第八章 有机地球化学2008-1

南京大学表生地球化学研究所
第八章 有机地球化学
糖类的元素组成为碳、氢和氧。其分子通式为 Cn（H2O）n
它是含多羟基的醛类或酮类以及由它们聚合而成的
高分子化合物。其基本组成单元为β-D型葡萄糖。 碳水化合物按其水解产物可以分为单糖、低聚糖和 多糖。此外，糖也可以与非糖物质结合形成结合糖， 如与蛋白质结合的葡萄糖胺。
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第八章 有机地球化学
本章主要介绍地质体中有机物质的成因、聚集 和演化以及有机地球化学在地学领域中的应用
第一节 第二节 第三节 第四节
生物圈 地质体中的有机物质 沉积有机质的演化 有机地球化学的应用
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第一节 生物圈
•地球上各种生物生存和分布的地球外圈，称为生物 圈（Biosphere） •生物圈-维尔纳茨基 生物圈跨越接近地表的大气圈、 水圈和岩石圈，是地球上最大的生物群落环境，其 中包含着生物与生物之间以及生物与环境之间的相 互关系
纤维素和木质素。
同种生化组分在不同生物体内也具有不同的结构特 征。如高等植物中的脂类区别于低等植物的脂类。 生物体中有机组成的不同决定了地质体中沉积有机 质的差异性。
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（1）碳水化合物
碳水化合物又称糖类，是自然界分布最广的有机物质。 糖类不仅是生物体的重要能量来源，而且还为生命合 成提供碳原子和碳链骨架。许多糖类物质，如纤维素 和几丁质，构成某些动植物的支撑组织。
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脂肪和脂肪酸（fats and fatty acids）：
脂肪是动植物中最重要的脂类。它是由脂肪酸和甘 油结合而形成的。脂肪的化学性质极不稳定，极易 发生水解形成脂肪酸。脂肪酸的化学性质较为稳定， 在低温缺氧的环境中易于保存。所以，自然界中脂 肪酸的分布相当广泛。
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叶绿素本身很不稳定，在地质体中很少见到。

叶绿素经过降解释放出其中的镁，形成游离绿素－
脱镁叶绿素a。

在这一转变过程中，它可能与其他金属重新络合生
成卟啉。在某些情况下，镁可能被其他金属置换。
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类胡罗卜素是另一种重要的有机色素，它能使植物
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蜡（waxes）： 蜡是不溶于水的固体，它是高级脂肪酸与高级 一元醇或甾醇形成的酯。含有少量游离高级脂 肪酸、高级醇和长链烃。 蜡广泛分布于生物界，有蜂蜡、虫蜡、植物 蜡、羊毛蜡等，尤以各种植物蜡丰富。 蜡在皮肤、羽毛、树叶、果实表皮以及昆虫外 骨骼上起保护作用，防止水份过度蒸发。 它是石油中高碳数正构烷烃的主要来源之一。
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萜（tie）类和甾类化合物（terperoids and steroids）：自然界生物合成的一个重要方式 就是异戊二烯单元（isoprene）的聚合反应。 凡有成倍的C5单元的天然生物产物，通常就是 整个异戊二烯单元的连接。这就是著名的“异 戊二烯法则”。萜类和甾类化合物都符合“异 戊二烯法则”，它们广泛分布于生物内，也是 极为重要的生物标志化合物。
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光合作用是地球上新的有机碳合成的唯一途径。
它几乎是所有生命有机质基本的源泉。
自然界中有两类光合作用，分别是绿色植物的
光合作用和细菌的光合作用。
对绿色植物来说，水被氧化而释放气态氧，而二 氧化碳被还原为糖类(CH2O)，释放出水，其氧化还 原过程如下：

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（3）色素（pigments）

色素多具有异戊间二烯结构。

叶绿素是生物体中最为重要且最为普遍的的一类
有机色素，其基本结构式是由四个吡咯环的α－
碳原子通过四个次甲基（＝CH－）交替连接而成
的卟吩核，再加上各种碳取代基构成的。
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学分子的化学规律在本质上是相同的，因此，有机化学和无
机化学规律和原理同样适用于更为复杂的生命分子。
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生物圈的地球化学组成大致分为三个部分
①生物本身，包括植物、动物及微生物等
②生物环境，包括土壤、水、空气等
③生物源的岩石、矿物等，即腐殖质、
煤、石油和天然气等
物的树心和树叶的表皮上都有树脂分布。
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磷脂（phospholipids）为含磷的单脂衍生物，它 是甘油分子中的三个羟基中有两个和高级脂肪酸形 成脂，另一个和磷酸形成酯。
在磷脂中的脂肪酸常见的为软脂酸、硬脂酸和油 酸等。

磷脂是生物细胞膜的重要成分，广泛分布于动物 的脑、肝、肾、蛋黄、植物的种子、果实、孢子和 微生物中，如卵磷脂和脑磷脂。
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甾类化合物又称类固醇
•甾类化合物又称类固醇，甾族化合物与萜类 化合物不同，后者在高等植物中很普遍，前者 在动植物中均很丰富。
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树脂（resin）是一切植物成分中抵抗化学和生物化 学作用最强的一种萜类混合物，其主要成分是倍半 萜、二萜和三萜类的衍生物。大部分树脂是由不饱 和的多环烯酸组成，是植物的重要组分之一，在植
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萜类化合物 萜类化合物存在于植物体内，多数具有特殊气 味，主要成分为柠檬油、薄菏油和樟脑油。 萜类化合物的稳定性和抵抗细菌降解的能力强 于正烷烃，因而在地质体中具有生物标志化合物 的重要特征，可反映原来生物物质成分，广泛用 于研究古环境、沉积环境、生物成矿、生命起源 和生物进化等方面的研究。
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一、生物的化学组成及其特征 生物有机质是各种地质体中有机质的原始来源，它 主要由碳水化合物、蛋白质、脂类和木质素组成。 此外，还有数量不大，但对生命活动十分重要的有 机物质，如核酸、纤维素、丹宁、树脂等
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在不同生物体中各种有机组分的含量和类型有很大 差别。如藻类富含蛋白质、脂类；高等植物则富含
呈淡黄色到深红色。类胡罗卜素含有烃、醇、酮和
羧酸，其中β－胡萝卜素是最为常见的一种
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（4）蛋白质和氨基酸
蛋白质是由多种氨基酸组成的高度有序的聚合物。 它们构成了生物有机体中大部分含氮化合物。蛋白 质与其它分子结合形成生命过程中大部分重要的化 合物，如细胞色素、酶、细菌的毒素和抗体、肌肉 纤维、蚕丝和海绵等多种不同物质，在有水存在时， 不溶性蛋白质由于酶的作用可以水解成水溶性的单 体－氨基酸。大部分蛋白质是由二十几种氨基酸组 成。
并充填其间隙形成了支撑组织。

丙烷基结构的化合物，常带有甲氧基等官能团。

醇和对香豆醇脱水缩合而成。
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木质素性质十分稳定，不易水解，但可被氧化

成芳香酸和脂肪酸。

在缺氧水体中，在水和微生物的作用下，木质
素分解，与其它化合物形成腐殖质。
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一、生物圈中化学元素的分布

自然界中有100多种化学元素，但与生命有关联的元素并不
多，目前已知（或推测）的生物元素有30多种

这些元素组成了非常复杂、极为精巧的有机分子，参与了数
目庞大、范围宽广的有机化学反应

但制约生物元素的合成和生物分子的化学规律与制约有机化
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氧化 6CO2 + 6H2O 光 叶绿素 还原 C6H12O6 + 6O2
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对于细菌光合作用来说，还原剂不是水，而是 无机的硫化物(H2S)或者是有机化合物，因此细菌 光合作用是细菌利用光能分解无机硫化物产生氢， 氢和二氧化碳还原反应产生糖类。 其反应过程如下：

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生物元素在元素周期表中分布范围较广，包括主族
元素、金属元素和过渡元素，其中C、H、O、N、S、
P等生命主族元素在生命体中占有最大的组分比例， 是生命体的基本结构材料。

生命的主要有机物质蛋白质、核酸、脂类、糖类等
均是由这几种元素构成，是有机地球化学研究的主
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图 8-15
氨基酸结构式
氨基酸是同时含有氨基（－NH3）和羧基（－COOH）的
化合物
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（5）木质素（lignin）

木质素是植物细胞壁的主要成分，它包围着纤维素 木质素可视为高分子量聚酚，其单体基本上是酚－ 在高等植物中，木质素可由芳香醇如松柏醇、芥子
要对象。
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二、光合作用 光合作用的过程是将光能转变成化学能。它是由一 系列复杂的光化学反应和酶催化作用下的生化反应 过程组成 首先光合生物利用光能将水分解，产生H离子，氢 离子还原CO2产生葡萄糖，氧被游离出来，自养生物 进一步从葡萄糖中合成多糖类和其它有机物质，这 种反应过程也称为氧化还原反应。
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纤维素 纤维素是构成植物细胞壁和支撑组织的重要成 分。它占自然界碳的含量的50%。由300个-2500 个葡萄糖残基组成，在酸或微生物酶的作用下
可以发生水解，经过一系列的中间产物，最后
得到葡萄糖。
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几丁质 几丁质是氨基糖的聚合物，可视为乙酰胺基 CH3CONH取代了纤维素的两个羟基。它比纤维素更 具有抵抗分解的能力。它是构成节肢动物和昆虫
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氧化 6CO2 + 12H2S 光 细菌叶绿素 还原 C6H12O6 +6 H2O + 12S
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第二节 地质体中的有机质
地质体中的有机质主要来源于天然有机质，天然 有机质是各种生物体及生命活动的产物，它是以单 体或聚合物形式存在的有机分子所组成的物质。 在地质历史发展过程中，有机质的合成、沉积、 保存的条件已发生了很大的变化，为了追索地质体 中有机质的来源，揭示有机质变化的地球化学过程 和结果，需要研究生物有机质的产生和聚集、生物 圈的特征及其演化。
硬壳的主要部分，故又称为甲壳质。
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淀粉
淀粉广泛分布于自然界，特别存在于植物的种子、 根茎和果实中。按其结构可分为直链淀粉和具有高 度分支的支链淀粉。一般来说，前者在植物中含量 占10-20%，后者占80-90%。直链淀粉是由D-葡萄糖 单位所组成，连接方式是通过1,4糖苷键缩合而成。
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(2) 脂类（Lipids） 脂类又称类脂化合物，这类有机化合物在化学 结构上有很大的差异，但都不溶于水，而易溶 于氯仿、苯、乙醚、已烷和丙酮等非极性有机 溶剂。脂类能被生物利用，作为构造、修补组 织或供给能量之用。常见的脂类化合物包括脂 肪、腊、类固醇和磷脂。
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与地壳化学元素的组成相比，在活生物体中最丰富 的三种元素，只有一种元素氧是地球上最丰富的元素 之一

碳和氢在源自文库球的组成中是很少的，但在生物体中却 很集中。碳、氮、氢和氧在生物圈中集中的现象并不 是偶然的，这些元素是元素周期表中原子序数较小， 挥发性较大的元素，很容易形成许多有机和无机化合 物，因此，它们便于用来进行生物化学能的转移和转 化
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有机地球化学主要研究地球和天体中各种 有机物质的组成、结构、性质以及它们的
发生、发展和演化规律
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第八章 有机地球化学
•有机地球化学起源于19世纪晚期和20世纪初期，早 期有机地球化学的形成和发展得益于石油地球化学 的进步，并在很大程度上受石油地球化学的影响 •但随着高精度分析测试方法和同位素示踪技术的应 用，有机地球化学研究领域不断拓展，现在已广泛 应用于能源、矿产资源、海洋、环境和生命科学