生物成因鳥糞石的礦化機(jī)制研究.pdf

1、生物礦化現(xiàn)象在自然界普遍存在。相比于非生物成因的礦物，生物礦化過(guò)程產(chǎn)生的生物礦物往往具有獨(dú)特的組成、形貌和復(fù)雜的組裝超結(jié)構(gòu)以及優(yōu)良的機(jī)械性能，這可能是由于生物礦物在形成過(guò)程中受到了生物體內(nèi)特定生物/有機(jī)大分子和生命活動(dòng)的嚴(yán)格調(diào)控。不過(guò)，當(dāng)生物體內(nèi)的礦化過(guò)程變得失控時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)病理礦化，導(dǎo)致各種結(jié)石等一系列疾病的發(fā)生。為此，醫(yī)學(xué)研究人員需要了解病理礦化機(jī)制，以應(yīng)對(duì)相關(guān)疾病發(fā)生和發(fā)展有效的治療手段，這導(dǎo)致醫(yī)學(xué)礦物學(xué)這門新興學(xué)科的誕生。鳥糞石

2、作為一種磷酸鹽礦物，不僅是天然的生物礦物，也是病理礦物泌尿結(jié)石的重要組分;同時(shí)，在農(nóng)業(yè)上可以作為一種緩釋肥料，而在污水處理廠則是一種常見(jiàn)的水垢。鳥糞石在不同環(huán)境中扮演著不同的角色，已經(jīng)受到生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、化學(xué)、環(huán)境科學(xué)和礦物學(xué)等多學(xué)科研究者的普遍關(guān)注。在本論文中，我們通過(guò)生物礦化和仿生礦化相結(jié)合的研究方法，從分子水平系統(tǒng)研究不同生物成因鳥糞石的微觀礦化機(jī)制。首先研究了細(xì)菌誘導(dǎo)鳥糞石礦化和調(diào)控鳥糞石形貌的分子機(jī)制，揭示了不同細(xì)菌組分對(duì)鳥糞石

3、形貌的影響。同時(shí)，利用模型多肽研究了與鳥糞石結(jié)石形成密切相關(guān)的泌尿蛋白對(duì)鳥糞石結(jié)晶和形貌演化的影響，闡明了泌尿蛋白抑制鳥糞石生長(zhǎng)的機(jī)制。在此基礎(chǔ)上，將發(fā)現(xiàn)的蛋白抑制鳥糞石生長(zhǎng)機(jī)理用于尋找高效的化學(xué)抑制劑和發(fā)展新的阻垢技術(shù)。相關(guān)成果的取得，不僅有助于加深對(duì)鳥糞石生物礦化和病理礦化機(jī)制的理解，而且為結(jié)石病治療和水垢控制提供了新的思路。本論文的主要內(nèi)容如下:
　　1.細(xì)菌誘導(dǎo)形成的鳥糞石往往表現(xiàn)出特殊的形貌。為了深入理解鳥糞石礦化過(guò)程中

4、晶體生長(zhǎng)習(xí)性與細(xì)菌代謝活動(dòng)之間的關(guān)系，希瓦氏菌屬ShewanellaoneidensisMR-1被選作模型微生物，在合成廢水中誘導(dǎo)鳥糞石的礦化。同時(shí)，通過(guò)一系列分離技術(shù)從細(xì)菌培養(yǎng)液中分離不同的細(xì)菌組元，采用仿生礦化的實(shí)驗(yàn)方法研究這些不同組元對(duì)鳥糞石結(jié)晶、生長(zhǎng)和形貌形成的影響。細(xì)菌原位礦化實(shí)驗(yàn)顯示，S.oneidensisMR-1不僅能夠誘導(dǎo)鳥糞石礦化和生長(zhǎng)，而且能夠調(diào)控特殊形貌的棺材蓋形鳥糞石的形成。仿生礦化實(shí)驗(yàn)表明，不同的細(xì)菌組分對(duì)鳥

5、糞石形貌產(chǎn)生的影響不同。低分子量多肽在棺材蓋形鳥糞石的形成中發(fā)揮了重要調(diào)控作用，而棱柱狀和切角板狀鳥糞石的形成可能分別受控于溶解態(tài)胞外聚合物(SEPS)和結(jié)合態(tài)胞外聚合物(BEPS)。此外，細(xì)菌原位礦化實(shí)驗(yàn)也顯示，菌株MR-1不僅能誘導(dǎo)鳥糞石的礦化，而且能夠直接把水體中的有機(jī)磷和有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為鳥糞石沉淀。因此，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不僅為深入理解細(xì)菌調(diào)控的鳥糞石形態(tài)發(fā)生機(jī)制提供了新的啟示，而且為從廢水中回收氮磷以及消除水體的富營(yíng)養(yǎng)化提供了新的途徑。

6、r>　　2.長(zhǎng)期困擾人們的鳥糞石結(jié)石，是一個(gè)嚴(yán)重的臨床醫(yī)學(xué)問(wèn)題。最近的研究顯示，一些泌尿蛋白能夠高效抑制鳥糞石結(jié)石的形成。這些發(fā)現(xiàn)對(duì)于發(fā)展有效的結(jié)石病治療方法具有重要意義，但泌尿蛋白抑制結(jié)石生長(zhǎng)的機(jī)理并不清楚。也有研究報(bào)道，泌尿蛋白存在下形成特殊形貌的鳥糞石，但泌尿蛋白的作用機(jī)制有待深入研究。為此，聚天冬氨酸被選作模型多肽模擬鳥糞石礦化相關(guān)的泌尿蛋白，在氨氣擴(kuò)散體系中仿生合成鳥糞石，以揭示泌尿蛋白對(duì)鳥糞石生長(zhǎng)和形貌形成的影響機(jī)制。實(shí)驗(yàn)結(jié)

7、果表明，聚天冬氨酸通過(guò)優(yōu)先與鳥糞石晶體的{010}和{101}晶面吸附和結(jié)合，導(dǎo)致箭頭狀鳥糞石形成，并且隨礦化時(shí)間的延長(zhǎng)，逐漸由箭頭形的亞單元取向聚集、融合和生長(zhǎng)，演化為“X”形和特殊板狀結(jié)構(gòu)的鳥糞石。這些特殊的“X”形和板片狀鳥糞石與生物成因鳥糞石形貌極其相似。然而，當(dāng)?shù)V化體系中沒(méi)有添加聚天冬氨酸時(shí)，只得到棒狀或者不規(guī)則的長(zhǎng)板狀鳥糞石，天冬氨酸存在下也只得到大量無(wú)規(guī)則的長(zhǎng)板狀鳥糞石晶體，說(shuō)明天冬氨酸不能發(fā)揮類似作用。聚天冬氨酸濃度序列

8、實(shí)驗(yàn)顯示，聚天冬氨酸能夠抑制鳥糞石生長(zhǎng)，并且抑制力隨著聚天冬氨酸濃度的增大而增強(qiáng)。由于聚天冬氨酸在結(jié)構(gòu)和功能上與蛋白質(zhì)的天冬氨酸殘基類似，實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，富含天冬氨酸殘基的蛋白質(zhì)在調(diào)節(jié)生物成因鳥糞石形貌中發(fā)揮關(guān)鍵性作用，而泌尿蛋白對(duì)結(jié)石的抑制作用主要是通過(guò)天冬氨酸殘基實(shí)現(xiàn)?；诰厶於彼崃己玫纳锵嗳菪院透咝б种屏?，有望將其開(kāi)發(fā)為泌尿結(jié)石藥物。因此，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不僅加深了對(duì)病理礦化的理解，而且為設(shè)計(jì)治療泌尿結(jié)石病的藥物提供了新的思路。

9、　　3.污水處理過(guò)程中出現(xiàn)的鳥糞石成垢現(xiàn)象引發(fā)了一系列操作問(wèn)題，嚴(yán)重影響污水處理廠的正常運(yùn)行。為此，研究者致力于尋找高效的化學(xué)抑制劑應(yīng)對(duì)鳥糞石沉淀結(jié)垢。根據(jù)我們上一項(xiàng)工作可知，泌尿蛋白通過(guò)天冬氨酸殘基抑制鳥糞石結(jié)石的生長(zhǎng)。這一原理或許可以用于抑制鳥糞石在污水體系中結(jié)垢。此次研究中，我們?cè)趐H為9的條件下測(cè)定了聚天冬氨酸對(duì)人工合成污泥水中鳥糞石自發(fā)沉淀的抑制能力。沉淀實(shí)驗(yàn)表明，聚天冬氨酸能夠有效地抑制污泥水中鳥糞石的生長(zhǎng)，并且抑制作用與濃

10、度成正比，同時(shí)聚天冬氨酸還能改造生成鳥糞石的形貌。考慮到實(shí)際應(yīng)用，我們測(cè)定了污水主要物化參數(shù)對(duì)聚天冬氨酸抑制鳥糞石形成的影響，包括pH、混合能、反應(yīng)時(shí)間和鈣離子雜質(zhì)等。結(jié)果顯示，在相當(dāng)長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間和廣泛的攪拌強(qiáng)度下，聚天冬氨酸仍然能夠發(fā)揮很強(qiáng)的阻垢作用。不過(guò)，聚天冬氨酸的抑制力受pH影響明顯，會(huì)隨著pH的升高而略有下降。鈣離子的存在也會(huì)在一定程度上削弱聚天冬氨酸的阻垢能力，而聚天冬氨酸的添加能夠抑制非晶磷酸鈣的形成。溶解實(shí)驗(yàn)表明，聚天冬