Biodegradacja (gr. bios - życie, łac. degradatio - obniżenie) to biochemiczny rozkład związków organicznych przez organizmy żywe (bakterie, pierwotniaki, promieniowce, grzyby, glony, robaki) na prostsze składniki chemiczne
Biokumulacja - agregacja substancji, które istnieją w środowisku abiotycznym, w organizmach łańcucha pokarmowego, w sposób, który powoduje, że w każdym kolejnym poziomie konsumentów ilość substancji w stosunku do wagi organizmów wzrasta.
Enzymy adaptacyjne - wytwarzają się w obecności nowych czynników, nadawanych przez środowisko (inne niż stałe, dziedziczne cechy - enzymy konstytutywne )
Kometabolizm - Niezależne współdziałanie dwóch organizmów, polegające na tym, że jeden z nich przypadkowo modyfikuje daną cząsteczkę nie odnosząc przy tym żadnych korzyści
Ksenobiotyk (z gr. ksenos - obcy i bioticos) - związek chemiczny występujący w organizmie, który ani go nie produkuje ani też w normalnych warunkach nie przyjmuje z pożywieniem. Inaczej mówiąc, jest to substancja chemiczna niebędąca naturalnym składnikiem żywego organizmu. Inne nazwy to: substancja obca bądź egzogenna, materiał antropogenny (o ile powstaje w wyniku działalności człowieka).
Rozkład celulozy
Celuloza (C6H10O5)n - nierozgałęziony biopolimer, polisacharyd, o cząsteczkach złożonych z kilkunastu do kilkuset tysięcy jednostek glukozy połączonych wiązaniami β-1,4-glikozydowymi. Celuloza jest podstawowym składnikiem ścian komórkowych roślin.
Celuloza jest nierozpuszczalna w wodzie, kwasach, alkilach. W środowisku wodnym rozpuszcza się w odczynniku Schweizera - [Cu(NH3)4](OH)2.
Ulega estryfikacji (podobnie jak alkohole), co wykorzystuje się do wytwarzania azotanu oraz octanu celulozy.
W warunkach tlenowych rozkładana jest przez wiele gatunków grzybów oraz bakterie celulolityczne (cytofagi i sporocytofagi) z wytworzeniem wody i dwutlenku węgla. Beztlenowy rozkład celulozy przeprowadzają bakterie z rodzaju Clostridium znajdujące się w żwaczu przeżuwaczy z wytworzeniem metanu, natomiast bakterie z rodzaju Cellulomonas hydrolizują celulozę na krótsze łańcuchy, do glukozy włącznie. Ssaki nieposiadające w przewodzie pokarmowym bakterii trawiących celulozę nie mogą wykorzystywać jej jako źródła energii, a jedynie jako składnik objętościowy pożywienia.
Rozkład ksylanu
endo-_-l,4-ksylanazy, egzo-_-l,4-D-ksylozydazy, _-D-glukuronidazy, _-L-arabinofuranozydazy, esterazy octanowej lub acetyloksylanoesterazy. Endo-_-l,4-ksylanaza i egzo-_-l,4-D-ksylozydaza odgrywają zasadniczą rolę w hydrolizie ksylanu degradując go do ksylooligosacharydów, które są degradowane przez pozostałe enzymy do monomerów cukrowych. Z kolei _-D-glukuronidaza, _-L-arabinofuranozydaza i esteraza octanowa biorą udział w odszczepianiu bocznych grup i łańcuchów heteroksylanu. Grupy boczne w ksylanie są czynnikami ograniczającymi osiągnięcie efektywnej hydrolizy substratu, dlatego niezbędna jest kooperacja wszystkich wymienionych enzymów.
Rozkład skrobi
Skrobia - węglowodan, polisacharyd roślinny, składający się wyłącznie z merów glukozy, pełniący w roślinach rolę magazynu energii.
(C6H10O5)n n=300-360
Czysta skrobia jest białą, bezpostaciową (nie jest krystaliczna), amorficzną substancją bez smaku i zapachu, nierozpuszczalną w zimnej wodzie. Skrobia hydrolizuje wyłącznie na α-D-glukozę, lecz nie jest jednorodnym chemicznie związkiem - składa się w rzeczywistości z dwóch różnych polisacharydów:
nierozgałęzionej amylozy łatwiej rozpuszczalnej w wodzie (ok. 20% naturalnej skrobi); jest wielocukrem - jej cząsteczki składają się z wielu reszt glukozowych połączonych ze sobą atomami tlenu.
rozgałęzionej amylopektyny, nierozpuszczalnej w wodzie (ok. 80% naturalnej skrobi); rozgałęzienia powstają dzięki wiązaniom α-1,6-glikozydowym.
Skrobia tworzy roztwory koloidowe. Jednoprocentowy roztwór wodny skrobi jest używany do wykrywania jodu cząsteczkowego, z którym tworzy zabarwienie niebieskie w wyniku wiązania jodu przez amylozę.
W trakcie hydrolizy kwasowej skrobia rozpada się na coraz krótsze łańcuchy polisacharydowe tworząc kolejno:
amylodekstryny (barwiące się z I2 na niebiesko),
erytrodekstryny (barwiące się z I2 na czerwono),
achrodekstryny (niebarwiące się z I2) i
maltozę i glukozę.
Skrobię można wykryć za pomocą jodyny lub płynu Lugola, który zawiera jod. Pod wpływem jodu skrobia przyjmuje niebiesko-fioletowe zabarwienie.
Rozkład skrobi można podzielić na 2 etapy: zapoczątkowanie degradacji oraz hydroliza i fosforoliza ziaren skrobi do oligosacharydów i ich pochodnych. Kluczowe znaczenie w tym procesie przypisuje się b-amylazie, produkt jej aktywności b-maltoza transportowana jest do cytosolu i tam podlega dalszym przemianom.
Rozkład chityny
Chityna (C8H13O5N)n (gr. chiton - wierzchnia szata) - polisacharyd glukozy (beta-glukozy); związek organiczny, z którego są zbudowane szkielety ( nota bene zewnętrze ) stawonogów, czyli ich pancerze. Chityna jest wytwarzana przez hypodermę, czyli nabłonkowy oskórek. Substancje bardzo zbliżone do chityny występują również u ramienionogów, mszywiołów i mięczaków, a ponadto w ścianach komórkowych grzybów.
Chemicznie chityna ma podobną strukturę do celulozy. Zamiast merów glukozydowych posiada ona jednak mery acetyloglukozoaminowe (a dokładnie N-acetylo-D-glukozo-2-aminowe). Mery te tworzą długie łańcuchy polimerowe poprzez wiązania β-1,4-amidowe, analogiczne do wiązań acetalowych występujących w celulozie między merami glukozy. Wymiana części atomów tlenu na atomy azotu w strukturze chityny w stosunku do struktury celulozy powoduje, że w chitynie występują dużo silniejsze międzycząsteczkowe wiązania wodorowe, co skutkuje większą wytrzymałością mechaniczną chityny w stosunku do celulozy.
Rozkład pektyn
Pektyny - nazwa pochodzi od greckiego słowa πηκτός pektós = zwarty, cieknący; mieszanina węglowodanów występująca w ścianach komórkowych wielu roślin. Pektyny są generalnie polisacharydami i oligosacharydami o zmiennym składzie. Są to przede wszystkim poliuronidy składające się z połączonych ze sobą wiązaniami α-1,4-glikozydowymi jednostek kwasu D-galakturonowego, w znacznej części zestryfikowanych grupami metylowymi. Pektyny dla ludzi, pod względem odżywczym są ciałami balastowymi. Pod względem żywieniowym stanowią jedną z frakcji rozpuszczalnego włókna pokarmowego (błonnika). Wiele mikroorganizmów jest w stanie rozkładać pektynę.
Wyróżniamy dwie frakcje pektyn, w zależności od stopnia estryfikacji:
wysokometylowane (WM), w których zestryfikowanych jest >50% grup karboksylowych reszt kwasu galakturonowego;
niskometylowane (NM), w których stopień estryfikacji jest mniejszy od 50%.
Wspólną cechą pektyn jest zdolność do tworzenia żeli w kwaśnych warunkach. Zdolność żelowania zależna jest od stopnia zmetylowania pektyn. Pektyny wysokometylowane żelują przy pH 3,0, stężeniu cukru 65% oraz zawartości pektyn 0,3 - 2%. Żele pektyn niskometylowanych powstają przy niższym stężeniu cukru (30-40%) oraz w szerszym zakresie pH (3-6). Jednak niezbędnym czynnikiem utworzenia trójwymiarowej siatki żelu jest obecność jonów wapnia, w stężeniu 0,01 - 0,1%. Zawartość pektyn wynosi wtedy 1,5 - 3,0%. Z tego względu są one wykorzystywane w przemyśle spożywczym jako środek zagęszczający. Pektyny między innymi odpowiedzialne są za zestalanie się dżemów i powideł.
Pektyny składają się z trzech głównych rodzajów węglowodanów:
homogalakturonan - polisacharyd zbudowany z merów kwasu galakturonowego
ramnogalakturonan I - polisacharyd złożony z dimerów (ramnoza + kwas galakturonowy)
ramnogalakturonan II - rozgałęziony polisacharyd.
Rozkład ligniny
Lignina (drzewnik) - jeden z podstawowych składników drewna (obok celulozy i hemicelulozy). Jest substancją lepiszczową, powodującą zwartość struktury komórek drewna. Nadaje drewnu wytrzymałość i utrzymuje jego sztywność. Eliminacja ligniny (poprzez dodatek związków sodu) z drewna prowadzi do zmiękczenia substancji drzewnej, co jest procesem niezbędnym podczas produkcji papieru.
Lignina jest polimerem, którego monomerami są związki organiczne będące pochodnymi aromatycznych alkoholi fenolowych. Są to alkohol koniferylowy, alkohol synapinowy, alkohol kumarylowy. Struktura chemiczna ligniny jest usieciowana wiązaniami estrowymi i węglowymi C-C.
Rozkład ligniny przeprowadzają grzyby, poprzez wytworzenie białej lub brunatnej zgnilizny. Najbardziej typowymi monomerycznymi produktami rozkładu ligniny są wanilina i kwas wanilinowy. Lignina jest jednym z ważnych źródeł aromatycznej części kwasów huminowych gleb, torfów, lignitów i węgli. W wyniku niepełnego rozkładu ligniny następuje wzbogacenie gleby również w związki azotowe.
Rozkład węglowodorów
Węglowodory to organiczne związki chemiczne zawierające w swojej strukturze tylko atomy węgla i wodoru. Wszystkie one składają się z podstawowego szkieletu węglowego (powiązanych z sobą atomów węgla) i przyłączonych do tego szkieletu atomów wodoru. Wzór ogólny węglowodorów to CxHy .
Węglowodory są podstawowym składnikiem ropy naftowej, która stanowi ich podstawowe źródło w przemyśle. Innym źródłem węglowodorów są procesy tzw. suchej destylacji drewna i zgazowywania węgla. Oprócz tego węglowodory o złożonej budowie pełnią rozmaite role w organizmach żywych (np. karotenoidy).
Węglowodory ze względu na występowanie wiązań wielokrotnych węgiel-węgiel dzieli się na:
nasycone, zwane inaczej alkanami w których nie występują podwójne i potrójne wiązania chemiczne między atomami węgla
węglowodory nienasycone, w których te wiązania występują, które dzielą się dalej na:
alkeny (olefiny) - zawierające wiązania podwójne (np. etylen), które ponownie dzielą się na:
dieny - zawierające dwa wiązania podwójne, które po raz kolejny dzielą się na:
alleny - w których występują skumulowane układy wiązań podwójnych (C=C=C)
dieny sprzężone - w których występują dwa wiązania podwójne przedzielone jednym pojedynczym: (C=C-C=C) (np. butadien)
polieny - w których występuje więcej niż dwa wiązania podwójne.
alkiny - w których występują wiązania potrójne węgiel-węgiel (np. acetylen)
węglowodory aromatyczne - w których występują struktury ze specyficznie sprzężonymi układami wiązań podwójnych (np. benzen).
Inny podział węglowodorów wynika z topologii ich łańcuchów:
liniowe - w których występują ściśle liniowe łańcuchy węglowe - np. n-oktan
rozgałęzione - w których występują boczne odgałęzienia w łańcuchu - np. izooktan, izopren
alicykliczne - w których występują pierścienie węglowe - np. cykloheksan
policykliczne - w których występują dwa lub więcej pierścieni cyklicznych, w których część atomów węgla jest "współdzielona" np. naftalen
bi- i więcej cykliczne - w których występują dwa lub więcej "przeplatających" się układów pierścieniowych, np. adamantan
mieszane - w których występują różne kombinacje układów cyklicznych, liniowych i rozgałęzionych - np. karoten.
Rozkład białek
Trawienie białek zaczyna się dopiero w żołądku, gdzie komórki główne komórek gruczołowych żołądka wydzielają nieczynny enzym pepsynogen. Komórki okładzinowe wydzielają kwas solny, w obecności którego pepsynogen przekształca się w postać czynną - pepsynę. W jelicie cienkim działają trypsyna i chymotrypsyna, które rozkładają cząsteczki polipeptydów do tripeptydów i dipeptydów. Te z kolei rozkładane są przez peptydazy ściany jelita cienkiego do aminokwasów, które zostają wchłaniane do krwi i żyłą wrotną wędrują do wątroby. Stamtąd większość aminokwasów dalej dostaje się z krwią do komórek ciała. Nadwyżka pozbawiana jest reszt aminowych, przez co powstaje amoniak i ketokwasy. Amoniak przekształcany jest w mniej toksyczny mocznik, który z krwią odtransportowywany jest do nerek. Natomiast ketokwasy mogą zostać wykorzystane do syntezy cukrów i niektórych aminokwasów, zużyte na cele energetyczne bądź przekształcone w tłuszcze zapasowe.
Rozkład fenoli
Fenole - związki organiczne zawierające grupy hydroksylowe związane bezpośrednio z atomami węgla w pierścieniu aromatycznym. Czasami traktuje się je jako oddzielną od alkoholi alifatycznych grupę związków organicznych, a czasem zalicza się je do alkoholi.
Wzór ogólny: ArOH, gdzie Ar - grupa arylowa, OH - grupa hydroksylowa
Od alkoholi alifatycznych różnią się tym, że większość z nich ma odczyn kwaśny. Najprostszym fenolem z jedną grupą hydroksylową jest fenol.
odczyn lekko kwaśny
ulegają dysocjacji elektrolitycznej rozpadając się na jon hydroniowy i fenolanowy
reagują z aktywnymi metalami z wydzielaniem ciepła i gazowego wodoru
reagują z wodorotlenkami i z tlenkami zasadowymi
odbarwiają wodę bromową (dzięki aktywnemu pierścieniowi aromatycznemu)
ulegają reakcji nitryfikacji i sulfonowania podobnie jak benzen.
ulegają reakcji estryfikacji z kwasami organicznymi oraz kwasem siarkowym (VI)
otrzymywanie fenolanów: Ar—OH + NaOH → ArONa + H2O
reakcje substytucji aromatycznej:
Ar—OH + HNO3 → O2N—Ar—OH + H2O
2 Ar—OH + 3 Br2 → 2 Br3Ar—OH
utlenianie do chinonów: HO—C6H4—OH → C6H4O2
(katalizatorami mogą być Na2Cr2O7, H2SO4)
Fenole identyfikuje sie za pomocą soli żelaza(III) barwy pomarańczowej. W wyniku reakcji powstaje kompleks o barwie fioletowej (ciemnogranatowej).
Detergenty
Detergenty - to związki lub ich mieszaniny, które stanowią aktywny czynnik wszelkich środków czystości, takich jak szampony, proszki do prania, płyny do mycia naczyń, środki do mycia naczyń w zmywarkach itd.
Czasami przez "detergenty" rozumie się wszelkie środki czyszczące jako takie. W przemyśle środków czystości rozgranicza się jednak wyraźnie "detergenty właściwe" - w sensie pierwszej definicji oraz pozostałe składniki środków czyszczących - takie jak nabłyszczacze, dodatki koloryzujące, dodatki zapachowe, odżywcze, antystatyczne, wybielające itp.
Wreszcie - często detergenty utożsamia się z surfaktantami, co jednak nie jest poprawne, gdyż nie wszystkie detergenty działają jak surfaktanty i nie wszystkie surfaktanty są stosowane jako detergenty.
Detergenty "czyszczą" dzięki temu, że działają na brud/nieczystości na następujące sposoby:
zachowują się jak surfaktanty - ułatwiając mieszanie się brudu z wodą (lub innym rozpuszczalnikiem) ułatwiając zwilżanie mytych powierzchni
zmieniają pH powierzchni co prowadzi do zrywania wiązań wodorowych którymi brud jest związany z powierzchnią, lub zmiana pH prowadzi do rozkładu substancji tworzących brud
obniżają twardość wody, dzięki czemu woda lepiej zwilża powierzchnię i łatwiej rozpuszczają się w niej związki jonowe, tworzące brud
rozkładają brud poprzez reakcję utlenienia
działają enzymatyczne poprzez katalizowanie reakcji prowadzących do rozkładu cząsteczek organicznych tworzących brud
działają pianotwórczo - zwiększając powierzchnię styku brudu z środkiem myjącym
Liczba związków chemicznych stosowanych jako detergenty jest bardzo duża i ciągle poszukuje się nowych. Skład detergentów stosowanych w danym środku czyszczącym wynika z faktu co ma być myte, czym to coś jest zwykle zanieczyszczone oraz jak ma się odbywać proces mycia.