贝类生物矿化中的生物大分子与分子识别

综述了贝类生物矿化相关的生物大分子性质及其分子识别过程的最新研究进展.生物矿化原理为仿生材料科学和分子构造学提供了崭新的思路.贝类生物矿化过程是生物大分子指导无机晶体的晶核形成、定向及生长的过程,是有机相-无机相、无机相-无机相界面分子识别的过程.     

不溶性基质中天冬氨酸丰富的蛋白在珊瑚的钙质骨片形成中的重要作用

一般认为, 酸性蛋白在控制矿物的形成和发展中发挥重要作用。因此, 在不溶性有机基质中鉴定酸性蛋白对于理解珊瑚中个体蛋白的功能是非常重要的一步。在短指多型软珊瑚(Sinularia polydactyla)的可溶性和不溶性基质层中分析蛋白组分表明, 在不溶性基质和可溶性基质层中天冬氨酸的含量分别是61%和29%。利用体外分析法发现, 基质蛋白诱导碳酸钙形成非晶态析出相先于其形成钙质的结晶态。利用X-射线衍射来鉴定骨片上结晶态的碳酸钙, 结果表明钙质的多晶态呈现强反射。傅利叶变换红外光谱分析表明珊瑚基质中富含天冬氨酸的蛋白和多醣的结构。在不溶性基质组分中用钙离子结合分析显示一个分子量为109 kD的蛋白质可以与形成骨片的钙离子结合, 这一过程对骨片形成非常重要。在对生物钙化过程中起重要作用的碳酸酐酶的分析中显示了此酶的新颖的活性。以上结果显示珊瑚中不溶性基质内的富含天冬氨酸的蛋白在生物矿化调控过程中起重要作用。     

趋磁细菌蛋白参与磁铁矿生物矿化机制的研究进展

生物矿化是生命体系中的一种重要而又特殊的生理过程。生命体中存在着各种各样的生物矿化产物,从生物体骨骼与牙齿到纳米级的金属氧化物都是生物矿化的产物。生物矿化与普通矿化的最大不同就是其反应过程中有生物分子、生物代谢、细胞以及有机基质的参与。多种生物因素参与的矿化反应,不仅反应条件温和,而且反应产物具有更好的材料性能和生物兼容性,最为典型的是趋磁细菌可以通过生物矿化过程形成尺寸均一、单磁筹的生物膜包裹着的磁性纳米晶体——磁小体。本文主要介绍了趋磁细菌重要磁小体膜蛋白以及铁载体蛋白(铁蛋白)在磁铁矿生物矿化过程中的作用和功能,综述了该领域的最新研究概况。通过对趋磁细菌发生生物矿化过程的深入探讨可进一步揭示生物大分子调控无机矿物生长的分子机制,为仿生合成新型生物材料提供重要的理论依据。     

生物矿化硬体显微构造（生矿体结构）的分类和演化

生物矿化硬体显微构造（生矿体结构）的分类和演化戴永定，沈继英（中国科学院地质研究所北京１０００２９）关键词生矿体结构，类型划分，门类分布，发生顺序，演化关系生物矿化硬体的显微构造亦可称为生物矿物体结构，简称生矿体结构。它指的是组成矿物结晶个体或复体的...     

蜡状芽孢杆菌与金矿化的协同演化作用机制

提出了以蜡状芽孢杆菌与金矿化作用及有机质、流体矿化系统协同演化作用机制,认为生物矿化作用是随着其他地质作用的发展而不断发展和演化的过程.阐述生物-蜡状芽孢杆菌、有机质、流体矿化及生物矿化作用演化机制,从而把构造演化与生物矿化作用结合起来研究.主要介绍有机流体的主要来源,着重探讨生物矿化作用子系统,其中包括活生物体的作用,有机质的作用及有机流体的相互作用机制.     

厚壳贻贝whirlin类贝壳基质蛋白的重组表达与功能分析

贝壳历来是生物工程和材料学研究的重要对象。贝壳中的贝壳基质蛋白质在贝壳的形成与发育过程中具有重要的调控作用。Whirlin类蛋白质(Whirlin-like protein,WLP)是一种从厚壳贻贝(Mytilus coruscus)中鉴定的新型贝壳基质蛋白质。序列分析结果显示,该蛋白质含有PDZ(postsynaptic density/Discs large/Zonula occludens)结构域,而该结构域对贝壳生物矿化的影响目前尚无报道。为深入了解WLP在贝壳形成中对碳酸钙晶体的影响,在序列分析基础上,采用密码子优化结合原核重组表达,获得其重组表达产物后,开展了重组WLP对碳酸钙晶体形貌及晶型的影响研究,结晶速度抑制以及碳酸钙晶体结合分析。分析结果表明,重组WLP能诱导文石型碳酸钙晶体的形貌和方解石型碳酸钙晶体的晶型发生改变;同时重组WLP对碳酸钙晶体具有结合作用,且能抑制碳酸钙晶体的结晶速度。上述结果表明,WLP对贝壳的形成及发育具有重要影响,并可能在贝壳肌棱柱层的形成中发挥了重要作用。     

厚壳贻贝一种新型贝壳胶原蛋白的重组表达与功能分析

贝壳是一种具有优异力学性能的生物硬组织,贝壳基质蛋白质对贝壳的形成具有重要意义。厚壳贻贝(Mytilus coruscus)贝壳中发现一种类似胶原蛋白质的新型贝壳基质蛋白质,命名为collagen-like protein 2（CLP-2）。然而,该蛋白质的结构与功能以及对贝壳形成的影响机制尚不清楚。为此,本研究对CLP 2开展了序列分析;进一步采取密码子优化结合原核重组表达策略,开展了CLP-2的重组表达;在此基础上分析了重组CLP-2对酸钙结晶的诱导、结晶速率抑制以及碳酸钙结合能力。对CLP-2的序列分析结果表明,该蛋白质序列中含有信号肽及两个Von Willebrand factor A（VWA）结构域。CLP-2在数据库中尚无高同源性蛋白质存在,表明这是一种较为新颖的贝壳基质蛋白。所获得的重组CLP-2对碳酸钙体外结晶表现出明显的诱导作用,扫描电镜以及傅里叶红外光谱结果表明,重组CLP-2可诱导碳酸钙晶体的形貌由立方体形转化为球形,并在高浓度下进一步转化为哑铃形;同时,重组CLP-2可促使碳酸钙晶体的晶型由方解石型向文石型转化;重组CLP-2在体外具有碳酸钙晶体结合作用;此外,重组CLP-2能显著抑制碳酸钙晶体的结晶速度（P<0.01）,并具有浓度依赖性。上述结果表明,厚壳贻贝贝壳CLP-2蛋白质在贝壳,特别是文石型肌棱柱层的生物矿化过程中具有重要作用。上述研究为深入了解贻贝贝壳的形成机制,以及胶原类蛋白质对生物矿化过程的影响奠定了基础。     

生物成矿作用与生物矿化作用

列举５５种生物矿物，其中包括氧化物，含氧盐，水化物，羟基化物，钙化合物，指出它们通常经历非晶质、过渡、成熟和石化等４个相阶段。根据生物矿物体的元素丰度顺序与岩石圈和生物圈对比，将生矿元素分为６类。提出生矿元素保留于生物体内８种形式，即可溶无机化合物、有机络合物、生矿粒、生矿簇、骨针、骨片、骨壳和骨骼，并以磷为例阐明了生矿元素的富集过程。按照生物作用型式，建议划分生物矿床为堆积、粘结、吸附和储集４种成因类型，分别讨论它们成矿的生物、矿物和矿床，分析形成的环境、过程和阶段，并介绍中国某些著名生物矿床实例。最后总结了生物矿床的地史演化趋向：金属硫化物矿床→条带状硅铁（锰）粘结矿床→叠层状白云岩粘结矿床→磷酸盐和碳酸锰粘结矿床→铅锌和油气储集矿床→煤和油气。     

铁还原细菌Shewanella oneidensis MR-4诱导水合氧化铁形成蓝铁矿的过程

【目的】研究铁还原细菌Shewanella oneidensis MR-4在细胞外诱导形成含铁矿物的矿物相、化学成分和形貌结构等特性及其变化,深化对铁还原细菌细胞外诱导矿化过程的认识。【方法】在以30 mmol/L乳酸钠为电子供体,10 mmol/L水合氧化铁为电子受体,[HCO_3~–]为30 mmol/L,[PO_4~(3–)]为5 mmol/L条件下,30°C恒温下厌氧培养,进行细菌生长和细胞外诱导矿化实验,定期采样测量反应体系的pH、生物量、Fe(Ⅱ)浓度;采用激光拉曼光谱(Raman)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和X-射线衍射(XRD)等方法对不同时间点的矿化产物进行分析。【结果】MR-4在还原Fe(Ⅲ)的过程中,细胞快速生长,表明MR-4的Fe(Ⅲ)还原和乳酸氧化过程相互耦合,从而进行细胞生长,并在细胞外诱导矿物形成。对不同阶段矿化产物的综合分析表明,反应进行到约8 d时,无定形-弱结晶的水合氧化铁部分地转化为纳米尺寸的磁铁矿晶体颗粒;约16 d时,反应体系中开始出现蓝铁矿晶体颗粒;约20 d后,几乎所有矿物转化为纤维状或者叶片状的蓝铁矿。【结论】铁还原细菌Shewanella oneidensis MR-4细胞外诱导矿化过程受环境条件控制,当以乳酸钠和水合氧化铁分别作为电子供体和受体,相对高的[PO_4~(3–]/[HCO_3~–](1:6)时,水合氧化铁先转化为磁铁矿,最后大量转化为蓝铁矿。本研究为全面认识铁还原细菌的生物诱导矿化过程和评估其参与铁元素地球化学循环提供了新的数据。     

沙根骨中碳酸钙矿化微生物分离筛选及鉴定

沙根骨(自命名)是在宁夏中卫地区发现的以碳酸钙为主的胶结物质将周围的沙子凝聚在一起形管状物。对沙根骨中碳酸钙矿化微生物进行了分离筛选,共分离到12株菌株,其中3#菌株有较强碳酸钙矿化能力,在经1.0%CaCl2液体培养基中振荡培养的72 h后,能形成矿物沉淀并形成薄膜挂壁。沉淀物质经扫描电镜(SEM)及X射线粉末衍射(XRD)分析,确定为方解石和球霞石混合晶型的碳酸钙晶体。根据其形态特征、生理生化以及16S rDNA对3#菌株进行了鉴定,初步认定了该菌为类芽孢杆菌属,命名为Paenibacillus sp.s3,为进一步研究沙根骨的形成机理奠定了良好基础。     

趋磁细菌磁小体研究进展

趋磁细菌能在细胞内形成由膜包裹的纳米级单畴磁性颗粒——磁小体。磁小体的形成是受生物严格控制的矿化过程,包括铁离子的吸收、转运和结晶成核等。磁小体膜在磁铁矿（Fe3O4）晶体的形成中起着重要的作用。主要介绍近年来关于磁小体形成过程和参与这一过程的蛋白质等方面的一些重要研究进展。     

土壤易矿化有机态氮和微生物态氮作为土壤氮素生物有效性指标的评价

通过盆栽试验研究了土壤易矿化有机态氮和土壤微生物态氮与土壤净矿化氮及植物吸氮量之间的关系。结果表明,种植前土壤易矿化有机态氮和土壤微生物态氮以及种植前后土壤易矿化有机态氮的变化量均与土壤氮素净矿化量和植物吸氮量之间存在显著的相关性。在盆栽试验条件下,土壤易矿化有机态氮和种植前土壤微生物态氮能够较好地反映土壤氮素的矿化和供应能力,可以作为土壤氮素的生物有效性指标。     

南大西洋中脊热液区异化铁还原微生物及其矿化产物分析

【目的】从深海热液区获取异化铁还原微生物(Dissimilatory iron reducing microorganisms,DIRM),分析其矿化速率和矿化产物,认识其参与的深海生物地球化学循环。【方法】以羟基氧化铁(FeOOH)为电子受体,以乙酸等简单有机物做电子供体,在60°C恒温厌氧条件下,对南大西洋中脊深海热液区硫化物样品中的DIRM进行富集、培养;采用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)、选区电子衍射(SAED)以及能谱仪(EDS)等方法对矿化产物进行形貌观察与成分分析。【结果】从2个硫化物样品中,共获得了139个铁还原培养物,它们均能将培养基中FeOOH (Fe3+90 mmol/L)转化为矿化产物。电镜下可见明显的晶体形态,以立方体形晶体为主,边长为5.0–20.0 nm;EDS分析表明,所有矿物晶体的主要元素为铁和氧,推测是由菱铁矿和磁铁矿组成的混合矿物。矿物晶体形成的时间差异较大,从3d到54d不等,多数培养物可在11 d到20 d内形成晶体。微生物多样性表明,培养物中优势菌主要为厚壁菌门(Firmicutes)和广古菌门(Euryarchaeota),包括一氧化碳胞菌(Carboxydocella)与脱硫肠状菌(Desulfotomaculum)近似新物种(16SrRNA基因同源性89%–91%)和广古菌地丸菌(Geoglobus)。【结论】热液区高温厌氧细菌与古菌可以利用简单有机物为电子供体进行铁还原,形成铁氧化物晶体。实验结果对于微生物参与铁元素的生物地球化学循环与矿物形成的潜力具有支持作用。然而它们是否参与了热液区铁元素的生物地球化学循环与矿物形成还需要大量研究工作验证。     

鲍鱼壳蛋白组分研究进展

鲍鱼壳是一种研究生物矿化机制的理想矿物材料,其贝壳蛋白在矿物形成过程中发挥着重要的调控作用。目前分离获得的鲍鱼贝壳基质蛋白组分多为水溶性蛋白,研究的重点多集中在序列分析,结构解析和功能鉴定及三者之间的关联方面。本文在此简要介绍鲍鱼壳蛋白组分近年的研究进展,希望能对进一步阐释贝壳矿化机理相关问题提供帮助。     

趋磁细菌磁小体研究进展*

趋磁细菌能在细胞内形成由膜包裹的纳米级单畴磁性颗粒——磁小体。磁小体的形成是受生物严格控制的矿化过程,包括铁离子的吸收、转运和结晶成核等。磁小体膜在磁铁矿(Fe3O4)晶体的形成中起着重要的作用。主要介绍近年来关于磁小体形成过程和参与这一过程的蛋白质等方面的一些重要研究进展。     

黄土丘陵区踩踏干扰对生物土壤结皮有机碳组分及碳矿化潜力的影响

以黄土丘陵区近20年的封禁地为研究对象,采用野外调查结合室内分析,研究了不同强度的踩踏干扰对半干旱生态系统下生物结皮盖度、有机碳、易氧化碳和有机碳矿化量、矿化速率的影响,并应用一级动力学方程模拟了踩踏干扰下各层次生物土壤结皮有机碳矿化潜力的变化特征.结果表明:干扰后藻结皮和藓结皮盖度呈现逐渐降低的趋势,干扰度间差异显著;与不干扰处理相比,藻结皮盖度降幅在264%~339%,藓结皮盖度降幅在46%~127%.与不干扰处理相比,干扰显著降低了生物结皮层有机碳含量,降幅在211%~300%,干扰度间差异不显著;干扰增加了生物结皮层易氧化碳含量,增加量在1.5~3.4 g·kg-1,30%、40%和50%干扰度处理与不干扰处理间差异显著.干扰显著增加了生物结皮层的有机碳累积矿化量,但未改变其日均矿化速率;40%干扰度下的累积矿化量较不干扰处理显著增加77%.干扰显著增加了生物结皮层的有机碳矿化潜力,对0~2和2~5 cm土层无显著影响;40%干扰度下有机碳矿化潜力较不干扰处理显著增加4.7 g·kg^-1;主成分分析结果显示,有机碳、易氧化碳、累积矿化量、矿化速率可以解释生物结皮层土壤有机碳矿化潜力变化的76.7%.干扰可能是诱发研究区生物结皮层有机碳矿化潜力增加的因素之一.     

生源要素有效性及生物因子对湿地土壤碳矿化的影响

湿地土壤是全球碳存储的重要场所,湿地生态系统的碳循环过程对全球变化有重要指示作用。土壤碳矿化是湿地生态系统碳循环的重要环节,对于认知湿地生态系统生物地球化学循环过程具有重要的意义。综述了生源要素及生物因素对湿地土壤碳矿化的内在作用机制。土壤活性有机碳库通过调节土壤能源物质和微生物活性影响土壤碳库的有效性,是表征土壤碳矿化的敏感指标。湿地其它养分如N、P、S等元素的有效性也是影响土壤碳矿化的关键要素。电子受体(NO₃^-、SO₄^2-、Fe³⁺、Mn⁴⁺等)对湿地土壤碳矿化和有机碳转变的影响主要通过电子受体的还原过程完成,在厌氧分解过程中,湿地土壤利用难溶性电子受体可能是土壤C矿化的更重要途径。动物、植物、微生物群落和区系等则是土壤碳矿化的主要驱动因子。土壤动物区系在有机态养分矿化为无机态养分的过程有着独特的功能,能显著增加土壤碳矿化。土壤微生物的活性,决定着土壤中有机碎屑的降解速率,是土壤有机碳分解周转的主要诱导因素。湿地植物则通过影响根系、微生物呼吸底物的供应以及对小气候和土壤因子的调节而影响土壤有机质的分解。湿地生源要素和生物因子还极易与土壤理化性质如温度、水分、pH值和质地等环境因素形成交互和制约,共同影响土壤碳矿化。最后,提出了进一步研究生源要素和生物因素与湿地土壤碳矿化关系需要解决的一些重要问题。     

深海热液区微生物矿化过程的功能群和分子机制

深海热液区富含铁、锌、铜等含金属矿物(硫化物、氧化物、碳酸盐等)和无机小分子气体(H_2S、H_2、CO_2、CH_4等),具有独特的生态系统。微生物是深海热液生态系统的主要生产者和重要组成,并以控制矿化和诱导矿化两种途径参与了深海热液区的生物地球化学循环。在深海热液区存在着不同类型的微生物参与了生物矿化过程,如硫氧化菌、金属氧化菌、硫还原菌和金属还原菌等。本文详述了这些微生物参与的生物矿化现象、菌群多样性和矿化过程的分子机制,并对研究微生物矿化的研究工作进行了展望。     

生物矿化及其形成机制

生物矿化及其形成机制唐志华（陕西省汉中师范学院化学系）生物体利用一些无机材料以获得机械强度。譬如骨骼和牙齿,其主要成分是一种磷酸钙矿,且由碳酸钙组成的钙化层。一种被称为硅藻的海生水藻利用硅作为其构架。本文拟探讨钙和硅化合物被生物体作为骨骼等材料的原因...     

磷酸盐生物矿化处理低浓度含铀废水的研究进展

生物矿化修复技术处理低浓度含铀废水具有环境友好、适用范围广、产物稳定性好等优点,引起了研究学者们的广泛关注,具有较大的研究价值和广阔的应用前景.本文首先从生物矿化常用微生物、生物矿化作用机理及发展瓶颈等方面简单介绍生物矿化,然后从微生物群落调控、溶液参数等方面对强化生物矿化进行展望,以期为今后含铀废水污染地区的治理提供...