Pierwiastki biogenne - biopierwiastki

Wszystkie pierwiastki układu okresowego biorą udział w procesach zachodzących w przyrodzie, ale tylko niektóre  z nich są  konieczne do życia organizmów żywych, inne są przez organizmy jedynie tolerowane, a niektóre działają toksycznie.

Do życia roślin niezbędnych jest 18 pierwiastków: C, O, H, N, S, P, Na, K, Mg, Ca, Mn, Fe, Cu, Zn, B, Si, Mo i Cl.

Do życia zwierząt (i człowieka) konieczne są 24 pierwiastki, które dzieli się na:

-        makroelementy: C, O, H, N, Na, K, Mg, Ca, P, S, Cl

-        mikroelementy (pierwiastki śladowe) : Cu, Zn, Fe, Cr, Mo, V, Mn, Co, Si, B, Sn, Se, F, J, Li, Ni, Al.

Wśród nich są pierwiastki konieczne do:

· budowy organizmu:  

węgiel, tlen, wodór, azot, siarka, i fosfor oraz wapń (budowa kości) i Si (szkielety roślin, np. okrzemków, gąbek, skrzypów, zbóż);

Z nich syntetyzowane są białka, cukry, tłuszcze i kwasy nukleinowe DNA i RNA przenoszące kod genetyczny materii żywej.

· utrzymania odczynu i ciśnienia osmotycznego płynów ustrojowych i równowagi jonowej organizmów:

-         kationotwórcze:  sód, potas, wapń, magez

-         anionotwórcze: chlor, siarka, fosfor, azot -jako NH4+ lub NO3-

· sterowania procesami metabolicznymi organizmu -

    pierwiastki śladowe: żelazo, cynk, miedź, chrom, bor, mangan, jod, cyna, selen, , fluor, lit, glin

lub ultraśladowe: nikiel, molibden, kobalt, wanad;

wchodzą w skład enzymów, koenzymów, hormonów, białek transportowych, regulatorów wzrostu itp.

Pierwiastki dostają się do organizmów z pożywieniem i w wyniku kumulacji ze środowiska (gleby, wód lub atmosfery). Ich rozmieszczenie w organizmach jest nierównomierne.

Niedobory składników mineralnych, ale też ich nadmiar lub niewłaściwy wzajemny stosunek mogą mieć szkodliwy wpływ na organizm żywy.

W przyrodzie pierwiastki ulegają przemianom, które są nazywane cyklami bio-geo-chemicznymi.

Obecność różnorodnych substancji chemicznych, masowo produkowanych i używanych, może powodować zakłócenie  naturalnego obiegu poszczególnych pierwiastków w biosferze (ekosystemie) i tym samym  być przyczyną skażenia środowiska.

skutki przemian chemicznych mają charakter ekologiczny

Konieczna jest wszechstronna edukacja pozwalająca na poznanie właściwości substancji chemicznych i wielorakich skutków ich stosowania!!

Podstawowym budulcem wszystkich organizmów są organiczne związki węgla, m.in. polisacharydy, lipidy, białka.

Cząsteczki te są bogatsze w energię niż cząsteczki nieorganicznych związków węgla, np. CO2,  i jej nadmiar oddają w procesach utleniania. Do takich należy np. spalanie, oddychanie, fermentacja.

Odwrotna reakcja tworzenia związków organicznych z nieorganicznych – reakcja fotosyntezy:

6 CO2  + 6 H2O  + energia (hn) ® C6H12O6  + 6O2

wymaga dostarczenia energii z zewnątrz i zachodzi, przy współudziale chlorofilu, dzięki wykorzystaniu energii słonecznej.

Podstawowym warunkiem zachowania życia na Ziemi są zasilane energią słoneczną cykliczne reakcje utlenienia i redukcji związków węgla zachodzące w biosferze.

                                          +  hn + chlorofil

paliwa kopalne:torf, ropa naftowa,                                                                                     węgiel, gaz ziemny

        Obieg węgla w przyrodzie

    Rośliny zielone w procesie fotosyntezy zużywają z atmosfery więcej CO2 niż produkują w procesie oddychania- wiążą rocznie ok. 50-80 bilionów kg CO2 !!!

    W wodzie CO2 asymilują okrzemki, glony i plankton.

Najważniejsze składniki materii żywej - węgiel i tlen podlegają wspólnemu cyklowi przemian.

Obieg węgla w przyrodzie

Obieg tlenu w przyrodzie

obieg wody w przyrodzie

Obieg azotu w przyrodzie:

Siarka w materii organicznej stanowi budulec białka, wiązanie S-S pełni kluczową rolę w podtrzymywaniu trzeciorzędowej struktury białka; jest  pobierana przez organizmy żywe głównie z nieorganicznych siarczanów, powstających z siarki rodzimej (wolnej) dzięki bakteriom utleniającym.

Obieg siarki w przyrodzie jest spowodowany przez wyspecjalizowane bakterie :

                                                                                                                             zasiarczony                   

                                                                                           węgiel i paliwa kopalne

      Fosfor  

-         w organizmach żywych występuje głównie pod postacią  połączeń nieorganicznych. Nierozpuszczalne fosforany są budulcem kości i zębów, a rozpuszczalne – są mineralnym składnikiem kwasów nukleinowych, nukleotydów, fosfatydów, fosfoprotein, fosfolipidów i fityny. 

                                                               Rośliny

Fosforany rozpuszczalne w wodzie H2PO4-

Bardzo powoli                                                                                      Powolna mineralizacja

Odpady zwierzęce i roślinne

              OH-              Al3+              Ca2+              H3O+

Fosforany organiczne

Fosforany strącone Ca2+/PO3-4

Fosforany zaadsorbowane Al3+/PO3-4

Fosforany w skałach (apetyty) Ca2+/PO43-

              H2O

Fosforany zaokludowane Fe3+/PO3-4

                                              Wymywanie – do wód powierzchniowych

Obieg fosforu w glebie

Potas, sód, wapń, magnez – pobierane z pożywieniem

Potas – uczestniczy w systemie buforowym regulującym pH krwi, w przemianie węglowodanów i w syntezie białka; jest niezbędny do rozwoju roślin (dostarcza się go w postaci nawozów sztucznych);

Sód – bardzo ważny dla organizmów zwierzęcych (mniej dla roślin), jako NaCl wspomaga utrzymywanie pH krwi i właściwe ciśnienie osmotyczne komórek;

Wapń – wraz z reszta fosforanowa jest budulcem układu kostnego i zębów, jony wapniowe uczestniczą w kontrolowaniu funkcji układu nerwowego; nierozpuszczalne sole wapnia rozpuszczają się w kwasie żołądkowym, przyswajanie jonów Ca2+ zależy od obecności innych składników pożywienia;

Magnez – w organizmie ludzkim występuje głównie w tkance kostnej, ale też w mięśniach i innych tkankach; jest aktywatorem różnych enzymów, bierze udział w przemianie cukrów, reguluje działanie układu nerwowego, działa przeciw miażdżycowo obniżając poziom cholesterolu w krwi, w roślinach jest składnikiem chlorofilu decydującym o fotosyntezie;

  magnez wykazuje działanie swoiste i nie może być zastąpiony innym pierwiastkiem,

   jest antagonistą ołowiu (zapobiega odkładaniu się tego pierwiastka w glebie), rakotwórczego chromu i glinu wywołującego chorobę Altzheimera; do nadmiernego wydalania magnezu z organizmu przyczyniają się stresy, alkohol, wysoka temperatura otoczenia, antybiotyki i leki odwadniające, uspakajające i antykoncepcyjne.