Information

6.1: Introduktion till syrekrav - Biologi

6.1: Introduktion till syrekrav - Biologi



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.

Lärandemål

  • Inse effekterna av syre på bakterier
  • Förklara mikrobernas olika syrebehov, observera och tolka tillväxten av mikrober i tioglykolatagar djupa medier
  • Diskutera metoder för att odla anaeroba bakterier

Miljökrav: Syrekrav

Hur påverkar syre bakterietillväxt?

Bakterier kan skilja sig dramatiskt i deras förmåga att använda syre (O2). Under aeroba förhållanden fungerar syre som den slutliga elektronacceptorn för elektrontransportkedjan som finns i plasmamembranet hos prokaryoter. Bakterier använder denna process för att generera ATP, energikällan för de flesta cellulära processer. I frånvaro av syre (O2), kan vissa bakterier använda alternativa metaboliska vägar inklusive anaerob andning och/eller fermentering. Under anaerob andning används andra alternativa molekyler som den slutliga elektronacceptorn för elektrontransportkedjan såsom nitrat (NO3sulfat (SO4) och karbonat (CO3).

Bakterier och många mikroorganismer är mycket känsliga för syrekoncentrationer. Vissa kommer bara att växa i dess närvaro och kallas obligatoriska aerober. Fakultativ aerob kommer att växa antingen aerobt eller i frånvaro av syre (anaeroba förhållanden), men de klarar sig i allmänhet bättre med syre. Aerotoleranta anaerober kräver inte syre, men kan växa i dess närvaro, medan strikt obligatoriska anaerober kan inte använda syre och kan inte växa eller överleva i dess närvaro. Mikroaerofiler använd syre, men i lägre koncentrationer än atmosfäriska syrenivåer (vilket är ~20%).

Man kan bestämma en bakteries syrebehov genom att odla dem i ett speciellt medium som kallas tioglykolat agarrör. Botten av röret med medium hålls anaerobt av cystin och tioglykolsyra, som kemiskt reagerar med och binder upp allt syre som diffunderar in. Eventuellt oreagerat syre i röret indikeras av resazurin, ett färgämne som blir rosa i närvaron av syre. Det är vanligt att den översta centimetern eller så är rosa. Man kan inokulera ett tioglykolatrör med din bakterie och observera var bakterien växer i röret för att bestämma dess syrebehov (se bild 1)

Bild 1: Mikrobiellt syrebehov bestäms med användning av tioglykolatagarrör. Gröna prickar representerar bakteriekolonier i agaren eller på dess yta. Agarrörets yta är direkt exponerad för atmosfäriskt syre och kommer att vara aerob. Syrehalten i tioglykolatmediet minskar med djupet tills mediet blir anaerobt mot botten av röret.

Odling av anaerober

Odlingen av anaerober kan göras i en anaerob kammare (bild 2). Detta är en speciell kammare där du kan arbeta med och odla strikt obligatoriska anaerober utan att utsätta dem för syre. Anaeroba kammare innehåller ett väte (H2) gasblandning som cirkuleras genom en uppvärmd palladiumkatalysator för att avlägsna syre (O2) genom att bilda vatten (H2O). Anaeroba kammare använder en gasblandning av H2 och kvävgas (N2) (5/95%) eller N2/koldioxid (CO2)/H2 (85/10/5 %) för att avlägsna syre. Ett luftsluss används för att minska O2 nivåer före överföring av prover in och ut ur kammaren.

Ett annat sätt att odla bakterier anaerobt på tallrikar är att använda ett GasPak anaerobt system. I dessa system genereras väte och koldioxid av ett GasPak-hölje efter tillsats av vatten. En palladiumkatalysator i kammaren i GasPak-systemet katalyserar bildningen av vatten från väte och syre, och tar därigenom bort syre från den förseglade kammaren (bild 3 och 4). Dessa system är kompakta, lätta att använda och billigare än en anaerob kammare. De kommer i burkar (bild 3) eller i boxformat (bild 4).

Bild 2:Anaerob kammare. https://coylab.com/products/anaerobi...robic-chamber/

Bild 3: GasPak systemburkar Bild 4: GasPak systemboxar. https://www.fishersci.com/shop/produ...rs-3/p-4902079

Se video 1: Grunderna i tioglykolatmedia

Se video 1: förklaring om hur tioglykolatmedia fungerar och exempel. (9:33) URL: https://youtu.be/AJG18sQd8mU

Se video 2: hur man förbereder en anaerob burk

Se video 2: hur man ställer in en anaerob burk. Processen är liknande för en anaerob box. (3:03) URL: https://youtu.be/aFDYx-7ceS8


Reaktiva syrearter

Reaktiva syrearter (ROS) är mycket reaktiva kemiska molekyler som bildas på grund av elektronmottagligheten hos O2. Exempel på ROS inkluderar peroxider, superoxid, hydroxylradikal, singlettsyre, [3] och alfa-syre.

Reduktionen av molekylärt syre (O2) producerar superoxid ( • O −
2 ), som är föregångaren till de flesta andra reaktiva syrearter: [4]

Väteperoxid kan i sin tur reduceras delvis och på så sätt bilda hydroxidjoner och hydroxylradikaler ( • OH), eller helt reduceras till vatten: [4]

I ett biologiskt sammanhang bildas ROS som en naturlig biprodukt av den normala aeroba metabolismen av syre och har viktiga roller i cellsignalering och homeostas. [5] [6] ROS är inneboende för cellulär funktion och finns på låga och stationära nivåer i normala celler. I grönsaker är ROS involverade i metaboliska processer relaterade till fotoskydd och tolerans mot olika typer av stress. [7] ROS kan dock orsaka irreversibel skada på DNA eftersom de oxiderar och modifierar vissa cellulära komponenter och hindrar dem från att utföra sina ursprungliga funktioner. Detta tyder på att ROS har en dubbel roll om de kommer att fungera som skadliga, skyddande eller signalerande faktorer beror på balansen mellan ROS-produktion och bortskaffande vid rätt tidpunkt och plats. [8] Med andra ord kan syretoxicitet uppstå både från okontrollerad produktion och från antioxidantsystemets ineffektiva eliminering av ROS. Under tider av miljöstress (t.ex. UV- eller värmeexponering) kan ROS-nivåerna öka dramatiskt. [5] Detta kan resultera i betydande skada på cellstrukturer. Kumulativt är detta känt som oxidativ stress. Produktionen av ROS påverkas starkt av stressfaktorsvar i växter, dessa faktorer som ökar ROS-produktionen inkluderar torka, salthalt, kylning, försvar av patogener, näringsbrist, metalltoxicitet och UV-B-strålning. ROS genereras också av exogena källor som joniserande strålning [9] som genererar irreversibla effekter i utvecklingen av vävnader hos både djur och växter. [10]


Upplöst syre och vatten

Upplöst syre (DO) är ett mått på hur mycket syre som är löst i vattnet – mängden syre tillgängligt för levande vattenlevande organismer. Mängden löst syre i en bäck eller sjö kan berätta mycket om dess vattenkvalitet.

USGS-forskare mäter olika vattenkvalitetsförhållanden i Holes Creek vid Huffman Park i Kettering, Ohio.

USGS har mätt vatten i decennier. Vissa mått, som t.ex temperatur, pH, och specifik konduktans tas nästan varje gång vatten provtas och undersöks, oavsett var i USA vattnet studeras. En annan vanlig mätning som ofta tas är löst syre (DO), som är ett mått på hur mycket syre som är löst i vattnet – DO kan berätta mycket om vattenkvaliteten.

Upplöst syre och vatten

Även om vattenmolekyler innehåller en syreatom, är detta syre inte vad som behövs av vattenlevande organismer som lever i naturliga vatten. En liten mängd syre, upp till cirka tio molekyler syre per miljon vatten, är faktiskt löst i vatten. Syre kommer in i en bäck huvudsakligen från atmosfären och, i områden där grundvattenutsläpp i vattendrag utgör en stor del av strömflödet, från grundvattenutsläpp. Detta lösta syre andas av fiskar och djurplankton och behövs av dem för att överleva.

Upplöst syre och vattenkvalitet

En eutrof sjö där halterna av löst syre är låga. Algblomning kan förekomma under sådana förhållanden.

Vatten som rör sig snabbt, som i en bergsbäck eller en stor flod, tenderar att innehålla mycket löst syre, medan stillastående vatten innehåller mindre. Bakterier i vatten kan förbruka syre när organiskt material sönderfaller. Alltså kan överskott av organiskt material i sjöar och floder orsaka eutrofa förhållanden, vilket är en syrebristsituation som kan göra att en vattenkropp "dör". Vattenlivet kan ha det svårt i stillastående vatten som har mycket ruttnande, organiskt material i sig, speciellt på sommaren (koncentrationen av löst syre är omvänt relaterad till vattentemperatur), när nivåerna av löst syre är säsongsmässigt låga. Vatten nära sjöns yta – epilimnion – är för varmt för dem, medan vatten nära botten – hypolimnion – har för lite syre. Tillstånden kan bli särskilt allvarliga under en period med varmt, lugnt väder, vilket resulterar i att många fiskar förloras. Du kanske har hört talas om sommarfiskdöd i lokala sjöar som sannolikt beror på detta problem.

Upplöst syre, temperatur och vattenlevande liv

Vattentemperaturen påverkar koncentrationerna av löst syre i en flod eller vattenförekomst.

Som diagrammet visar påverkas koncentrationen av löst syre i ytvatten av temperatur och har både en säsongs- och en daglig cykel. Kallt vatten kan hålla mer löst syre än varmt vatten. På vintern och tidig vår, när vattentemperaturen är låg, är koncentrationen av löst syre hög. På sommaren och hösten, när vattentemperaturen är hög, är koncentrationen av löst syre ofta lägre.

Löst syre i ytvatten används av alla former av vattenlevande liv, därför mäts denna beståndsdel vanligtvis för att bedöma "hälsan" hos sjöar och vattendrag. Syre kommer in i en ström från atmosfär och från grundvattenutsläpp. Bidraget av syre från grundvattenutsläpp är betydande, dock endast i områden där grundvatten är en stor del av strömflödet, såsom i områden med glaciala avlagringar. Fotosyntes är den primära processen som påverkar förhållandet löst syre/temperatur vatten klarhet och styrka och varaktighet av solljus, i sin tur påverkar hastigheten av fotosyntes.

Hypoxi och "döda zoner"

Du kanske har hört talas om en "död zon" i Mexikanska golfen i områden av viken söder om Louisiana, där Mississippi och Atchafalaya floder rinner ut. En död zon bildas säsongsvis i norra Mexikanska golfen när vatten under ytan blir utarmat på löst syre och inte kan försörja det mesta livet. Zonen bildas väster om Mississippideltat över kontinentalsockeln utanför Louisiana och sträcker sig ibland utanför Texas. Syrebristningen börjar på sen vår, ökar på sommaren och slutar på hösten.

Löst syre i bottenvatten, uppmätt från 8 juni till 17 juli 2009, under den årliga kryssningen i Mexikanska golfens sydöstra områdesövervaknings- och utvärderingsprogram (SEAMAP) i norra Mexikanska golfen. Orange och röda färger indikerar lägre koncentrationer av löst syre.

Bildandet av syrefattiga vatten under ytan har associerats med näringsrika (kväve och fosfor) utsläpp från floderna Mississippi och Atchafalaya. Biotillgängliga näringsämnen i utsläppet kan stimulera algblomning, som dör och äts upp av bakterier, vilket tömmer syret i undervattensvattnet. Syrehalten i ytvatten av normalt salthalt på sommaren är vanligtvis mer än 8 milligram per liter (8 mg/L) när syrekoncentrationerna är mindre än 2 mg/L, definieras vattnet som hypoxiskt (CENR, 2000). Hypoxin dödar många organismer som inte kan fly, och därför är den hypoxiska zonen informellt känd som den "döda zonen".

Den hypoxiska zonen i norra Mexikanska golfen är i centrum för ett produktivt och värdefullt fiske. Den ökade frekvensen och utvidgningen av hypoxiska zoner har blivit en viktig ekonomisk och miljömässig fråga för kommersiella och rekreationsanvändare av fisket.

Mätning av löst syre

Multiparametermonitor som används för att registrera mätningar av vattenkvalitet.

Fält- och labbmätare för att mäta löst syre har funnits länge. Som den här bilden visar är moderna mätare små och mycket elektroniska. De använder fortfarande en sond, som sitter i änden av kabeln. Löst syre är beroende av temperaturen (ett omvänt förhållande), så mätaren måste kalibreras ordentligt före varje användning.

Vill du testa din lokala vattenkvalitet?

Vattentestsatser finns tillgängliga från World Water Monitoring Challenge (WWMC), ett internationellt utbildningsprogram som bygger upp allmänhetens medvetenhet och engagemang i att skydda vattenresurser runt om i världen. Lärare och vattenvetenskapsentusiaster: Vill du kunna utföra grundläggande vattenkvalitetstester på lokala vatten? WWMC erbjuder billiga testkit så att du kan utföra dina egna tester för temperatur, pH, grumlighet, och löst syre.

Tror du att du vet mycket om vattenegenskaper?
Ta vår interaktiva vattenegenskaper sant/falskt frågesport och testa dina vattenkunskaper.


Biooorganiska grunder och tillämpningar: metaller i naturliga levande system och metaller i toxikologi och medicin

3.07.2.1 Dioxygens grundläggande egenskaper

Dioxygen är en viktig komponent i jordens atmosfär

20 volymprocent. Molekylärt syre är en grundtillståndstriplett, bestående av två oparade elektroner en i var och en av de dubbelt degenererade π* HOMO:erna. Formellt har molekylärt syre en dubbelbindning och är termodynamiskt en kraftfull oxidant. Men på grund av spinnkonservering, reaktionen av O2 med grundtillståndssingletmolekyler är kinetiskt ogynnsamt och kräver reaktion med andra grundtillståndsradikaler, såsom flaviner, pteriner eller metalljoner. Som visas i Figur 1 1-elektronreduktionen av disyre till superoxid är termodynamiskt ogynnsam. Tvåelektronreduktionen av dioxygen och enelektronreduktionen av superoxid till peroxid är emellertid termodynamiskt gynnsamma och leder till O–O-bindningsförlängning när elektroner läggs till de antibindande π*-orbitalerna (se Bild 5 15 för de fysikaliska egenskaperna hos disyrehaltiga delar).

Figur 5 . Fysikaliska egenskaper hos molekylärt syre och reducerade dioxygendelar.

Anpassad från Conry, R.R. Encyclopedia of Inorganic Chemistry, John Wiley and Sons: Hoboken, 2006.

Samordningen av O2 till koppar i både enzymatiska och syntetiska system involverar en stor grad av elektronöverföring från det reducerade kopparcentrumet till molekylärt syre i vad som oftast tros vara en inre sfärmekanism, dvs komplexbildning inkluderar bindningsbildning åtföljd av elektronöverföring. Naturen hos den bildade koppar-dioxygenaddukten är mycket varierande och beror på många faktorer, inklusive ligand/proteintyp (t.ex. S vs. N), resulterande koordinationsnummer och geometri, antalet kopparjoner i närheten, etc. ( ser Bild 6 ).

Figur 6 . Syntetiskt härledda mono- och dinukleära kopparkomplex ligerade till O2-härledda arter. Understrukna arter har observerats i biologiska system.


Primära och sekundära detektionsreagenser

Både enzym- och makrofluoroformarkörer kan kopplas direkt till målspecifika affinitetsreagens (primär detektion) eller till mer generiska affinitetsreagens som bildar stabila komplex med omärkta primära reagens, vanligtvis på basis av immunoigenkänning (sekundär detektion). Som anges schematiskt i Figur 6.1.1sekundär detektion ger i sig en viss grad av signalförstärkning, även om ibland på bekostnad av ytterligare bakgrund på grund av ospecifik bindning. Dessa grundläggande begrepp för primär och sekundär detektion gäller inte bara för signalförstärkningsteknikerna som behandlas i det aktuella kapitlet utan också för de färgämnesmärkta affinitetsreagensen som beskrivs i Antikroppar, Avidiner och Lektiner—Kapitel 7.

Primära detektionsreagenser

Varje lätt detekterbar molekyl som binder direkt till ett specifikt mål är ett primärt detektionsreagens. Sådana reagens detekteras genom fluorescens, kemiluminescens, absorption eller elektrondiffraktion tillförd av stabilt fästa markörer. Konjugerings- och tvärbindningskemin som används för att skapa dessa stabila bindningar diskuteras i detalj i Fluoroforer och deras aminreaktiva derivat—kapitel 1, tiolreaktiva sönder—kapitel 2 och tvärbindnings- och fotoaktiverbara reagens—kapitel 5. Förutom våra fluorofor-märkta anti-dye antikroppar (Anti-Dye and Anti-Hapten Antibodies—Avsnitt 7.4) och monoklonala antikroppar (www.invitrogen.com/handbook/antibodies), många av Molecular Probes platsselektiva produkter kan betraktas som primära detektionsreagenser. Dessa inkluderar våra fluorescerande lektiner (lektiner och andra kolhydratbindande proteiner—Avsnitt 7.7), nukleinsyrafläckar (Nukleinsyradetektering och analys—kapitel 8), protein- och glykoproteinfläckar (Proteindetektion på geler, bläckar och arrayer—Avsnitt 9.3, Detektering Proteinmodifieringar—avsnitt 9.4), fallotoxiner (sonder för aktin—avsnitt 11.1), membransonder (sonder för lipider och membran—kapitel 13), annexin V-konjugat för att detektera apoptotiska celler (analyser för apoptos—avsnitt 15.5) och olika läkemedel och ämnen. analoger (Sonder för neurotransmittorreceptorer—Avsnitt 16.2, Prober för jonkanaler och bärare—Avsnitt 16.3). Dessa primära detektionsreagens kan typiskt detekteras med fluorescensmikroskopi, fluorometri eller flödescytometrimetoder.

Sekundära detektionsreagenser

Även om många biomolekyler, såsom antikroppar och lektiner, binder selektivt till ett biologiskt mål, behöver de vanligtvis modifieras kemiskt innan de kan detekteras. Ofta är biomolekylen konjugerad till ett fluorescerande eller kromoforiskt färgämne eller till ett tungt atomkomplex såsom kolloidalt guld. Men forskaren kanske vill undvika den tid och kostnad som krävs för dessa konjugationer och istället välja att använda ett mer generiskt sekundärt detektionsreagens. Vanligtvis känner sekundära detektionsreagenser igen en speciell klass av molekyler. Till exempel kan märkta get-anti-mus-IgG-antikroppar användas för att lokalisera en enorm mängd målspecifika monoklonala musantikroppar. Vårt omfattande utbud av sekundära antikroppar (sekundära immunoreagens—avsnitt 7.2) tillhandahåller ett brett urval av etiketter inklusive vår överlägsna Alexa Fluor färgämnesserie, fykobiliproteiner, Alexa Fluor färgämne-fykobiliprotein tandemfluoroforer, Qdot nanokristaller, biotin och enzymmärkningar (HRP och alkaliska fosfataser). Vi erbjuder också många alternativ när det gäller immunreaktivitet, ett viktigt övervägande för att undvika förvirrande korsreaktivitet när man utför samtidig sekundär immunodetektion av två eller flera mål.Vår märkta sekundära antikroppsportfölj innehåller antikroppar mot IgG och IgM från flera däggdjursarter, inklusive olika isotyper av mus-IgG, såväl som antikroppar mot fågel (kyckling) IgY. Vår Zenon-antikroppsmärkningsteknologi (Zenon Technology: Versatile Reagents for Immunolabeling—Avsnitt 7.3) använder konjugat av ett Fc-specifikt anti-IgG Fab-fragment för snabb och kvantitativ märkning av motsvarande mus-, kanin-, get- eller humanantikropp.


Innehåll

Syre används som medicinsk behandling i både kroniska och akuta fall, och kan användas på sjukhus, prehospitalt eller helt utanför sjukhus.

Kroniska tillstånd Redigera

En vanlig användning av extra syre är hos personer med kronisk obstruktiv lungsjukdom (KOL), förekomsten av kronisk bronkit eller emfysem, en vanlig långtidseffekt av rökning, som kan behöva extra syre för att andas antingen under en tillfällig försämring av deras tillstånd. , eller hela dagen och natten. Det är indicerat hos personer med KOL, med arteriellt syrepartialtryck Pa O
2 ≤ 55 mmHg (7,3 kPa) eller arteriell syremättnad Sa O
2 ≤ 88 % och har visat sig öka livslängden. [13] [14] [15]

Syre ordineras ofta till personer med andfåddhet, i slutskedet av hjärt- eller andningssvikt, avancerad cancer eller neurodegenerativ sjukdom, trots att de har relativt normala syrenivåer i blodet. En studie från 2010 med 239 försökspersoner fann ingen signifikant skillnad i att minska andfåddhet mellan syre och luft som levereras på samma sätt. [16]

Akuta tillstånd Redigera

Syre används i stor utsträckning inom akutmedicin, både på sjukhus och av akutsjukvård eller de som ger avancerad första hjälpen.

I den prehospitala miljön är högflödessyre indicerat för användning vid återupplivning, större trauma, anafylaxi, större blödningar, chock, aktiva konvulsioner och hypotermi. [17] [18]

Det kan också vara indicerat för andra personer där deras skada eller sjukdom har orsakat låga syrenivåer, även om syreflödet i detta fall bör modereras för att uppnå syremättnadsnivåer, baserat på pulsoximetri (med en målnivå på 94–96 % i mest, eller 88–92 % hos personer med KOL). [17] [8] Överdriven användning av syre hos de som är akut sjuka ökar dock risken för dödsfall. [8] Under 2018 var rekommendationerna inom British Medical Journal att syrgas bör stoppas om saturationer är större än 96 % och inte bör startas om över 90 till 93 %. [19] Undantag var de med kolmonoxidförgiftning, klusterhuvudvärk, attacker av sicklecellssjukdom och pneumothorax. [19]

För personligt bruk används högkoncentrationssyre som hemterapi för att avbryta klusterhuvudvärkattacker, på grund av dess vasokonstriktiva effekter. [20]

Personer som får syrgasbehandling för låg syrehalt efter en akut sjukdom eller sjukhusvistelse bör inte rutinmässigt få en receptförnyelse för fortsatt syrgasbehandling utan att en läkare har gjort en ny bedömning av personens tillstånd. [21] Om personen har återhämtat sig från sjukdomen förväntas hypoxemin att försvinna och ytterligare vård skulle vara onödig och ett slöseri med resurser. [21]

Många EMS-protokoll indikerar att syre inte bör undanhållas från någon, medan andra protokoll är mer specifika eller omtänksamma. Det finns dock vissa situationer där syrgasbehandling är känd för att ha en negativ inverkan på en persons tillstånd. [22]

Syre ska aldrig ges till en person som har parakvatförgiftning såvida de inte har allvarliga andningsbesvär eller andningsstopp, eftersom detta kan öka toxiciteten. Parakvatförgiftning är sällsynt med cirka 200 dödsfall globalt från 1958 till 1978. [23] Syrebehandling rekommenderas inte för personer som har lungfibros eller andra lungskador till följd av bleomycinbehandling. [24]

Höga nivåer av syre som ges till spädbarn orsakar blindhet genom att främja överväxt av nya blodkärl i ögat som hindrar synen. Detta är retinopati av prematuritet (ROP).

Syre har vasokonstriktiva effekter på cirkulationssystemet, vilket minskar den perifera cirkulationen och ansågs en gång kunna öka effekterna av stroke. Men när ytterligare syre ges till personen, löses ytterligare syre i plasman enligt Henrys lag. Detta gör att en kompenserande förändring kan inträffa och det lösta syret i plasma stöder generade (syresvältade) neuroner, minskar inflammation och hjärnödem efter stroke. Sedan 1990 har hyperbar syrgasbehandling använts vid behandlingar av stroke över hela världen. I sällsynta fall har personer som fått hyperbar syrgasbehandling haft anfall. Men på grund av den tidigare nämnda Henry's Law-effekten av extra tillgängligt löst syre till neuroner, finns det vanligtvis ingen negativ uppföljare till händelsen. Sådana anfall är i allmänhet ett resultat av syretoxicitet, [25] [26] även om hypoglykemi kan vara en bidragande faktor, men den senare risken kan utrotas eller minskas genom att noggrant övervaka personens näringsintag innan syrgasbehandling.

Syre första hjälpen har använts som akutbehandling för dykskador i åratal. [27] Återkompression i en hyperbarisk kammare med personen som andas 100 % syre är det vanliga sjukhusets och militära medicinska svaret på dekompressionssjukdom. [27] [28] [29] Framgången med rekompressionsterapi samt en minskning av antalet rekompressionsbehandlingar som krävs har visat sig om första hjälpen syrgas ges inom fyra timmar efter att det har kommit till ytan. [30] Det finns förslag på att syretillförsel kanske inte är den mest effektiva åtgärden för behandling av tryckfallssjukdom och att heliox kan vara ett bättre alternativ. [31]

Kronisk obstruktiv lungsjukdom Edit

Försiktighet måste iakttas hos personer med kronisk obstruktiv lungsjukdom, såsom emfysem, särskilt hos dem som är kända för att behålla koldioxid (andningssvikt typ II). Sådana människor kan ytterligare ackumulera koldioxid och sänkt pH (hyperkapnation) om de tillförs extra syre, vilket möjligen äventyrar deras liv. [32] Detta är främst ett resultat av obalans mellan ventilation och perfusion (se Effekt av syre på kronisk obstruktiv lungsjukdom). [33] I värsta fall kan administrering av höga nivåer av syre hos personer med svår emfysem och hög koldioxidhalt i blodet minska andningsdriften till den grad att den utlöser andningssvikt, med en observerad ökning av dödligheten jämfört med dem som får titrerad syrgasbehandling. [32] Risken för förlust av andningsdrift uppvägs dock vida av riskerna med att undanhålla akut syrgas, och därför är akut administrering av syrgas aldrig kontraindicerat. Överföring från fältvård till definitiv vård, där syrgasanvändningen kan kalibreras noggrant, sker vanligtvis långt innan betydande minskningar av andningsdriften.

En studie från 2010 har visat att titrerad syrgasbehandling (kontrollerad administrering av syrgas) är mindre av fara för personer med KOL och att andra, icke-KOL-personer, också i vissa fall kan ha större nytta av titrerad behandling. [32]

Brandrisk Edit

Högkoncentrerade syrekällor främjar snabb förbränning. Syre i sig är inte brandfarligt, men tillsatsen av koncentrerat syre till en brand ökar kraftigt dess intensitet och kan underlätta förbränning av material (som metaller) som är relativt inerta under normala förhållanden. Brand- och explosionsrisk föreligger när koncentrerade oxidanter och bränslen förs in i närheten, men en antändningshändelse, såsom värme eller en gnista, behövs för att utlösa förbränning. [34] Ett välkänt exempel på en oavsiktlig brand accelererad av rent syre inträffade i rymdfarkosten Apollo 1 i januari 1967 under ett marktest som dödade alla tre astronauterna. [35] En liknande olycka dödade den sovjetiske kosmonauten Valentin Bondarenko 1961.

Förbränningsrisker gäller också föreningar av syre med hög oxidativ potential, såsom peroxider, klorater, nitrater, perklorater och dikromater eftersom de kan donera syre till en brand. [ relevant? ]

Koncentrerad O
2 kommer att tillåta förbränningen att fortskrida snabbt och energiskt. [34] Stålrör och lagringskärl som används för att lagra och överföra både gasformigt och flytande syre kommer att fungera som ett bränsle och därför konstruktionen och tillverkningen av O
2 system kräver särskild utbildning för att säkerställa att antändningskällor minimeras. [34] Högkoncentrerat syre i högtrycksmiljö kan spontant antända kolväten som olja och fett, vilket resulterar i brand eller explosion. Värmen som orsakas av snabb trycksättning fungerar som antändningskälla. Av denna anledning måste lagringskärl, regulatorer, rörledningar och all annan utrustning som används med högkoncentrerat syre vara "syrerena" före användning, för att säkerställa frånvaron av potentiella bränslen. Detta gäller inte bara för rent syre, någon koncentration som är betydligt högre än atmosfären (cirka 21%) innebär en potentiell risk.

Sjukhus i vissa jurisdiktioner, såsom Storbritannien, har nu "rökningsförbud", som även om de införts av andra skäl stöder målet att hålla antändningskällor borta från medicinskt syrgas. Registrerade antändningskällor av medicinskt föreskrivet syre inkluderar ljus, aromaterapi, medicinsk utrustning, matlagning och tyvärr avsiktlig vandalisering. Rökning av pipor, cigarrer och cigaretter är av särskilt intresse. Dessa policyer eliminerar inte helt risken för skador med bärbara syrgassystem, särskilt om efterlevnaden är dålig. [36]

Alternativ medicin Redigera

Vissa utövare av alternativ medicin har främjat "syreterapi" som ett botemedel mot många mänskliga sjukdomar inklusive AIDS, Alzheimers sjukdom och cancer. Proceduren kan innefatta injicering av väteperoxid, syresättning av blod eller administrering av syre under tryck till ändtarmen, slidan eller annan kroppsöppning. [ citat behövs ] Enligt American Cancer Society, "tillgängliga vetenskapliga bevis stöder inte påståenden om att syrefrigörande kemikalier i en persons kropp är effektivt vid behandling av cancer", och vissa av dessa behandlingar kan vara farliga. [37]


RESULTAT

Borttagning av Psd1 och Pem2 förändrar dramatiskt mitokondriell PE/PC-förhållande

För att dissekera rollerna för de två mest förekommande mitokondriella fosfolipiderna, PE och PC, i MRC-funktion och bildning in vivo, fokuserade vi på psdlΔ och pem2Δ celler, som saknar nyckelenzymer för PE- respektive PC-biosyntes (Figur 1). Tidigare studier har visat att fosfolipidsammansättning och mitokondriell biogenes är beroende av kolkällan som används i tillväxtmediet (Tuller et al., 1999). Därför analyserade vi fosfolipidsammansättningen av jästceller odlade i glukoshaltiga, fermenterbara (SC-glukos) eller laktatinnehållande, icke-fermenterbara (SC-laktat) kolkällor. Helcellsfosfolipidanalys av glukosodlad psdlΔ celler avslöjade en trefaldig minskning av PE med en åtföljande ökning av PC (Figur 2A). Omvänt, pem2Δ celler visade en 15-faldig minskning av PC, med en tvåfaldig ökning av PE och dess prekursor, fosfatidylmonometyletanolamin (PMME), som inte kunde separeras med TLC som användes i denna studie (Figur 2A). Liknande PE- och PC-förändringar observerades när psdlΔ och pem2Δ celler odlades i ett medium innehållande laktat (Figur 2B). För att analysera mitokondriell fosfolipidsammansättning erhöll vi mycket renade mitokondrier med minimal kontaminering från andra cellulära organeller (Figur 2C). I enlighet med helcellsfosfolipidsammansättningen minskade nivåerna av PE med ungefär sex gånger i psdlΔ mitokondrier (Figur 2D). Minskningen av PE in psdlΔ mitokondrier åtföljdes av förändringar i andra fosfolipider, inklusive en signifikant ökning av PC och PA och en minskning av CL (Figur 2D). I pem2Δ mitokondrier minskade PC-nivåerna femfaldigt, medan PE/PMME-innehållet fördubblades (Figur 2D). Vi observerade också en betydande ackumulering av fosfatidyldimetyletanolamin i pem2Δ mitokondrier (Figur 2D). I både glukos- och laktathaltiga medier förändrades inte de absoluta fosfolipidnivåerna i hela celler och i isolerade mitokondrier i någon av mutanterna i förhållande till vildtypscellerna (WT) (Figur 2, EG). Dessa resultat tyder på att det i jästceller existerar en homeostatisk mekanism som buffrar celler mot förlusten av den absoluta mängden membranfosfolipider så att utarmningen av PE kompenseras av en ökning av PC och vice versa. Därför psdlΔ och pem2Δ celler har ett signifikant förändrat PE/PC-förhållande utan någon förändring i deras absoluta mängd membranfosfolipider. Det mitokondriella PE/PC-förhållandet i WT var 0,503, vilket reducerades till 0,065 i psdlΔ celler och ökade till 6,02 tum pem2Δ celler. Trots dessa dramatiska avvikelser i de mitokondriella PE/PC-förhållandena i psdlΔ och pem2Δ celler, var den totala cellulära och mitokondriella morfologin oförändrad, med endast en liten minskning av den genomsnittliga längden av mitokondriella kristae och yttre membran i psdlΔ celler (kompletterande figur S1). Det var ingen förändring i mitokondriella cristae längd på pem2Δ celler, men vi observerade en liten minskning av den genomsnittliga yttre membranlängden (tilläggsfigur S1). Sammantaget visar dessa resultat att jästceller kan tolerera omfattande förändringar i mitokondriella PE/PC-förhållanden och att en minskning av PE-nivån motverkas av en ökning av PC och vice versa.

FIGUR 2: Cellulär och mitokondriell fosfolipidsammansättning av psdlΔ och pem2Δ celler. Helcellsfosfolipidsammansättningen av WT, psdlΔ, och pem2Δ celler odlade i (A) SC-glukos och (B) SC-laktat. Fosfolipidnivåer uttrycks som procentandelen av totalt fosfolipidfosfor i varje fosfolipidklass. PE # representerar summan av PE och PMME in pem2Δ celler. Data uttrycks som medelvärde ± SD (n = 3) **sid < 0,005, *sid < 0,05. (C) Western blot-analys av rå och sackaros-gradient renade mitokondrier från WT-celler. Cox2, Dpm1, Pho8 och Pgk1 används som markörer för jästmitokondrierna, ER, vakuolen respektive cytoplasman. (D) Fosfolipidsammansättning av sackarosgradientrenade mitokondrier från WT, psdlΔ, och pem2Δ celler odlade i SC-laktat. Data uttrycks som medelvärde ± SD (n = 3) **sid < 0,005, *sid < 0,05. (E, F) Totalt fosfolipidinnehåll i helcellshomogenat av WT, psdlΔ, och pem2Δ celler odlade i (E) SC-glukos eller (F) SC-laktat. (G) Totalt fosfolipidinnehåll i mitokondrier från SC laktat-odlade celler. Data uttrycks som medelvärde ± SD (n = 3).

Minskad mitokondriell PE/PC-kvot resulterar i minskade andnings- och ATP-nivåer

För att dissekera de specifika rollerna för PC och PE i MRC-funktion utförde vi omfattande tillväxtkarakterisering av psdlΔ och pem2Δ celler i olika kolkällor. Tillväxten av psdlΔ och pem2Δ celler i fermenterbart SC-glukosmedium var jämförbart med det för WT-celler (Figur 3A och Kompletterande Figur S2A). Överensstämmer med tidigare arbete (Birner et al., 2001), tillväxten av psdlΔ celler i icke-fermenterbart SC-laktatmedium var allvarligt äventyrade, medan pem2Δ celler kunde växa, om än i en något reducerad hastighet (Figur 3B och Kompletterande Figur S2B). Tillväxtdefekterna i ickefermenterbart medium antydde andningsbrist. För att direkt bedöma andningen mätte vi syreförbrukningen i WT, psdlΔ, och pem2Δ celler. I överensstämmelse med den kraftigt minskade respiratoriska tillväxten psdlΔ celler hade en minskning av syreförbrukningen på ~60 % jämfört med WT-celler (Figur 3, C och D). Syreförbrukning i pem2Δ celler var jämförbara med WT-celler i SC-laktat och till och med något förhöjda i SC-glukosmedium (Figur 3, C och D). Den minskade tillväxten av pem2Δ celler kan bero på defekter i mitokondriella proteinimportmaskiner, som rapporterades nyligen (Schuler et al., 2015), och inte till defekter i andning i sig. I enlighet med minskad andning i psdlΔ celler, observerade vi en signifikant 50% minskning av ATP-nivåerna, medan ATP-nivåerna i de respiratoriska kompetenta pem2Δ celler var oförändrade (Figur 3, E och F). Dessa resultat tyder på att mitokondriell PE, men inte PC, är avgörande för att upprätthålla normal andning.

FIGUR 3: Mitokondriell andning är beroende av PE men inte PC-nivåer. Tiofaldiga serieutspädningar av WT, psdlΔ, och pem2Δ celler placerades på (A) SC-glukos- och (B) SC-laktatplattor, och bilder togs efter 2 (SC-glukos) eller 5 dagar (SC-laktat) tillväxt vid 30°C. Data är representativa för minst tre oberoende experiment. (C, D) WT, psdlΔ, och pem2Δ celler odlades i (C) SC-glukos eller (D) SC-laktat till sen log-fas, och hastigheten för syreförbrukningen mättes. Data uttrycks som medelvärde ± SD (n = 6) *sid < 0,05, **sid < 0,005. (E, F) Cellulära ATP-nivåer av WT, psdlΔ, och pem2Δ celler odlade i (E) SC-glukos eller (F) SC-laktat. Data uttrycks som medelvärde ± SD (n = 3) *sid < 0,05.

Minskad mitokondriell PE/PC-förhållande minskar MRC superkomplexa aktiviteter utan att påverka superkomplexbildning

För att fastställa den biokemiska grunden för minskad andning i PE-utarmade celler analyserade vi nivåerna av naturliga och denaturerade MRC-komplex i mitokondrielysatet från WT, psdlΔ, och pem2Δ celler odlade i SC laktatmedium. Det fanns ingen förändring i steady-state-nivåerna för individuella MRC-underenheter (tilläggsfigur S3) eller deras inkorporering i helt sammansatta MRC-komplex i någon av mutantcellerna (Figur 4, A och B). Som rapporterats tidigare, stördes MRC-superkomplex innehållande komplex III och IV i CL-saknad crdlΔ celler (Zhang et al., 2002 Pfeiffer et al., 2003). Dessa resultat antyder att minskad PE och åtföljande 33% minskning av CL-nivåer i psdlΔ är otillräckliga för att störa superkomplexbildning. Det märkte vi pem2Δ celler, som uppvisar ett ökat PE/PC-förhållande, visade en förbättrad bildning av ett större superkomplex (III2IV2) på bekostnad av det mindre superkomplexet (III2IV Figur 4A). Bristen på förändringar i mängden och sammansättningen av MRC-komplexen kan inte förklara andningsbrist hos psdlΔ celler, vilket tyder på att den minskade andningen kan bero på en minskning av MRC-aktiviteten. Därför mätte vi de enzymatiska aktiviteterna hos MRC-komplex och observerade fyra- och 2,5-faldiga minskningar av komplex III- respektive IV-aktiviteter i psdlΔ celler (Figur 4, C och D). Den specifika minskningen av komplexa III- och IV-aktiviteter kan delvis förklara de andningsdefekter som observerats i psdlΔ celler. Aktiviteterna för MRC-komplex var jämförbara i WT och pem2Δ celler (Figur 4, C och D), vilket överensstämmer med den normala respiratoriska fenotypen av pem2Δ celler. Tillsammans visar dessa resultat specifika krav på CL för MRC-superkomplexbildning och PE för MRC-komplex III och IV-aktiviteter, medan PC är redundant för dessa funktioner.

FIGUR 4: Mitokondriell PE krävs för MRC-komplex III och IV-aktiviteter men inte MRC-superkomplexbildning. (A) Mitokondrier från SC-laktat-odlade celler solubiliserades med 1% digitonin och utsattes för BN-PAGE/Western blot, och komplex II-V detekterades av Sdh2-, Rip1-, Cox2- respektive Atp2-antikroppar. Mitokondrier från CL-brist crdlΔ celler användes som positiv kontroll för att visa förlust av superkomplex (III2IV2, stort superkomplex III2IV, litet superkomplex) under identiska förhållanden. (B) Prover från A färgades med Coomassie-blått för att visa lika belastning. (C) Digitonin-solubiliserade mitokondriella komplex från WT, psdlΔ, och pem2Δ celler separerades med CN-PAGE, följt av in-gelaktivitetsfärgning för komplex II–V. In-gel-aktiviteter för MRC-komplex kvantifierades genom densitometrisk analys, och relativa aktiviteter plottades för komplex II–V. Data normaliserades till WT-celler och uttrycktes som medelvärde ± SD (n = 3) **sid < 0,005. (D) Prover från C färgades med Coomassie-blått och totalt protein, kvantifierat med densitometrisk analys, användes för att normalisera aktivitetsfärgning.

Utarmning av PE resulterar i en specifik förlust av mitokondrie-DNA-kodade MRC-subenheter

I motsats till tidigare studier (Bottinger et al., 2012 Tasseva et al., 2013), som rapporterade avvikande bildning av MRC-superkomplex i PE-utarmade celler, fann vi inga förändringar i MRC-superkomplexen i psdlΔ celler. Vi resonerade att denna diskrepans kunde relateras till användningen av olika tillväxtförhållanden och kolkällor i dessa studier. Faktum är att vi fann minskade nivåer av MRC-superkomplex (III2IV2 och III2IV) i glukosodlad psdlΔ celler (Figur 5A). Dessa kolkälla-beroende skillnader i MRC superkomplex montering kan bero på ökad petite bildning i psdlΔ celler, som rapporterats tidigare (Birner et al., 2001). Den petita fenotypen är ett resultat av mutationer i mitokondriellt genom eller förlust av mitokondriellt DNA (mtDNA), vilket leder till förlust av mtDNA-kodade MRC-subenheter. I enlighet med den tidigare rapporten fann vi en betydande ökning av antalet små kolonier i området psdlΔ mutant (kompletterande figur S4). Följaktligen visade SDS-PAGE/Western blot-analys av MRC-subenheter en specifik minskning av steady-state-nivåerna av mtDNA-kodade subenheter Cox1, Cox2 och Cox3 (Figur 5B) utan att påverka nivåerna av de nukleärkodade subenheterna Sdh2, Rip1 , Cox4 och Atp2 (Figur 5C). Till skillnad från PE-utarmad psdlΔ celler, förlust av PC in pem2Δ celler resulterade inte i några förändringar i sammansättningen eller steady-state nivåer av MRC-komplex eller petite bildning (Figur 5 och Kompletterande Figur S4). Sammantaget tyder dessa resultat på att minskningen av MRC-superkomplexnivåerna hos glukosodlade psdlΔ celler resulterar från förlusten av mtDNA-kodade subenheter.

FIGUR 5: Utarmning av mitokondriell PE i glukosodlad psdlΔ celler resulterar i en specifik förlust av mtDNA-kodade MRC-subenheter. (A) Digitonin-solubiliserade mitokondrier från SC glukosodlad WT, psdlΔ, och pem2Δ celler utsattes för BN-PAGE/Western blöt. Komplex II–V detekterades av Sdh2-, Rip1-, Cox2- respektive Atp2-antikroppar. Data är representativa för minst tre oberoende experiment. (B) Mitokondrier från SC glukosodlad WT, psdlΔ, och pem2Δ celler utsattes för SDS-PAGE och mtDNA-kodade subenheter undersöktes med Cox1, Cox2 och Cox3 antikroppar. (C) Kärnkodade subenheter sonderades med användning av Sdh2, Rip1, Cox4 och Atp2. Porin användes som laddningskontroll. Data är representativa för minst tre oberoende experiment.

PE syntetiserad via Kennedy-vägen räddar fullständigt andningsdefekter av psdlΔ celler genom att återställa mitokondriella PE-nivåer

För att avgöra om PE syntetiserat i ER av cytidindifosfat-Etn-grenen av Kennedy-vägen kunde kompensera för förlusten av mitokondriell PE, växte vi psdlΔ celler i närvaro av Etn och uppmätta cellulära och mitokondriella fosfolipider. Etn tillskott i psdlΔ celler återställde helt cellulär PE och återställde signifikant mitokondriella PE-nivåer (Figur 6, A och B). Av intresse, tillskott av Etn räddade inte bara mitokondriella PE-nivåer, utan det återställde också PA- och CL-nivåer i psdlΔ mitokondrier (Figur 6B), vilket antyder att en ännu oidentifierad homeostatisk mekanism reglerar den exakta andelen individuella fosfolipider i mitokondriella membran. Därefter frågade vi om den partiella restaureringen av mitokondriell PE genom exogent Etn-tillskott kunde återställa de andningsdefekter som observerats i psdlΔ celler. Faktum är att Etn-tillskott räddade respiratorisk tillväxtdefekt av psdlΔ celler i SC laktatmedium (Figur 6, C och D). I enlighet med räddningen av respiratorisk tillväxt återställde Etn-tillskott syreförbrukningen (Figur 6E) och cellulärt ATP-innehåll (Figur 6F) i psdlΔ celler till WT-nivåer. För att undersöka mekanismen genom vilken Etn räddade andning, mätte vi MRC-komplex III och IV-aktiviteter och fann att de återställdes till WT-nivåer i Etn-supplerad psdlΔ celler (Figur 6, G och H). Etn-tillskott återställde inte bara andningsfunktionen i SC-laktat, utan det räddade också petitebildning och cellulära ATP-nivåer i SC-glukosmedium (kompletterande figur S5, A och B). Sammantaget visar dessa resultat att PE syntetiserat i ER av Kennedy-vägen kan fylla på mitokondriell PE och återställa MRC-komplex III och IV-aktiviteter i psdlΔ celler.

FIGUR 6: Etanolamintillskott räddar andningsdefekter av psdlΔ celler genom att återställa mitokondriella PE-nivåer. (A) Cellulär och (B) mitokondriell fosfolipidsammansättning av WT-celler odlade i SC-laktat och psdlΔ celler odlade i SC-laktat med och utan 2 mM Etn. Fosfolipidnivåer uttrycks som procent av totalt fosfolipidfosfor i varje fosfolipidklass. Data uttrycks som medelvärde ± SD (n = 3) **sid < 0,005, *sid < 0,05. Tiofaldiga serieutspädningar av WT och psdlΔ celler fläckades på (C) SC laktat och (D) SC laktat + 2 mM Etn plattor, och bilder togs efter 4 dagars tillväxt vid 30°C. Data är representativa för minst tre oberoende försök. (E) Hastighet av syreförbrukning och (F) totala cellulära ATP-nivåer av WT och psdlΔ celler odlade i SC-laktat ± 2 mM Etn till sen logaritmisk fas kvantifierades. Data uttrycks som medelvärde ± SD (n = 3) *sid < 0,05, **sid < 0,005 (G, H) Digitonin-solubiliserade mitokondriella komplex från WT och psdlΔ celler odlade i SC-laktat ± 2 mM Etn separerades med CN-PAGE, följt av in-gelaktivitetsfärgning för (G) komplex III och (H) komplex IV. Densitometriska kvantifieringar av relativa in-gel-aktiviteter för komplex III och IV. Data normaliserades till WT-celler och uttrycks som medelvärde ± SD (n = 3) **sid < 0,005, *sid < 0,05. A.U., godtyckliga enheter.

Endoplasmatisk retikulum-mitokondrier mötesstruktur underlättar Etn-beroende räddning av mitokondriell PE-brist

Den fullständiga räddningen av mitokondriella bioenergetiska fenotyper och respiratorisk tillväxt av psdlΔ celler genom Etn-tillskott innebär effektiv transport av PE från ER till mitokondrier (Figur 7A). För att förstå den molekylära grunden för PE-import till mitokondrier, fokuserade vi på det endoplasmatiska retikulum-mitokondriernas mötesstruktur (ERMES), en mitokondrier-ER-tjudningsstruktur som föreslås vara involverad i handel med fosfolipider mellan ER och mitokondrier (Kornmann et al., 2009). För det första, för att utesluta möjligheten att Etn själv eller en av dess metaboliter är ansvarig för psdlΔ räddning, vi raderade Kennedy-vägenzymet Ect1 in psdlΔ celler och visade att räddningen av psdlΔ celler av Etn upphävs helt (Figur 7B). Detta resultat visar tydligt att PE syntetiserat via Kennedy-vägen är väsentligt för psdlΔ rädda. Därefter raderade vi två ERMES-subenheter, Mdm34 eller Mdm12, som båda innehåller den synaptotagminliknande mitokondriella lipidbindande proteindomänen (SMP AhYoung et al., 2015), i psdlΔ celler och fann att Etn-räddning reduceras i de dubbla mutanterna (Figur 7, C och D). För att avslöja involveringen av ERMES-komplexet i PE-transport, mätte vi fosfolipidnivåerna i mitokondrier av psdlΔmdm34Δ celler med och utan Etn-tillskott. Vi observerade inte någon signifikant minskning av de stadiga nivåerna av mitokondriell PE i dubbelmutanten jämfört med psdlΔ enskild mutant efter Etn-tillskott (tilläggsbild S6). Dessa resultat tyder på att ERMES inte är väsentligt för import av icke-mitokondriell PE till mitokondrier utan endast indirekt kan underlätta Etn-medierad räddning av psdlΔ celler.

FIGUR 7: PE syntetiserat av Kennedy-vägen kräver ERMES för fullständig räddning av mitokondriell PE-brist. (A) Schematisk representation av Kennedy-vägen för PE-biosyntes och ERMES-komplexet. Kennedy-vägenzymet Ect1, mitokondriell Psd1, och Mdm34 och Mdm12 av ERMES-komplexet är avbildade i fetstil för att indikera att dessa gener är inriktade på att konstruera dubbel-knockout-stammar. Tiofaldiga serieutspädningar av (B) WT, ectlΔ, psdlΔ, och psdlΔectlΔ, (C) WT, psdlΔ, mdm34Δ, och psdlΔmdm34Δoch (D) WT, psdlΔ, mdm12Δ, och psdlΔmdm12Δ celler placerades på SC-glukos- och SC-laktat ± Etn-plattor, och bilder togs efter 2 (SC-glukos) eller 5 d (SC-laktat ± Etn) tillväxt vid 30°C. Data är representativa för minst tre oberoende experiment.


6.1: Introduktion till syrekrav - Biologi

Daphnia är en ofta använd födokälla i sötvattenslarvodling (dvs för olika karparter) och i prydnadsfiskindustrin (dvs guppies, svärdsvansar, black mollies och plattys etc.)

Daphnia tillhör underordningen Cladocera, som är små kräftdjur som nästan uteslutande lever i sötvatten. Ryggskölden omsluter hela stammen, utom huvudet och den apikala ryggraden (när den finns). Huvudet skjuter ut ventralt och något bakåt i en näbbliknande nos. Stambihangen (fem eller sex par) är tillplattade, lövliknande strukturer som tjänar till suspensionsmatning (filtermatare) och för rörelse. Den främre delen av stammen, postabdomen vänds ventralt och framåt och bär speciella klor och taggar för att rengöra ryggskölden (Fig. 6.1.). Arter av släktet Daphnia finns från tropikerna till det arktiska området, i livsmiljöer som varierar i storlek från små dammar till stora sötvattensjöar. För närvarande rapporteras 50 arter av Daphnia över hela världen, av vilka endast sex av dem normalt förekommer i tropiska lågland.

Den vuxna storleken utsätts för stora variationer när maten är riklig, tillväxten fortsätter under hela livet och stora vuxna kan ha en kroppslängd som är dubbelt så stor som nymogna individer. Förutom skillnader i storlek kan den relativa storleken på huvudet ändras successivt från en rund till hjälmliknande form mellan vår och midsommar. Från midsommar till höst ändras huvudet tillbaka till den normala runda formen. Dessa olika former kallas cyklomorfer och kan induceras, som i hjuldjur, av interna faktorer, eller kan vara resultatet av en interaktion mellan genetiska och miljömässiga förhållanden.

Normalt finns det 4 till 6 instar stadier Daphnia växer från nauplius till mognad genom en serie på 4-5 molter, med perioden främst beroende på temperaturen (11 dagar vid 10°C till 2 dagar vid 25°C) och tillgången på mat . Daphnia-arter reproducerar antingen genom cyklisk eller obligatorisk partenogenes och populationer är nästan uteslutande kvinnor. Ägg produceras i kopplingar på två till flera hundra, och en hona kan producera flera kopplingar, kopplade till smältningsprocessen. Parthenogenetiska ägg produceras ameiotiskt och resulterar i honor, men i vissa fall kan hanar dyka upp. På detta sätt liknar reproduktionsmönstret hjuldjur, där normalt partenogenetiska diploida ägg produceras. De partenogenetiska äggen (deras antal kan variera från 1 till 300 och beror till stor del på storleken på honan och födointaget) läggs i yngelkammaren strax efter ekdysen och kläcks strax före nästa ekdys. Embryonal utveckling hos cladocerans sker i avelspåsen och larverna är miniatyrversioner av de vuxna. I vissa fall överensstämmer inte embryonperioden med yngelperioden, vilket innebär att larverna hålls kvar i yngelkammaren även efter att embryonperioden är avslutad, på grund av uppskjuten ekdys (miljöfaktorer). För olika arter är mognadsperioden anmärkningsvärt enhetlig vid givna temperaturer, från 11 dagar vid 10°C till endast 2 dagar vid 25°C.

Faktorer, såsom förändringar i vattentemperatur eller matförsämring till följd av befolkningsökning, kan inducera produktionen av hanar. Dessa hanar har en eller två gonoporer, som öppnar sig nära anus och kan modifieras till ett kopulatoriskt organ. Hanen omsluter honan med de första antennerna och för in kopulatoriska processer i den enda, median hongonoporen. De befruktade äggen är stora, och endast två produceras i en enda koppling (en från varje äggstock), och är tjocka skal: dessa vilande eller vilande ägg är omslutna av flera skyddande membran, epippium. I denna form är de resistenta mot uttorkning, frysning och matsmältningsenzymer och spelar som sådana en viktig roll för att kolonisera nya livsmiljöer eller för att återupprätta en utsläckt population efter ogynnsamma säsongsförhållanden.

6.1.2. Näringsvärde av Daphnia

Näringsvärdet av Daphnia beror starkt på den kemiska sammansättningen av deras matkälla. Men eftersom Daphnia är en sötvattensart är den inte en lämplig bytesorganism för marina organismer, på grund av dess låga innehåll av essentiella fettsyror, och i synnerhet (n-3) HUFA. Dessutom innehåller Daphnia ett brett spektrum av matsmältningsenzymer såsom proteinaser, peptidaser, amylaser, lipaser och till och med cellulas, som kan fungera som exo-enzymer i fisklarvernas tarm.

6.1.3. Utfodring och näring av Daphnia

Daphnias filtreringsapparat är konstruerad av specialiserade bröstbihang för insamling av matpartiklar. Fem bröstben fungerar som en sug- och tryckpump. Det tredje och fjärde bihangsparet bär stora filterliknande skärmar som filtrerar partiklarna från vattnet. Filtrets effektivitet tillåter även upptag av bakterier (ca 1µm). I en studie om födokvaliteten hos sötvattensväxtplankton för produktion av cladocerans fann man att Daphnia från spektrumet blågröna, flagellater och grönalger klarade sig bäst på en diet av kryptomonaderna Rhodomonas minuta och Cryptomonas sp., innehållande höga halter av HUFA (mer än 50 % av fettsyrorna i dessa två alger bestod av EPA och DHA, medan grönalgerna kännetecknades av mer 18:3n-3). Detta innebär att de långkedjiga fleromättade fettsyrorna är viktiga för en normal tillväxt och reproduktion av Daphnia. Heterotrofa mikroflagelleringar och ciliater upp till storleken av Paramecium kan också användas som föda för Daphnia. Även detritus och bentisk föda kan vara en viktig födokälla, särskilt när födokoncentrationen faller under en viss tröskel. I detta fall virvlar vattenströmmen som produceras av djuren som simmar på botten upp materialet som så småningom intas. Eftersom daphnider verkar vara icke-selektiva filtermatare (dvs. de skiljer inte mellan individuella matpartiklar efter smak) kan höga koncentrationer av suspenderat material störa upptaget av matpartiklar.

Figur 6.1. Schematisk ritning av Daphnias inre och yttre anatomi.

6.1.4. Masskultur av Daphnia

6.1.4.1. Allmän procedur för tankkultur

Daphnia är mycket känsligt för föroreningar, inklusive läckande komponenter från anläggningar. När plast- eller andra polymerbehållare används kommer en viss urlakningstid att vara nödvändig för att eliminera giftiga föreningar.

Den optimala jonsammansättningen av odlingsmediet för Daphnia är okänd, men användning av hårt vatten, innehållande cirka 250 mg.l -1 CO 3 2-, rekommenderas. Kalium- och magnesiumnivåerna bör hållas under 390 mg.l -1 och 30-240 µg. l -1, respektive. Upprätthållande av pH mellan 7 och 8 verkar vara viktigt för framgångsrik Daphnia-odling. För att bibehålla vattnets hårdhet och höga pH-värden tillsätts normalt kalk till tankarna. Den optimala odlingstemperaturen är cirka 25°C och tanken bör luftas försiktigt för att hålla syrenivåerna över 3,5 mg.l -1 (nivåer av löst syre under 1,0 mg.l -1 är dödliga för Daphnia). Ammoniaknivåerna måste hållas under 0,2 mg.l -1.

Inokulering utförs med hjälp av vuxna Daphnia eller vilande ägg. Den initiala tätheten är i allmänhet i storleksordningen 20 till 100 djur per liter.

Normalt är optimala algtätheter för Daphnia-odling cirka 10 5 till 10 6 celler. ml-1 (större arter av Daphnia kan stödja 107 till 109 celler.ml-1). Det finns två tekniker för att erhålla de nödvändiga algtätheterna: det detritala systemet och det autotrofa systemet:

6.1.4.2. Detrital system

Det “stabila teuppfödningssystemet” är ett odlingsmedium som består av en blandning av jord, gödsel och vatten. Gödseln fungerar som ett gödningsmedel för att främja algblomning som daphniderna livnär sig på. Man kan använda färsk hästgödsel (200 g) som blandas med sandig lerjord eller trädgårdsjord (1 kg) i 10 l dammvatten till en stabil stamlösning. Denna lösning utspädd två till fyra gånger kan sedan användas som odlingsmedium. Andra vanliga gödselmedel är: fjäderfägödsel (4 g.l -1 ) eller kogödselsubstrat. Detta system har fördelen att vara självbevarande och Daphnia utsätts inte snabbt för brister, på grund av det breda spektrumet av blommande alger. Odlingsparametrarna i ett detritalt system är dock inte tillräckligt tillförlitliga för att odla Daphnia under standardförhållanden, dvs övergödning kan inträffa, vilket resulterar i anoxiska förhållanden och följaktligen i hög dödlighet och/eller ephippial produktion.

6.1.4.3. Autotrofiska system

Autotrofa system å andra sidan använder tillsats av odlade alger. Gröna vattenkulturer (10 5 till 10 6 celler.ml -1) erhållna från fiskdammsutflöden används ofta men dessa system uppvisar stor variation i produktionshastighet främst på grund av den varierande sammansättningen av alger från ett utflöde till ett annat. Bästa kontroll över odlingsmediet erhålls vid användning av rena algkulturer. Dessa kan vara monokulturer av t.ex.alger som Chlorella, Chlamydomonas eller Scenedesmus, eller blandningar av två algkulturer. Problemet med dessa utvalda medier är att de inte kan upprätthålla många Daphnia-generationer utan tillsats av extra vitaminer till Daphnia-kulturerna. En typisk vitaminblandning finns representerad i tabell 6.1.

Tabell 6.1. En vitaminblandning för den monospecifika kulturen av Daphnia på Selenastrum, Ankistrodesmus eller Chlamydomonas. En ml av denna stamlösning måste tillsättas till varje liter algodlingsmedium (Goulden et al., 1982).

Koncentration av stamlösning (µg.1 -1 )

90

För att beräkna det dagliga algbehovet och för att uppskatta skördetiden måste regelbundna provtagningar av populationstätheten göras rutinmässigt. Skördetekniker kan vara icke-selektiva oavsett storlek eller åldersgrupp, eller selektiva (endast medelstora daphnids skördas, vilket lämnar nyfödda och mogna individer i odlingstanken).

Massodling av Daphnia magna kan också uppnås på billiga agroindustriella restprodukter, som bomullsfrömjöl (17 g.l -1 ), vetekli (6.7 g.l -1 ), etc. Riskli har många fördelar jämfört med andra levande livsmedel (som mikroalger): det finns alltid tillgängligt i stora mängder, det kan köpas enkelt till låga priser, det kan användas direkt efter enkel behandling (mikronisering, avfettning), det kan lagras under långa perioder, den är lätt att dosera och den har inga av problemen med underhåll av algbestånd och kulturer.

Utöver dessa fördelar finns det också det faktum att riskli har ett högt näringsvärde riskli (avfettat) innehållande 24 % (18,3 %) råprotein, 22,8 % (1,8 %) råfett, 9,2 % (10,8 %) råolja fiber och är en rik källa till vitaminer och mineraler. Daphnia kan odlas på denna matvara i ett obegränsat antal generationer utan märkbara brister.

Avfettat riskli föredras framför råriskli eftersom det förhindrar hydrolys av de närvarande fettsyrorna och följaktligen härskning av produkten. Mikronisering av kliet till partiklar på mindre än 60 µm utförs vanligen genom att behandla en vattenhaltig suspension (50 gl -1 ) med en handmixer och filtrera den genom en 60 µm sikt, eller genom att bereda den industriellt med en torr kvarnprocess. Suspensionen administreras i små mängder under en 24-timmarsperiod: 1 g avfettat riskli per 500 individer under två dagar (densitet: 100 djur.l-1). Matomvandlingsförhållandet har ett genomsnitt på 1,7, vilket innebär att med mindre än 2 kg torrt riskli kan cirka 1 kg vått daphnidmaterial produceras (med 25 % vattenförnyelse per vecka De Pauw et al., 1981).

6.1.4.4. Allmän procedur för dammkultur

Daphnia kan även produceras i dammar som är minst 60 cm höga. För att producera 1 ton Daphnia-biomassa per vecka krävs en 2500 m 3 odlingsdamm. Dammen är fylld med 5 cm soltorkad (i 3 dagar) jord som tillsätts kalkpulver med en hastighet av 0,2 kg kalkpulver per ton jord. Därefter fylls dammen med vatten upp till 15 cm. Fjäderfägödsel tillsätts till dammarna den 4:e dagen med en hastighet av 0,4 kg.m -3 för att främja växtplanktonblomning. Gödsling av dammen med organisk gödsel istället för mineralgödsel är att föredra eftersom cladocerans kan utnyttja mycket av gödseln direkt i form av detritus. Dag 12 höjs vattennivån till 50 cm och dammen gödslas en andra gång med fjäderfägödsel (1 kg.m -3 ). Därefter hålls den veckovisa gödslingshastigheten på 4 kg fjäderfägödsel per m -3. Dessutom kan färsk kogödsel också användas: i detta fall framställs en suspension innehållande 10 g.l-1, som sedan filtreras genom en 100 µm sikt. Under den första veckan används ett 10 l extrakt per dag per ton vatten, gödslingen ökar under de efterföljande veckorna från 20 l.m -3 .dag -1 under den andra veckan till 30 l.m -3 .dag -1 under de följande veckorna.

Inokuleringen av dammarna utförs på den 15:e dagen med en hastighet av 10 daphnider per liter. En månad efter ympningen kan blomningar på mer än 100 g.m -3 förväntas. För att upprätthålla vattenkvaliteten i dessa dammar kan färskt hårt vatten tillsättas med en maximal hastighet av 25 % per dag. Skörden utförs genom att koncentrera daphniderna på en 500 µm såll. Den skördade biomassan koncentreras i en luftad behållare (< 200 daphnids.l -1 ). För att separera daphniderna från outfodrade substrat, exuviae och fekalt material, förs innehållet i behållaren på en sil, som är försedd med ett kontinuerligt cirkulärt vattenflöde. De omatade partiklarna, exuviae och avföring kommer att samlas i mitten på botten av silen, medan daphniderna stannar kvar i vattenpelaren. Det oönskade materialet kan sedan avlägsnas med hjälp av en pipett eller sugpump. Skörden kan vara hel eller partiell för partiell skörd, maximalt 30 % av den stående skörden får skördas dagligen.

6.1.4.5. Förorening

Daphniakulturer är ofta oavsiktligt förorenade med hjuldjur. Särskilt Brachionus, Conochilus och vissa bdelloider kan vara skadliga, (dvs. B. rubens lever av daphnider och hindrar simning och matinsamlingsaktiviteter). Brachionus avlägsnas helt enkelt från kulturen genom att spola vattnet och använda en sikt med lämplig maskstorlek eftersom Daphnia är mycket större än Brachionus. Conochilus, å andra sidan, kan elimineras genom att tillsätta kogödsel till kulturen (sänka syrenivåerna). Bdelloider är svårare att ta bort från kulturen eftersom de är resistenta mot ett brett spektrum av miljöförhållanden och till och med torka. Eliminering är dock möjlig genom att skapa starka vattenrörelser, som för in bdelloiderna (som är bottenlevande) i vattenpelaren, och sedan avlägsna dem med hjälp av siktar.

6.1.5. Produktion och användning av viloägg

Viloägg är intressant material för lagring, transport och start av nya Daphnia-kulturer. Produktionen av viloägg kan initieras genom att en del av Daphniakulturen utsätts för en kombination av stressande förhållanden, såsom låg mattillgång, trängsel av djuren, lägre temperaturer och korta fotoperioder. Dessa förhållanden uppnås i allmänhet med åldrande populationer i slutet av säsongen. Insamling av ephippia från det vilda kan utföras genom att ta sedimentprover, skölja dem genom en 200 µm sikt och isolera ephippia under ett binokulärt mikroskop. Normalt förblir dessa embryon i viloläge och kräver en diapaushämning för att avsluta denna status, så att de kan kläckas när förhållandena är optimala. Möjliga diapauseavslutningstekniker är att utsätta epippin för låga temperaturer, mörker, syre och höga koldioxidkoncentrationer under en minimal period av flera veckor (Davison, 1969).

Det finns fortfarande ingen standard kläckningsprocedur för Daphnia. I allmänhet stimuleras kläckningsprocessen genom att exponera epipia för högre temperaturer (17-24°C), starkt vitt ljus (70 W.m -2 ), längre fotoperioder och höga nivåer av löst syre. Det är dock viktigt att dessa stötar ges medan de vilande äggen fortfarande är i epipium. Efter chocken kan äggen tas bort från epipium. Kläckningen kommer sedan att ske efter 1-14 dagar.

6.1.6. Användning av Moina

Moina tillhör också Cladocera och många av de biologiska och kulturella egenskaper som har diskuterats för Daphnia kan appliceras på Moina.

Moina trivs i dammar och reservoarer men bor främst i tillfälliga dammar eller diken. Perioden för att nå reproduktiv mognad tar fyra till fem dagar vid 26°C. Vid mognad kan tydliga könsdimorfa egenskaper observeras i storleken på djuren och antennmorfologin. Hanar (0,6-0,9 mm) är mindre än honor (1,0-1,5 mm) och har långa gripare som används för att hålla honan under parning. Könsmogna honor bär bara två ägg inneslutna i ett epipium som är en del av det dorsala exoskelettet.

Moina är av mindre storlek än Daphnia , med ett högre proteininnehåll och av jämförbart ekonomiskt värde. Producerad biomassa används framgångsrikt i larvodlingen av regnbåge, lax, randig bas och av tropiska fiskhobbyister som också använder den i fryst form för att mata över sextio söt- och saltvattenfiskarter. Den partiella ersättningen av Artemia med Moina micrura rapporterades också ha en positiv effekt under larvodlingen av sötvattensräkan Macrobrachium rosenbergii (Alam, 1992).

Anrikning av Moina kan utföras med den direkta metoden, genom att odla dem på bagerijäst och emulgerade fisk- eller bläckfiskleveroljor. Experiment har visat att Moina tar upp (n-3) HUFA på samma sätt, även om det är långsammare, än hjuldjur och Artemia nauplii, och når en maximal koncentration på cirka 40 % efter en 24 timmars utfodringsperiod.


Ett nivåbiologiprojekt

Detta är ett experiment för att undersöka hur förhållandet ytarea/volym påverkar diffusionshastigheten i substrat och hur detta relaterar till storleken och formen på levande organismer.

Introduktion

Detta är ett biologiprojekt på A-nivå. Det hjälpte mig att få betyget A i biologi för många år sedan. Hela projektet återges här för din referens.

  • Mål
  • Bakgrundsinformation
  • Aparatus
  • Metod
  • Förutsägelse
  • Resultat
  • Tolkning
  • Försiktighetsåtgärder
  • Begränsningar
  • Anomoli
  • Tillbyggnadsarbete

Förhållandet mellan ytarea och volym hos levande organismer är mycket viktigt. Näringsämnen och syre behöver diffundera genom cellmembranet och in i cellerna. De flesta celler är inte längre än 1 mm i diameter eftersom små celler gör att näringsämnen och syre snabbt diffunderar in i cellen och låter avfall diffundera ut ur cellen snabbt. Om cellerna var större än så här skulle det ta för lång tid för näringsämnen och syre att diffundera in i cellen så att cellen förmodligen inte skulle överleva.

Encelliga organismer kan överleva eftersom de har en tillräckligt stor yta för att tillåta allt syre och näringsämnen de behöver diffundera igenom. Större flercelliga organismer behöver specialiserade organ för att andas som lungor eller gälar.

  1. Bägare
  2. Gelatinblock innehållande kresolrött färgämne
  3. 0,1 M saltsyra
  4. Stoppur
  5. Skalpell
  6. Bricka
  7. Säkerhetsglasögon

1. Ett block av gelatin som har färgats med kresolrött färgämne ska skäras i block av följande storlekar (mm).

5 x 5 x 5
10 x 10 x 10
15 x 15 x 15
20 x 20 x 20
10 x 10 x 2
10 x 10 x 10 (triangel)
10 x 15 x 5
20 x 5 x 5

Triangeln har följande dimensioner. [inte återgiven]

Resten av blocken är bara vanliga kuber eller rektangulära block.

Kresolrött färgämne är ett syra-/alkaliindikatorfärgämne. I de alkaliska förhållandena i gelatinet är det rött eller lila men när det utsätts för syra blir det ljusgult.

Gelatin används för dessa tester eftersom det är permeabelt och därför fungerar det som en cell. Det är lätt att skära i önskade storlekar och saltsyran kan diffundera i en jämn hastighet genom den.

Jag använder inga block större än 20 x 20 x 20 eftersom ett preliminärt test visade att det bara var praktiskt att använda block på 20 mm³ eller mindre eftersom något större än detta skulle ta längre tid än den tid vi måste göra experimentet.

2. En liten bägare fylldes med 100 cm³ av 0,1 molar saltsyra. Detta är en tillräcklig volym syra för att säkerställa att alla blockstorlekar är helt täckta av syra när de tappas i bägaren.

3. Ett av blocken släpps i den här bägaren och tiden för all röd färg att försvinna anges i en tabell som den nedan.

Mått (mm) Ytarea Volym (mm³) Ytarea/volymförhållande Test 1 Test 2 Test 3 Snittid

4. Detta test bör upprepas för alla storlekar av block tre gånger för att säkerställa ett rättvist test. Färsk syra bör användas för varje block för att säkerställa att detta inte påverkar experimentets resultat.

5. Förhållandet ytarea/volym och ett medelvärde av resultaten kan sedan räknas ut. En graf över förhållandet mellan tid mot ytarea och volym kan sedan ritas upp. Från denna graf kommer vi att kunna se hur ytan påverkar den tid det tar för saltsyran att tränga in till kubens mitt.

Jag förutspår att när ytarea/volymförhållandet ökar kommer tiden det tar för saltsyra att tränga in till kubens mitt att gå ner. Detta beror på att ett litet block har en stor yta jämfört med dess volym så saltsyran kommer att ha en stor yta att diffundera igenom. Ett större block har en mindre yta i förhållande till dess storlek så det borde ta längre tid för saltsyran att diffundera in i kubens mitt. Den faktiska hastigheten för saltsyran som diffunderar genom gelatinet bör vara densamma för alla block, men när förhållandet ytarea/volym ökar kommer det att ta kortare tid för saltsyran att nå mitten av kuben.

Jag utförde ovanstående experiment och dessa resultat erhölls.

Mått (mm) Ytarea Volym (mm³) Ytarea/volymförhållande Test 1 Test 2 Test 3 Snittid
5 x 5 x 5 150 125 1.2:1 7.02 6.57 4.53 6.16
10 x 10 x 10 600 1,000 0.6:1 10.3 23.25 15.33 16.28
15 x 15 x 15 1,350 3,375 0.4:1 29.55 30.22 23.45 28.01
20 x 20 x 20 2,400 8,000 0.3:1 53.4 32.44 58.56 48.3
10 x 10 x 2 280 200 1.4:1 0.26 0.37 1.58 1.01
10 x 15 x 5 550 750 0.73:1 7.2 10.23 10.47 9.3
20 x 5 x 5 450 500 0.9:1 3.18 2.58 4.09 3.29
10 x 10 x 10
(Triangel)
441.42 500 0.88:1 9.58 3.34 5.25 6.19

Förhållandet ytarea till volym beräknas av

Förhållande ytarea till volym = Yta/volym

Från dessa hastigheter kunde jag rita en graf av förhållandet ytarea till volym mot tiden.

I alla block av gelatin skulle penetrationshastigheten för saltsyran från varje sida ha varit densamma, men alla block tar olika lång tid att klarna eftersom de är olika stora. När blocken blir större tar det längre tid för saltsyran att diffundera genom hela blocket och på så sätt rensa färgen. Det tar längre tid att nå mitten av kuben trots att diffusionshastigheten är densamma för alla kuberna.

När volymen på blocken ökar minskar förhållandet ytarea/volym. De större blocken har en mindre andel ytarea än de mindre blocken. Det minsta blocket har 1,4 mm² ytarea för varje 1 mm³ volym. Det största blocket har bara 0,3 mm² ytarea för varje 1 mm³ volym. Detta innebär att saltsyran kan diffundera till mitten av det minsta blocket mycket snabbare än det största blocket. Syran tog 48 minuter att diffundera till mitten av det största blocket men bara 1 minut i det minsta blocket. En levande cell skulle inte överleva om den var tvungen att vänta 48 minuter för syre att diffundera genom den så levande celler måste vara mycket små.

När förhållandet mellan ytarea och volym minskar tar det längre tid för saltsyran att diffundera in i kuben, men om förhållandet går upp diffunderar saltsyran snabbare in i gelatinblocket. Vissa former har ett större förhållande mellan ytarea och volym så att föremålets form kan ha en effekt på diffusionshastigheten.

Det är viktigt att cellerna har ett stort förhållande mellan yta och volym så att de kan få in tillräckligt med näringsämnen i cellen. De kan öka sin yta genom att platta till och bli längre eller genom att ha en grov yta med massor av cellmembranveck som kallas villi. [bilden återges inte]

Villi ökar cellens yta avsevärt medan cellen som är rund bara har en liten yta i förhållande till sin volym. Båda cellerna ovan har en volym på 1 cm³. Cellen till vänster har en yta på 3cm² men cellen till höger med villi har en yta på 10cm². Cellmembranet är uppbyggt av ett lipid-dubbelskikt med många proteiner integrerade i det. [bilden återges inte]

Syre kan lätt diffundera genom membranet och koldioxid och andra restprodukter kan lätt lösas upp. Koncentrationen av syre i cellen är alltid lägre än utanför cellen vilket gör att syret diffunderar in. Gaser kommer alltid att lösas upp från ett område med högt till lågt tryck. Koncentrationen av koldioxid utanför cellen är lägre än koncentrationen i cellen så koldioxiden kommer alltid att lösas upp ur cellen.

Encelliga organismer som amöbor har ett stort förhållande mellan yta och volym eftersom de är så små. De kan få allt syre och näring de behöver genom diffusion genom cellmembranet.

Större organismer som däggdjur har en relativt liten yta jämfört med sin volym så de behöver speciella system som lungorna för att få tillräckligt med syre. Förhållandet mellan ytarea och volym är mycket viktigt i lungor där en stor mängd syre måste komma in i lungorna. Lungorna har en mycket stor yta eftersom de innehåller miljontals säckar som kallas alveoler som tillåter syre att diffundera in i blodomloppet. Genom att ha miljontals av dessa alveoler kan lungorna tränga in en mycket stor yta i ett litet utrymme. Denna yta är tillräcklig för att allt syre vi behöver ska diffundera genom den och släppa ut koldioxiden.

Genom att öka ytan kommer diffusionshastigheten att öka.

a) Allt gelatin som används bör tas från samma block för att säkerställa att alla block är gjorda av samma material.

b) Alla tester bör göras vid rumstemperatur för att säkerställa att gelatinblocken inte smälter.

c) Samma volym syra bör användas för alla tester för att säkerställa att diffusionshastigheten inte kan påverkas av trycket från en större volym syra.

d) Skyddsglasögon bör användas för att skydda ögonen från saltsyran.

För att göra det här experimentet mer exakt upprepade jag det tre gånger för varje blockstorlek och använde sedan genomsnittet av alla resultat för att rita en graf med en linje med bästa passform. Jag försökte hålla alla variabler utom storleken på gelatinblocken samma för alla experiment. Men i verkligheten är det omöjligt att hålla alla variabler exakt lika. Till exempel:

a) Det är också omöjligt att exakt mäta storleken på gelatinblocket varje gång. Jag mätte storlekarna till närmaste mm så storleken på blocket som jag använde ska vara korrekt till närmaste mm.

b) När gelatinblocken släpps ner i bägarna kommer blockets bas i kontakt med bägarens botten vilket minskar ytan på blocket som kommer i kontakt med saltsyran.

c) Resultaten kommer att vara något felaktiga eftersom det ögonblick då gelatinblocket har tappat allt färgämne är en åsiktsfråga och inte något som kan mätas exakt.

d) På grund av den ganska långsamma hastigheten på våra reaktioner är det bara möjligt att mäta reaktionstiden till närmaste 0,1 sekund trots att stoppuret visar mätningarna till närmaste 0,01 sekund.

Grafen som produceras visar en jämn kurva med en minskande gradient när förhållandet mellan ytarea och volym ökar. Den enda anomalien är resultatet för 5 x 5 x 5-blocket. Resultatet här är högre än kurvan för bästa passform för grafen. Resultaten för 5 x 5 x 5-blocket varierade från 4,53 till 7,02 sekunder med ett genomsnitt på 6,15 sekunder. Linjen för bästa passform för grafen antyder att genomsnittet bör vara cirka 3 sekunder. Det anomala resultatet berodde förmodligen på experimentella fel som ett resultat av att detta var den första blockstorleken som jag använde i experimentet.Den mest troliga förklaringen är att jag var osäker på hur jag skulle bedöma när allt färgämne hade försvunnit och som ett resultat fördröjde att trycka på stoppurets stoppknapp. Allt eftersom experimentet fortskred med de andra blockstorlekarna blev jag förmodligen bättre på att göra denna bedömning.

Detta experiment skulle kunna förbättras på flera sätt.

1) Det kan upprepas fler gånger för att bli av med eventuella anomalier. Ett bättre övergripande resultat skulle erhållas genom att upprepa experimentet fler gånger eftersom eventuella fel i ett experiment bör kompenseras för av de andra experimenten.

2) Användning av fler former och storlekar av gelatinblock skulle ha gett en snyggare graf.

3) Variabler som kan påverka diffusionshastigheten kan undersökas. Diffusionshastigheten kan också påverkas av temperatur, syrastyrka och syravolym

4) Blocket kan vara suspenderat i saltsyran så att ingen av dess ytor är i kontakt med bägarens vägg. En liten vagga kan användas för att suspendera blocken i syran, vilket skulle innebära att alla sex sidor av kuben bör vara i kontakt med syran. Detta skulle säkerställa att diffusion kunde ske jämnt genom alla sidor av kuben.

Varning

Detta är ett riktigt skolprojekt på A-nivå och är som sådant endast avsett för utbildnings- eller forskningsändamål. Utdrag av detta projekt får inte ingå i några projekt som du lämnar in för bedömning. Att göra detta kan leda till att du blir diskvalificerad från alla ämnen du läser. Du har blivit varnad. Om du vill ha mer hjälp med att göra dina praktiska biologi, ta en titt på "Advanced Level Practical Work for Biology" av Sally Morgan. Om du vill ha mer detaljerad biologiinformation skulle jag rekommendera boken "Advanced Biology" av M. Kent.

Relaterad

Det här inlägget postades måndagen den 2 juni 2008 klockan 20:14 och är arkiverat under Life. Du kan följa alla svar på detta inlägg via RSS 2.0-flödet. Du kan lämna ett svar, eller trackback från din egen sida.

2 svar på “Ytarea/volymförhållande biologiskt experiment”

Hur gör du urspårningen röda och gelatinkuberna? Jag har misslyckats med att använda pulveriserat gelatin & så jag undrar vad jag ska använda och vilket förhållande?

Jag skulle vilja citera den här sidan i ett liknande experiment som jag gör i min biologiklass, är det ok?


Sammanfattning

Flera studier indikerar att aerober endast kan överleva i närvaro av syre tack vare ett utarbetat försvarssystem. Utan dessa försvar misslyckas viktiga enzymsystem i organismerna att fungera och organismerna dör.
Obligatoriska anaerober, som bara lever i frånvaro av syre, har inte de försvar som gör aerobt liv möjligt och kan därför inte överleva i luft.

Toleransen mot syre är relaterad till bakteriens förmåga att avgifta superoxid och väteperoxid, producerad som en biprodukt av aerob andning.

Assimileringen av glukos under aeroba förhållanden resulterar i terminal generering av fri radikal superoxid (O2 – ). Superoxiden reduceras av enzymet superoxiddismutas till syrgas och väteperoxid (H2O2). Därefter omvandlas den giftiga väteperoxiden som genereras i denna reaktion till vatten och syre av enzymet katalas, som finns i aeroba och fakultativa bakterier, eller av olika peroxidaser som finns i flera aerotoleranta anaerober.

Obligat aerober och de flesta fakultativa anaerober har både superoxiddismutas och katalas. Vissa fakultativa och aerotoleranta anaerober har superoxiddismutas men saknar katalas. De flesta obligatoriska anaerober saknar båda enzymerna.