生物矿化――对硅藻研究的启示作用

生物矿化——对硅藻研究的启示作用目录•1.生物矿化•2.海洋生物矿化•3.海洋生物矿化应用实例•4.对硅藻研究的启示生物矿化概述•生物矿化是指由生物体通过生物大分子的调控生成无机矿物的过程。•与一般矿化最大不同在于有生物大分子生物体代谢、细胞、有机基质的参与。生物矿化概述•生物矿化的形式：•一种是生物体代谢产物直接与细胞内、外阳离子形成矿物质，如某些藻类的细胞间文石。•另一种是代谢产物在细胞干预下，在胞外基质的指导下形成生物矿物，如牙齿、骨骼中羟基磷灰石的形成。生物矿化概述•生物矿化的类型：•生物诱导的矿化主要指生物的生命活动与周围环境相互作用而引起的矿化过程。形成的矿物晶体与无机沉淀矿物类似，该形式在原核生物和真菌中比较常见。•生物控制的矿化是指生物在不受外界环境影响的条件下，通过生理调节来控制矿物沉积的过程。海洋生物矿化•随着科学水平和社会需求发展，陆地资源已经不能满足人类要求，海洋资源的开发越来越成为各国研究的重点。更因为海洋生物结构的特殊性和优越性，引起了生物学家、材料学家、仿生学家等的兴趣，对海洋生物矿化的开发更是前景无限！如贝壳类、藻类、软体动物和微生物等都蕴含着丰富的矿化资源，下面将做具体介绍。海洋生物矿化应用实例•实例一：鲍鱼壳珍珠层是生物矿化的一个典型例子，其成分的99%是普通文石（CaCO3），其余是蛋白质，但却具有复杂的层状结构，断裂功高达1200J/m2，高于普通文石2~3个数量级。目前人们对珍珠层的韧性机理已有初步理解。海洋生物矿化应用实例海洋生物矿化应用实例•实例二：电化学沉积已经被证明是一种非常适合制备具有可控形貌及其复合结构的合成方法。电化学沉积的一个特点就是能够通过控制电解液的组成，沉积电位，加入染料、蛋白质等添加剂，来控制所得产物的取向、形貌，得到形貌和性能近似贝壳的产物。海洋生物矿化应用实例海洋生物矿化应用实例•实例三：以石鳖、帽贝研究为主的海洋软体动物组织中的铁生物矿化研究。这些生物血淋巴中铁的含量比脊椎动物高出许多，齿舌中含有大量的磁铁矿Fe3O4.海洋生物矿化应用实例海洋生物矿化应用实例•实例四：硅藻细胞壁硅化过程中有机质一矿物的相互作用海洋生物矿化应用实例•从化学组成的角度看，硅藻产生的二氧化硅是一种有机质——二氧化硅复合材料，有机组分通常包括多糖、长链聚胺以及蛋白质与多肽三大类。•两大特殊性：(1)其复杂性和跨越多个尺度范围(即从纳米到微米尺度)的结构特征；(2)层次结构的形成过程受到基因的调控。海洋生物矿化应用实例•硅藻细胞内含有大体积的可溶性Si池，其中的硅浓度远远超出了硅酸在生理pH下的稳定范围，这种高浓度的硅酸在无生命条件下将会失控而产生二氧化硅沉淀。因此，有人认为硅藻可能产生了特殊的配合物，形成了Si的亚稳态配合物，并为可溶性Si池的构建创造条件。对硅藻研究的启示•目前，在与硅质细胞壁相关的有机质的提取及其体外性质研究方面，已经取得了一定的突破，但是这些有机质的获得并不意味着人们可以在体外控制合成像硅藻体中产生的那样形貌绚丽的硅质结构，在这方面，对碳酸钙的仿生矿化研究提供了非常好的范例对硅藻研究的启示•因此，在生物矿物的微结构、矿物形成和组装调控机制以及矿物形成的微环境等方面，亟待从化学、生物学、矿物学、材料科学和纳米科学等多学科上开展交叉研究。ENDTHANKYOU