    التمثيل الغذائي الخلوي هو تحلل السكر ، CAC ، إلخ.

                                    يمكن لتحلل السكر أن يصنع ATP مع O2 أو بدونه. يستخدم التنفس اللاهوائي سلسلة نقل إلكترونية غير O2. يستخدم التخمير الفسفرة لتوليد ATP.

                                    يتكون التخمير من تحلل السكر بالإضافة إلى تجديد NAD + والذي يمكن إعادة استخدامه عن طريق تحلل السكر. نوعان من الكحول إلى الإيثانول وحمض اللبنيك إلى حمض اللاكتيك.

                                    في تخمير حمض اللاكتيك ، يتم تقليل البيروفات بواسطة NADH ، مكونًا اللاكتات كمنتج نهائي. تستخدم من قبل الفطريات والبكتيريا لصنع الجبن والزبادي. يمكن للعضلات استخدام تخمير حمض اللاكتيك لصنع ATP عندما يكون O2 نادرًا.

                                    التخمير والتنفس كلاهما يستخدمان تحلل الجلوكوز لأكسدة الجلوكوز في البيروفات. تختلف مستقبلات الإلكترون النهائية: جزيء عضوي مثل البيروفات في التخمير و O2 في التنفس. ينتج التنفس 38 ATP لكل جلوكوز ، بينما ينتج التخمر 2 ATP.

                                    تنفذ اللاهوائية الملتزمة عملية التخمير ولا يمكنها البقاء حول O2. الخميرة والعديد من البكتيريا هي ذوات خاطئة ، مما يعني أنها تستخدم التخمر أو التنفس. البيروفات هي مفترق طرق بين الطريقين البديلين.

                                    يحدث تحلل السكر في جميع الكائنات الحية تقريبًا وهو طريقة استقلابية قديمة جدًا. ربما تطورت قبل وجود الأكسجين في الغلاف الجوي.

                                    أهم تفاعل كيميائي في العالم. يدير البشر رد الفعل هذا من اليسار إلى اليمين. تدير النباتات هذا من اليمين إلى اليسار.

                                    التخمير: C6H1206 = 2C2H20H + 2CO2 + 2ATP

                                    يعد منع التغذية الراجعة من أكثر طرق التحكم شيوعًا. إذا انخفض ATP ، فإن التنفس يرتفع. إذا كان ATP مرتفعًا ، يتباطأ التنفس. هذا هو مبدأ L & # 8217Chatlier & # 8217s في العمل. ما هو أهم تفاعل كيميائي مرة أخرى؟ ماذا يحدث عند المساواة؟

                                    C6H12O6 + 6O2 = 6H20 + 6Co2 + 36ATP

                                    لا تحاول حفظ كل شيء يخرج من فمها. هذا سيقتل العديد من خلايا الدماغ. بالطريقة التي تقوم بها الآن ، قد تتعلم المزيد بمجرد الجلوس مع مخطط كبير لردود الفعل وإعادة كتابته عدة مرات. هذا سيمر. فقط احصل على الصورة الكبيرة.

                                    تمزق ردود الفعل التقويضية ، وتتراكم التفاعلات الابتنائية.

                                    التمثيل الغذائي الخلوي: تحلل السكر ، CAC ، إلخ.

                                    الأنظمة القائمة على الهرمونات من القريب إلى البعيد: الأوتوكرين ، الجوكستاكرين ، الباراكرين ، الغدد الصماء.

                                    على قمة أوليمبوس الشاهقة القديمة شاهد الفنلندي والألماني بعض القفزات

                                    1 حاسة الشم 2 بصري 3 عظمي 4 Trochlear 5 ثلاثي التوائم 6 زائدي 7 وجه 8 سمعي 9 بلعومي لساني 10 مبهم 11 عمود فقري 12 تحت اللسان

                                    الأنسجة: ظهارية ، ضامة ، عضلية ، عصبية

                                    العضلات: هيكلية ، ملساء ، قلبية

                                    تنقل الشرايين الدم المؤكسج من القلب ، وتحمل الأوردة الدم غير المؤكسج إلى القلب


                                    دورة الكربون

                                    (المصدر الأصلي: مرصد الأرض التابع لناسا)

                                    الكربون هو العمود الفقري للحياة على الأرض. نحن مصنوعون من الكربون ، ونأكل الكربون ، وحضاراتنا - اقتصاداتنا ، ومنازلنا ، ووسائل نقلنا - مبنية على الكربون. نحن بحاجة إلى الكربون ، لكن هذه الحاجة مرتبطة أيضًا بواحدة من أخطر المشكلات التي تواجهنا اليوم: تغير المناخ العالمي. "

                                      يتدفق الكربون بين كل خزان في تبادل يسمى دورة الكربون ، والتي تحتوي على مكونات بطيئة وسريعة. أي تغيير في الدورة ينقل الكربون من أحد المكمن يضع المزيد من الكربون في الخزانات الأخرى. تؤدي التغييرات التي تنشر غازات الكربون في الغلاف الجوي إلى ارتفاع درجات الحرارة على الأرض. "
                                      من خلال سلسلة من التفاعلات الكيميائية والنشاط التكتوني ، يستغرق الكربون ما بين 100-200 مليون سنة للتنقل بين الصخور والتربة والمحيطات والغلاف الجوي في دورة الكربون البطيئة. في المتوسط ​​، يتحرك 10 13 إلى 10 14 جرامًا (10-100 مليون طن متري) من الكربون خلال دورة الكربون البطيئة كل عام. وبالمقارنة ، فإن انبعاثات الكربون البشرية في الغلاف الجوي هي في حدود 10 15 جرامًا ، بينما تتحرك دورة الكربون السريعة من 10 إلى 10 17 جرامًا من الكربون سنويًا. "
                                      : ". النباتات والعوالق النباتية هي المكونات الرئيسية لدورة الكربون السريعة. العوالق النباتية (الكائنات الحية الدقيقة في المحيط) والنباتات تأخذ ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي عن طريق امتصاصه في خلاياها. باستخدام الطاقة من الشمس ، تجمع كل من النباتات والعوالق بين ثاني أكسيد الكربون (CO2) والماء لتكوين السكر (CH2س) والأكسجين. يبدو التفاعل الكيميائي كالتالي:

                                    يمكن أن تحدث أربعة أشياء لنقل الكربون من النبات وإعادته إلى الغلاف الجوي ، لكن جميعها تنطوي على نفس التفاعل الكيميائي. تكسر النباتات السكر للحصول على الطاقة التي يحتاجونها للنمو. الحيوانات (بما في ذلك البشر) تأكل النباتات أو العوالق ، وتكسر السكر النباتي للحصول على الطاقة. تموت النباتات والعوالق وتتحلل (تأكلها البكتيريا) في نهاية موسم النمو. أو النار تستهلك النباتات. في كل حالة ، يتحد الأكسجين مع السكر لإطلاق الماء وثاني أكسيد الكربون والطاقة. يبدو التفاعل الكيميائي الأساسي كما يلي:

                                    في جميع العمليات الأربع ، عادةً ما ينتهي ثاني أكسيد الكربون المنطلق في التفاعل في الغلاف الجوي. ترتبط دورة الكربون السريعة ارتباطًا وثيقًا بالحياة النباتية بحيث يمكن رؤية موسم النمو بالطريقة التي يتقلب بها ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي.في فصل الشتاء في نصف الكرة الشمالي ، عندما ينمو عدد قليل من النباتات البرية ويتحلل الكثير منها ، ترتفع تركيزات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. خلال الربيع ، عندما تبدأ النباتات في النمو مرة أخرى ، تنخفض التركيزات. يبدو الأمر كما لو أن الأرض تتنفس. إن المد والجزر لدورة الكربون السريعة مرئي في الفصول المتغيرة. نظرًا لأن كتل اليابسة الكبيرة في نصف الكرة الشمالي خضراء في الربيع والصيف ، فإنها تسحب الكربون من الغلاف الجوي. يوضح هذا الرسم البياني الاختلاف في مستويات ثاني أكسيد الكربون عن الشهر السابق ، مع إزالة الاتجاه طويل المدى. تبلغ هذه الدورة ذروتها في أغسطس ، حيث يتم سحب حوالي 2 جزء في المليون من ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي. في الخريف والشتاء ، مع موت الغطاء النباتي في نصف الكرة الشمالي ، يؤدي التحلل والتنفس إلى عودة ثاني أكسيد الكربون إلى الغلاف الجوي. تُظهر هذه الخرائط صافي الإنتاجية الأولية (كمية الكربون التي تستهلكها النباتات) على الأرض (الخضراء) وفي المحيطات (الزرقاء) خلال شهري أغسطس وديسمبر 2010. في أغسطس ، تمثل المناطق الخضراء في أمريكا الشمالية وأوروبا وآسيا النباتات باستخدام الكربون من الغلاف الجوي للنمو. في كانون الأول (ديسمبر) ، كانت الإنتاجية الأولية الصافية عند خطوط العرض العالية سلبية ، مما يفوق الزيادة الموسمية في الغطاء النباتي في نصف الكرة الجنوبي. نتيجة لذلك ، تزداد كمية ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. "

                                      إذا تركت دورات الكربون السريعة والبطيئة دون قلق ، فإنها تحافظ على تركيز ثابت نسبيًا للكربون في الغلاف الجوي والأرض والنباتات والمحيط. ولكن عندما يغير أي شيء كمية الكربون في أحد الخزانات ، فإن التأثير ينتشر من خلال الخزانات الأخرى. "
                                      من المهم أن يبقى الكثير من ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي بسبب ثاني أكسيد الكربون2 هو أهم غاز للتحكم في درجة حرارة الأرض. ثاني أكسيد الكربون والميثان والهالوكربونات هي غازات دفيئة تمتص نطاقًا واسعًا من الطاقة - بما في ذلك طاقة الأشعة تحت الحمراء (الحرارة) المنبعثة من الأرض - ثم تعيد إطلاقها. تنتقل الطاقة المعاد إرسالها في جميع الاتجاهات ، لكن بعضها يعود إلى الأرض ، حيث يسخن السطح. بدون غازات الاحتباس الحراري ، ستكون الأرض مجمدة -18 درجة مئوية (0 درجة فهرنهايت). مع وجود الكثير من غازات الدفيئة ، ستكون الأرض مثل كوكب الزهرة ، حيث يحافظ الغلاف الجوي المسببة للاحتباس الحراري على درجات حرارة تبلغ حوالي 400 درجة مئوية (750 فهرنهايت). "كيف ستبدو هذه التغييرات؟ ماذا سيحدث للنباتات مع ارتفاع درجات الحرارة وتغير المناخ؟ هل يزيلون المزيد من الكربون من الغلاف الجوي أكثر مما يعيدونه؟ هل سيصبحون أقل إنتاجية؟ ما مقدار الكربون الإضافي الذي سيضخه الجليد السرمدي الذائب في الغلاف الجوي ، وما مقدار هذا الاحترار؟ هل سيؤدي دوران المحيط أو ارتفاع درجة حرارته إلى تغيير معدل امتصاص المحيط للكربون؟ هل ستصبح حياة المحيطات أقل إنتاجية؟ ما مقدار حموضة المحيطات ، وما هي الآثار المترتبة على ذلك. (المصدر الأصلي: مرصد الأرض التابع لناسا)

                                    مناهج قياس الكربون والأطر المحاسبية

                                    من تقرير حالة دورة الكربون (USGCRP ، 2018) تمهيد (Shrestha et al ، 2018):

                                    تُستخدم ثلاث طرق للرصد والتحليل والنمذجة لتقدير مخزونات الكربون وتدفقه: 1) قياسات المخزون أو طرق "من أسفل إلى أعلى" ، 2) قياسات الغلاف الجوي أو طرق "من أعلى إلى أسفل" ، و 3) نماذج النظام البيئي (انظر الملحق D للحصول على التفاصيل). تعتمد التقديرات "التصاعدية" لتبادل الكربون مع الغلاف الجوي على قياسات الكربون الموجود في الكتلة الحيوية والتربة والمياه ، فضلاً عن قياسات ثاني أكسيد الكربون2 و CH4 التبادل بين الأرض والمياه والجو. تشمل الأمثلة القياس المباشر لانبعاثات الكربون من محطة توليد الكهرباء والاستشعار عن بعد والقياسات الميدانية المتكررة بمرور الوقت لتقدير التغيرات في قياسات مخزون النظام البيئي لكمية غازات الكربون المنبعثة من النظم البيئية للأرض والمياه إلى الغلاف الجوي (في الغرف أو على نطاقات أكبر ، باستخدام أجهزة الاستشعار على الأبراج) والجمع بين البيانات الديموغرافية وبيانات الأنشطة الحضرية (على سبيل المثال ، السكان ومساحات المباني) مع "عوامل الانبعاثات" لتقدير كمية ثاني أكسيد الكربون2 صدر لكل وحدة نشاط.

                                    تستنتج المناهج التنازلية التدفقات من سطح الأرض والمحيطات عن طريق اقتران قياسات الغازات الجوية (باستخدام أدوات أخذ عينات الهواء على الأرض ، والأبراج ، والمباني ، والبالونات ، والطائرات أو أجهزة الاستشعار عن بعد على الأقمار الصناعية) مع طرق نظائر الكربون ، وتقنيات التتبع ، و محاكاة لكيفية تحرك هذه الغازات في الغلاف الجوي. نمت شبكة قياسات غازات الدفيئة وأنواع تقنيات القياس وتنوع الغازات المقاسة بشكل كبير منذ SOCCR1 (CCSP 2007) ، مما يوفر تقديرات محسنة لثاني أكسيد الكربون2 و CH4 الانبعاثات وزيادة الدقة الزمنية على النطاقات الإقليمية والمحلية عبر أمريكا الشمالية.

                                    تُستخدم نماذج النظام البيئي لتقدير مخزون الكربون وتدفقه مع تمثيلات رياضية للعمليات الأساسية ، مثل التمثيل الضوئي والتنفس ، وكيف تستجيب هذه العمليات للعوامل الخارجية ، مثل درجة الحرارة ، والتهطال ، والإشعاع الشمسي ، وحركة المياه. تُستخدم النماذج أيضًا مع قياسات الغلاف الجوي من أعلى إلى أسفل لعزو تدفقات غازات الدفيئة الملحوظة إلى سمات أو مواقع أرضية أو محيطية محددة.

                                    للحصول على التفاصيل ، راجع مقدمة SOCCR2 (Shrestha et al. 2018) والملحق D (Birdsey et al. 2018).

                                    شريسثا، G. ، N. Cavallaro ، R. Birdsey ، M.A Mayes ، R.G. Najjar ، S.C Reed ، P. Romero-Lankao ، N. P. Gurwick ، ​​P. في تقرير الحالة الثانية لدورة الكربون (SOCCR2): تقرير تقييم مستدام [كافالارو ، إن ، جي شريستا ، آر بيردسي ، إم إيه مايز ، آر جي نجار ، إس سي ريد ، بي. محرران)]. برنامج أبحاث التغيير العالمي الأمريكي ، واشنطن العاصمة ، الولايات المتحدة الأمريكية ، الصفحات 5-20 ، https://doi.org/10.7930/SOCCR2.2018.Preface.

                                    بيردسي، R. ، N. P. جورويك، K. R. جورني، ج. شريسثا، M.A.Mayes ، R.G. Najjar ، S.C Reed ، and P. RomeroLankao ، 2018: الملحق د. مناهج قياس الكربون وأطر المحاسبة. في تقرير الحالة الثانية لدورة الكربون (SOCCR2): تقرير تقييم مستدام [كافالارو ، إن ، جي شريستا ، آر بيردسي ، إم إيه مايز ، آر جي نجار ، إس سي ريد ، بي. محرران)]. برنامج أبحاث التغيير العالمي الأمريكي ، واشنطن العاصمة ، الولايات المتحدة الأمريكية ، ص 834-838 ، دوى: https: // doi.org/10.7930/SOCCR2.2018.AppD.

                                    دورة الكربون في أمريكا الشمالية والميزانية

                                    مقتطف من التقرير الثاني عن حالة دورة الكربون (SOCCR2 ، USGCRP 2018) الفصل 2 (Hayes وآخرون ، 2018):

                                    منذ الثورة الصناعية ، أطلق النشاط البشري في الغلاف الجوي كميات غير مسبوقة من غازات الاحتباس الحراري المحتوية على الكربون (GHGs) ، مثل ثاني أكسيد الكربون (CO).2) والميثان (CH4) ، التي أثرت على دورة الكربون العالمية. على مدى القرون الثلاثة الماضية ، تم الاعتراف بأمريكا الشمالية كمصدر صافٍ لثاني أكسيد الكربون2 الانبعاثات في الغلاف الجوي (Houghton 1999 ، 2003 Houghton and Hackler 2000 Hurtt et al. ، 2002). يوجد الآن اهتمام أكبر بتضمين انبعاثات الميثان في هذه الصورة4 لأنه يحتوي على 28 ضعف احتمالية الاحترار العالمي لثاني أكسيد الكربون2 أكثر من 100 عام (Myhre et al.، 2013 NAS 2018).

                                    المصادر القارية الرئيسية لثاني أكسيد الكربون2 و CH4 هي 1) انبعاثات الوقود الأحفوري ، 2) حرائق الغابات والاضطرابات الأخرى ، 3) تغير استخدام الأراضي. على الصعيد العالمي ، يتم تعويض مصادر الكربون القارية جزئيًا عن طريق المصارف من النظم البيئية الطبيعية والمدارة عن طريق التمثيل الضوئي للنبات الذي يحول ثاني أكسيد الكربون2 في الكتلة الحيوية. من المعروف أن بالوعة الكربون الأرضية في أمريكا الشمالية تعوض نسبة كبيرة من مصادر الكربون التراكمية في القارة. على الرغم من عدم اليقين ، فإن التقديرات الكمية لهذا التعويض على مدى العقدين الماضيين تتراوح من 16٪ إلى 52٪ (King et al.، 2015). تم تسليط الضوء في هذا الفصل على التحديات المستمرة في حل مشكلة CH4 الديناميكيات عبر أمريكا الشمالية التي تنشأ عن الحاجة إلى تحديد مصادر وأحواض متعددة بالكامل ، طبيعية (وارنر وآخرون ، 2017) وبشرية المنشأ (Hendrick et al.، 2016 Turner et al.، 2016a NAS 2018). إضافة إلى التحدي هو الخلاف حول ما إذا كانت المقادير المبلغ عنها من CH4 تم التقليل من أهمية المصادر والمصارف في الولايات المتحدة (Bruhwiler et al.، 2017 Miller et al.، 2013 Turner et al.، 2016a).

                                    على المستوى العالمي ، يتم عزل حوالي 50 ٪ من انبعاثات الكربون البشرية السنوية في النظم البيئية البحرية والبرية (Le Quéré et al. ، 2016). تشير الأنماط الزمنية إلى أن انبعاثات الكربون الأحفوري قد زادت من 3.3 بيتاغرام من الكربون (Pg C) سنويًا إلى ما يقرب من 10 Pg C على مدار الخمسين عامًا الماضية (Le Quéré et al.، 2015). ومع ذلك ، لا يزال هناك قدر كبير من عدم اليقين في الأنماط المكانية للانبعاثات على نطاقات أدق يتم اتخاذ قرارات إدارة الكربون بشأنها. الأهم من ذلك ، أن حساسية المصادر والمصارف الأرضية للتنوع والاتجاهات في العوامل الفيزيائية الحيوية التي تقود دورة الكربون ليست مفهومة جيدًا بما يكفي لتوفير ثقة جيدة في توقعات الأداء المستقبلي لتوازن الكربون في أمريكا الشمالية (فريدلينجشتاين وآخرون ، 2006 McGuire et al.، 2016 Tian et al.، 2016). '

                                    لمزيد من التفاصيل ، راجع أحدث تقييم عقدي لكربون أمريكا الشمالية Cyle ، تقرير الحالة الثانية لدورة الكربون.

                                    هايز، د. ج. ، ر. فارغاس، S.R Alin ، R. T. Conant ، L.R Hutyra ، A.R Jacobson ، W. A. ​​Kurz ، S. Liu ، A. D. McGuire ، B. Poulter ، and C.W Woodall ، 2018: الفصل 2: ​​ميزانية الكربون في أمريكا الشمالية. في تقرير الحالة الثانية لدورة الكربون (SOCCR2): تقرير تقييم مستدام [كافالارو ، إن. محرران)]. برنامج أبحاث التغيير العالمي الأمريكي ، واشنطن العاصمة ، الولايات المتحدة الأمريكية ، الصفحات 71-108 ، https://doi.org/10.7930/SOCCR2.2018.Ch2.

                                    USGCRP, 2018: تقرير حالة دورة الكربون الثاني (SOCCR2): تقرير تقييم مستدام. [كافالارو ، إن ، جي شريستا ، آر بيردسي ، إم إيه مايز ، ر. ج نجار ، إس سي ريد ، بي روميرو-لانكاو ، زو زو (محرران)]. برنامج أبحاث التغيير العالمي الأمريكي ، واشنطن العاصمة ، الولايات المتحدة الأمريكية ، 878 صفحة ، https://doi.org/10.7930/SOCCR2.2018

                                    مقاطع فيديو سلسلة ندوات عبر الإنترنت: "حالة دورة الكربون: من العلم إلى الحلول" وغيرها

                                    يتم نشر ندوات عبر الإنترنت مسجلة تصف ما هي دورة الكربون ، مع التركيز على النتائج العلمية لتقرير الحالة الثانية لدورة الكربون والأنشطة العلمية ذات الصلة وذات الصلة بالمجتمع ، على موقعنا. قناة يوتيوب. وصف السلسلة هو هنا.

                                    ميزانية الكربون العالمية

                                    ملاحظة: للحصول على أحدث الميزانيات العالمية السنوية للكربون والميثان ، يرجى الاطلاع على مشروع الكربون العالمي.

                                    يمثل الرقم المجاور الموجود على اليسار تقديرات ميزانية الكربون العالمية الأخيرة لتدفقات الكربون السنوية التي بلغ متوسطها من عام 2002 إلى عام 2011 ، على النحو المنصوص عليه في تقرير مشروع الكربون العالمي لعام 2013. (القيم بوحدة جيجا طن من الكربون سنويًا)

                                    1 طن متري = 1000 كجم = 10 6ز

                                    (تتم كتابة الطن المتري أيضًا باسم تون في النظامين البريطاني والفرنسي ، كما هو الحال في رقم ميزانية الكربون العالمية.)


                                    التحلل البيولوجي والمعالجة الحيوية (مع رسم بياني)

                                    التحلل البيولوجي أو التدهور البيولوجي هو ظاهرة التحول البيولوجي للمركبات العضوية بواسطة الكائنات الحية ، ولا سيما الكائنات الحية الدقيقة.

                                    يتضمن التحلل البيولوجي أساسًا تحويل الجزيئات العضوية المعقدة إلى جزيئات أبسط (وغالبًا غير سامة). يستخدم مصطلح التحول الأحيائي للتحلل الحيوي غير الكامل للمركبات العضوية التي تنطوي على تفاعل واحد أو عدة تفاعلات. يستخدم التحول الأحيائي في تصنيع المنتجات المهمة تجاريًا بواسطة الكائنات الحية الدقيقة.

                                    تشير المعالجة الحيوية إلى عملية استخدام الكائنات الدقيقة لإزالة الملوثات البيئية ، أي النفايات السامة الموجودة في التربة والماء والهواء وما إلى ذلك. تعمل الميكروبات كقمامة في المعالجة الحيوية. إزالة النفايات العضوية بواسطة الميكروبات من أجل تنظيف البيئة هو جوهر المعالجة الحيوية. الأسماء الأخرى المستخدمة (من قبل بعض المؤلفين) للمعالجة الحيوية هي العلاج الحيوي ، والاستصلاح الحيوي ، والاستعادة الحيوية.

                                    من الصعب إلى حد ما إظهار أي تمييز بين التحلل البيولوجي والمعالجة البيولوجية. علاوة على ذلك ، في التكنولوجيا الحيوية ، فإن معظم تفاعلات التحلل البيولوجي / المعالجة الحيوية تتضمن أجنبيًا.

                                    تشير Xenobiotic (xenos-foregin) على نطاق واسع إلى المواد الكيميائية غير الطبيعية والأجنبية والاصطناعية مثل المبيدات الحشرية ومبيدات الأعشاب والمبردات والمذيبات والمركبات العضوية الأخرى. يفترض التحلل الميكروبي للأجانب الحيوية أهمية ، لأنه يوفر وسيلة فعالة واقتصادية للتخلص من المواد الكيميائية السامة ، وخاصة الملوثات البيئية.

                                    Pseudomonas - الكائنات الحية الدقيقة السائدة للمعالجة الحيوية:

                                    أعضاء جنس Pseudomonas (كائن حي دقيق في التربة) هي الكائنات الحية الدقيقة الأكثر انتشارًا التي تعمل على تحلل الكائنات الحية الدقيقة. تم تحديد سلالات مختلفة من Pseudomonas ، قادرة على إزالة السموم من أكثر من 100 مركب عضوي. من أمثلة المركبات العضوية العديد من الهيدروكربونات والفينولات والفوسفات العضوي وثنائي الفينيل متعدد الكلور (PCBs) والعطريات متعددة الحلقات والنفتالين.

                                    تم عزل حوالي 40-50 سلالة ميكروبية من الكائنات الحية الدقيقة ، قادرة على تحطيم الكائنات الحية الدقيقة. إلى جانب Pseudomonas ، من الأمثلة الجيدة الأخرى Mycobacterium و Alcaligenes و Nocardia. يتم إعطاء قائمة مختارة من الكائنات الحية الدقيقة و xenobiotics المتحللة في الجدول 59.1.

                                    اتحادات الكائنات الحية الدقيقة للتحلل البيولوجي:

                                    قد تؤدي سلالة معينة من الكائنات الحية الدقيقة إلى تدهور واحد أو أكثر من المركبات. في بعض الأحيان ، من أجل تحلل مركب واحد ، قد يكون العمل التآزري لعدد قليل من الكائنات الحية الدقيقة (مثل اتحاد أو مزيج من الميكروبات) أكثر كفاءة. على سبيل المثال ، يتحلل الباراثيون بمبيد الحشرات بكفاءة أكبر عن طريق التأثير المشترك لـ Pseudomonas aeruginosa و Psudomonas stulzeri.

                                    التمثيل الغذائي المشترك في التحلل البيولوجي:

                                    بشكل عام ، لا يرتبط استقلاب (انهيار) الكائنات الحية الدقيقة بأي ميزة للكائنات الحية الدقيقة. هذه هي المادة الكيميائية الملوثة التي لا يمكن أن تكون مصدرًا للكربون أو طاقة للكائن الحي. غالبًا ما يستخدم مصطلح التمثيل الغذائي المشترك للإشارة إلى المسارات الكيميائية الحيوية غير المفيدة (للكائنات الدقيقة) المعنية بالتحلل الحيوي للأجانب الحيوية. ومع ذلك ، يعتمد التمثيل الغذائي المشترك على وجود ركيزة مناسبة للكائن الحي. يشار إلى هذه المركبات إلى ركائز مشتركة.

                                    العوامل المؤثرة في التحلل البيولوجي:

                                    هناك عدة عوامل تؤثر على التحلل البيولوجي. وتشمل هذه الطبيعة الكيميائية للأحياء الغريبة ، وقدرة الكائنات الحية الدقيقة الفردية ، والمغذيات و O2 العرض ودرجة الحرارة ودرجة الحموضة وإمكانية الأكسدة. من بين هذه ، الطبيعة الكيميائية للركيزة التي يجب أن تتحلل مهمة للغاية.

                                    فيما يلي بعض الميزات ذات الصلة:

                                    أنا. بشكل عام ، تتحلل المركبات الأليفاتية بسهولة أكثر من المركبات العطرية.

                                    ثانيا. يقلل وجود هياكل الحلقة الدورية وسلاسل الطول أو الفروع من كفاءة التحلل البيولوجي.

                                    ثالثا. المركبات القابلة للذوبان في الماء تتحلل بسهولة أكبر.

                                    رابعا. يؤثر التوجه الجزيئي للمركبات العطرية على التحلل البيولوجي ، مثل ortho & gt para & gt meta.

                                    5. وجود الهالوجينات (في المركبات العطرية) يمنع التحلل البيولوجي.

                                    إلى جانب العوامل المذكورة أعلاه ، هناك تطوران حديثان لتعزيز التحلل البيولوجي بواسطة الكائنات الحية الدقيقة.

                                    هذه عملية يمكن من خلالها تعزيز النشاط الميكروبي عن طريق زيادة الإمداد بالمغذيات أو عن طريق إضافة عوامل تحفيز معينة (متقبلات الإلكترون ، خافضات التوتر السطحي).

                                    من الممكن زيادة التحلل البيولوجي من خلال التلاعب بالجينات. مزيد من التفاصيل حول هذا التلاعب الجيني ، أي الكائنات الدقيقة المعدلة وراثيا (GEMs) ، موصوفة لاحقًا. يمكن أيضًا تحقيق الزيادة الحيوية من خلال استخدام مجموعة من الكائنات الحية الدقيقة.

                                    أنظمة الإنزيم للتحلل البيولوجي:

                                    توجد العديد من أنظمة الإنزيمات (مع الإنزيمات المستقلة التي تعمل معًا) في الكائنات الحية الدقيقة لتحلل الكائنات الحية الدقيقة. قد تكون الجينات المشفرة لأنزيمات مسارات التحلل الحيوي موجودة في الحمض النووي الكروموسومي أو في كثير من الأحيان على البلازميدات. في بعض الكائنات الحية الدقيقة ، تساهم جينات كل من الكروموسوم والبلازميد في إنزيمات التحلل البيولوجي. تحتل الكائنات الحية الدقيقة Pseudomonas مكانًا خاصًا في التحلل البيولوجي.

                                    ترد قائمة مختارة من xenobiotics والبلازميدات التي تحتوي على الجينات لتحللها في الجدول 59.2.

                                    المتمردة Xenobiotics:

                                    هناك بعض المركبات التي لا تخضع بسهولة للتحلل البيولوجي ، وبالتالي فهي تستمر في البيئة لفترة طويلة (أحيانًا بالسنوات). يتم وصفهم بأنهم متمردون.

                                    قد تكون هناك عدة أسباب لمقاومة الكائنات الحيوية الغريبة للتحلل الميكروبي:

                                    أنا. قد تكون خاملة كيميائيا وبيولوجيا (مستقرة للغاية).

                                    ثانيا. عدم وجود نظام إنزيم في الكائنات الدقيقة للتحلل الحيوي.

                                    ثالثا. لا يمكن أن تدخل الكائنات الحية الدقيقة كونها جزيئات كبيرة أو تفتقر إلى أنظمة النقل.

                                    رابعا. قد تكون المركبات شديدة السمية أو تؤدي إلى تكوين منتجات شديدة السمية تقتل الكائنات الحية الدقيقة.

                                    هناك عدد كبير من المركبات الغريبة الحيوية العنصرية ، على سبيل المثال الكلوروفورم والفريونات والمبيدات الحشرية (DDT والليندين) ومبيدات الأعشاب (دالابون) والبوليمرات الاصطناعية (البلاستيك مثل البوليسترين والبولي إيثيلين والبولي فينيل الكلور).

                                    يستغرق تحلل مادة الـ دي.دي.تي (75-100٪) في التربة حوالي 4-5 سنوات. ترتبط مجموعة من الكائنات الحية الدقيقة (Aspergillus flavus و Mucor aternans و Fusarium oxysporum و Trichoderma viride) بالتحلل الحيوي البطيء للـ دي.دي.تي.

                                    يشار إلى ظاهرة الزيادة التدريجية في تركيز مركب غريب الحيوي ، حيث يتم تمرير المادة عبر السلسلة الغذائية باسم التكبير الحيوي أو التراكم الحيوي. على سبيل المثال ، تُمتص النباتات والكائنات الحية الدقيقة مبيد الحشرات DDT بشكل متكرر.

                                    عندما تأكلها الأسماك والطيور ، فإن هذا المبيد الحشري عنيد ، ويتراكم ، ويدخل في السلسلة الغذائية. وبالتالي ، قد تجد مادة الـ دي.دي.تي دخولها إلى مختلف الحيوانات ، بما في ذلك الإنسان. تي يؤثر على الجهاز العصبي ، وقد تم حظره في بعض البلدان.

                                    أنواع المعالجة الحيوية:

                                    أهم جانب من جوانب التكنولوجيا الحيوية البيئية هو الإدارة الفعالة للملوثات الخطرة والسامة (xenobiotics) عن طريق المعالجة الحيوية. يمكن تحقيق عملية التنظيف البيئي من خلال المعالجة الحيوية بطريقتين - المعالجة الحيوية في الموقع وخارجه.

                                    في المعالجة الحيوية في الموقع:

                                    تتضمن المعالجة الحيوية في الموقع نهجًا مباشرًا للتحلل الجرثومي للأجانب الحيوية في مواقع التلوث (التربة والمياه الجوفية). تساعد إضافة كميات كافية من العناصر الغذائية في المواقع على نمو الميكروبات. عندما تتعرض هذه الكائنات الدقيقة لمواد غريبة (ملوثات) ، فإنها تطور قدرة التمثيل الغذائي على تحللها.

                                    يعتمد نمو الكائنات الحية الدقيقة وقدرتها على إنتاج التحلل البيولوجي على توفير العناصر الغذائية الأساسية (النيتروجين والفوسفور وما إلى ذلك). تم تطبيق المعالجة البيولوجية في الموقع بنجاح لتنظيف انسكاب النفط والشواطئ وما إلى ذلك.

                                    المعالجة البيولوجية الجوهرية:

                                    القدرة الأيضية المتأصلة للكائنات الحية الدقيقة على تحطيم بعض الملوثات هي المعالجة الحيوية الذاتية. في الواقع ، يمكن اختبار الكائنات الحية الدقيقة في المختبر لقدرتها الطبيعية على التحلل البيولوجي واستخدامها بشكل مناسب.

                                    تمت هندسته في المعالجة الحيوية في الموقع:

                                    القدرة الكامنة في الكائنات الحية الدقيقة للمعالجة الحيوية بطيئة ومحدودة بشكل عام. ومع ذلك ، باستخدام وسائل فيزيائية كيميائية مناسبة (مغذيات جيدة و O2 الإمداد ، إضافة متقبلات الإلكترون ، ودرجة الحرارة المثلى) ، يمكن هندسة عملية المعالجة البيولوجية من أجل تدهور أكثر كفاءة للملوثات.

                                    مزايا المعالجة الحيوية في الموقع:

                                    1. فعالة من حيث التكلفة ، مع الحد الأدنى من التعرض للجمهور أو العاملين في الموقع.

                                    2. تظل مواقع المعالجة البيولوجية معطلة إلى الحد الأدنى.

                                    مساوئ المعالجة الحيوية في الموقع:

                                    1. عملية تستغرق وقتا طويلا جدا.

                                    2. المواقع معرضة بشكل مباشر لعوامل بيئية (درجة الحرارة ، O2 العرض وما إلى ذلك).

                                    3. تتفاوت قدرة التحلل الجرثومي بشكل موسمي.

                                    المعالجة الحيوية للموقع السابق:

                                    يمكن جمع النفايات أو المواد السامة من المواقع الملوثة ويمكن تنفيذ المعالجة البيولوجية بالكائنات الدقيقة المطلوبة (غالبًا اتحاد من الكائنات الحية) في أماكن مصممة. هذه العملية هي بالتأكيد تحسين للمعالجة الحيوية في الموقع ، وقد تم استخدامها بنجاح في بعض الأماكن.

                                    مزايا المعالجة الحيوية خارج الموقع:

                                    1. عملية تحكم أفضل وأكثر كفاءة.

                                    2. يمكن تحسين العملية عن طريق التخصيب بالكائنات الدقيقة المرغوبة.

                                    مساوئ المعالجة الحيوية خارج الموقع:

                                    2. مواقع التلوث مضطربة للغاية.

                                    3. قد تكون هناك مشكلة في التخلص بعد اكتمال العملية.

                                    التأثيرات الأيضية للكائنات الدقيقة على الكائنات الحية الدقيقة:

                                    على الرغم من أن نية عالم التكنولوجيا الحيوية هو تحطيم الكائنات الحية الدقيقة بواسطة الكائنات الحية الدقيقة لصالح البيئة والنظام البيئي ، إلا أنه ليس ممكنًا دائمًا. هذا واضح من الأنواع المختلفة للتأثيرات الأيضية كما هو موضح أدناه.

                                    تتضمن هذه العملية التحويل الميكروبي لمركب سام إلى مركب غير سام. يعتبر التحلل البيولوجي الذي يتضمن إزالة السموم مفيدًا جدًا للبيئة والسكان.

                                    بعض الكائنات الحية الغريبة التي ليست سامة أو أقل سمية يمكن تحويلها إلى منتجات سامة أو أكثر سمية. هذا أمر خطير.

                                    تتحلل المركبات المعقدة إلى منتجات أبسط غير ضارة بشكل عام.

                                    قد تتضمن عملية الاقتران تحويل الكائنات الحيوية الغريبة إلى مركبات أكثر تعقيدًا. ومع ذلك ، هذا ليس شائعًا جدًا.

                                    أنواع التفاعلات في المعالجة الحيوية:

                                    يتضمن التحلل الميكروبي للمركبات العضوية في المقام الأول التحلل الهوائي واللاهوائي والمتسلسل.

                                    المعالجة الحيوية الهوائية:

                                    يتضمن التحلل البيولوجي الهوائي استخدام O2 لأكسدة المركبات العضوية. قد تعمل هذه المركبات كركائز لتزويد الكائنات الحية الدقيقة بالكربون والطاقة. هناك نوعان من الإنزيمات وهما أحاديات الأكسجين و- ثنائي الأكسجين متورطان في التحلل البيولوجي الهوائي. يمكن أن تعمل أحاديات الأكسجين على كل من المركبات الأليفاتية والعطرية بينما تؤكسد ثنائي أوكسجيناز المركبات الأليفاتية.

                                    المعالجة الحيوية اللاهوائية:

                                    لا يتطلب التحلل البيولوجي اللاهوائي O2 إمداد. نمو الكائنات الدقيقة اللاهوائية (الموجودة في الغالب في المواد الصلبة والرواسب) ، وبالتالي فإن عمليات التحلل تكون بطيئة. ومع ذلك ، فإن التحلل البيولوجي اللاهوائي فعال من حيث التكلفة ، نظرًا للحاجة إلى O المستمر2 العرض ليس هناك. بعض التفاعلات اللاهوائية الهامة وأمثلة للمركبات العضوية المتدهورة مذكورة أدناه.

                                    الهدرجة ونزع الهيدروجين - بنزوات ، فينول ، كاتيكول.

                                    Dehaiogenation - ثنائي الفينيل متعدد الكلور (PCBs) ، إيثيلين مكلور & # 8217s. كثيرًا ما يستخدم مصطلح إزالة الكلورة لإزالة التكوُّن من المركبات المكلورة.

                                    الكربوكسيل ونزع الكربوكسيل - التولوين والكريسول والبنزوات.

                                    المعالجة البيولوجية المتسلسلة:

                                    في تحلل العديد من الكائنات الحية الغريبة ، تشارك كل من العمليات الهوائية واللاهوائية. غالبًا ما تكون هذه طريقة فعالة لتقليل سمية الملوثات. على سبيل المثال ، يخضع رباعي كلورو الميثان ورباعي كلورو الإيثان لتدهور متسلسل.

                                    التحلل البيولوجي للهيدروكربونات:

                                    الهيدروكربونات هي بشكل رئيسي الملوثات من مصافي النفط وانسكابات النفط. يمكن أن تتحلل هذه الملوثات عن طريق اتحاد أو مزيج من الكائنات الحية الدقيقة على سبيل المثال Pseudomonas و Corynebacterium و Arthrobacter و Mycobacterium و Nocardia.

                                    التحلل البيولوجي للهيدروكربونات الأليفاتية:

                                    يعتبر امتصاص الهيدروكربونات الأليفاتية عملية بطيئة بسبب انخفاض قابليتها للذوبان في الوسط المائي. كل من العمليات الهوائية واللاهوائية فعالة في تحلل الهيدروكربونات الأليفاتية. على سبيل المثال ، تتحلل الهيدروكربونات غير المشبعة في كل من البيئات اللاهوائية والهوائية ، بينما تتحلل البيئات المشبعة بالعملية الهوائية. تتحلل بعض الهيدروكربونات الأليفاتية التي تنعكس إلى العملية الهوائية بشكل فعال في البيئة اللاهوائية على سبيل المثال المركبات الأليفاتية المكلورة (رابع كلوريد الكربون ، كلوريد الميثيل ، كلوريد الفينيل).

                                    التحلل البيولوجي للهيدروكربونات العطرية:

                                    يحدث التحلل الميكروبي للهيدروكربونات العطرية من خلال العمليات الهوائية واللاهوائية. أهم الكائنات الحية الدقيقة التي تشارك في هذه العمليات هي Pseudomonas.

                                    يتضمن التحلل البيولوجي للمركبات العطرية بشكل أساسي التسلسل التالي من التفاعلات:

                                    1. إزالة السلاسل الجانبية.

                                    2. فتح حلقة البنزين.

                                    تخضع معظم المركبات العطرية غير المهلجنة لسلسلة من التفاعلات لإنتاج الكاتيكول أو البروتوكاتيكات. يوضح الشكل 59.1 المعالجة الحيوية للتولوين ، والماندلات ، والبنزوات ، والبنزين ، والفينول ، والأنثراسين ، والنفثالين ، والفينانثرين ، والساليسيلات لإنتاج الكاتيكول. وبالمثل ، يصور الشكل 59.2 المعالجة الحيوية لمركب Quinate ، و p-hydroxymandelate ، و p-hydroxybenzoyl formate ، و p-toluate ، و benzoate ، و vanillate لإنتاج بروتوكاتي.

                                    يمكن أن يخضع Catechol و protocatechuate لمسارات الانقسام التأكسدي. في مسار الانقسام العظمي ، يشكل الكاتيكول والبروتوكاتيكيت أسيتيل CoA (الشكل 59.3) ، بينما في مسار الانقسام التلوي (الشكل 59.4) ، يتم تحويلهما إلى البيروفات والأسيتالديهيد. يتم استقلاب المنتجات المتدهورة من الكاتيكول والبروتوكاتيكوات بسهولة من قبل جميع الكائنات الحية تقريبًا.

                                    التحلل البيولوجي لمبيدات الآفات ومبيدات الأعشاب:

                                    تستخدم المبيدات الحشرية ومبيدات الأعشاب بانتظام لاحتواء الأمراض النباتية المختلفة وتحسين إنتاجية المحاصيل. في الواقع ، هم جزء من الزراعة الحديثة ، وقد ساهموا بشكل كبير في الثورة الخضراء. مبيدات الأعشاب والمبيدات الشائعة هي بروبانيل (أنيليد) ، بروهام (كاربامات) ، أترازين (تريازين) ، بيكلورام (بيريدين) ، ثنائي كلورو ثنائي الفينيل ثلاثي كلورو الإيثان (DDT) أحادي كلورو أسيتات (MCA) ، أحادي كلورو بروبيونات (MCPA) وغليفوسفات عضوي. معظم مبيدات الآفات ومبيدات الأعشاب سامة وغير تقليدية (مقاومة للتحلل البيولوجي). بعضها خافض للتوتر السطحي (نشط على السطح) ويحتفظ به على سطح الأوراق.

                                    التحلل الحيوي للمركبات العطرية المهلجنة:

                                    أكثر مبيدات الأعشاب والمبيدات شيوعًا هي مركبات مهلجنة عطرية (في الغالب مكلورة). مسارات التحلل الحيوي للمركبات المهلجنة قابلة للمقارنة مع تلك الموصوفة لتحلل المركبات العطرية غير المهلجنة (الأشكال 59.1 و 59.2 و 59.3 و 59.4). يرتبط معدل تحلل المركبات المهلجنة بشكل عكسي بعدد ذرات الهالوجين الموجودة أصلاً في الجزيء المستهدف ، أي أن المركبات التي تحتوي على عدد أكبر من الهالوجينات تكون أقل تحللًا بسهولة.

                                    تعد إزالة الهالوجين (أي إزالة بدائل الهالوجين من مركب عضوي) من المركبات المهلجنة خطوة أساسية لإزالة السموم منها. غالبًا ما يتم تحفيز إزالة الهالوجين بواسطة إنزيم ثنائي أوكسيجيناز. في هذا التفاعل ، يتم استبدال الهالوجين الموجود على البنزين بمجموعة الهيدروكسيل.

                                    يتم أيضًا تحويل معظم المركبات المهلجنة إلى الكاتيكول والبروتوكاتيكات التي يمكن استقلابه (الشكل 59.4). إلى جانب الزوائف ، فإن الكائنات الحية الدقيقة الأخرى مثل Azotobacter و Bacilluefs و E. coli تشارك أيضًا في التحلل الميكروبي للمركبات العطرية المهلجنة.

                                    التحلل البيولوجي لمركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور (PCBs):

                                    المركبات العطرية المكلورة التي تمتلك حلقة ثنائي الفينيل (مستبدلة بالكلور) هي مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور ، على سبيل المثال. خماسي كلورو ثنائي الفينيل. يتم تصنيع مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور تجاريًا ، لأنها مفيدة لأغراض مختلفة - مثل مبيدات الآفات ، في التوصيل الكهربائي (في المحولات) ، في الدهانات والمواد اللاصقة. فهي خاملة ومستقرة للغاية ومقاومة للتآكل.

                                    ومع ذلك ، فقد ثبت أن مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور لها دور في الإصابة بالسرطان وتلف الأعضاء المختلفة وضعف الوظيفة الإنجابية. تم تقييد استخدامها التجاري في السنوات الأخيرة ، وهي تستخدم الآن في الغالب في المحولات الكهربائية.

                                    تتراكم مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور في رواسب التربة بسبب الطبيعة الكارهة للماء وإمكانية التراكم الأحيائي العالية. على الرغم من أنها مقاومة للتحلل البيولوجي ، فقد تم تطوير بعض الطرق مؤخرًا للأكسدة اللاهوائية والهوائية من خلال استخدام اتحاد من الكائنات الحية الدقيقة. Pseudomonas ، الجينات القلوية ، الوتدية و Acinetobacter. من أجل تحلل أكثر كفاءة لمركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور ، تزرع الكائنات الحية الدقيقة على ثنائي الفينيل ، بحيث يتم تحفيز إنزيمات التحلل البيولوجي لمركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور.

                                    التحلل البيولوجي لبعض المركبات الهامة الأخرى:

                                    مركبات النيترو العضوية:

                                    يمكن أن تتحلل بعض مركبات النيترو العضوية السامة بواسطة الكائنات الحية الدقيقة لإزالة السموم منها.

                                    2 ، 4 ، 6-ثلاثي نيتروتولوين (TNT):

                                    يمكن لبعض الأنواع البكتيرية والفطرية التي تنتمي إلى Pseudomonas و Clostrium إزالة السموم من مادة تي إن تي.

                                    التحلل المائي ، متبوعًا بالنترة اللاهوائية بواسطة بكتيريا معينة ، يحلل النيتروسليلوز.

                                    تحتوي على بعض المواد الخافضة للتوتر السطحي (العوامل النشطة السطحية) التي لا تتحلل بيولوجيًا بسهولة. يمكن لبعض البلازميد البكتيري أن يتحلل من العوامل الخافضة للتوتر السطحي.

                                    الهندسة الوراثية من أجل معالجة بيولوجية أكثر كفاءة:

                                    على الرغم من تحديد العديد من الكائنات الحية الدقيقة التي يمكن أن تحلل عددًا كبيرًا من الكائنات الحية الدقيقة ، إلا أن هناك العديد من القيود في المعالجة الحيوية:

                                    أنا. التحلل الميكروبي للمركبات العضوية هو عملية بطيئة للغاية.

                                    ثانيا. لا يوجد كائن حي دقيق واحد يمكنه تحطيم جميع الكائنات الحية الدقيقة الموجودة في التلوث البيئي.

                                    ثالثا. قد يتم إعاقة نمو الكائنات الحية الدقيقة بواسطة المواد الغريبة الحيوية.

                                    رابعا. يتم امتصاص بعض الكائنات الغريبة الحيوية على جسيمات التربة وتصبح غير متاحة للتحلل الميكروبي.

                                    ليس من الممكن أبدًا معالجة جميع القيود المذكورة أعلاه وتنفيذ عملية مثالية للمعالجة البيولوجية. تم إجراء بعض المحاولات في السنوات الأخيرة لإنشاء كائنات دقيقة معدلة وراثيًا (CEMs) لتعزيز المعالجة الحيوية ، إلى جانب تحطيم الكائنات الحية الدقيقة التي تتميز بمقاومة عالية (عنيدة) للانهيار. يتم وصف بعض هذه الجوانب بإيجاز.

                                    التلاعب الجيني بنقل البلازميدات:

                                    توجد غالبية الجينات المسؤولة عن تخليق الإنزيمات الحيوية المتدهورة في البلازميدات. لذلك من المنطقي التفكير في التلاعب الجيني بالبلازميدات. يمكن إنشاء سلالات جديدة من البكتيريا عن طريق نقل البلازميدات (عن طريق الاقتران) التي تحمل جينات لمسارات تحلل مختلفة.

                                    إذا كان البلازميدان يحتويان على مناطق متماثلة من الحمض النووي ، يحدث إعادة التركيب بينهما ، مما يؤدي إلى تكوين بلازميد أكبر منصهرًا (مع الوظائف المشتركة لكلا البلازميدات). في حالة البلازميدات التي لا تمتلك مناطق متماثلة من الحمض النووي ، يمكن أن تتعايش في البكتيريا (التي تم نقل البلازميد إليها).

                                    تم إجراء أول تطوير ناجح لسلالة جديدة من البكتيريا (Pseudomonas) عن طريق التلاعب بنقل البلازميد بواسطة Chakrabarty وزملاؤه في السبعينيات. استخدموا بلازميدات مختلفة وأنشأوا بكتيريا جديدة تسمى superbug يمكنها تحلل عدد من الهيدروكربونات من البترول في وقت واحد.

                                    منحت الولايات المتحدة براءة اختراع لهذه البكتيريا في عام 1981 (وفقًا لتوجيهات المحكمة العليا الأمريكية). وهكذا ، أصبحت البكتيريا الخارقة أول كائن دقيق معدَّل وراثيًا يحصل على براءة اختراع. لعبت Superbug دورًا مهمًا في تطوير صناعة التكنولوجيا الحيوية ، على الرغم من أنها لم تستخدم في تدهور انسكابات النفط على نطاق واسع.

                                    إنشاء Superbug عن طريق نقل البلازميدات:

                                    Superbug هو سلالة بكتيرية من Pseudomonas يمكن أن تحلل الكافور والأوكتان والزيلين والنفتالين. تم تصوير إنشائها في الشكل .59.5.

                                    تم اقتران البكتيريا المحتوية على بلازميد CAM (الكافور- المهين) مع بكتيريا أخرى باستخدام بلازميد OCT (المهين للأوكتان). هذه البلازميدات غير متوافقة وبالتالي لا يمكن أن تتعايش في نفس البكتيريا. ومع ذلك ، نظرًا لوجود مناطق متجانسة من الحمض النووي ، يحدث إعادة التركيب بين هذين البلازميدات مما يؤدي إلى بلازميد CAM-OCT واحد. تمتلك هذه البكتيريا الجديدة الجينات المتحللة لكل من الكافور والأوكتان.

                                    تترافق بكتيريا أخرى تحتوي على بلازميد XYL (المهين بالزيلين) مع البلازميد NAH (النفثالين المهين) المحتوي على البكتيريا. تتوافق بلازميدات XYL و NAH وبالتالي يمكن أن تتعايش في نفس البكتيريا. تحتوي هذه البكتيريا المنتجة حديثًا على جينات لتحلل الزيلين والنفتالين.

                                    الخطوة التالية والأخيرة هي اقتران البكتيريا التي تحتوي على بلازميد CAM-OCT مع البكتيريا الأخرى التي تحتوي على بلازميدات XYL و NAH. السلالة التي تم إنشاؤها حديثًا هي البكتيريا الفائقة التي تحمل بلازميد CAM-OCT (لتحطيم الكافور والأوكتان) ، والبلازميد XYL (المهين بالزيلين) والبلازميد NAH (مهين النفثالين).

                                    تطوير بكتيريا الساليسيلات - التولوين المتدهورة عن طريق نقل البلازميد:

                                    بذلت بعض المحاولات لإنشاء سلالة جديدة من بكتيريا Pseudomonas putida لتحلل التولوين والساليسيلات في نفس الوقت. تم نقل البلازميد المهين من التولوين (TOL) عن طريق الاقتران إلى بكتيريا أخرى قادرة على تحلل الساليسيلات (بسبب وجود بلازميد SAL).

                                    يمكن للسلالة المطورة حديثًا من Pseudomonas أن تحلل في نفس الوقت كل من التولوين والساليسيلات. وهذا يحدث حتى في درجات حرارة منخفضة (0-5 درجة مئوية). ومع ذلك ، فإن البكتيريا الجديدة ليست قيد الاستخدام المنتظم ، حيث يتم إجراء المزيد من الأبحاث حول مزاياها وعيوبها.

                                    التلاعب الجيني بالتغيير الجيني:

                                    يجري العمل على معالجة الجينات من أجل تحلل حيوي أكثر كفاءة. البلازميد pWWO لأكواد Pseudomonas لـ 12 إنزيمًا مختلفًا مسؤولة عن مسار الانقسام التلوي (لتحويل الكاتيكول والبروتوكاتيكويت إلى بيروفات وأسيتالديهيد ، لتحلل بعض المركبات العطرية. تم الإبلاغ عن بعض النجاح في تغيير جينات البلازميد pWWO من أجل تحلل أكثر كفاءة للتولوين والزيلين.

                                    الكائنات الدقيقة المهندسة وراثيًا (GEMs) في المعالجة الحيوية:

                                    Superbug هو أول كائن دقيق معدل وراثيًا. يعمل العديد من العمال في جميع أنحاء العالم من أجل إنشاء الأحجار الكريمة المصممة خصيصًا لإزالة السموم من xenobiotics. يرد في الجدول 59.3 قائمة مختارة من GEMs مع احتمال تحلل xenobiotics. تم إنشاء جميع CFMs تقريبًا عن طريق نقل البلازميدات.

                                    الفاعل بالسطح الحيوي المنتجة GEM:

                                    تم إنشاء Pseudomonas aeruginosa المعدلة وراثيًا (بواسطة Chakarabarty ومجموعته). يمكن أن تنتج هذه السلالة الجديدة مستحلب glycolipid (خافض للتوتر السطحي الحيوي) والذي يمكن أن يقلل من التوتر السطحي لواجهة مائية بالزيت. يعزز التوتر السطحي المنخفض التحلل البيولوجي للزيوت.

                                    GEM لتدهور مادة Vanillate و SDS:

                                    تم تطوير سلالة جديدة من Pseudomonas sp (سلالة ATCC 1915) لتحلل الفانيليات (منتجات النفايات من صناعة الورق) وكبريتات دوديسيل الصوديوم (SDS ، وهو مركب يستخدم في المنظفات).

                                    الأحجار الكريمة والسلامة البيئية:

                                    أصبحت الكائنات الحية الدقيقة المعدلة وراثيًا (GEMs) الآن أدوات يدوية لعلماء التكنولوجيا الحيوية. تعتبر المخاطر والمخاطر الصحية المرتبطة باستخدام الأحجار الكريمة من القضايا المثيرة للجدل والقابلة للنقاش. يخشى علماء التكنولوجيا الحيوية وحتى عامة الناس من أن الكائن الجديد (GEM) ، بمجرد دخوله البيئة ، قد يخل بالتوازن البيئي ويسبب ضررًا للموئل. قد تتحول بعض الأحجار الكريمة إلى قنابل وراثية ، مما يتسبب في ضرر كبير للبشرية.

                                    بسبب المخاطر التي ينطوي عليها استخدام الأحجار الكريمة ، لم يُسمح حتى الآن لأي GEM بدخول المجالات البيئية. وهكذا ، اقتصر استخدام الأحجار الكريمة على المختبرات ، وعمليات التحلل البيولوجي الخاضعة للرقابة الكاملة (عادة باستخدام المفاعلات الحيوية). علاوة على ذلك ، يتم اتخاذ العديد من التدابير الاحترازية أثناء إنشاء الأحجار الكريمة ، بحيث تكون المخاطر المرتبطة باستخدامها في حدها الأدنى.

                                    يرى بعض الباحثين أن الأحجار الكريمة ستخلق عجائب في التكنولوجيا الحيوية للإدارة البيئية للأجانب الحيوية ، في العقود القليلة القادمة. قد يكون هذا ممكناً فقط إذا تم تقييم المخاطر المرتبطة بكل مؤشر من هذا النوع بدقة ، والتأكد تمامًا من سلامته البيولوجية.

                                    المعالجة الحيوية للأراضي الملوثة والنفايات:

                                    بسبب التصنيع والاستخدام المكثف للمبيدات الحشرية ومبيدات الأعشاب ومبيدات الآفات ، تتلوث المواد الصلبة والنفايات في جميع أنحاء العالم. والملوثات الأكثر شيوعًا هي الهيدروكربونات والمذيبات المكلورة ومركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور والمعادن.

                                    تكتسب المعالجة الحيوية للتربة ونفايات الأراضي عن طريق استخدام الكائنات الحية الدقيقة أهمية في السنوات الأخيرة. في الواقع ، تم الإبلاغ عن بعض النجاح في إزالة السموم من بعض الملوثات (مثل الهيدروكربونات) في التربة بواسطة الكائنات الحية الدقيقة. يمكن إجراء المعالجة الحيوية للتربة من خلال إشراك مبدأين - التحفيز الحيوي والزيادة الحيوية.

                                    التحفيز الحيوي في المعالجة الحيوية للتربة:

                                    يتضمن التحفيز الحيوي بشكل أساسي تحفيز الكائنات الحية الدقيقة الموجودة بالفعل في التربة ، بوسائل مختلفة.

                                    يمكن القيام بذلك بعدة طرق:

                                    أنا. إضافة العناصر الغذائية مثل النيتروجين والفوسفور.

                                    ثانيا. المكملات مع الركائز المشتركة على سبيل المثال يضاف الميثان إلى تحلل ثلاثي كلورو إيثيلين.

                                    ثالثا. إضافة مواد خافضة للتوتر السطحي لتفريق المركبات الكارهة للماء في الماء.

                                    تعمل إضافة المغذيات والركائز المشتركة على تعزيز نمو الميكروبات بينما تعرض المواد الخافضة للتوتر السطحي الجزيئات الكارهة للماء. في كل هذه المواقف ، تكون النتيجة حدوث تحفيز بيولوجي عن طريق المعالجة الحيوية الفعالة للتربة الملوثة أو الأراضي المهملة.

                                    الزيادة الحيوية في المعالجة الحيوية للتربة:

                                    تشكل إضافة كائنات دقيقة معينة إلى التربة الملوثة زيادة حيوية. الملوثات عبارة عن جزيئات معقدة للغاية وقد لا تكون الكائنات الحية الدقيقة في التربة وحدها قادرة على تحطيمها بشكل فعال. ومن أمثلة هذه الملوثات مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور (PCBs) وثلاثي نيتروتولوين (TNT) والهيدروكربونات العطرية المتعددة (PAHs) وبعض مبيدات الآفات.

                                    بناءً على نتائج البحث على مستوى المختبر (فيما يتعلق بالتحلل البيولوجي) ، أصبح من الممكن الآن إضافة مجموعة من الكائنات الحية الدقيقة المشار إليها باسم اتحاد أو مزيج من الكائنات الحية الدقيقة ، لتحقيق الزيادة الحيوية.

                                    مع تطور الكائنات الحية الدقيقة المعدلة وراثيًا (GEMs) ، يمكن أيضًا استخدامها لزيادة التربة الحيوية من أجل المعالجة الحيوية الفعالة للغاية. لكن الاستخدام المباشر للأحجار الكريمة في التربة يرتبط بالعديد من المخاطر والمخاطر الصحية.

                                    تقنيات المعالجة الحيوية للتربة:

                                    الطرق الأكثر شيوعًا للمعالجة الحيوية هي التربة في المعالجة الحيوية في الموقع ، وزراعة الأراضي والمفاعلات الحيوية في طور الملاط.

                                    المعالجة الحيوية للتربة في الموقع:

                                    تتضمن المعالجة الحيوية في الموقع على نطاق واسع التنظيف البيولوجي للتربة دون حفر. تستخدم هذه التقنية للمعالجة الحيوية للأسطح الفرعية للتربة والمباني وطرق الطرق الملوثة. في بعض الأحيان ، يتم تدوير الماء (المؤكسج) عبر الأسطح الفرعية لزيادة كفاءة التحلل الميكروبي. هناك نوعان من تقنيات المعالجة الحيوية للتربة في الموقع - الابتكارات الحيوية والمعالجة النباتية.

                                    هذه تقنية فعالة للغاية وفعالة من حيث التكلفة للمعالجة الحيوية للتربة الملوثة بالنفط. يشمل التنميط الحيوي التحلل البيولوجي الهوائي للملوثات عن طريق تدوير الهواء عبر الأسطح الفرعية للتربة. على الرغم من أنه يستغرق بضع سنوات ، إلا أنه يمكن استخدام التنجين الحيوي في تحلل البارافين الذائب & # 8217s والهيدروكربونات العطرية المتعددة.القيد الرئيسي لهذه التقنية هو دوران الهواء الذي لا يكون عمليًا دائمًا.

                                    تشكل المعالجة الحيوية باستخدام النباتات علاجًا نباتيًا. يتم زراعة نباتات معينة في مواقع التربة الملوثة. هذه النباتات قادرة على تحفيز التحلل البيولوجي للملوثات في التربة المجاورة للجذور (ريزوسفير) على الرغم من أن المعالجة النباتية هي عملية تنظيف رخيصة وصديقة للبيئة للتحلل البيولوجي لملوثات التربة ، فإنها تستغرق عدة سنوات.

                                    زراعة الأراضي في المعالجة الحيوية للتربة:

                                    زراعة الأراضي هي تقنية للمعالجة الحيوية للتربة الملوثة بالهيدروكربونات. يوضح الشكل 59.6 تمثيلًا تخطيطيًا لنظام زراعة الأراضي (يُشار إليه أيضًا باسم مفاعل التربة ذي المرحلة الصلبة).

                                    يتم حفر التربة وخلطها بالكائنات الدقيقة والمغذيات وتنتشر على بطانة أسفل التربة الملوثة مباشرة. يجب حرث التربة بانتظام من أجل الخلط والتهوية بشكل جيد. إذا تم خلط التربة مع السماد و / أو زيادة درجة الحرارة ، تزداد كفاءة التحلل البيولوجي.

                                    كما أن إضافة الركائز المشتركة والمعالجة اللاهوائية للتربة الملوثة تزيد من عملية التحلل. تم استخدام زراعة الأراضي بنجاح للمعالجة الحيوية للتربة الملوثة بكلورو إيثان البنزين والتولوين والزيلين. غالبًا ما يشار إلى المركبات الثلاثة الأخيرة باسم عطريات BTX.

                                    المفاعلات الحيوية للطين في المعالجة الحيوية للتربة:

                                    المفاعلات الحيوية لمراحل الطين هي أنظمة محسنة لزراعة الأراضي. في هذه الحالات ، تخضع التربة الملوثة المحفورة للمعالجة البيولوجية في ظل ظروف يتم التحكم فيها على النحو الأمثل في مفاعلات حيوية مصممة خصيصًا. بسبب الاتصال الوثيق بين الكائنات الحية الدقيقة والكائنات الحية الدقيقة ، والظروف المثلى (إمداد المغذيات ، ودرجة الحرارة ، والتهوية ، إلخ) ، فإن التحلل سريع وفعال للغاية. ومع ذلك ، فإن المفاعلات الحيوية ذات الطور الملاط ليست مناسبة للاستخدام على نطاق واسع بسبب التكلفة العالية.

                                    المعالجة الحيوية للمياه الجوفية:

                                    كما يؤدي التلوث البيئي إلى تلوث المياه الجوفية في عدة أماكن. الملوثات الشائعة هي الهيدروكربونات البترولية (الجزيئات الأليفاتية ، العطرية ، الحلقية والمستبدلة). يمكن إجراء المعالجة الحيوية للمياه الجوفية بطريقتين: تقنية المضخة والمعالجة وتقنية السياج الحيوي.

                                    تقنية المضخة والمعالجة للمعالجة الحيوية للمياه الجوفية:

                                    تعتمد المعالجة الحيوية للمياه الجوفية عن طريق تقنية المضخة والمعالجة في الغالب على المبادئ الفيزيائية والكيميائية لإزالة الملوثات. تم إنشاء وحدات العلاج فوق سطح الأرض. يمكن لأعمدة الشريط وفلاتر الكربون النشط إزالة معظم ملوثات المياه الجوفية. يتم إعادة تدوير المياه المعالجة من خلال بئر الحقن عدة مرات بحيث تتم إزالة الملوثات بشكل فعال.

                                    لإزالة بعض الملوثات العضوية ، يجب تركيب المفاعلات البيولوجية (المفاعلات الحيوية) (الشكل 59.7 أ). على سبيل المثال ، للتحلل البيولوجي لرابع كلورو الإيثان ، وجد أن المفاعل الحيوي مع الحمأة الحبيبية الميثوجينية فعالة. في السنوات الأخيرة ، تم تطوير المفاعلات الحيوية مع كل من البكتيريا الهوائية واللاهوائية لتحسين المعالجة الحيوية للمياه الجوفية شديدة التلوث.

                                    ومع ذلك ، لا يمكن تحقيق تنظيف جيد للمياه الجوفية عن طريق تقنية المضخة والمعالجة ، لأسباب مختلفة (عدم التجانس تحت السطح ، والمركبات شديدة الامتصاص ، ونفاذية الملوثات المنخفضة ، إلخ).

                                    تقنية المبارزة الحيوية للمعالجة الحيوية للمياه الجوفية:

                                    المبارزة الحيوية هي تقنية محسنة للمعالجة الحيوية للمياه الجوفية. وهو يتألف من تركيب منطقة نشطة بيولوجيًا عند الحافة السفلية لمنطقة المياه الجوفية الملوثة. يتم حقن المغذيات من خلال بئر إلى المنطقة النشطة بيولوجيا (الشكل 59.7B). عندما تمر المياه الجوفية عبر المنطقة النشطة بيولوجيًا (بتأثير الاتجاه الطبيعي للتدفق) ، تتحلل الملوثات بيولوجيًا ، وتخرج المياه الجوفية النظيفة.


                                    شاهد الفيديو: الخلايا الفولتية والتغيرات في الطاقة الحرة. الكيمياء. تفاعلات الأكسدة والاختزال (ديسمبر 2022).