Em formação

Como o CO2 está relacionado à acidez nas células vegetais?

Como o CO2 está relacionado à acidez nas células vegetais?



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.

Por que o aumento na concentração de CO2 em uma célula vegetal aumenta a acidez da seiva da célula?

Obrigado


CO2 é um ácido de Lewis. O CO2 é um carbono carbonílico duplo com deficiência de elétrons, e sabemos que os ácidos de Lewis aceitam prontamente os elétrons, portanto, quando presente no H20, forma ácido carbônico (H2CO3). Christiaan postou a equação equilibrada da formação do ácido.


Deposição de nitrogênio e biodiversidade terrestre

Christopher M. Clark,. Heather L. Throop, em Encyclopedia of Biodiversity (segunda edição), 2013

Acidificação

A acidificação descreve o processo pelo qual a adição de N diminui o pH do solo, o que pode ter uma variedade de efeitos diretos e indiretos no crescimento da planta. Geralmente, durante a acidificação, as mudanças no pH do solo são mitigadas pela liberação de carbonatos e cátions básicos do solo (Bowman et al., 2008). Uma vez que estes são exauridos, os minerais de argila no solo podem se decompor, levando à liberação de minerais tóxicos no solo (especialmente alumínio, Al 3+). A deposição de N pode resultar em acidificação por meio de uma série de mecanismos, incluindo (1) estimulação da nitrificação que produz prótons (H +), (2) absorção de NH pelas raízes4 + liberando H + como um contra-íon, e (3) ligação de NO3 - com cátions básicos e subsequente perda por lixiviação (reduz a capacidade de tamponamento do solo) (Dise, 2011 Ulrich, 1983). Durante longos períodos de tempo, a acidificação pode suprimir a nitrificação e a absorção de nitrogênio pelas plantas, levando a um maior acúmulo de compostos acidificantes, como o NH4 + e um acúmulo de material não decomposto (Roelofs et al., 1985). A acidificação geralmente reduz a biodiversidade porque há menos espécies de plantas adaptadas a solos mais ácidos, por meio da supressão da germinação e por meio de mudanças nas concentrações de minerais tóxicos (por exemplo, Al 3+) ou nutrientes (por exemplo, N, P, cátions de base) no solo (Horswill et al., 2008 Stevens et al., 2010a).


Conteúdo

O dióxido de carbono foi o primeiro gás a ser descrito como uma substância discreta. Por volta de 1640, [21] o químico flamengo Jan Baptist van Helmont observou que quando queimava carvão em um recipiente fechado, a massa da cinza resultante era muito menor do que a do carvão original. Sua interpretação foi que o resto do carvão havia sido transmutado em uma substância invisível que ele chamou de "gás" ou "espírito selvagem" (Spiritus Sylvestris). [22]

As propriedades do dióxido de carbono foram posteriormente estudadas na década de 1750 pelo médico escocês Joseph Black. Ele descobriu que o calcário (carbonato de cálcio) poderia ser aquecido ou tratado com ácidos para produzir um gás que ele chamou de "ar fixo". Ele observou que o ar fixo era mais denso que o ar e não sustentava chama nem vida animal. Black também descobriu que, quando borbulhado através da água de cal (uma solução aquosa saturada de hidróxido de cálcio), precipitaria carbonato de cálcio. Ele usou esse fenômeno para ilustrar que o dióxido de carbono é produzido pela respiração animal e fermentação microbiana. Em 1772, o químico inglês Joseph Priestley publicou um artigo intitulado Impregnando Água com Ar Fixo em que ele descreveu um processo de gotejamento de ácido sulfúrico (ou óleo de vitríolo como Priestley o conhecia) em giz para produzir dióxido de carbono e forçando a dissolução do gás, agitando uma tigela de água em contato com o gás. [23]

O dióxido de carbono foi liquefeito (a pressões elevadas) em 1823 por Humphry Davy e Michael Faraday. [24] A descrição mais antiga do dióxido de carbono sólido (gelo seco) foi dada pelo inventor francês Adrien-Jean-Pierre Thilorier, que em 1835 abriu um recipiente pressurizado de dióxido de carbono líquido, apenas para descobrir que o resfriamento produzido pela rápida evaporação do líquido produziu uma "neve" de CO sólido2. [25] [26]

Estrutura e ligação

A molécula de dióxido de carbono é linear e centrosimétrica em equilíbrio. O comprimento da ligação carbono-oxigênio é 116,3 pm, visivelmente menor do que o comprimento da ligação de uma ligação simples C – O e ainda mais curto do que a maioria dos outros grupos funcionais de ligações múltiplas C – O. [27] Por ser centrosimétrica, a molécula não tem dipolo elétrico.

Como uma molécula triatômica linear, CO2 tem quatro modos vibracionais, conforme mostrado no diagrama. No entanto, o modo de alongamento simétrico não cria um dipolo e, portanto, não é observado no espectro de IV. Os dois modos de flexão são degenerados, o que significa que correspondem a apenas uma frequência. Consequentemente, apenas duas bandas vibracionais são observadas no espectro IR - um modo de alongamento anti-simétrico no número de onda 2349 cm −1 (comprimento de onda 4,25 μm) e um par degenerado de modos de curvatura em 667 cm −1 (comprimento de onda 15 μm). Há também um modo de alongamento simétrico em 1388 cm −1 que só é observado no espectro Raman. [28]

Como resultado dos dois modos de dobra, a molécula só é estritamente linear quando a quantidade de dobra é zero. Foi demonstrado pela teoria [29] e pelos experimentos de imagem de explosão de Coulomb [30] que isso nunca é realmente verdadeiro para os dois modos ao mesmo tempo. Em uma amostra de fase gasosa de dióxido de carbono, nenhuma das moléculas é linear como resultado dos movimentos vibracionais. No entanto, a geometria molecular ainda é descrita como linear, que descreve as posições atômicas médias correspondentes à energia potencial mínima. Isso também é verdadeiro para outras moléculas “lineares”.

Em solução aquosa

O dióxido de carbono é solúvel em água, na qual forma H reversivelmente
2 CO
3 (ácido carbônico), que é um ácido fraco, pois sua ionização em água é incompleta.

A constante de equilíbrio de hidratação do ácido carbônico é K h = [H 2 C O 3] [C O 2 (a q)] = 1,70 × 10 - 3 < displaystyle K _ < mathrm > = < frac < rm <[H_ <2> CO_ <3>] >> < rm <[CO_ <2> (aq)] >>> = 1,70 vezes 10 ^ <-3>> (em 25 ° C). Portanto, a maior parte do dióxido de carbono não é convertida em ácido carbônico, mas permanece como CO2 moléculas, não afetando o pH.

As concentrações relativas de CO
2 , H
2 CO
3 , e as formas desprotonadas HCO -
3 (bicarbonato) e CO 2−
3 (carbonato) dependem do pH. Como mostrado em um gráfico de Bjerrum, em água neutra ou ligeiramente alcalina (pH & gt 6,5), a forma de bicarbonato predomina (& gt50%) tornando-se a mais prevalente (& gt95%) no pH da água do mar. Em água muito alcalina (pH & gt 10,4), a forma predominante (& gt50%) é o carbonato. Os oceanos, sendo ligeiramente alcalinos com pH típico = 8,2–8,5, contêm cerca de 120 mg de bicarbonato por litro.

Sendo diprótico, o ácido carbônico tem duas constantes de dissociação de ácido, a primeira para a dissociação no íon bicarbonato (também chamado de hidrogenocarbonato) (HCO3 − ):

H2CO3 ⇌ HCO3 - + H + Ka1 = 2,5 × 10 −4 mol / L pKa1 = 3,6 a 25 ° C. [27]

O íon bicarbonato é uma espécie anfotérica que pode atuar como ácido ou como base, dependendo do pH da solução. Em pH alto, ele se dissocia significativamente no íon carbonato (CO3 2− ):

HCO3 - ⇌ CO3 2− + H + Ka2 = 4,69 × 10 −11 mol / L pKa2 = 10.329

Nos organismos, a produção de ácido carbônico é catalisada pela enzima anidrase carbônica.

Reações químicas de CO2

CO2 é um eletrófilo potente com uma reatividade eletrofílica que é comparável ao benzaldeído ou a compostos de carbonil α, β-insaturados fortes. No entanto, ao contrário de eletrófilos de reatividade semelhante, as reações de nucleófilos com CO2 são termodinamicamente menos favorecidos e frequentemente considerados altamente reversíveis. [32] Apenas nucleófilos muito fortes, como os carbânions fornecidos pelos reagentes de Grignard e compostos de organolítio reagem com o CO2 para dar carboxilatos:

MR + CO2 → RCO2M onde M = Li ou Mg Br e R = alquil ou aril.

Em complexos metálicos de dióxido de carbono, CO2 serve como um ligante, o que pode facilitar a conversão de CO2 a outros produtos químicos. [33]

A redução de CO2 ao CO é normalmente uma reação difícil e lenta:

Fotoautotróficos (ou seja, plantas e cianobactérias) usam a energia contida na luz solar para fotossintetizar açúcares simples de CO2 absorvido do ar e da água:

O potencial redox para esta reação perto de pH 7 é cerca de −0,53 V contra o eletrodo de hidrogênio padrão. A enzima que contém níquel, monóxido de carbono desidrogenase, catalisa esse processo. [34]

Propriedades físicas

O dióxido de carbono é incolor. Em baixas concentrações, o gás é inodoro; no entanto, em concentrações suficientemente altas, ele tem um odor ácido forte. [1] Na temperatura e pressão padrão, a densidade do dióxido de carbono é de cerca de 1,98 kg / m 3, cerca de 1,53 vezes a do ar. [35]

O dióxido de carbono não tem estado líquido em pressões abaixo de 5,1 atmosferas padrão (520 kPa). Em 1 atmosfera (próximo à pressão média do nível do mar), o gás deposita diretamente em um sólido a temperaturas abaixo de −78,5 ° C (−109,3 ° F 194,7 K) e o sólido sublima diretamente em um gás acima de −78,5 ° C. Em seu estado sólido, o dióxido de carbono é comumente chamado de gelo seco.

O dióxido de carbono líquido se forma apenas em pressões acima de 5,1 atm; o ponto triplo do dióxido de carbono é de cerca de 5,1 bar (517 kPa) a 217 K (veja o diagrama de fase). O ponto crítico é de 7,38 MPa a 31,1 ° C. [36] [37] Outra forma de dióxido de carbono sólido observada em alta pressão é um sólido amorfo semelhante ao vidro. [38] Esta forma de vidro, chamada carbonia, é produzido por superresfriamento de CO aquecido2 em pressão extrema (40-48 GPa ou cerca de 400.000 atmosferas) em uma bigorna de diamante. Essa descoberta confirmou a teoria de que o dióxido de carbono poderia existir em um estado de vidro semelhante a outros membros de sua família elementar, como o silício (vidro de sílica) e o dióxido de germânio. Ao contrário dos vidros de sílica e germânia, no entanto, o vidro de carbonia não é estável em pressões normais e reverte para gás quando a pressão é liberada.

Em temperaturas e pressões acima do ponto crítico, o dióxido de carbono se comporta como um fluido supercrítico conhecido como dióxido de carbono supercrítico.

O dióxido de carbono pode ser obtido por destilação do ar, mas o método é ineficiente. Industrialmente, o dióxido de carbono é predominantemente um resíduo não recuperado, produzido por vários métodos que podem ser praticados em várias escalas. [39]

A combustão de todos os combustíveis à base de carbono, como metano (gás natural), destilados de petróleo (gasolina, diesel, querosene, propano), carvão, madeira e matéria orgânica genérica, produz dióxido de carbono e, exceto no caso de carbono puro, água . Por exemplo, a reação química entre metano e oxigênio:

É produzido por decomposição térmica do calcário, CaCO
3 por aquecimento (calcinação) a cerca de 850 ° C (1.560 ° F), na fabricação de cal viva (óxido de cálcio, CaO), um composto que tem muitos usos industriais:

O ferro é reduzido de seus óxidos com coque em um alto-forno, produzindo ferro-gusa e dióxido de carbono: [40]

O dióxido de carbono é um subproduto da produção industrial de hidrogênio por reforma a vapor e a reação de deslocamento do gás água na produção de amônia. Esses processos começam com a reação da água e do gás natural (principalmente metano). [41] Esta é uma importante fonte de dióxido de carbono de qualidade alimentar para uso na carbonatação de cerveja e refrigerantes, e também é usada para atordoar animais como aves. No verão de 2018, uma escassez de dióxido de carbono para esses fins surgiu na Europa devido ao desligamento temporário de várias fábricas de amônia para manutenção. [42]

Ácidos liberam CO2 da maioria dos carbonatos de metal. Conseqüentemente, pode ser obtido diretamente de nascentes naturais de dióxido de carbono, onde é produzido pela ação da água acidificada sobre o calcário ou a dolomita. A reação entre o ácido clorídrico e o carbonato de cálcio (calcário ou giz) é mostrada abaixo:

Essas reações são acompanhadas por espuma ou borbulhamento, ou ambos, à medida que o gás é liberado. Eles têm uso difundido na indústria porque podem ser usados ​​para neutralizar fluxos de resíduos de ácido.

O dióxido de carbono é um subproduto da fermentação do açúcar na fabricação de cerveja, uísque e outras bebidas alcoólicas e na produção de bioetanol. A levedura metaboliza o açúcar para produzir CO2 e etanol, também conhecido como álcool, como segue:

Todos os organismos aeróbicos produzem CO2 quando oxidam carboidratos, ácidos graxos e proteínas. O grande número de reações envolvidas é extremamente complexo e não é descrito facilmente. Consulte (respiração celular, respiração anaeróbica e fotossíntese). A equação para a respiração de glicose e outros monossacarídeos é:

Os organismos anaeróbios decompõem a matéria orgânica produzindo metano e dióxido de carbono junto com traços de outros compostos. [43] Independentemente do tipo de matéria orgânica, a produção de gases segue um padrão cinético bem definido. O dióxido de carbono compreende cerca de 40–45% do gás que emana da decomposição em aterros sanitários (denominado "gás de aterro"). A maior parte dos 50–55% restantes é metano. [44]

O dióxido de carbono é usado pela indústria alimentícia, petrolífera e química. [39] O composto tem vários usos comerciais, mas um de seus maiores usos como produto químico é na produção de bebidas carbonatadas, pois fornece o brilho em bebidas carbonatadas, como água com gás, cerveja e vinho espumante.

Precursor de produtos químicos

Na indústria química, o dióxido de carbono é consumido principalmente como ingrediente na produção de ureia, sendo uma fração menor usada para produzir metanol e uma série de outros produtos. [45] Alguns derivados de ácido carboxílico, como salicilato de sódio, são preparados usando CO2 pela reação de Kolbe-Schmitt. [46]

Além de processos convencionais usando CO2 para a produção química, os métodos eletroquímicos também estão sendo explorados em nível de pesquisa. Em particular, o uso de energia renovável para a produção de combustíveis a partir de CO2 (como o metanol) é atraente, pois pode resultar em combustíveis que podem ser facilmente transportados e usados ​​dentro das tecnologias de combustão convencionais, mas não têm CO líquido2 emissões. [47]

Alimentos

O dióxido de carbono é um aditivo alimentar utilizado como propelente e regulador de acidez na indústria alimentícia. É aprovado para uso na UE [48] (listado como número E E290), EUA [49] e Austrália e Nova Zelândia [50] (listado pelo número INS 290).

Um doce chamado Pop Rocks é pressurizado com gás dióxido de carbono [51] a cerca de 4.000 kPa (40 bar 580 psi). Quando colocado na boca, ele se dissolve (assim como outros rebuçados) e libera as bolhas de gás com um estalo audível.

Os agentes fermentadores fazem com que a massa cresça ao produzir dióxido de carbono. [52] O fermento de padeiro produz dióxido de carbono pela fermentação de açúcares na massa, enquanto fermentos químicos como o fermento em pó e o bicarbonato de sódio liberam dióxido de carbono quando aquecidos ou expostos a ácidos.

Bebidas

O dióxido de carbono é usado para produzir refrigerantes e água com gás. Tradicionalmente, a carbonatação da cerveja e do vinho espumante acontecia por fermentação natural, mas muitos fabricantes carbonatam essas bebidas com dióxido de carbono recuperado do processo de fermentação. No caso da cerveja engarrafada e em barril, o método mais comum usado é a carbonatação com dióxido de carbono reciclado. Com exceção da real ale britânica, o chope é normalmente transferido dos barris em uma câmara fria ou adega para as torneiras do bar usando dióxido de carbono pressurizado, às vezes misturado com nitrogênio.

O sabor da água com gás (e as sensações de sabor relacionadas em outras bebidas carbonatadas) é um efeito do dióxido de carbono dissolvido, em vez do estouro das bolhas do gás. A anidrase carbônica 4 se converte em ácido carbônico levando a um sabor azedo, e também o dióxido de carbono dissolvido induz uma resposta somatossensorial. [53]

Vinificação

O dióxido de carbono na forma de gelo seco é frequentemente usado durante a fase de imersão a frio na vinificação para resfriar cachos de uvas rapidamente após a colheita para ajudar a prevenir a fermentação espontânea por fermento selvagem. A principal vantagem de usar gelo seco em vez de gelo de água é que ele resfria as uvas sem adicionar mais água que possa diminuir a concentração de açúcar no mosto de uva e, portanto, a concentração de álcool no vinho acabado. O dióxido de carbono também é usado para criar um ambiente hipóxico para a maceração carbônica, o processo usado para produzir o vinho Beaujolais.

O dióxido de carbono é às vezes usado para encher garrafas de vinho ou outros recipientes de armazenamento, como barris, para evitar a oxidação, embora tenha o problema de poder se dissolver no vinho, tornando um vinho previamente tranquilo ligeiramente efervescente. Por esta razão, outros gases, como nitrogênio ou argônio, são preferidos para este processo por vinicultores profissionais.

Animais deslumbrantes

O dióxido de carbono é freqüentemente usado para "atordoar" os animais antes do abate. [54] "Atordoamento" pode ser um nome impróprio, pois os animais não são nocauteados imediatamente e podem sofrer aflição. [55] [56]

Gás inerte

É um dos gases comprimidos mais comumente usados ​​para sistemas pneumáticos (gás pressurizado) em ferramentas portáteis de pressão. O dióxido de carbono também é usado como atmosfera para soldagem, embora no arco de soldagem reaja para oxidar a maioria dos metais. O uso na indústria automotiva é comum, apesar das evidências significativas de que as soldas feitas em dióxido de carbono são mais frágeis do que aquelas feitas em atmosferas mais inertes. [ citação necessária ] Quando usado para soldagem MIG, CO2 o uso às vezes é referido como soldagem MAG, para gás metal ativo, como CO2 pode reagir a essas altas temperaturas. Ele tende a produzir uma poça mais quente do que atmosferas verdadeiramente inertes, melhorando as características de fluxo. Embora, isso possa ser devido às reações atmosféricas que ocorrem no local da poça. Isso geralmente é o oposto do efeito desejado durante a soldagem, pois tende a fragilizar o local, mas pode não ser um problema para a soldagem de aço-carbono em geral, onde a ductilidade final não é uma grande preocupação.

É usado em muitos produtos de consumo que requerem gás pressurizado porque é barato e não inflamável e porque sofre uma transição de fase de gás para líquido em temperatura ambiente a uma pressão atingível de aproximadamente 60 bar (870 psi 59 atm), permitindo muito mais dióxido de carbono para caber em um determinado recipiente do que de outra forma. Os coletes salva-vidas geralmente contêm latas de dióxido de carbono sob pressão para uma inflação rápida. Cápsulas de alumínio de CO2 também são vendidos como suprimentos de gás comprimido para armas de ar comprimido, marcadores / armas de paintball, pneus de bicicleta infláveis ​​e para a produção de água gaseificada. Altas concentrações de dióxido de carbono também podem ser usadas para matar pragas. O dióxido de carbono líquido é utilizado na secagem supercrítica de alguns produtos alimentícios e materiais tecnológicos, na preparação de corpos de prova para microscopia eletrônica de varredura [57] e na descafeinação de grãos de café.

Extintor de incêndio

O dióxido de carbono pode ser usado para extinguir chamas inundando o ambiente ao redor da chama com o gás. Ele próprio não reage para extinguir a chama, mas mata a chama de oxigênio, deslocando-a.Alguns extintores de incêndio, especialmente aqueles projetados para incêndios elétricos, contêm dióxido de carbono líquido sob pressão. Os extintores de dióxido de carbono funcionam bem em pequenos incêndios de líquidos inflamáveis ​​e elétricos, mas não em incêndios de combustíveis comuns, porque embora exclua o oxigênio, ele não resfria as substâncias em combustão de forma significativa e quando o dióxido de carbono se dispersa, eles estão livres para pegar fogo quando expostos à atmosfera oxigênio. Sua conveniência em caso de incêndio elétrico decorre do fato de que, ao contrário da água ou de outros métodos de base química, o dióxido de carbono não causa curtos-circuitos, levando a ainda mais danos ao equipamento. Por ser um gás, também é fácil dispensar grandes quantidades de gás automaticamente em salas de infraestrutura de TI, onde o fogo em si pode ser difícil de alcançar com métodos mais imediatos, pois está atrás de portas de rack e dentro de gabinetes. O dióxido de carbono também tem sido amplamente utilizado como agente extintor em sistemas fixos de proteção contra incêndio para aplicação local de perigos específicos e inundação total de um espaço protegido. [58] Os padrões da Organização Marítima Internacional também reconhecem os sistemas de dióxido de carbono para proteção contra incêndio em porões de navios e salas de máquinas. Os sistemas de proteção contra incêndio baseados em dióxido de carbono têm sido associados a várias mortes, porque pode causar asfixia em concentrações suficientemente altas. Uma revisão de CO2 Os sistemas identificaram 51 incidentes entre 1975 e a data do relatório (2000), causando 72 mortes e 145 feridos. [59]

CO supercrítico2 como solvente

O dióxido de carbono líquido é um bom solvente para muitos compostos orgânicos lipofílicos e é usado para remover a cafeína do café. [15] O dióxido de carbono tem atraído a atenção das indústrias farmacêutica e de outras indústrias de processamento químico como uma alternativa menos tóxica aos solventes mais tradicionais, como os organoclorados. Também é usado por algumas lavanderias por esse motivo (veja química verde). É usado na preparação de alguns aerogéis devido às propriedades do dióxido de carbono supercrítico.

Agricultura

As plantas precisam de dióxido de carbono para realizar a fotossíntese. As atmosferas de estufas podem (se de grande tamanho, devem) ser enriquecidas com CO adicional2 para sustentar e aumentar a taxa de crescimento das plantas. [60] [61] Em concentrações muito altas (100 vezes a concentração atmosférica ou superior), o dióxido de carbono pode ser tóxico para a vida animal, portanto, aumentar a concentração para 10.000 ppm (1%) ou mais por várias horas eliminará pragas como moscas-brancas e ácaros-aranha em uma estufa. [62]

Usos médicos e farmacológicos

Na medicina, até 5% de dióxido de carbono (130 vezes a concentração atmosférica) é adicionado ao oxigênio para estimular a respiração após a apnéia e para estabilizar o O
2 / CO
2 equilíbrio no sangue.

O dióxido de carbono pode ser misturado com até 50% de oxigênio, formando um gás inalável que é conhecido como Carbogen e tem uma variedade de usos médicos e de pesquisa.

Energia

Recuperação de combustível fóssil

O dióxido de carbono é usado na recuperação aprimorada de petróleo, onde é injetado dentro ou adjacente a poços produtores de petróleo, geralmente em condições supercríticas, quando se torna miscível com o petróleo. Esta abordagem pode aumentar a recuperação de óleo original, reduzindo a saturação de óleo residual entre 7% a 23% adicional à extração primária. [63] Ele atua como um agente pressurizante e, quando dissolvido no petróleo bruto subterrâneo, reduz significativamente sua viscosidade e muda a química da superfície, permitindo que o petróleo flua mais rapidamente através do reservatório para o poço de remoção. [64] Em campos de petróleo maduros, extensas redes de dutos são usadas para transportar o dióxido de carbono para os pontos de injeção.

Na recuperação aprimorada de metano do leito de carvão, o dióxido de carbono seria bombeado para a camada de carvão para deslocar o metano, ao contrário dos métodos atuais que dependem principalmente da remoção de água (para reduzir a pressão) para fazer a camada de carvão liberar o metano aprisionado. [65]

Bio transformação em combustível

Foi proposto que CO2 da geração de energia ser borbulhado em tanques para estimular o crescimento de algas que poderiam então ser convertidas em combustível biodiesel. [66] Uma cepa da cianobactéria Synechococcus elongatus foi geneticamente modificado para produzir os combustíveis isobutiraldeído e isobutanol de CO2 usando fotossíntese. [67]

Refrigerante

O dióxido de carbono líquido e sólido são refrigerantes importantes, especialmente na indústria de alimentos, onde são empregados durante o transporte e armazenamento de sorvetes e outros alimentos congelados. O dióxido de carbono sólido é chamado de "gelo seco" e é usado para pequenas remessas onde o equipamento de refrigeração não é prático. O dióxido de carbono sólido está sempre abaixo de −78,5 ° C (−109,3 ° F) à pressão atmosférica regular, independentemente da temperatura do ar.

Dióxido de carbono líquido (nomenclatura industrial R744 ou R-744) foi usado como refrigerante antes do uso [ citação necessária ] de diclorodifluorometano (R12, um composto de clorofluorocarbono (CFC)). CO
2 pode desfrutar de um renascimento porque um dos principais substitutos dos CFCs, 1,1,1,2-tetrafluoroetano (R134a, um composto de hidrofluorocarbono (HFC)) contribui para as mudanças climáticas mais do que o CO
2 sim. CO
2 propriedades físicas são altamente favoráveis ​​para fins de resfriamento, refrigeração e aquecimento, tendo uma alta capacidade de resfriamento volumétrico. Devido à necessidade de operar a pressões de até 130 bar (1.900 psi 13.000 kPa), CO
2 sistemas requerem reservatórios e componentes altamente resistentes mecanicamente que já foram desenvolvidos para produção em massa em muitos setores. No ar condicionado de automóveis, em mais de 90% de todas as condições de condução para latitudes superiores a 50 °, CO
2 (R744) opera de forma mais eficiente do que os sistemas que usam HFCs (por exemplo., R134a). Suas vantagens ambientais (GWP de 1, não destruidor da camada de ozônio, não tóxico, não inflamável) poderiam torná-lo o futuro fluido de trabalho para substituir os atuais HFCs em carros, supermercados e aquecedores de água com bomba de calor, entre outros. A Coca-Cola colocou CO em campo
Refrigeradores de bebidas com base em 2 e o Exército dos EUA está interessado em CO
2 tecnologia de refrigeração e aquecimento. [68] [69]

Espera-se que a indústria automotiva global decida sobre o refrigerante de próxima geração no ar condicionado de automóveis. [ quando? ] CO
2 é uma das opções discutidas (veja também: Ar condicionado automotivo sustentável).

Usos menores

O dióxido de carbono é o meio de emissão em um laser de dióxido de carbono, que é um dos primeiros tipos de lasers.

O dióxido de carbono pode ser usado como um meio de controlar o pH de piscinas, [70] adicionando gás continuamente à água, evitando assim que o pH suba. Entre as vantagens disso está evitar o manuseio de ácidos (mais perigosos). Da mesma forma, também é usado na manutenção de aquários de recife, onde é comumente usado em reatores de cálcio para diminuir temporariamente o pH da água que está sendo passada sobre o carbonato de cálcio, a fim de permitir que o carbonato de cálcio se dissolva na água mais livremente onde é usado por alguns corais para construir seu esqueleto.

Usado como refrigerante primário no avançado reator refrigerado a gás britânico para geração de energia nuclear.

A indução de dióxido de carbono é comumente usada para a eutanásia de animais de pesquisa de laboratório. Métodos para administrar CO2 incluem colocar os animais diretamente em uma câmara fechada e pré-cheia contendo CO2, ou exposição a uma concentração gradualmente crescente de CO2. Em 2013, a American Veterinary Medical Association publicou novas diretrizes para a indução de dióxido de carbono, afirmando que uma taxa de deslocamento de 30% a 70% do volume da câmara de gás por minuto é ideal para a eutanásia humana de pequenos roedores. [71] No entanto, há oposição à prática de usar dióxido de carbono para isso, sob o argumento de que é cruel. [56]

O dióxido de carbono também é usado em várias técnicas relacionadas de limpeza e preparação de superfície.

O dióxido de carbono na atmosfera da Terra é um gás traço, tendo uma concentração média global de 415 partes por milhão em volume (ou 630 partes por milhão em massa) no final do ano 2020. [74] [75] CO atmosférico
2 concentrações flutuam ligeiramente com as estações, caindo durante a primavera e verão do hemisfério norte, à medida que as plantas consomem o gás, e aumentando durante o outono e inverno do norte, à medida que as plantas ficam dormentes ou morrem e se decompõem. As concentrações também variam em uma base regional, mais fortemente perto do solo, com variações muito menores no alto. Em áreas urbanas, as concentrações são geralmente mais altas [76] e em ambientes internos podem atingir 10 vezes os níveis de fundo.

A concentração de dióxido de carbono aumentou devido às atividades humanas. [77] A extração e queima de combustíveis fósseis, usando carbono que foi sequestrado por muitos milhões de anos na litosfera, causou a concentração atmosférica de CO
2 a aumentar em cerca de 50% desde o início da era de industrialização até o ano 2020. [78] [79] A maior parte do CO
2 das atividades humanas é liberado da queima de carvão, petróleo e gás natural. Outras grandes fontes antropogênicas incluem produção de cimento, desmatamento e queima de biomassa. As atividades humanas emitem mais de 30 bilhões de toneladas de CO
2 (9 bilhões de toneladas de carbono fóssil) por ano, enquanto os vulcões emitem apenas entre 0,2 e 0,3 bilhões de toneladas de CO
2 [80] [81] Atividades humanas causaram CO2 aumentar acima dos níveis não vistos em centenas de milhares de anos. Atualmente, cerca de metade do dióxido de carbono liberado pela queima de combustíveis fósseis permanece na atmosfera e não é absorvido pela vegetação e pelos oceanos. [82] [83] [84] [85]

Embora transparente à luz visível, o dióxido de carbono é um gás de efeito estufa, absorvendo e emitindo radiação infravermelha em suas duas frequências vibracionais ativas de infravermelho (consulte a seção "Estrutura e ligação" acima). A emissão de luz da superfície da Terra é mais intensa na região do infravermelho entre 200 e 2500 cm -1, [86] em oposição à emissão de luz do Sol muito mais quente, que é mais intensa na região do visível. Absorção de luz infravermelha nas frequências vibracionais do CO atmosférico
2 captura energia perto da superfície, aquecendo a superfície e a baixa atmosfera. Menos energia chega à alta atmosfera, que é, portanto, mais fria por causa dessa absorção. [87]

Aumentos nas concentrações atmosféricas de CO
2 e outros gases de efeito estufa de longa duração, como metano, óxido nitroso e ozônio, fortaleceram sua absorção e emissão de radiação infravermelha, causando o aumento da temperatura média global desde meados do século XX. O dióxido de carbono é o que mais preocupa porque exerce uma influência geral de aquecimento maior do que todos esses outros gases combinados. [78] Além disso, tem uma vida útil atmosférica que aumenta com a quantidade cumulativa de carbono fóssil extraído e queimado, devido ao desequilíbrio que esta atividade impôs ao rápido ciclo de carbono da Terra. [88] Isso significa que alguma fração (projetada de 20-35%) do carbono fóssil transferido até agora irá persistir na atmosfera como elevado CO
2 níveis por muitos milhares de anos após essas atividades de transferência de carbono começarem a diminuir. [89] [90] [91]

Não só aumenta o CO
2 concentrações levam a aumentos na temperatura global da superfície, mas o aumento das temperaturas globais também causa aumento nas concentrações de dióxido de carbono. Isso produz um feedback positivo para as mudanças induzidas por outros processos, como os ciclos orbitais. [92] Quinhentos milhões de anos atrás, o CO
2 concentração era 20 vezes maior do que hoje, diminuindo para 4-5 vezes durante o período Jurássico e então diminuindo lentamente com uma redução particularmente rápida ocorrendo 49 milhões de anos atrás. [93] [94]

As concentrações locais de dióxido de carbono podem atingir valores altos perto de fontes fortes, especialmente aquelas que estão isoladas por terreno circundante. Na fonte termal Bossoleto perto de Rapolano Terme na Toscana, Itália, situada em uma depressão em forma de tigela com cerca de 100 m (330 pés) de diâmetro, concentrações de CO2 subir para mais de 75% durante a noite, o suficiente para matar insetos e pequenos animais. Após o nascer do sol, o gás é disperso por convecção. [95] Altas concentrações de CO2 produzido pela perturbação das águas profundas do lago saturado com CO2 Acredita-se que tenham causado 37 mortes no Lago Monoun, Camarões em 1984 e 1700 vítimas no Lago Nyos, Camarões em 1986. [96]

O dióxido de carbono se dissolve no oceano para formar ácido carbônico (H2CO3), bicarbonato (HCO3 -) e carbonato (CO3 2−). Há cerca de cinquenta vezes mais dióxido de carbono dissolvido nos oceanos do que na atmosfera. Os oceanos atuam como um enorme sumidouro de carbono e absorvem cerca de um terço do CO2 emitido pela atividade humana. [97]

Conforme a concentração de dióxido de carbono aumenta na atmosfera, o aumento da absorção de dióxido de carbono nos oceanos está causando uma diminuição mensurável no pH dos oceanos, o que é conhecido como acidificação dos oceanos. Essa redução no pH afeta os sistemas biológicos nos oceanos, principalmente os organismos oceânicos calcificadores. Esses efeitos abrangem a cadeia alimentar de autótrofos a heterótrofos e incluem organismos como coccolitóforos, corais, foraminíferos, equinodermos, crustáceos e moluscos. Em condições normais, o carbonato de cálcio é estável nas águas superficiais, uma vez que o íon carbonato está em concentrações supersaturantes. No entanto, à medida que o pH do oceano cai, o mesmo ocorre com a concentração desse íon, e quando o carbonato se torna subsaturado, as estruturas feitas de carbonato de cálcio são vulneráveis ​​à dissolução. [98] Corais, [99] [100] [101] algas coccolitóforas, [102] [103] [104] [105] algas coralinas, [106] foraminíferos, [107] mariscos [108] e pterópodes [109] experiência calcificação reduzida ou dissolução aumentada quando exposto a elevado CO
2 .

A solubilidade do gás diminui à medida que a temperatura da água aumenta (exceto quando a pressão excede 300 bar e a temperatura excede 393 K, encontrada apenas perto de fontes geotérmicas profundas) [110] e, portanto, a taxa de absorção da atmosfera diminui à medida que a temperatura do oceano aumenta.

A maior parte do CO2 absorvido pelo oceano, que é cerca de 30% do total liberado na atmosfera, [111] forma o ácido carbônico em equilíbrio com o bicarbonato. Algumas dessas espécies químicas são consumidas por organismos fotossintéticos que removem o carbono do ciclo. CO aumentado2 na atmosfera levou à redução da alcalinidade da água do mar, e existe a preocupação de que isso possa afetar adversamente os organismos que vivem na água. Em particular, com a redução da alcalinidade, a disponibilidade de carbonatos para formar conchas diminui, [112] embora haja evidências de aumento da produção de conchas por certas espécies sob aumento de CO2 contente. [113]

A NOAA declara em seu "estado da folha de fatos da ciência para a acidificação dos oceanos" de maio de 2008 que:
“Os oceanos absorveram cerca de 50% do dióxido de carbono (CO2) liberado pela queima de combustíveis fósseis, resultando em reações químicas que reduzem o pH do oceano. Isso causou um aumento no íon hidrogênio (acidez) de cerca de 30% desde o início da era industrial por meio de um processo conhecido como "acidificação do oceano". Um número crescente de estudos demonstrou impactos adversos sobre os organismos marinhos, incluindo:

  • A taxa na qual os corais construtores de recifes produzem seus esqueletos diminui, enquanto a produção de numerosas variedades de águas-vivas aumenta.
  • A capacidade das algas marinhas e do zooplâncton de natação livre de manter conchas protetoras é reduzida.
  • A sobrevivência de espécies marinhas larvais, incluindo peixes e crustáceos comerciais, é reduzida. "

Além disso, o Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas (IPCC) escreve em seu Climate Change 2007: Synthesis Report: [114]
"A absorção de carbono antropogênico desde 1750 fez com que o oceano se tornasse mais ácido, com uma diminuição média do pH de 0,1 unidades. Aumento do CO atmosférico2 as concentrações levam a uma maior acidificação. Embora os efeitos da acidificação oceânica observada na biosfera marinha ainda não estejam documentados, a acidificação progressiva dos oceanos deverá ter impactos negativos sobre os organismos marinhos formadores de conchas (por exemplo, corais) e suas espécies dependentes. "

Alguns organismos marinhos calcificados (incluindo recifes de coral) foram escolhidos por grandes agências de pesquisa, incluindo NOAA, comissão OSPAR, NANOOS e o IPCC, porque suas pesquisas mais recentes mostram que a acidificação dos oceanos deve impactá-los negativamente. [115]

O dióxido de carbono também é introduzido nos oceanos por meio de fontes hidrotermais. o champanhe A fonte hidrotermal, encontrada no vulcão Eifuku Noroeste na Fossa das Marianas, produz dióxido de carbono líquido quase puro, um dos dois únicos locais conhecidos no mundo em 2004, o outro estando no Vale de Okinawa. [116] A descoberta de um lago submarino de dióxido de carbono líquido no Okinawa Trough foi relatada em 2006. [117]

O dióxido de carbono é um produto final da respiração celular em organismos que obtêm energia quebrando açúcares, gorduras e aminoácidos com oxigênio como parte de seu metabolismo. Isso inclui todas as plantas, algas e animais e fungos aeróbicos e bactérias. Em vertebrados, o dióxido de carbono viaja no sangue dos tecidos do corpo para a pele (por exemplo, anfíbios) ou as guelras (por exemplo, peixes), de onde se dissolve na água, ou para os pulmões de onde é exalado. Durante a fotossíntese ativa, as plantas podem absorver mais dióxido de carbono da atmosfera do que liberam na respiração.

Fotossíntese e fixação de carbono

A fixação de carbono é um processo bioquímico pelo qual o dióxido de carbono atmosférico é incorporado por plantas, algas e (cianobactérias) em moléculas orgânicas ricas em energia, como a glicose, criando assim seu próprio alimento por fotossíntese. A fotossíntese usa dióxido de carbono e água para produzir açúcares a partir dos quais outros compostos orgânicos podem ser construídos, e o oxigênio é produzido como subproduto.

Ribulose-1,5-bisfosfato carboxilase oxigenase, comumente abreviada para RuBisCO, é a enzima envolvida na primeira etapa principal da fixação de carbono, a produção de duas moléculas de 3-fosfoglicerato a partir de CO2 e bifosfato de ribulose, conforme mostrado no diagrama à esquerda.

RuBisCO é considerada a proteína mais abundante na Terra. [118]

Os fototróficos utilizam os produtos de sua fotossíntese como fonte interna de alimentos e como matéria-prima para a biossíntese de moléculas orgânicas mais complexas, como polissacarídeos, ácidos nucléicos e proteínas. Eles são usados ​​para o seu próprio crescimento e também como a base das cadeias alimentares e teias que alimentam outros organismos, incluindo animais como nós. Alguns fototróficos importantes, os coccolitóforos sintetizam escamas duras de carbonato de cálcio. [119] Uma espécie globalmente significativa de coccolitóforo é Emiliania Huxleyi cujas escalas de calcita formaram a base de muitas rochas sedimentares como o calcário, onde o que antes era carbono atmosférico pode permanecer fixo por escalas de tempo geológicas.

As plantas podem crescer até 50 por cento mais rápido em concentrações de 1.000 ppm de CO2 quando comparado com as condições ambientais, embora isso não assuma nenhuma mudança no clima e nenhuma limitação de outros nutrientes. [120] CO elevado2 níveis causam aumento do crescimento refletido no rendimento das colheitas, com trigo, arroz e soja mostrando aumentos no rendimento de 12-14% sob CO elevado2 em experimentos FACE. [121] [122]

Aumento de CO atmosférico2 as concentrações resultam em menos estômatos se desenvolvendo nas plantas [123], o que leva à redução do uso de água e ao aumento da eficiência do uso da água. [124] Estudos usando FACE mostraram que CO2 o enriquecimento leva à diminuição das concentrações de micronutrientes nas plantas de cultivo. [125] Isso pode ter efeitos indiretos em outras partes dos ecossistemas, pois os herbívoros precisarão comer mais para obter a mesma quantidade de proteína. [126]

A concentração de metabólitos secundários como fenilpropanóides e flavonóides também pode ser alterada em plantas expostas a altas concentrações de CO2. [127] [128]

As plantas também emitem CO2 durante a respiração e, portanto, a maioria das plantas e algas, que usam a fotossíntese C3, são apenas absorvedores líquidos durante o dia. Embora uma floresta em crescimento absorva muitas toneladas de CO2 a cada ano, uma floresta madura produzirá tanto CO2 da respiração e decomposição de espécimes mortos (por exemplo, galhos caídos) como é usado na fotossíntese em plantas em crescimento. [129] Ao contrário da visão de longa data de que são neutras em carbono, as florestas maduras podem continuar a acumular carbono [130] e permanecer valiosos sumidouros de carbono, ajudando a manter o equilíbrio de carbono da atmosfera terrestre. Além disso, e crucialmente para a vida na Terra, a fotossíntese pelo fitoplâncton consome CO dissolvido2 no oceano superior e, assim, promove a absorção de CO2 da atmosfera. [131]

Toxicidade

O teor de dióxido de carbono no ar fresco (em média entre o nível do mar e o nível de 10 kPa, ou seja, cerca de 30 km (19 mi) de altitude) varia entre 0,036% (360 ppm) e 0,041% (412 ppm), dependendo da localização. [133] [ esclarecimento necessário ]

CO2 é um gás asfixiante e não classificado como tóxico ou prejudicial de acordo com os padrões do Sistema Globalmente Harmonizado de Classificação e Rotulagem de Produtos Químicos da Comissão Econômica das Nações Unidas para a Europa, usando as Diretrizes da OCDE para o Teste de Produtos Químicos. Em concentrações de até 1% (10.000 ppm), pode causar sonolência em algumas pessoas e uma sensação de entupimento nos pulmões. [132] Concentrações de 7% a 10% (70.000 a 100.000 ppm) podem causar asfixia, mesmo na presença de oxigênio suficiente, manifestando-se como tontura, dor de cabeça, disfunção visual e auditiva e inconsciência em alguns minutos a uma hora. [134] Os efeitos fisiológicos da exposição aguda ao dióxido de carbono são agrupados sob o termo hipercapnia, um subconjunto de asfixia.

Por ser mais pesado que o ar, em locais onde o gás vaza do solo (devido à atividade vulcânica ou geotérmica subterrânea) em concentrações relativamente altas, sem os efeitos de dispersão do vento, ele pode se acumular em locais abrigados / embolsados ​​abaixo do solo médio nível, fazendo com que os animais nele localizados sejam sufocados. Comedores de carniça atraídos pelas carcaças também são mortos. Crianças foram mortas da mesma forma perto da cidade de Goma pelo CO2 emissões do vulcão vizinho Monte Nyiragongo. [135] O termo em suaíli para esse fenômeno é 'mazuku'.

Adaptação a concentrações aumentadas de CO2 ocorre em humanos, incluindo respiração modificada e produção de bicarbonato nos rins, a fim de equilibrar os efeitos da acidificação do sangue (acidose). Vários estudos sugeriram que concentrações inspiradas de 2,0 por cento poderiam ser usadas para espaços de ar fechados (por exemplo, um submarino), uma vez que a adaptação é fisiológica e reversível, pois a deterioração no desempenho ou na atividade física normal não ocorre neste nível de exposição por cinco dias. [136] [137] No entanto, outros estudos mostram uma diminuição na função cognitiva, mesmo em níveis muito mais baixos. [138] [139] Além disso, com a acidose respiratória em curso, a adaptação ou os mecanismos compensatórios não serão capazes de reverter essa condição.

Abaixo de 1%

Existem poucos estudos sobre os efeitos na saúde do CO contínuo de longo prazo2 exposição em humanos e animais em níveis abaixo de 1%. CO ocupacional2 Os limites de exposição foram definidos nos Estados Unidos em 0,5% (5000 ppm) por um período de oito horas. [140] Neste CO2 concentração, a tripulação da Estação Espacial Internacional experimentou dores de cabeça, letargia, lentidão mental, irritação emocional e perturbações do sono. [141] Estudos em animais com 0,5% de CO2 demonstraram calcificação renal e perda óssea após oito semanas de exposição. [142] Um estudo de humanos expostos em sessões de 2,5 horas demonstrou efeitos negativos significativos nas habilidades cognitivas em concentrações tão baixas quanto 0,1% (1000 ppm) de CO2 provavelmente devido ao CO2 aumentos induzidos no fluxo sanguíneo cerebral. [138] Outro estudo observou um declínio no nível de atividade básica e no uso de informações em 1000 ppm, quando comparado a 500 ppm. [139] No entanto, uma revisão da literatura descobriu que a maioria dos estudos sobre o fenômeno do dióxido de carbono induziu o comprometimento cognitivo a ter um pequeno efeito na tomada de decisão de alto nível e a maioria dos estudos foram confundidos por projetos de estudo inadequados, conforto ambiental, incertezas em doses de exposição e diferentes avaliações cognitivas usadas. [143] Da mesma forma, um estudo sobre os efeitos da concentração de CO2 em capacetes de motociclistas tem sido criticado por ter metodologia duvidosa em não observar os autorrelatos dos motociclistas e fazer medições com manequins. Além disso, quando as condições normais da motocicleta foram alcançadas (como velocidades nas rodovias ou na cidade) ou o visor foi elevado, a concentração de CO2 diminuiu para níveis seguros (0,2%). [144] [145]

Ventilação

A ventilação insuficiente é uma das principais causas do CO excessivo2 concentrações em espaços fechados. Diferencial de dióxido de carbono acima das concentrações externas em condições de estado estacionário (quando a ocupação e a operação do sistema de ventilação são suficientemente longas para que o CO2 concentração estabilizada) às vezes são usados ​​para estimar as taxas de ventilação por pessoa. [ citação necessária ] CO mais alto2 as concentrações estão associadas à saúde do ocupante, conforto e degradação do desempenho. [146] [147] As taxas de ventilação do Padrão ASHRAE 62.1–2007 podem resultar em concentrações internas de até 2.100 ppm acima das condições ambientais externas. Portanto, se a concentração externa for 400 ppm, as concentrações internas podem chegar a 2.500 ppm com taxas de ventilação que atendem a esse padrão de consenso da indústria. As concentrações em espaços mal ventilados podem ser ainda maiores do que isso (faixa de 3.000 ou 4.000 ppm).

Os mineiros, que são particularmente vulneráveis ​​à exposição ao gás devido à ventilação insuficiente, referem-se às misturas de dióxido de carbono e nitrogênio como "umidade negra", "umidade sufocante" ou "chiqueiro". Antes de tecnologias mais eficazes serem desenvolvidas, os mineiros monitoravam frequentemente os níveis perigosos de umidade negra e outros gases em poços de minas, trazendo um canário enjaulado com eles enquanto trabalhavam. O canário é mais sensível aos gases asfixiantes do que os humanos e, quando fica inconsciente, para de cantar e cai do poleiro. A lâmpada Davy também pode detectar altos níveis de umidade negra (que afunda e se acumula perto do chão) ao queimar com menos intensidade, enquanto o metano, outro gás sufocante e com risco de explosão, faria a lâmpada queimar com mais intensidade.

Em fevereiro de 2020, três pessoas morreram sufocadas em uma festa em Moscou quando gelo seco (CO congelado2) foi adicionado a uma piscina para resfriá-la. [148] Um acidente semelhante ocorreu em 2018, quando uma mulher morreu de CO2 fumaça emanando da grande quantidade de gelo seco que ela transportava em seu carro. [149]

Fisiologia humana

Contente

Intervalos de referência ou médias para pressões parciais de dióxido de carbono (abreviado pCO2)
Compartimento de sangue (kPa) (mm Hg)
Dióxido de carbono no sangue venoso 5.5–6.8 41–51 [150]
Pulmonar alveolar
pressões de gás
4.8 36
Dióxido de carbono no sangue arterial 4.7–6.0 35–45 [150]

O corpo produz aproximadamente 2,3 libras (1,0 kg) de dióxido de carbono por dia por pessoa, [151] contendo 0,63 libras (290 g) de carbono. Em humanos, esse dióxido de carbono é transportado pelo sistema venoso e expirado pelos pulmões, resultando em concentrações menores nas artérias. O conteúdo de dióxido de carbono no sangue é freqüentemente dado como pressão parcial, que é a pressão que o dióxido de carbono teria se sozinho ocupasse o volume. [152] Em humanos, o conteúdo de dióxido de carbono no sangue é mostrado na tabela ao lado.

Transporte no sangue

CO2 é transportado no sangue de três maneiras diferentes. (As porcentagens exatas variam dependendo se é sangue arterial ou venoso).

  • A maior parte (cerca de 70% a 80%) é convertida em íons bicarbonato HCO -
    3 pela enzima anidrase carbônica nos glóbulos vermelhos, [153] pela reação CO2 + H
    2 O → H
    2 CO
    3 → H +
    + HCO -
    3 .
  • 5–10% é dissolvido no plasma [153]
  • 5–10% é ligado à hemoglobina como compostos carbamino [153]

A hemoglobina, a principal molécula transportadora de oxigênio nas células vermelhas do sangue, transporta tanto oxigênio quanto dióxido de carbono. No entanto, o CO2 ligado à hemoglobina não se liga ao mesmo local que o oxigênio. Em vez disso, ele se combina com os grupos N-terminais nas quatro cadeias de globina. No entanto, devido aos efeitos alostéricos na molécula de hemoglobina, a ligação de CO2 diminui a quantidade de oxigênio destinada a uma determinada pressão parcial de oxigênio. Isso é conhecido como Efeito Haldane e é importante no transporte de dióxido de carbono dos tecidos para os pulmões. Por outro lado, um aumento na pressão parcial de CO2 ou um pH mais baixo causará a descarga de oxigênio da hemoglobina, o que é conhecido como efeito Bohr.

Regulação da respiração

O dióxido de carbono é um dos mediadores da autorregulação local do suprimento sanguíneo. Se sua concentração for alta, os capilares se expandem para permitir um maior fluxo sanguíneo para aquele tecido.

Os íons de bicarbonato são cruciais para regular o pH do sangue. A taxa de respiração de uma pessoa influencia o nível de CO2 em seu sangue. A respiração muito lenta ou superficial causa acidose respiratória, enquanto a respiração muito rápida leva à hiperventilação, que pode causar alcalose respiratória.

Embora o corpo necessite de oxigênio para o metabolismo, os baixos níveis de oxigênio normalmente não estimulam a respiração. Em vez disso, a respiração é estimulada por níveis mais elevados de dióxido de carbono. Como resultado, respirar ar de baixa pressão ou uma mistura de gás sem oxigênio (como nitrogênio puro) pode levar à perda de consciência sem nunca sentir falta de ar. Isso é especialmente perigoso para pilotos de caça de alta altitude. É também por isso que os comissários de bordo instruem os passageiros, em caso de perda de pressão da cabine, a aplicar a máscara de oxigênio em si mesmos antes de ajudar os outros, caso contrário, corre-se o risco de perder a consciência. [153]

Os centros respiratórios tentam manter um CO arterial2 pressão de 40 mm Hg. Com a hiperventilação intencional, o CO2 o conteúdo do sangue arterial pode ser reduzido para 10–20 mm Hg (o conteúdo de oxigênio do sangue é pouco afetado) e o impulso respiratório é diminuído. É por isso que se pode prender a respiração por mais tempo depois de hiperventilar do que sem hiperventilar. Isso acarreta o risco de perda de consciência antes que a necessidade de respirar se torne insuportável, razão pela qual a hiperventilação é particularmente perigosa antes do mergulho livre.


Como as plantas medem sua absorção de dióxido de carbono

Quando a água é escassa, as plantas podem fechar os poros para evitar a perda de muita água. Isso permite que sobrevivam a períodos ainda mais longos de seca, mas com a maioria dos poros fechados, a absorção de dióxido de carbono também é limitada, o que prejudica o desempenho fotossintético e, portanto, o crescimento e a produção das plantas.

A planta realiza um ato de equilíbrio - navegando entre secar e morrer de fome em condições de seca - por meio de uma elaborada rede de sensores. Uma equipe internacional de cientistas de plantas liderada por Rainer Hedrich, um biofísico da Julius-Maximilians-Universit & aumlt (JMU) W & uumlrzburg na Baviera, Alemanha, localizou agora esses sensores. Os resultados foram publicados na revista Plantas Naturais.

Microválvulas controlam a fotossíntese e o abastecimento de água

Quando a luz é abundante, as plantas abrem os poros em suas folhas para absorver dióxido de carbono (CO2), que posteriormente convertem em carboidratos em um processo denominado fotossíntese. Ao mesmo tempo, cem vezes mais água escapa pelas microválvulas do que dióxido de carbono flui para dentro.

Isso não é um problema quando há água suficiente disponível, mas quando os solos ficam secos no meio do verão, a planta precisa mudar para o modo econômico para economizar água. Então as plantas só abrirão seus poros para realizar a fotossíntese pelo tempo necessário para sobreviver. A abertura e o fechamento dos poros são realizados por meio de células-guarda especializadas que circundam cada poro aos pares. As unidades compostas de poros e células-guarda são chamadas de estômatos.

Células de guarda possuem sensores para CO2 e ABA

As células-guarda devem ser capazes de medir a fotossíntese e o suprimento de água para responder apropriadamente às mudanças nas condições ambientais. Para tanto, eles possuem um receptor para medir o CO2 concentração dentro da folha. Quando o CO2 o valor sobe acentuadamente, este é um sinal de que a fotossíntese não está funcionando de maneira ideal. Em seguida, os poros são fechados para evitar evaporação desnecessária. Uma vez que o CO2 a concentração caiu novamente, os poros reabrem.

O abastecimento de água é medido por meio de um hormônio. Quando a água é escassa, as plantas produzem ácido abscísico (ABA), um dos principais hormônios do estresse, e definem seu CO2 ciclo de controle para o modo de economia de água. Isso é realizado por meio de células-guarda equipadas com receptores ABA. Quando a concentração do hormônio na folha aumenta, os poros se fecham.

Analisando o CO2Rede -ABA

A equipe de pesquisa do JMU queria esclarecer os componentes dos ciclos de controle da célula de guarda. Para este propósito, eles expuseram espécies de Arabidopsis a níveis elevados de CO2 ou ABA. Fizeram isso durante várias horas para desencadear reações no nível dos genes. Posteriormente, os estômatos foram isolados das folhas para análise dos respectivos perfis de expressão gênica das células guarda por meio de técnicas de bioinformática. Para esta tarefa, a equipe levou Tobias M & uumlller e Marcus Dietrich a bordo, dois especialistas em bioinformática da Universidade de W & uumlrzburg.

Os dois especialistas descobriram que os padrões de expressão gênica diferiam significativamente em níveis elevados de CO2 ou concentrações de ABA. Além disso, eles notaram que o CO excessivo2 também causou a alteração da expressão de alguns genes ABA. Essas descobertas levaram os pesquisadores a examinar mais de perto a via de sinalização ABA. Eles estavam particularmente interessados ​​nos receptores ABA da família PYR / PYL (receptor de pirabactina e semelhante à pirabactina). A Arabidopsis possui 14 desses receptores, seis deles nas células guarda.

Receptores ABA sob o microscópio

"Por que uma célula de guarda precisa de até seis receptores para um único hormônio? Para responder a essa pergunta, nos associamos ao professor Pedro Luis Rodriguez, da Universidade de Madrid, que é especialista em receptores ABA", diz Hedrich. A equipe de Rodriguez gerou mutantes Arabidopsis nos quais eles puderam estudar os receptores ABA individualmente.

"Isso nos permitiu atribuir a cada um dos seis receptores ABA uma tarefa na rede e identificar os receptores individuais que são responsáveis ​​pelo ABA- e CO2- fechamento dos estômatos induzido ", explica Peter Ache, um colega de Hedrich.

Células de guarda usam ABA como moeda nos cálculos

"Concluímos das descobertas que as células guarda compensam o desempenho atual de fixação de carbono fotossintético com o status do balanço hídrico usando ABA como moeda", explica Hedrich. "Quando o suprimento de água é bom, nossos resultados indicam que os receptores ABA avaliam o equilíbrio hormonal básico como quase 'livre de estresse' e mantêm os estômatos abertos para CO2 fornecem. Quando a água é escassa, os receptores do estresse hídrico reconhecem o nível elevado de ABA e fazem com que as células-guarda fechem os estômatos para evitar que a planta seque. "

A seguir, os pesquisadores do JMU pretendem estudar as características especiais do ABA e do CO2 receptores relevantes, bem como suas vias de sinalização e componentes.


Funções dos nutrientes

Componentes Estruturais e Metabólicos. Carbono, hidrogênio e oxigênio constituem a maior parte dos compostos orgânicos que constituem as células vegetais. Nitrogênio e fósforo são encontrados em fosfolipídios e ácidos nucléicos. Cobre e ferro são componentes de sistemas de transporte de elétrons no mitocôndria e cloroplastos. o lamela do meio que cimenta células vegetais adjacentes é rico em cálcio e pectato de magnésio. O magnésio também é um componente da clorofila.

Papel Enzimático. Muitos minerais servir como enzima ativadores. O potássio, por exemplo, está envolvido na ativação de muitas enzimas. Ligação de cálcio proteína (calmodulina) regula muitas atividades celulares. O manganês é essencial na liberação fotossintética de O 2 no fotossistema II.

Papel Osmótico. O potássio desempenha um papel importante nos movimentos de abertura e fechamento de células de guarda do estomático aparelho. Hidrogênio gradientes de íons são importantes na geração de trifosfato de adenosina (ATP) em mitocôndrias e cloroplastos.


Respiração anaeróbia: fermentação

Hoje, a maioria dos seres vivos usa oxigênio para produzir ATP a partir da glicose. No entanto, muitos seres vivos também podem produzir ATP sem oxigênio. Isso é verdade para algumas plantas e fungos e também para muitas bactérias. Esses organismos usam respiração aeróbica quando o oxigênio está presente, mas quando o oxigênio está em falta, eles usam respiração anaeróbica em vez de. Certas bactérias podem usar apenas respiração anaeróbica. Na verdade, eles podem não ser capazes de sobreviver na presença de oxigênio.

Uma forma importante de fazer ATP sem oxigênio é chamada fermentação. Envolve glicólise, mas não os outros dois estágios da respiração aeróbica. Muitas bactérias e leveduras realizam a fermentação. As pessoas usam esses organismos para fazer iogurte, pão, vinho e biocombustíveis. As células musculares humanas também usam fermentação. Isso ocorre quando as células musculares não conseguem obter oxigênio rápido o suficiente para atender às suas necessidades de energia por meio da respiração aeróbica.

Existem dois tipos de fermentação: fermentação de ácido láctico e fermentação alcoólica. Ambos os tipos de fermentação são descritos abaixo. Você também pode assistir a animações de ambos os tipos neste link: http://www.cst.cmich.edu/users/schul1te/animations/fermentation.swf.

Fermentação de ácido láctico

No fermentação de ácido láctico, o ácido pirúvico da glicólise muda para ácido láctico. Isso é mostrado em Figura abaixo. No processo, NAD + se forma do NADH. O NAD +, por sua vez, permite a descontinuação da glicólise. Isso resulta em moléculas adicionais de ATP. Esse tipo de fermentação é realizado pelas bactérias do iogurte. Ele também é usado por suas próprias células musculares quando você as trabalha duro e rápido.

A fermentação do ácido láctico produz ácido láctico e NAD +. O NAD + retorna para permitir que a glicólise continue, de forma que mais ATP seja produzido. Cada círculo representa um átomo de carbono.

Você já participou de uma corrida e percebeu que seus músculos ficam cansados ​​e doloridos depois? Isso ocorre porque as células musculares usam a fermentação de ácido lático para obter energia. Isso faz com que o ácido láctico se acumule nos músculos. É o acúmulo de ácido láctico que faz com que os músculos se sintam cansados ​​e doloridos.

Fermentação alcoólica

No fermentação alcoólica, o ácido pirúvico muda para álcool e dióxido de carbono. Isso é mostrado em Figura abaixo. O NAD + também se forma a partir do NADH, permitindo que a glicólise continue produzindo ATP. Este tipo de fermentação é feito por leveduras e algumas bactérias. É usado para fazer pão, vinho e biocombustíveis.

A fermentação alcoólica produz etanol e NAD +. O NAD + permite que a glicólise continue produzindo ATP.

Seus pais já colocaram milho no tanque de gasolina do carro? Eles faziam se usassem gás contendo etanol. O etanol é produzido pela fermentação alcoólica da glicose do milho ou de outras plantas. Esse tipo de fermentação também explica por que a massa do pão cresce. Leveduras na massa de pão usam fermentação alcoólica e produzem gás dióxido de carbono. O gás forma bolhas na massa, que fazem com que ela se expanda. As bolhas também deixam pequenos buracos no pão depois de assado, tornando-o leve e fofo. Você vê os pequenos orifícios na fatia de pão em Figura abaixo?

Os pequenos orifícios no pão são formados por bolhas de gás dióxido de carbono. O gás era produzido por fermentação alcoólica realizada por leveduras.


Foco de Pesquisa

O Dr. Hanson tem dois programas de pesquisa diferentes, relacionados por meio de sua dependência de métodos modernos de exame de sequências de genoma e expressão gênica. Sua pesquisa em biologia vegetal sempre se concentrou nas organelas que contêm o genoma de plantas, cloroplastos e mitocôndrias. Refletindo suas origens procarióticas, a expressão gênica nessas organelas difere dos genes nucleares. Em particular, os genes de organela são frequentemente organizados em operons que sofrem considerável processamento pós-transcricional, incluindo edição de RNA. O genoma nuclear exerce controle significativo da expressão do gene da organela por meio da ação de proteínas codificadas pelo núcleo direcionadas à organela. Os objetivos da pesquisa incluem a identificação dos componentes do aparelho de edição de RNA de organela e um complexo de RNA / proteína que suprime a expressão de uma proteína mitocondrial anormal. Outro estudo utiliza métodos de biologia sintética para introduzir microcompartimentos concentradores de CO2 em cloroplastos. Um terceiro projeto diz respeito à engenharia da enzima fixadora de carbono Rubisco em cloroplastos para aumentar a eficiência da fotossíntese. Uma segunda área de pesquisa é a fisiopatologia da Síndrome da Fadiga Crônica (SFC), também conhecida como Encefalomielite Málgica (ME). Os indivíduos com essa doença geralmente apresentam evidências de ativação e disfunção do sistema imunológico. Um projeto atual está examinando o metabolismo das células do sistema imunológico e metabólitos no plasma. Outro projeto visa identificar diferenças na expressão gênica e carga de vesículas extracelulares no início e após exercício em indivíduos saudáveis ​​e com diagnóstico de EM / SFC


O ciclo Calvin-Benson

O ciclo de Calvin-Benson, no qual o carbono é fixado, reduzido e utilizado, envolve a formação de fosfatos de açúcar intermediários em uma seqüência cíclica. Um ciclo completo incorpora três moléculas de dióxido de carbono e produz uma molécula do composto de três carbonos gliceraldeído-3-fosfato (Gal3P). Este açúcar fosfato de três carbonos geralmente é exportado dos cloroplastos ou convertido em amido dentro do cloroplasto.

O ATP e o NADPH formados durante as reações de luz são utilizados para as etapas principais neste caminho e fornecem a energia e os equivalentes de redução (ou seja, elétrons) para conduzir a sequência na direção mostrada. Para cada molécula de dióxido de carbono que é fixada, são necessárias duas moléculas de NADPH e três moléculas de ATP das reações de luz. A reação geral pode ser representada da seguinte forma:

O ciclo é composto de quatro estágios: (1) carboxilação, (2) redução, (3) isomerização / condensação / dismutação e (4) fosforilação.


Atalho de engenharia de cientistas para falha fotossintética, aumento de crescimento de safra em 40%

As plantas convertem a luz solar em energia por meio da fotossíntese. No entanto, a maioria das safras do planeta são afetadas por uma falha fotossintética e, para lidar com isso, desenvolveu-se um processo caro de energia chamado fotorrespiração que suprime drasticamente seu potencial de rendimento. Hoje, pesquisadores da Universidade de Illinois e do Departamento de Agricultura dos EUA relatam o Serviço de Pesquisa Agrícola no jornal Ciência que as safras projetadas com um atalho fotorrespiratório são 40% mais produtivas em condições agronômicas do mundo real.

Os cientistas plantam mudas de tabaco à mão para testar vias fotorrespiratórias alternativas em condições de campo do mundo real. Eles descobriram que esses atalhos sintéticos aumentam a produtividade em 40% e agora vão aplicar esse avanço para aumentar o rendimento das safras de alimentos.

“Poderíamos alimentar até 200 milhões de pessoas adicionais com as calorias perdidas com a fotorrespiração no meio-oeste dos EUA a cada ano”, disse o investigador principal Donald Ort (líder do GEGC / BSD / CABBI), Professor Robert Emerson de Ciências Vegetais e Ciências Culturais. “Recuperar até mesmo uma parte dessas calorias em todo o mundo seria um longo caminho para atender à demanda de alimentos em rápida expansão do século 21 - impulsionada pelo crescimento populacional e dietas de alto teor calórico mais ricas.”

Este estudo histórico faz parte do Realizing Aumented Photosynthetic Efficiency (RIPE), um projeto de pesquisa internacional que está desenvolvendo plantações para fotossintetizar de forma mais eficiente para aumentar de forma sustentável a produtividade alimentar mundial com o apoio da Fundação Bill & amp Melinda Gates, a Foundation for Food and Agriculture Research ( FFAR) e o Departamento para o Desenvolvimento Internacional do Governo do Reino Unido (DFID).

A fotossíntese usa a enzima Rubisco - a proteína mais abundante do planeta - e a energia da luz solar para transformar dióxido de carbono e água em açúcares que alimentam o crescimento e a produção das plantas. Ao longo de milênios, a Rubisco se tornou vítima de seu próprio sucesso, criando uma atmosfera rica em oxigênio. Incapaz de distinguir com segurança entre as duas moléculas, a Rubisco pega oxigênio em vez de dióxido de carbono cerca de 20 por cento do tempo, resultando em um composto tóxico para as plantas que deve ser reciclado por meio do processo de fotorrespiração.

“Fotorrespiração é anti-fotossíntese”, disse o autor principal Paul South, um biólogo molecular pesquisador do Serviço de Pesquisa Agrícola, que trabalha no projeto RIPE em Illinois. “Custa à planta energia e recursos preciosos que ela poderia ter investido na fotossíntese para produzir mais crescimento e rendimento”.

A fotorrespiração normalmente segue um caminho complicado através de três compartimentos na célula vegetal. Os cientistas desenvolveram caminhos alternativos para redirecionar o processo, reduzindo drasticamente a viagem e economizando recursos suficientes para impulsionar o crescimento das plantas em 40%. Esta é a primeira vez que uma solução de fotorrespiração projetada foi testada em condições agronômicas do mundo real.

“Assim como o Canal do Panamá foi uma façanha de engenharia que aumentou a eficiência do comércio, esses atalhos fotorrespiratórios são uma façanha de engenharia de planta que provam ser um meio único de aumentar muito a eficiência da fotossíntese”, disse o diretor do RIPE Stephen Long (BSD / CABBI / GEGC), o Ikenberry Endowed University Chair of Crop Sciences and Plant Biology em Illinois.

A equipe projetou três rotas alternativas para substituir o caminho tortuoso dos nativos. Para otimizar as novas rotas, eles projetaram construções genéticas usando diferentes conjuntos de promotores e genes, essencialmente criando um conjunto de roteiros exclusivos. Eles testaram esses roteiros em 1.700 fábricas para separar os de melhor desempenho.

Ao longo de dois anos de estudos de campo replicados, eles descobriram que essas plantas modificadas se desenvolveram mais rápido, cresceram mais altas e produziram cerca de 40 por cento mais biomassa, a maior parte da qual foi encontrada em caules 50 por cento maiores.

A equipe testou suas hipóteses no tabaco: uma planta modelo ideal para pesquisa de safras porque é mais fácil de modificar e testar do que as safras de alimentos, mas ao contrário de modelos de plantas alternativos, ela desenvolve uma copa de folhas e pode ser testada no campo. Agora, a equipe está traduzindo essas descobertas para aumentar a produção de soja, feijão-caupi, arroz, batata, tomate e berinjela.

“A Rubisco tem ainda mais problemas para separar o dióxido de carbono do oxigênio à medida que fica mais quente, causando mais fotorrespiração”, disse a coautora Amanda Cavanagh, pesquisadora de pós-doutorado em Illinois que trabalha no projeto RIPE. “Nosso objetivo é construir plantas melhores que possam suportar o calor hoje e no futuro, para ajudar a equipar os agricultores com a tecnologia de que precisam para alimentar o mundo.”

Embora provavelmente leve mais de uma década para que esta tecnologia seja traduzida em safras de alimentos e alcance a aprovação regulatória, o RIPE e seus patrocinadores estão empenhados em garantir que os pequenos agricultores, especialmente na África Subsaariana e no Sudeste Asiático, tenham royalties livres acesso a todas as inovações do projeto.


Como o CO2 está relacionado à acidez nas células vegetais? - Biologia

Água, Difusão e Osmose

A água, por sua própria natureza, visto que ocorre automaticamente no processo de evolução cósmica, é adequada, com uma aptidão não menos maravilhosa e variada do que a aptidão do organismo que foi conquistada pelo processo de adaptação no curso da evolução orgânica. .

L. J. Henderson
A aptidão do meio ambiente , 1913

I. A água é absolutamente essencial para todos os organismos vivos

  1. A maioria dos organismos é composta por pelo menos 70% ou mais de água. Algumas plantas, como a alface, são compostas por quase 95% de água
  2. Quando os organismos ficam dormentes, eles perdem a maior parte de sua água. Por exemplo, sementes e botões são normalmente menos de 10% de água, assim como rotíferos desidratados, nematóides e células de levedura
  3. A Terra é o planeta da água (é por isso que os astrônomos ficam tão entusiasmados em encontrar água no espaço).
  4. A água é o recurso limitante para a produtividade das culturas na maioria dos sistemas agrícolas (veja o texto para dados de apoio)

Tom Robbins, autor de Até as vaqueiras ficam tristes, declarou eloquentemente a importância da água:

& quotÁgua - o ás dos elementos. A água mergulha das nuvens sem pára-quedas, asas ou rede de segurança. A água escorre do precipício mais íngreme e não pisca nem um piscar. A água é soterrada e sobe novamente a água anda em chamas e o fogo provoca bolhas. Com composição elegante em qualquer situação - sólida, gasosa ou líquida - falando em dialetos penetrantes compreendidos por todas as coisas - animal, vegetal ou mineral - a água viaja intrepidamente por quatro dimensões, sustentando, destruindo e criando. Sempre em movimento, sempre fluindo (seja na taxa de fluxo ou na velocidade da geleira), rítmico, dinâmico, onipresente, mudando e operando suas mudanças, um lado errado da matemática, uma filosofia ao contrário, a odisséia contínua da água é virtualmente irresistível. & Quot

Agora, vamos mudar nossa perspectiva por um minuto e nos colocar no lugar da água. De acordo com Robbins, a água é tão importante que "foi até mesmo sugerido que a vida evoluiu como um meio de transportar água." Salisbury & # 146s e Cleon Ross & # 146s (1992) afirmam que "Plant physiology is. o estudo da água. & quot

II. A água é importante porque é polar e forma prontamente ligações de hidrogênio

A. Água é Polar
Em outras palavras, a molécula de água tem um lado carregado positivamente (lado do hidrogênio) e carregado negativamente (oxigênio). Isso ocorre porque:

  1. os átomos de hidrogênio estão dispostos em um ângulo de cerca de 105 graus
  2. a ligação covalente entre O-H é polarizada. Isso é causado por um compartilhamento desigual de elétrons entre esses átomos que, por sua vez, resulta em uma leve carga negativa no átomo de oxigênio (eletronegativa) e uma leve carga positiva no hidrogênio.
  3. o oxigênio tem um par de elétrons não compartilhado (a molécula tem forma tetraédrica).

B. Ligações de hidrogênio
A definição "fantasiosa" de uma ligação de hidrogênio é que ela é uma ligação fraca que se forma entre um átomo de hidrogênio covalentemente ligado a um átomo eletronegativo (como o oxigênio) e outro átomo eletronegativo. Em outras palavras, um átomo de hidrogênio carregado positivamente é atraído por um oxigênio carregado negativamente.

O resultado final é que a água prontamente forma ligações de hidrogênio consigo mesma e com outras moléculas polares. Quando gostos atraem é denominado coesão (isto é, ligações de hidrogênio entre as moléculas de água). Quando diferente de atrair, é chamado adesão (isto é, quando uma toalha de papel absorve água, água e celulose aderem uma à outra). Coesão e adesão são responsáveis ​​por ação capilar, o movimento da água por um tubo fino.

Na água líquida, as ligações de hidrogênio entre as moléculas de água são feitas e quebradas continuamente. As moléculas podem até formar áreas temporárias "quase cristalinas". Individualmente, cada ligação de hidrogênio é fraca (20 kJ mol -1), mas, em conjunto, elas fornecem à água muitas propriedades exclusivas (uma molécula marxista!).

III. As propriedades da água

A. A água é um líquido em temperaturas fisiológicas (ou seja, entre 0-100 C).
Em outras palavras, a água tem um alto ponto de ebulição e um alto ponto de fusão quando comparado a outras moléculas de tamanho semelhante, como amônia, dióxido de carbono, sulfeto de hidrogênio. Essas outras moléculas são gases à temperatura ambiente. Isso é importante porque se a vida existe em qualquer lugar, prevemos que ela ocorra entre aprox. 0 e 100 C. Temperaturas muito abaixo de 0 são muito frias para permitir química significativa, pois temperaturas de metabolismo acima de 100 tendem a romper as ligações.

B. A água tem um alto calor de vaporização.
Em outras palavras, é preciso muita energia (ca. 44 kJ mol -1) para converter água de um líquido em um gás ou declarado de outra forma, A água resiste à evaporação. Esta propriedade é responsável pelo uso da água em resfriamento evaporativo sistemas, daí a razão da respiração do cachorro, as pessoas transpiram e as folhas transpiram.

C. A água tem um alto calor específico (capacidade de calor).
É preciso muita energia (4.184 J g -1 C -1, ou a unidade não SI é a caloria onde 1 cal = 4.184 J) para aumentar a temperatura da água (porque requer muita energia para quebrar / fazer ligações de hidrogênio). Assim, a água é lenta para aquecer e esfriar, ou dito de outra forma, a água resiste às mudanças de temperatura. É por isso que você pode nadar confortavelmente no Sag no final do outono, mas não na primavera. Em contraste, uma calçada tem um calor específico baixo - ele esquenta rapidamente (tente andar descalço em uma calçada no verão em um dia ensolarado), mas esfria rapidamente. Esta propriedade é importante no papel da água como um buffer térmico. Não é surpreendente que as plantas do deserto sejam suculentas - para ajudar a resistir às flutuações de temperatura.

D. A água tem um alto calor de fusão.
É preciso muita energia para converter a água de um sólido em um líquido, ou dito de outra forma, a água resiste ao congelamento. A energia é necessária para quebrar as ligações coletivas de hidrogênio que prendem a água em sua configuração sólida. Por outro lado, uma grande quantidade de energia (6 kJ mol -1) deve ser liberada pela água para congelar. Esta propriedade é usada por produtores de frutas cítricas - antes de um leve congelamento, eles borrifam as frutas com formas de gelo de água, liberando o calor de fusão que ajudará a proteger a cultura de danos graves.

E. A água tem uma alta tensão superficial.
É preciso muita energia para atravessar a superfície da água, porque as moléculas de água na superfície são atraídas (coesão) por outras dentro do líquido muito mais do que pelo ar. Assim, a água age como se tivesse uma pele. Este fenômeno é importante nas interfaces ar / água e explica por que: (1) a água sobe por um tubo fino (ação capilar) (2) as gotas de chuva são redondas (as moléculas na superfície se atraem) (3) striders de água e outros insetos pode & quotwalk on water & quot; (4) um menisco se forma e (5) um whopper de barriga em uma piscina de amônia não machucaria tanto quanto alguém na água.

F. A densidade da água diminui na cristalização.
Boa coisa também, ou então a pesca no gelo seria um negócio úmido. Isso ocorre porque, quando o gelo se forma, cada molécula de água é ligada por hidrogênio a exatamente quatro outras. A quatro graus, a água é a mais densa e cada molécula de água é atraída por um pouco mais do que quatro outras. Assim, à medida que a água esfria vai ficando cada vez mais densa até chegar a 4 C, então fica menos densa. E o gelo flutua.

G. A água é um solvente universal.
A água dissolve mais tipos diferentes de moléculas do que qualquer outro solvente. Moléculas hidrofílicas (que amam a água) se dissolvem prontamente na água (semelhantes se dissolvem, semelhantes), as hidrofóbicas (temerosas de água) não.

H. A água tem alta resistência à tração e incompressibilidade.
Em outras palavras, se você colocar água em um tubo e colocar um pistão em cada extremidade, não será capaz de empurrar os pistões juntos. Assim, a água é boa para os sistemas hidráulicos porque quando é espremida não comprime e produz pressões positivas (pressões hidrostáticas). Essa pressão fornece a força motriz para o crescimento celular e outros movimentos das plantas. A pressão é medida em unidades de Pascals (ou, na verdade, MegaPascals, MPa). Um MPa é aproximadamente igual a dez atmosferas ou 10 bares.

De maneira semelhante, se você encher o tubo com água, remover quaisquer bolhas de ar e, em seguida, afastar os pistões um do outro, a coluna de água resiste ao rompimento. Isso resultará em uma sucção na coluna de água - exatamente como colocar o dedo na ponta de uma seringa e puxar o êmbolo. Pressões negativas (tensões) podem se desenvolver na coluna de água. Tensões muito grandes podem ser geradas em uma coluna de água fina. Contudo, cavitação, quando o ar sai da solução em pressões negativas, pode ser um problema.

I. A água é transparente à luz.
Isso é importante porque os cloroplastos (dentro de uma célula) são obviamente rodeados por água. Se a água fosse opaca, as plantas não poderiam fotossintetizar. Do ponto de vista ecológico, a penetração da água determina a distribuição das plantas aquáticas.

J. A água é quimicamente inerte.
Ele não reage a menos que seja enzimaticamente projetado para isso.

K. A água se dissocia em prótons e íons hidróxido.
Isso serve como base para o sistema de pH (veja abaixo).

L. A água afeta a forma, a estabilidade e as propriedades das moléculas biológicas.
Por exemplo, muitos íons (como sódio) e moléculas (como DNA e componentes da parede) são normalmente hidratados. Isso significa que a água está ligada por hidrogênio a eles e, em alguns casos (ou seja, sódio), forma uma camada de hidratação em torno deles.

  1. é o principal componente das células
  2. é um solvente para a captação e transporte de materiais
  3. é um bom meio para reações bioquímicas
  4. é um reagente em muitas reações bioquímicas (ou seja, fotossíntese)
  5. fornece suporte estrutural por meio de pressão de turgor (ou seja, sai)
  6. é o meio para a transferência de gametas vegetais (espermatozoides nadam para os ovos na água, algumas plantas aquáticas derramam pólen debaixo d'água)
  7. dispersão da prole (propágulo) (pense em & quotcoconut & quot)
  8. os movimentos das plantas são o resultado do movimento da água para dentro e para fora dessas partes (ou seja, movimentos diurnos, abertura estomática, abertura da flor)
  9. alongamento e crescimento celular
  10. buffer térmico
  11. talvez o mais importante, a água direcionou a evolução de todos os organismos. Você pode pensar nas características morfológicas dos organismos como consequência da disponibilidade de água. Por exemplo, considere organismos que crescem em ambientes xérico (seco), mésico (moderado) e hídrico (aquático).

V. Ácidos e Bases (uma revisão da biologia introdutória)
A água se ioniza em um pequeno grau para formar um íon hidrogênio (ou próton) e um íon hidróxido (OH-). Na realidade, duas moléculas de água formam um íon hidrônio (H30 +) e um íon hidróxido (OH -).

Em água pura,
[H +] = [OH -] Esta solução é neutra
[H +] & gt [OH -] Então, a solução é um ácido (ácido)
[H +] & lt [OH -] Então a solução é uma base (alcalina)

    Um ácido é uma substância que aumenta a [H +], ou como dizem os químicos, é um doador de prótons.
    por exemplo. HCl & # 8594 H + + Cl -

A escala de pH:
pH é a escala que expressa o grau de acidez (ou alcalinidade) de uma solução. A escala varia de 0 a 14, onde 1 é altamente ácido, 7 é neutro e 14 é altamente alcalino.

Conforme o pH aumenta, o [H +] diminui e o [OH -] aumenta
Conforme o pH diminui, o [H +] aumenta e o [OH -] diminui

  1. a escala de pH é baseada na concentração de prótons e
  2. a escala de pH é logarítmica, há uma diferença de 10 vezes na concentração entre cada unidade de pH.

Os produtos de [H +] x [OH -] sempre são iguais a 10 -14. Assim, você sempre pode determinar a concentração de um se conhecer o outro. Por exemplo, se o [H +] = 10 -2, então o [OH -] é 10 -12.

VI. Os sistemas vivos são muito sensíveis ao pH
Os organismos devem manter o pH dentro de faixas toleráveis. Este é um bom exemplo de homeostase.

Um tampão é uma solução que resiste a flutuações de pH quando OH- ou H + adicionais são adicionados. Eles mantêm um pH constante e geralmente consistem em um doador de prótons e um aceitador de prótons. [por exemplo, o pH do sangue deve estar entre 7,36 (venoso) e 7,41 (arterial). O tampão de ácido carbônico / bicarbonato ajuda a manter o pH:

H2CO3 (doador de prótons de ácido carbônico) & # 8594 H + + HCO3 - (aceitador de prótons de íons de bicarbonato)

VII. Movimento da Água - Existem duas maneiras principais de mover moléculas:

A. Fluxo a granel (ou massa).
Este é o movimento de massa das moléculas em resposta a um gradiente de pressão. As moléculas se movem de alta pressão baixa, seguindo um gradiente de pressão. Um bom exemplo seria uma torneira. Quando você abre a torneira, sai água. Isso ocorre porque a água da torneira está sob pressão em relação ao ar de fora da torneira. Um banheiro é outro exemplo de alta pressão no tanque / bacia, mas baixa pressão no sistema de esgoto. Alguns movimentos moleculares dependem do bulk flow, que requer um mecanismo para gerar o gradiente de pressão. Por exemplo, os animais desenvolveram uma bomba (ou seja., coração) que é projetado para o fluxo em massa de moléculas através do sistema circulatório.

B. Difusão
A rede, movimento aleatório de moléculas individuais de uma área para outra. As moléculas se movem de [hi] e # 8594 [baixo], seguindo um gradiente de concentração. Outra forma de afirmar isso é que as moléculas se movem de uma área de alta energia livre (maior concentração) para uma de baixa energia livre (menor concentração). O movimento da rede para quando um equilíbrio dinâmico é alcançado.

Imagine abrir um frasco de perfume contendo óleos essenciais voláteis em uma sala muito silenciosa. Inicialmente, os óleos essenciais estão concentrados em um canto da sala. À medida que as moléculas se movem aleatoriamente, em todas as direções diferentes, com o tempo elas acabarão aparecendo por toda a sala. No final das contas, os óleos essenciais atingirão um ponto, equilíbrio dinâmico, no qual serão distribuídos uniformemente por toda a sala. Neste ponto, as moléculas ainda estão se movendo. Eles continuam a se mover aleatoriamente em todas as direções. A única diferença é que não há nenhuma mudança na distribuição geral do perfume no ambiente.

Agora imagine que a sala é dividida por uma partição com orifícios (que é análogo a uma membrana). Se colocarmos uma gota de perfume em um lado da partição e, em seguida, contarmos em intervalos o número de moléculas de óleo essencial em cada lado da partição e representar graficamente os resultados:

inserir: plotar # moléculas vs. tempo em ambos os lados da partição. (não incluso)

Observaremos que o número de moléculas de um lado diminuirá enquanto o outro aumentará até que atinjam o equilíbrio dinâmico. No equilíbrio, as moléculas continuam a se mover aleatoriamente, para frente e para trás de um lado da partição para o outro. Portanto, o número de moléculas em cada lado da partição em um determinado momento é simplesmente casual. O número oscila em torno do ponto médio.

Uma advertência
Embora este exemplo teórico possa nos ajudar a entender melhor a natureza da difusão, é tecnicamente errado. O movimento molecular atribuído à difusão neste exemplo é realmente devido aos movimentos do ar na sala, ou convecção. É difícil encontrar exemplos verdadeiros de difusão (ver Vogel, 1994 Wheatley, 1993). No entanto, serve ao nosso propósito ilustrar o conceito geral de difusão.

C. Osmose
Este é um caso especializado de difusão, ele representa a difusão de um solvente (normalmente água) através de uma membrana.

D. Diálise
Outro caso especializado de difusão é a difusão de soluto através de uma membrana semipermeável. O exemplo & # 150 considere uma célula contendo um açúcar dissolvido em água. Se a água (o solvente) sai da célula para o ambiente, ela se move osmoticamente se o açúcar (soluto) se move para o ambiente, é um exemplo de diálise.

VII. Fatores que influenciam a taxa de difusão - Vários fatores influenciam a taxa de difusão. Esses incluem:

A. Gradiente de concentração .
Como afirmado anteriormente, os solutos se movem de uma área de alta concentração para uma de menor concentração, em outras palavras, em resposta a um gradiente de concentração (& # 916C). Embora isso seja verdade para a maioria dos solutos, NÃO é importante para a água. A concentração de água (55,2 - 55,5 mol L -1) é quase constante em todas as condições (ou seja., MW = 18 g / mol e 1000 g / litro, assim, 1000/18 = 55,5 mol / L).

Lei de Fick & # 146s - é uma equação que relaciona a taxa de difusão ao gradiente de concentração (C1 & # 150 C2) e resistência (r). Taxa de difusão, também chamada de densidade de fluxo (Js, em unidades de mol m -2 s -1) pode ser expresso na versão simplificada da equação de Fick como:

Js = (C1 - C2) / r

As lições para levar para casa com esta equação são:

    1. a taxa de difusão é diretamente proporcional ao gradiente de concentração. Quanto maior for a diferença de concentração entre duas áreas, maior será a taxa de difusão. Assim, quando o gradiente é zero, não haverá difusão líquida, a difusão só ocorrerá enquanto existir um gradiente de concentração
    2. a taxa de difusão é indiretamente proporcional à resistência. Em outras palavras, quanto maior a resistência à difusão, menor a taxa de difusão. Resistência refere-se a qualquer coisa que reduza a taxa de difusão, como a partição em nosso exemplo de perfume. A largura das partições é uma resistência, quanto mais largas as partições, menor é a resistência. E, a membrana é uma resistência ao movimento de íons e outras substâncias carregadas para dentro ou para fora das células e
    3. a taxa de difusão é inversamente proporcional à distância percorrida (também em função da resistência). Por exemplo, algumas taxas de difusão típicas para água são 10 m - 0,1 seg 100 m -1 seg e 1 mm - 100 seg. Como o texto demonstra bem, a difusão é eficaz em distâncias curtas, mas é pateticamente lenta em distâncias longas.

    B. Velocidade Molecular . De acordo com a teoria cinética, partículas como átomos e moléculas estão sempre em movimento a temperaturas acima do zero absoluto (0 K = -273 C). A lição para levar para casa é que o movimento molecular é:

      1. diretamente proporcional à temperatura e
      2. indiretamente relacionado ao peso molecular (partículas mais pesadas movem-se mais lentamente do que as mais leves e menores). Em temperatura ambiente, a velocidade média de uma molécula é rápida - cerca de 2 km / s (= 3997 mph!).

      C. Temperatura - aumenta a taxa de movimento molecular, portanto, aumenta a taxa de difusão

      D. Pressão - aumenta a velocidade das moléculas, portanto, aumenta a taxa de difusão

      E. Efeito do soluto no potencial químico do solvente . Partículas de soluto diminuem a energia livre de um solvente. O fator crítico é o número de partículas, não a carga ou o tamanho das partículas. Essencialmente, as moléculas de solvente, como a água em um sistema biológico, se movem de uma região de maior fração molar para uma região onde há uma menor fração molar. A fração molar de solvente = # moléculas de solvente / total (# moléculas de solvente + # moléculas de soluto). Isso é particularmente importante no movimento da água. A água se move de uma área de fração molar mais alta ou energia para uma área de fração molar mais baixa ou energia mais baixa.

      VIII. Potencial da Água
      O potencial hídrico é uma medida do estado de energia da água. Este é um conceito particularmente importante na fisiologia vegetal porque determina a direção e o movimento da água.

      1. Energia livre da água - energia disponível para fazer o trabalho (J = n m)
      2. Potencial químico ( ) - energia livre / quantidade unitária (geralmente por mol) (J mol -1)
      3. Potencial de água (& # 936C) - potencial químico da água, em comparação com a água pura à mesma temperatura e pressão. As unidades estão sob pressão porque: (a) as células vegetais estão sob pressão (lembra da parede?) E (b) é mais fácil medir a pressão.
      4. Derivação de unidades - O potencial hídrico é oficialmente definido como o potencial químico da água (J mol -1). Quando dividido pelo volume molar parcial (L mol -1):

      J mol -1 / L mol -1 = n x m mol -1 / m 3 mol -1 = n m -2 = MPa

      ou olhando de outra maneira

      2. Pressão (ou potencial de pressão Ψp)
      Devido ao aumento da pressão nas células, graças à parede. Geralmente é positivo, embora possa ser negativo (tensão) como no xilema. A pressão pode ser medida com um osmômetro.

      3. Potencial matricial
      Esta é a contribuição para o potencial hídrico devido à força de atração da água para superfícies coloidais carregadas. É negativo porque reduz a capacidade de movimentação da água. Em grandes volumes de água, é muito pequeno e geralmente ignorado. Porém, pode ser muito importante no solo, principalmente no que se refere à interface raiz / solo.

      4. Gravidadeg)
      Contribuições devido à gravidade que geralmente é ignorada, a menos que se refira às copas de árvores altas.

      C. O potencial hídrico da água pura é zero. Os potenciais de água em tecido vegetal intacto são geralmente negativos (por causa das grandes quantidades de solutos dissolvidos nas células).

      D. O potencial hídrico é a soma das contribuições dos vários fatores que influenciam o potencial hídrico
      onde: & # 936C = Ψp + Ψs + etc.

      E. Medindo o potencial da água - discutiremos as seguintes técnicas em aula / laboratório:

      1. Bomba de pressão - uma câmara de aço que pode ser pressurizada, geralmente com nitrogênio. A amostra é colocada na câmara com o pecíolo ou superfície exposta através de um orifício na tampa. A amostra é pressurizada e a pressão necessária para forçar o aparecimento de água na superfície de corte é considerada equivalente ao potencial de água do tecido.

      2. Método Chardakov - Método de gota de tinta

      3. Método gravimétrico

      F. Medindo o potencial de soluto
      O potencial de soluto pode ser medido por:

      1. Depressão de ponto de congelamento - os solutos dissolvidos diminuem o ponto de congelamento de um líquido (pense em estradas com sal e MN no inverno). Uma solução de 1 molal com potencial osmótico de -2,27 MPa reduz o ponto de congelamento (fp) em 1,86 graus. Podemos usar essa relação para estabelecer uma proporção: -2,27 MPa / 1,86 grau = desconhecido & # 936s / fp. Reorganizando, obtemos a equação: & # 936s (MPa) = -1,22 x fp
      2. Plasmólise incipiente - um tecido é incubado em uma série de soluções de potencial hídrico conhecido. O ponto em que a membrana simplesmente se afasta do tecido é a "plasmólise quotincipiente" e considerada equivalente ao potencial osmótico do tecido.
      3. Osmômetro de pressão de vapor - os solutos dissolvidos aumentam o ponto de ebulição ou diminuem a pressão de vapor de um líquido. Um termopar conectado a um gravador é colocado em uma câmara hermética com a amostra de tecido ou padrão. O termopar também está vinculado a uma junção de referência. Os termopares são feitos de dois metais diferentes (constantan e cromo) e uma corrente fluirá se houver uma diferença de temperatura entre a junção de referência e o termopar. Uma gota de água ou soluções de KCl (aq) de osmolaridade conhecida são colocadas no termopar. Dependendo do potencial osmótico da solução, a água irá evaporar ou condensar na gota. Isso, por sua vez, causa uma mudança de corrente no termopar que pode ser detectada por um medidor. A taxa de resfriamento é plotada vs. & # 936 s ou [KCl] para produzir uma curva padrão a partir da qual o & # 936s do tecido é determinado.

      IX. O movimento da água através de uma membrana é uma combinação de difusão e fluxo em massa
      Moléculas de água individuais se difundem através da membrana. Além disso, existem proteínas integrais na membrana que formam um canal ou poro através do qual a água se move. Esses poros são importantes e as moléculas de água movem-se essencialmente através desses poros por fluxo em massa. As proteínas são chamadas de aquaporinas e são essencialmente canais de transporte de água. A água está se movendo passivamente (seguindo um gradiente de energia livre).

      • Boyer, JS (1969) Measurement of the water status of plants. Ann. Rev Plant Physiol. 20: 351 - 364.
      • Hebrank, MR. 1997. Reduza a confusão sobre difusão. American Biology Teacher 59: 160.
      • Odom, AL. 1995. Secondary & amp College Biology Students & # 146 misconceptions about diffusion & amp osmose. American Biology Teacher 57: 409-415.
      • Vogel, Steven. 1994. Lidando Honestamente com a difusão. American Biology Teacher 56: 405-407.
      • Wheatley, D. 1993. Teoria da difusão em biologia: sua validade e relevância. Journal of Biological Education 27: 181-187.
      • Zuckerman, JT. 1994. Problem solucionadores & # 146 concepções sobre osmose. American Biology Teacher 56: 22-25.

      Última atualização: 13/02/2009 Copyright by SG Saupe


      As plantas microscópicas dos oceanos - diatomáceas - capturam dióxido de carbono por vias biofísicas

      Crédito: Pixabay / CC0 Public Domain

      As diatomáceas são minúsculas plantas unicelulares - não maiores do que meio milímetro - que habitam as águas superficiais dos oceanos do mundo, onde a penetração da luz solar é abundante. Apesar de seu tamanho modesto, eles são um dos recursos mais poderosos do mundo para a remoção de dióxido de carbono (CO2) da atmosfera. Eles atualmente removem, ou "consertam", 10-20 bilhões de toneladas métricas de CO2 todos os anos pelo processo de fotossíntese. Mas não se sabe muito sobre quais mecanismos biológicos usam as diatomáceas e se esses processos podem se tornar menos eficazes com o aumento da acidez do oceano, das temperaturas e, em particular, do CO2 concentrações. Um novo estudo em Fronteiras na ciência de plantas mostra que as diatomáceas usam predominantemente uma via para concentrar CO2 na vizinhança da enzima fixadora de carbono e que esta continua a operar mesmo com CO mais alto2 concentrações.

      "Mostramos que as diatomáceas marinhas são superinteligentes na fixação de CO atmosférico2 mesmo no nível atual de CO2—E a variabilidade no CO da água do mar superficial2 os níveis não afetaram a expressão gênica e a abundância das cinco principais enzimas usadas na fixação de carbono ", disse o líder do grupo do estudo, Dr. Haimanti Biswas do Instituto Nacional de Oceanografia-CSIR (Conselho de Pesquisa Científica e Industrial), Índia . "Isso responde a uma questão chave sobre como as diatomáceas marinhas podem responder ao aumento futuro do CO atmosférico2 níveis. "

      O reino vegetal desenvolveu uma ampla gama de mecanismos para concentrar CO2 do ar, ou da água, e transformando-o em carbono orgânico. Desta forma, as plantas convertem CO2 em glicose e outros carboidratos, que eles usam como blocos de construção e armazenamento de energia. Mas esses diferentes mecanismos têm vários pontos fortes e fracos. Ironicamente, a única enzima fixadora de carbono, RuBisCO, é notoriamente ineficiente na fixação de CO2 e, portanto, as plantas precisam manter o CO2 níveis elevados na vizinhança desta enzima.

      Para entender melhor qual mecanismo as diatomáceas usam para concentrar CO2, Biswas e seus colaboradores, Drs Chris Bowler e Juan Jose Pierella Karluich do Institut de Biologie de l'Ecole Normale Supérieure, Paris, França, extraíram um conjunto de dados da expedição de pesquisa Tara Oceans. A expedição internacional Tara coletou amostras de plâncton marinho de todo o mundo ao longo de vários anos (2009 a 2013). Estes incluíram mais de 200 metagenomas (que mostram a abundância dos genes responsáveis ​​pelas cinco enzimas principais) e mais de 220 metatranscriptomas (mostrando a expressão dos genes para as cinco enzimas principais) de diatomáceas de diferentes classes de tamanho.

      Biswas e seus colaboradores estavam particularmente interessados ​​na frequência com que os genes das cinco principais enzimas fixadoras de carbono estão presentes e se havia alguma diferença em sua abundância e níveis de expressão dependendo da localização e das condições. Em todas as amostras medidas, uma enzima era cerca de dez vezes mais abundante do que qualquer uma das outras enzimas. Esta enzima, chamada anidrase carbônica, é especialmente informativa porque também confirma que as diatomáceas estão bombeando ativamente CO dissolvido2 dentro da célula, em oposição ao CO de transformação bioquímica2 primeiro.

      A equipe também observou diferentes padrões complexos de expressão do gene das enzimas-chave, que variava dependendo da latitude e da temperatura. Os pesquisadores esperam aprender mais usando novos conjuntos de dados de futuras expedições mais amplamente viajadas.

      "Até agora, nosso estudo indica que, apesar da variabilidade no CO2 níveis, esses minúsculos autótrofos são altamente eficientes na concentração de CO2 dentro da célula ", diz Biswas." Essa é a razão provável para sua capacidade de consertar quase um quinto da fixação global de carbono na Terra ".