Miljøaspekter af en forskerkemikers aktivitet. Åbent bibliotek - åbent bibliotek med pædagogisk information

Miljøaspekter af undervisning i kemi i skolen

Introduktion

I vores svære tider. Da kemi som videnskab blev en social udstødelse. Vi er nødt til at genoverveje både indholdet af faget og metoderne til at undervise i det, og ændre ikke kun vægten, men prioriteterne for at overvinde kemofobi.

Kursets hovedspørgsmål bør afgøres af både vigtigheden af ​​at erhverve viden for udviklingen af ​​elevernes intelligens, og relevansen af ​​denne viden i en persons virkelige liv og i dets praktiske aktiviteter. Fra dette synspunkt er fremskridt i kemisk uddannelse nødvendig, da uden det er det umuligt at tilfredsstille samfundets objektive behov for udbredt brug af resultaterne af kemisk videnskab og industri.

Konceptet med moderne skolekemiundervisning er baseret på principperne om humanisering, individualisering og differentiering af uddannelse, der lægges stor vægt på miljøaspekter, udvikling af generel kultur, styrkelse af skolebørns sundhed og øget miljøfærdighed.

Aktuelle emner.

Kemi, som et af de grundlæggende vidensområder, bestemmer i høj grad udviklingen af ​​andre vigtige områder inden for videnskab og teknologi. Det er kendt, at uden kemi, kemiske processer og kemiske produkter kan der ikke eksistere en eneste produktion, ikke en eneste gren af ​​den moderne økonomi og sociale sfære.

Det er nødvendigt at sikre, at eleverne forstår den praktiske betydning af kemi og dens sammenhæng med hverdagen. De skal overbevises om muligheden for gennem kemi at finde svar på andre "hvorfor" fra deres livs sfære og industrielle interesser. Det er især vigtigt at løse spørgsmålet om grundlæggende "kemiske" beredskab hos mennesker, for i dag kommer næsten hver eneste af os i kontakt med stoffer, der kan forårsage skade på mennesker. Det er dog ikke mange af de forbrugere, der bruger medicin, kosmetik og parfume, farvestoffer, plast, gødning, fibre, forskellige typer brændstoffer osv., der er klar over de farer, der er forbundet med brugen. Denne modsigelse forårsager mange problemer, der rammer mennesker. Desværre udføres aktivt pædagogisk arbejde med elever på de fleste skoler i forbindelse med karakteriseringen af ​​de grundlæggende egenskaber af kemiske forbindelser, der er almindelige i hverdagen og i produktionen, især med hensyn til deres påvirkning af miljøet, ekstremt svagt og uregelmæssigt. Som udgangspunkt modtager eleverne kun generelle teoretiske ideer, der ikke er tilpasset livets realiteter og især miljøspørgsmål.

En negativ holdning til kemi fører til manglende evne til at tilpasse sig civiliseret, moderne liv, miljømæssig analfabetisme, hvis konsekvens ikke kun vil blive ugunstigt stillet i uddannelsen af ​​skolebørn, men også forberedelsen af ​​miljømæssige tidsindstillede bomber. Dette vil kun uddybe konflikten mellem mennesket og naturen.

I de senere år er der påbegyndt arbejde relateret til kemisk-økologisk uddannelse i en række videnskabelige og uddannelsesmæssige centre i forskellige lande, men ofte var de af deklarativ karakter.

Jeg ser min opgave som at indgyde eleverne et ønske om at tilegne sig viden; sørg for, at selve læreprocessen fanger dem; bidraget til udvikling af kognitiv aktivitet og interesse for faget. Til dette formål inddrager jeg overvejelser om miljømæssige og valeologiske problemstillinger i kemikursets pensum. Dette program er rettet mod at udvikle naturvidenskabelige ideer hos eleverne om verden omkring dem og dens love, humanistiske relationer og miljøvenlig adfærd og intellektuel moralsk forbedring af eleverne. Indholdet af programmet forbereder børn til en bevidst opfattelse af det kemiske billede af verden og tilbyder implementering af et integreret princip, det vil sige, at det kræver, at eleverne anvender viden og færdigheder fra forskellige emner i det naturlige kredsløb. Værkets relevans skyldes en række problemer, der består i at overvinde den velkendte abstrakthed af faget kemi, bias i dets vurdering og forholdet mellem kemiske begreber og de miljømæssige aspekter af det virkelige menneskeliv.

Mål og formål med arbejdet:

Overvejelse af de grundlæggende principper for grønnere kemisk uddannelse;

Analyse af former og metoder (teknikker) til at danne en økologisk kultur i undervisningen i kemi;

Karakteristika for menneskets rolle i processen med erkendelse, transformation og brug af naturen.

Den praktiske betydning af arbejdet ligger i, at det indeholder metodologiske undersøgelser af miljøkommentarer til kemikursets hovedbestemmelser, så man kan mestre kemiens love ved hjælp af specifikke miljøeksempler; overvejelse af metoder til udvikling af en bevidst holdning til naturen, miljøbevidst adfærd under ugunstige miljøforhold.

Resultaterne af gennemførelsen af ​​arbejdet på Lyceum nr. 4 viste dets effektivitet og praktiske værdi, hvilket øgede elevernes interesse for emner i det naturlige og økologiske kredsløb; gjort det muligt at genoverveje forskellige tilgange til overvejelsen af ​​brugen af ​​kemipræstationer i praktiske menneskelige aktiviteter, til betydningen af ​​den anvendte natur af kemisk viden.

Godkendelse af arbejde. Hovedresultaterne af arbejdet blev rapporteret og diskuteret på de pædagogiske råd i Lyceum nr. 4, på møder i det videnskabelige og metodologiske råd i afdelingen for lyceums naturlige og økologiske kredsløb. På et seminar for skoleledere i Kominternovsky-distriktet blev der givet en lektion om "Varmemotorer og miljøbeskyttelse" sammen med en fysiklærer baseret på de fysiske, kemiske og miljømæssige aspekter af problemet. Baseret på værkets materialer blev artikler offentliggjort i samlingen "Uddannelse af Voronezh ved århundredeskiftet. Uddannelsesområde "Naturvidenskab". Kemi "På randen af ​​to årtusinder, ved begyndelsen af ​​to århundreder."

KAPITEL 1

Status for problemet med at gøre undervisningen i kemi grønnere i

videnskab og praksis.

1.1. Behovet for at indføre miljøundervisning i gymnasier og dets grundlæggende principper.

Blandt de moderne problemer, som verdenssamfundet står over for, skiller man sig især ud - problemet med forringelse af kvaliteten af ​​det menneskelige miljø. Det er af global karakter og bekymrer folk i alle lande. Det første land, der mærkede den negative virkning af kemisk forurening af det naturlige miljø, var Japan. I dette land er over 80% af territoriet direkte påvirket af industriel produktion. Japanerne var de første til at tale om problemet med "kogai", hvilket betyder faren for skade fra miljøforurening. Snart stødte andre lande også på dette problem. Stigningen i miljøforurening er synlig og forårsager følelsesmæssig kritik fra folk. Normalt er befolkningens hovedklager rettet mod kemi. I mellemtiden, hvad angår forurening, er den kemiske industri mærkbart ringere end brændstof- og energikomplekset, motortransport, jern- og ikke-jernmetallurgi og endda industrien. I de seneste år har den mest ugunstige situation været forureningen af ​​atmosfæren i byen Voronezh med benzopyren indeholdt i biludstødninger og støv, hvoraf andelen i ikke-standard laboratorieanalyser dagligt er 15-20%. En økologisk og geokemisk undersøgelse af jorddækket viste, at situationen med hensyn til jordforurening med bly og zink er meget ugunstig. Andelen af ​​utilfredsstillende analyser af jordprøver i byen som helhed er henholdsvis 19,3 og 15,5 %, og i den industrielle højrebredsdel af byen stiger denne værdi til 40-46 %. I mellemtiden er disse ingredienser specifikke indikatorer for en stigning i sygdommen hos børn. Blandt børnesygdomme i Voronezh dominerer luftvejssygdomme (65%), hvis niveau overstiger det tilsvarende russiske gennemsnit med 1,2 gange for byen som helhed. Forebyggelse af øget kontrol kræver også neoplasmer og medfødte anomalier, hvis rumlige forskelle i niveauer pålideligt korrelerer med intensiteten af ​​miljøforurening.

Der er etableret sammenhænge mellem koncentrationer af formaldehyd i atmosfæren og sygdommen bronkial astma samt høje niveauer af støv i atmosfæren med blodsygdomme. Lungebetændelse er oftere registreret i områder med høje niveauer af bly og kulilte. Når intensiteten af ​​luftforurening stiger, oplever børn udtalte ændringer i hæmatologiske parametre og en tilsvarende stigning i sygelighed.

Under de nuværende forhold er det nødvendigt at foretage en objektiv analyse af årsagerne til udvidelsen af ​​miljøforurening og stigningen i katastrofer forbundet med den ukontrollerede spredning af kemiske forbindelser af teknisk eller biologisk oprindelse. Det er vanskeligt at gennemføre en sådan analyse, men to hovedaspekter af det overordnede problem kan identificeres. Det første aspekt vedrører områderne politik og sociologi og vedrører modsætninger i økonomisk udvikling.

Det andet aspekt er relateret til personens beredskab til at bruge naturvidenskabernes resultater inden for produktion og indenlandske sfærer.

En let, rent teknokratisk holdning til naturen og direkte miljøuvidenhed har ført til en række katastrofer med uoprettelige konsekvenser. Fakta om monstrøs forurening er meget veltalende og fordømmes skarpt af befolkningen. Men tilbagefald, der opstod, blev sjældent analyseret og blev normalt kun vurderet ud fra et følelsesmæssigt synspunkt. Sådan opstod kemofobi. I mellemtiden viser en nøje redegørelse for omstændighederne, at de miljømæssige sammenbrud, der forekommer, normalt ikke bestemmes af kemiens særegenheder, men kun af arbejdernes lave kvalifikationer og ikke altid ordentlig moral.

Grundårsagen til alle de bemærkede problemer, bortset fra fejl i planlægning og konstruktion, er langvarige udeladelser i undervisningen i kemi på gymnasiet og som følge heraf befolkningens manglende kemiske viden. En slående modsigelse viser sig; Alle mennesker beskæftiger sig systematisk med kemikalier og processer, men kun få kan rette deres handlinger med forståelse. Det skal dog bemærkes, at det er i kemitimerne, at man klart og overbevisende kan demonstrere både de negative aspekter af menneskelig indgriben i det naturlige miljø, og mulige måder at optimere menneskeskabte påvirkninger på det.

Der er behov for et møjsommeligt arbejde for at ændre menneskets bevidsthed i forhold til miljøledelse og uddannelse, og skabe en miljøkultur.

Strategien for miljøledelse, baseret på ideen om menneskets magt og dets vækst over naturen i en tid med videnskabelig og teknologisk revolution, som i lang tid virkede urokkelig, viste sig i virkeligheden blot at være en strategi for "æbletræets ideologi om vores forhold til naturen", som involverer en masse arbejde for at genopbygge menneskers bevidsthed, for at grønne den. Bevidstheden om denne situation bidrog til formuleringen af ​​seriøse opgaver, både på det praktiske område og inden for grundvidenskabelig forskning. Repræsentanter for en række videnskaber, ikke kun naturvidenskab, men også humaniora, begyndte at studere miljøproblemer. Dette skyldes, at sammen med behovet for at udvikle en ny strategi for miljøledelse og skabe grundlæggende nye industrielle teknologier, er opgaven med økologisk omstrukturering af menneskers bevidsthed og udbredt propaganda for miljøviden blevet nødvendig.

Det vigtigste er gennemførelsen af ​​de beslutninger, der træffes, som i sidste ende afhænger af os selv, vores viden, overbevisninger og vilje. Her har vi brug for grundlæggende ny økologisk tænkning, der overvinder forbrugerpsykologien i forhold til naturen. Samfundet skal kende de grundlæggende love for naturens udvikling, finde måder at løse problemer på, lære at træffe beslutninger i situationer med moralsk valg og prognose, det vil sige gennemgå hele kæden fra miljøviden til miljøtænkning og miljømæssigt begrundet adfærd.

Dannelsen af ​​en høj økologisk kultur er mulig, forudsat at indholdet af skoleundervisningen omfatter følgende elementer: et system af viden om samspillet mellem samfund og natur; værdsætte miljøorienteringer; et system af normer og regler for forholdet til naturen, evnen og færdigheden til at studere og beskytte den.

Miljøundervisning og -opdragelse er en af ​​skolens hovedopgaver.

1.2. Indhold af miljøundervisning i kemitimerne.

Miljøundervisning og miljøundervisning er to hovedvægte relateret til dannelsen af ​​holdninger til naturen. Med miljøuddannelse er lærerens opmærksomhed fokuseret på processen med overførsel og assimilering af studerende med akkumuleret erfaring i miljøforhold og med miljøuddannelse - på dannelsen af ​​passende personlighedskvaliteter. Det endelige mål for miljøuddannelse og -opdragelse er det samme - dannelsen af ​​optimale forhold mellem en person og dennes omgivelser. Implementeret inden for rammerne af et enkelt pædagogisk forløb. I bund og grund er det endelige mål meget dybere. Det består i at skabe betingelser for elevernes intellektuelle, personlige og sociale udvikling, indgyde dem en følelse af personligt ansvar for miljøets tilstand, ønsket om dybt at forstå essensen og inkonsekvensen af ​​de igangværende ændringer i den økologiske udvikling af vores planet

Systemet med miljøviden bør give et vendepunkt i menneskers bevidsthed, deres verdenssyn og holdninger til naturressourcer. Økologi er blevet et tegn på det moderne udviklingsstadium af universel menneskelig kultur. Derfor er målet med miljøundervisning dannelsen af ​​en miljøkultur. Begrebet økologisk kultur omfatter viden og færdigheder, niveauet for moralsk og æstetisk udvikling af verdensbilledet, metoder og former for kommunikation mellem mennesker

Miljøundervisningens indhold er så rigt og mangfoldigt, at det ikke kan udvikles inden for rammerne af et eller flere fag. Derfor taler lærerne om miljøundervisningens tværfaglige karakter, de brede muligheder for næsten alle akademiske fag og hver enkelts særlige betydning for dannelsen af ​​elevernes miljøkultur. Et eksempel på dette er implementeringen af ​​miljøviden i folkeskolen, ikke kun i kurset "Naturhistorie", men også i de nye læreplaner for skolens discipliner. De kurser, der udvikles, er rettet mod at involvere alle studerende i processen med omfattende viden om verden og øge det generelle niveau af deres viden. I nye uddannelser prioriteres de emner, der er mere betydningsfulde på nuværende tidspunkt og forbliver relevante i de næste årtier.

En tværfaglig tilgang kræver at definere funktionen af ​​hvert fag i det generelle system af miljøundervisning, fremhæve tværfaglige forbindelser, generalisere tværfaglige tilgange, der danner integriteten af ​​alle akademiske discipliner forenet af målet om at forstå den omgivende verden. Indholdet af akademiske discipliner kræver tværfaglig koordinering og trin-for-trin integration af relevant viden.

Miljøundervisning er uløseligt forbundet med viden om den dialektiske karakter af samspillet mellem elementer i "menneske-samfund-natur"-systemet. Afspejlingen af ​​denne treenighed udgør kernen, som i indholdet af den almene dannelse gør det muligt på niveau med tværkredsløbsforbindelser at afsløre naturens verden og menneskers verden som en helhed.

Modellen for miljøundervisning omfatter ikke kun en indholdsstruktur, men også de grundlæggende betingelser for at nå målet.

https://pandia.ru/text/78/141/images/image002_5.gif" width="612" height="372">

Faktorer i miljøundervisning, der bestemmer skolebørns ansvarlige holdning til det naturlige miljø.

Det bør forklares for den yngre generation, at den nuværende tilstand af miljøet udgør den samme fare for menneskeheden som atomkrig. Den eneste forskel er, at miljøproblemer er mere lumske... En farlig vrangforestilling er trøsten i håbet om, at menneskeheden vil være i stand til at stoppe med at ødelægge verden omkring os, når den kommer tæt på økologisk ødelæggelse. Det bliver sent! Dette er hele problemets lumskehed.

Smart, subtil miljøuddannelse og uddannelse af nye generationer er den kraft, der stadig kan fryse og vende pilene tilbage på den monstrøse mekanisme, der truer ødelæggelsen af ​​vores planet. .

Viden om essensen af ​​verden omkring os fungerer som et integrerende led i fagene i det naturlige kredsløb, og undervisningen i kemi tildeles en vigtig rolle i en grønnere uddannelse.

Sammen med beherskelse af grundvidenskabens grundlæggende principper, herunder dets sprog, de vigtigste fakta, begreber, teorier og love, bør tilgængelige generaliseringer af den ideologiske karakter af undervisning i kemi bidrage til: udvikling og intellektuel forbedring af individet; dannelse hos elever af miljømæssigt passende adfærd, en rimelig holdning til sig selv, mennesker og det naturlige miljø; at udvikle forståelse for det sociale behov for udvikling af kemi, udvikle elevernes holdninger til kemi som et muligt område for fremtidig praktisk aktivitet.

Udvælgelsen af ​​miljømateriale til optagelse i kemipensum bør udføres under hensyntagen til didaktikkens grundlæggende principper. Hovedkriterierne er videnskabelig karakter, tilgængelighed til studier, logisk sammenhæng med indholdet i det akademiske fag, som giver mulighed for et pædagogisk forsvarligt udvalg af spørgsmål om de kemiske aspekter af økologi, udvikling af indhold og metoder til at studere dem i kemitimerne.

Hvilken plads indtager kemisk uddannelse i det overordnede miljøuddannelsessystem?

Traditionelt er hovedmålet med undervisning i kemi, at eleven skulle introduceres til stoffernes verden (både naturlige og menneskeskabte), for at lægge grundlaget for at forstå årsagerne til dens mangfoldighed, for ikke kun at danne sig en generel forståelse af metoderne til at opnå og anvendelsesområder for stoffer, men også praktiske færdigheder håndterer dem. Utilstrækkelig information om stoffers biologiske rolle, deres skadelige virkninger på den menneskelige krop og miljøet har rejst endnu en uddannelsesmæssig udfordring i

undervisning i kemi - på baggrund af Grundlæggende kemisk viden til at danne systematisk viden om de kemiske aspekter af økologi og miljøproblemer. Dette system omfatter viden om stofferne i den levende natur, om vekselvirkningerne forbundet med manifestationen af ​​liv i plante- og dyreverdenen, om organismers kemiske forhold til hinanden og miljøet, om samspillet mellem menneskeskabte faktorer både på personen sig selv og på alt levende

Systemet af økologiske og kemisk-økologiske begreber i kemisk undervisning omfatter spørgsmål om stoffernes kredsløb i naturen, ændringer og omdannelser af energi i biosfæren, overvejelse af stoffets miljødannende funktioner og dermed globale problemer, økosystemers integrerende egenskaber , såsom tilstedeværelsen af ​​næringsstoffer og deres kemiske omdannelse; selvhelbredelse af økosystemer, menneskeskabte ændringer i økosystemer; implementering af mønstre for interaktion af organer med miljøet i praktisk menneskelig aktivitet, i miljøbeskyttelse; love om bevarelse af stof og energi, den materielle verdens enhed; modsætninger i samspillet mellem samfund og natur, samfundsudvikling på bekostning af naturressourcer.

Økologi og kemi supplerer hinanden. Introduktionen af ​​termodynamikkens principper i økologien gav anledning til produktions-energiøkologi, som studerer mønstrene for spredning af energiflow i fødekæder. Et kig på mangfoldigheden af ​​miljøforhold gennem prisme af uorganisk kemi afslører en bred vifte af fænomener forårsaget af menneskelig påvirkning af biosfæren og den livløse natur. En vigtig komponent i biflodsprocesser på planeten er den globale cirkulære og transformationer, der gennemgår sådanne grundlæggende elementer som kulstof, nitrogen, brint, svovl og fosfor... Mange uorganiske forbindelser kan og allerede påvirke

på planetens klima og dens atmosfæres tilstand, på kvaliteten af ​​det naturlige miljø, som mennesker lever i, og dermed på folks sundhed

Inden for rammerne af uorganisk kemi er det af interesse at være opmærksom ikke kun på menneskeskabte deformationer af naturlige kredsløb af kemiske stoffer og brugen af ​​miljøkvalitet, men også på søgen efter løsninger på socioøkologiske problemer: energi, råmaterialer, osv. For eksempel udsigterne for brintenergi; iltens og ozonens rolle i at sikre liv på Jorden; metaller i biosfæren og menneskekroppen mv.

Processer relateret til området organisk kemi spiller en enorm rolle i miljøforhold. Organiske forbindelser danner grundlaget for den del af biosfæren, som blev kaldt "levende stof". Menneskers liv som biologiske individer er bestemt af komplekse omdannelser af organiske stoffer i menneskekroppen og stofskifte med miljøet. Endelig er selve menneskehedens overlevelse i dag umulig uden den udbredte brug af økologiske ting i hverdagen, i medicin, industri, landbrug mv.

At forstå organiske stoffers rolle i eksistensen og udviklingen af ​​det komplekse sociobiosfærekompleks af Jorden som helhed og dens hoveddele er et vigtigt aspekt af den kemiske læsning af moderne økonomi.

Økologiske resultater tjener som grundlaget for at løse en række presserende problemer i vor tid. Især med data opnået af økologi

Logikken i en sund livsstil: at prioritere åndelige behov frem for materielle, at bekymre sig om at bevare sit fysiske helbred. En sådan person vil i fremtiden kunne lade sig vejlede i sine professionelle aktiviteter af principperne om miljømæssige og moralske imperativer (15, s. 3).

Lad os vende os til problemet med at organisere undervisningen i kemi i gymnasiet. På vejen til at transformere fagundervisning og skabe et system med miljøundervisning for skolebørn støder læreren på visse vanskeligheder. For det første er der opstået kemofobi i samfundet, hvilket har fået børn til i første omgang at foragte emnet. For det andet selve emnets abstrakthed.

Det vigtigste er at ændre (grønne) dit eget verdensbillede, at realisere dit ansvar (menneskelige og professionelle) for at forberede en miljøuddannet yngre generation. Det er nødvendigt systematisk at informere om kemiens resultater for at beskytte miljøet.

1.3. Gennemgang af litterære kilder om miljøuddannelse.

Kemikurset, der undervises i moderne gymnasier, løser ikke fuldt ud problemerne med miljøundervisning og -opdragelse. Miljøspørgsmål er angivet deklarativt, er ikke undersøgt i dybden og er kun skitserede. Aktiviteter til undersøgelse af kemiske processers og kemiske forbindelsers indflydelse på miljøet kan dog ikke fuldt ud erstatte den systematiske undersøgelse af disse spørgsmål.

Kemi er et af de vigtigste fag, på grundlag af hvilke dialektikken dannes - materialistiske ideer om verden omkring os.

Ifølge det nuværende program har kandidater i klasse IX en meget ufuldstændig, fragmentarisk forståelse af kemi, da spørgsmål om organisk og generel kemi studeres i klasse X-XI. Under hensyntagen til differentieringen af ​​uddannelse i gymnasiet vil mange studerende måske slet ikke studere kemi, hvilket vil føre til fuldstændig uvidenhed om en række vitale spørgsmål og komplicere den menneskelige eksistens i den moderne verden, da skolekandidater ikke vil forstå f.eks. , årsagerne til de skadelige virkninger af menneskelig økonomisk aktivitet på flora og fauna og biosfæren som helhed og andre lignende spørgsmål.

Det er således nødvendigt at ændre kemiuddannelsen radikalt og dermed kemikurset som helhed.

Ved Institut for metoder til undervisning i emner af den naturlige og matematiske cyklus ved Moskva State University of Applied Sciences blev der udviklet et nyt kemikursusprogram "Økologi og dialektik", og på grundlag heraf blev der udført et eksperiment i tyve skoler i Moskva og Moskva-regionen. Dets karakteristiske træk er, at kandidater fra klasse IX på basis af det får en generel forståelse af kemisk videnskab som helhed såvel som af alle dens sektioner. På det grundlæggende niveau, der slutter med niende klasse, bliver eleverne fortrolige med kemiens rolle og plads i moderne menneskelig økonomisk aktivitet, dens indvirkning på miljøet og måder at overvinde den negative indvirkning af praktiske menneskelige aktiviteter på flora, fauna og den menneskelige krop forbundet med brugen af ​​kemisk produktion.

I dette program lægges der stor vægt på at opstille kemiske eksperimenter, brugen af ​​forskellige vigtigste kemiske forbindelser i menneskelig praksis, deres indvirkning på miljøet og den menneskelige krop. Gennem viden om kemiske forbindelser og kemiske fænomener udvikler eleverne en særlig holdning til det menneskelige miljø,

Der skabes et grundlag for en korrekt forståelse af miljøproblemer, uden hvilke det er umuligt for menneskeheden at eksistere i den moderne verden; der dannes en idé om kompleksiteten af ​​inkonsistensen af ​​forskellige processer, herunder kemiske, som gør det muligt på denne baggrund at trække på viden fra andre forløb i det naturlige og matematiske kredsløb, for at danne en dialektisk-materialistisk forståelse af den omgivende aktivitet. Samtidig skal dette kemikursus også løse problemerne med at uddanne fagfolk - kemikere, såvel som folk, der har brug for dyb viden om kemi for at kunne gennemføre deres professionelle opgaver. Det er designet til at skabe et fundament af solid kemisk viden, på grundlag af hvilket et højere niveau af viden og forståelse af kemi kan dannes i klasse X - XI i gymnasiet. Dette kursus forudsætter implementeringen af ​​differentieret undervisning, idet der tages højde for særegenhederne ved at mestre kemisk viden både af studerende med et reduceret uddannelsesniveau i undervisningsmateriale og af studerende, hvis indledende niveau af forståelse af kemi er ret højt.

Det udviklede program "Økologi og dialektik" forudsætter et dybt forhold til biologi, fysik, geografi og andre discipliner studeret på skolen, hvilket vil give eleverne mulighed for at danne en holistisk forståelse af verden omkring dem.

Dette program er dog designet til dybdegående studier af emnet med et propædeutisk kursus i 7. klasse og er kun egnet i specialiserede skoler eller klasser. Specialister fra Moscow State Pedagogical University opkaldt efter. N Zvereva og en række integrerede kurser blev udviklet: "Biosfære og menneske", "Økologi og civilisation", et økologisk kemikursus; "fra emne til emne.

Programmet for det integrerede kursus "Biosfære og menneske" er beregnet til studerende i gymnasiet og sekundære specialiserede institutioner inden for humaniora. Denne tilgang er så meget desto mere relevant, fordi der i den humanistiske uddannelse på det seneste har været en stigende tendens til at reducere kurser i naturvidenskab og primært kemi. Integration af naturvidenskabelig viden giver os mulighed for at løse problemet med at danne en holistisk opfattelse af verden omkring os, udvikle interessen for kemividenskab og udvikle kemisk viden på et godt niveau.

Formålet med dette kursus er at gøre eleverne grønnere og popularisere undervisningen. Kursets førende ideer: mennesket er årsagen til miljøproblemer, og kun mennesket kan løse dem; verdens integritet og mangfoldighed. Opmærksomheden er fokuseret på studiet af naturen selv, mangfoldigheden af ​​niveauer af organisering af livet, udviklingen af ​​både den organiske verden og forholdet mellem mennesket og naturen.

Men kurset "Biosfære og menneske" er meget specifikt og erklæres som et særskilt specialfag i klasse X-XI. Det er dog ikke alle skoler, der har ekstra timer i deres læseplan for at introducere dette kursus.

foreslået et økologisk forløb "Økologi og civilisation", som har en klart tværfaglig karakter, herunder filosofisk-historiske, social-moralske, biologiske, geografiske og fysisk-kemiske aspekter af miljøproblemer.

Som led i miljøundervisning og -opdragelse udføres propædeutik i klasse I-VII i form af at studere kurset "Verden omkring dig" (I-II klasser), "Naturvidenskab" (I-IV klasser), studerende videre akkumulere viden om naturlige objekter, nogle mønstre udvikling af naturen, fakta om menneskeskabt påvirkning af miljøet; undervise skolebørn

kov analyse og modellering af simple situationer. På dette stadie er den mest effektive måde at grønne akademiske discipliner i kombination med problematiske valgfag, klubarbejde og lokalhistorisk arbejde.

I processen med at undervise i kemi i klasse VIII og IX er det vigtigt at inkludere overvejelser om problemer med at beskytte miljøet mod kemisk forurening. Det økologiske kemikursus er baseret på ideer om sammenhængen mellem stoffers sammensætning, struktur, egenskaber og biologiske funktion; deres dobbelte rolle i den levende natur; biologisk udskiftelighed af kemiske elementer og konsekvenserne af denne proces for organismer; årsager til afbrydelse af biogeokemiske kredsløb; kemiens rolle i løsningen af ​​miljøproblemer.

På det sidste trin af uddannelsen (X_XI klasse) fortsætter forbedringen af ​​kemisk viden i processen med at mestre kurset i organisk og generel kemi. Dens indhold giver os mulighed for at udvikle ideer om manifestationen af ​​kemiske love i naturlige processer; forstå sådanne økologiske mønstre som cyklicitet og kontinuitet i udveksling af stof mellem biosfærens bestanddele.

Økologisk kemi kursus X klasse. suppleres af et valgfag "Kemi og miljøbeskyttelse", som dækker de kemiske aspekter af miljøproblemer på lokalt, regionalt og globalt plan. En integreret del af dette kursus er en laboratorieworkshop, som involverer tilrettelæggelse af studerendes forskningsaktiviteter for at studere den menneskeskabte påvirkning af naturlige genstande.

Den akademiske disciplin "Økologi og civilisation" blev introduceret sideløbende med studiet af kemi i klasse X og XI (14, s. 43).

Grundet integrationen af ​​disse kurser implementeres programmerne inden for flere fag og af flere undervisere.

For klasse VIII – XI blev der foreslået et program for et miljøvenligt kemikursus: fra emne til emne. Dens hovedfokus er på disse fænomener -

Lenyas, der forårsager alvorlig bekymring for det naturlige miljøs tilstand og civilisationens fremtid: global opvarmning, nedbrydning af det atmosfæriske ozonlag, sur regn, ophobning af giftige tungmetaller og pesticider i jorden, forurening af store områder med radionuklider, udtømning af klodens naturressourcer.

Naturen er i sin naturlige udvikling i dynamisk ligevægt;

Det umiddelbare resultat af samspillet mellem mennesket og naturen er ændringer i den kemiske sammensætning af komponenterne i miljøet, hvilket fører til et skift i den naturlige balance;

Kemisk viden er en integreret del af viden om det grundlæggende i naturbevarelse, rationel udnyttelse af naturressourcer og rimelig omdannelse af miljøet af mennesker.

Kemiens rolle i løsningen af ​​miljøproblemer på nuværende tidspunkt er væsentlig:

A) Undersøgelse af sammensætning, struktur, egenskaber, hvordan dette eller hint stof opfører sig i atmosfæren, jorden, vandmiljøet, hvilke virkninger det og produkterne af dets transformationer har på biologiske emner;

B) Ved at afsløre mekanismerne for biogeokemiske processer i grundstoffernes naturlige cyklus bidrager kemien til at løse problemet med den mest naturlige og "smertefri" industriproduktions indtræden i naturlige kredsløb, hvilket gør den til en del af ethvert økosystem.

C) Brug af forskellige metoder til kemisk-analytisk overvågning af miljøobjekters tilstand eller kvaliteten af ​​færdige produkter i en række industrier (kemisk, petrokemisk
, mikrobiologisk, farmaceutisk), kemi giver dig mulighed for at få de oplysninger, der er nødvendige for efterfølgende beslutningstagning om at forhindre indtrængen af ​​skadelige

Nye stoffer til kontrollerede genstande, rengøring af disse genstande, metoder til at beskytte dem osv.

Et økologisk kemikursus gør det muligt at afsløre denne videnskabs særlige rolle i kampen mod miljøuvidenhed, manifesteret i den indgroede idé om kemiens "skyld" i den nuværende miljøsituation, for at tiltrække skolebørn til forskningsarbejde at studere tilstanden af ​​det naturlige miljø og at indgyde dem en følelse af personligt ansvar for dets bevarelse.

Værdien af ​​dette program ligger i det faktum, at miljøkoncepter giver genlyd i alle emner inden for kemi, hvilket udvider, uddyber og systematiserer elevernes viden om grundlæggende kemiske love og deres forhold til miljøets tilstand. Når man overvejer ethvert kemisk spørgsmål, kan miljøaspekter præsenteres enten i form af en kort besked, en rapport i klassen, forsvar af et essay, opstilling af et miljøeksperiment eller løsning af et miljøproblem, der hjælper med at mestre kemiens love ved hjælp af specifikke miljømæssige eksempler.

A (MPGU opkaldt efter V.I. Lenin), (LGUU), Mu (MNPO "Sintez"), (MSU opkaldt efter..) har udviklet programmer med valgfrie kurser om miljøundervisning for skolebørn: "Sund menneskelig livsstil i en forurenet biosfære", "Grundlæggende om generel økologi og miljøbeskyttelse", "Økologiske problemer i Leningrad-regionen", "Kemiske elementers biologiske rolle". Disse valgfag sikrer dannelsen af ​​elevernes vidensystem (niveau af miljøbevidsthed) med elementer af miljøkultur (elevers værdiorientering mod videnskabeligt baseret miljøledelse). For en mere fuldstændig undersøgelse af økologiens grundlæggende principper i forbindelse med kemiens grundlæggende principper, generelle pædagogiske cyklusser indeholdende generelle miljømæssige

Gennemførelse af disse opgaver øger niveauet af læringsmotivation og letter processen med at erhverve viden.

Når man differentierer efter interesser, kommer teknologi i kontakt med kulturelt pædagogisk undervisningsteknologi, som bidrager til menneskeliggørelse af uddannelse. Som en del af denne teknologi er der en afdeling for miljøkultur: fortrolighed med problemerne med at bevare naturen, det menneskelige miljø, enestående menneskelig kultur: pleje en kærlighed til naturen, dybdegående undersøgelse af geografi, biologi og kemi. Som specifikke, ofte metodiske og lokale teknologier kan teknologien til miljøundervisning bruges, T. V. Kucher et al.

For at gøre kemiundervisningen grøn bruger de også samarbejdsteknologier og gruppeteknologier, der har en stimulerende effekt på barnets udvikling. De involverer kommunikation, interaktion, udveksling af information mellem elever og gensidig forståelse.

Læringsprocessen er også baseret på alternative teknologier og teknologier til udviklingsuddannelse, baseret på antroposofiens principper, ifølge hvilke udviklingen af ​​evnen til at lære fører en person til perfektion. Antroposofi ligger til grund for R. Steiners Waldorf-pædagogik. Udviklingen af ​​intellektuelle evner udføres ved hjælp af teknologi og. Udviklingsundervisningen tager højde for og bruger udviklingsmønsteret, tilpasser sig barnets niveau og karakteristika (3, s. 80-83: s109: s. 119-122: s. 1516 s. 181)

Brugen af ​​disse teknologier gør det muligt at orientere den studerendes personlighed mod opfattelsen af ​​alt omkring ham som en interesseret forsker, der føler personligt ansvar for konsekvenserne af sine aktiviteter for andre mennesker og for naturen.

Jeg bruger fragmenter af de ovennævnte teknologier af N. P. Guzik, I. N. Zakatova, NT Suraveshnaya, TV Kucher, R. Steiner, DB Elkonin og V.V. Davydov, når jeg udfører miljølektioner og fritidsaktiviteter om miljøemner.

2.2. Former for afholdelse af miljøundervisningstimer ved undervisning i kemi.

Fra et fagligt synspunkt er jeg tiltrukket af ikke-standardiserede former for undervisning og under hensyntagen til elevernes viden, såsom testlektioner, seminarlektioner, konferencelektioner, brugen af ​​didaktiske, rollespil og forretningsspil, og elementer af tetradition. Jeg bruger det gensidigt berigende samspil mellem naturvidenskabelige discipliner til at danne en holistisk holdning til naturen og motivere til sunde livsstilsstandarder.

For at styrke skoleundervisningens miljøorientering introducerer jeg hensynet til miljøspørgsmål i undervisningsmaterialet for hvert emne, jeg giver ordet til vagthavende studenterøkologer for at belyse de vigtigste miljøproblemer inden for rammerne af dette emne, hvilket giver mulighed for den mest komplette brug af miljøviden til at danne en omsorgsfuld holdning hos eleverne til naturen, deres parathed til at træffe aktive foranstaltninger for at beskytte den.

Mit pædagogiske koncept for at gøre kemiundervisningen grønnere ligger tæt på et økologisk kemiforløb: fra emne til emne. I mine lektioner bruger jeg miljøeksperimenter, opgaver eller spørgsmål og praktisk arbejde med miljøfokus.

Når jeg studerer strukturen og egenskaberne af overgangsmetaller, gennemfører jeg en seminarlektion "Strukturelle træk ved d-elementer og deres indvirkning på miljøet og menneskers sundhed." Metoden til denne lektion er et udviklings- og uddannelsesseminar.

Formålet med lektionen er at generalisere elevernes viden om den periodiske lov, atomernes struktur, elektronernes tilstand i atomer; styrkelse af færdighederne til at tegne elektroniske kredsløb, formler, sammenligne kemiske grundstoffer efter kemikalie

mikrofonaktivitet; at gøre elever bekendt med visse mønstre, der bestemmer forekomsten af ​​metaller i naturen, deres toksicitet og andelen af ​​deltagelse i metabolismen af ​​levende organismer, baseret på elementernes position - metaller i det periodiske system; offentliggørelse af årsagerne til miljøforurening med d-elementer, angivelse af de vigtigste forureningskilder; udvikling af skolebørns evne til at forudsige og analysere konsekvenserne af metalforurening i det naturlige miljø; kendskab til de vigtigste retninger for forebyggelse af forurening.

Jeg valgte ordene som motto for lektionen: "Videnskab er kun gavnligt, når vi accepterer det ikke kun med vores sind, men også med vores hjerte."

Seminar plan

1) Placering af d-elementer i det periodiske system.

2) Funktioner af strukturen af ​​atomer af d-elementer, deres egenskaber.

3) d - grundstoffer og levende organisme.

4) Biologisk rolle og toksisk effekt af d - elementer.

5) Problemet med miljøforurening med metaller og måder at løse det på.

6) At finde d - elementer i naturen. Mineraler indeholdende d-elementer i Voronezh-regionen.

I begyndelsen af ​​lektionen opdaterer jeg viden og gennemfører en individuel og frontal undersøgelse.

a) Individuel undersøgelse.

1. Arbejd med kort.

2. Hvilke grundstoffer kaldes d-elementer?

3. Karakteriser placeringen af ​​d - elementer i det periodiske system.

4. Funktioner af strukturen af ​​atomer af d-elementer; at fylde energiunderniveauer med elektroner, fænomenet "elektronsvigt".

b) Frontal undersøgelse.

1. Giv en moderne formulering af den periodiske lov.

2. Hvad er den fysiske betydning af elementets serienummer, gruppenummer og periode?

3. Hvilke kvantetal beskriver elektronernes tilstand i et atom?

4. Hvilke regler ligger til grund for udarbejdelsen af ​​et grafisk diagram over et atoms struktur?

5. Tegn grafiske diagrammer og skriv elektroniske formler for strukturen af ​​atomer af følgende kemiske grundstoffer: skandium, jern, niobium, ("svigt" af en elektron) (tjek gennem et horoskop)

På anden fase beder jeg eleverne om at udføre en tekstopgave ved hjælp af tre muligheder. De vil skrive deres svar på filtreret papir gennemblødt i phenolphtalein, efter deres mening dryppe en alkaliopløsning i den ønskede position. Hvis svaret er rigtigt, vises et farvesignal på papiret.

Dette gør det muligt for elevernes arbejde at blive vurderet med det samme.

Det særlige ved strukturen af ​​atomer af d-elementer skyldes tilstedeværelsen i dem af et overskud af valensorbitaler og en mangel

I dag er der ingen grund til at overbevise nogen om den enorme betydning, spørgsmål relateret til miljøbeskyttelse spiller for hele menneskeheden. Dette problem er komplekst og mangefacetteret. Det omfatter ikke kun rent videnskabelige aspekter, men også økonomiske, sociale, politiske, juridiske og æstetiske.

De processer, der bestemmer biosfærens nuværende tilstand, er baseret på kemiske omdannelser af stoffer. De kemiske aspekter af problemet med miljøbeskyttelse udgør en ny del af moderne kemi, kaldet kemisk økologi. Denne retning undersøger de kemiske processer, der forekommer i biosfæren, kemisk forurening af miljøet og dens indvirkning på den økologiske balance, karakteriserer de vigtigste kemiske forurenende stoffer og metoder til bestemmelse af forureningsniveauet, udvikler fysiske og kemiske metoder til bekæmpelse af miljøforurening og søgninger til nye miljøvenlige energikilder og mv.

Forståelse af essensen af ​​problemet med miljøbeskyttelse kræver naturligvis kendskab til en række foreløbige begreber, definitioner, domme, som en detaljeret undersøgelse af hvilke ikke kun skal bidrage til en dybere forståelse af problemets essens, men også til udvikling af miljøundervisning. De geologiske sfærer på planeten, såvel som strukturen af ​​biosfæren og de kemiske processer, der forekommer i den, er opsummeret i diagram 1.

Normalt skelnes flere geosfærer. Lithosfæren er Jordens ydre hårde skal, der består af to lag: det øverste, dannet af sedimentære bjergarter, herunder granit, og det nederste, basalt. Hydrosfæren er alle oceanerne og havene (Verdenshavet), der udgør 71% af Jordens overflade, såvel som søer og floder. Den gennemsnitlige dybde af havet er 4 km, og i nogle lavninger er den op til 11 km. Atmosfæren er et lag over overfladen af ​​litosfæren og hydrosfæren og når 100 km. Det nederste lag af atmosfæren (15 km) kaldes troposfæren. Det inkluderer vanddamp suspenderet i luften, der bevæger sig, når planetens overflade er ujævnt opvarmet. Stratosfæren strækker sig over troposfæren, ved hvis grænser nordlyset optræder. I stratosfæren i en højde af 45 km er der et ozonlag, der reflekterer livsødelæggende kosmisk stråling og delvist ultraviolette stråler. Over stratosfæren strækker ionosfæren sig - et lag af forældet gas lavet af ioniserede atomer.

Blandt alle jordens sfærer indtager biosfæren en særlig plads. Biosfæren er Jordens geologiske skal sammen med de levende organismer, der bebor den: mikroorganismer, planter, dyr. Det omfatter den øvre del af litosfæren, hele hydrosfæren, troposfæren og den nederste del af stratosfæren (inklusive ozonlaget). Biosfærens grænser er bestemt af den øvre grænse for liv, begrænset af den intense koncentration af ultraviolette stråler, og den nedre grænse, begrænset af de høje temperaturer i jordens indre; Kun lavere organismer - bakterier - når biosfærens ydergrænser. Indtager en særlig plads i biosfæren ozonbeskyttende lag. Atmosfæren indeholder kun vol. % ozon, men det skabte forhold på Jorden, der tillod liv at opstå og fortsætte med at udvikle sig på vores planet.

Kontinuerlige kredsløb af stof og energi finder sted i biosfæren. Grundlæggende er de samme elementer konstant involveret i kredsløbet af stoffer: brint, kulstof, nitrogen, oxygen, svovl. Fra den livløse natur går de over i sammensætningen af ​​planter, fra planter - til dyr og mennesker. Atomer af disse grundstoffer fastholdes i livscirklen i hundreder af millioner af år, hvilket bekræftes af isotopanalyse. Disse fem elementer kaldes biofile (livselskende), og ikke alle deres isotoper, men kun lette. Af de tre isotoper af brint er det således kun . Af de tre naturligt forekommende isotoper af ilt kun biofile og kun fra kulstofisotoper.

Kulstoffets rolle i livets fremkomst på Jorden er virkelig enorm. Der er grund til at tro, at under dannelsen af ​​jordskorpen kom en del af kulstoffet ind i dets dybe lag i form af mineraler som carbider, og den anden del blev tilbageholdt af atmosfæren i form af CO. Faldet i temperatur på visse stadier af dannelsen af ​​planeten blev ledsaget af interaktionen af ​​CO med vanddamp gennem kcal-reaktionen, så på det tidspunkt, hvor flydende vand dukkede op på Jorden, må atmosfærisk kulstof have været i form af kuldioxid . Ifølge kulstofkredsløbsdiagrammet nedenfor udvindes atmosfærisk kuldioxid af planter (1), og gennem fødeforbindelser (2) kommer kulstof ind i dyrenes krop:

Dyrs og planters respiration og henfaldet af deres rester returnerer konstant enorme masser af kulstof til atmosfæren og havvandene i form af kuldioxid (3, 4). Samtidig er der en vis fjernelse af kulstof fra kredsløbet på grund af delvis mineralisering af resterne af planter (5) og dyr (6).

En yderligere og mere kraftfuld fjernelse af kulstof fra kredsløbet er den uorganiske forvitringsproces af bjergarter (7), hvor de metaller, de indeholder under påvirkning af atmosfæren, omdannes til kuldioxidsalte, som derefter vaskes ud pr. vand og ført af floder til havet, efterfulgt af delvis sedimentation. Ifølge grove skøn bindes op til 2 milliarder tons kulstof årligt, når klipper forvitres fra atmosfæren. Et så enormt forbrug kan ikke kompenseres af forskellige frit forekommende naturlige processer (vulkanudbrud, gaskilder, tordenvejrs effekt på kalksten osv.), der fører til omvendt overgang af kulstof fra mineraler til atmosfæren (8). Både de uorganiske og organiske stadier af kulstofkredsløbet har således til formål at reducere indholdet i atmosfæren. I denne henseende skal det bemærkes, at bevidst menneskelig aktivitet i væsentlig grad påvirker det overordnede kulstofkredsløb og, som påvirker i det væsentlige alle retninger af processer, der forekommer under den naturlige cyklus, i sidste ende kompenserer for lækage fra atmosfæren. Det er tilstrækkeligt at sige, at på grund af forbrændingen af ​​kul alene, blev mere end 1 milliard tons kulstof årligt returneret til atmosfæren (i midten af ​​vores århundrede). Tager man hensyn til forbruget af andre typer fossile brændstoffer (tørv, olie osv.), samt en række industrielle processer, der fører til frigivelse af , kan vi antage, at dette tal faktisk er endnu højere.

Således er den menneskelige indflydelse på kulstoftransformationscyklusser direkte modsat i retning af det samlede resultat af den naturlige cyklus:

Jordens energibalance består af forskellige kilder, men de vigtigste af dem er solenergi og radioaktiv energi. Under Jordens udvikling var det radioaktive henfald intenst, og for 3 milliarder år siden var der 20 gange mere radioaktiv varme end nu. I øjeblikket overstiger varmen fra solens stråler, der falder på Jorden, væsentligt den indre varme fra radioaktivt henfald, så den vigtigste varmekilde nu kan betragtes som Solens energi. Solen giver os kcal varme om året. Ifølge ovenstående diagram reflekteres 40% af solenergien af ​​Jorden ud i rummet, 60% absorberes af atmosfæren og jorden. En del af denne energi bruges på fotosyntese, en del går til oxidation af organiske stoffer, og en del er konserveret i kul, olie og tørv. Solenergi ophidser klimatiske, geologiske og biologiske processer på Jorden i storstilet skala. Under påvirkning af biosfæren omdannes solenergi til forskellige former for energi, hvilket forårsager enorme transformationer, migrationer og cirkulation af stoffer. På trods af sin storhed er biosfæren et åbent system, da den konstant modtager en strøm af solenergi.

Fotosyntese omfatter et komplekst sæt reaktioner af forskellig karakter. I denne proces omlejres bindingerne i molekylerne, så der i stedet for de tidligere carbon-oxygen- og hydrogen-oxygen-bindinger opstår en ny type kemiske bindinger: carbon-hydrogen og carbon-carbon:

Som et resultat af disse transformationer opstår et kulhydratmolekyle, som er et koncentrat af energi i cellen. Således, i kemiske termer, ligger essensen af ​​fotosyntese i omlejringen af ​​kemiske bindinger. Fra dette synspunkt kan fotosyntese kaldes processen med syntese af organiske forbindelser ved hjælp af lysenergi. Den overordnede ligning for fotosyntese viser, at der udover kulhydrater også produceres ilt:

men denne ligning giver ikke en idé om dens mekanisme. Fotosyntese er en kompleks proces i flere trin, hvor den centrale rolle set fra et biokemisk synspunkt tilhører klorofyl, et grønt organisk stof, der absorberer en mængde solenergi. Mekanismen for fotosynteseprocesser kan repræsenteres af følgende diagram:

Som det kan ses af diagrammet, i den lette fase af fotosyntesen, giver den overskydende energi af "ophidsede" elektroner anledning til processen: fotolyse - med dannelsen af ​​molekylært oxygen og atomært hydrogen:

og syntesen af ​​adenosintriphosphorsyre (ATP) fra adenosindiphosphorsyre (ADP) og phosphorsyre (P). I den mørke fase sker syntesen af ​​kulhydrater, til gennemførelsen af ​​hvilken energien fra ATP og brintatomer, som opstår i lysfasen som følge af omdannelsen af ​​lysenergi fra Solen, forbruges. Den samlede produktivitet af fotosyntesen er enorm: Jordens vegetation optager hvert år 170 milliarder tons kulstof. Derudover inddrager planter milliarder af tons fosfor, svovl og andre grundstoffer i syntesen, hvilket resulterer i, at der årligt syntetiseres omkring 400 milliarder tons organiske stoffer. Ikke desto mindre er naturlig fotosyntese, trods al sin storhed, en langsom og ineffektiv proces, da et grønt blad kun bruger 1 % af den solenergi, der falder på det, til fotosyntese.

Som nævnt ovenfor, som et resultat af absorptionen af ​​kuldioxid og dens yderligere transformation under fotosyntesen, dannes et kulhydratmolekyle, som tjener som et kulstofskelet til konstruktionen af ​​alle organiske forbindelser i cellen. Organiske stoffer produceret under fotosyntesen er karakteriseret ved en høj tilførsel af intern energi. Men energien akkumuleret i fotosyntesens slutprodukter er ikke tilgængelig til direkte brug i kemiske reaktioner, der forekommer i levende organismer. Omdannelsen af ​​denne potentielle energi til aktiv form udføres i en anden biokemisk proces - respiration. Den vigtigste kemiske reaktion i respirationsprocessen er absorptionen af ​​ilt og frigivelsen af ​​kuldioxid:

Vejrtrækningsprocessen er dog meget kompleks. Det involverer aktivering af brintatomer i det organiske substrat, frigivelse og mobilisering af energi i form af ATP og dannelse af kulstofskeletter. Under respirationsprocessen opgiver kulhydrater, fedtstoffer og proteiner, i reaktioner med biologisk oxidation og gradvis omstrukturering af det organiske skelet, deres brintatomer for at danne reducerede former. Sidstnævnte, når de oxideres i åndedrætskæden, frigiver energi, som akkumuleres i aktiv form i de koblede reaktioner af ATP-syntese. Fotosyntese og respiration er således forskellige, men meget nært beslægtede aspekter af den generelle energiudveksling. I grønne planters celler er fotosyntese- og respirationsprocesserne tæt forbundet. Respirationsprocessen i dem, som i alle andre levende celler, er konstant. I løbet af dagen, sammen med respiration, sker fotosyntese i dem: planteceller omdanner lysenergi til kemisk energi, syntetiserer organisk stof og frigiver ilt som et biprodukt af reaktionen. Mængden af ​​ilt frigivet af en plantecelle under fotosyntesen er 20-30 gange større end dens absorption under den samtidige respirationsproces. Om dagen, hvor begge processer foregår i planter, beriges luften således med ilt, og om natten, når fotosyntesen stopper, er det kun respirationsprocessen, der bevares.

Den nødvendige ilt til vejrtrækningen kommer ind i menneskekroppen gennem lungerne, hvis tynde og fugtige vægge har et stort overfladeareal (ca. 90) og gennemtrænges af blodkar. At komme ind i dem, dannes ilt med hæmoglobin indeholdt i røde blodlegemer - erytrocytter - en skrøbelig kemisk forbindelse - oxyhæmoglobin og i denne form bæres af rødt arterielt blod til alle væv i kroppen. I dem spaltes ilt fra hæmoglobin og indgår i forskellige metaboliske processer, især oxiderer det organiske stoffer, der kommer ind i kroppen i form af mad. I væv forbinder kuldioxid hæmoglobin og danner en skrøbelig forbindelse - carbhæmoglobin. I denne form, og også delvist i form af salte af kulsyre og i fysisk opløst form, kommer kuldioxid ind i lungerne med strømmen af ​​mørkt veneblod, hvor det udskilles fra kroppen. Skematisk kan denne gasudvekslingsproces i den menneskelige krop repræsenteres af følgende reaktioner:

Typisk indeholder luften indåndet af en person 21 % (volumenprocent) og 0,03 %, og den udåndede luft indeholder 16 % og 4 %; om dagen en person udånder 0,5. På samme måde som oxygen reagerer kulilte (CO) med hæmoglobin, og den resulterende forbindelse er Heme. CO er meget mere holdbart. Derfor, selv ved lave koncentrationer af CO i luften, bliver en betydelig del af hæmoglobinet bundet til det og ophører med at deltage i overførslen af ​​ilt. Når luften indeholder 0,1 % CO (volumen), dvs. ved et forhold mellem CO og 1:200 er lige store mængder af begge gasser bundet af hæmoglobin. På grund af dette, når man indånder luft forgiftet af kulilte, kan døden fra kvælning forekomme, på trods af tilstedeværelsen af ​​overskydende ilt.

Fermentering, som processen med nedbrydning af sukkerholdige stoffer i nærværelse af en særlig slags mikroorganismer, forekommer så ofte i naturen, at alkohol, selv om det er i ubetydelige mængder, er en konstant bestanddel af jordvandet, og dets dampe er altid indeholdt i små mængder i luften. Det enkleste fermenteringsskema kan repræsenteres ved ligningen:

Selvom mekanismen for fermenteringsprocesser er kompleks, kan det stadig hævdes, at fosforsyrederivater (ATP) såvel som en række enzymer spiller en ekstremt vigtig rolle i den.

Forrådnelse er en kompleks biokemisk proces, som resulterer i, at ekskrementer, lig og planterester returnerer det bundne nitrogen, der tidligere er taget fra den, til jorden. Under påvirkning af specielle bakterier bliver dette bundne nitrogen i sidste ende til ammoniak og ammoniumsalte. Derudover bliver en del af det bundne kvælstof under henfald til frit kvælstof og går tabt.

Som det følger af ovenstående diagram, er en del af solenergien absorberet af vores planet "bevaret" i form af tørv, olie og kul. Kraftige forskydninger af jordskorpen begravede enorme plantemasser under lag af klipper. Når døde planteorganismer nedbrydes uden adgang til luft, frigives flygtige nedbrydningsprodukter, og resten beriges gradvist med kulstof. Dette har en tilsvarende effekt på den kemiske sammensætning og brændværdi af nedbrydningsproduktet, som afhængigt af dets egenskaber kaldes tørv, brun og kul (antracit). Ligesom plantelivet efterlod dyreliv fra tidligere tider os også en værdifuld arv - olie. Moderne oceaner og have indeholder enorme ophobninger af simple organismer i de øverste lag af vand til en dybde på omkring 200 m (plankton) og i bunden af ​​ikke særlig dybe steder (benthos). Den samlede masse af plankton og benthos er anslået til et enormt tal (~ t). Som grundlag for ernæring for alle mere komplekse marine organismer er det i øjeblikket usandsynligt, at plankton og benthos ophobes som rester. Men i fjerne geologiske epoker, hvor betingelserne for deres udvikling var mere gunstige, og der var meget færre forbrugere end nu, rester af plankton og benthos, samt muligvis mere højt organiserede dyr, som døde i massevis i én grund eller anden, kunne blive det vigtigste byggemateriale til oliedannelse. Råolie er en vanduopløselig, sort eller brun olieagtig væske. Den består af 83-87% kulstof, 10-14% brint og små mængder nitrogen, oxygen og svovl. Dens brændværdi er højere end for antracit og anslås til 11.000 kcal/kg.

Biomasse forstås som helheden af ​​alle levende organismer i biosfæren, dvs. mængden af ​​organisk stof og den energi, der er indeholdt i hele befolkningen af ​​individer. Biomasse udtrykkes normalt i vægtenheder i form af tørstof pr. arealenhed eller volumen. Akkumuleringen af ​​biomasse bestemmes af grønne planters vitale aktivitet. I biogeocenoser spiller de, som producenter af levende stof, rollen som "producenter", planteædende og kødædende dyr, som forbrugere af levende organisk stof, spiller rollen som "forbrugere" og ødelæggere af organiske rester (mikroorganismer), hvilket bringer nedbrydning af organisk stof til simple mineralske forbindelser er "nedbrydere". En særlig energikarakteristik ved biomasse er dens evne til at reproducere. Ifølge definitionen af ​​V.I. Vernadsky, "levende stof (en samling af organismer), ligesom en gasmasse, spreder sig over jordens overflade og udøver et vist pres i miljøet, omgår forhindringer, der hindrer dets fremskridt, eller tager dem i besiddelse og dækker dem. Denne bevægelse opnås gennem reproduktion af organismer." På landoverfladen stiger biomassen i retningen fra polerne til ækvator. I samme retning stiger antallet af arter, der deltager i biogeocenoser (se nedenfor). Jordbiocenoser dækker hele jordoverfladen.

Jord er et løst overfladelag af jordskorpen, modificeret af atmosfæren og organismer og konstant genopfyldt med organiske rester. Jordtykkelsen, sammen med overfladebiomassen og under dens indflydelse, stiger fra polerne til ækvator. Jorden er tæt befolket af levende organismer, og der sker kontinuerlig gasudveksling i den. Om natten, når gasserne afkøles og komprimeres, kommer der noget luft ind i den. Ilt fra luften optages af dyr og planter og indgår i kemiske forbindelser. Kvælstof, der indføres i luften, fanges af nogle bakterier. I løbet af dagen, når jorden varmes op, frigives ammoniak, svovlbrinte og kuldioxid fra den. Alle processer, der foregår i jorden, indgår i kredsløbet af stoffer i biosfæren.

Jordens hydrosfære, eller Verdenshavet, optager mere end 2/3 af planetens overflade. De fysiske egenskaber og kemiske sammensætning af havvand er meget konstante og skaber et miljø, der er gunstigt for livet. Vanddyr udskiller det gennem respiration, og alger beriger vandet gennem fotosyntese. Fotosyntese af alger foregår hovedsageligt i det øverste vandlag - i en dybde på op til 100 m. Havplankton står for 1/3 af den fotosyntese, der foregår på hele planeten. I havet er biomasse for det meste spredt. I gennemsnit er biomassen på Jorden ifølge moderne data cirka t, massen af ​​grønne landplanter er 97%, dyr og mikroorganismer er 3%. Der er 1000 gange mindre levende biomasse i Verdenshavet end på land. Brugen af ​​solenergi på havområdet er 0,04%, på land - 0,1%. Havet er ikke så rigt på liv, som man for nylig troede.

Menneskeheden udgør kun en lille del af biosfærens biomasse. Men efter at have mestret forskellige former for energi - mekanisk, elektrisk, atomær - begyndte den at have en enorm indflydelse på de processer, der foregår i biosfæren. Menneskelig aktivitet er blevet så stærk en kraft, at denne kraft er blevet sammenlignelig med naturens naturlige kræfter. En analyse af resultaterne af menneskelig aktivitet og virkningen af ​​denne aktivitet på biosfæren som helhed førte Academician V.I. Vernadsky til den konklusion, at menneskeheden i øjeblikket har skabt en ny jordskal - "intelligent". Vernadsky kaldte det "noosfæren". Noosfæren er "menneskets kollektive sind, koncentreret både i dets potentielle evner og i de kinetiske påvirkninger på biosfæren. Disse påvirkninger var imidlertid gennem århundreder spontane og nogle gange rovdyr i naturen, og konsekvensen af ​​en sådan påvirkning var truende miljøet forurening med alle de deraf følgende konsekvenser."

Betragtning af spørgsmål relateret til problemet med miljøbeskyttelse kræver afklaring af begrebet " miljø"Dette udtryk betyder hele vores planet plus en tynd skal af liv - biosfæren, plus det ydre rum, der omgiver os og påvirker os. Men for overskuelighedens skyld betyder miljøet ofte kun biosfæren og en del af vores planet - jordskorpen. Iht. for V.I. Vernadsky er biosfæren "det område, hvor levende stof eksisterer." Levende stof er helheden af ​​alle levende organismer, inklusive mennesker.

Økologi som en videnskab om organismers forhold til hinanden, såvel som mellem organismer og deres miljø, lægger særlig vægt på studiet af de komplekse systemer (økosystemer), der opstår i naturen på basis af organismers interaktion med hinanden og det uorganiske miljø. Derfor er et økosystem en samling af levende og ikke-levende komponenter af naturen, der interagerer. Dette koncept gælder for enheder af varierende omfang - fra en myretue (mikrokosystem) til havet (makrokosystem). Biosfæren i sig selv er et gigantisk økosystem på kloden.

Forbindelser mellem økosystemkomponenter opstår primært på basis af fødevareforbindelser og metoder til at opnå energi. Ifølge metoden til at opnå og bruge næringsmaterialer og energi er alle organismer i biosfæren opdelt i to skarpt forskellige grupper: autotrofer og heterotrofer. Autotrofer er i stand til at syntetisere organiske stoffer fra uorganiske forbindelser (osv.). Fra disse energifattige forbindelser syntetiserer celler glucose, aminosyrer og derefter mere komplekse organiske forbindelser - kulhydrater, proteiner mv. De vigtigste autotrofer på Jorden er cellerne i grønne planter, såvel som nogle mikroorganismer. Heterotrofer er ikke i stand til at syntetisere organiske stoffer fra uorganiske forbindelser. De har brug for levering af færdige organiske forbindelser. Heterotrofer er celler fra dyr, mennesker, de fleste mikroorganismer og nogle planter (f.eks. svampe og grønne planter, der ikke indeholder klorofyl). I fodringsprocessen nedbryder heterotrofer i sidste ende organisk stof til kuldioxid, vand og mineralsalte, dvs. stoffer egnet til genbrug af autotrofer.

Der opstår således en kontinuerlig cyklus af stoffer i naturen: kemiske stoffer, der er nødvendige for liv, udvindes af autotrofer fra miljøet og returneres til det igen gennem en række heterotrofer. For at udføre denne proces kræves en konstant strøm af energi udefra. Dens kilde er Solens strålingsenergi. Bevægelsen af ​​stof forårsaget af organismers aktivitet sker cyklisk, og den kan bruges igen og igen, mens energien i disse processer er repræsenteret af en ensrettet strømning. Solens energi omdannes kun af organismer til andre former - kemiske, mekaniske, termiske. I overensstemmelse med termodynamikkens love er sådanne transformationer altid ledsaget af spredning af en del af energien i form af varme. Selvom den generelle ordning for stoffernes kredsløb er relativt enkel, tager denne proces under virkelige naturlige forhold meget komplekse former. Ikke en enkelt type heterotrofisk organisme er i stand til øjeblikkeligt at nedbryde planters organiske stof til endelige mineralske produkter (osv.). Hver art bruger kun en del af den energi, der er indeholdt i organisk stof, hvilket bringer dens nedbrydning til et bestemt stadium. Rester, der er uegnede til en given art, men stadig rige på energi, bruges af andre organismer. I evolutionsprocessen er der således dannet kæder af indbyrdes forbundne arter i økosystemet, som successivt udvinder materialer og energi fra det oprindelige fødevarestof. Alle arter, der danner fødekæden, eksisterer på organisk materiale genereret af grønne planter.

I alt omdannes kun 1 % af Solens strålingsenergi, der falder på planter, til energien fra syntetiserede organiske stoffer, som kan bruges af heterotrofe organismer. Det meste af den energi, der er indeholdt i vegetabilske fødevarer, bruges i dyrekroppen på forskellige vitale processer og forvandles til varme. Desuden går kun 10-20% af denne fødevareenergi direkte til konstruktion af nyt stof. Store tab af nyttig energi forudbestemmer, at fødekæderne består af et lille antal led (3-5). Med andre ord, som følge af energitab falder mængden af ​​produceret organisk stof på hvert efterfølgende niveau i fødekæderne kraftigt. Dette vigtige mønster kaldes reglen om den økologiske pyramide og på diagrammet er det repræsenteret af en pyramide, hvor hvert efterfølgende niveau svarer til et plan parallelt med bunden af ​​pyramiden. Der er forskellige kategorier af økologiske pyramider: talpyramiden - der afspejler antallet af individer på hvert niveau i fødekæden, biomassepyramiden - der afspejler den tilsvarende mængde organisk stof, energipyramiden - afspejler mængden af ​​energi i mad.

Ethvert økosystem består af to komponenter. En af dem er organisk, der repræsenterer et kompleks af arter, der danner et selvbærende system, hvori cirkulationen af ​​stoffer finder sted, som kaldes biocenose, den anden er en uorganisk komponent, der giver ly til biocenosen og kaldes bioton:

Økosystem = bioton + biocenose.

Andre økosystemer samt geologiske, klimatiske og kosmiske påvirkninger i forhold til et givet økologisk system virker som eksterne kræfter. Et økosystems bæredygtighed er altid relateret til dets udvikling. Ifølge moderne synspunkter har et økosystem en tendens til at udvikle sig hen imod sin stabile tilstand - et modent økosystem. Denne ændring kaldes succession. De tidlige stadier af succession er karakteriseret ved lav artsdiversitet og lav biomasse. Et økosystem i den indledende fase af udviklingen er meget følsomt over for forstyrrelser, og en stærk indvirkning på hovedstrømmen af ​​energi kan ødelægge det. I modne økosystemer øges flora og fauna. I dette tilfælde kan skader på en komponent ikke have en stærk indvirkning på hele økosystemet. Derfor har et modent økosystem en høj grad af bæredygtighed.

Som nævnt ovenfor virker geologiske, klimatiske, hydrogeologiske og kosmiske påvirkninger i forhold til et givet økologisk system som eksterne kræfter. Blandt de ydre kræfter, der påvirker økosystemerne, indtager menneskelig indflydelse en særlig plads. De biologiske love for strukturen, funktionen og udviklingen af ​​naturlige økosystemer er kun forbundet med de organismer, der er deres nødvendige komponenter. I denne henseende er en person, både socialt (personlighed) og biologisk (organisme), ikke en del af naturlige økosystemer. Dette følger i det mindste af, at ethvert naturligt økosystem i dets opståen og udvikling kan undvære mennesker. Mennesket er ikke et nødvendigt element i dette system. Derudover er fremkomsten og eksistensen af ​​organismer kun bestemt af økosystemets generelle love, mens mennesket er genereret af samfundet og eksisterer i samfundet. Mennesket som individ og som biologisk væsen er en bestanddel af et særligt system - menneskelige samfund, som har historisk skiftende økonomiske love for distribution af fødevarer og andre betingelser for sin eksistens. Samtidig modtager en person de elementer, der er nødvendige for livet, såsom luft og vand, udefra, da det menneskelige samfund er et åbent system, hvor energi og stof kommer udefra. En person er således et "ydre element" og kan ikke indgå i permanente biologiske forbindelser med elementer af naturlige økosystemer. På den anden side, som fungerer som en ekstern kraft, har mennesker stor indflydelse på økosystemer. I denne forbindelse er det nødvendigt at påpege muligheden for eksistensen af ​​to typer økosystemer: naturlige (naturlige) og kunstige. Udvikling (succession) naturlige økosystemer adlyder evolutionens love eller lovene for kosmiske påvirkninger (konstans eller katastrofer). Kunstige økosystemer- det er samlinger af levende organismer og planter, der lever under forhold, som mennesket skabte med sit arbejde og sin tanke. Kraften af ​​menneskelig indflydelse på naturen manifesteres netop i kunstige økosystemer, som i dag dækker det meste af Jordens biosfære.

Menneskelig økologisk indgriben har åbenbart altid fundet sted. Al tidligere menneskelig aktivitet kan betragtes som en proces med at underordne mange eller endda alle økologiske systemer, alle biocenoser til menneskelige behov. Menneskelig indgriben kunne ikke andet end at påvirke den økologiske balance. Selv oldtidens menneske, ved at brænde skove, forstyrrede den økologiske balance, men han gjorde det langsomt og i relativt lille skala. Sådanne indgreb var af mere lokal karakter og havde ikke globale konsekvenser. Med andre ord, den tids menneskelige aktivitet fandt sted under forhold tæt på ligevægt. Men nu har den menneskelige påvirkning af naturen, på grund af udviklingen af ​​videnskab, teknologi og teknologi, antaget en sådan skala, at forstyrrelsen af ​​den økologiske balance er blevet truende på globalt plan. Hvis processen med menneskelig indflydelse på økosystemer ikke var spontan, og nogle gange endda rovdyr, ville spørgsmålet om miljøkrisen ikke være så akut. I mellemtiden er menneskelig aktivitet i dag blevet så mål med naturens magtfulde kræfter, at naturen selv ikke længere er i stand til at klare de belastninger, den oplever.

Således er hovedessensen af ​​problemet med miljøbeskyttelse, at menneskeheden takket være sin arbejdsaktivitet er blevet en så stærk naturdannende kraft, at dens indflydelse begyndte at manifestere sig meget hurtigere end indflydelsen fra biosfærens naturlige udvikling.

Selvom udtrykket "miljøbeskyttelse" er meget almindeligt i dag, afspejler det stadig ikke strengt essensen af ​​sagen. Fysiolog I.M. Sechenov påpegede engang, at en levende organisme ikke kan eksistere uden interaktion med miljøet. Ud fra dette synspunkt synes udtrykket "miljøforvaltning" at være mere stringent. Generelt ligger problemet med rationel brug af miljøet i søgen efter mekanismer, der sikrer biosfærens normale funktion.

KONTROLSPØRGSMÅL

1. Definer begrebet "miljø".

2. Hvad er hovedessensen af ​​problemet med miljøbeskyttelse?

3. Nævn de forskellige aspekter af miljøproblemet.

4. Definer begrebet "kemisk økologi".

5. Liste over de vigtigste geosfærer på vores planet.

6. Angiv de faktorer, der bestemmer biosfærens øvre og nedre grænser.

7. List de biofile elementer.

8. Kommenter indvirkningen af ​​menneskelige aktiviteter på det naturlige kredsløb af kulstoftransformationer.

9. Hvad kan du sige om fotosyntesens mekanisme?

10. Giv et diagram over vejrtrækningsprocessen.

11. Giv et diagram over gæringsprocesser.

12. Definer begreberne "producent", "forbruger", "nedbryder".

13. Hvad er forskellen mellem "autotrofer" og "heterotrofer"?

14. Definer begrebet "noosfære".

15. Hvad er essensen af ​​den "økologiske pyramide"-regel?

16. Definer begreberne "biotone" og "biocenose".

17. Definer begrebet "økosystem".

Mikroelementer og enzymer. Introduktion til metalloenzymer. Specifikke og uspecifikke enzymer. Metalioners rolle i enzymer. Horisontal lighed i den biologiske virkning af d-elementer Synergisme og antagonisme af elementer.

Tilbøjelighed af d-element ioner til hydrolyse og polymerisation

I sure miljøer er d-elementioner i form af hydratiserede ioner [M(H 2 O) m ] n+. Med stigende pH har hydratiserede ioner af mange d-elementer på grund af deres store ladning og lille ionstørrelse en høj polariserende effekt på vandmolekyler, acceptorevne for hydroxidioner, gennemgår kationisk hydrolyse og danner stærke kovalente bindinger med OH-. Processen ender enten med dannelsen af ​​basiske salte [M(OH) m ] (m-n)+, eller uopløselige hydroxider M(OH) n, eller hydroxokomplekser [M(OH) m ] (n-m)-. Processen med hydrolytisk interaktion kan forekomme med dannelsen af ​​multinukleære komplekser som et resultat af polymerisationsreaktionen.

2. 4. Biologisk rolle af d-elementer (overgangselementer)

Grundstoffer, hvis indhold ikke overstiger 10 -3%, er en del af enzymer, hormoner, vitaminer og andre vitale forbindelser. Til protein-, kulhydrat- og fedtstofskiftet er følgende nødvendige: Fe, Co, Mn, Zn, Mo, V, B, W; følgende er involveret i proteinsyntesen: Mg, Mn, Fe, Co, Cu, Ni, Cr, i hæmatopoiesen - Co, Ti, Cu, Mn, Ni, Zn; i vejret - Mg, Fe, Cu, Zn, Mn og Co. Derfor har mikroelementer fundet bred anvendelse i medicin, som mikrogødning til markafgrøder og som gødning i husdyr, fjerkræ og fiskeopdræt. Mikroelementer er en del af et stort antal bioregulatorer af levende systemer, som er baseret på biokomplekser. Enzymer er specielle proteiner, der fungerer som katalysatorer i biologiske systemer. Enzymer er unikke katalysatorer med uovertruffen effektivitet og høj selektivitet. Et eksempel på effektiviteten af ​​nedbrydningsreaktionen af ​​hydrogenperoxid 2H 2 O 2 ® 2H 2 O + O 2 i nærvær af enzymer er givet i tabel 6.

Tabel 6. Aktiveringsenergi (E o) og den relative hastighed af nedbrydningsreaktionen af ​​H 2 O 2 i fravær og tilstedeværelse af forskellige katalysatorer

I øjeblikket kendes mere end 2000 enzymer, hvoraf mange katalyserer en enkelt reaktion. Aktiviteten af ​​en stor gruppe enzymer forekommer kun i nærvær af visse ikke-proteinforbindelser kaldet cofaktorer. Metalioner eller organiske forbindelser fungerer som cofaktorer. Omkring en tredjedel af enzymerne aktiveres af overgangsmetaller.

Metalioner i enzymer udfører en række funktioner: de er en elektrofil gruppe af enzymets aktive center og letter interaktion med negativt ladede områder af substratmolekyler, danner en katalytisk aktiv konformation af enzymstrukturen (i dannelsen af ​​den spiralformede struktur). af RNA, zink- og manganioner er involveret), deltager i elektrontransport (komplekser elektronoverførsel). En metalions evne til at udføre sin rolle i det aktive sted af det tilsvarende enzym afhænger af metalionens evne til at danne komplekser, geometrien og stabiliteten af ​​det dannede kompleks. Dette giver en stigning i selektiviteten af ​​enzymet over for substrater, aktivering af bindinger i enzymet eller substratet gennem koordination og ændring af substratets form i overensstemmelse med de steriske krav til det aktive sted.

Biokomplekser varierer i stabilitet. Nogle af dem er så stærke, at de konstant er i kroppen og udfører en bestemt funktion. I de tilfælde, hvor forbindelsen mellem cofaktoren og enzymproteinet er stærk, og det er svært at adskille dem, kaldes det en "protesegruppe". Sådanne bindinger er blevet fundet i enzymer indeholdende et hæmkompleks af jern med et porfinderivat. Rollen af ​​metaller i sådanne komplekser er meget specifik: at erstatte det selv med et element, der ligner egenskaber, fører til et betydeligt eller fuldstændigt tab af fysiologisk aktivitet. Disse enzymer omfatter til specifikke enzymer.

Eksempler på sådanne forbindelser er klorofyl, polyphenyloxidase, vitamin B 12, hæmoglobin og nogle metalloenzymer (specifikke enzymer). Få enzymer er kun involveret i én specifik eller enkelt reaktion.

De katalytiske egenskaber af de fleste enzymer bestemmes af det aktive center dannet af forskellige mikroelementer. Enzymer syntetiseres under funktionens varighed. Metalionen fungerer som en aktivator og kan erstattes af en anden metalion uden tab af enzymets fysiologiske aktivitet. Disse er klassificeret som uspecifikke enzymer.

Nedenfor er enzymer, hvor forskellige metalioner udfører lignende funktioner.

Tabel 7. Enzymer, hvor forskellige metalioner udfører lignende funktioner

Et sporstof kan aktivere forskellige enzymer, og et enzym kan aktiveres af forskellige sporstoffer. Enzymer med mikroelementer i samme oxidationstilstand +2 har den største lighed i biologisk virkning. Som det kan ses, er mikroelementer af overgangselementer i deres biologiske virkning karakteriseret ved mere horisontal lighed end vertikal lighed i det periodiske system af D.I. Mendeleev (i Ti-Zn-serien). Når man beslutter sig for brugen af ​​et bestemt mikroelement, er det nødvendigt at tage højde for ikke kun tilstedeværelsen af ​​mobile former af dette element, men også andre, der har samme oxidationstilstand og kan erstatte hinanden i sammensætningen af ​​enzymer.

Nogle metalloenzymer indtager en mellemposition mellem specifikke og uspecifikke enzymer. Metalioner fungerer som en cofaktor. Forøgelse af styrken af ​​enzymets biokompleks øger specificiteten af ​​dets biologiske virkning. Effektiviteten af ​​den enzymatiske virkning af enzymets metalion påvirkes af dets oxidationstilstand. I henhold til intensiteten af ​​deres indflydelse er mikroelementer arrangeret i følgende række:

Ti 4+ ®Fe 3+ ®Cu 2+ ®Fe 2+ ®Mg 2+ ®Mn 2+ . Mn 3+ ionen er i modsætning til Mn 2+ ionen meget tæt bundet til proteiner, og hovedsageligt med oxygenholdige grupper er Fe 3+ tilsammen en del af metalloproteiner.

Mikroelementer i kompleksonat form virker i kroppen som en faktor, der tilsyneladende bestemmer cellernes høje følsomhed over for mikroelementer gennem deres deltagelse i skabelsen af ​​en høj koncentrationsgradient. Værdierne af atomare og ioniske radier, ioniseringsenergier, koordinationstal og tendensen til at danne bindinger med de samme elementer i bioligandmolekyler bestemmer virkningerne observeret under gensidig substitution af ioner: kan forekomme med stigende (synergi) og med hæmning af deres biologiske aktivitet (antagonisme) element udskiftes. Ioner af d-elementer i +2-oxidationstilstanden (Mn, Fe, Co, Ni, Zn) har lignende fysisk-kemiske egenskaber af atomer (elektronisk struktur af det ydre niveau, lignende ion-radier, type orbital hybridisering, lignende værdier af stabilitetskonstanter med bioligander). Ligheden mellem de fysisk-kemiske egenskaber af det kompleksdannende middel bestemmer ligheden mellem deres biologiske virkning og udskiftelighed. Ovenstående overgangselementer stimulerer hæmatopoietiske processer og forbedrer metaboliske processer. Synergismen af ​​elementer i hæmatopoiesis processer er muligvis forbundet med deltagelse af ioner af disse elementer i forskellige stadier af synteseprocessen af ​​dannede elementer af menneskeligt blod.

s - elementerne i gruppe I er karakteriseret, sammenlignet med andre elementer i deres periode, ved en lille ladning af atomkerner, et lavt ioniseringspotentiale af valenselektroner, en stor atomstørrelse og dens stigning i gruppen fra top til bund. Alt dette bestemmer tilstanden af ​​deres ioner i vandige opløsninger i form af hydratiserede ioner. Den største lighed mellem lithium og natrium bestemmer deres udskiftelighed og synergistiske virkning. Destruktive egenskaber i vandige opløsninger af kalium-, rubidium- og cæsiumioner sikrer deres bedre membranpermeabilitet, udskiftelighed og synergi af deres virkning. Koncentrationen af ​​K + inde i celler er 35 gange højere end uden for den, og koncentrationen af ​​Na + i den ekstracellulære væske er 15 gange højere end inde i cellen. Disse ioner er antagonister i biologiske systemer. s - Grundstoffer af gruppe II findes i kroppen i form af forbindelser dannet af fosfor-, kul- og carboxylsyrer. Calcium, der hovedsageligt findes i knoglevæv, ligner i egenskaber strontium og barium, som kan erstatte det i knogler. I dette tilfælde observeres både tilfælde af synergisme og antagonisme. Calciumioner er også antagonister af natrium-, kalium- og magnesiumioner. Ligheden mellem de fysisk-kemiske egenskaber af Be 2+ og Mg 2+ ioner bestemmer deres udskiftelighed i forbindelser, der indeholder Mg-N og Mg-O-bindinger. Dette kan forklare hæmningen af ​​magnesiumholdige enzymer, når beryllium kommer ind i kroppen. Beryllium er en antagonist af magnesium. Følgelig er de fysisk-kemiske egenskaber og biologiske virkninger af mikroelementer bestemt af strukturen af ​​deres atomer. De fleste biogene elementer er medlemmer af den anden, tredje og fjerde periode af det periodiske system af D.I. Mendeleev. Disse er relativt lette atomer, med en relativt lille ladning på kernerne i deres atomer.

2. 4. 2. Overgangselementforbindelsernes rolle i elektronoverførsel i levende systemer.

I en levende organisme har mange processer en cyklisk, bølgelignende karakter. De kemiske processer, der ligger til grund for dem, skal være reversible. Reversibiliteten af ​​processer er bestemt af interaktionen mellem termodynamiske og kinetiske faktorer. Reversible reaktioner omfatter dem med konstanter fra 10 -3 til 10 3 og med en lille værdi på DG 0 og DE 0 af processen. Under disse forhold kan koncentrationerne af udgangsstofferne og reaktionsprodukterne være i sammenlignelige koncentrationer, og ved at ændre dem i et vist interval kan reversibilitet af processen opnås. Fra et kinetisk synspunkt bør der være lave værdier af aktiveringsenergi. Derfor er metalioner (jern, kobber, mangan, kobolt, molybdæn, titanium og andre) praktiske bærere af elektroner i levende systemer. Tilføjelsen og donationen af ​​en elektron forårsager kun ændringer i den elektroniske konfiguration af metalionen uden væsentligt at ændre strukturen af ​​kompleksets organiske komponent. En unik rolle i levende systemer er tildelt to redoxsystemer: Fe 3+ /Fe 2+ og Cu 2+ /Cu+. Bioligander stabiliserer i højere grad den oxiderede form i det første par, og overvejende den reducerede form i det andet par. Derfor er det formelle potentiale i systemer, der indeholder jern, altid lavere, og i systemer, der indeholder kobber, er det ofte højere. Redox-systemer, der indeholder kobber og jern, dækker en lang række potentialer, hvilket giver dem mulighed for at interagere med mange substrater, ledsaget af moderate ændringer i DG 0 og DE 0, som opfylder betingelserne for reversibilitet. Et vigtigt skridt i stofskiftet er udvindingen af ​​brint fra næringsstoffer. Hydrogenatomer omdannes derefter til en ionisk tilstand, og elektronerne, der er adskilt fra dem, går ind i åndedrætskæden; i denne kæde, der bevæger sig fra en forbindelse til en anden, opgiver de deres energi til dannelsen af ​​en af ​​hovedenergikilderne, adenosintriphosphorsyre (ATP), og de når selv i sidste ende et iltmolekyle og forbinder sig med det og danner vand molekyler. Broen, langs hvilken elektroner oscillerer, er komplekse forbindelser af jern med en porphyrinkerne, der i sammensætning ligner hæmoglobin.

En stor gruppe af jernholdige enzymer, der katalyserer processen med elektronoverførsel i mitokondrier, kaldes cytochromer(ts.kh.), I alt kendes omkring 50 cytokromer. Cytokromer er jernporphyriner, hvor alle seks orbitaler af jernionen er optaget af donoratomer, en bioligand. Forskellen mellem cytochromer er kun i sammensætningen af ​​sidekæderne i porphyrinringen. Variationer i strukturen af ​​bioliganden er forårsaget af forskelle i størrelsen af ​​de formelle potentialer. Alle celler indeholder mindst tre proteiner med lignende struktur, kaldet cytochromer a, b, c. I cytokrom c sker forbindelsen med histidinresten i polypeptidkæden gennem porphyrinkernen Det frie koordinationssted i jernionen er optaget af polypeptidkædens methioninrest:

En af funktionsmekanismerne for cytochromer, som udgør et af leddene i elektrontransportkæden, er overførslen af ​​en elektron fra et substrat til et andet.

Fra et kemisk synspunkt er cytochromer forbindelser, der udviser redox-dualitet under reversible forhold.

Elektronoverførsel med cytokrom c ledsages af en ændring i jernets oxidationstilstand:

c. X. Fe 3+ + e « c.xFe 2+

Iltioner reagerer med brintioner i miljøet og danner vand eller brintoverilte. Peroxid nedbrydes hurtigt af et specielt enzym katalase til vand og ilt i henhold til følgende skema:

2H2O2®2H2O + O2

Enzymet peroxidase accelererer oxidationsreaktionerne af organiske stoffer med hydrogenperoxid i henhold til følgende skema:

Disse enzymer har en hæm i deres struktur, i hvis centrum der er jern med en oxidationstilstand på +3 (afsnit 2 7.7).

I elektrontransportkæden overfører cytochrom c elektroner til cytochromer kaldet cytochromoxidaser. De indeholder kobberioner. Cytokrom er en en-elektronbærer. Tilstedeværelsen af ​​kobber i et af cytochromerne sammen med jern gør det til en to-elektronbærer, som gør det muligt at regulere processens hastighed.

Kobber er en del af et vigtigt enzym - superoxiddismutase (SOD), som udnytter den giftige superoxidion O2- i kroppen gennem reaktionen

[SOD Cu 2+ ] + ® O 2 - [SOD Cu + ] + O 2

[SOD Cu+] + O 2 - + 2H + ® [SODCu 2+ ] + H 2 O 2

Hydrogenperoxid nedbrydes i kroppen under påvirkning af katalase.

I øjeblikket kendes omkring 25 kobberholdige enzymer. De danner en gruppe af oxygenaser og hydroxylaser. Sammensætningen og mekanismen for deres virkning er beskrevet i arbejde (2, afsnit 7.9.).

Overgangselementkomplekser er en kilde til mikroelementer i en biologisk aktiv form med høj membranpermeabilitet og enzymatisk aktivitet. De er involveret i at beskytte kroppen mod "oxidativ stress". Dette skyldes deres deltagelse i udnyttelsen af ​​metaboliske produkter, der bestemmer den ukontrollerede oxidationsproces (peroxider, frie radikaler og andre oxygenaktive arter), samt i oxidationen af ​​substrater. Mekanismen for den frie radikalreaktion af substratoxidation (RH) med hydrogenperoxid med deltagelse af et jernkompleks (FeL) som katalysator kan repræsenteres ved reaktionsskemaer.

RH+. OH® R. + H20; R. + FeL® R + + FeL

Underlag

R++OH -® ROH

Oxideret substrat

Yderligere forekomst af radikalreaktionen fører til dannelsen af ​​produkter med en højere grad af hydroxylering. Andre radikaler virker på samme måde: HO 2. 02. , . O2-.

2. 5. Generelle karakteristika for p-blokelementer

Elementer, hvor p-underniveauet af det ydre valensniveau er afsluttet, kaldes p-elementer. Elektronisk struktur af ns 2 p 1-6 valensniveauet. Valenselektroner er s- og p-underniveauerne.

Tabel 8. Placering af p-elementer i grundstoffernes periodiske system.

Periode	Gruppe
IIIA	IVA	V.A.	VIA	VIIA	VIIIA
		(C)	(N)	(O)	(F)	Ne
			(P)	(S)	(Cl)	Ar
	Ga					Kr
	I	Sn	Sb	Te	(JEG)	Xe
	Tl	Pb	Bi	Po	På	Rn
	p 1	s 2	s 3	s 4	s 5	R 6
() - væsentlige elementer - biogene elementer

I perioder fra venstre mod højre stiger ladningen af ​​kerner, hvis indflydelse råder over stigningen i kræfterne til gensidig frastødning mellem elektroner. Derfor stiger ioniseringspotentialet, elektronaffiniteten og følgelig acceptorkapaciteten og de ikke-metalliske egenskaber i perioder. Alle grundstoffer, der ligger på Br – Ved diagonal og derover, er ikke-metaller og danner kun kovalente forbindelser og anioner. Alle andre p-elementer (med undtagelse af indium, thallium, polonium, bismuth, som udviser metalliske egenskaber) er amfotere grundstoffer og danner både kationer og anioner, som begge er stærkt hydrolyserede. De fleste ikke-metal p-elementer er biogene (undtagelserne er ædelgasser, tellur og astatin). Af p-elementerne - metaller - er kun aluminium klassificeret som biogent. Forskelle i egenskaberne af naboelementer, både indeni; og efter periode: de udtrykkes meget stærkere end s-elementernes. p-elementer i den anden periode - nitrogen, oxygen, fluor har en udtalt evne til at deltage i dannelsen af ​​hydrogenbindinger. Elementer i den tredje og efterfølgende perioder mister denne evne. Deres lighed ligger kun i strukturen af ​​de ydre elektronskaller og de valenstilstande, der opstår på grund af uparrede elektroner i uexciterede atomer. Bor, kulstof og især nitrogen er meget forskellige fra de andre elementer i deres grupper (tilstedeværelsen af ​​d- og f-underniveauer).

Alle p-elementer og især p-elementer i anden og tredje periode (C, N, P, O, S, Si, Cl) danner talrige forbindelser med hinanden og med s-, d- og f-elementer. De fleste af de forbindelser, der er kendt på Jorden, er forbindelser af p-elementer. De fem vigtigste (makrobiogene) p-elementer i livet - O, P, C, N og S - er det vigtigste byggemateriale, som molekylerne af proteiner, fedtstoffer, kulhydrater og nukleinsyrer er sammensat af. Af de lavmolekylære forbindelser af p-elementer er oxoanionerne af størst betydning: CO 3 2-, HCO 3 -, C 2 O 4 2-, CH3COO -, PO 4 3-, HPO 4 2-, H 2 PO 4-, SO 4 2- og halogenidioner. p-elementer har mange valenselektroner med forskellige energier. Derfor udviser forbindelser forskellige grader af oxidation. For eksempel udviser kulstof forskellige oxidationstilstande fra -4 til +4. Nitrogen – fra -3 til +5, klor – fra -1 til +7.

Under reaktionen kan p-elementet donere og acceptere elektroner, der virker henholdsvis som et reduktionsmiddel eller et oxidationsmiddel, afhængigt af egenskaberne af det grundstof, som det interagerer med. Dette giver anledning til en bred vifte af forbindelser dannet af dem. Den gensidige overgang af atomer af p-elementer i forskellige oxidationstilstande, herunder på grund af metaboliske redoxprocesser (for eksempel oxidation af en alkoholgruppe til deres aldehydgruppe og derefter til en carboxylgruppe, og så videre) forårsager et væld af deres kemiske omdannelser.

En kulstofforbindelse udviser oxiderende egenskaber, hvis kulstofatomer som et resultat af reaktionen øger antallet af dets bindinger med atomer af mindre elektronegative grundstoffer (metal, brint), fordi kulstofatomet sænker sin oxidationstilstand ved at tiltrække almindelige bindingselektroner.

CH 3 ® -CH 2 OH ® -CH = O ® -COOH ® CO 2

Omfordelingen af ​​elektroner mellem oxidationsmidlet og reduktionsmidlet i organiske forbindelser kan kun ledsages af et skift i den totale elektrontæthed af den kemiske binding til det atom, der fungerer som oxidationsmiddel. I tilfælde af stærk polarisering kan denne forbindelse blive brudt.

Fosfater i levende organismer tjener som strukturelle komponenter i skelettet, cellemembraner og nukleinsyrer. Knoglevæv er hovedsageligt opbygget af hydroxyapatit Ca 5 (PO 4) 3 OH. Grundlaget for cellemembraner er fosfolipider. Nukleinsyrer består af ribose- eller deoxyribose-phosphatkæder. Derudover er polyfosfater den vigtigste energikilde.

I den menneskelige krop syntetiseres NO nødvendigvis ved hjælp af enzymet NO-syntase fra aminosyren arginin. Levetiden for NO i kroppens celler er i størrelsesordenen et sekund, men deres normale funktion er ikke mulig uden NO. Denne forbindelse giver: afslapning af glatte muskler i vaskulære muskler, regulering af hjertefunktion, effektiv funktion af immunsystemet, transmission af nerveimpulser. NO menes at spille en vigtig rolle i indlæring og hukommelse.

Redoxreaktioner, hvori p-elementer deltager, ligger til grund for deres toksiske virkning på kroppen. Den toksiske virkning af nitrogenoxider er forbundet med deres høje redoxevne. Nitrater, der kommer ind i maden, reduceres til nitritter i kroppen.

NO3 - + 2H + + 2e® NO2 + H2O

Nitritter har meget giftige egenskaber. De omdanner hæmoglobin til methæmoglobin, som er et produkt af hydrolyse og oxidation af hæmoglobin.

Som følge heraf mister hæmoglobin sin evne til at transportere ilt til kroppens celler. Hypoxi udvikler sig i kroppen. Desuden reagerer nitritter, som salte af en svag syre, med saltsyre i maveindholdet og danner salpetersyre, som med sekundære aminer danner kræftfremkaldende nitrosaminer:

Den biologiske effekt af højmolekylære organiske forbindelser (aminosyrer, polypeptider, proteiner, fedtstoffer, kulhydrater og nukleinsyrer) bestemmes af atomer (N, P, S, O) eller dannede grupper af atomer (funktionelle grupper), hvori de fungerer som kemisk aktive centre, donorers elektronpar, der er i stand til at danne koordinationsbindinger med metalioner og organiske molekyler. Som følge heraf danner p-elementer polydentate chelaterende forbindelser (aminosyrer, polypeptider, proteiner, kulhydrater og nukleinsyrer). De er karakteriseret ved komplekse dannelsesreaktioner, amfotere egenskaber og anioniske hydrolysereaktioner. Disse egenskaber bestemmer deres deltagelse i grundlæggende biokemiske processer og i at sikre tilstanden af ​​isohydrid. De danner protein-, fosfat-, hydrogencarbonatbuffersystemer. Deltage i transport af næringsstoffer, stofskifteprodukter og andre processer.

3. 1. Levestedets rolle. Kemi af atmosfærisk forurening. Lægens rolle i at beskytte miljøet og menneskers sundhed.

A.P. Vinogradov viste, at jordens overflade er heterogen i kemisk sammensætning. Planter og dyr, såvel som mennesker, der er placeret i forskellige zoner, bruger næringsstoffer af forskellige kemiske sammensætninger og reagerer på dette med visse fysiologiske reaktioner og en bestemt kemisk sammensætning af kroppen. Virkningerne forårsaget af mikroelementer afhænger af deres indtagelse i kroppen. Koncentrationerne af biometaller i kroppen under dens normale funktion holdes på et nøje defineret niveau (biotisk dosis) ved hjælp af passende proteiner og hormoner. Reserverne af biometaller i kroppen genopbygges systematisk. De er indeholdt i tilstrækkelige mængder i den mad, vi spiser. Den kemiske sammensætning af planter og dyr, der bruges til mad, påvirker kroppen.

Intensiv industriproduktion har ført til forurening af det naturlige miljø med "skadelige" stoffer, herunder forbindelser af overgangselementer. I naturen er der en intensiv omfordeling af grundstoffer i biogeokemiske provinser. Hovedvejen (op til 80%) af deres indtræden i kroppen er vores mad. Under hensyntagen til menneskeskabt forurening af miljøet er det nødvendigt at træffe radikale foranstaltninger for at rehabilitere miljøet og de mennesker, der bor i det. Dette problem er i mange europæiske lande sat foran problemerne med økonomisk vækst og er blandt prioriteterne. I de senere år er udledningen af ​​forskellige forurenende stoffer steget. Prognosen for industriel udvikling giver os mulighed for at konkludere, at mængden af ​​emissioner og miljøforurenende stoffer vil fortsætte med at stige.

Virkelige zoner, hvor kredsløbet af grundstoffer opstår som følge af livsaktivitet kaldes økosystemer eller, som akademiker V.N. kaldte det. Sukachev, biogeocenoser. Mennesker er en integreret del af økosystemerne på vores planet. I sine livsaktiviteter kan en person forstyrre forløbet af den naturlige biogene cyklus. Mange industrier forurener miljøet. Ifølge V.I. Vernadskys lære kaldes skallen på vores planet, ændret af menneskelig økonomisk aktivitet, noosfæren. Den dækker hele biosfæren og går ud over dens grænser (stratosfæren, dybe miner, brønde osv.). Hovedrollen i noosfæren spilles af teknogen migration af elementer - teknogenese. Forskning i noosfærens geokemi er det teoretiske grundlag for rationel udnyttelse af naturressourcer og bekæmpelse af miljøforurening. Gasformig, flydende og fast miljøforurening danner giftige aerosoler (tåge, røg) i atmosfærens jordlag. Når atmosfæren er forurenet med svovldioxid, høj luftfugtighed og ingen temperatur, dannes giftig smog. Den væsentligste skade på miljøet er forårsaget af oxidationsprodukterne SO 2, SO 3 og syrer H 2 SO 3 og H 2 SO 4. Som følge af emissioner af svovloxid og nitrogen observeres "sur" regn i industriområder. Regnvand, der indeholder høje koncentrationer af brintioner, kan udvaske giftige metalioner:

ZnO(t) + 2H+ = Zn2+ (p) + H2O

Når en forbrændingsmotor kører, frigives nitrogenoxider, hvis omdannelsesprodukt er ozon:

N 2 + O 2 « 2NO (i motorcylinderen)

Af stor bekymring for samfundet er miljøproblemer, hvis kemiske essens er at beskytte biosfæren mod overskydende kuloxider og metan, som skaber "drivhuseffekten", svovl- og nitrogenoxider, hvilket fører til "sur regn"; halogenderivater (klor, fluor) af kulbrinter, der krænker "Jordens ozonskjold"; kræftfremkaldende stoffer (polyaromatiske kulbrinter og produkter fra deres ufuldstændige forbrænding) og andre produkter. I dag er ikke kun problemet med miljøbeskyttelse, men også beskyttelsen af ​​det indre miljø ved at blive relevant. Antallet af stoffer, der kommer ind i en levende organisme, som er fremmede, fremmede for liv og kaldet xenobiotika. Ifølge Verdenssundhedsorganisationen er der omkring 4 millioner af dem.De kommer ind i kroppen med mad, vand og luft samt i form af medicin (doseringsformer).

Det skyldes den lave kultur hos producenter og forbrugere af kemikalier, som ikke har faglig kemisk viden. Faktisk er det kun uvidenhed om stoffers egenskaber og manglende evne til at forudse konsekvenserne af deres overdrevne brug, der kan forårsage uoprettelige tab af naturen, som mennesket er en integreret del af. Faktisk sammenlignes nogle producenter, og endda medicinske arbejdere, med Bulgakovs møller, der straks ønskede at komme sig fra malaria med en utrolig (chok)dosis kinin, men ikke havde tid - han døde. Rollen af ​​forskellige kemiske elementer i miljøforurening og forekomsten af ​​sygdomme, herunder erhvervssygdomme, er stadig utilstrækkeligt undersøgt. Det er nødvendigt at analysere indtrængen af ​​forskellige stoffer i miljøet som følge af menneskelig aktivitet, måden de kommer ind i menneskekroppen, planter, deres interaktion med levende organismer på forskellige niveauer og udvikle et system af effektive foranstaltninger, der både har til formål at forebygge yderligere miljøforurening og skabe de nødvendige biologiske midler til at beskytte kroppens indre miljø. Medicinsk personale er forpligtet til at deltage i udviklingen og implementeringen af ​​tekniske, forebyggende, sanitære, hygiejniske og terapeutiske foranstaltninger.

3.2 Biokemiske provinser. Endemiske sygdomme.

Zoner, inden for hvilke dyr og planter er karakteriseret ved en bestemt kemisk grundstofsammensætning, kaldes biogeokemiske provinser. Biogeokemiske provinser er tredjeordens taxa af biosfæren - territorier af forskellig størrelse inden for subregioner af biosfæren med konstante karakteristiske reaktioner fra organismer (for eksempel endemiske sygdomme). Der er to typer af biogeokemiske provinser - naturlige og teknogene, som følge af udviklingen af ​​malmforekomster, emissioner fra den metallurgiske og kemiske industri og brugen af ​​gødning i landbruget. Det er nødvendigt at være opmærksom på mikroorganismernes rolle i skabelsen af ​​miljøets geokemiske karakteristika. Mangel og overskud af grundstoffer kan føre til dannelsen af ​​biogeokemiske provinser, forårsaget af både en mangel på grundstoffer (jod, fluor, calcium, kobber, etc. provinser) og deres overskud (bor, molybdæn, fluor, kobber, etc.). Problemet med brommangel i kontinentale regioner, bjergområder og bromoverskud i kyst- og vulkanlandskaber er interessant og vigtigt. I disse regioner forløb udviklingen af ​​centralnervesystemet kvalitativt anderledes. En biogeokemisk provins på nikkelberigede klipper er blevet opdaget i det sydlige Ural. Det er karakteriseret ved grimme former for græsser og fåresygdomme forbundet med højt nikkelindhold i miljøet.

Korrelationen af ​​biogeokemiske provinser med deres økologiske tilstand gjorde det muligt at identificere følgende territorier: a) med en relativt tilfredsstillende økologisk situation - (zone med relativ velvære); b) med reversible, begrænsede og i de fleste tilfælde fjernelige miljøovertrædelser - (miljørisikozone); c) med en tilstrækkelig høj grad af ulempe observeret over en lang periode over et stort territorium, hvis eliminering kræver betydelige omkostninger og tid - (økologisk krisezone); d) med en meget høj grad af miljøbelastning, praktisk talt irreversibel miljøskade, der har en klar lokalisering -( økologisk katastrofezone).

Baseret på påvirkningsfaktoren, dens niveau, aktionsvarighed og distributionsområde identificeres følgende naturligt-teknologiske biogeokemiske provinser som risiko- og krisezoner:

1. polymetallisk (Pb, Cd, Hjg, Cu, Zn) med dominerende associationer Cu–Zn, Cu–Ni, Pb–Zn, herunder:

· beriget med kobber (Sydlige Ural, Bashkortostan, Norilsk, Mednogorsk);

· beriget med nikkel (Norilsk, Monchegorsk, Nikkel, Polyarny, Tuva, det sydlige Ural);

· beriget med bly (Altai, Kaukasus, Transbaikalia);

· beriget med fluor (Kirovsk, Krasnoyarsk, Bratsk);

· med et højt indhold af uran og radionuklider i miljøet (Transbaikalia, Altai, det sydlige Ural).

2. Biogeokemiske provinser med mangler af mikroelementer (Se, I, Cu, Zn osv.).

Miljøkemi er videnskaben om kemiske processer, der bestemmer miljøets tilstand og egenskaber - atmosfæren, hydrosfæren og jordbunden.

En gren af ​​kemi, der er viet til studiet af det kemiske grundlag for miljøfænomener og -problemer, såvel som processerne til dannelse af de kemiske egenskaber og sammensætning af miljøgenstande.

Miljøkemi studerer både de naturlige kemiske processer, der forekommer i miljøet, og processen med dets menneskeskabte forurening.

Menneskeskabt miljøforurening har en betydelig indvirkning på planters og dyrs sundhed. Den årlige produktion af vegetation på verdens jord før dens forstyrrelse af mennesker var tæt på 172x109 tons tørstof. Som et resultat af påvirkningen er dens naturlige produktion nu faldet med mindst 25 %. I publikationerne af V.V. Ermakova (1999), Yu.M. Zakharova (2003), I.M. Donnik (1997), M.S. Panin (2003) og andre viser den stigende aggressivitet af menneskeskabte påvirkninger af miljøet (EA), der finder sted i udviklede landes territorier.

V.A. Kovda leverede data om forholdet mellem naturlige biogeokemiske cyklusser og det menneskeskabte bidrag til naturlige processer; siden da er teknogene strømme steget. Ifølge hans data estimeres biogeokemiske og teknogene strømme af biosfæren af ​​følgende værdier:

Ifølge Verdenssundhedsorganisationen (WHO) bruges op til 500 tusind ud af mere end 6 millioner kendte kemiske forbindelser, hvoraf 40 tusind har egenskaber, der er skadelige for mennesker, og 12 tusinde er giftige. I 2009 steg forbruget af mineralske og organiske råvarer kraftigt og nåede 40-50 tusinde tons pr. indbygger på jorden. Derfor er mængderne af industri-, landbrugs- og husholdningsaffald stigende. I det 21. århundrede har menneskeskabt forurening bragt menneskeheden på randen af ​​en miljøkatastrofe. Derfor er analyse af den russiske biosfæres økologiske tilstand og søgen efter måder til økologisk rehabilitering af sit territorium meget relevante.

I øjeblikket genererer virksomheder inden for minedrift, metallurgisk, kemisk, træbearbejdning, energi, byggematerialer og andre industrier i Den Russiske Føderation årligt omkring 7 milliarder tons affald. Kun 2 milliarder tons bruges, eller 28% af den samlede mængde. I den forbindelse er der alene samlet omkring 80 milliarder tons fast affald på landets lossepladser og slamopbevaringsanlæg. Omkring 10 tusinde hektar jord, der er egnet til landbrug, bliver årligt afhændet til lossepladser til opbevaring. Den største mængde affald genereres ved udvinding og berigelse af råvarer. I 2005 var mængden af ​​overjord, tilhørende bjergarter og berigningsaffald i forskellige industrier således henholdsvis 3100 og 1200 mio. m3. En stor mængde affald genereres i processen med høst og forarbejdning af træråvarer. På skovningspladser udgør affald op til 46,5 % af den samlede mængde træ, der fjernes. I vores land genereres der årligt mere end 200 millioner m3 træaffald. Lidt mindre affald produceres i jernmetallurgivirksomheder: I 2004 udgjorde produktionen af ​​brændende flydende slagger 79,7 millioner tons, herunder 52,2 millioner tons højovn, 22,3 millioner tons stålfremstilling og 4,2 millioner tons t ferrolegeringer. I verden bliver der årligt smeltet cirka 15 gange mindre ikke-jernholdige metaller end jernholdige metaller.

Ved produktion af ikke-jernholdige metaller i processen med malmberigelse dannes der imidlertid fra 30 til 100 tons knust tailings pr. 1 ton koncentrater, og ved smeltning af malm pr. 1 ton metal - fra 1 til 8 tons slagge. , slam og andet affald.

Hvert år producerer kemiske industrier, fødevarer, mineralsk gødning og andre industrier mere end 22 millioner tons gipsholdigt affald og omkring 120-140 millioner tons spildevandsslam (tørt), hvoraf omkring 90% opnås ved at neutralisere industrispildevand. Mere end 70 % af affaldsbunkerne i Kuzbass er klassificeret som brændende. I en afstand af flere kilometer fra dem øges koncentrationerne af SO2, CO og CO2 i luften markant. Koncentrationen af ​​tungmetaller i jord og overfladevand stiger kraftigt, og i områder med uranminer - radionuklider. Minedrift i åbne brud fører til landskabsforstyrrelser, der i omfang kan sammenlignes med konsekvenserne af større naturkatastrofer. I området for minedrift i Kuzbass blev der således dannet adskillige kæder af dybe (op til 30 m) fejl, der strækker sig over mere end 50 km, med et samlet areal på op til 300 km2 og fejlvolumener på mere end 50 millioner m3.

I øjeblikket er enorme områder besat af fast affald fra termiske kraftværker: aske, slagger, der i sammensætning ligner metallurgisk affald. Deres årlige produktion når 70 millioner tons. Graden af ​​deres anvendelse er inden for 1-2%. Ifølge Ministeriet for Naturressourcer i Den Russiske Føderation overstiger det samlede jordareal, der er besat af affald fra forskellige industrier, generelt 2000 km2.

Mere end 40 milliarder tons råolie produceres årligt i verden, hvoraf omkring 50 millioner tons olie og olieprodukter går tabt under produktion, transport og forarbejdning. Olie anses for at være en af ​​de mest udbredte og farligste forurenende stoffer i hydrosfæren, da omkring en tredjedel af den produceres på kontinentalsoklen. Den samlede masse af olieprodukter, der årligt kommer ud i havene og oceanerne, er anslået til cirka 5-10 millioner tons.

Ifølge NPO Energostal overstiger rensningsgraden af ​​affaldsgasser fra jernholdigt metallurgisk støv 80 %, og udnyttelsesgraden af ​​faste genvindingsprodukter er kun 66 %.

Samtidig er udnyttelsesgraden af ​​jernholdigt støv og slagger 72 %, mens den for øvrige støvtyper er 46 %. Næsten alle virksomheder i både metallurgiske og termiske kraftværker løser ikke problemerne med at rense aggressive lavprocent svovlholdige gasser. Emissionerne af disse gasser beløb sig til 25 millioner tons. Udledningen af ​​svovlholdige gasser til atmosfæren er kun faldet fra 1,6 til 0,9 mio. Spørgsmålene om neutralisering af galvaniske løsninger er dårligt løst. Endnu langsommere er spørgsmål vedrørende bortskaffelse af affald genereret under neutralisering og behandling af brugte ætseopløsninger, kemiske produktionsløsninger og spildevand. I russiske byer udledes op til 90% af spildevandet i floder og reservoirer i ubehandlet form. I øjeblikket er der udviklet teknologier, der gør det muligt at omdanne giftige stoffer til lavtoksiske og endda biologisk aktive, som kan bruges i landbruget og andre industrier.

Moderne byer udsender omkring 1.000 forbindelser til atmosfæren og vandmiljøet. Motortransport indtager en af ​​de førende steder inden for byluftforurening. I mange byer udgør udstødningsgasserne 30% og i nogle - 50%. I Moskva kommer omkring 96% af CO, 33% af NO2 og 64% af kulbrinter i atmosfæren gennem motortransport.

Baseret på påvirkningsfaktorerne, deres niveau, virkningsvarighed og distributionsområde klassificeres de naturligt-teknologiske biogeokemiske provinser i Ural som territorier med den største grad af miljømæssig nød. I løbet af de seneste år har Ural-bjergene indtaget en førende position i mængden af ​​samlede emissioner af skadelige stoffer til atmosfæren. Ifølge A.A. Malygina, Ural-bjergene rangerer først i Rusland for luft- og vandforurening og nummer to for jordforurening.

Uralerne er en af ​​landets største producenter af jernholdige metaller. Der er 28 metallurgiske virksomheder i det. For at forsyne dem med råvarer opererer mere end 10 minedrifts- og forarbejdningsvirksomheder i regionen. Fra 2003 akkumulerede metallurgiske virksomheder i regionen omkring 180 millioner tons højovnsslagge, 40 millioner tons stålfremstillingsslagge og mere end 20 millioner tons ferrochromproduktionsslagge samt en betydelig mængde støv og slam. Der er etableret mulighed for at genanvende affald til forskellige byggematerialer til samfundsøkonomiens behov.

Over 2,5 milliarder m3 af forskellige sten, 250 millioner tons slagger og aske fra termiske kraftværker er blevet samlet på regionens lossepladser. Af den samlede mængde overbelastning behandles kun 3 %. Hos metallurgiske virksomheder bruges ud af 14 millioner tons årligt produceret slagge kun 40-42%, hvoraf 75% er højovnsslagge, 4% er stålsmeltning, 3% er ferrolegering og 17% er non-ferro metallurgisk slagge. , og termisk kraftværks aske er kun omkring 1%.

Afbrydelse af mikro- og makroelementhomeostase i kroppen bestemmes af naturlig og menneskeskabt forurening af biosfæren, hvilket fører til dannelsen af ​​brede områder af menneskeskabte mikroelementer omkring territorial-industrielle komplekser. Sundheden for ikke kun personer, der er direkte involveret i produktionsprocessen, lider, men også dem, der bor i nærheden af ​​virksomhederne. Som regel har de et mindre udtalt klinisk billede og kan tage den latente form af visse patologiske tilstande. Det har vist sig, at i nærheden af ​​industrivirksomheder beliggende i byen blandt boligområder overstiger blykoncentrationerne baggrundsværdierne med 14-50 gange, zink med 30-40 gange, krom med 11-46 gange og nikkel med 8-63 gange .

En analyse af den økologiske og kemiske situation og sundhedstilstanden for befolkningen i Ural gjorde det muligt at fastslå, at det med hensyn til forureningsniveauet tilhører "områder med en miljømæssig nødsituation." Forventet levetid er 4-6 år mindre sammenlignet med lignende indikatorer i Rusland.

Beboere, der lever i lang tid under forhold med naturlig og menneskeskabt forurening, udsættes for unormale koncentrationer af kemiske elementer, der har en mærkbar effekt på kroppen. En af manifestationerne er en ændring i blodets sammensætning, hvis årsag er en krænkelse af forsyningen af ​​jern og mikroelementer (Cu, Co) til kroppen, forbundet med både deres lave indhold i mad og det høje indhold af forbindelser i fødevarer, der forhindrer optagelsen af ​​jern i mave-tarmkanalen.

Ved overvågning af biologiske og kemiske parametre i 56 gårde i forskellige regioner i Ural, blev fem varianter af territorier betinget identificeret, der adskiller sig i miljømæssige egenskaber:

• * territorier forurenet af emissioner fra store industrivirksomheder;
• * territorier forurenet på grund af virksomheders aktiviteter med langlivede radionuklider - strontium-90 og cæsium-137 (East Ural radioactive trace - EURT);
• * territorier, der er udsat for pres fra industrivirksomheder og samtidig ligger i EURT-zonen;
• * geokemiske provinser med højt naturligt indhold af tungmetaller (Zn, Cu, Ni) i jord, vand samt unormale koncentrationer af radon-222 i jordluft og vand;
• * områder, der er relativt gunstige i miljømæssig henseende, fri for industrivirksomheder

Økologiske aspekter af grundstoffernes kemi

Mikroelementer og enzymer. Introduktion til metalloenzymer. Specifikke og uspecifikke enzymer. Metalioners rolle i enzymer. Horisontal lighed i den biologiske virkning af d-elementer Synergi og antagonisme af elementer.

Tilbøjelighed af d-element ioner til hydrolyse og polymerisation

I sure miljøer er d-elementioner i form af hydratiserede ioner [M(H 2 O) m ] n+. Med stigende pH har hydratiserede ioner af mange d-elementer på grund af deres store ladning og lille ionstørrelse en høj polariserende effekt på vandmolekyler, acceptorevne for hydroxidioner, gennemgår kationisk hydrolyse og danner stærke kovalente bindinger med OH-. Processen ender enten med dannelsen af ​​basesalte [M(OH) m ] (m-n)+, eller uopløselige hydroxider M(OH) n, eller hydroxokomplekser [M(OH) m ] (n-m)-. Processen med hydrolytisk interaktion kan forekomme med dannelsen af ​​multinukleære komplekser som et resultat af polymerisationsreaktionen.

2. 4. Biologisk rolle af d-elementer (overgangselementer)

Grundstoffer, hvis indhold ikke overstiger 10 -3%, er en del af enzymer, hormoner, vitaminer og andre vitale forbindelser. Til protein-, kulhydrat- og fedtstofskiftet er følgende nødvendige: Fe, Co, Mn, Zn, Mo, V, B, W; følgende er involveret i proteinsyntesen: Mg, Mn, Fe, Co, Cu, Ni, Cr, i hæmatopoiesen - Co, Ti, Cu, Mn, Ni, Zn; i vejret - Mg, Fe, Cu, Zn, Mn og Co. Af denne grund er mikroelementer meget brugt i medicin, som mikrogødning til markafgrøder og som gødning i husdyr, fjerkræ og fiskeopdræt. Mikroelementer er en del af et stort antal bioregulatorer af levende systemer, som er baseret på biokomplekser. Enzymer er specielle proteiner, der fungerer som katalysatorer i biologiske systemer. Enzymer er unikke katalysatorer med uovertruffen effektivitet og høj selektivitet. Et eksempel på effektiviteten af ​​nedbrydningsreaktionen af ​​hydrogenperoxid 2H 2 O 2 ® 2H 2 O + O 2 i nærvær af enzymer er givet i tabel 6.

Tabel 6. Aktiveringsenergi (E o) og den relative hastighed af nedbrydningsreaktionen af ​​H 2 O 2 i fravær og tilstedeværelse af forskellige katalysatorer

I dag kendes mere end 2.000 enzymer, hvoraf mange katalyserer en enkelt reaktion. Aktiviteten af ​​en stor gruppe enzymer manifesterer sig kun i nærvær af visse ikke-proteinforbindelser kaldet cofaktorer. Metalioner eller organiske forbindelser fungerer som cofaktorer. Omkring en tredjedel af enzymerne aktiveres af overgangsmetaller.

Metalioner i enzymer udfører en række funktioner: de er en elektrofil gruppe af enzymets aktive center og letter interaktion med negativt ladede områder af substratmolekyler, de danner en katalytisk aktiv konformation af enzymstrukturen (i dannelsen af ​​den spiralformede struktur af RNA, zink og manganioner deltager) og deltager i elektrontransport (elektronoverførselskomplekser). En metalions evne til at udføre sin rolle i det aktive sted af det tilsvarende enzym afhænger af metalionens evne til at danne komplekser, geometrien og stabiliteten af ​​det dannede kompleks. Dette sikrer øget selektivitet af enzymet over for substrater, aktivering af bindinger i enzymet eller substratet gennem koordination og ændring af substratets form i overensstemmelse med det aktive steds steriske krav.

Biokomplekser varierer i stabilitet. Nogle af dem er så stærke, at de konstant er i kroppen og udfører en bestemt funktion. I de tilfælde, hvor forbindelsen mellem cofaktoren og enzymproteinet er stærk, og det er svært at adskille dem, kaldes det en "protesegruppe". Sådanne bindinger blev fundet i enzymer indeholdende en hæm-kompleks forbindelse af jern med et porfinderivat. Rollen af ​​metaller i sådanne komplekser er meget specifik: at erstatte det selv med et element, der ligner egenskaber, fører til et betydeligt eller fuldstændigt tab af fysiologisk aktivitet. Disse enzymer omfatter til specifikke enzymer.

Eksempler på sådanne forbindelser er klorofyl, polyphenyloxidase, vitamin B 12, hæmoglobin og nogle metalloenzymer (specifikke enzymer). Få enzymer deltager kun i én specifik eller enkelt reaktion.

De katalytiske egenskaber af de fleste enzymer bestemmes af det aktive center dannet af forskellige mikroelementer. Enzymer syntetiseres under funktionens varighed. Metalionen fungerer som en aktivator og kan erstattes af en anden metalion uden tab af enzymets fysiologiske aktivitet. Disse er klassificeret som uspecifikke enzymer.

Nedenfor er enzymer, hvor forskellige metalioner udfører lignende funktioner.

Tabel 7. Enzymer, hvor forskellige metalioner udfører lignende funktioner

Et sporstof kan aktivere forskellige enzymer, og et enzym kan aktiveres af forskellige sporstoffer. Enzymer med mikroelementer i samme oxidationstilstand +2 har den største lighed i biologisk virkning. Som det kan ses, er mikroelementer af overgangselementer i deres biologiske virkning karakteriseret ved mere horisontal lighed end vertikal lighed i det periodiske system af D.I. Mendeleev (i Ti-Zn-serien).Når man beslutter sig for brugen af ​​et bestemt mikroelement, er det ekstremt vigtigt at tage højde for ikke kun tilstedeværelsen af ​​mobile former af dette element, men også andre, der har samme oxidationstilstand og kan erstatte hinanden i sammensætningen af ​​enzymer.

Nogle metalloenzymer indtager en mellemposition mellem specifikke og uspecifikke enzymer. Metalioner fungerer som en cofaktor. Forøgelse af styrken af ​​enzymets biokompleks øger specificiteten af ​​dets biologiske virkning. Effektiviteten af ​​den enzymatiske virkning af enzymets metalion påvirkes af dets oxidationstilstand. I henhold til intensiteten af ​​deres indflydelse er mikroelementer arrangeret i følgende række:

Ti 4+ ®Fe 3+ ®Cu 2+ ®Fe 2+ ®Mg 2+ ®Mn 2+ . Mn 3+ ionen er i modsætning til Mn 2+ ionen meget tæt bundet til proteiner, og hovedsageligt med oxygenholdige grupper er Fe 3+ tilsammen en del af metalloproteiner.

Mikroelementer i kompleksonat form virker i kroppen som en faktor, der tilsyneladende bestemmer cellernes høje følsomhed over for mikroelementer gennem deres deltagelse i skabelsen af ​​en høj koncentrationsgradient. Værdierne af atomare og ioniske radier, ioniseringsenergier, koordinationstal og tendensen til at danne bindinger med de samme elementer i bioligandmolekyler bestemmer virkningerne observeret under gensidig substitution af ioner: kan forekomme med stigende (synergi) og med hæmning af deres biologiske aktivitet (antagonisme) element udskiftes. Ioner af d-elementer i +2-oxidationstilstanden (Mn, Fe, Co, Ni, Zn) har lignende fysisk-kemiske egenskaber af atomer (elektronisk struktur af det ydre niveau, lignende ion-radier, type orbital hybridisering, lignende værdier af stabilitetskonstanter med bioligander). Ligheden mellem de fysisk-kemiske egenskaber af det kompleksdannende middel bestemmer ligheden mellem deres biologiske virkning og udskiftelighed. Ovenstående overgangselementer stimulerer hæmatopoietiske processer og forbedrer metaboliske processer. Synergien af ​​elementer i processerne af hæmatopoiesis er muligvis forbundet med deltagelse af ioner af disse elementer i forskellige stadier af synteseprocessen af ​​dannede elementer af menneskeligt blod.

s - elementerne i gruppe I er karakteriseret, sammenlignet med andre elementer i deres periode, ved en lille ladning af atomkerner, et lavt ioniseringspotentiale af valenselektroner, en stor atomstørrelse og dens stigning i gruppen fra top til bund. Alt dette bestemmer tilstanden af ​​deres ioner i vandige opløsninger i form af hydratiserede ioner. Den største lighed mellem lithium og natrium bestemmer deres udskiftelighed og synergien af ​​deres handling. De destruktive egenskaber af kalium-, rubidium- og cæsiumioner i vandige opløsninger sikrer deres bedre membranpermeabilitet, udskiftelighed og synergi af deres virkning. Koncentrationen af ​​K + inde i celler er 35 gange højere end uden for den, og koncentrationen af ​​Na + i den ekstracellulære væske er 15 gange højere end inde i cellen. Disse ioner er antagonister i biologiske systemer. s - Gruppe II-elementer findes i kroppen i form af forbindelser dannet af phosphor-, kul- og carboxylsyrer. Calcium, der hovedsageligt findes i knoglevæv, ligner i egenskaber strontium og barium, som kan erstatte det i knogler. I dette tilfælde observeres begge tilfælde af synergi og antagonisme. Calciumioner er også antagonister af natrium-, kalium- og magnesiumioner. Ligheden mellem de fysisk-kemiske egenskaber af Be 2+ og Mg 2+ ioner bestemmer deres udskiftelighed i forbindelser, der indeholder Mg-N og Mg-O-bindinger. Dette kan forklare hæmningen af ​​magnesiumholdige enzymer, når beryllium kommer ind i kroppen. Beryllium er en antagonist af magnesium. Følgelig er de fysisk-kemiske egenskaber og biologiske virkninger af mikroelementer bestemt af strukturen af ​​deres atomer. De fleste biogene elementer er medlemmer af den anden, tredje og fjerde periode af det periodiske system af D.I. Mendeleeva. Disse er relativt lette atomer, med en relativt lille ladning på kernerne i deres atomer.

2. 4. 2. Overgangselementforbindelsernes rolle i overførslen af ​​elektroner i levende systemer.

I en levende organisme har mange processer en cyklisk, bølgelignende karakter. De kemiske processer, der ligger til grund for dem, skal være reversible. Reversibiliteten af ​​processer er bestemt af interaktionen mellem termodynamiske og kinetiske faktorer. Reversible reaktioner omfatter dem med konstanter fra 10 -3 til 10 3 og med en lille værdi på DG 0 og DE 0 af processen. Under disse forhold kan koncentrationerne af udgangsstofferne og reaktionsprodukterne være i sammenlignelige koncentrationer, og ved at ændre dem i et vist interval kan reversibilitet af processen opnås. Fra et kinetisk synspunkt bør der være lave værdier af aktiveringsenergi. Af denne grund er metalioner (jern, kobber, mangan, kobolt, molybdæn, titanium og andre) praktiske bærere af elektroner i levende systemer. Tilføjelsen og donationen af ​​en elektron forårsager kun ændringer i den elektroniske konfiguration af metalionen uden væsentligt at ændre strukturen af ​​kompleksets organiske komponent. En unik rolle i levende systemer er tildelt to redoxsystemer: Fe 3+ /Fe 2+ og Cu 2+ /Cu+. Bioligander stabiliserer i højere grad den oxiderede form i det første par, og overvejende den reducerede form i det andet par. Af denne grund er det formelle potentiale i systemer, der indeholder jern, altid lavere, og i systemer, der indeholder kobber, er det formelle potentiale ofte højere. Redox-systemer, der indeholder kobber og jern, dækker en bred vifte af potentialer, hvilket gør det muligt for dem at interagere med mange substrater. ledsaget af moderate ændringer i DG 0 og DE 0, som opfylder betingelserne for reversibilitet. Et vigtigt skridt i stofskiftet er udvindingen af ​​brint fra næringsstoffer. Hydrogenatomer omdannes derefter til en ionisk tilstand, og elektronerne, der er adskilt fra dem, går ind i åndedrætskæden; i denne kæde, der bevæger sig fra en forbindelse til en anden, opgiver de deres energi for at danne en af ​​de grundlæggende energikilder, adenosintriphosphorsyre (ATP), og de når selv i sidste ende et iltmolekyle og forbinder sig med det og danner vandmolekyler. Broen, langs hvilken elektroner oscillerer, er komplekse forbindelser af jern med en porphyrinkerne, der i sammensætning ligner hæmoglobin.

En stor gruppe af jernholdige enzymer, der katalyserer processen med elektronoverførsel i mitokondrier, kaldes almindeligvis cytochromer(ts.kh.), I alt kendes omkring 50 cytokromer. Cytokromer er jernporphyriner, hvor alle seks orbitaler af jernionen er optaget af donoratomer, en bioligand. Forskellen mellem cytochromer er kun i sammensætningen af ​​sidekæderne i porphyrinringen. Variationer i strukturen af ​​bioliganden er forårsaget af forskelle i størrelsen af ​​de formelle potentialer. Alle celler indeholder mindst tre proteiner med lignende struktur, kaldet cytochromer a, b, c. I cytokrom c sker forbindelsen med histidinresten i polypeptidkæden gennem porphyrinkernen Det frie koordinationssted i jernionen er optaget af polypeptidkædens methioninrest:

En af funktionsmekanismerne for cytochromer, som udgør et af leddene i elektrontransportkæden, er overførslen af ​​en elektron fra et substrat til et andet.

Fra et kemisk synspunkt er cytochromer forbindelser, der udviser redox-dualitet under reversible forhold.

Elektronoverførsel med cytokrom c ledsages af en ændring i jernets oxidationstilstand:

c. X. Fe 3+ + e « c.xFe 2+

Iltioner reagerer med brintioner i miljøet og danner vand eller brintoverilte. Peroxid nedbrydes hurtigt af et specielt enzym katalase til vand og ilt i henhold til følgende skema:

2H2O2®2H2O + O2

Enzymet peroxidase accelererer oxidationsreaktionerne af organiske stoffer med hydrogenperoxid i henhold til følgende skema:

Disse enzymer har en hæm i deres struktur, i hvis centrum der er jern med en oxidationstilstand på +3 (afsnit 2 7.7).

I elektrontransportkæden overfører cytochrom c elektroner til cytochromer kaldet cytochromoxidaser. De indeholder kobberioner. Cytokrom er en en-elektronbærer. Tilstedeværelsen af ​​kobber i et af cytochromerne sammen med jern gør det til en to-elektronbærer, som gør det muligt at regulere processens hastighed.

Kobber er en del af et vigtigt enzym - superoxiddismutase (SOD), som udnytter den giftige superoxidion O2- i kroppen gennem reaktionen

[SOD Cu 2+ ] + ® O 2 - [SOD Cu + ] + O 2

[SOD Cu+] + O 2 - + 2H + ® [SODCu 2+ ] + H 2 O 2

Hydrogenperoxid nedbrydes i kroppen under påvirkning af katalase.

I dag kendes omkring 25 kobberholdige enzymer. Οʜᴎ udgør en gruppe af oxygenaser og hydroxylaser. Sammensætningen og mekanismen for deres virkning er beskrevet i arbejde (2, afsnit 7.9.).

Overgangselementkomplekser er en kilde til mikroelementer i en biologisk aktiv form med høj membranpermeabilitet og enzymatisk aktivitet. Οʜᴎ tage del i at beskytte kroppen mod "oxidativ stress". Dette skyldes deres deltagelse i udnyttelsen af ​​metaboliske produkter, der bestemmer den ukontrollerede oxidationsproces (peroxider, frie radikaler og andre oxygenaktive arter), samt i oxidationen af ​​substrater. Mekanismen for den frie radikalreaktion af substratoxidation (RH) med hydrogenperoxid med deltagelse af et jernkompleks (FeL) som katalysator kan repræsenteres ved reaktionsskemaer.

RH+. OH® R. + H20; R. + FeL® R + + FeL

Underlag

R++OH -® ROH

Oxideret substrat

Yderligere forekomst af radikalreaktionen fører til dannelsen af ​​produkter med en højere grad af hydroxylering. Andre radikaler virker på samme måde: HO 2. 02. , . O2-.

2. 5. Generelle karakteristika for p-blokelementer

Elementer, hvor p-underniveauet af det ydre valensniveau er afsluttet, kaldes p-elementer. Elektronisk struktur af ns 2 p 1-6 valensniveauet. Valenselektroner er s- og p-underniveauerne.

Tabel 8. Placering af p-elementer i grundstoffernes periodiske system.

Periode	Gruppe
IIIA	IVA	V.A.	VIA	VIIA	VIIIA
		(C)	(N)	(O)	(F)	Ne
			(P)	(S)	(Cl)	Ar
	Ga					Kr
	I	Sn	Sb	Te	(JEG)	Xe
	Tl	Pb	Bi	Po	På	Rn
	p 1	s 2	s 3	s 4	s 5	R 6
() - væsentlige elementer - biogene elementer

I perioder fra venstre mod højre stiger ladningen af ​​kerner, hvis indflydelse råder over stigningen i kræfterne til gensidig frastødning mellem elektroner. Af denne grund stiger ioniseringspotentialet, elektronaffiniteten og dermed acceptorkapaciteten og de ikke-metalliske egenskaber i perioder. Alle grundstoffer, der ligger på Br – Ved diagonal og derover, er ikke-metaller og danner kun kovalente forbindelser og anioner. Alle andre p-elementer (med undtagelse af indium, thallium, polonium, bismuth, som udviser metalliske egenskaber) er amfotere grundstoffer og danner både kationer og anioner, som begge er stærkt hydrolyserede. De fleste ikke-metal p-elementer er biogene (undtagelserne er ædelgasser, tellur og astatin). Af p-elementerne - metaller - er kun aluminium klassificeret som biogent. Forskelle i egenskaberne af naboelementer, både indeni; og efter periode: de udtrykkes meget stærkere end s-elementernes. p-elementer i den anden periode - nitrogen, oxygen, fluor har en udtalt evne til at deltage i dannelsen af ​​hydrogenbindinger. Elementer i den tredje og efterfølgende perioder mister denne evne. Deres lighed ligger kun i strukturen af ​​de ydre elektronskaller og de valenstilstande, der opstår på grund af uparrede elektroner i uexciterede atomer. Bor, kulstof og især nitrogen er meget forskellige fra de andre elementer i deres grupper (tilstedeværelsen af ​​d- og f-underniveauer).

Alle p-elementer og især p-elementer i anden og tredje periode (C, N, P, O, S, Si, Cl) danner talrige forbindelser med hinanden og med s-, d- og f-elementer. De fleste af de forbindelser, der er kendt på Jorden, er forbindelser af p-elementer. De fem vigtigste (makrobiogene) p-elementer i livet - O, P, C, N og S - er det vigtigste byggemateriale, som molekylerne af proteiner, fedtstoffer, kulhydrater og nukleinsyrer er sammensat af. Af de lavmolekylære forbindelser af p-elementer er de vigtigste oxoanionerne: CO 3 2-, HCO 3 -, C 2 O 4 2-, CH3COO -, PO 4 3-, HPO 4 2-, H 2 PO 4-, SO 4 2- og halogenidioner. p-elementer har mange valenselektroner med forskellige energier. Derfor udviser forbindelser forskellige grader af oxidation. For eksempel udviser kulstof forskellige oxidationstilstande fra -4 til +4. Nitrogen – fra -3 til +5, klor – fra -1 til +7.

Under reaktionen kan p-elementet donere og acceptere elektroner, der henholdsvis fungerer som et reduktionsmiddel eller et oxidationsmiddel, afhængigt af grundstoffets egenskaber, som det interagerer med. Dette giver anledning til en bred vifte af forbindelser dannet af dem. Den gensidige overgang af atomer af p-elementer i forskellige oxidationstilstande, herunder på grund af metaboliske redoxprocesser (for eksempel oxidation af en alkoholgruppe til deres aldehydgruppe og derefter til en carboxylgruppe, og så videre) forårsager et væld af deres kemiske omdannelser.

En kulstofforbindelse udviser oxiderende egenskaber, hvis kulstofatomer som et resultat af reaktionen øger antallet af dets bindinger med atomer af mindre elektronegative grundstoffer (metal, brint), fordi kulstofatomet sænker sin oxidationstilstand ved at tiltrække almindelige bindingselektroner.

CH 3 ® -CH 2 OH ® -CH = O ® -COOH ® CO 2

Omfordelingen af ​​elektroner mellem oxidationsmidlet og reduktionsmidlet i organiske forbindelser kan kun ledsages af et skift i den totale elektrontæthed af den kemiske binding til det atom, der fungerer som oxidationsmiddel. I tilfælde af stærk polarisering kan denne forbindelse blive brudt.

Fosfater i levende organismer tjener som strukturelle komponenter i skelettet af cellemembraner og nukleinsyrer. Knoglevæv er hovedsageligt opbygget af hydroxyapatit Ca 5 (PO 4) 3 OH. Grundlaget for cellemembraner er fosfolipider. Nukleinsyrer består af ribose- eller deoxyribose-phosphatkæder. Derudover er polyfosfater den vigtigste energikilde.

I den menneskelige krop syntetiseres NO nødvendigvis ved hjælp af enzymet NO-syntase fra aminosyren arginin. Levetiden for NO i kroppens celler er i størrelsesordenen et sekund, men deres normale funktion er ikke mulig uden NO. Denne forbindelse sikrer: afslapning af glatte muskler i vaskulære muskler, regulering af hjertefunktion, effektiv funktion af immunsystemet, transmission af nerveimpulser. NO menes at spille en vigtig rolle i indlæring og hukommelse.

Redoxreaktioner, hvori p-elementer deltager, ligger til grund for deres toksiske virkning på kroppen. Den toksiske virkning af nitrogenoxider er forbundet med deres høje redoxevne. Nitrater, der kommer ind i maden, reduceres til nitritter i kroppen.

NO3 - + 2H + + 2e® NO2 + H2O

Nitritter har meget giftige egenskaber. Οʜᴎ omdanner hæmoglobin til methæmoglobin, som er et produkt af hydrolyse og oxidation af hæmoglobin.

Som følge heraf mister hæmoglobin sin evne til at transportere ilt til kroppens celler. Hypoxi udvikler sig i kroppen. Samtidig reagerer nitritter som salte af en svag syre med saltsyre i maveindholdet og danner salpetersyre, som med sekundære aminer danner kræftfremkaldende nitrosaminer:

Den biologiske effekt af højmolekylære organiske forbindelser (aminosyrer, polypeptider, proteiner, fedtstoffer, kulhydrater og nukleinsyrer) bestemmes af atomer (N, P, S, O) eller dannede grupper af atomer (funktionelle grupper), hvori de fungerer som kemisk aktive centre, donorer af elektronpar, der er i stand til at danne koordinationsbindinger med metalioner og organiske molekyler. Som følge heraf danner p-elementer polydentate chelaterende forbindelser (aminosyrer, polypeptider, proteiner, kulhydrater og nukleinsyrer). Det er værd at sige, at de er karakteriseret ved komplekse dannelsesreaktioner, amfotere egenskaber og anioniske hydrolysereaktioner. Disse egenskaber bestemmer deres deltagelse i grundlæggende biokemiske processer og i at sikre tilstanden af ​​isohydrid. Οʜᴎ danner protein-, fosfat-, hydrogencarbonatbuffersystemer. Deltage i transport af næringsstoffer, stofskifteprodukter og andre processer.

3. 1. Levestedets rolle. Kemi af atmosfærisk forurening. Lægens rolle i at beskytte miljøet og menneskers sundhed.

A.P. Vinogradov viste, at jordens overflade er heterogen i kemisk sammensætning. Planter og dyr, såvel som mennesker, der er placeret i forskellige zoner, bruger næringsstoffer af forskellige kemiske sammensætninger og reagerer på dette med visse fysiologiske reaktioner og en bestemt kemisk sammensætning af kroppen. Virkningerne forårsaget af mikroelementer afhænger af deres indtagelse i kroppen. Koncentrationerne af biometaller i kroppen under dens normale funktion holdes på et nøje defineret niveau (biotisk dosis) ved hjælp af passende proteiner og hormoner. Reserverne af biometaller i kroppen genopbygges systematisk. Οʜᴎ er indeholdt i tilstrækkelige mængder i den forbrugte mad. Den kemiske sammensætning af planter og dyr, der bruges til mad, påvirker kroppen.

Intensiv industriproduktion har ført til forurening af det naturlige miljø med "skadelige" stoffer, herunder forbindelser af overgangselementer. I naturen er der en intensiv omfordeling af grundstoffer i biogeokemiske provinser. Hovedvejen (op til 80%) af deres indtræden i kroppen er vores mad. Under hensyntagen til menneskeskabt forurening af miljøet er det ekstremt vigtigt at træffe radikale foranstaltninger for at rehabilitere miljøet og de mennesker, der bor i det. Dette problem er i mange europæiske lande sat foran problemerne med økonomisk vækst og er blandt prioriteterne. I de senere år er udledningen af ​​forskellige forurenende stoffer steget. Prognosen for industriel udvikling giver os mulighed for at konkludere, at mængden af ​​emissioner og miljøforurenende stoffer vil fortsætte med at stige.

Virkelige zoner, hvor kredsløbet af grundstoffer opstår som følge af livsaktivitet kaldes økosystemer eller, som akademiker V.N. kaldte det. Sukachev, biogeocenoser. Mennesker er en integreret del af økosystemerne på vores planet. I sine livsaktiviteter kan en person forstyrre forløbet af den naturlige biogene cyklus. Mange industrier forurener miljøet. Ifølge V.I. Vernadskys lære kaldes skallen på vores planet, ændret af menneskelig økonomisk aktivitet, noosfæren. Den dækker hele biosfæren og går ud over dens grænser (stratosfæren, dybe miner, brønde osv.). Hovedrollen i noosfæren spilles af teknogen migration af elementer - teknogenese. Forskning i noosfærens geokemi er det teoretiske grundlag for rationel udnyttelse af naturressourcer og bekæmpelse af miljøforurening. Gasformig, flydende og fast miljøforurening danner giftige aerosoler (tåge, røg) i atmosfærens jordlag. Når atmosfæren er forurenet med svovldioxid, høj luftfugtighed og ingen temperatur, dannes der giftig røg. Den væsentligste skade på miljøet er forårsaget af oxidationsprodukterne SO 2, SO 3 og syrer H 2 SO 3 og H 2 SO 4. Som følge af emissioner af svovloxid og nitrogen observeres "sur" regn i industriområder. Regnvand, der indeholder høje koncentrationer af brintioner, kan udvaske giftige metalioner:

ZnO(t) + 2H+ = Zn2+ (p) + H2O

Når en forbrændingsmotor kører, frigives nitrogenoxider, hvis omdannelsesprodukt er ozon:

N 2 + O 2 « 2NO (i motorcylinderen)

Af stor bekymring for samfundet er miljøproblemer, hvis kemiske essens er at beskytte biosfæren mod overskydende kuloxider og metan, som skaber "drivhuseffekten", svovl- og nitrogenoxider, der fører til "sur regn"; halogenderivater (klor, fluor) af kulbrinter, der krænker "Jordens ozonskjold"; kræftfremkaldende stoffer (polyaromatiske kulbrinter og produkter fra deres ufuldstændige forbrænding) og andre produkter. I dag er ikke kun problemet med miljøbeskyttelse, men også beskyttelsen af ​​det indre miljø ved at blive relevant. Antallet af stoffer, der kommer ind i en levende organisme, som er fremmede, fremmede for liv og kaldet xenobiotika. Ifølge Verdenssundhedsorganisationen er der omkring 4 millioner af dem.De kommer ind i kroppen med mad, vand og luft samt i form af medicin (doseringsformer).

Det skyldes den lave kultur hos producenter og forbrugere af kemikalier, som ikke har faglig kemisk viden. Faktisk er det kun uvidenhed om stoffers egenskaber og manglende evne til at forudse konsekvenserne af deres overdrevne brug, der kan forårsage uoprettelige tab af naturen, som mennesket er en integreret del af. Faktisk sammenlignes nogle producenter, og endda medicinske arbejdere, med Bulgakovs møller, der straks ønskede at komme sig fra malaria med en utrolig (chok)dosis kinin, men ikke havde tid - han døde. Rollen af ​​forskellige kemiske elementer i miljøforurening og forekomsten af ​​sygdomme, herunder erhvervssygdomme, er stadig utilstrækkeligt undersøgt. Det er nødvendigt at analysere indtrængen af ​​forskellige stoffer i miljøet som følge af menneskelig aktivitet, måden de kommer ind i menneskekroppen, planter, deres interaktion med levende organismer på forskellige niveauer og udvikle et system af effektive foranstaltninger, der både har til formål at forebygge yderligere miljøforurening og skabe de nødvendige biologiske midler til at beskytte kroppens indre miljø. Medicinsk personale er forpligtet til at deltage i udviklingen og implementeringen af ​​tekniske, forebyggende, sanitære, hygiejniske og terapeutiske foranstaltninger.

3.2 Biokemiske provinser. Endemiske sygdomme.

Zoner, inden for hvilke dyr og planter er karakteriseret ved en bestemt kemisk grundstofsammensætning, kaldes biogeokemiske provinser. Biogeokemiske provinser er tredjeordens taxa af biosfæren - territorier af forskellig størrelse inden for subregioner af biosfæren med konstante karakteristiske reaktioner fra organismer (for eksempel endemiske sygdomme). Der er to typer af biogeokemiske provinser - naturlige og teknogene, som følge af udviklingen af ​​malmforekomster, emissioner fra den metallurgiske og kemiske industri og brugen af ​​gødning i landbruget. Det er nødvendigt at være opmærksom på mikroorganismernes rolle i skabelsen af ​​miljøets geokemiske karakteristika. Mangel og overskud af grundstoffer kan føre til dannelsen af ​​biogeokemiske provinser, forårsaget af både en mangel på grundstoffer (jod, fluor, calcium, kobber, etc. provinser) og deres overskud (bor, molybdæn, fluor, kobber, etc.). Problemet med brommangel i kontinentale regioner, bjergområder og bromoverskud i kyst- og vulkanlandskaber er interessant og vigtigt. I disse regioner forløb udviklingen af ​​centralnervesystemet kvalitativt anderledes. I det sydlige Ural blev en biogeokemisk provins opdaget på klipper beriget med nikkel. Det er værd at sige, at det er karakteriseret ved grimme former for græsser og fåresygdomme forbundet med et øget nikkelindhold i miljøet.

Korrelationen af ​​biogeokemiske provinser med deres økologiske tilstand gjorde det muligt at identificere følgende territorier: a) med en relativt tilfredsstillende økologisk situation - (zone med relativ velvære); b) med reversible, begrænsede og i de fleste tilfælde fjernelige miljøovertrædelser - (miljørisikozone); c) med en tilstrækkelig høj grad af ulempe observeret over en lang periode over et stort territorium, hvis eliminering kræver betydelige omkostninger og tid - (økologisk krisezone); d) med en meget høj grad af miljøbelastning, praktisk talt irreversibel miljøskade, der har en klar lokalisering -( økologisk katastrofezone).

Baseret på påvirkningsfaktoren, dens niveau, aktionsvarighed og distributionsområde identificeres følgende naturligt-teknologiske biogeokemiske provinser som risiko- og krisezoner:

1. polymetallisk (Pb, Cd, Hjg, Cu, Zn) med dominerende associationer Cu–Zn, Cu–Ni, Pb–Zn, herunder:

· beriget med kobber (Sydlige Ural, Bashkortostan, Norilsk, Mednogorsk);

· beriget med nikkel (Norilsk, Monchegorsk, Nikkel, Polyarny, Tuva, det sydlige Ural);

· beriget med bly (Altai, Kaukasus, Transbaikalia);

· beriget med fluor (Kirovsk, Krasnoyarsk, Bratsk);

· med et højt indhold af uran og radionuklider i miljøet (Transbaikalia, Altai, det sydlige Ural).

2. Biogeokemiske provinser med mangler af mikroelementer (Se, I, Cu, Zn osv.).