Органична геохимия


Категория на документа: Химия


 Част І. Органична геохимия

1. Биосфера. Състав и структура на биомасата

Геохимията е интердисциплинарна наука, изучаваща химичните особености на геоложките обекти. Както химията, така и геохимията, в зависимост от природата на изучаваните обекти, се дели на неорганична и органична геохимия.

Органичната геохимия се занимава с проблемите за произхода, миграцията, акумулацията и трансформацията на нефта, природния газ, битумолитите, въглищата и всички природни битуми, генетично свързани с нефта. В основата на геохимичното изследване на изкопаемите горива стои отделянето на т.н. биомаркери, които представляват химически съединения, които са унаследили структурата на биологични молекули и/или техни фрагменти, срещащи се в живи организми.

Изследването на молекулите-биомаркери и техните биологични прекурсори (предшественици) е едно от основните направления в съвременната органична геохимия. То помага за решаването на такива практически проблеми, като: корелации нефт-нефт, нефт-майчино органично вещество; реконструкция на условията по време на седиментогенезата; определяне степента на зрялост на органичното вещество и др. Всички тези проблеми са част от най-важната задача - да се определят седиментите, които могат да генерират или акумулират течни и/или газообразни въглеводороди.

Друго направление в органичната геохимия, са изследванията на атомно ниво, които дават информация за съдържанието на елементите въглерод (С), водород (Н), сяра (S), азот (N) и кислород (О), които изграждат органичната маса. Резултатите дават информация за количеството на органично вещество и за изходния му тип. Ценна геохимична информация дават и изследванията на количествата на изотопите на един елемент и съотношенията между тях. Най-често се ползват изотопите на въглерода: 12С и 13С.

Третото направление в органичната геохимия е изследване на органиката чрез пиролиза. Методът се изразява в изгаряне на органичното вещество в скалите в среда с недостиг на кислород, като дава полуколичествена оценка на потенциала за генериране на въглеводороди на изследваните седиментни скали.

Според съвременните схващания формирането на изкопаемите горива е резултат от натрупването (акумулирането) на въглеводороди, унаследени от живите организми, и последващото им преструктуриране под въздействие на температурата и други фактори, действащи в скалните комплекси. С други думи може да се каже, че образуването на изкопаемите горива започва в биосферата, но завършва в дълбоките зони на литосферата (геосферата). Биосферата представлява сложна система, включваща в себе си цялата хидросфера и тези области от топосферата и литосферата, в които постоянно или временно протича жизненият цикъл на различните организми. Биосферата включва 4 групи свързани организми, изграждащи хранителната верига:

- Първични продуценти - Към тях спадат сухоземните растения, водораслите и фитопланктона във водните басейни. Всички те използват слънчевата енергия за синтезирането на сложни органични съединения от прости неорганични вещества, чрез процеса на фотосинтезата.

- Първични консуматори - Това са животните, които се хранят със синтезираната първична материя. Те също произвеждат органичен материал, но количеството му пряко зависи от количеството на първичната материя. На практика, те са продуценти от втори ранг.

- Вторични консуматори - Към тях спадат хищниците, които се хранят за сметка на тревопасните животни. Те се явяват третото стъпало на веригата за производство на органична материя.

- Декомпозанти (разрушители) - Това са тези организми, които се хранят с нежива материя. Към тази група спадат безгръбначните животни, гъбите, бактериите и др.

Основни доставчици на органичен материал в утайките се явяват фитопланктона и бактериите. Това се дължи на тяхната изключителна приспособимост към средата на обитаване. Тези организми се появяват още през докамбия и съществуват и до днес, но през различните геоложки периоди, количеството на фосилизираните им останки се променя. Максимуми се отбелязват през ранния до среден девон, горнаюра-креда, късния палеоцен и еоцен. Веднага след бактериите, по производство на органичен материал, се нареждат сухоземните висши растения. Те се появяват през силурския период и през девона вече доминират.

Днес се смята, че морският фитопланктон и висшата сухоземна растителност произвеждат приблизително равни количества органичен въглерод. Това се дължи на голямата скорост на възпроизводство на едноклетъчни организми - главно диатомови.

Максималното количество биомаса на земната повърхност се концентрира върху екваториалния и субтропичния климатични пояси. В полярните пояси се наблюдава рязък спад в количеството произвеждана биомаса. Тази зоналност се определя от неравномерното разпределение на слънчевата светлина върху повърхността на планетата и количеството на валежите.

Разпределението на биомасата по различните ландшафти на земната повърхност се отличава с голяма неравномерност. Най-висока биопродуктивност имат екосистемите от алувиалните равнини и естуарите на големите реки, както и дъждовните тропически гори. В последните продуктивността се определя от високите температури, непрекъснатия растеж на растителните видове и голямото количество валежи. Най-слабо продуктивни на сушата са пустинните и полупустинни екосистеми.

Биопродуктивността на организмите в морска среда зависи от три главни фактора: светлина, температура и химически състав на морските води (наличие на хранителни вещества). Практически, цялото органично вещество в моретата и океаните се продуцира от едноклетъчни водорасли по време на фотосинтезата. Продуктивността се контролира от светлината, количествата кислород и постъпването на хранителни вещества (главно нитрати и фосфати). Смята се, че до дълбочина около 200 м се продуцира цялата биомаса. Най-продуктивна е зоната на повърхността, до дълбочина 80 м. В по-дълбоките води количеството на биопродукцията спада. С добри условия за биопродуциране се характеризират крайбрежните води.

Първичната биопродуктивност в езерата се определя от същите фактори, както в моретата и океаните. Що се отнася до блатата и тресавищата, тяхната продуктивност е много висока и може да се сравнява с тази на тропическите гори. Все пак тук влиянието на климата и окръжаващата суша е доста по-силно, заради сравнително малките площи на водното тяло и малките дълбочини на водоема.

Произведеното в биосферата органично вещество е изходен материал за формирането на изкопаемите горива. Съставът и типът на отлагащия се органичен материал се определя от групата организми-продуценти, както и от средата, която те обитават. Все пак, на молекулно ниво, тъканите на всички организми са изградени от едни и същи класове органични съединения, които се срещат и в изкопаемите горива. Това са: белтъчини, липиди, въглехидрати, лигнини (за висшите растения), количествата на които се различават в отделните групи продуценти. В различните продуценти освен тях, присъстват и други компоненти, макар и в доста малки количества. Това са представители на порфирини, т.е. пигменти, витамини, нуклеинови киселини.

1. Белтъчини.

Белтъчините са голяма група съединения, които изграждат фундамента на живото вещество, от където произлиза и другото им име протеини (на старогръцки - първи). Към белтъчините спадат болшинството азотсъдържащи съединения, срещащи се в живите организми. Протеините представляват макромолекули, изградени от свързани аминокиселини. Белтъчните вещества са изключително линейни полимери, без разклонения във веригата. Основно структурно звено е пептидната (амидната) връзка.

В състава на повечето протеини участват фрагменти на 20 аминокиселини. Те се срещат в най-различни отношения и ред на свързване, което определя 2.1018 брой структури.

Най-голямо количество протеини, до 60 - 65% съдържат бактериите, зоопланктона и зообентоса. В животните тяхното количество средно е 45% от масата им, докато в растенията съдържанието им е значително по-малко (1÷22% в дървесни видове).

По състав белтъчните вещества се разделят на прости и сложни (протеиди). Простите белтъчини са изградени единствено от аминокиселини и съответно при разлагане се получават само аминокиселини. В състава на сложните белтъчини (протеидите) участват и небелтъчни нискомолекулни органични съединения - фосфопротеиди, гликопротеиди и др. Съществуват и металосъдържащи белтъчни вещества - с координативно свързан метал към белтъчната матрица. Най-често метали са желязо (Fe-хемоглобин), манган и цинк (Zn - инсулин). Според функциите си в организма, протеините се делят на : скелетни, покривни (изграждат покривните тъкани), хранителни (натрупвания от резервна храна), защитни, преносители на кислород, ензими.

След отмирането на организмите, протеините бързо се хидролизират и така получените индивидуални аминокиселини, понякога се запазват и в изкопаемото органично вещество. Такива са установени в битумолити със силурска възраст.

2. Въглехидрати



Сподели линка с приятел:





Яндекс.Метрика
Органична геохимия 9 out of 10 based on 2 ratings. 2 user reviews.