生物矿化是自然界普遍存在的一种现象,在元素地球化学循环过程中发挥了重要作用。相比于非生物矿化作用,生物矿化过程产生的矿物常常具有独特的组成、复杂的结构和精美的形貌,体现了生物体对矿物形成的调控作用。鸟粪石(struvite,MgNH4PO4·6H2O)是一种正交晶系的磷酸盐矿物,已被发现于海鸟粪沉积物、沼泽、玄武岩洞穴等特殊地质环境。在生物体内,鸟粪石是感染性泌尿结石的主要组分,其形成与产脲酶细菌引发的尿路感染密切相关。同时,鸟粪石也是污水处理系统的一种常见水垢,其在设备表面的结垢沉积严重影响了污水处理厂的正常运行。然而,鸟粪石含有氮、磷、镁三种营养元素,且溶解度低,可作为理想的缓释肥。近年来,鸟粪石结晶和矿化作用已经引起了矿物科学、环境及水处理科学和生物医学界等的广泛关注。本论文首先通过细菌原位矿化的实验方法,系统研究了不同盐度条件下细菌矿化鸟粪石的能力及鸟粪石的矿物学,查明了盐度对细菌生长及其矿化鸟粪石的影响。在此基础上,通过细菌原位矿化和仿生矿化相结合的研究方法,系统开展了细菌诱导的鸟粪石形貌形成及演化的研究,并阐明了其调控作用机制。同时,通过仿生合成的实验方法,系统研究了手性生物分子对鸟粪石矿化的影响,发现在手性生物分子存在下,溶液化学条件的改变导致了鸟粪石手性的多样性。相关成果的取得,不仅有助于扩大和加深对鸟粪石生物矿化的了解,而且为发展污水磷回收新工艺提供了重要的生物矿物学指导作用。本论文的具体内容总结如下:1.微生物矿化鸟粪石被认为是降低污水氮磷去除和回收成本的一种有效途径。海水中富含镁离子,且储量丰富,可作为廉价镁源应用于鸟粪石的生物回收。然而,海水的高盐度可能对微生物生长产生潜在的影响,进而影响鸟粪石矿化过程。为此,本部分工作选择了一株海洋嗜盐放线菌Microbacterium-marinum sp.nov H207作为模式微生物,研究了盐度对其生长及矿化鸟粪石的影响。实验结果显示,在海水盐度范围内,该菌株生长良好,且均具有良好的去除磷并矿化鸟粪石的能力,但鸟粪石矿化的诱导期随着盐度的升高而逐渐增加,这种延缓归因于高盐胁迫不利于该菌株对碳水化合物和含氮有机物的降解,进而延缓了矿化体系pH值及过饱和水平的升高。同时,盐度也影响了生物鸟粪石的结晶习性,随着盐度的升高,鸟粪石晶体由箭头状结构演变为梯形单体构成的板状双晶结构以及沿结晶学[100]方向优先取向的板状双晶或单晶结构。当前实验结果对以海水为镁源的微生物鸟粪石回收工艺提供了重要的生物矿物学指导作用。2.细菌矿化鸟粪石和调控鸟粪石形貌的能力已被广泛报道,但鲜有涉及其形貌形成和演化机制的研究,这就阻碍了人们对生物鸟粪石矿化的了解。为此,在前一工作的基础上,本部分依然选用放线菌Micrebacterium marinum sp.nov.H207为模式菌株,采用细菌原位矿化和仿生矿化相结合的研究方法,探究了该菌株对鸟粪石形貌形成及演化的影响。细菌矿化结果显示,该菌株能够诱导形成由大的梯形基底结构和小的棺材盖状过生长结构所构成的鸟粪石连生体,而随着矿化时间的延长,小的过生长晶体逐渐溶解并消失,而大的基底晶体生长为棺材盖状和四角突出的板状晶体。不同细菌代谢组元的仿生矿化实验揭示菌株H207代谢生成的富含电负性羧基的可溶性高分子有机质对该连生结构的形成起关键调控作用,而时间序列的仿生矿化实验证明细菌生长代谢引起的溶液NH4+含量和pH值的持续升高导致了鸟粪石的生长和形貌演化。此外,在生长前期,基底晶体优先沿结晶学b轴优先生长;而在生长后期,晶体发生耦合的溶解和沉淀过程,并沿[110]和[1-10]方向生长。同时,基底晶体的(00-1)面优先发生溶解,这可归因于初始培养基的低磷酸根浓度及该晶面的高磷酸根密度。实验结果对认识和理解生物鸟粪石连生结构形成和演化具有重要的矿物学意义。3.具有手性形貌的生物矿物在海洋及陆地生命体中普遍存在,其形成可能与手性生物分子密切相关。为了解手性分子能否诱导形成具有手性形貌的鸟粪石,本部分工作选用了手性酒石酸作为模型生物分子,研究了酒石酸对鸟粪石结晶习性的调控作用。实验结果显示,在手性酒石酸存在下,鸟粪石的手性受初始溶液过饱和度影响,高过饱和条件有利于手性鸟粪石的形成。其他手性分子的对照实验显示,在较高过饱和度下,手性苹果酸也能诱导形成手性鸟粪石,而酸性的天冬氨酸、中性的丝氨酸或碱性的组氨酸作用下鸟粪石却无手性特征。结合这些手性分子的结构,这一结果指示酒石酸分子的手性碳原子上连接的羟基和羧基应协同调控了手性鸟粪石的形成。此外,在同手型酒石酸存在下,初始溶液化学条件的不同导致了鸟粪石手性的改变。鉴于天然生物矿物具有手性多样性,而生物分子往往是同手型的,目前的实验结果可为自然界中不同手性的生物矿物的形成提供新的视角。