（环境工程专业论文）多糖蛋白质调控纳米铁矿物生物矿化作用机理研究.pdf

摘要 铁矿物是环境水体、土壤、沉积物和岩石的主要组分。铁矿物的变化对其所 处环境的地球化学性质影响极大如对土壤肥力、有机质降解、重金属元素的吸 附与释放等。铁矿物因其具有稳定的化学性质和较高的比表面积，吸附性能良好， 对阴、阳离子、重金属离子及有机鳌合剂在地表环境中的迁移和沉淀有重要影响， 因而具有十分重要的环境学意义。利用这种来自于天然的、具有良好环境属性的 物质来进行污染治理，将具备其他许多材料无法比拟的环境协调性等方面的优 势。同时，铁矿物的形成与微生物的矿化作用密切相关。利用生物矿化原理，采 用有机模板合成纳米铁氧化物也是材料学研究的热点。因此，本文着重从生物大 分子多糖和蛋白质着手，研究有机基质调控氢氧化铁凝胶的矿化结晶过程，具有 重要的理论意义。 本文介绍了以葡聚糖、壳聚糖、羧甲基壳聚糖、明胶四种生物大分子为有机 基质，在常温中性条件下进行模拟铁生物矿化实验。日的是研究生物多糖和蛋白 质对氢氧化铁凝胶矿化行为的调控作用及其机理，结果表明生物多糖和蛋白质通 过选择成核和相变的机制控制矿化产物的晶体类型、形貌、性质及生长方式等。 不同多糖和蛋白质具有不同活性功能团，能够作为成核位点吸引f e ( i l i ) 与之发生 配位作用而在有机质白组装形成的分子结构中成核结晶，并有一定的取向生长。 多糖和蛋白质的分子结构及其性质在矿化过程中发挥了至关重要的作用。此外矿 化体系的p h 、碱度、陈化温度和陈化时间等都能影响氢氧化铁凝胶的矿化行为。 阴离子不同并未造成矿化进程的差异，但所形成的矿化产物形貌有所不同。 葡聚糖容易吸附到铁氧化物表面，对晶核有包裹作用，阻碍了晶核的自由扩 散和生长，形成纳米级的f i - f e o o h 和f e 2 0 3 。1 3 - f e o o h 是f e ( o m 3 转化为 a f e 2 0 3 的中间过渡相。矿化早期阶段相变是通过溶解一再结晶的方式进行。在 一定范围内( 小于2w t ) ，葡聚糖浓度增大有利于晶体生长。 壳聚糖能调控氢氧化铁凝胶矿化形成纳米级1 3 - f e o o h ，成核结晶发生在多糖 的链上，向两侧生长，构成一定规则的生长排列。壳聚糖浓度不同结晶形态发生 变化，浓度过高会抑制晶体成核生长。 羧甲基壳聚糖矿化体系中早期形成- - f e o o h ，随着陈化时间的延续，一 f e o o h 逐渐减少，最后形成q - f 0 2 0 3 。期间存在一个由- - f e o o h 向d f e 2 0 3 转 化的相变过程。实验方法不同，羧甲基壳聚糖与f e ( 1 l i ) 的作用方式不同。 在明胶浓度较低的范围内( 小于1w t ) ，明胶浓度增大有利于晶体生长形成 a - - f e o o h 。晶体生长有取向性排列，其表面吸附有明胶分子。明胶和葡聚糖等 量混合有机质在矿化过程中起主要作用的是葡聚糖，这与葡聚糖的亲水性有关。 在球衣菌模拟矿化实验中，在球衣菌的胞内胞外均有铁的生物矿化现象发 生，铁矿物的晶体类型、形貌与纯葡聚糖的模拟矿化实验相似，这进一步说明了 多糖和蛋白质对铁生物矿化具有调控作用。这为深入了解自然界生物矿化作用机 理提供了重要的理论依据，并为开展铁的生物矿化材料在环境污染修复中的应用 提供理论指导。 关键词：生物矿化，氢氧化铁凝胶，相变，多糖，蛋白质 a b s t r a c t i r o nm i n e r a l sa r et h em a i nc o n s t i t u e n to fw a t e r s ，s o i l s ，s e d i m e n t sa n dr o c k si n n a t u r e t h ec h a n g e so fi r o nm i n e r a l sw i l lt a k eag r e a ti m p a c to nt h eg e o c h e m i c a l p r o p e r t i e so ft h ee n v i r o n m e n ti nw h i c ht h e ye x i s t s u c ha st h ef e r t i l i t i e so fs o i l s d e g r a d a t i o no f o r g a n i cm a t t e r , a d s o r p t i o na n dr e l e a s eo f t h eh e a v ym e t a le l e m e n t sa n d s oo n o w i n gt ot h e i rs t a b l ep r o p e r t i e s ，h i g hs u r f a c ea r e a sa n dh i g hr e a c t i v i t y , i r o n m i n e r a l sh a v eg o o dp e r f o r m a n c ea sa d s o r b e n ta n ds oh a v ep r o m i n e n te f f e c t so nt h e t r a n s p o r t a t i o n ，t r a n s f o r m a t i o n ，a n dp r e c i p i t a t i o nf o ral a r g en u m b e ro fc a t i o n s ，a n i o n s ， m e t a li o n s ，a n do r g a n i cc h e l a t e si ns u b s u r f a c ee n v i r o n m e n t s o t h e yh a v em a n y a d v a n t a g e ss u c ha sg o o da n di n m i t a b l ec o m p a t i b i l i t ya sm a t e r i a l sf o rt h et r e a t m e n to f p o l l u t e de n v i r o n m e n t m e a n w h i l e ，t h ef o r m a t i o no fi r o nm i n e r a l si sc l o s e l yr e l a t e dt o t h em i n e r a l i z a t i o ne f f e c to fm i c r o b e s i ti sa l s oah o ts p o tu s i n go r g a n i cm a t r i xa s t e m p l a t et os y n t h e s i z en a n o s e a l ei r o no x i d e si nt h ef i e l do fm a t e r i a l sr e s e a r c h f o r t h e s er e a s o n s ，t h ef o c u so ft h i sa r t i c l ei st os t u d yh o w b i o l o g i c a lp o l y s a c c h a r i d ea n d p r o t e i nt om o d u l a t et h em i n e r a l i z a t i o na n dc r y s t a l l i z a t i o np r o c e s so f f e ( o h ) 3g e l t h e r e s u l t sw i l lh a v ea ni m p o r t a n tt h e o r e t i c a lm e a n i n g i nt h i sp a p e r ，t h es i m u l a t i v eb i o m i n e a l i z a t i o ne x p e r i m e n t sw e r es t u d i e dw h i c h p e r f o r m e d u n d e rn o r m a l t e m p e r a t u r e a n dm e d i u m p h d e x t r a n ， c h i t o s a n ， c a r b o x y m e t h y l c h i t o s a na n dg e l m i nw e r eu s e dr e s p e c t i v e l ya so r g a n i cm a t r i c e si n t h o s em i n e r a l i z a t i o ns y s t e m s t h ep u r p o s ew a st os t u d yt h ee f f e c t so fb i o l o g i c a l p o l y s a c c h a r i d ea n dp r o t e i nm o d u l a t i n gt h em i n e r a l i z a t i o nb e h a v i o ro ff e ( o h ) 3g e l a n di t sm e c h a n i s m t h er e s u l t ss h o w e dt h a t b i o l o g i c a lp o l y s a c c h a r i d ea n dp r o t e i n c o u l dc o n t r o lt h ec r y s t a ls t r u c t u r e ，m o r p h o l o g y , p r o p e r t i e sa n dg r o w t hm o d e so ft h e m i n e r a l sb ys e l e c t i n gt h em e c h a n i s mo fn u c l e a t i o na n dt r a n s f o r m a t i o n d i f f e r e n t p o l y s a c c h a r i d ea n dp r o t e i nh a dd i f f e r e n ta c t i v ef u n c t i o n a lg r o u p sa c t e da sn u c l e a t i o n s i t e s ，w h i c hc a na t t r a c tf e ( i i i ) a n dc o m p l e xw i t ht h e m ，t h e nt h en u c l e a t i o na n d c r y s t a l l i z a t i o no c c u r r e dw i t h i nt h es e l f - a s s e m b l e ds t r u c t u r eo ft h eo r g a n i cm a t r i c e s s ot h ec r y s t a l l i t e sh a ds o n l ec e r t a i no r i e n t e dg r o w t h t h em o l e c u l a rs t r u c t u r ea n d p r o p e f l i e so fp o l y s a c c h a r i d ea n dp r o t e i np l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nt h em i n e r a l i z a t i o n p r o c e s s t h em i n e r a l i z a t i o nb e h a v i o ro ff e ( o h ) 3g e lw a sa l s oi n f l u e n c e db yp h ， a l k a l i n i t y , a g i n gt e m p e r a t u r e ，a g i n gt i m ee t c d i f f e r e n ta n i o n se x i s t i n gi nt h e m i n e r a l i z a t i o n s y s t e m c o u l dn o t c h a n g et h em i n e r a l i z a t i o np r o c e s s ，b u tt h e m o r p h o l o g yo f t h em i n e r a l sw e r ed i f f e r e n t ， d e x t r a nm o l e c u l ec o u l di n h i b i tt h ei r o no x i d en u c l e u st of r e ed i f l u s i o na n d g r o w t hb yb e i n ga b s o r b e do n t ot h e i rs u r f a c e sa n de n w r a p p i n gt h en u c l e u sf i m l y , s o n a n o s c a t e0 - f e o o ha n de - f e 2 0 3w e r eo b t a i n e d b - f e o o hw o u l db et h et r a n s i t i o n p h a s eo ff e ( o h ) 3g e la n d f e 2 0 3 t h et r a n s f o r m a t i o nt o o kp l a c eb yt h ew a y so f d i s s o l u t i o n r e p r e c i p i t a t i o n i nt h ee a r l y s t a g e w i t h t h ei n c r e a s e m e n to ft h e c o n c e n t r a t i o no fd e x t r a n ( u pt o2 w t ) i ns o l u t i o n ，t h er a t eo fc r y s t a lg r o w t hw a s a c c e l e r a t e d c h i t o s a nm o l e c u l ec o u l dm o d u l a t ef e f o h ) 3g e lt of o r mn a n o s c a l e1 3 - f e o o h t h en u c l e a t i o no c c u r r e da l o n gw i t ht h ec h i t o s a nb a c k b o n ea n df o r m e dar e g u l a ra r r a y o fc r y s t a ls t r u c t u r e n l em o r p h o l o g yo fm i n e r a l sw o u l db ec h a n g e db yd i f f e r e n t c o n c e n t r a t i o no fc h i t o s a ni nt h es y s t e m ，b u tn u c l e a t i o na n dc r y s t a l l i z a t i o nc o u l db e i n h i b i t e di nh i g h e rc o n c e n t r a t i o no f c h i t o s a n f e o o hw a sf o r m e di nt h ee a r l ys t a g eo ft h em i n e r a l i z a l i o ns y s t e mw i t h c a r b o x y m e t h y l c h i t o s a n ，t h e ne - f e o o hd i s a p p e a r e dg r a d u a l l ya g a i n s ta g i n gt i m ea n d a - f e 2 0 3w a sf o r m e de v e n t u a l l y t h e mw a sap h a s et r a n s f o r m a t i o nf r o me - f e o o h t o e - f e 2 0 3 d u r i n g t h e m i n e r a l i z a t i o np r o c e s s t k m o d eo f i n t e r a c t i o nb e t w e e nf e ( i l l l a n dc a r b o x y m e t h y l c h i t o s a nw a s c h a n g e db yd i f f e r e n te x p e r i m e n t a lm e t h o d w i t ht h ei n c r e a s e m e n to ft h ec o n c e n t r a t i o no fg e l a t i n ( u pt o1 w t ) i ns o l u t i o n ， t h ef o r m m i o no fa - f e o o hi nt h e s em i n e r a l i z a t i o ns y s t e m sw c r ea c c e l e r a t e d t h e c r y s t a l l i t e sw a sa r r a n g e dr e g u l a r l yi ns o m ec e r t a i nd i r e c t i o na n dg e l a t i nw a sa b s o r b e d o nt h e i rs u r f a c e s d e x t r a np l a y e da nm a j o rr o l ei nt h em i n e r a l i z a t i o ns y s t e mw i t ht h e m i x t u r eo f g e l a t i na n dd e x t r a n ( m o l er a t i oi s1 ：i tw a sr e l a t e dt ot h eh i g hh y d r u p h i l y o f d e x t r a n i nt h es i m u l a t i v eb i o m i n e r a i z a t i o n s y s t e m w i t h s h a e r o t i l u s , j r o l l b i o m i n e r a l i z a t i o nt o o kp l a c eb o t hi n s i d ea n do u t s i d eo ft h es h a e r o t i l u sc e l l s t h e c r y s t a ls t r u c t u r ea n dm o r p h o l o g yo f i r o nm i n e r a l sw e r es i m i l a rt ot h o s ef o r m e di nt h e m i n e r a l i z a t i o ns y s t e mw i t hd e x t r a n i tw a sf u r t h e rc o n c l u d e dt h a tp o l y s a c c h a r i d ea n d p r o t e i nc o u l dm o d u l a t ei r o nb i o m i n e r a l i z a t i o np r o c e s s t h er e s u l t sw i l lh e l pt og i v eu sa ni n s i g h ti n t ot h eb i o m i n e r a l i z a t i o nm e c h a n i s m w h i c he x i s t e dw i d e l yi nn a t u r e , l h e np r o v i d et h e o r e t i c a li n s t r u c t i o nt od e v e l o pan e w t y p eo fm a t e r i a lf o r m e db yi r o nb i o m i n e r a l i z a t i o na n da p p l yt or e p a i re n v i r o n m e n t p o l l u t i o n k e y w o r d s ：b i o m i n e r a l i z a t i o n ，f e ( o h ) 3g e l ，p h a s et r a n s f o r m a t i o n ，p o l y s a c c h a r i d e ， p r o t e i n 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 廿 签名：i 哲p 农e t 期：伽占f 。p 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：遣! 兰堕导师签名 武汉理工夫学硕七学位论殳 第1 章前言 自上世纪八十年代，生物矿化作用的研究已在国外陆续展开，特别是九十年 代以后，随着高分辨电镜分析技术和纳米材料的发展以及化学生物学、生物矿物 和环境矿物学的兴起，生物矿化的研究日益引起多学科广泛的关注。近年来，随 着对生物矿化的碳酸钙、磷酸钙、草酸钙、硫铁矿、针铁矿、铁锰结核和胞内磁 铁矿等生物矿物的形态、组成和纳米结构及有机质模板作用的研究，微生物的矿 化作用及其与环境矿物的交互作用越来越受到重视”“。 铁的氧化物、氢氧化物在自然界中广泛分布。在土壤、水体、现代沉积物中， 赤铁矿、针铁矿是主要矿物。铁矿物的变化对其所在的环境有较大的影响。在土 壤、沉积物、水体中广泛存在着铁矿物的氧化还原作用和溶解作用，从而对有机 质的分解、微量元素的释放、土壤的物理化学性质等产生直接影响。广泛存在的 细菌本身对铁具有富集作用，并可使各种含铁矿物发生氧化还原作用和溶解沉淀 作用，形成不同的铁矿物并导致矿物性质的变化，极大地影响了土壤和水体的地 球化学特征”。 天然铁矿物具有良好的表面吸附与氧化还原等化学活性。在不同介质条件下 能不同程度地对c r ”、p b ”、h g + 、c d “、a s ”、c u 2 + 、z n ”、c 0 2 + 、n i 2 + 等金 属离子表现出吸附作用；对n 0 3 、p 0 4 3 。、f 。、s 2 - 等阴离子表现出吸附作用和氧 化作用：还对c 0 2 、n o 。和s 0 2 等具有分解转化作用。利用这种来自于天然的、 具有良好环境属性的物质来进行土壤污染治理与土壤改良，地表水、地下水、河 流污染治理与改善，生活污水、工业、矿山废水处理及大气污染治理等，将具备 其他许多材料无法比拟的环境协调性和环境自净化功能等方面的优势。此外，铁 矿物还能作为一种廉价的屏障材料铺设于储存库( 如垃圾场、排污渠等) 的底部， 可防止污染物的扩散和蔓延。因此铁矿物作为环境矿物材料具有广阔的应用前 景。 在某些特定的自然环境中，微生物对铀、铬、钴等有害金属具有有效的固定 作用，从而利用这些特殊的微生物通过生物矿化作用固定重金属污染物和放射性 核素，使其可以更好地控制和管理，以达到环境生物修复的作用。近年来，科学 家们对生物参与矿化作用以及有机矿物对育毒和有害元素的聚集有了更深入的 认识生物通过生命活动可吸附、聚集、迁移和固着金属及有毒有害元素；有机 矿物在形成过程中也可富集一些金属元素，减少环境污染。在动、植物体内可形 成一些无机矿物，低等的藻类植物可形成许多表生矿物达到吸附金属离子的目 的。因此将天然环境矿物材料与有机生物方法相结合构筑类似自然界中存在的天 然自净化系统应用于治理污染和修复环境，将成为环境矿物材料和环境科学研究 武汉理工大学碰士学位论文 的重点发展方向之一。 铁矿物的形成与微生物的矿化作用密切相关。利用生物矿化原理，采用有机 模板合成纳米铁氧化物也是材料学研究的热点。因此，本文着重从生物大分子多 糖和蛋白质着手，通过铁的生物矿化模拟实验，对表生环境中较为普遍的氧( 氢 氧) 化铁的生物矿化作用机理丌展研究，对于了解环境中矿物一有机质微生物的 相互作用，尤其是它们之间的界面作用具有重要的理论指导意义。不仅能促进环 境矿物学、化学与仿生材料合成及微生物矿物加工技术的发展，也为进一步开展 铁的生物矿化材料和环境矿物材料在矿山、土壤和水污染( 如有机污染) 的修复和 治理及其工业利用提供理论依据。 1 1 生物矿化 生物矿化在自然界是一个极普遍的现象，它可以被理解为生物系统体内通过 生化过程聚集形成的各种无机化合物( 特别是盐类) 。迄今发现大约有6 0 多种矿 化物存在于各种生物体中，比如常见的有磷酸钙，碳酸钙，以及一些硅、铁的氧 化物等等。它们的组成各异，并赋有特定的生物学功能，我们称其为生物矿物。 从组成和晶体结构来看，这些无机物与岩石圈中相应的矿物是相同的，但当它们 与蛋白质、多糖等有机分子( 基质) 一起构成生物矿化组织或称生物硬组织( 如骨、 牙齿、珍珠、贝壳等) 后，就具有特殊的理化性质，从而发挥一定的生物功能。 这是因为生物矿物是在特定的生物条件下形成的，具有特殊的高级结构和组装方 式。我们把成矿离子( 如c a 2 。、c 0 3 。) 在特殊的反应介质中，在细胞参与和基质 指导下，形成生物矿物并与基质共组装成有特定高级结构的硬组织的过程称为生 物矿化。 对生物矿化的研究是一个跨越无机界和有机界的多学科研究领域。自从地球 上出现生物以来，有机物与无机物就不是相互割裂，而是相互依存、相互作用， 并在一定条件下相互转化的。自然界生物利用和合成矿物至少已有3 5 亿年历史， 从细菌、微生物直至植物、动物在体内均可形成矿物。有些生物成因的矿物可以 形成巨大的规模即生物成矿。如前寒武纪的超大型铁矿，藻磷块岩矿床、硅藻土 矿床，现代洋底沉积物中生物形成的丰富的铁锰结核，以至于对海洋化学有着重 要的影响等。牙齿、骨骼、贝壳、鳞片等是自然界最常见的生物矿化现象，它们 都具有大小均匀、专一的结构和形态f 7 叫。 早在1 9 1 5 年s e e b e n t h a l 首先提出了生物成矿的概念。然而，长期以来由于 科学技术的限制，没有真正认识到生物成矿作用的重要性，因此不可能投入应有 的人力和物力对生物成矿作用进行详细研究。只是到了本世纪6 0 7 0 年代生 物成矿作用的研究才在一些国家陆续展，丌并取得某些进展，发现了越来越多的生 物参与矿床形成过程，并对生物富集、搬运和沉淀某些金属的机制作了一些研究。 武汉理工人学硕士学位论文 8 0 年代以后，随着高分辨电镜技术和纳米材料以及无桃生物化学的发展，生物 矿化的研究日益引起多学科广泛的关注。近年来随着生物矿化的贝壳、硫铁矿、 羟铁矿、铁锰结核和胞内磁铁矿等纳米结构和有机质模板作用的研究，微生物在 矿化作用中的作用越来越受到重视。因为细菌可以生活在自然界任何具有液态水 的地方，在一些极为苛刻的条件下，细菌往往是唯一的生命形式。细菌可以说是 无所不在，数量众多，并且体形小，具有相对最大的表面积和体积比，能够在它 们的表面和体内聚集各种金属9 “。细菌能够控制环境中许多生物地球化学循环 过程。细菌产生的生物矿物，已发现的占生物矿物总数一半以上，其中铁锰氢氧 化物和氧化物，以及硫化物分别占有很大比例“”“1 。 生物矿物是亿万年物竞天择的进化产物，以其完美的分子设计得到材料最简 省而性能最优异的有机无机复合材料。在有机无机界面，既有局域化学控制空 间定位与约束，又有立体化学的分子匹配。有机模板的指导作用是该类矿物形成 的主要特征，在模板的指导下，材料的物相、尺寸、形状、取向、纹理及各组分 的浓度均得到精确的控制。矿化晶型专一，结构多样，在耐高温、高断裂韧性、 高表面光洁度及其他特殊的功能方面，具有常规材料不可比拟的特点。近年来， 有关生物矿化的研究十分引人注目，其主要原因是该领域具有明显的学科交叉与 渗透特点，它处于生命科学与无机化学、生物物理学和材料科学的交汇点，更为重 要的是它为人工合成具有特种功能晶体材料和生物智能材料提供了一种新的思 路，而且合成过程中所用能量极少“，其结晶过程是典型的自动催化过程，因而符 合环保对材料科学的要求。 在生物矿化中的无机矿物往往是在有机基质的参与下形成的，它们在有机基 质上成核，并且在整个结晶过程中受到了有机基质及其它生命活动的调控因而在 晶体的形态、尺寸、以及取向上都具有高度的统一和有序性，而这些特性又使这 些无机材料具有一些特殊的功能。受到这一自然现象的启发，人们开始研究生物 矿化的基本原理并利用这些原理去模拟生物矿化过程，从而探索理想的无机材料 及其制备途径“。 因此，研究生物矿化的首要目的是建立解决生物矿化的理论问题。目前生物 矿化研究虽然提出了许多微生物参与成矿的证据，但由于生物体系和生命活动过 程的极端复杂性，有关生物矿化作用机制方面的直接而系统的生物模拟实验研究 还难以进行，尽管对贝类碳酸钙、牙齿磷灰石矿化、植物硅矿化及其有机模板作 用开展了一些探索性化学模拟研究，结果表明有机大分子可以改变碳酸钙和磷灰 石的结晶形态、大小甚至晶体结构”“1 。s i ( o h ) 4 中- - o h 与芦荟叶细胞壁上多 糖羟基作用可自组装合成纳米尺寸的s i 0 2 “”1 。这些初步的成果已足以令人鼓 舞。因此，科学家们大多利用各种模型对其进行基础性的研究。目的在于查明生物 武汉理工大学硕i 学位论文 矿化的分子机理。 1 9 8 5 年在c i b a 基金会上首先提出模板概念，指出生物系统内有机基质在无 机矿物沉淀中的作用。经过几十年的发展，生物矿化的概念日趋成熟：特殊的分 子作用于有机无机界面，通过分子识别作用，控制生物无机晶体沿一定方向取 向成核并外延生长，使得到的无机晶体具有一定的形状并高度有序“。有机大分 子包括蛋白质、多糖、磷脂等物质，其与金属离子的结合可降低无机盐过饱和溶 液成核的活化能，降低程度取决于有机大分子和无机分子的二维空间匹配程度， 有机大分子本身的结构是控制特定晶核形成的关键。以蛋白分子作为活性基团为 例，如：谷氨酸和组氨酸等氨基酸形成纳米尺度的空腔，构成有机分子和无机离 子的“主客”体关系，通过空间电荷匹配可结合钙、铁等无机离子，形成的无 机矿物沉淀形状主要由有机分子的控制成核的蛋白质亚单元决定“。天冬氨酸的 羧酸根阴离子、色氨酸氨基阳离子及疏水性苯环、赖氨酸、精氨酸、甘氨酸、丝 氨酸等在生物矿化过程中都起到不同的模板作用”“。另外磷脂的两性使其可结合 疏水的烷基链和亲水的无机离子，也起到生物模板的作用”。 目前模拟生物矿化的常用方法有用s a m ”“、微囊、囊泡、胶束、反相胶束、 微乳液、l b 膜、单层分子膜、液晶等物质来作膜板，有机基质往往为表面活性剂； 另外还有生物大分子和生物中的有机质，如磷脂、脂质体、几丁质、胶原蛋白、 胆固醇等。以有序分子膜为基质的仿生矿化模拟体系，可以在体外形成特殊的隔 室来有效的模拟生物膜。在这些特殊的隔室中，反应物可以富集，定位并被有机质 诱导：同时隔室环境中的过饱和度、p h 值、温度、抑制剂或促进剂等因素对成矿 的影响相比与细胞膜体系变得简单。特别是将含o 、n 、s 的亲水头基引入成膜 物质后，极大地丰富了研究对象，这不仅为寻找促进或抑制生物矿化的有机基质 提供了更多的机会，而且为在理论上进一步阐明基质诱导下的成矿机制创造了条 件”1 。 1 2 生物矿化作用机理研究现状 1 2 1 生物矿化的四个阶段 在生物矿化的研究中以英国s m a n n 所领导的研究小组的工作最为出色，代 表着当今生物矿化的主要发展方向。s m a i l l l 的研究结果表明生物矿化是在有组 织的表面实现的，基质对矿化的指导，具体表现在有机或生物大分子和无机粒子 在界面上的相互作用，得以在分子水平上控制无机矿物的成核、生长和微组装。 生物矿化发生在特殊的隔室之中，隔室的空间是由细胞所分泌的生物大分子经过 自组装而形成的，与有机基质的结构与化学性质密切相关，矿化过程中的每一步 骤都发生在一定的时间和精确的位置上。在生物矿化中矿物晶体的形成具体可以 武汉理工大学硕r 学位论文 分为四个阶段”： 1 有机基质的预组织( 超分子预组织) 。在矿物沉积前构造一个有组织的反应 环境，该环境决定了无机物成核的位置。有机基质的预组织是形成生物矿化模板 的前提，预组织原则是指有机基质与无机相在分子识别之前将识别无机物的环 境，组织得愈好，则它们的识别效果愈佳，形成的无机相愈稳定。该阶段是生物 矿化进行的前提。 2 界面分子识别。1 。1 8 9 4 年，e f i s h e r 根据酶与底物作用的特点最早提出分 子识别的概念及著名的锁与钥匙原理。分子识别可理解为底物与受体选择性结 合，并具有专一性功能的过程。互补性和预组织是决定分子识别过程的两个关键 因素，分子识别过程可引起体系电学、光学性质及构象的变化，也可引起化学性 质的变化，这些变化意味着化学信息的存储、传递及处理。在已形成的有机基质 组装体( 底物) 的控制下，无机物( 受体) 从溶液中在有机无机界面成核。其中的 分子识别表现为有机基质分子在界面处通过晶格几何特征、静电势相互作用、极 性、立体化学互补、氢键相互作用e 3 0 3 h 空间对称性和形貌等方面影响和控制无 机物的成核的部位、结晶物质的选择、晶型、取向及形貌等。 3 生长调制( 化学矢量调节) 。无机相通过晶体生长进行组装得到亚单元，同 时形貌、大小、取向和结构受有机基质分子组装体的控制1 。由于实际生物体内 的矿化过程中有机基质是处于动态的，所以在时间和空间上也受有机基质分子组 装体的调节。在许多生物体系中，分子构造的第三个阶段即通过化学矢量调节赋 予了生物矿化物质具有独特的结构和形态的基础。 4 外延生长( 细胞水平调控与再加工) 。在细胞参与下亚单元组装成更高级的 结构。该阶段是造成天然生物矿化材料与人工材料差别的主要原因，而且是复杂 超精细结构在细胞活动中进行最后的修饰的阶段。 在生物矿化的四个阶段中同时存在三个层次：第一个层次是对于溶液中无机 结晶中的成核位点的控制；第二个层次是对无机体系中两种或两种以上溶质结晶 位点的分离；第三个层次则是有机基质对界面下无机矿物体系的结晶作定向有序 性的控制。 1 2 2 分子水平上的生物矿化机制 生物矿物中的有机基质可以定义为任何由有机成分组成的局域化表面，如蛋 白质、磷脂、胶原质和碳水化合物等”。有机基质在生物矿物的形成中起着十分 关键的作用，通过有机大分子和无机物离子在界面处的相互作用，从分子水平控 制无机矿物相的析出，使无机矿物具有一定的形状、尺寸、取向和结构，从而使 生物矿物具有特殊的多级结构和组装方式“，表现出特殊的理化性质和生物功 能。m a n n 1 曾提出界面有组织矿化的观点，该观点促使更多的研究者将精力集 武汉理工大学颂士学位论文 中于有机无机界面。 1 2 21 晶格匹配 当有机基质表面结构与晶体某一晶面的晶格参数相匹配时，可以降低晶体成 核活化能，诱导晶体沿该晶面择优生长，形成大小均一、取向一致的晶体。如在 贝壳中大部分的文石晶体具有相同的取向，不仅在同一层的珍珠层中如此，而且 在垂宣于该层的方向上也是这样。高度一致的取向归因于蛋白质层和文石晶格之 间的结构匹配”，文石晶体的( 0 0 1 ) 晶面和蛋白质之间存在两种较为匹配的模式， 分别有4 个和3 个匹配点，导致形成两种晶体的取向。 晶格匹配除了决定晶体的取向外，还可以决定晶体的晶型。水溶性基质蛋白 已被证实对碳酸钙的结晶类型起决定性作用，不需要其它离子的参与就可为不同 晶型的碳酸钙的成核提供合适的三维空间结构和局部微环境1 。水溶性基质蛋白 质分子的“a s p y ”( a s p ：天冬氨酸，y = 其它氨基酸残基) 重复序列带有强烈的负 电荷，能束缚c a 2 + 。当这种序列采取p 一折叠的构象时，a s p 的p 羧基所带负电 荷之间的距离可以与碳酸钙晶格中c a 2 + 之间的距离匹配，如果与文石的( 0 0 1 ) 晶 面之间有较好的匹配关系时，可诱导文石以( 0 0 1 ) 晶面成核”“，若其侧链间距与 方解石( 0 0 1 ) 晶面上沿b 轴排列的c a 2 + 的间距匹配时，则诱导方解石以( 0 0 1 ) 晶 面成核”“。 1 2 2 2 立体化学互补 立体化学互补是指界面处的有机分子和晶体中的无机离子在空问结构上达 到互补，从而相互识别并引发特定的成核。 有机基质分子立体结构上的细微差别，都能从与之作用的矿物特定晶面的生 长或溶解中反映出来，如天冬氨酸的对映体可使方解石产生手性结构”。 m i y a m o t o 等。”从牡蛎的珍珠层分离纯化出一种6 0k d a 的可溶性有机基质蛋 白并命名为n a c r e i n ，氨基酸序列分析表明，这种蛋白包括两个功能区域：一个是 碳酸酐酶区域，另一个是g l y - x a a - a s n ( x a a = a s p ，a s h 或g l u ) 重复序列。碳酸酐 酶可以催化h c 0 3 一的形成，而g l y x a a - a s n 重复序列可以结合钙，因此推测n a c r e i n 参与珍珠层文石晶体的形成过程如下：呼吸作用产生的c 0 2 在n a c r e i n 的作用下 与h z 0 反应生成h c 0 3 一，h c 0 3 一进一步转变成c 0 3 2 - ，c 0 3 2 和c a 2 _ 结合后，n a c r e i n 通过改变c 0 3 2 的立体化学位置，从而产生文石晶体。 h e c k y 等“”提出硅藻细胞中含羟基的氨基酸( 如丝氨酸和苏氨酸) 蛋白模板 在s i 0 2 成核生长中起立体化学互补作用。海绵轴向丝心蛋白和植物细胞壁多糖亦 有类似功能。 1 2 2 3 空间定位 有机界面为晶体的定位生长提供了一个有效中心，同时它又对晶体生长在空 f n j 上的扩展给予约束和限制。如在一种叫o p h i o c o m a w e n d t i d 的海蛇尾( b r i t t l es t a r ) 武汉理丁大学硕i 学位论文 脊骨上，方解石成多孔状的旋绕结构”“，这种结构可能是在特定大分子的定位控 制下形成的，大分子促使晶体在某些位点上形成，同时抑制晶体在其它位点上形 成。如将生物大分子吸附到方解石脊骨上时，新的晶体只外延生长在特定的位器 上。b o w e n 等“2 1 提出一种合理模型，解释了软体动物贝壳珍珠层中文石晶体的成 因，认为非水溶性基质蛋白中高分子量的蛋白质作为锚蛋白，锚蛋白的碱性氨基 酸侧链可与水溶性酸性蛋白的羧基结合。由于酸性蛋白的酸性侧链比锚蛋白的碱 性侧链多，未结合的离子化羧基就能作为文石晶体沿几何轴线生长的取向模板。 生物矿物的生长一般认为是环境中的离子不断沉积到矿物表面的结果，但 b a n f i e l d 等“”4 ”提出了一种新的生长方式，即生物先诱导微粒的生长，然后微粒 以相同的取向聚集在一起形成生物矿物。如嘉利翁氏菌属和纤发菌属细菌细胞表 面突出的细丝状聚合物可作为空间定位的模板，诱导四方纤铁矿( i - f e 0 0 h ) 围绕 其沉积，形成长约几微米，直径约2 0 2 0 0a m 的矿化细丝。这种细丝状聚合物 主要的有机成分海藻胶质( a l g i n a t e ) 是一种酸性多糖，因此推测，海藻胶质可以 调控p f e 0 0 h 的形成其模型如图卜l 所示：f c 2 + 在细胞表面或者附近被氧化为 f e ( o h ) 2 + ，f e ( o h ) 2 + 与海藻胶质接触后，在其作用下脱去1 个 i - 生成f e 0 0 h 并沉 积在海藻胶质上。 1 2 2 4 静电作用和电荷匹配 静电作用对于界面电荷富集和双电荷层的形成起着关键的作用。带负电荷的 有机基质整合带正电荷的阳离子，然后吸引阴离子并使局部晶体阴离子浓度增 大，从而进一步吸引更多的阳离子，直到浓度增大到有利于晶体的异相成核，生 物矿化过程中的这一“离子移变说( i o n t r o p i c t h e o r y ) ”“”已被红外光谱所证实。 对富天冬氨酸的蛋白质，钙结合位点是羧基，对糖蛋白和磷蛋白，钙结合位点是 硫酸或磷酸基团，可溶性蛋白质中的粘多糖也是钙结合位点。上述的大分子具有 浓缩钙离子、调节矿物成核和生长的作用。如弹性蛋白位于动脉管壁内，是高度 交联的聚合蛋白“”，弹性蛋白带负电的端基( c = o ) 与c a 2 + 相互作用，可促进方解 石在其表面成核、生长，相应的表观生长级数为2 士0 1 ，表明该过程是典型的表 面扩散控制机制。又如一种微生物蜡状芽抱杆菌，其细胞壁有一层很厚的