生物矿化现象在自然界普遍存在。相比于非生物成因的矿物,生物矿化过程产生的生物矿物往往具有独特的组成、形貌和复杂的组装超结构以及优良的机械性能,这可能是由于生物矿物在形成过程中受到了生物体内特定生物／有机大分子和生命活动的严格调控。不过,当生物体内的矿化过程变得失控时,就会出现病理矿化,导致各种结石等一系列疾病的发生。为此,医学研究人员需要了解病理矿化机制,以应对相关疾病发生和发展有效的治疗手段,这导致医学矿物学这门新兴学科的诞生。鸟粪石作为一种磷酸盐矿物,不仅是天然的生物矿物,也是病理矿物泌尿结石的重要组分：同时,在农业上可以作为一种缓释肥料,而在污水处理厂则是一种常见的水垢。鸟粪石在不同环境中扮演着不同的角色,已经受到生物学、医学、化学、环境科学和矿物学等多学科研究者的普遍关注。在本论文中,我们通过生物矿化和仿生矿化相结合的研究方法,从分子水平系统研究不同生物成因鸟粪石的微观矿化机制。首先研究了细菌诱导鸟粪石矿化和调控鸟粪石形貌的分子机制,揭示了不同细菌组分对鸟粪石形貌的影响。同时,利用模型多肽研究了与鸟粪石结石形成密切相关的泌尿蛋白对鸟粪石结晶和形貌演化的影响,阐明了泌尿蛋白抑制鸟粪石生长的机制。在此基础上,将发现的蛋白抑制鸟粪石生长机理用于寻找高效的化学抑制剂和发展新的阻垢技术。相关成果的取得,不仅有助于加深对鸟粪石生物矿化和病理矿化机制的理解,而且为结石病治疗和水垢控制提供了新的思路。本论文的主要内容如下：1.细菌诱导形成的鸟粪石往往表现出特殊的形貌。为了深入理解鸟粪石矿化过程中晶体生长习性与细菌代谢活动之间的关系,希瓦氏菌属Shewanella oneidensis MR-1被选作模型微生物,在合成废水中诱导鸟粪石的矿化。同时,通过一系列分离技术从细菌培养液中分离不同的细菌组元,采用仿生矿化的实验方法研究这些不同组元对鸟粪石结晶、生长和形貌形成的影响。细菌原位矿化实验显示,S.oneidensis MR-1不仅能够诱导鸟粪石矿化和生长,而且能够调控特殊形貌的棺材盖形鸟粪石的形成。仿生矿化实验表明,不同的细菌组分对鸟粪石形貌产生的影响不同。低分子量多肽在棺材盖形鸟粪石的形成中发挥了重要调控作用,而棱柱状和切角板状鸟粪石的形成可能分别受控于溶解态胞外聚合物(SEPS)和结合态胞外聚合物(BEPS).此外,细菌原位矿化实验也显示,菌株MR-1不仅能诱导鸟粪石的矿化,而且能够直接把水体中的有机磷和有机氮转化为鸟粪石沉淀。因此,实验结果不仅为深入理解细菌调控的鸟粪石形态发生机制提供了新的启示,而且为从废水中回收氮磷以及消除水体的富营养化提供了新的途径。2.长期困扰人们的鸟粪石结石,是一个严重的临床医学问题。最近的研究显示,一些泌尿蛋白能够高效抑制鸟粪石结石的形成。这些发现对于发展有效的结石病治疗方去具有重要意义,但泌尿蛋白抑制结石生长的机理并不清楚。也有研究报道,泌尿蛋白存在下形成特殊形貌的鸟粪石,但泌尿蛋白的作用机制有待深入研究。为此,聚天冬氨酸被选作模型多肽模拟鸟粪石矿化相关的泌尿蛋白,在氨气扩散体系中仿生合成鸟粪石,以揭示泌尿蛋白对鸟粪石生长和形貌形成的影响机制。实验结果表明,聚天冬氨酸通过优先与鸟粪石晶体的{010}和{101}晶面吸附和结合,导致箭头状鸟粪石形成,并且随矿化时间的延长,逐渐由箭头形的亚单元取向聚集、融合和生长,演化为“X”形和特殊板状结构的鸟粪石。这些特殊的“X”形和板片状鸟粪石与生物成因鸟粪石形貌极其相似。然而,当矿化体系中没有添加聚天冬氨酸时,只得到棒状或者不规则的长板状鸟粪石,天冬氨酸存在下也只得到大量无规则的长板状鸟粪石晶体,说明天冬氨酸不能发挥类似作用。聚天冬氨酸浓度序列实验显示,聚天冬氨酸能够抑制鸟粪石生长,并且抑制力随着聚天冬氨酸浓度的增大而增强。由于聚天冬氨酸在结构和功能上与蛋白质的天冬氨酸残基类似,实验结果说明,富含天冬氨酸残基的蛋白质在调节生物成因鸟粪石形貌中发挥关键性作用,而泌尿蛋白对结石的抑制作用主要是通过天冬氨酸残基实现。基于聚天冬氨酸良好的生物相容性和高效抑制力,有望将其开发为泌尿结石药物。因此,实验结果不仅加深了对病理矿化的理解,而且为设计治疗泌尿结石病的药物提供了新的思路。3.污水处理过程中出现的鸟粪石成垢现象引发了一系列操作问题,严重影响污水处理厂的正常运行。为此,研究者致力于寻找高效的化学抑制剂应对鸟粪石沉淀结垢。根据我们上一项工作可知,泌尿蛋白通过天冬氨酸残基抑制鸟粪石结石的生长。这一原理或许可以用于抑制鸟粪石在污水体系中结垢。此次研究中,我们在pH为9的条件下测定了聚天冬氨酸对人工合成污泥水中鸟粪石自发沉淀的抑制能力。沉淀实验表明,聚天冬氨酸能够有效地抑制污泥水中鸟粪石的生长,并且抑制作用与浓度成正比,同时聚天冬氨酸还能改造生成鸟粪石的形貌。考虑到实际应用,我们测定了污水主要物化参数对聚天冬氨酸抑制鸟粪石形成的影响,包括pH、混合能、反应时间和钙离子杂质等。结果显示,在相当长的反应时间和广泛的搅拌强度下,聚天冬氨酸仍然能够发挥很强的阻垢作用。不过,聚天冬氨酸的抑制力受pH影响明显,会随着pH的升高而略有下降。钙离子的存在也会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够抑制非晶磷酸钙的形成。溶解实验表明,聚天冬氨酸能够促进预先形成的鸟粪石的溶解,并且聚天冬氨酸浓度越大促进作用越显著。可见,聚天冬氨酸不仅能够有效地抑制鸟粪石的形成和生长,而且能够促进鸟粪石溶解。所以,聚天冬氨酸可以作为环境友好的阻垢剂和除垢剂。