مادة حيوية

من خلال دراسة انتقال المواد البيولوجية في مضيق تاتار ببحر اليابان، لاحظ فريق روسي أن هذه المواد يمكن أن تدخل البيئة البحرية إما عن طريق مصادر خارجية، أو انتقالها داخل الكتل المائية، أو تكوّنها بفعل العمليات الأيضية داخل الماء. ^{[ 5 ]} كما يمكن استهلاكها نتيجة لعمليات التحول الحيوي ، أو تكوين الكتلة الحيوية بواسطة الكائنات الدقيقة. في هذه الدراسة، كانت تركيزات المواد البيولوجية، وتواتر تحولها، ومعدل دورانها أعلى ما يمكن في الطبقة العليا من الماء. بالإضافة إلى ذلك، كانت المواد البيولوجية ذات أعلى معدل انتقال سنوي ثابتة في مناطق مختلفة من المضيق. وهذه المواد هي الأكسجين (O2)، والكربون العضوي الذائب ₍ DOC)، والسيليكون الذائب (DISi)، والتي توجد عادةً بتراكيز عالية في المياه الطبيعية. ^{[ 5 ]} أما المواد البيولوجية التي تميل إلى أن يكون لها مدخلات أقل عبر الحدود الخارجية للمضيق، وبالتالي أقل انتقال، فهي المكونات المعدنية والفتاتية للنيتروجين والفوسفور. وتشارك هذه المواد نفسها بنشاط في عمليات التحول الحيوي في البيئة البحرية، ولها أيضًا معدل إنتاج سنوي أقل. ^{[ 5 ]}

يهتم علماء الكيمياء الجيولوجية العضوية بدراسة التحولات اللاحقة للترسيب للمواد البيولوجية في البترول وكيفية تحولها في الرواسب والأحافير. ^{[ 4 ]} في حين أن 90% من هذه المواد العضوية غير قابلة للذوبان في المذيبات العضوية الشائعة - وتُسمى الكيروجين - فإن 10% منها تكون في شكل قابل للذوبان ويمكن استخلاصها، ومن ثم عزل المركبات البيولوجية. ^{[ 4 ]} تتميز الأحماض الدهنية الخطية المشبعة والأصباغ بأكثر البنى الكيميائية استقرارًا، ولذلك فهي مناسبة لمقاومة التحلل الناتج عن عملية التحول اللاحق للترسيب والكشف عنها في أشكالها الأصلية. ^{[ 4 ]} ومع ذلك، فقد تم العثور على جزيئات كبيرة أيضًا في المناطق الجيولوجية المحمية. ^{[ 4 ]} تشمل ظروف الترسيب النموذجية عمليات إنزيمية وميكروبية وفيزيائية كيميائية، بالإضافة إلى ارتفاع درجة الحرارة والضغط، مما يؤدي إلى تحولات في المواد البيولوجية. ^{[ 4 ]} على سبيل المثال، يمكن العثور على الأصباغ الناتجة عن نزع الهيدروجين من الكلوروفيل أو الهيمين في العديد من الرواسب على شكل مركبات النيكل أو الفاناديل. ^{[ 4 ]} كما أن نسبة كبيرة من الإيزوبرينويدات في الرواسب مشتقة من الكلوروفيل. وبالمثل، فإن الأحماض الدهنية المشبعة الخطية المكتشفة في الصخر الزيتي في ميسيل، في حفرة ميسيل بألمانيا، تنشأ من مواد عضوية للنباتات الوعائية . ^{[ 4 ]}

بالإضافة إلى ذلك، وُجدت الألكانات والإيزوبرينويدات في المستخلصات الذائبة لصخور ما قبل الكمبري، مما يشير إلى احتمال وجود مواد بيولوجية منذ أكثر من ثلاثة مليارات سنة. ^{[ 4 ]} ومع ذلك، ثمة احتمال أن تكون هذه المركبات العضوية غير حيوية المنشأ، لا سيما في رواسب ما قبل الكمبري. في حين أن محاكاة ستودير وآخرون (1968) لتخليق الإيزوبرينويدات في ظروف غير حيوية المنشأ لم تُنتج الإيزوبرينويدات طويلة السلسلة المستخدمة كمؤشرات حيوية في الأحافير والرواسب، فقد تم الكشف عن آثار من الإيزوبرينويدات C9 - C14. _[ 11 _] ^{من الممكن أيضًا} تخليق سلاسل متعددة الإيزوبرينويد بشكل انتقائي فراغي باستخدام محفزات مثل Al(C2H5 ₎ 3 _- VCl3 . ^[ ₁₂ ^{] ومع ذلك ،} _فإن احتمال وجود هذه المركبات في البيئة الطبيعية ضئيل. ^{[ 4 ]}

وُجد أن للمستقلبات التي تنتجها الطحالب البحرية العديد من الخصائص المضادة للميكروبات . ^{[ 1 ]} ويعود ذلك إلى إنتاجها من قِبل الكائنات البحرية كمواد طاردة كيميائية، وبالتالي احتوائها على مركبات نشطة بيولوجيًا . وتشمل الفئات الرئيسية للطحالب البحرية التي تنتج هذه الأنواع من المستقلبات الثانوية: الطحالب الزرقاء (Cyanophyceae )، والطحالب الخضراء (Chlorophyceae) ، والطحالب الحمراء (Rhodophyceae ). ^{[ 1 ]} وتشمل المنتجات البيولوجية الملحوظة: متعددات الكيتون ، والأميدات ، والقلويدات ، والأحماض الدهنية ، والإندولات، والليبوببتيدات . [ ^{1 ] فعلى} سبيل المثال، يمتلك أكثر من 10% من المركبات المعزولة من طحلب Lyngbya majuscula ، وهو أحد أكثر أنواع البكتيريا الزرقاء وفرة، خصائص مضادة للفطريات والميكروبات. ^{[ 1 ] [ 6 ]} بالإضافة إلى ذلك، اختبرت دراسة أجراها رين وآخرون (2002) مركبات فورانون المهلجنة التي تنتجها طحالب Delisea pulchra من فئة الطحالب الحمراء (Rhodophyceae) ضد نمو بكتيريا Bacillus subtilis . ^{[ 15 ] [ 1 ]} عند تطبيقه  بتركيز 40 ميكروغرام/مل، ثبط الفيورانون تكوين الغشاء الحيوي بواسطة البكتيريا وقلل من سمك الغشاء الحيوي بنسبة 25% وعدد الخلايا الحية بنسبة 63%. ^{[ 15 ]}

تتمتع هذه الخصائص بإمكانية الاستفادة منها في المواد المصنعة، مثل صناعة الدهانات المضادة للترسبات البحرية دون استخدام مواد كيميائية ضارة بالبيئة. ^{[ 1 ]} ثمة حاجة إلى بدائل آمنة بيئيًا لمركب ثلاثي بوتيل القصدير ( TBT )، وهو عامل مضاد للترسبات البحرية يُطلق مركبات سامة في الماء والبيئة، وقد تم حظره في العديد من البلدان. ^{​​[ 1 ]} من بين المركبات الحيوية التي أثبتت فعاليتها الكبيرة ضد البكتيريا والطحالب الدقيقة المسببة للترسبات البحرية، إسترات سيسكويتربينويد الأسيتيلين التي تنتجها طحالب الكوليربا بروليفيرا (من فئة الكلوروفيسيا)، والتي لاحظ سميرنيوتوبولوس وآخرون (2003) أنها تثبط نمو البكتيريا بنسبة تصل إلى 83% من فعالية أكسيد ثلاثي بوتيل القصدير. ^{[ 16 ]}

تهدف الأبحاث الحالية أيضًا إلى إنتاج هذه المواد الحيوية على نطاق تجاري باستخدام تقنيات الهندسة الأيضية . ^{[ 1 ]} ومن خلال دمج هذه التقنيات مع تصميم الهندسة الكيميائية الحيوية ، يمكن إنتاج الطحالب وموادها الحيوية على نطاق واسع باستخدام المفاعلات الضوئية الحيوية . ^{[ 1 ]} ويمكن استخدام أنواع مختلفة من الأنظمة لإنتاج منتجات حيوية متنوعة. ^{[ 1 ]}

في مجال التصنيف الكيميائي القديم، يُعدّ وجود المواد الحيوية في الرواسب الجيولوجية مفيدًا لمقارنة العينات والأنواع البيولوجية القديمة والحديثة. ^{[ 4 ]} يمكن استخدام هذه المؤشرات الحيوية للتحقق من الأصل البيولوجي للأحافير، كما تُستخدم كمؤشرات بيئية قديمة. على سبيل المثال، يشير وجود البريستان إلى أن البترول أو الرواسب من أصل بحري، بينما تميل المواد الحيوية غير البحرية إلى أن تكون على شكل مركبات متعددة الحلقات أو الفيتان . ^{[ 21 ]} توفر المؤشرات الحيوية أيضًا معلومات قيّمة حول تفاعلات تحلل المواد البيولوجية في البيئات الجيولوجية. ^{[ 4 ]} تُظهر مقارنة المواد العضوية بين الصخور القديمة والحديثة جيولوجيًا الحفاظ على عمليات كيميائية حيوية مختلفة. ^{[ 4 ]}

يُستخدم أيضًا في تصنيع الجسيمات النانوية المعدنية تطبيقات أخرى للمواد الحيوية . ^{[ 3 ]} تتسم طرق الإنتاج الكيميائية والفيزيائية الحالية للجسيمات النانوية بارتفاع تكلفتها، كما أنها تُنتج نفايات سامة وملوثات بيئية. ^{[ 22 ]} إضافةً إلى ذلك، قد تكون الجسيمات النانوية المُنتجة غير مستقرة وغير صالحة للاستخدام في الجسم. ^{[ 23 ]} يهدف استخدام المواد الحيوية المُستخلصة من النباتات إلى ابتكار طريقة إنتاج صديقة للبيئة وفعّالة من حيث التكلفة. ^{[ 3 ]} يمكن استخلاص المواد الكيميائية النباتية الحيوية المستخدمة في تفاعلات الاختزال هذه من النباتات بطرق عديدة، منها مرق أوراق النبات المغلي، ^{[ 24 ]} ومسحوق الكتلة الحيوية، ^{[ 25 ]} ونقع النبات كاملًا في محلول، ^{[ 23 ]} أو مستخلصات عصائر الفاكهة والخضراوات. ^{[ 26 ]} وقد ثبت أن عصائر نبات الفلفل الحار (C. annuum) تُنتج جسيمات نانوية من الفضة في درجة حرارة الغرفة عند معالجتها بأيونات الفضة، كما أنها تُوفر فيتامينات وأحماض أمينية أساسية عند تناولها، مما يجعلها عاملًا محتملًا في مجال المواد النانوية. ^{[ 3 ]} ثمة طريقة أخرى تعتمد على استخدام مادة حيوية مختلفة: إفرازات البذور النابتة. فعند نقع البذور، تُطلق مواد كيميائية نباتية في الماء المحيط، والتي يمكن مزجها، بعد الوصول إلى حالة التوازن، مع أيونات المعادن لتكوين جسيمات نانوية معدنية. ^{[ 27 ] [ 3 ]} وقد حققت إفرازات نبات البرسيم (Medicago sativa) نجاحًا ملحوظًا في إنتاج جسيمات الفضة المعدنية، بينما يُعد نبات الخس (Lactobacillus culinaris) مادة فعالة في تصنيع جسيمات الذهب النانوية. ^{[ 3 ]} ويمكن تعديل هذه العملية بشكل أكبر من خلال التحكم في عوامل مثل الرقم الهيدروجيني، ودرجة الحرارة، وتخفيف الإفرازات، ومصدر النبات، لإنتاج أشكال مختلفة من الجسيمات النانوية، بما في ذلك المثلثات، والكرات، والقضبان، والحلزونات. ^{[ 3 ]} وتُستخدم هذه الجسيمات النانوية المعدنية الحيوية في تطبيقات متنوعة، منها المحفزات، وطلاء النوافذ الزجاجية لعزل الحرارة، وفي الطب الحيوي ، وفي أجهزة الاستشعار الحيوي. ^{[ 3 ]}