有机地球化学.pptx
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1、有机地球化学起源于19世纪晚期和20世纪初期,早期有机地球化学的形成和发展得益于石油地球化学的进步,并在很大程度上受石油地球化学的影响但随着高精度分析测试方法和同位素示踪技术的应用,有机地球化学研究领域不断拓展,现在已广泛应用于能源、矿产资源、海洋、环境和生命科学第八章第八章 有机地球化学有机地球化学第1页/共77页第八章第八章 有机地球化学有机地球化学第一节 生物圈第二节 地质体中的有机物质第三节 沉积有机质的演化第四节 有机地球化学的应用 本章主要介绍地质体中有机物质的成因、聚集和演化以及有机地球化学在地学领域中的应用第2页/共77页第一节第一节生物圈生物圈第八章第八章 有机地球化学有机地
2、球化学地球上各种生物生存和分布的地球外圈,称为生物圈(Biosphere)生物圈-维尔纳茨基 生物圈跨越接近地表的大气圈、水圈和岩石圈,是地球上最大的生物群落环境,其中包含着生物与生物之间以及生物与环境之间的相互关系第3页/共77页n自然界中有100多种化学元素,但与生命有关联的元素并不 多,目前已知(或推测)的生物元素有30多种n这些元素组成了非常复杂、极为精巧的有机分子,参与了数目庞大、范围宽广的有机化学反应n但制约生物元素的合成和生物分子的化学规律与制约有机化学分子的化学规律在本质上是相同的,因此,有机化学和无机化学规律和原理同样适用于更为复杂的生命分子。第八章第八章 有机地球化学有机地
3、球化学一、生物圈中化学元素的分布第4页/共77页生物圈的地球化学组成大致分为三个部分生物本身,包括植物、动物及微生物等生物环境,包括土壤、水、空气等生物源的岩石、矿物等,即腐殖质、煤、石油和天然气等第八章第八章 有机地球化学有机地球化学第5页/共77页n与地壳化学元素的组成相比,在活生物体中最丰富的三种元素,只有一种元素氧是地球上最丰富的元素之一n碳和氢在地球的组成中是很少的,但在生物体中却很集中。碳、氮、氢和氧在生物圈中集中的现象并不是偶然的,这些元素是元素周期表中原子序数较小,挥发性较大的元素,很容易形成许多有机和无机化合物,因此,它们便于用来进行生物化学能的转移和转化第八章第八章 有机地
4、球化学有机地球化学第6页/共77页n生物元素在元素周期表中分布范围较广,包括主族元素、金属元素和过渡元素,其中C、H、O、N、S、P等生命主族元素在生命体中占有最大的组分比例,是生命体的基本结构材料。n 生命的主要有机物质蛋白质、核酸、脂类、糖类等均是由这几种元素构成,是有机地球化学研究的主要对象。第八章第八章 有机地球化学有机地球化学第7页/共77页二、光合作用光合作用的过程是将光能转变成化学能。它是由一系列复杂的光化学反应和酶催化作用下的生化反应过程组成首先光合生物利用光能将水分解,产生H离子,氢离子还原CO2产生葡萄糖,氧被游离出来,自养生物进一步从葡萄糖中合成多糖类和其它有机物质,这种
5、反应过程也称为氧化还原反应。第八章第八章 有机地球化学有机地球化学第8页/共77页 光合作用是地球上新的有机碳合成的唯一途径。它几乎是所有生命有机质基本的源泉。自然界中有两类光合作用,分别是绿色植物的 光合作用和细菌的光合作用。对绿色植物来说,水被氧化而释放气态氧,而二氧化碳被还原为糖类(CH2O),释放出水,其氧化还原过程如下:第八章第八章 有机地球化学有机地球化学第9页/共77页第八章第八章 有机地球化学有机地球化学第10页/共77页第八章第八章 有机地球化学有机地球化学对于细菌光合作用来说,还原剂不是水,而是无机的硫化物(H2S)或者是有机化合物,因此细菌光合作用是细菌利用光能分解无机硫
6、化物产生氢,氢和二氧化碳还原反应产生糖类。其反应过程如下:第11页/共77页第八章第八章 有机地球化学有机地球化学第12页/共77页第八章第八章 有机地球化学有机地球化学第二节 地质体中的有机质地质体中的有机质主要来源于天然有机质,天然有机质是各种生物体及生命活动的产物,它是以单体或聚合物形式存在的有机分子所组成的物质。在地质历史发展过程中,有机质的合成、沉积、保存的条件已发生了很大的变化,为了追索地质体中有机质的来源,揭示有机质变化的地球化学过程和结果,需要研究生物有机质的产生和聚集、生物圈的特征及其演化。第13页/共77页第八章第八章 有机地球化学有机地球化学一、生物的化学组成及其特征 生
7、物有机质是各种地质体中有机质的原始来源,它主要由碳水化合物、蛋白质、脂类和木质素组成。此外,还有数量不大,但对生命活动十分重要的有机物质,如核酸、纤维素、丹宁、树脂等第14页/共77页第八章第八章 有机地球化学有机地球化学在不同生物体中各种有机组分的含量和类型有很大差别。如藻类富含蛋白质、脂类;高等植物则富含纤维素和木质素。同种生化组分在不同生物体内也具有不同的结构特征。如高等植物中的脂类区别于低等植物的脂类。生物体中有机组成的不同决定了地质体中沉积有机质的差异性。第15页/共77页第八章第八章 有机地球化学有机地球化学(1)碳水化合物碳水化合物又称糖类,是自然界分布最广的有机物质。糖类不仅是
8、生物体的重要能量来源,而且还为生命合成提供碳原子和碳链骨架。许多糖类物质,如纤维素和几丁质,构成某些动植物的支撑组织。第16页/共77页第八章第八章 有机地球化学有机地球化学糖类的元素组成为碳、氢和氧。其分子通式为 Cn(H2O)n它是含多羟基的醛类或酮类以及由它们聚合而成的 高分子化合物。其基本组成单元为-D型葡萄糖。碳水化合物按其水解产物可以分为单糖、低聚糖和多糖。此外,糖也可以与非糖物质结合形成结合糖,如与蛋白质结合的葡萄糖胺。第17页/共77页第八章第八章 有机地球化学有机地球化学纤维素是构成植物细胞壁和支撑组织的重要成分。它占自然界碳的含量的50%。由300个-2500个葡萄糖残基组
9、成,在酸或微生物酶的作用下可以发生水解,经过一系列的中间产物,最后得到葡萄糖。纤维素第18页/共77页第八章第八章 有机地球化学有机地球化学几丁质是氨基糖的聚合物,可视为乙酰胺基CH3CONH取代了纤维素的两个羟基。它比纤维素更具有抵抗分解的能力。它是构成节肢动物和昆虫硬壳的主要部分,故又称为甲壳质。几丁质第19页/共77页第八章第八章 有机地球化学有机地球化学淀粉广泛分布于自然界,特别存在于植物的种子、根茎和果实中。按其结构可分为直链淀粉和具有高度分支的支链淀粉。一般来说,前者在植物中含量占10-20%,后者占80-90%。直链淀粉是由D-葡萄糖单位所组成,连接方式是通过1,4糖苷键缩合而成
10、。淀粉第20页/共77页第八章第八章 有机地球化学有机地球化学(2)脂类(Lipids)脂类又称类脂化合物,这类有机化合物在化学结构上有很大的差异,但都不溶于水,而易溶于氯仿、苯、乙醚、已烷和丙酮等非极性有机溶剂。脂类能被生物利用,作为构造、修补组织或供给能量之用。常见的脂类化合物包括脂肪、腊、类固醇和磷脂。第21页/共77页第八章第八章 有机地球化学有机地球化学脂肪和脂肪酸(fats and fatty acids):脂肪是动植物中最重要的脂类。它是由脂肪酸和甘油结合而形成的。脂肪的化学性质极不稳定,极易发生水解形成脂肪酸。脂肪酸的化学性质较为稳定,在低温缺氧的环境中易于保存。所以,自然界中
11、脂肪酸的分布相当广泛。第22页/共77页第八章第八章 有机地球化学有机地球化学 蜡是不溶于水的固体,它是高级脂肪酸与高级 一元醇或甾醇形成的酯。含有少量游离高级脂 肪酸、高级醇和长链烃。蜡广泛分布于生物界,有蜂蜡、虫蜡、植物 蜡、羊毛蜡等,尤以各种植物蜡丰富。蜡在皮肤、羽毛、树叶、果实表皮以及昆虫外 骨骼上起保护作用,防止水份过度蒸发。它是石油中高碳数正构烷烃的主要来源之一。蜡(waxeswaxes):第23页/共77页第八章第八章 有机地球化学有机地球化学萜(tie)类和甾类化合物(terperoids and steroids):自然界生物合成的一个重要方式就是异戊二烯单元(isopren
12、e)的聚合反应。凡有成倍的C5单元的天然生物产物,通常就是整个异戊二烯单元的连接。这就是著名的“异戊二烯法则”。萜类和甾类化合物都符合“异戊二烯法则”,它们广泛分布于生物内,也是极为重要的生物标志化合物。第24页/共77页第八章第八章 有机地球化学有机地球化学萜类化合物存在于植物体内,多数具有特殊气味,主要成分为柠檬油、薄菏油和樟脑油。萜类化合物的稳定性和抵抗细菌降解的能力强于正烷烃,因而在地质体中具有生物标志化合物的重要特征,可反映原来生物物质成分,广泛用于研究古环境、沉积环境、生物成矿、生命起源和生物进化等方面的研究。萜类化合物第25页/共77页第八章第八章 有机地球化学有机地球化学甾类化
13、合物又称类固醇,甾族化合物与萜类化合物不同,后者在高等植物中很普遍,前者在动植物中均很丰富。甾类化合物又称类固醇第26页/共77页第八章第八章 有机地球化学有机地球化学树脂(resin)是一切植物成分中抵抗化学和生物化学作用最强的一种萜类混合物,其主要成分是倍半萜、二萜和三萜类的衍生物。大部分树脂是由不饱和的多环烯酸组成,是植物的重要组分之一,在植物的树心和树叶的表皮上都有树脂分布。第27页/共77页第八章第八章 有机地球化学有机地球化学磷脂(phospholipids)为含磷的单脂衍生物,它是甘油分子中的三个羟基中有两个和高级脂肪酸形成脂,另一个和磷酸形成酯。n在磷脂中的脂肪酸常见的为软脂酸
14、、硬脂酸和油酸等。n磷脂是生物细胞膜的重要成分,广泛分布于动物的脑、肝、肾、蛋黄、植物的种子、果实、孢子和微生物中,如卵磷脂和脑磷脂。第28页/共77页第八章第八章 有机地球化学有机地球化学(3 3)色素(pigmentspigments)n色素多具有异戊间二烯结构。n叶绿素是生物体中最为重要且最为普遍的的一类有机色素,其基本结构式是由四个吡咯环的碳原子通过四个次甲基(CH)交替连接而成的卟吩核,再加上各种碳取代基构成的。第29页/共77页第八章第八章 有机地球化学有机地球化学n叶绿素本身很不稳定,在地质体中很少见到。n叶绿素经过降解释放出其中的镁,形成游离绿素脱镁叶绿素a。n在这一转变过程中
15、,它可能与其他金属重新络合生成卟啉。在某些情况下,镁可能被其他金属置换。第30页/共77页第八章第八章 有机地球化学有机地球化学类胡罗卜素是另一种重要的有机色素,它能使植物呈淡黄色到深红色。类胡罗卜素含有烃、醇、酮和羧酸,其中胡萝卜素是最为常见的一种 第31页/共77页第八章第八章 有机地球化学有机地球化学(4)蛋白质和氨基酸蛋白质是由多种氨基酸组成的高度有序的聚合物。它们构成了生物有机体中大部分含氮化合物。蛋白质与其它分子结合形成生命过程中大部分重要的化合物,如细胞色素、酶、细菌的毒素和抗体、肌肉纤维、蚕丝和海绵等多种不同物质,在有水存在时,不溶性蛋白质由于酶的作用可以水解成水溶性的单体氨基
16、酸。大部分蛋白质是由二十几种氨基酸组成。第32页/共77页第八章第八章 有机地球化学有机地球化学氨基酸是同时含有氨基(NH3)和羧基(COOH)的化合物第33页/共77页第八章第八章 有机地球化学有机地球化学(5 5)木质素(ligninlignin)n木质素是植物细胞壁的主要成分,它包围着纤维素并充填其间隙形成了支撑组织。n木质素可视为高分子量聚酚,其单体基本上是酚丙烷基结构的化合物,常带有甲氧基等官能团。n在高等植物中,木质素可由芳香醇如松柏醇、芥子醇和对香豆醇脱水缩合而成。第34页/共77页第八章第八章 有机地球化学有机地球化学n木质素性质十分稳定,不易水解,但可被氧化成芳香酸和脂肪酸。
17、n在缺氧水体中,在水和微生物的作用下,木质素分解,与其它化合物形成腐殖质。第35页/共77页第二节 地质体中的有机物质三、生物标志化合物生物标志化合物是指沉积物中的有机质以及原油、油页岩、煤中那些来源于活生物体,在有机质演化过程中具有一定的稳定性,没有或很少发生变化,基本保存了原始生化组分的碳骨架,记载了原始生物母质的特殊分子结构信息的有机化合物。第36页/共77页第八章第八章 有机地球化学有机地球化学 生物标志化合物 因此,对比生物前身物质,可以推断其成因,提供生物先质(原始生物)的类型和地质年龄,指示沉积和早期成岩阶段的物理化学条件,提供成岩成矿方面的多种信息。第37页/共77页第八章第八
18、章 有机地球化学有机地球化学 生物标志化合物 地质体中的有机质包含了两类性质各异、数量相差悬殊的有机组分,不溶于有机溶剂的干酪根和可溶的有机质,其中干酪根占地质体中有机质的绝大部分(90%左右),而可溶有机质仅占有机质的10%左右,它主要来源于生物体中原生烃类和其它类脂化合物的游离分子,由它们构成了生物标志化合物。第38页/共77页第八章第八章 有机地球化学有机地球化学 1、正构烷烃n 正构烷烃是由碳和氢组成的饱和直链烃,其通式为CnH2n+2。n 生物体中含有的以偶碳数为主的脂肪酸、腊和以奇数碳原子为主的正构烷烃构成了沉积有机质中正构烷烃的主要来源。n 这些分子含有高键能的碳碳键,结构较为稳
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