標籤:工程生物學 水文地質

結合水是水在生物體和細胞內的存在狀態之一,是吸附和結合在有機固體物質上的水,主要是依靠氫鍵與蛋白質的極性基(羧基和氨基)相結合形成的水膠體。

1生物方面

(1)組成細胞和生物體結構的成分:水分子是極性分子,細胞內部一部分水主要以氫鍵的形式與蛋白質,多糖、磷脂等固體物質相結合,這部分水不蒸發、不能析離,失去了流動性和溶解性,是生物體的構成物。如心臟,心肌含水量是79%,和血液含水量差不多。但其所含的水主要為結合水,故成堅實形態。
(2)穩定大分子結構:結合水因離顆粒表面遠近不同,受電場作用力的大小也不同,所以分為強結合水和弱結合水。
大家知道,生物大分子具有一定的空間構象,它們的許多功能都與構象的相互轉化有關。結合水是穩定大分子結構的必要因素。現已證明,脫氧核糖核酸的雙股螺旋,膠原蛋白的三股螺旋,胰島素、紅氧還素等蛋白質晶體結構的形成,蛋白質分子向摺疊的轉化,類脂雙分子膜的穩定等等,無一不和結合水的存在有關。
(3)在生物體系中,質子的傳遞對能量的轉換起著十分重要的作用。而結合水所形成的有序水的網路,為這種質子傳遞提供了必要的結構基礎鈉離子和鉀離子的主動轉移是重要的生命現象。主動轉移是指細胞內外的離子或溶質的一種抗電化學梯度的反常運動,通常用膜泵理論給以解釋。也有人從細胞內有序結構水對離子的排斥作用來討論這一問題,並為實驗所證實結合水對某些生物體系的代謝具有決定性的影響。美國科學家克列格完成了一個很有說服力的實驗。他在一種小海蝦上發現,隨著水合程度的不同,可出現無代謝、限制性代謝、正常代謝三個階段,並證明了不同的代謝狀態與結合水密切相關結合水在肌肉收縮中的作用是聖喬治在1972]年提出的。他認為肌肉收縮是收縮蛋白肌球蛋白周圍水結構的形成與破壞的過程。其後不少實驗都證實,在肌肉收縮過程中,水的狀態確實發生著變化。
(4)生命活動:
老年醫學與癌症是目前醫學界最為關心的問題。人們對水狀態的研究也對此做出了有益的貢獻。年代初報道,一些腫癌組織中結合水量減少,水狀態與正常組織不同。顯然這方面的研究不但與探討腫瘤發生的機理有關,而且對其早期診斷亦可提供有意義的信息。老年醫學中關於衰老機制有著多種不同的解釋。蛋白質分子交叉結合產生冰結區,從而抑制代謝的觀點,就是其中的一種。它與細胞內水的狀態不無聯繫。而衰老過程中組織可塑性的衰減可能與蛋白質大分子結合水的能力有關
低溫生物學的研究有著重要的理論和實際意義。在深低溫條件下,細胞內結合水狀態的改變,對生物活性的恢復能力有著直接的影響
從以上的敘述不難看出,生物體系中結合水對於生命活動是十分重要的。它不但對於闡明生命本質具有理論價值,而且可能對醫學實踐有所貢獻。此外,其研究成果還有可能廣泛應用於食品加工、紡織、製革、冷凍、包藏等工業生產中。可以預料,人們對於生命體系內水所進行的深入研究,必將結出豐碩的果實。
(5)自由水和結合水的比較:在代謝旺盛的細胞中,自由水的含量一般較多,而在休眠的種子和越冬的植物,生活在乾旱和鹽漬狀況下的植物,結合水的含量相對較多。

2工程方面

中文詞條名:結合水
英文詞條名:hydration water combined moisture bound Water
系指受電分子吸引力吸附於土粒表面的土中水,這種電分子吸引力高達幾千到幾萬個大氣壓,使水分子和土粒表面牢固的粘結在一起。處於土顆粒表面水膜中的水,受到表面引力的控制而不服從靜水力學規律,其冰點低於零度。
結合水因離顆粒表面遠近不同,受電場作用力的大小也不同,所以,結合水又可分為強結合水和弱結合水。
1)強結合水存在於最靠近土顆粒表面處,工程上也叫吸著水。其水分子和水化離子排列非常緊密,以致於密度大於1,並有過冷現象(即溫度降到0度以下也不發生凍結現象)。強結合水由於受到很大的電分子引力作用,其性質與一般水是不同的,它具有固體特徵(有很大的粘滯性、彈性及抗剪強度,不傳遞靜水壓力,沒有溶解能力),密度大(比重為1.2~2.4),冰點低(約為零下780C),且不能自行由一個土顆粒旁移到另一個顆粒上去。在外力作用下很難被排出,但是早高溫下則比較容易蒸發掉,只有在105℃-107℃的高溫下,才能被烘去。
2)弱結合水距土粒表面較遠地方的結合水,又叫薄膜水。它仍然受到土粒的電分子引力作用,與內層吸著水接觸處引力還是很大的,隨著離開土粒表面越遠,引力逐漸減小,遠至不受引力作用時則過渡到自由水。因為引力降低,弱結合水的水分子的排列不如強結合水緊密,可能從較厚水膜或濃度較低處緩慢地遷移到較薄的水膜或濃度較高處,亦可從土裡周圍遷移到另一個土粒的周圍,這種運動與重力無關,這層不能傳遞靜水壓力的水定義為弱結合水。

3自然方面

水在固體物料中可以不同的形態存在,以不同的方式與固體相結合。
一,當固體物料具有晶體結構時,其中可能含有一定量的結晶水,這部分水以化學力與固體相結合,如硫酸銅中的結晶水等。
二,當固體為可溶物時,其所含的水分可以溶液的形態存在於固體中。
三,當固體的物料系多孔性、或固體物料系由顆粒堆積而成時,其所含水分可存在於細孔中並受到孔壁毛細管力的作用。
四,當固體表面具有吸附性時,其所含的水分則因受到吸附力而結合於固體的內、外表面上。
以上這些借化學力或物理化學力與固體相結合的水統稱為結合水。

4化工原理

當物料中含水較多時,除一部分水與固體結合外,其餘的水只是機械地附著於固體表面或顆粒堆積層中的大空隙中(不存在毛細管力),這些水稱為非結合水。
結合水與非結合水的基本區別是其表現的平衡蒸汽壓不同。非結合水的性質與純水相同,其表現的平衡蒸汽壓即為同溫度下純水的飽和蒸汽壓。結合水則不同,因化學和物理化學力的存在,所表現的蒸汽壓低於同溫度下的純水的飽和蒸汽壓。
化工原理中的結合水與生物方面中的結合水有很大的不同。生物方面的結合水是不能用乾燥除去的,而化工原理中的結合水是可以用乾燥除去的,只不過除去較困難,剩下的水即為平衡水。

5結構分析

結合水是指在細胞內與物質結合,不易流動的水。
水分子中的氫原子與氧原子間有一個角度 ,這使氧側帶部分負電荷, 氫測帶部分正電荷。水分子的偶極性質讓它們彼此間及水分子與其他極性分子間容易形成氫鍵。如Na離子帶正電荷就可吸引分子的帶負電的部分,使水環繞其周圍形成水化的鈉離子;Cl-帶負電,可吸引水的帶正電部分,從而與水形成水化氯離子。簡單有機物的氨基、羧基、羥基或羰基均可與水結合。生物大分子往往兼有極性基(親水)和非極性基(疏水),如蛋白質、核酸、極性脂類等。在水的環境中,其非極性基常藏於結構的內部而極性基則分佈於表面,故也可和水分子結合。所有這些結合水不再能溶解其他物質,也難於流動。心肌含水79%,與血液的含水量相差不多;但其所含的水均為結合水,故呈堅實的形態。

6水文地質方面

結合水(bound water)被岩土顆粒的分子引力和靜電引力吸附在顆粒表面的水。

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