本文關(guān)鍵詞：生物成因鳥糞石的礦化機制研究

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【摘要】：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,生物礦化過程產(chǎn)生的生物礦物往往具有獨特的組成、形貌和復雜的組裝超結(jié)構(gòu)以及優(yōu)良的機械性能,這可能是由于生物礦物在形成過程中受到了生物體內(nèi)特定生物／有機大分子和生命活動的嚴格調(diào)控。不過,當生物體內(nèi)的礦化過程變得失控時,就會出現(xiàn)病理礦化,導致各種結(jié)石等一系列疾病的發(fā)生。為此,醫(yī)學研究人員需要了解病理礦化機制,以應對相關(guān)疾病發(fā)生和發(fā)展有效的治療手段,這導致醫(yī)學礦物學這門新興學科的誕生。鳥糞石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,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、醫(yī)學、化學、環(huán)境科學和礦物學等多學科研究者的普遍關(guān)注。在本論文中,我們通過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制。首先研究了細菌誘導鳥糞石礦化和調(diào)控鳥糞石形貌的分子機制,揭示了不同細菌組分對鳥糞石形貌的影響。同時,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的機制。在此基礎(chǔ)上,將發(fā)現(xiàn)的蛋白抑制鳥糞石生長機理用于尋找高效的化學抑制劑和發(fā)展新的阻垢技術(shù)。相關(guān)成果的取得,不僅有助于加深對鳥糞石生物礦化和病理礦化機制的理解,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.細菌誘導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程中晶體生長習性與細菌代謝活動之間的關(guān)系,希瓦氏菌屬Shewanella oneidensis MR-1被選作模型微生物,在合成廢水中誘導鳥糞石的礦化。同時,通過一系列分離技術(shù)從細菌培養(yǎng)液中分離不同的細菌組元,采用仿生礦化的實驗方法研究這些不同組元對鳥糞石結(jié)晶、生長和形貌形成的影響。細菌原位礦化實驗顯示,S.oneidensis MR-1不僅能夠誘導鳥糞石礦化和生長,而且能夠調(diào)控特殊形貌的棺材蓋形鳥糞石的形成。仿生礦化實驗表明,不同的細菌組分對鳥糞石形貌產(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,細菌原位礦化實驗也顯示,菌株MR-1不僅能誘導鳥糞石的礦化,而且能夠直接把水體中的有機磷和有機氮轉(zhuǎn)化為鳥糞石沉淀。因此,實驗結(jié)果不僅為深入理解細菌調(diào)控的鳥糞石形態(tài)發(fā)生機制提供了新的啟示,而且為從廢水中回收氮磷以及消除水體的富營養(yǎng)化提供了新的途徑。2.長期困擾人們的鳥糞石結(jié)石,是一個嚴重的臨床醫(yī)學問題。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)對于發(fā)展有效的結(jié)石病治療方去具有重要意義,但泌尿蛋白抑制結(jié)石生長的機理并不清楚。也有研究報道,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,在氨氣擴散體系中仿生合成鳥糞石,以揭示泌尿蛋白對鳥糞石生長和形貌形成的影響機制。實驗結(jié)果表明,聚天冬氨酸通過優(yōu)先與鳥糞石晶體的{010}和{101}晶面吸附和結(jié)合,導致箭頭狀鳥糞石形成,并且隨礦化時間的延長,逐漸由箭頭形的亞單元取向聚集、融合和生長,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?shù)V化體系中沒有添加聚天冬氨酸時,只得到棒狀或者不規(guī)則的長板狀鳥糞石,天冬氨酸存在下也只得到大量無規(guī)則的長板狀鳥糞石晶體,說明天冬氨酸不能發(fā)揮類似作用。聚天冬氨酸濃度序列實驗顯示,聚天冬氨酸能夠抑制鳥糞石生長,并且抑制力隨著聚天冬氨酸濃度的增大而增強。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,實驗結(jié)果說明,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,而泌尿蛋白對結(jié)石的抑制作用主要是通過天冬氨酸殘基實現(xiàn)。基于聚天冬氨酸良好的生物相容性和高效抑制力,有望將其開發(fā)為泌尿結(jié)石藥物。因此,實驗結(jié)果不僅加深了對病理礦化的理解,而且為設(shè)計治療泌尿結(jié)石病的藥物提供了新的思路。3.污水處理過程中出現(xiàn)的鳥糞石成垢現(xiàn)象引發(fā)了一系列操作問題,嚴重影響污水處理廠的正常運行。為此,研究者致力于尋找高效的化學抑制劑應對鳥糞石沉淀結(jié)垢。根據(jù)我們上一項工作可知,泌尿蛋白通過天冬氨酸殘基抑制鳥糞石結(jié)石的生長。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,我們在pH為9的條件下測定了聚天冬氨酸對人工合成污泥水中鳥糞石自發(fā)沉淀的抑制能力。沉淀實驗表明,聚天冬氨酸能夠有效地抑制污泥水中鳥糞石的生長,并且抑制作用與濃度成正比,同時聚天冬氨酸還能改造生成鳥糞石的形貌�？紤]到實際應用,我們測定了污水主要物化參數(shù)對聚天冬氨酸抑制鳥糞石形成的影響,包括pH、混合能、反應時間和鈣離子雜質(zhì)等。結(jié)果顯示,在相當長的反應時間和廣泛的攪拌強度下,聚天冬氨酸仍然能夠發(fā)揮很強的阻垢作用。不過,聚天冬氨酸的抑制力受pH影響明顯,會隨著pH的升高而略有下降。鈣離子的存在也會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。溶解實驗表明,聚天冬氨酸能夠促進預先形成的鳥糞石的溶解,并且聚天冬氨酸濃度越大促進作用越顯著�？梢�,聚天冬氨酸不僅能夠有效地抑制鳥糞石的形成和生長,而且能夠促進鳥糞石溶解。所以,聚天冬氨酸可以作為環(huán)境友好的阻垢劑和除垢劑。
【學位授予單位】：中國科學技術(shù)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：P57
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本文編號：1300449