Phân hữu cơ là gì? Các công bố khoa học về Phân hữu cơ

Chúng tôi mô tả ở đây một trường lực Amber tổng quát (GAFF) cho các phân tử hữu cơ. GAFF được thiết kế để tương thích với các trường lực Amber hiện có cho protein và axít nucleic, và có các tham số cho phần lớn các phân tử hữu cơ và dược phẩm được cấu tạo từ H, C, N, O, S, P, và các halogen. Nó sử dụng một dạng hàm đơn giản và một số ít loại nguyên tử, nhưng tích hợp cả các mô hình thực nghiệm và suy diễn để ước tính các hằng số lực và điện tích cục bộ. Hiệu suất của GAFF trong các trường hợp kiểm tra tỏ ra khả quan. Trong kiểm tra I, 74 cấu trúc tinh thể được so sánh với các cấu trúc tối thiểu hóa của GAFF, với độ lệch chuẩn của gốc là 0,26 Å, tương đương với trường lực Tripos 5.2 (0,25 Å) và tốt hơn so với MMFF 94 và CHARMm (0,47 và 0,44 Å, tương ứng). Trong kiểm tra II, các tối thiểu hóa pha khí được thực hiện trên 22 cặp bazơ axít nucleic, và các cấu trúc tối thiểu hóa cùng năng lượng liên phân tử được so sánh với các kết quả MP2/6‐31G*. RMS của các độ lệch và năng lượng tương đối lần lượt là 0,25 Å và 1,2 kcal/mol. Những dữ liệu này có thể so sánh với kết quả từ Parm99/RESP (0,16 Å và 1,18 kcal/mol, tương ứng), mà đã tham số hóa cho các cặp bazơ này. Kiểm tra III xem xét năng lượng tương đối của 71 cặp cấu hình đã được sử dụng trong sự phát triển của trường lực Parm99. Lỗi RMS trong năng lượng tương đối (so với thí nghiệm) khoảng 0,5 kcal/mol. GAFF có thể được áp dụng tự động cho nhiều loại phân tử, làm cho nó trở nên phù hợp cho thiết kế dược lý có lý do và tìm kiếm cơ sở dữ liệu. © 2004 Wiley Periodicals, Inc. J Comput Chem 25: 1157–1174, 2004

Hai bộ cơ sở mở rộng (được gọi là 5–31G và 6–31G) bao gồm các hàm sóng nguyên tử được biểu diễn dưới dạng kết hợp tuyến tính cố định của các hàm Gaussian được trình bày cho các nguyên tố hàng đầu từ cacbon đến flo. Những hàm cơ sở này tương tự như bộ 4–31G [J. Chem. Phys. 54, 724 (1971)] ở chỗ mỗi lớp vỏ hóa trị được chia thành các phần bên trong và ngoài được mô tả tương ứng bằng ba và một hàm Gaussian. Các lớp vỏ bên trong được biểu diễn bởi một hàm cơ sở đơn lẻ, bao gồm tổng của năm (5–31G) hoặc sáu (6–31G) hàm Gaussian. Nghiên cứu với một số phân tử đa nguyên tử cho thấy giảm đáng kể năng lượng tổng tính toán so với bộ 4–31G. Tính toán năng lượng tương đối và hình học cân bằng dường như không thay đổi đáng kể.

Một tập hợp cơ sở mở rộng của các hàm số nguyên tử được biểu diễn dưới dạng các tổ hợp tuyến tính cố định của các hàm Gaussian được trình bày cho hydro và các nguyên tố hàng đầu tiên từ cacbon đến flo. Trong tập này, được mô tả là 4–31 G, mỗi lớp vỏ bên trong được đại diện bởi một hàm cơ sở duy nhất được lấy từ tổng của bốn hàm Gaussian và mỗi quỹ đạo hoá trị được tách thành các phần bên trong và bên ngoài được mô tả bởi ba và một hàm Gaussian, tương ứng. Các hệ số mở rộng và số mũ Gaussian được xác định bằng cách tối thiểu hóa năng lượng đã tính toán tổng thể của trạng thái cơ bản nguyên tử. Cơ sở dữ liệu này sau đó được sử dụng trong các nghiên cứu quỹ đạo phân tử đơn xác định của một nhóm nhỏ phân tử đa nguyên tử. Tối ưu hóa các yếu tố tỷ lệ vỏ hoá trị cho thấy rằng có sự tái chia tỷ lệ đáng kể của các hàm số nguyên tử trong các phân tử, các hiệu ứng lớn nhất được quan sát thấy ở hydro và cacbon. Tuy nhiên, phạm vi tối ưu của các hệ số tỷ lệ cho mỗi nguyên tử là đủ nhỏ để cho phép lựa chọn một bộ tiêu chuẩn phân tử. Việc sử dụng cơ sở chuẩn này cung cấp các hình học cân bằng lý thuyết hợp lý với thí nghiệm.

Chúng tôi đã phân tích các yếu tố khí hậu và kết cấu ảnh hưởng đến carbon hữu cơ (C) và nitơ (N) trong đất tại vùng Đại Bình nguyên của Hoa Kỳ. Chúng tôi đã sử dụng một mô hình về số lượng và thành phần chất hữu cơ trong đất (SOM) để mô phỏng mức độ chất hữu cơ ổn định tại 24 địa điểm đồng cỏ trong khu vực này. Mô hình có khả năng mô phỏng tác động của các gradient khí hậu đến SOM và năng suất. Kết cấu đất cũng là một yếu tố kiểm soát quan trọng đối với động lực học của chất hữu cơ. Mô hình đã dự đoán một cách chính xác sản lượng thực vật trên mặt đất cũng như mức độ C và N trong đất qua các loại kết cấu đất (cát, trung bình và mịn); tuy nhiên, mô hình có xu hướng đánh giá quá mức mức độ C và N trong đất thuộc loại kết cấu mịn từ 10 đến 15%. Tác động của việc chăn thả đối với hệ thống đã được mô phỏng và cho thấy rằng các mức C và N trong đất ổn định nhạy cảm với cường độ chăn thả, với mức C và N trong đất giảm khi tần suất chăn thả tăng lên. Các xu hướng vùng trong SOM có thể được dự đoán bằng bốn biến cụ thể cho địa điểm, bao gồm nhiệt độ, độ ẩm, kết cấu đất và hàm lượng lignin trong thực vật. Các đầu vào nitơ cũng cần phải được xác định. Cường độ chăn thả trong quá trình phát triển đất cũng là một yếu tố kiểm soát quan trọng đối với các mức SOM ổn định, và do ít dữ liệu có sẵn về việc chăn thả trước khi định cư, một số sự không chắc chắn là bất khả kháng trong các dự đoán của mô hình.

Những thay đổi trong các phân số photpho (P) vô cơ và hữu cơ do 65 năm canh tác trong quy trình gieo trồng lúa mì – lúa mì – nghỉ đông đã được nghiên cứu bằng kỹ thuật chiết xuất tuần tự. Hàm lượng P tổng trong đất canh tác thấp hơn 29% so với đất cỏ thường xuyên liền kề; mất mát chính về P (74% tổng lượng P mất) là từ P hữu cơ và P còn lại. Trong tổng lượng P mất, 22% đến từ các dạng P hữu cơ có thể chiết xuất, trong khi 52% đến từ P ổn định.

Các nghiên cứu ủ đã được sử dụng để nghiên cứu sự biến đổi P theo mùa trong quá trình nghỉ đông mô phỏng với và không có việc bổ sung dư lượng và phân bón P. Chín lần bổ sung hàng tháng cellulose (765 µg C · g⁻¹ đất) có hoặc không có P (9 µg · g⁻¹ đất) đã làm thay đổi đáng kể mức độ P hữu cơ có thể chiết xuất và P vô cơ trong đất được ủ. Bằng chứng cho thấy hoạt động của vi sinh vật đóng vai trò quan trọng trong việc phân phối lại P thành các dạng khác nhau trong đất.

Việc phân hủy và chuyển hóa các chất hữu cơ thực vật trên và dưới mặt đất (rác thực vật) là quá trình chính tạo ra chất hữu cơ trong đất (SOM). Tuy nhiên, các nghiên cứu về sự phân hủy rác thực vật và sự hình thành SOM đã phần lớn bị tách biệt, không cung cấp một liên kết hiệu quả giữa hai quá trình cơ bản này đối với sự chu chuyển và tích trữ carbon (C) và nitơ (N). Chúng tôi trình bày sự hiểu biết hiện tại về tầm quan trọng của hiệu quả sử dụng cơ chất của vi sinh vật và phân bổ C và N trong việc kiểm soát tỷ lệ C và N có nguồn gốc từ thực vật được đưa vào SOM, và các tương tác trong ma trận đất trong việc kiểm soát sự ổn định của SOM. Chúng tôi tổng hợp sự hiểu biết này vào khung Hiệu suất vi sinh vật - Ổn định ma trận (MEMS). Khung này dẫn đến giả thuyết rằng các thành phần thực vật dễ phân hủy là nguồn sản phẩm vi sinh vật chính, so với các tỷ lệ đầu vào, vì chúng được vi sinh vật sử dụng hiệu quả hơn. Các sản phẩm vi sinh vật từ quá trình phân hủy này do đó sẽ trở thành các tiền chất chính của SOM ổn định bằng cách thúc đẩy sự kết tụ và thông qua liên kết hóa học mạnh mẽ với ma trận khoáng trong đất.

Hiệu quả thống kê của các khảo sát định giá điều kiện lựa chọn nhị phân truyền thống có thể được cải thiện bằng cách yêu cầu mỗi người tham gia trả lời một câu hỏi lựa chọn nhị phân thứ hai, phụ thuộc vào phản hồi với câu hỏi đầu tiên - nếu câu trả lời đầu tiên là "có," giá thầu thứ hai là một khoản lớn hơn giá thầu đầu tiên; còn nếu câu trả lời đầu tiên là "không," giá thầu thứ hai là một khoản nhỏ hơn. Cách tiếp cận "có điều kiện kép" này được chứng minh là hiệu quả hơn theo tiệm cận so với cách tiếp cận truyền thống, "đơn điều kiện." Sử dụng dữ liệu từ một khảo sát về sự sẵn lòng trả của người dân California đối với vùng đất ngập nước ở thung lũng San Joaquin, chúng tôi chứng minh rằng, trong một mẫu hữu hạn, hiệu quả có thể tăng lên đáng kể.

Bài báo này thiết lập vấn đề kiểm soát tối ưu cho một lớp mô hình toán học trong đó hệ thống cần kiểm soát được đặc trưng bởi một quá trình Markov rời rạc với trạng thái hữu hạn. Các trạng thái của quá trình nội bộ này không thể quan sát trực tiếp từ bộ điều khiển; thay vào đó, bộ điều khiển có một tập hợp đầu ra có thể quan sát mà chỉ có mối quan hệ xác suất với trạng thái nội tại của hệ thống. Phương pháp thiết lập được minh họa bằng một ví dụ đơn giản về bảo trì máy móc, và các lĩnh vực ứng dụng cụ thể khác cũng được thảo luận. Bài báo chứng minh rằng, nếu chỉ còn một số lượng hữu hạn các khoảng thời gian kiểm soát, thì hàm chi trả tối ưu là một hàm lồi, tuyến tính từng đoạn của xác suất trạng thái hiện tại của quá trình Markov nội bộ. Ngoài ra, một thuật toán để sử dụng thuộc tính này nhằm tính toán chính sách kiểm soát tối ưu và hàm chi trả cho bất kỳ khoảng thời gian hữu hạn nào được phác thảo. Những kết quả này được minh họa bằng một ví dụ số cho vấn đề bảo trì máy móc.

Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 13C trong trạng thái rắn (NMR) đã trở thành một công cụ quan trọng để kiểm tra cấu trúc hóa học của các vật liệu hữu cơ tự nhiên và những thay đổi hóa học liên quan đến quá trình phân hủy. Trong bài báo này, dữ liệu NMR 13C ở trạng thái rắn liên quan đến những thay đổi trong thành phần hóa học của một loạt các vật liệu hữu cơ tự nhiên, bao gồm gỗ, than bùn, phân ủ, lớp mùn rừng và các vật liệu hữu cơ trong các lớp bề mặt của đất khoáng, đã được tổng hợp với mục tiêu rút ra một chỉ số về mức độ phân hủy của những vật liệu hữu cơ này dựa trên những thay đổi trong thành phần hóa học. Những thay đổi hóa học liên quan đến sự phân hủy của gỗ có sự khác biệt đáng kể và phụ thuộc vào sự tương tác mạnh mẽ giữa các loài gỗ được khảo sát và thành phần loài của cộng đồng vi sinh vật phân hủy, khiến cho việc rút ra một chỉ số chung áp dụng cho phân hủy gỗ trở nên khó khăn. Đối với các dạng vật liệu hữu cơ tự nhiên còn lại, quá trình phân hủy gần như luôn liên quan đến việc tăng cường hàm lượng carbon alkyl (C) và giảm hàm lượng carbon O-alkyl (C). Sự tăng và giảm đồng thời trong hàm lượng carbon alkyl và O-alkyl cho thấy tỷ lệ carbon alkyl so với carbon O-alkyl (tỷ lệ A/O-A) có thể cung cấp một chỉ số nhạy cảm về mức độ phân hủy. Trái ngược với quan điểm truyền thống rằng các chất humic có lõi thơm tích tụ khi quá trình phân hủy diễn ra, những thay đổi trong vùng thơm là biến động và cho thấy mối quan hệ với hoạt động của nấm phân hủy lignin. Tỷ lệ A/O-A dường như cung cấp một chỉ số nhạy cảm về mức độ phân hủy, miễn là việc sử dụng nó được giới hạn ở những trường hợp mà các vật liệu hữu cơ có nguồn gốc từ chung một loại chất. Ngoài ra, tiềm năng hấp phụ của các vật liệu phân hủy cao trên bề mặt đất khoáng và những ảnh hưởng mà sự hấp phụ này có thể gây ra đối với khả năng sinh khả dụng cần được xem xét khi sử dụng tỷ lệ A/O-A để đánh giá mức độ phân hủy của các vật liệu hữu cơ tìm thấy trong các loại đất khoáng.