Биогенное вещество – это продукт, созданный формами жизни или из них. Хотя первоначально этот термин относился к соединениям метаболитов, которые оказывали токсическое воздействие на другие организмы, [1] он был разработан для обозначения любых компонентов, выделений и метаболитов растений или животных . [2] В контексте молекулярной биологии биогенные вещества называются биомолекулами . Обычно их выделяют и измеряют с помощью методов хроматографии и масс-спектрометрии . [3] [4]Кроме того, можно моделировать трансформацию и обмен биогенных веществ в окружающей среде, в частности, их перенос по водным путям. [5]
Наблюдение и измерение биогенных веществ особенно важно в области геологии и биохимии . Большая часть изопреноидов и жирных кислот в геологических отложениях происходит из растений и хлорофилла и может быть обнаружена в образцах, восходящих к докембрию . [4] Эти биогенные вещества способны противостоять процессу диагенеза в отложениях, но также могут трансформироваться в другие материалы. [4] Это делает их полезными для геологов в качестве биомаркеров для проверки возраста, происхождения и процессов деградации различных горных пород. [4]
Биогенные вещества изучались как часть морской биохимии с 1960-х годов [6] , которая включала изучение их образования, транспорта и трансформации в воде [5] и их возможного использования в промышленности. [6] Большая часть биогенных соединений в морской среде производится микро- и макроводорослями, включая цианобактерии . [6] Из-за их противомикробных свойств они в настоящее время являются предметом исследований как в промышленных проектах, например, для необрастающих красок [1] , так и в медицине. [6]
Во время собрания секции геологии и минералогии Нью-Йоркской академии наук в 1903 году геолог Амадей Уильям Грабау предложил новую систему классификации горных пород в своей статье «Обсуждение и предложения относительно новой классификации горных пород». [7] В первичном подразделении «Эндогенетические породы» — породы, образовавшиеся в результате химических процессов — была категория, называемая «Биогенные породы», которая использовалась как синоним «Органические породы». Другими второстепенными категориями были «магматические» и «гидрогенные» породы. [7]
В 1930-х годах немецкий химик Альфред Э. Трейбс впервые обнаружил биогенные вещества в нефти в рамках своих исследований порфиринов . [4] Основываясь на этих исследованиях, в 1970-х годах в рамках изучения геологии возросло количество исследований биогенных веществ в осадочных породах. [4] Этому способствовало развитие более продвинутых аналитических методов и привело к более тесному сотрудничеству между геологами и химиками-органиками для исследования биогенных соединений в отложениях . [4]
Исследователи дополнительно начали исследовать производство соединений микроорганизмами в морской среде в начале 1960-х годов. [6] К 1975 году в изучении морской биохимии развились различные направления исследований . Это были «морские токсины, морские биопродукты и морская химическая экология». [6] После этого в 1994 году Тойшер и Линдеквист определили биогенные вещества как «химические соединения, которые синтезируются живыми организмами и которые, если они превышают определенные концентрации, вызывают временное или постоянное повреждение или даже гибель других организмов химическим или физико-химическим воздействием». в своей книге Biogene Gifte. [1] [8]Этот акцент в исследованиях и классификации на токсичности биогенных веществ был отчасти обусловлен скрининговыми анализами , направленными на цитотоксичность , которые использовались для обнаружения биологически активных соединений. [6] С тех пор разнообразие биогенных продуктов расширилось от цитотоксических веществ за счет использования альтернативных фармацевтических и промышленных анализов. [6]
Изучая перенос биогенных веществ в Татарском проливе Японского моря, российская группа отметила, что биогенные вещества могут поступать в морскую среду как за счет поступления из внешних источников, переноса внутри водных масс, так и за счет метаболических процессов внутри водной среды. воды. [5] Они также могут расходоваться за счет процессов биотрансформации или образования биомассы микроорганизмами. В этом исследовании концентрации биогенных веществ, частота трансформации и круговорот были самыми высокими в верхнем слое воды. Кроме того, в разных районах пролива биогенные вещества с наибольшим годовым переносом были постоянными. Это были О 2, DOC и DISi, которые обычно содержатся в больших концентрациях в природной воде. [5] Биогенными веществами, имеющими тенденцию к меньшему поступлению через внешние границы пролива и, следовательно, к наименьшему выносу, были минеральные и обломочные компоненты N и P. Эти же вещества принимают активное участие в процессах биотрансформации в морской среде и имеют меньшую годовую вывод тоже. [5]
Геохимики-органики также заинтересованы в изучении диагенеза биогенных веществ в нефти и в том, как они трансформируются в отложениях и окаменелостях. [4] В то время как 90% этого органического материала нерастворимы в обычных органических растворителях, называемых керогеном , 10% находятся в растворимой форме, которую можно экстрагировать, из которой затем можно выделить биогенные соединения. [4] Насыщенные линейные жирные кислоты и пигменты имеют наиболее стабильную химическую структуру и поэтому подходят для того, чтобы противостоять деградации в процессе диагенеза и обнаруживаться в их исходных формах. [4] Однако макромолекулы также были обнаружены в охраняемых геологических регионах. [4]Типичные условия осаждения включают ферментативные, микробные и физико-химические процессы, а также повышенные температуры и давления, которые приводят к превращениям биогенных веществ. [4] Например, пигменты, образующиеся в результате дегидрирования хлорофилла или гемина , можно найти во многих отложениях в виде комплексов никеля или ванадила. [4] Большая часть изопреноидов в отложениях также происходит из хлорофилла. Точно так же линейные насыщенные жирные кислоты, обнаруженные в горючих сланцах Мессель карьера Мессель в Германии, возникают из органического материала сосудистых растений . [4]
Кроме того, в растворимых экстрактах докембрийских пород обнаружены алканы и изопреноиды, что указывает на вероятное существование биологического материала более трех миллиардов лет назад. [4] Однако существует вероятность того, что эти органические соединения являются абиогенными по своей природе, особенно в докембрийских отложениях. В то время как моделирование синтеза изопреноидов в абиогенных условиях Studier et al. (1968) не дало изопреноидов с длинной цепью, используемых в качестве биомаркеров в окаменелостях и отложениях, были обнаружены следы изопреноидов C 9 -C 14 . [11] Также возможен стереоселективный синтез полиизопреноидных цепей с использованием таких катализаторов, как Al(C 2 H 5 )3 – винилхлорид 3 . [12] Однако вероятность наличия этих соединений в природной среде маловероятна. [4]
Различные биомолекулы, входящие в состав биогенных веществ растений, особенно содержащиеся в экссудате семян , можно идентифицировать с помощью различных видов хроматографии в лабораторных условиях. [3] Для определения профиля метаболитов используется газовая хроматография-масс-спектрометрия для обнаружения флавоноидов , таких как кверцетин . [3] Затем соединения можно дополнительно дифференцировать с помощью обращенно-фазовой высокоэффективной жидкостной хроматографии-масс-спектрометрии . [3]
Когда дело доходит до измерения биогенных веществ в природной среде, такой как водоем, гидроэкологическая [13] модель CNPSi может использоваться для расчета пространственного переноса биогенных веществ как в горизонтальном, так и в вертикальном измерениях. [5] Эта модель учитывает водообмен и расход и дает значения скоростей биогенных веществ для любой площади или слоя воды за любой месяц. Применяются два основных метода оценки: измерение на единицу объема воды (мг/м 3 в год) и измерение веществ на весь объем воды слоя (т элемента/год). [5]Первый в основном используется для наблюдения за динамикой биогенного вещества и отдельными путями движения и превращения, а также полезен при сравнении отдельных районов пролива или водного пути. Второй метод используется для месячных потоков вещества и должен учитывать наличие месячных колебаний объема воды в слоях. [5]
При изучении геохимии биогенные вещества могут быть выделены из окаменелостей и отложений в процессе соскабливания и дробления образца целевой породы с последующей промывкой 40% плавиковой кислотой , водой и бензолом/метанолом в соотношении 3:1. [4] После этого куски породы измельчают и центрифугируют для получения остатка. Затем химические соединения получают с помощью различных хроматографических и масс-спектрометрических разделений. [4] Тем не менее, экстракция должна сопровождаться строгими мерами предосторожности, чтобы гарантировать отсутствие примесей аминокислот из отпечатков пальцев [14] или примесей силикона из-за других методов аналитической обработки. [4]
Было обнаружено, что метаболиты, продуцируемые морскими водорослями , обладают многими антимикробными свойствами. [1] Это связано с тем, что они вырабатываются морскими организмами в качестве химических сдерживающих факторов и как таковые содержат биологически активные соединения . Основными классами морских водорослей, производящих эти типы вторичных метаболитов, являются Cyanophyceae , Chlorophyceae и Rhodophyceae . [1] Наблюдаемые биогенные продукты включают поликетиды , амиды , алкалоиды , жирные кислоты , индолы и липопептиды . [1]Например, более 10% соединений, выделенных из Lyngbya majuscula , одной из самых распространенных цианобактерий, обладают противогрибковыми и противомикробными свойствами. [1] [6] Кроме того, исследование Ren et al. (2002) протестировали галогенированные фураноны , продуцируемые Delisea pulchra из класса Rhodophyceae, против роста Bacillus subtilis . [15] [1] При применении в концентрации 40 мкг/мл фуранон подавлял образование биопленки бактериями и уменьшал толщину биопленки на 25% и количество живых клеток на 63%. [15]
Затем эти характеристики могут быть использованы в искусственных материалах, например, для изготовления противообрастающих красок без химических веществ, наносящих ущерб окружающей среде. [1] Необходимы экологически безопасные альтернативы ТБТ (предотвращающему обрастанию агенту на основе олова), который выделяет токсичные соединения в воду и окружающую среду и запрещен в ряде стран. [1] Классом биогенных соединений, оказывающих значительное воздействие на бактерии и микроводоросли , вызывающие обрастание, являются ацетиленовые сесквитерпеноидные эфиры , продуцируемые Caulerpa prolifera (из класса Chlorophyceae), которые Smyrniotopoulos et al. (2003) наблюдали ингибирование роста бактерий до 83% эффективности оксида ТБО.[16]
Текущие исследования также направлены на производство этих биогенных веществ на коммерческом уровне с использованием методов метаболической инженерии . [1] Сочетая эти методы с биохимической инженерией , водоросли и их биогенные вещества можно производить в больших масштабах с использованием фотобиореакторов . [1] Различные типы систем могут использоваться для получения различных биогенных продуктов. [1]
Тип фотобиореактора | Культивируемые виды водорослей | Продукт | Справка |
---|---|---|---|
Полиуретан типа водорослей | Scytonema sp.TISTR 8208 | Циклический додекапептидный антибиотик, эффективный в отношении грамположительных бактерий , мицелиальных грибов и патогенных дрожжей. | Чецумон и др. (1998) [17] |
Бак с мешалкой | Агардиелла шиповатая | Биомасса | Хуанг и Роррер (2003) [18] |
Воздушный транспорт | Гиродиний импундикум | Сульфатированные экзополисахариды для противовирусного действия против вируса энцефаломиокардита | Йим и др. (2003) [19] |
Большой масштаб на открытом воздухе | Haematococcus pluvialis | Соединение астаксантина | Мигель (2000) [20] |
В области палеохимотаксономии присутствие биогенных веществ в геологических отложениях полезно для сравнения старых и современных биологических образцов и видов. [4] Эти биологические маркеры можно использовать для проверки биологического происхождения окаменелостей и служить палеоэкологическими маркерами. Например, присутствие пристана указывает на то, что нефть или отложения имеют морское происхождение, в то время как биогенный материал неморского происхождения, как правило, находится в форме полициклических соединений или фитана . [21] Биологические маркеры также предоставляют ценную информацию о реакциях деградации биологического материала в геологической среде. [4]Сравнение органического материала между геологически старыми и современными породами показывает сохранение различных биохимических процессов. [4]
Еще одним применением биогенных веществ является синтез металлических наночастиц . [3] Используемые в настоящее время химические и физические методы производства наночастиц являются дорогостоящими и производят токсичные отходы и загрязняющие вещества в окружающей среде. [22] Кроме того, полученные наночастицы могут быть нестабильными и непригодными для использования в организме. [23] Использование биогенных веществ растительного происхождения направлено на создание экологически чистого и рентабельного метода производства. [3] Биогенные фитохимические вещества , используемые для этих восстановительных реакций, могут быть получены из растений различными способами, включая кипячение бульона листьев, [24] порошок биомассы, [25]погружение всего растения в раствор [23] или экстракты фруктовых и овощных соков. [26] Было показано, что сок C. annuum производит наночастицы Ag при комнатной температуре при обработке ионами серебра и дополнительно доставляет необходимые витамины и аминокислоты при употреблении, что делает их потенциальным агентом наноматериалов. [3] Другая процедура заключается в использовании другого биогенного вещества: экссудата прорастающих семян. Когда семена замачиваются, они пассивно выделяют фитохимические вещества в окружающую воду, которые после достижения равновесия могут смешиваться с ионами металлов для синтеза металлических наночастиц. [27] [3] М. сативаэкссудат, в частности, добился успеха в эффективном производстве металлических частиц Ag, в то время как L. culinaris является эффективным реагентом для производства наночастиц Au. [3] Этот процесс также можно дополнительно регулировать, манипулируя такими факторами, как pH, температура, разбавление экссудата и растительное происхождение, для получения различных форм наночастиц, включая треугольники, сферы, стержни и спирали. [3] Эти биогенные металлические наночастицы затем находят применение в качестве катализаторов, оконных покрытий для теплоизоляции, в биомедицине и в биосенсорных устройствах. [3]
Химический класс | Сложный | Источник | Справка |
---|---|---|---|
Липопептид [1] |
|
|
|
Жирная кислота [1] |
|
|
|
Терпен [6] |
|
|
|
Алкалоид [1] |
|
|
|
Кетон [4] |
|
|
|
Абиогенное вещество или процесс не являются результатом настоящей или прошлой деятельности живых организмов . Абиогенными продуктами могут быть, например, минералы , другие неорганические соединения , а также простые органические соединения (например , внеземной метан , см. также абиогенез ).