碳酸盐矿化菌调控碳酸钙结晶动力学、形态学的研究

碳酸盐矿化菌调控碳酸钙结晶动力学、形态学的研究 维普资讯 ////0>. 成 亮 等:碳酸盐矿化菌调控碳酸钙结晶动力学、形态学的研究 碳酸盐矿化菌调控碳酸钙结晶动力学、形态学的研究 成 亮,钱春香,王瑞兴,王剑云 东南大学材料科学与工程学院,江苏南京 摘 要: 选用实验室自培育碳酸盐矿化菌,研究了体 、 ,分析纯。 . 仪器 系、细菌体体系、细菌分泌物液体系对碳酸钙结晶动力 学,晶体形貌影响。研究发现细菌液浓度增加,抑制碳 红外光谱仪:傅立叶红外光谱仪; 射线衍射 酸钙成核动力学“平台区”由 增加到 .;细菌体 仪: 型;扫描电镜 :场发射扫描电 作为异相成核点加速结晶过程;分泌物抑制晶体成核, 镜;数显电导率仪:一型;高速离心机: 一 型 国产 等。 并随着与 。 混合时间的不同,“平台期”延长。球形 碳酸钙的产生是由细菌分泌物调控; 。 同有机质 . 实验 面一一和 一 结合,并且随着相互间作用程度 . . 菌种的培养 的增加,球状碳酸钙不规整表面逐步转变为光滑表面。 选用 培养基高温灭菌,接种后不添加底 本研究对于微生物诱导碳酸钙的工程性应用如混凝土 物,并在 ?恒温培养箱以/ 培养 ~, 微裂缝修复、古建筑表面防护处理、微纳米碳酸钙颗粒 待培养基混浊取出菌液,取细菌液于 比色管 制备等具有一定指导意义。 中,利用菌液中细胞浓度与其浑浊度成正比,与透光度 关键词: 生物矿化;球形碳酸钙;碳酸岩矿化菌;电导率 成反比,利用分光光度计测定其光密度 值,可以相 中图分类号: . 文献标识码: 应表示细菌液浓度。以 值 吸光度 为 . 的菌液 文章编号: 浓度作为基准。 . . 细菌分泌物水溶液 以下简称分泌物液 和细 引 言 菌体水溶液 以下简称菌体液制备 众所周知,生物体采用温和的条件却能对反应实 将培养好的细菌液值 . 在高速离心机上, 行高度精密的控制,对能量、空间及原材料进行充分的 用 / 转速离心,取上清液制成分泌物 利用,且形成的材料性能优越,令人叫绝。对于生物矿 液,同时将离心出的细菌体以等体积去离子水再重新 化材料超结构以及在不同生物体系分子间作用是如何 溶出制成菌体液。 精确控制结晶构造,已有大量研究。现已证明,生物超 . . 结晶过程电导率测量与碳酸钙晶体的制备 结构组装最终是由固一液和固一固界面分子间作用力决选用同一批培养细菌液 值. 。分别浓 定的。利用微生物的矿化作用,采用微生物技术沉积 缩与稀释到 为 . 、 . 、 . 的悬浮液,以 出具有胶结功能的特定构形的碳酸盐,进行砂基材的 / 转速搅拌下依次缓慢加入 ,浓度 胶结和材料裂缝、缺陷的修复,最近几年在一些国家刚/ 与 。 。溶液,溶液总体积 刚起步 ?引。 。测反应体系电导率变化,反应结束后过滤、干 微生物生命周期过程中新陈代谢的有机产物与无 燥制备碳酸钙晶体。 机矿物之间有着复杂的生物矿化作用,无机相的结晶 以分泌物液和菌体液作为碳酸钙沉积环境。 严格受生物分泌有机质的控制的口 。国内对有机质 以体积比 细菌分泌物液 : 。 : 调控无机物矿化的研究已有报道,但研究微生物菌种 : : 和 菌体液 : : 在特定生长、酶化条件下诱导碳酸钙结晶的研究还未一 : : ,以/ 转速搅拌下依次加 见报道,本研究的目的是研究微生物诱导碳酸钙结晶 入浓度为 / 的 。和 。溶液,测量 在动力学、晶体形态学方面的调控机理,对微生物诱导 反应体系电导率变化,反应结束过滤、干燥制备碳酸钙 碳酸钙工程性不同领域的应用具有一定指导意义。 晶体。 将 / 的。溶液与 . . 中制备 实 验 成分泌物液以体积比 细菌分泌物液 : 。 . 药品 : , / 的转速混合搅拌,分别于 、 、 采用菌种芽孢杆菌系;去离子水;牛肉膏、蛋白胨; 后缓慢加入等体积 /。 。溶液,测量体 基金项目:国家自然科学基金资助项目 收到初稿日期:收到修改稿日期:通讯作者:成 亮 作者简介:成 亮一 ,男,江苏扬州人,在读博士,师承钱春香教授,从事微生物矿化机理及应用研究。维普资讯 ////.助 材 料 年第 期卷 系电导率变化,反应结束后过滤、干燥制备碳酸钙晶 引起了羰基振动强度的降低。已知,蛋白质肽键中的 羰基 ? 、一 一能够与 抖、 计、 抖、 。 体。 等金属离子配位,生成环状配合物。。,因此我们认为, . . 分析检测 和 分析、能谱元素分析 有机质/ 。复合物中, 。 同肽键中的羰基发生 将 . . 中~制备取得的碳酸钙晶体制 了配位作用,从而减弱了双键电子云 密度,降低了双键 样,进行扫描电子显微镜一能谱、红外光谱分析。 的强度,使红外图谱上的 峰值发生红移。有机质肽键 中的羰基 是碳酸钙矿化的另一类成核位点。 借以表征晶体形貌和有机一无机复合物之间键合情况。溶液电导率测定 为了保证体系离子反应均匀性,以/ 速率 搅拌溶液。固定电导率仪在各反应体系中,检测溶液 电导率值随时间的变化。 结果与分析 . 菌液体系对碳酸钙结晶动力学及晶体形态影响 .. 结晶动力学影响 图 不同细菌液浓度中形成的碳酸钙晶体红外图谱 电导率参数表征了溶液中游离态离子的总浓度。 ? ? 试验前后溶液的电导率的降低反映了溶液体系中导电 离子结合成不导电物质的一个过程 。主要是 。 细菌液浓度不同时,相应的体系中有机质及有机 与 ;一离子结合形成不溶 。晶体导致溶液中 质分子中一 与 含量也不同。有机质浓 离子浓度的减少,导电能力的降低。通过电导率曲线 度高时 红外吸收峰红移量 . 小于有 图 可以看出,高浓度菌液体系下碳酸钙结晶动力 机物浓度低时 . 红移量。可以认为 。 与 学曲线出现“平台区 ,细菌液浓度越高,平台区越 一 及 间可产生多种不同形式的 长,由增加到 .,抑制晶体成核生长作用越 , 什配位螯合作用。当有机基团 含量高时,单个 明显。 。 螯合多个有机基团形成高配位体;而当有机基团 含量低,则形成低配位体,配位体中多个 基团 同时受 。 电荷离域作。由于电荷分配作用,高配位 体中单个 受作用强度要小于低配位体。受作 用强的红移量大,受作用弱偏移量小,从而出现了红外 图谱上 吸收峰偏移量随菌液浓度差别而不同。 由相应碳酸钙晶体图可以看出,碳酸钙晶体 形貌有着很大的改变。伴随着菌液浓度的变化,碳酸 图 不同浓度细菌液体系电导率变化与时间关系图 钙晶体由大小不一的球形或球状聚集体 如图 ,转 变为长方体、长方体团聚体晶体及不规则聚集体 图 ,球形碳酸钙晶体 基本消失。 . . 菌液体系中碳酸钙晶体 图谱与图谱 由图 看出,在细菌液体系中,由于大分子带负电 带白质的空间作用使得 。晶体中的 ? 不对 称伸缩振动特征吸收峰由.向长波方向偏 移,当细菌液 值为 . 和 . 时,峰值分别为 . 和 . 。。有机物的存在使 碳酸钙晶 体键的结构发生了改变 今后可用进一步 验证 。同时在图中可以清楚地分辨出 ~和 多肽区。作为蛋白质中 图 镜图 的 键,其特征峰由 分别红移到 ? . 和 .。.等人 已证实: 。 能与胶原蛋白质中的羧 细菌液体系对晶体生长初期成核具有一定抑制作 基一 配位,有机质中的大量游离羧基是 。 的 用,导致晶体动力学生长曲线出现“平台区”,随着细菌 第一类结合点 。图中可以看出体系中存在的 抖, 液体系浓度增大平台期延长 图 。而细菌液体系又维普资讯 ////. 成 亮等:碳酸盐矿化菌调控碳酸钙结晶动力学、形态学的研究 会调控晶体以特定形貌生长 图 、 ,随着浓度的增 时,形成具有纺锤形、球形的碳酸钙晶体 图 ,同时 大,对碳酸钙调控机能越发明显。细菌液具有抑制晶 规则斜六方体晶体的出现可能是由于这部分晶体的生 体成核与控制晶体生长形貌双重作用,其中有机质同 成没有受到分泌物界面控制。细菌分泌物对晶体形貌 金属 抖间作用是调控碳酸钙结晶过程的关键。 产生很大影响,晶体呈现表面发散型球状晶形;而细菌 体对晶体形貌几乎没有影响,形成表面留有孔洞及细 菌体的规则六方体碳酸钙 图 。 图 菌液中 . 结晶。的扫描电镜图 ?. 图 分泌物液中结晶 。扫描电镜图 . 不同体系在矿化结晶过程中的调控作用? 在室温 ? 下,以分泌物液、菌体液、水溶液为 晶体生长体系环境,测碳酸钙结晶过程中的电导率变 化如图 所示 ,发现相比水溶液体系,细菌分泌物体 系中电导率曲线具有明显的“平台区”,平台区过后,具 有同水溶液中相似的曲线走势,进入成核区?。而菌 体液中电导率“平台区”消失,且成核速率明显加快。 ‘,, 图 菌体液中结晶 。扫描电镜图 . 。 与细菌分泌物间作用对碳酸钙结晶过程影 响 图 不同体系环境反应电导率与时间关系图 从 。 与分泌物液混合不同时间后,体系电导率变化值曲线图 图 可以看出, 随着混合时间的增加, 体系电导率初期“平台区”延长,动力学“平台区”由 . 图 可以看出,以分泌物液作为碳酸钙沉积环境延长至 . ,并随后进入结晶 成核区,且成核 电导率降低值一 . / 明显小于水溶液 速率呈现梯度下降趋势。随着 。 与分泌物混合时 体系 . / 和菌体液体系 .间的延长,分泌物有机质抑制碳酸钙初期结晶 成核作/ 电导率降低值。 用越明显,动力学调控作用越强。 水溶液和菌体液中, 。 与 ;一充分反应,电导 率降低值反映了正负离子消耗量。分泌物体系 中蛋白质等有机大分子中羧基电离成一一而使 分子呈负电性。 。 中和表面带负电大分子 主要为 蛋白质 ,使大分子问絮凝成团聚体。团聚体包裹的抖无法参与碳酸钙形成,使 ;一离子相对过量而 存在溶液中,导致反应体系电导率降低值小。羧基基 团螯合 。 减少钙离子浓度引,可降低体系离子过 饱和度;同时李广兵等 研究证实碳酸钙结晶过程属 图 电导率变化与时间关系图 于扩散控制过程,体系中带电有机质基团阻碍无机离子间相互迁移、碰撞,导致结晶初期离子结合速率下 。 离子与细菌分泌物混合不同时间后,制备碳 降,从而抑制晶体的初期成核。 酸钙晶体具有很大的形貌差异。虽都基本呈现几何球 由图可以看出,分泌物液作为晶体生长环境 形,但混合,晶体晶粒尺寸为 . 左右,表面粗维普资讯 ////. 助 生笪 塑 鲞 长基元模型 “ ,大量晶体生长基元在有机质调控作用 糙,规整度差 图 ;混合 ,晶体晶粒尺寸为 ~ 下往晶界面堆积,晶体生长基元通过传输、热对流等动,表面光滑,规整度很 好 图。 力学因素传送到既有晶体表面时,由于大分子的静电 排斥、空问位阻等一系列作用,阻碍了生长基元移动到 晶体表面能量最低处,抑制了晶体正常的动力学、热力 学生长,最后形成我们所观察到的表面光滑球形。当 有机质一无机离子问作用较弱情况下,部分晶体生长基 元未同有机质作用,从而产生不规整界面。 描电镜 图 图 ? 图 镜图? 图 分泌物液与 。 混合 后 扫描电。镜图及碳酸钙晶体表面能谱分析 . 有机一无机界面分析 图 、 分别为混合细菌分泌物体系下 混 合制备得球状碳酸钙和碳酸钙表面团聚有机质图,及对应条件下的表面元素 能谱分析。图看出球状碳酸钙表面吸附着大量微小团聚物颗粒。 对碳酸钙表面做能谱分析发现,界面区域元素集中分 布有 、 、 、图 其中 元素的存在可以明 确判定有机一无机界面处存在生物有机大分子。对表 面吸附团聚体进一步分析发现,其主要元素成份为 、 、 ,不含 元素 图,可以断定球状碳酸钙 表面吸附的微小团聚物为微生物分泌的有机质 蛋白 质 ,并且有机质以球形颗粒团聚态存在于体系中 图 。 我们认为产生球状碳酸钙晶体主要原因是由于晶 体受有机质调控,产生多级生长和相互聚集。通常可 溶性有机质在水溶液中非极性基团藏于分子内部,极 性基团暴露于分子表面形成球状。 。 离子的引入, 中和有机质表面负电荷,使多个有机质分子絮凝成为 晶体生长的限制空间。蛋白质大分子团表面所形成的 图 分泌物液体系 。表面吸附物扫描电镜图 蛋白质一 。 基元将作为碳酸钙结晶成核位 及吸附物能谱分析 点。随着 。 与有机质混合时间增加, 。 与有机质 相互问碰撞、作用几率增大,数量增加,有机质充分调 控无机矿物离子矿化结晶。根据负离子配位多面体生