Informacja

Czy jakiekolwiek organizmy przetwarzają własne odpady wewnętrznie?

Czy jakiekolwiek organizmy przetwarzają własne odpady wewnętrznie?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Myślałem o tym pytaniu wczoraj i okazuje się, że jest ono zaskakująco trudne dla Google.


Hibernujące niedźwiedzie mają pomysłowy sposób na recykling moczu (mocznika) podczas hibernacji. Również żółwie i żaby na dnie stawów radzą sobie w wyjątkowy sposób podczas hibernacji… To powinno Cię zacząć. recykling odpadów na zewnątrz jest wykonywany przez króliki, które dwukrotnie przepuszczają peletki przez swój system, za pierwszym razem w celu częściowego strawienia, za drugim w celu ekstrakcji składników odżywczych.


Wszystko organizmy przetwarzają swoje odpady wewnętrznie. Każda komórka każdego żywego organizmu nieustannie rozkłada rzeczy i ponownie wykorzystuje wytworzone w ten sposób składniki. Ale prawdopodobnie zastanawiasz się nad takimi rzeczami, jak dwutlenek węgla, mocz i kał? Nie są one poddawane recyklingowi, ponieważ korzyści z tego płynące nie są warte kosztów.

Rozważmy dwutlenek węgla jako przykład. Wiemy, że dwutlenek węgla można z pożytkiem przekształcić w cząsteczki zatrzymujące energię przy użyciu łatwo dostępnych źródeł wody, tlenu i światła słonecznego. Dlaczego więc zwierzęta** „bezsensownie” wydychają to? Ponieważ korzyści energetyczne wynikające z oddychania są wysokie w porównaniu z korzyściami energetycznymi fotosyntezy, a zatem fotosynteza nie jest w stanie wnieść użytecznego wkładu w ogólny bilans energetyczny zwierzęcia, podczas gdy koszty efektywnej fotosyntezy są dość wysokie (np. posiadanie wypustek przypominających liście , syntetyzując chlorofil i tak dalej).

W rzeczywistości zawsze musi być prawdą, że istnieją procesy, które z powodu entropii nie są warte zachodu energetycznie. Organizm, który mógłby bezustannie przetwarzać swoje odpady, byłby perpetuum mobile machine.

** - i wiele drobnoustrojów, a właściwie roślin - chociaż ich spożycie dwutlenku węgla jest zazwyczaj wyższe w cyklu słonecznym.


Jeśli organizm przetwarza jakiś materiał, z definicji nie jest to odpad.

Chociaż niektóre zwierzęta zjadają kał. (np. króliki) Jest to sposób na podwójne strawienie czegoś, co nie zostało w pełni rozłożone lub wchłonięte w pierwszej rundzie.


Podczas hibernacji niedźwiedzie przetwarzają swój mocz, w przeciwieństwie do większości innych ssaków.


Detritus

W biologii detritus ( / d ɪ ˈ tr aɪ t ə s / ) to martwy materiał organiczny w postaci cząstek, w odróżnieniu od rozpuszczonego materiału organicznego. Detrytus zazwyczaj obejmuje ciała lub fragmenty ciał martwych organizmów oraz materiał kałowy. Detrytus zazwyczaj zawiera zbiorowiska mikroorganizmów, które go kolonizują i rozkładają (tj. remineralizują). W ekosystemach lądowych występuje jako ściółka z liści i inna materia organiczna zmieszana z glebą, którą określa się jako „glebowa materia organiczna”. Detrytus ekosystemów wodnych to materiał organiczny, który jest zawieszony w wodzie i gromadzi się w osadach na dnie akwenu, gdy to dno jest dnem morskim, takie osadzanie określane jest jako „śnieg morski”.


Obieg węgla

Encyklopedia Britannica / UIG / Getty Images

Węgiel jest niezbędny dla wszelkiego życia, ponieważ jest głównym składnikiem żywych organizmów. Służy jako składnik szkieletu wszystkich polimerów organicznych, w tym węglowodanów, białek i lipidów. Związki węgla, takie jak dwutlenek węgla (CO2) i metan (CH4), krążą w atmosferze i wpływają na globalny klimat. Węgiel krąży między żywymi i nieożywionymi składnikami ekosystemu głównie poprzez procesy fotosyntezy i oddychania. Rośliny i inne organizmy fotosyntetyczne pozyskują CO2 ze swojego środowiska i wykorzystują go do budowy materiałów biologicznych. Rośliny, zwierzęta i rozkładacze (bakterie i grzyby) oddają CO2 do atmosfery poprzez oddychanie. Przepływ węgla przez biotyczne składniki środowiska jest znany jako szybki obieg węgla. Przejście węgla przez biotyczne elementy cyklu zajmuje znacznie mniej czasu niż przejście przez elementy abiotyczne. Przemieszczanie się węgla przez elementy abiotyczne, takie jak skały, gleba i oceany, może zająć nawet 200 milionów lat. Tak więc ten obieg węgla jest znany jako powolny cykl węgla.


  • Ekosystem to ujednolicony system wymiany składający się z autotroficznych producentów, heterotroficznych konsumentów i rozkładających się.
  • Sieć pokarmowa przedstawia zbiór heterotroficznych konsumentów, którzy łączą w sieć i cyklicznie przepływ energii i składników odżywczych z produktywnej bazy samożywiących się autotrofów.
  • Mikroorganizmy odgrywają istotną rolę w każdej społeczności ekologicznej, służąc zarówno jako producenci, jak i rozkładający się.
  • autotrof: Każdy organizm, który potrafi syntetyzować swoje pożywienie z substancji nieorganicznych, wykorzystując ciepło lub światło jako źródło energii.
  • heterotrof: Organizm, który wymaga zewnętrznego zaopatrzenia w energię w postaci pożywienia, ponieważ nie może sam syntetyzować.

Chociaż ekolodzy mają tendencję do postrzegania ekosystemów jako podstawowych jednostek strukturalnych, formalne określenie granic danego ekosystemu może być trudne (jeśli nie niemożliwe). Jako takie, ekosystemy są lepiej postrzegane jako: konceptualistyczny zamiast rzeczywisty lokalizacje geograficzne. Ekosystemy rzadko są od siebie odizolowane, należy je traktować jako części większej, funkcjonującej całości, które razem tworzą biosferę ("miejsce na powierzchni Ziemi, gdzie żyje życie").

Pomimo faktu, że wyraźne granice między ekosystemami mogą być trudne do zidentyfikowania, niezliczone interakcje, które mają miejsce w ciągu często można zaobserwować i zdefiniować wspólnotę ekologiczną. Te interakcje można najlepiej opisać, wyszczególniając połączenia żywieniowe (co zjada co) między biotą w ekosystemie, łącząc w ten sposób ekosystem w zunifikowany system wymiany.

Wszystkie formy życia w ekosystemie można ogólnie podzielić na jedną z dwóch kategorii (zwanych poziomami troficznymi):

  • Autotrofy, które wytwarzają materię organiczną (pokarm) z substancji nieorganicznych i
  • Heterotrofy, które muszą żywić się innymi organizmami, aby uzyskać materię organiczną.

Ogólnie rzecz biorąc, poziomy troficzne są używane do opisania sposobu, w jaki dany organizm w ekosystemie otrzymuje pożywienie. Korzystając z tego opisu, możemy przedefiniować i zreorganizować powyższe kategorie, aby zdefiniować trzy podstawowe sposoby, w jakie organizmy zdobywają pożywienie:

  • Producenci (autotrofy) zwykle nie zjadają innych organizmów, ale pobierają składniki odżywcze z gleby lub oceanu i wytwarzają własną żywność za pomocą fotosyntezy. W ten sposób to energia słoneczna zwykle zasila podstawę łańcucha pokarmowego.
  • Konsumenci (heterotrofy) nie mogą wytwarzać własnej żywności i muszą spożywać inne organizmy.
  • Rozkładniki rozkładają martwy materiał roślinny i zwierzęcy oraz odpady i uwalniają je do ekosystemu jako energię i składniki odżywcze do recyklingu.

W ekosystemach czynniki biotyczne, które składają się na powyższe kategorie, można zorganizować w łańcuch pokarmowy, w którym autotroficzni producenci wykorzystują materiały i składniki odżywcze poddane recyklingowi przez rozkładających się, aby wytworzyć własną żywność, którą z kolei zjadają heterotroficzni konsumenci. W rzeczywistych ekosystemach istnieje wiele łańcuchów pokarmowych dla większości organizmów (ponieważ większość organizmów zjada więcej niż jeden rodzaj pożywienia lub jest zjadana przez więcej niż jeden rodzaj drapieżnika). Ponadto ruch składników mineralnych w łańcuchu pokarmowym jest raczej cykliczny niż liniowy. W konsekwencji skomplikowana sieć przecinających się i zachodzących na siebie łańcuchów pokarmowych dla ekosystemu jest częściej przedstawiana jako sieć pokarmowa. Sieć pokarmowa przedstawia zbiór heterotroficznych konsumentów, którzy łączą w sieć i cyklicznie przepływ energii i składników odżywczych z produktywnej bazy samożywiących się autotrofów.

Postać: Uproszczona sieć żywności: Ten obraz przedstawia uproszczony model sieci pokarmowej ruchu energii i składników mineralnych w ekosystemie. Przepływ energii jest jednokierunkowy (niecykliczny), a ruch składników mineralnych jest cykliczny.

Mikroorganizmy odgrywają istotną rolę w każdej społeczności ekologicznej, służąc zarówno jako producenci, jak i rozkładający się. Chociaż rośliny są najczęstszymi pierwotnymi producentami, autotroficzne drobnoustroje fotosyntetyczne (takie jak sinice i glony) mogą wykorzystać energię świetlną do wytwarzania materii organicznej. Dodatkowo w strefach, w których światło nie może przeniknąć (a tym samym fotosynteza nie może być podstawowym sposobem wytwarzania energii), drobnoustroje chemosyntetyczne dostarczają energię i węgiel innym organizmom w ekosystemie. Inne drobnoustroje są rozkładającymi się, ze zdolnością do recyklingu składników odżywczych z martwej materii organicznej i produktów odpadowych innych organizmów. Rozkład ma kluczowe znaczenie, ponieważ większość węgla i energii włączanych do tkanek roślinnych podczas fotosyntezy pozostaje niezjedzona, gdy tkanka roślinna umiera (a zatem musi zostać rozłożona, zanim będzie dostępna do recyklingu).


2. W tym procesie nie ma gospodarki o obiegu zamkniętym, cykl jest przerywany.

Marki wykorzystujące w swoich kolekcjach plastik z recyklingu uwielbiają mówić, że stosują gospodarkę o obiegu zamkniętym. Jednak gospodarka o obiegu zamkniętym, jak sama nazwa wskazuje, jest cyklem zamkniętym, w którym produkt poddany recyklingowi, ponownie użyty lub kompostowany staje się czymś o równej wartości w ciągłej i nieprzerwanej sekwencji. Jednak tkaniny z tworzyw sztucznych, poddane recyklingowi lub nie, nie są poddawane recyklingowi pod koniec ich życia. Trafiają na wysypiska śmieci, ponieważ nie ma technologii recyklingu na dużą skalę tekstyliów pokonsumpcyjnych.

Kiedy więc marka bierze na przykład butelkę PET, którą można przekształcić w inną butelkę PET lub inne plastikowe produkty, które można bez końca przetwarzać, i zamienia ją w tkaninę, której jedynym przeznaczeniem jest składowanie na wysypisku, przerywa cykl. Kierując się tą logiką, marki wytwarzają więcej odpadów z odpadów innych branż, zwykle przemysłu napojów bezalkoholowych, nie znajdując rozwiązania dla swoich odpadów.

W ten sposób mogą głosić zrównoważony rozwój bez konieczności szukania prawdziwych rozwiązań dla 60 tekstylnych ciężarówek wyrzucanych co minutę na wysypiska śmieci, nie łaskocząc nawet wygórowanej ilości plastiku wyrzucanego przez firmy produkujące napoje bezalkoholowe. Dlatego modny recykling PET jest bardzo kontrowersyjną ścieżką dla gospodarki o obiegu zamkniętym.

Jak w Greenpeace Moda na rozdrożu raport ostrzega: „W najlepszym razie projekty takie jak ten powinny być postrzegane jako narzędzie komunikacji mające na celu podniesienie świadomości społecznej na temat zanieczyszczenia oceanów tworzywami sztucznymi, ale nie można ich uznać za poważny krok w kierunku obiegu zamkniętego”.


Padlinożerca

Padlinożerca to organizm, który zużywa głównie rozkładającą się biomasę, taką jak mięso lub gnijąca materia roślinna.

Zawiera ona loga programów lub partnerów NG Education, którzy dostarczyli lub wnieśli treść na tej stronie. Zasilany przez

Padlinożerca to organizm, który w większości zużywa rozkładającą się biomasę, taką jak mięso lub gnijący materiał roślinny. Wiele padlinożerców to rodzaj mięsożerców, czyli organizm, który zjada mięso. Podczas gdy większość drapieżników poluje i zabija swoją zdobycz, padlinożercy zwykle zjadają zwierzęta, które albo padły z przyczyn naturalnych, albo zostały zabite przez innego drapieżnika.

Padlinożercy są częścią sieci pokarmowej, opis, które organizmy jedzą, jakie inne organizmy na wolności. Organizmy w sieci pokarmowej są pogrupowane według poziomów troficznych lub odżywczych. Istnieją trzy poziomy troficzne. Autotrofy, organizmy wytwarzające własne pożywienie, stanowią pierwszy poziom troficzny. Należą do nich rośliny i glony. Roślinożercy, czyli organizmy, które zjadają rośliny i inne autotrofy, to drugi poziom troficzny. Padlinożercy, inne mięsożerne i wszystkożerne organizmy, które zjadają zarówno rośliny, jak i zwierzęta, stanowią trzeci poziom troficzny.

Autotrofy nazywane są producentami, ponieważ produkują własną żywność. Konsumentami są zwierzęta roślinożerne, mięsożerne i wszystkożerne. Głównymi konsumentami są roślinożercy. Mięsożercy i wszystkożercy są konsumentami wtórnymi.

Padlinożercy odgrywają ważną rolę w sieci pokarmowej. Utrzymują ekosystem wolny od ciał martwych zwierząt lub padliny. Padlinożercy rozkładają ten materiał organiczny i przetwarzają go w ekosystemie jako składniki odżywcze.

Niektóre ptaki są padlinożercami. Sępy zjadają tylko ciała martwych zwierząt.

Sępy mają wiele adaptacji biologicznych, które sprawiają, że dobrze nadają się do bycia padlinożercami. Większość ma doskonały wzrok i silny węch. Używają tych wyostrzonych zmysłów, aby zlokalizować gnijącą padlinę, gdy szybują wysoko nad lądem. W przeciwieństwie do ptaków drapieżnych lub polujących ptaków, sępy mają słabe szpony i dzioby. Raptory używają ostrych szponów i dziobów do zabijania, podczas gdy sępy nie muszą obezwładniać ani zabezpieczać swojej ofiary. Wiele sępów jest również łysych, co oznacza, że ​​nie mają piór na głowie. Zapobiega to przywieraniu do piór drobin padliny, które mogą przenosić toksyczne bakterie, i zarażaniu ptaka.

Lammergeier, czyli sępy brodate, mają bardziej wyspecjalizowane nawyki żywieniowe niż inne sępy. Zamiast jeść mięso, przeżywają prawie całkowicie, jedząc kości. Lammergeiery upuszczają kości z dużych wysokości, aby rozbić je na mniejsze kawałki, a następnie przeżuwać, aby dostać się do szpiku, miękkiej tkanki wewnątrz kości.

Wiele owadów to padlinożercy. Zwierzęta nie zawsze muszą być martwe, aby padlinożercy mogli ucztować na ich rozkładającym się mięsie. Muchy często żywią się ranami owiec, bydła i innych zwierząt gospodarskich. Martwe mięso wokół rany jest zjadane, podczas gdy samo zwierzę pozostaje stosunkowo zdrowe.

Niektóre ssaki są padlinożercami. Hieny są często uważane za padlinożerców, ale są również tradycyjnymi mięsożercami. Samotna hiena żywi się głównie martwymi zwierzętami. Hiena może zjeść zwierzę, które zmarło z powodu obrażeń, lub może ukraść mięso innego mięsożercy, takiego jak lew. Jednak stado hien będzie współpracować, aby polować na antylopy i inne stworzenia.

Podobnie jak hiena, niewielu padlinożerców je wyłącznie rozkładające się mięso. Oprócz obszaru wokół ran zwierząt gospodarskich muchy żywią się również materią roślinną, taką jak gnijące śmieci. Karaluchy żywią się martwymi zwierzętami, ale żywią się także roślinami, papierem i innym materiałem.

Stworzenia morskie, takie jak kraby i homary, zjadają padlinę i prawie wszystko, co znajdą. Węgorze jedzą martwe ryby. Oprócz polowań, żarłacze białe ucztują na martwych wielorybach, rybach i płetwonogich, takich jak lwy morskie.

Zmiatacze w łańcuchu pokarmowym

Wiele zwierząt będzie padło ofiarą żerowania, jeśli będzie miała taką możliwość, nawet jeśli padlina nie jest ich preferowanym źródłem pożywienia. Lwy, lamparty, wilki i inne drapieżniki i zwierzęta polujące na inne zwierzęta. Czarne niedźwiedzie żywią się głównie owocami, orzechami i jagodami, ale one również zjadają martwe zwierzęta. Lisy i kojoty częściej zjadają padlinę zimą, kiedy nie mogą znaleźć innego pożywienia.

Ponieważ większość padlinożerców jest elastyczna w kwestii tego, co je, łatwiej jest im znaleźć pożywienie niż stworzeniom o bardziej restrykcyjnej diecie. Czasami sprawia to, że padlinożercy lepiej przystosowują się do nowych środowisk niż inne organizmy.

Rozwój miast, proces oczyszczania terenu pod domy, firmy i rolnictwo, niszczy siedliska zwierząt, miejsca, w których zwierzęta żyją na wolności. Na przykład zwierzęta roślinożerne, takie jak słonie, nie mogą przetrwać bez dużej ilości drzew i traw. Na obszarach rozwiniętych drapieżniki, takie jak lew górski, często nie mają wystarczającej ilości ofiar, aby przeżyć.

Jednak padlinożercy zazwyczaj dobrze przystosowują się do obszaru miejskiego lub pól uprawnych. Na wolności wrona amerykańska zjada myszy, jajka, nasiona i orzechy. Jednak na obszarach rozwiniętych jednym z najczęstszych posiłków jest śmierć na drodze, czyli szczątki zwierząt potrąconych przez samochody. Padlinożercy, tacy jak oposy, mewy i szopy pracze, żywią się jedzeniem w śmietnikach.

Czasami padlinożercy mogą stanowić zagrożenie dla ludzi lub siebie. Na przykład niedźwiedzie polarne w Churchill w Kanadzie przystosowały się do życia w pobliżu rozwiniętych obszarów, szukając pożywienia na miejskim wysypisku. Te duże drapieżniki stały się poważnym zagrożeniem dla społeczności. Część jedzenia, które zbierały niedźwiedzie, również je zatruwała. W 2006 roku Churchill zamknął swoje wysypisko, aby chronić niedźwiedzie i społeczność.

Zdjęcie: Chris Johns

Thunderbirds
Ze średnią rozpiętością skrzydeł około 3 metrów (9 stóp), kondor kalifornijski, rodzaj sępa, jest największym ptakiem Ameryki Północnej. Plemiona rdzennych Amerykanów nazwały tego padlinożercę piorunującym ptakiem, ponieważ wierzyły, że ogromne skrzydła mają moc wywoływania grzmotów.


Lekcja Biorecykling: Wykorzystywanie natury do pozyskiwania zasobów z odpadów

Jednostki służą jako przewodniki po określonej treści lub obszarze tematycznym. Pod jednostkami zagnieżdżone są lekcje (na fioletowo) i ćwiczenia praktyczne (na niebiesko).

Należy pamiętać, że nie wszystkie lekcje i zajęcia będą istnieć w ramach jednostki, a zamiast tego mogą istnieć jako „samodzielny” program nauczania.

Biuletyn TE

Uczniowie dowiadują się, jak węgiel podlega biorecyklingowi

Streszczenie

Połączenie inżynieryjne

Inżynierowie środowiska naśladują naturalny obieg węgla w wielu procesach, często projektując systemy, które przetwarzają węgiel szybciej niż miałoby to miejsce w naturze. Fermentacja beztlenowa (która zamienia odpady ludzkie lub żywność w metan) i produkcja biopaliw (takich jak paliwa z kukurydzy, trzciny cukrowej i alg) to doskonałe przykłady wykorzystania cyklu węglowego do wytwarzania energii z odpadów.

Cele nauczania

Po tej lekcji uczniowie powinni być w stanie:

  • Wyjaśnij, w jaki sposób inżynierowie wykorzystują mikroby do zarządzania węglem.
  • Zidentyfikuj co najmniej trzy procesy biologiczne, które zamieniają pierwiastki i energię.
  • Opisać role, jakie drobnoustroje odgrywają w zarządzaniu węglem.
  • Zdefiniuj fotosyntezę, fermentację beztlenową i kompostowanie.
  • Opisz, w jaki sposób odpady mogą być wykorzystane jako zasoby.

Standardy edukacyjne

Każdy Naucz inżynierię lekcja lub czynność jest skorelowana z jednym lub kilkoma standardami edukacyjnymi w zakresie nauk ścisłych, technologii, inżynierii lub matematyki (STEM).

Wszystkie 100 000+ standardów K-12 STEM omówionych w Naucz inżynierię są zbierane, utrzymywane i pakowane przez Sieć standardów osiągnięć (ASN), projekt D2L (www.achievementstandards.org).

W ASN standardy mają strukturę hierarchiczną: najpierw według źródła np., według stanu w źródle według typu np., nauk ścisłych lub matematyki w ramach typu według podtypu, a następnie według stopnia, itp.

NGSS: Standardy naukowe nowej generacji - Nauka

MS-ESS2-1. Opracuj model opisujący obieg materiałów Ziemi i przepływ energii, który napędza ten proces. (Klasy 6 - 8)

Czy zgadzasz się z tym wyrównaniem? Dziękuję za opinię!

Umowa wyrównania: Dziękujemy za opinię!

Umowa wyrównania: Dziękujemy za opinię!

Umowa wyrównania: Dziękujemy za opinię!

MS-LS2-3. Opracuj model opisujący obieg materii i przepływ energii pomiędzy żywymi i nieożywionymi częściami ekosystemu. (Klasy 6 - 8)

Czy zgadzasz się z tym wyrównaniem? Dziękuję za opinię!

Umowa wyrównania: Dziękujemy za opinię!

Umowa wyrównania: Dziękujemy za opinię!

Umowa wyrównania: Dziękujemy za opinię!

Nauka zakłada, że ​​obiekty i zdarzenia w systemach naturalnych występują w spójnych wzorcach, które można zrozumieć poprzez pomiary i obserwacje.

Umowa wyrównania: Dziękujemy za opinię!

Międzynarodowe Stowarzyszenie Nauczycieli Techniki i Inżynierii - Technologia
  • Nowe produkty i systemy mogą być opracowywane w celu rozwiązywania problemów lub pomagania w robieniu rzeczy, których nie dałoby się zrobić bez pomocy technologii. (Klasy 6 - 8) Więcej szczegółów

Czy zgadzasz się z tym wyrównaniem? Dziękuję za opinię!

Czy zgadzasz się z tym wyrównaniem? Dziękuję za opinię!

Czy zgadzasz się z tym wyrównaniem? Dziękuję za opinię!

Standardy państwowe
Floryda – nauka
  • Opisać i zbadać proces fotosyntezy, taki jak rola światła, dwutlenku węgla, wody i chlorofilu w uwalnianiu tlenu do żywności. (Klasa 8) Więcej szczegółów

Czy zgadzasz się z tym wyrównaniem? Dziękuję za opinię!

Czy zgadzasz się z tym wyrównaniem? Dziękuję za opinię!

Arkusze i załączniki

Więcej podobnego programu nauczania

Studenci poznają podstawy wykorzystania drobnoustrojów do oczyszczania ścieków. Odkrywają, w jaki sposób powstają ścieki i ich podstawowe składniki. Metabolizm drobnoustrojów, enzymy i bioreaktory są badane w celu pełnego zrozumienia podstawowych procesów zachodzących w organizmach.

Studenci zapoznają się z biopaliwami, inżynierami biologii, algami i sposobem ich wzrostu (fotosynteza) oraz jakie części alg można wykorzystać na biopaliwa (biomasa z olejów, skrobi, cukrów ściany komórkowej). W tej lekcji rośliny – a konkretnie glony – są prezentowane jako rozwiązanie energetyczne. Ta lekcja pr.

Wprowadzenie/motywacja

Wiemy, że możemy przetwarzać szkło, papier, aluminium i trochę plastiku, ale co z odpadami spożywczymi i odpadami drzewnymi? A co z dwutlenkiem węgla, który pozostaje w atmosferze po spaleniu? Co się dzieje z tymi wszystkimi rzeczami i dlaczego powinno nas to obchodzić?

Wyobraź sobie, że każdy skrawek jedzenia, który kiedykolwiek wyrzuciłeś, nigdy się nie rozłożył. Co by było, gdyby każdy liść, który spadł z drzewa, leżał na trawniku nietknięty przez lata? Jak możesz sobie wyobrazić, nasz świat byłby zupełnie innym miejscem, gdyby węgiel i składniki odżywcze w materii organicznej nigdy nie uległy rozkładowi.

Po pierwsze, rzeczy po prostu by się spiętrzyły! Gdyby to trwało wystarczająco długo, wszystkie światowe składniki odżywcze i węgiel zostałyby zamknięte w stertach odpadów. Nie byłoby wystarczającej ilości nowych składników odżywczych, aby wyprodukować więcej żywności! Wszystkie rośliny zginęłyby, gdyby nie miały już dostępu do dwutlenku węgla, którego potrzebują do wzrostu!

Cykl węglowy opisuje, w jaki sposób węgiel przechodzi z jednej formy do drugiej za pomocą procesów chemicznych lub biologicznych. Ta lekcja skupia się na procesach biologicznych oraz na tym, jak inżynierowie wykorzystują je do „biorecyklingu” odpadów w użyteczny węgiel, energię i składniki odżywcze. W szczególności przyjrzymy się trzem procesom wykorzystywanym przez inżynierów do utrzymania obiegu węgla: fotosyntezie, fermentacji beztlenowej i kompostowaniu.

(Kontynuuj, dostarczając treść w sekcji Tło lekcji).

Tło lekcji i koncepcje dla nauczycieli

Większość z nas wie coś o recyklingu. Jest to proces, w którym rozkładamy zużyte i wyrzucane materiały i wytwarzamy z nich nowe produkty. Recykling zazwyczaj kojarzymy ze szkłem, papierem, metalem i plastikiem, czyli materiałami wytworzonymi przez ludzi. Ale co z materiałami organicznymi, takimi jak odpady żywnościowe, ścinki trawników, oleje i tłuszcze? A co z ponownym wykorzystaniem węgla, który został wyrzucony do atmosfery w postaci dwutlenku węgla? Biorecykling to naturalny proces, w którym organizmy przekształcają materiały w nowe, użyteczne materiały. Część „bio-” tego słowa odnosi się do faktu, że organizmy biologiczne wykonują całą ciężką pracę w tych procesach. W niektórych przypadkach organizmy budują cząsteczki, na przykład w fotosyntezie, gdy rośliny wykorzystują światło słoneczne i dwutlenek węgla do budowy złożonych materiałów, takich jak cukry i włókna roślinne. W innych przypadkach organizmy rozkładają złożone cząsteczki, aby uwolnić materiały do ​​wykorzystania w innych procesach, na przykład gdy grzyby rozkładają martwe pnie drzew na dnie lasu. Wszystkie te procesy razem wzięte pomagają w utrzymaniu obiegu węgla, składników odżywczych i energii z jednej formy w drugą.

Chociaż biorecykling zachodzi w sposób naturalny, inżynierowie zajmujący się ochroną środowiska często projektują systemy kontrolowane, takie jak komory fermentacji beztlenowej i kompostownie, które umożliwiają szybszy i bardziej wydajny biorecykling. Aby wykorzystać te systemy do gospodarowania odpadami, lub innymi słowy, do przekształcenia tych „odpadów” (takich jak odpady żywnościowe) w użyteczne rzeczy (takie jak metan lub biopaliwa), inżynierowie ochrony środowiska muszą zrozumieć podstawowe zasady procesów biorecyklingu.

Ludzie i obieg węgla

Cykl węgla jest zazwyczaj przedstawiany uczniom z perspektywy systemów naturalnych, dzięki czemu wpływ człowieka na cykl węgla jest minimalizowany lub ignorowany. Jednak dzięki postępowi technologicznemu i nawykom konsumpcyjnym ludzkość ma ogromny wpływ na obieg węgla. Współczesne społeczeństwa wymagają dużych ilości energii do wykonywania codziennych zadań. Większość tej energii pochodzi z paliw kopalnych, takich jak węgiel, gaz ziemny i ropa naftowa, które są paliwami węglowymi. Samochody spalają benzynę, produkt naftowy, który wytwarza dwutlenek węgla. Budynki wykorzystują energię elektryczną, która jest najczęściej wytwarzana przez elektrownie opalane węglem lub gazem ziemnym, które jako produkt uboczny uwalniają dwutlenek węgla. Gdyby tylko kilka osób jeździło i korzystało z elektryczności, ilość dwutlenku węgla wpompowywana do atmosfery nie stanowiłaby większego problemu, rośliny i glony mogłyby z łatwością pobierać dwutlenek węgla podczas fotosyntezy. Jednak miliardy ludzi na Ziemi spalają paliwa kopalne i uwalniają dwutlenek węgla, co powoduje nierównowagę węgla atmosferycznego.

Ilość wyemitowanego dwutlenku węgla przekroczyła zdolność naturalnego obiegu węgla do izolowaćlub wykorzystać dwutlenek węgla w procesach takich jak fotosynteza lub przechowywanie go w oceanie. Od czasu rewolucji przemysłowej ludzie stale zwiększali koncentrację dwutlenku węgla w ziemskiej atmosferze poprzez spalanie paliw kopalnych i wylesianie dużych obszarów lądowych, które wcześniej sekwestrowały lub magazynowały duże ilości węgla. Chociaż konsekwencje zwiększonego stężenia dwutlenku węgla w atmosferze nie są w pełni zrozumiałe, powszechnie uważa się, że ma on negatywny wpływ na systemy biologiczne i regiony przybrzeżne.

Chociaż inżynierowie zaproponowali wiele sposobów sekwestracji węgla atmosferycznego, ta lekcja koncentruje się na produkcji biopaliw. Obecnie najbardziej znanym biopaliwem jest etanol z kukurydzy, ale inne rośliny, takie jak trzcina cukrowa, proso rózgowe i algi, można przekształcić w paliwa płynne i gazowe. Biopaliwo różni się od paliw kopalnych, ponieważ jego produkcja jest system zamkniętej pętli, co oznacza, że ​​jego wyjścia mogą być również wejściami. Na przykład, chociaż biopaliwa nadal wytwarzają dwutlenek węgla, gdy są spalane, pochłaniają również dwutlenek węgla podczas fotosyntezy, gdy rosną, dzięki czemu produkcja biopaliw jest procesem neutralnym pod względem emisji dwutlenku węgla. Z drugiej strony spalanie paliw kopalnych jest system otwartej pętli, ponieważ dwutlenek węgla już nigdy nie staje się paliwem kopalnym (lub robi to bardzo powoli).

Pomyśl, ile kosztuje tworzenie materiałów organicznych: energii słonecznej, składników odżywczych z gleby, węgla z atmosfery i wody. Wszystkie łączą się poprzez fotosyntezę, tworząc szeroką gamę materiałów i produktów. W ten sposób powstaje wszystko, od jabłek po tarcicę. Problem polega na tym, że te same materiały znajdują się w odpadach wytwarzanych przez miasta. Wszystkie ścinki trawnika, odpady żywnościowe i drewno, które ludzie wyrzucają, trafiają na wysypiska śmieci lub do spalarni, gdzie wyrzucane są składniki odżywcze i energia z materiałów organicznych. Jest to problematyczne, ponieważ składniki odżywcze potrzebne do tworzenia nowych materiałów roślinnych stają się coraz mniej. Jednak natura jest dobrym przykładem tego, że nie istnieje coś takiego jak odpady. W naturze wszystko podlega recyklingowi. Odpady z jednego organizmu są wykorzystywane jako pokarm dla innego. Widzimy ciągły obieg składników odżywczych, energii i węgla. Zainspirowani naturą inżynierowie wykorzystują kompostowanie i fermentację beztlenową, aby uwolnić składniki odżywcze i energię z tych materiałów. Przyjrzyjmy się tym indywidualnym procesom. Wejścia i wyjścia na pryzmę kompostu.

Kompostowanie to proces, podczas którego mikroorganizmy rozkładają kompleks materia organiczna na jego podstawowe elementy. Mikroby wykonujące tę pracę potrzebują tlenu, dlatego potrzebują aerobik warunki. W najprostszej formie kompostowanie ma miejsce, gdy zbyt długo zostawiasz banana w kuchni. W końcu drobnoustroje obecne na skórce rozkładają banana, pozostawiając na jego miejscu płyn. Nie jest jednak oczywiste, że drobnoustroje zużywają tlen, a dwutlenek węgla i ciepło uwalniają. W tym procesie węgiel zawarty w dwutlenku węgla, raz zamknięty w materii organicznej jako cukry lub bardziej złożone cząsteczki, jest udostępniany roślinom do fotosyntezy. To ten sam proces, który zachodzi w naturze, kiedy rozkładający się, takich jak grzyby i bakterie, rozkładają ściółkę lub martwe gałęzie na dnie lasu. Uczniowie mogą zbadać ten proces za pomocą długoterminowego i praktycznego eksperymentu, który można znaleźć w ćwiczeniu Konkurs kompostowania.
Przykładowy stos kompostu wielkości gospodarstwa domowego.

Jak możesz sobie wyobrazić, pozwalanie na gnicie odpadów spożywczych w Twojej kuchni nie jest najskuteczniejszym sposobem radzenia sobie z odpadami organicznymi. Wiele gospodarstw domowych zaczyna kupować kompost jako sposób na efektywny recykling swoich organicznych śmieci. Te sterty żywności i odpadów z podwórek stanowią idealne środowisko dla rozwoju i szybkiego rozkładu odpadów. W tych małych stosach można obserwować, a nawet mierzyć ciepło wytwarzane przez aktywność drobnoustrojów. Jak dobrze stwierdzić, czy mikroby są szczęśliwe? Im gorętszy jest stos, tym drobnoustroje są szczęśliwsze w swoim środowisku. Kiedy ludzie „obracają” stosy kompostu, są napowietrzanielub dodawanie świeżego tlenu do ich stosów. Gdy materiały zostaną zniszczone, powstały kompost bogaty w składniki odżywcze jest gotowy do dodania do gleby ogrodowej, aby wspomóc produkcję nowego materiału organicznego.

Inżynierowie projektują wielkoskalowe kompostownie, które pobierają odpady z gospodarstw rolnych, osiedli, a nawet całych miast. Obiekty te są tworzone ze starannym uwzględnieniem potrzeb drobnoustrojów. W stosach kontroluje się temperaturę, wilgotność, poziom składników odżywczych i zawartość tlenu. Gdy parametry te są utrzymywane zgodnie z upodobaniami drobnoustrojów, kompostowanie może nastąpić bardzo szybko i służyć jako dobry sposób na radzenie sobie z odpadami miejskimi. Zamiast zajmować miejsce na składowisku odpadów, odpady żywnościowe można poddać biorecyklingowi poprzez kompostowanie, aby wyprodukować nawóz bogaty w składniki odżywcze. Nawet ciepło wytwarzane w pryzmach można wykorzystać na energię! Wejścia i wyjścia fermentacji beztlenowej.

Fermentacja beztlenowa jest podobna do kompostowania, ale zachodzi w środowiskach bez tlenu. Nazywamy to beztlenowy środowiska. W naturze środowiska beztlenowe występują między innymi na bagnach i głębokich jeziorach. Zapoznaj się z artykułem Trawić swoje jedzenie! Ćwiczenie dające uczniom praktyczną możliwość zbadania trawienia beztlenowego jako sposobu na recykling odpadów spożywczych. Gdy liście, ryby i inne materiały organiczne opadają na dno jezior i bagien, materiał organiczny jest rozkładany przez drobnoustroje beztlenowe, organizmy, które do życia nie potrzebują tlenu. Gdy składniki odżywcze z tych materiałów są uwalniane, rośliny w jeziorach wykorzystują je do wzrostu. Trawienie beztlenowe występuje również w żołądku krów. Mikroby w żołądku rozbijają trawy i włókna roślinne, uwalniając składniki odżywcze, które są wchłaniane przez jelita krowy. Mikroby beztlenowe produkują również metan i dwutlenek węgla, co sprawia, że ​​krowy pierdzą! Zakład fermentacji beztlenowej na dużą skalę w Lakeland na Florydzie, który przetwarza ludzkie odchody.

Fermentacja beztlenowa rozbija złożone cząsteczki węgla, uwalnia składniki odżywcze i tworzy biogaz, który jest kombinacją dwutlenku węgla i metan gaz. Jeśli biogaz jest gromadzony, może być wykorzystany jako źródło energii. W większości naturalnych warunków biogaz jest po prostu uwalniany do atmosfery, gdzie staje się silnym gazem cieplarnianym. W systemach inżynierskich, które nazywamy fermentatory beztlenowe, ten zebrany biogaz może być spalany w celu wytworzenia energii elektrycznej lub ciepła. W ten sposób inżynierowie tworzą odnawialne źródło energii z odpadowej materii organicznej. W niektórych miastach inżynierowie stworzyli duże komory fermentacyjne beztlenowe, które pobierają wszystkie materiały organiczne i rozkładają je na cenne nawozy i biogaz. Rodzaje odpadów, które mogą być wprowadzane do komory fermentacyjnej beztlenowej, obejmują odpady ludzkie, spożywcze i podwórkowe.

Fotosynteza i biopaliwa

Fotosynteza to proces biologiczny, w którym organizmy przekształcają energię świetlną w energię chemiczną, budując materię organiczną z dwutlenku węgla. Chociaż zwykle kojarzymy fotosyntezę z lasami i dużymi roślinami, rośliny uprawne również sekwestrują dwutlenek węgla za pomocą fotosyntezy. Niektóre rośliny są uprawiane specjalnie do produkcji biopaliwolub odnawialne paliwo roślinne wytwarzane z biomasy. Na przykład kukurydza może zostać przekształcona w etanol, który może być dodawany do paliw ciekłych na bazie ropy naftowej lub używany zamiast nich. Wiele rodzajów alg naturalnie wytwarza olej, który można również wykorzystać do produkcji paliw płynnych. Te mikroalgi to maleńkie, mikroskopijne zielone organizmy tego samego rodzaju, które mogą zmienić kolor na zielony w basenie! Powodem, dla którego inżynierowie badają mikroalgi, jest to, że rosną one znacznie szybciej niż inne uprawy na biopaliwa, takie jak kukurydza czy trzcina cukrowa, a tym samym mogą pochłaniać więcej dwutlenku węgla, jednocześnie wytwarzając paliwo odnawialne.

Inżynierowie budują fotobioreaktorylub kontrolowane sztuczne środowiska, aby hodować określone rodzaje glonów. Fotobioreaktory są zwykle przezroczyste, dzięki czemu przenikają promienie słoneczne, a temperatura wody, zawartość składników odżywczych i poziom dwutlenku węgla są utrzymywane we właściwych warunkach. Niektórzy inżynierowie zaprojektowali fotobioreaktory, które są połączone z dużymi elektrowniami, aby mikroalgi miały dostęp do bezpośredniego recyklingu wytwarzanego produktu ubocznego, dwutlenku węgla. Uczniowie mogą prototypować i obserwować własny fotobioreaktor podczas dwutygodniowej akcji The Great Algae Race. Glony mogą biorecyklingować dwutlenek węgla z elektrowni lub atmosfery, aby ponownie przetworzyć go na paliwo lub inne produkty, takie jak nawóz lub pasza dla zwierząt.

Powiązane działania

  • Trawić swoje jedzenie! - Biorecykling węgla organicznego, metanu i dwutlenku węgla jest podkreślany, gdy uczniowie badają fermentację beztlenową jako sposób na recykling odpadów spożywczych. Budują mini-gazownie beztlenowe i śledzą ilość produkowanego biogazu w ciągu dwóch do trzech tygodni w ramach eksperymentu, aby zobaczyć, jak wielkość cząstek wpływa na fermentację beztlenową i produkcję biogazu. Tworzą wykresy i analizują zebrane dane.
  • The Great Algae Race - During this two-week experiment, students build and use photobioreactors to investigate growth conditions (availability of carbon dioxide expandable to nutrients and sunlight) to grow microalgae from pond water, which are organisms that can be used for biofuel. Students compare growth in aerated vs. non-aerated conditions by graphing and analyzing collected color indicator scale readings. Open and closed systems and the biorecycling of organic carbon and carbon dioxide are emphasized.
  • Composting Competition - Students learn more about the biorecycling of organic carbon and nutrients through the tracking of two compost piles in a race to degrade organic material over four to six weeks. They monitor the core temperatures of the piles, one control and one tended, to see how air and water affect microbial activity. They plot and analyze the collected data, seeing the importance of conditions on the efficient functioning of microbes in compost piles, and how composting can be used as a carbon management process.

Lesson Closure

Engineers use the biological processes of photosynthesis, composting and anaerobic digestion to help manage and cycle nutrients, carbon and energy from one form to another. These processes biorecycle wastes (such as food waste and power plant exhaust) into resources (such as energy and nutrients). While these same processes are found throughout nature, engineers make them happen faster in artificial environments such as anaerobic digesters, photobioreactors and compost piles. Waste is only waste if you waste it!

Vocabulary/Definitions

aerobic : A condition, environment or process in which oxygen is available.

anaerobic : A condition, environment or process in which oxygen is not present.

anaerobic digester: A bioreactor or container that is designed to prevent oxygen from entering and in which anaerobic digestion occurs.

biofuel: Renewable plant-based fuel made from biomass, such as corn, sugarcane or microalgae.

biogas: A gas mixture produced during anaerobic digestion that contains methane and carbon dioxide. Biogas can be burned as an energy source.

bioreactor: A container or "work place" for microbes that provides the ideal conditions for microbial growth.

biorecycling: A process in which organisms take "waste" materials, break them down and make new materials from them, using biological processes such as anaerobic digestion or photosynthesis.

closed loop system: A system in which process outputs, or "wastes," are used as a system input, or "resource." An example is algae biofuel production, in which carbon dioxide that is produced in combusting the fuel is used again in photosynthesis.

decomposers: Organisms, such as fungi or bacteria, that break down complex organic materials into their basic components.

fossil fuels : Carbon-based fuels, such as coal, oil and natural gas, which have taken millions of years to form from decaying organic material. Fossil fuels are extracted and combusted, releasing carbon dioxide into the atmosphere.

methane: A simple gas that can be used as a fuel source when combusted, but is also a potent greenhouse gas.

microalgae: Microscopic, often single-celled, photosynthetic organisms that sequester carbon dioxide. Microalgae can be used as a biofuel.

nutrients: A molecule that serves as a fertilizer, such as ammonia, nitrate, phosphate or potassium.

open loop system: A system in which outputs, or "wastes," are not brought back into the process as input, or "resources." For example, burning fossil fuels releases carbon dioxide into the atmosphere, but the carbon dioxide is not biorecycled back to organic carbon in this process.

organic matter: All living or once-living things or items produced by living things. These carbon-based items include food waste, yard scraps, plant material, sugar, animals and people. Also just called "organics."

photosynthesis: The process by which plants use the sun's energy to turn atmospheric carbon dioxide into organic carbon through a series of biochemical reactions.

sequester: To lock up or store. To sequester carbon dioxide means to lock it up in a solid or liquid form, such as in a plant or the ocean, where it is no longer in the atmosphere.

Assessment

Recycle to Biorecycling Discussion Questions: Solicit, integrate and summarize student responses.

  • We know we can recycle glass, paper, aluminum and some plastics, but what about our food waste? Can the carbon cycle help us? (Listen to student suggestions. Answer: Yes we can biorecycle food waste and other organic material through anaerobic digestion and another biorecycling process called composting.)
  • We've learned about fossil fuels (or we know we burn gasoline in our cars), but what other forms of renewable energy do we know about? Do any fit in the carbon cycle? (Answer: Expect students to mention renewable energy sources such as solar, wind, water and geothermal. However, less common renewable energy sources include biofuels and anaerobic digestion. Biofuels fit into the carbon cycle because of their photosynthesis component. Anaerobic digestion fits in because of the breaking down and combustion of organic material.)

Make a Loop! Challenge students to draw one of the biorecycling systems discussed. Have them think of where they may get "inputs" for the system (for example, cafeterias for food waste, power plant flue gas for carbon dioxide, dairy farms for cow manure for anaerobic digestion, etc.).

Lesson Summary Assessment

Knowledge Check: At lesson end, have students complete the BioRecycling/BioEnergy Knowledge Check. This 20-question multiple-choice quiz reviews information presented in the lesson. Answers are provided on the BioRecycling/BioEnergy Knowledge Check Answer Key. Review students' answers to gauge their comprehension of the subject matter and readiness for the associated activities.

Additional Multimedia Support

As necessary, show students a visual aid of the carbon cycle at http://earthobservatory.nasa.gov/Features/CarbonCycle/

Bibliografia

Food Waste Management Tools and Resources, Resource Conservation. Last updated August 2, 2013. U.S. Environmental Protection Agency. Accessed February 20, 2014. http://www.epa.gov/foodrecovery/fd-tools_rescrs.htm

Newman, Stefani. How Algae Biodiesel Works. Posted June 18, 2008. HowStuffWorks.com. Accessed February 20, 2014. http://science.howstuffworks.com/environmental/green-science/algae-biodiesel.htm

Teachers: Composting & Recycling, Wastes—Educational Materials. Last updated June 14, 2013. U.S. Environmental Protection Agency. Accessed February 20, 2014. http://www.epa.gov/osw/education/teach_comp.htm

Prawa autorskie

Współtwórcy

Supporting Program

Podziękowanie

This curriculum was developed under National Science Foundation grant numbers 1236746, 1200682, 0965743 and 1243510, which includes the Water Awareness Research and Education (WARE) - Research Experience for Teachers (RET). However, the contents do not necessarily represent the policies of the National Science Foundation or the U.S. Department of Education, and should not be assumed an endorsement by the federal government.

The authors gratefully acknowledge funding from the Department of Education Graduate Assistants in Areas of National Need (GAANN) Fellowship, and the Bill and Melinda Gates Foundation, as well as classroom support from Learning Gate Community School (Lutz, FL), the Science and Technology Education and Innovation Center (St. Petersburg, FL), and Erin Morrison.


CAREER CONNECTION

Chesapeake Bay

Figure 7: This (a) satellite image shows the Chesapeake Bay, an ecosystem affected by phosphate and nitrate runoff. A (b) member of the Army Corps of Engineers holds a clump of oysters being used as a part of the oyster restoration effort in the bay. (credit a: modification of work by NASA/MODIS credit b: modification of work by U.S. Army)

The Chesapeake Bay (Figure 7a) is one of the most scenic areas on Earth it is now in distress and is recognized as a case study of a declining ecosystem. In the 1970s, the Chesapeake Bay was one of the first aquatic ecosystems to have identified dead zones, which continue to kill many fish and bottom-dwelling species such as clams, oysters, and worms. Several species have declined in the Chesapeake Bay because surface water runoff contains excess nutrients from artificial fertilizer use on land. The source of the fertilizers (with high nitrogen and phosphate content) is not limited to agricultural practices. There are many nearby urban areas and more than 150 rivers and streams empty into the bay that are carrying fertilizer runoff from lawns and gardens. Thus, the decline of the Chesapeake Bay is a complex issue and requires the cooperation of industry, agriculture, and individual homeowners.

Of particular interest to conservationists is the oyster population (Figure 7b) it is estimated that more than 200,000 acres of oyster reefs existed in the bay in the 1700s, but that number has now declined to only 36,000 acres. Oyster harvesting was once a major industry for Chesapeake Bay, but it declined 88 percent between 1982 and 2007. This decline was caused not only by fertilizer runoff and dead zones, but also because of overharvesting. Oysters require a certain minimum population density because they must be in close proximity to reproduce. Human activity has altered the oyster population and locations, thus greatly disrupting the ecosystem.

The restoration of the oyster population in the Chesapeake Bay has been ongoing for several years with mixed success. Not only do many people find oysters good to eat, but the oysters also clean up the bay. They are filter feeders, and as they eat, they clean the water around them. Filter feeders eat by pumping a continuous stream of water over finely divided appendages (gills in the case of oysters) and capturing prokaryotes, plankton, and fine organic particles in their mucus. In the 1700s, it was estimated that it took only a few days for the oyster population to filter the entire volume of the bay. Today, with the changed water conditions, it is estimated that the present population would take nearly a year to do the same job.

Restoration efforts have been ongoing for several years by non-profit organizations such as the Chesapeake Bay Foundation. The restoration goal is to find a way to increase population density so the oysters can reproduce more efficiently. Many disease-resistant varieties (developed at the Virginia Institute of Marine Science for the College of William and Mary) are now available and have been used in the construction of experimental oyster reefs. Efforts by Virginia and Delaware to clean and restore the bay have been hampered because much of the pollution entering the bay comes from other states, which emphasizes the need for interstate cooperation to gain successful restoration.

The new, hearty oyster strains have also spawned a new and economically viable industry—oyster aquaculture—which not only supplies oysters for food and profit, but also has the added benefit of cleaning the bay.


Zawartość

Christian de Duve, the chairman of the Laboratory of Physiological Chemistry at the Catholic University of Louvain in Belgium, had been studying the mechanism of action of a pancreatic hormone insulin in liver cells. By 1949, he and his team had focused on the enzyme called glucose 6-phosphatase, which is the first crucial enzyme in sugar metabolism and the target of insulin. They already suspected that this enzyme played a key role in regulating blood sugar levels. However, even after a series of experiments, they failed to purify and isolate the enzyme from the cellular extracts. Therefore, they tried a more arduous procedure of cell fractionation, by which cellular components are separated based on their sizes using centrifugation.

They succeeded in detecting the enzyme activity from the microsomal fraction. This was the crucial step in the serendipitous discovery of lysosomes. To estimate this enzyme activity, they used that of the standardized enzyme acid phosphatase and found that the activity was only 10% of the expected value. One day, the enzyme activity of purified cell fractions which had been refrigerated for five days was measured. Surprisingly, the enzyme activity was increased to normal of that of the fresh sample. The result was the same no matter how many times they repeated the estimation, and led to the conclusion that a membrane-like barrier limited the accessibility of the enzyme to its substrate, and that the enzymes were able to diffuse after a few days (and react with their substrate). They described this membrane-like barrier as a "saclike structure surrounded by a membrane and containing acid phosphatase." [18]

It became clear that this enzyme from the cell fraction came from membranous fractions, which were definitely cell organelles, and in 1955 De Duve named them "lysosomes" to reflect their digestive properties. [19] The same year, Alex B. Novikoff from the University of Vermont visited de Duve's laboratory, and successfully obtained the first electron micrographs of the new organelle. Using a staining method for acid phosphatase, de Duve and Novikoff confirmed the location of the hydrolytic enzymes of lysosomes using light and electron microscopic studies. [20] [21] de Duve won the Nobel Prize in Physiology or Medicine in 1974 for this discovery.

Originally, De Duve had termed the organelles the "suicide bags" or "suicide sacs" of the cells, for their hypothesized role in apoptosis. [22] However, it has since been concluded that they only play a minor role in cell death. [23]

Lysosomes contain a variety of enzymes, enabling the cell to break down various biomolecules it engulfs, including peptides, nucleic acids, carbohydrates, and lipids (lysosomal lipase). The enzymes responsible for this hydrolysis require an acidic environment for optimal activity.

In addition to being able to break down polymers, lysosomes are capable of fusing with other organelles & digesting large structures or cellular debris through cooperation with phagosomes, they are able to conduct autophagy, clearing out damaged structures. Similarly, they are able to break down virus particles or bacteria in phagocytosis of macrophages.

The size of lysosomes varies from 0.1 μm to 1.2 μm. [24] With a pH ranging from

4.5–5.0, the interior of the lysosomes is acidic compared to the slightly basic cytosol (pH 7.2). The lysosomal membrane protects the cytosol, and therefore the rest of the cell, from the degradative enzymes within the lysosome. The cell is additionally protected from any lysosomal acid hydrolases that drain into the cytosol, as these enzymes are pH-sensitive and do not function well or at all in the alkaline environment of the cytosol. This ensures that cytosolic molecules and organelles are not destroyed in case there is leakage of the hydrolytic enzymes from the lysosome.

The lysosome maintains its pH differential by pumping in protons (H + ions) from the cytosol across the membrane via proton pumps and chloride ion channels. Vacuolar-ATPases are responsible for transport of protons, while the counter transport of chloride ions is performed by ClC-7 Cl − /H + antiporter. In this way a steady acidic environment is maintained. [25] [26]

It sources its versatile capacity for degradation by import of enzymes with specificity for different substrates cathepsins are the major class of hydrolytic enzymes, while lysosomal alpha-glucosidase is responsible for carbohydrates, and lysosomal acid phosphatase is necessary to release phosphate groups of phospholipids.

Many components of animal cells are recycled by transferring them inside or embedded in sections of membrane. For instance, in endocytosis (more specifically, macropinocytosis), a portion of the cell's plasma membrane pinches off to form vesicles that will eventually fuse with an organelle within the cell. Without active replenishment, the plasma membrane would continuously decrease in size. It is thought that lysosomes participate in this dynamic membrane exchange system and are formed by a gradual maturation process from endosomes. [27] [28]

The production of lysosomal proteins suggests one method of lysosome sustainment. Lysosomal protein genes are transcribed in the nucleus in a process that is controlled by transcription factor EB (TFEB). [14] mRNA transcripts exit the nucleus into the cytosol, where they are translated by ribosomes. The nascent peptide chains are translocated into the rough endoplasmic reticulum, where they are modified. Lysosomal soluble proteins exit the endoplasmic reticulum via COPII-coated vesicles after recruitment by the EGRESS complex (miR-to-golgi relaying of minzymes of the lysosomal system), which is composed of CLN6 and CLN8 proteins. [9] [10] COPII vesicles then deliver lysosomal enzymes to the Golgi apparatus, where a specific lysosomal tag, mannose 6-phosphate, is added to the peptides. The presence of these tags allow for binding to mannose 6-phosphate receptors in the Golgi apparatus, a phenomenon that is crucial for proper packaging into vesicles destined for the lysosomal system. [29]

Upon leaving the Golgi apparatus, the lysosomal enzyme-filled vesicle fuses with a late endosome, a relatively acidic organelle with an approximate pH of 5.5. This acidic environment causes dissociation of the lysosomal enzymes from the mannose 6-phosphate receptors. The enzymes are packed into vesicles for further transport to established lysosomes. [29] The late endosome itself can eventually grow into a mature lysosome, as evidenced by the transport of endosomal membrane components from the lysosomes back to the endosomes. [27]

As the endpoint of endocytosis, the lysosome also acts as a safeguard in preventing pathogens from being able to reach the cytoplasm before being degraded. Pathogens often hijack endocytotic pathways such as pinocytosis in order to gain entry into the cell. The lysosome prevents easy entry into the cell by hydrolyzing the biomolecules of pathogens necessary for their replication strategies reduced Lysosomal activity results in an increase in viral infectivity, including HIV. [30] In addition, AB5 toxins such as cholera hijack the endosomal pathway while evading lysosomal degradation. [30]

Lysosomes are involved in a group of genetically inherited deficiencies, or mutations called lysosomal storage diseases (LSD), inborn errors of metabolism caused by a dysfunction of one of the enzymes. The rate of incidence is estimated to be 1 in 5,000 births, and the true figure expected to be higher as many cases are likely to be undiagnosed or misdiagnosed. The primary cause is deficiency of an acid hydrolase. Other conditions are due to defects in lysosomal membrane proteins that fail to transport the enzyme, non-enzymatic soluble lysosomal proteins. The initial effect of such disorders is accumulation of specific macromolecules or monomeric compounds inside the endosomal–autophagic–lysosomal system. [15] This results in abnormal signaling pathways, calcium homeostasis, lipid biosynthesis and degradation and intracellular trafficking, ultimately leading to pathogenetic disorders. The organs most affected are brain, viscera, bone and cartilage. [31] [32]

There is no direct medical treatment to cure LSDs. [33] The most common LSD is Gaucher's disease, which is due to deficiency of the enzyme glucocerebrosidase. Consequently, the enzyme substrate, the fatty acid glucosylceramide accumulates, particularly in white blood cells, which in turn affects spleen, liver, kidneys, lungs, brain and bone marrow. The disease is characterized by bruises, fatigue, anaemia, low blood platelets, osteoporosis, and enlargement of the liver and spleen. [34] [35] As of 2017, enzyme replacement therapy is available for treating 8 of the 50-60 known LDs. [36]

The most severe and rarely found, lysosomal storage disease is inclusion cell disease. [37]

Metachromatic leukodystrophy is another lysosomal storage disease that also affects sphingolipid metabolism.

Dysfunctional lysosome activity is also heavily implicated in the biology of aging, and age-related diseases such as Alzheimer's, Parkinson's, and cardiovascular disease. [38] [39]

Sr. No Enzymy Podłoże
1 Phosphates
A- Acid phosphatase Most phosphomonoesters
B- Acid phosphodiesterase Oligonucleotides and phosphodiesterase
2 Nucleases
A- Acid ribonuclease RNA
B- Acid deoxyribonuclease DNA
3 Polysaccharides/ mucopolysaccharides hydrolyzing enzymes
A- beta Galactosidase Galactosides
B- alfa Glucosidase Glikogen
C- alfa Mannosidase Mannosides, glycoproteins
D- beta Glucoronidase Polysaccharides and mucopolyssacharides
E- Lysozymes Bacterial cell walls and mucopolyssacharides
F- Hyaluronidase Hyaluronic acids, chondroitin sulphates
H- Arylsulphatase Organic sulfates
4 Proteases
A- Cathepsin(s) Białka
B- Collagenase Collagen
C- Peptidase Peptides
5 Lipid degrading enzymes
A- Esterase Fatty acyl esters
B- Phospolipase Fosfolipidy

Lysosomotropism Edit

Weak bases with lipophilic properties accumulate in acidic intracellular compartments like lysosomes. While the plasma and lysosomal membranes are permeable for neutral and uncharged species of weak bases, the charged protonated species of weak bases do not permeate biomembranes and accumulate within lysosomes. The concentration within lysosomes may reach levels 100 to 1000 fold higher than extracellular concentrations. This phenomenon is called lysosomotropism, [41] "acid trapping" or "proton pump" effect. [42] The amount of accumulation of lysosomotropic compounds may be estimated using a cell-based mathematical model. [43]

A significant part of the clinically approved drugs are lipophilic weak bases with lysosomotropic properties. This explains a number of pharmacological properties of these drugs, such as high tissue-to-blood concentration gradients or long tissue elimination half-lifes these properties have been found for drugs such as haloperidol, [44] levomepromazine, [45] and amantadine. [46] However, high tissue concentrations and long elimination half-lives are explained also by lipophilicity and absorption of drugs to fatty tissue structures. Important lysosomal enzymes, such as acid sphingomyelinase, may be inhibited by lysosomally accumulated drugs. [47] [48] Such compounds are termed FIASMAs (functional inhibitor of acid sphingomyelinase) [49] and include for example fluoxetine, sertraline, or amitriptyline.

Ambroxol is a lysosomotropic drug of clinical use to treat conditions of productive cough for its mucolytic action. Ambroxol triggers the exocytosis of lysosomes via neutralization of lysosomal pH and calcium release from acidic calcium stores. [50] Presumably for this reason, Ambroxol was also found to improve cellular function in some disease of lysosomal origin such as Parkinson's or lysosomal storage disease. [51] [52]

Systemic lupus erythematosus Edit

Impaired lysosome function is prominent in systemic lupus erythematosus preventing macrophages and monocytes from degrading neutrophil extracellular traps [53] and immune complexes. [54] [55] [56] The failure to degrade internalized immune complexes stems from chronic mTORC2 activity, which impairs lysosome acidification. [57] As a result, immune complexes in the lysosome recycle to the surface of macrophages causing an accumulation of nuclear antigens upstream of multiple lupus-associated pathologies. [54] [58] [59]

By scientific convention, the term lysosome is applied to these vesicular organelles only in animals, and the term vacuole is applied to those in plants, fungi and algae (some animal cells also have vacuoles). Discoveries in plant cells since the 1970s started to challenge this definition. Plant vacuoles are found to be much more diverse in structure and function than previously thought. [60] [61] Some vacuoles contain their own hydrolytic enzymes and perform the classic lysosomal activity, which is autophagy. [62] [63] [64] These vacuoles are therefore seen as fulfilling the role of the animal lysosome. Based on de Duve's description that "only when considered as part of a system involved directly or indirectly in intracellular digestion does the term lysosome describe a physiological unit", some botanists strongly argued that these vacuoles are lysosomes. [65] However, this is not universally accepted as the vacuoles are strictly not similar to lysosomes, such as in their specific enzymes and lack of phagocytic functions. [66] Vacuoles do not have catabolic activity and do not undergo exocytosis as lysosomes do. [67]

Słowo lizosom ( / ˈ l aɪ s oʊ s oʊ m / , / ˈ l aɪ z ə z oʊ m / ) is New Latin that uses the combining forms lyso- (referring to lysis and derived from the Latin lysis, meaning "to loosen", via Ancient Greek λύσις [lúsis]), and -some, from soma, "body", yielding "body that lyses" or "lytic body". The adjectival form is lysosomal. The forms *lyosome oraz *lyosomal are much rarer they use the lyo- form of the prefix but are often treated by readers and editors as mere unthinking replications of typos, which has no doubt been true as often as not.


Ekosystemy

Ekosystem – all living organisms oraz non-living components in a specific habitat, and the interrelationships between them.

Siedlisko – the place where an organism lives.

Populacja – all of the organisms of one species , who live in the same place at the same time, and can breed together.

Community – all the organisms of different species, who live in the same place at the same time, and can interact with each other.

Nisza – the role that each species plays in an ecosystem.

Autotroph – an organism that uses light energy to synthesise its own complex organic molecules.

Heterotroph – an organism that consumes complex organic molecules to gain nutrients, obtaining energy.

Ecosystems are dynamic systems because the population rises and falls due to the interactions of living organisms between each other and with the physical environment. Any small changes in one thing can affect the others. For example, if a predator’s population size goes up, the population size of the prey will go down.

Biotic factors – the effects of living organisms, e.g. food supply, predation, disease, competition.

Abiotic factors– the effects of non-living components, e.g. temperature, pH of soil, soil type, light intensity, oxygen concentrations, carbon dioxide concentrations.

    define the term producer, consumer, decomposer and trophic levels

Food chains show how energy is transferred from one organism to another. Different food chains join together to make a food web, which helps us understand how energy flows through the whole ecosystem. The arrows in a food chain show the direction of energy transfer.

    discuss the efficiency of energy transfers between trophic levels

Energy is lost at each trophic level and is unavailable to the next trophic level. Energy is used for oddychanie which is lost through heatenergy. The energy is stored in dead organisms oraz waste material which can only be accessed by decomposers. Because of this, there is less living tissue (biomasa) at higher levels of a food chain. There are always less consumers as the pyramid gets higher due to energy loss at each trophic level.

    outline how energy transfers between trophic levels can be measured

    explain how human activities can manipulate the flow of energy through ecosystems

Succession – a change in a habitat causing a change in the make-up of a community.

  1. Pioneer plants like sea rocket(Cakilemaritima)and prickly sandwort (Salsola kali) colonise the sand just above the high water mark – tolerate salt water, lack of freshwater and unstable sand.
  2. Wind-blown sand builds up around the base of these plants, forming a ‘mini’ sand dune. As plants die and decay, nutrients accumulate in this mini sand dune. As the dune gets bigger, plants like sea sandwort(Honkenyapeploides) oraz sea couch grass(Agropyronjunceiforme) colonise it, which have long roots to stabilise it in the sand.
  3. With more stability and accumulation of more nutrients, plants like sea spurge(Euphorbaparalias) oraz marram grass(Ammophilaarenaria)start to grow. Marram grass traps sand, as the sand accumulates, the shoots grow taller to stay above the growing dune trapping more sand.
  4. As the sand dune and nutrients build up, other plants colonise the sand, such as hare’s foot clover(Trifoliumarvense)and bird’s foottrefoil(Lotuscorniculatus). These have bacteria in their root nodules to convert nitrogen into nitrates. With nitrates available, more species like sand fescue(Festucarubra) oraz viper’sbugloss(Echiumvulgare) colonise the dunes, stabilising the dunes further.

  • describe how the distribution and abundance of organisms can be measured, using line transects, belt transects, quadrats and point quadrats

A transect is a line taken across a habitat. You stretch a tape measure across the habitat and take samples along the line. You can use a:

  • Line Transect – recording each organism which is touching the line at suitable, regular intervals.
  • Belt Transect – placing a quadrat against the line, recording its contents, then placing the next quadrat immediately touching the first one, repeating this along the transect.
  • Interrupted Belt Transect – placing quadrats at regular intervals along the transect.

Abundant80-100%
Common60-80%
Frequent40-60%
Occasional20-40%
Rzadki0-20%

A quadrat jest square frame used to define the size of the sample area. It’s important to choose the right size of the quadrat (normally 50cm or 1m quadrats are used) depending on the size of the area. The quadrat is placed randomly and the abundance is measures. You could:

  • Count the number of individuals of each species.
  • Estimate the percentage cover of each species – this is the proportion of the area within the quadrat which it occupies.
  • Use an abundance scale, such as the ACFOR scale, by estimating which one of these best describes the abundance of each species within the quadrat.

A point quadrat may be used. This is a frame holding a number of long needles or pointers. You lower the frame into the quadrat and record any plant touching the needles. It can also be useful for measuring the height of plants.

Population size = mean no. of individuals of the species in each quadrat

fraction of the total habitat are covered by a quadrat

It’s important to decide gdzie to place the quadrats, how many samples to take, and how big they should be:

  • Use a sample which is representative of the whole habitat: randomly position the quadrats across the habitats, using random numbers do plot coordinates or take samples at regular distances across the habitat.
  • To work out how many quadrats are needed: do a pilot study – take random samples from across the habitat and make a cumulative frequency table. Wątek cumulative frequency przeciwko quadrat number. The point where the curve levels off tells them that the minimum number of quadrats to use. Ecologists often podwójnie
  • To work out how big your quadrats should be: count the number of species you find in larger quadrats. Wątek quadrat area na x-axis, against the number of species you find in each one on the y-axis. Read the optimalquadrat size at the point where he curve starts to level off.
  • describe the role of decomposers in the decomposition of organic material

Decomposers, such as bakteria oraz grzyby, break down dead and waste organic material. Bacteria and fungi feed saprotrophically so are called saprophytes. They secrete enzymes onto dead and waste material. The enzymes digest the material into small molecules, which are then absorbed into the organisms body. Having been absorbed, the molecules are stored or respired do release energy.

If bacteria and fungi did not break down dead organisms then energy and valuable nutrients would remain trapped in the dead organisms. Microbes get a supply of energy to stay alive, a trapped nutrients are recycled.

  • describe how microorganisms recycle nitrogen within ecosystems (Only Nitrosomonas, Nitrobacter and Rhizobium need to be identified by name)

Nitrogen gas is very unreactive, so is impossible for plants to use it directly. Nitrogen is needed to make proteins and nucleic acids. Plants need fixed nitrogen as ammonium ions (NH4 + ) or nitrate ions (NO3). Bacteria is involved in the recycling of nitrogen.


Obejrzyj wideo: Opole odpady niebezpieczne (Lipiec 2022).


Uwagi:

  1. Kagan

    Oczywiście przepraszam, ale to w ogóle mi nie odpowiada. Może jest więcej opcji?

  2. Brakasa

    Gorąco sugerujemy, abyś odwiedził witrynę, która zawiera wiele informacji na temat, którym jesteś zainteresowany.

  3. Lange

    To wspaniały temat

  4. Cal

    W tym coś jest. Wielkie dzięki za informacje, teraz będę wiedział.

  5. Ocvran

    Czy szybko wymyśliłeś tak niezrównane zdanie?

  6. Dalen

    Jest w tym coś. Dziękuję za pomoc w tej sprawie, tym prostsze, tym lepiej ...



Napisać wiadomość