硒化物微生物矿化亚微观过程及影响因素研究

In view of the unknown genesis of intracellular copper selenide in a bacterial fossil, this project will study copper selenide biomineralization through simulation experiment in laboratory, basing on elemental Se biomineralization induced by Bacillus licheniformis SeRB-1. We mainly intend to: (1) reveal submicroscopic processes of nano-biomineral formation intracellularly and extracellularly at early, middle and late mineralization periods, and exhibit biomineral types and verify biogenesis of copper selenide, using real-time high resolution imaging and X- ray absorption fine structure spectrum analysis; (2) illustrate roles of macromolecules in selenide nano-particle nucleation and assembly, through real-time analysis of changes of cell structure, specific cell components and protein specific expression related to biomineralization during interaction between bacteria and minerals; (3) clarify the effect of Cu2+ on selenide nano-particle formation and growth, by real-time imaging of selenide nanoparticles in size and morphology under different Cu2+concentration gradient. Finally, we expect to reveal the processes of nano-mineral formation and main influence factor of selenide biomineralization from mesoscopic and molecular perspectives. This project will deepen understanding of biological induced mineralization of selenide nano-particles in the early stage, but also provide theoretical basis and data support for bioremediation of selenium and its coexistence heavy metal pollutant, e.g., Cu, meanwhile, it is significant for enriching biogeochemical cycle theory of Se and its practical production and application.

本项目针对细菌化石胞内铜硒化物不明成因，在元素硒生物矿化基础上，通过模拟自然环境，开展Cu2+胁迫下细菌Bacillus licheniformis与硒氧离子相互作用下的生物矿化研究。通过实时高分辨成像和X-射线吸收精细结构谱分析，阐明铜硒化物纳米颗粒的亚微观生长过程，确定其生物矿物种类并验证其生物成因；通过生物矿化过程中细菌细胞结构及相关细胞组分、蛋白质特异表达上的实时变化等分析，明晰生物大分子在硒化物纳米颗粒核化与组装中的作用；通过纳米颗粒在不同Cu2+浓度梯度下尺寸与形貌变化，厘清Cu2+对硒生物矿化中纳米矿物颗粒形成的影响，以期从亚微观和分子水平揭示铜硒化物生物矿化的过程及主要影响因素。本研究有助于深化对生物诱导早期纳米成矿过程的认识，也可为硒及共存重金属污染物的生物去除提供理论依据和数据支持，同时，对于丰富硒的生物地球化学循环理论和实际生产应用均具有重要理论指导意义。

微生物矿化是矿物-微生物之间最重要的相互作用之一，通过矿化作用可将硒氧离子转化为元素硒和/或金属硒化物等稳定矿物，将过量的硒从环境中移除、达到降低污染的目的。同时，所生成的生物矿物，如元素硒纳米颗粒等，因其特殊性能日益受到工业生产及日常生活的青睐。虽然人们已经认识到了硒的生物矿化在生物修复和生物纳米加工方面的应用潜力，然而，元素硒及硒化物的核化、组装及纳米矿物颗粒的生长过程以及分子调控机理仍不清楚。本项目利用一株能将Se(IV)还原的功能菌——B. lichniformis SeRB-1，开展了金属离子胁迫下细菌与硒氧离子相互作用下的生物矿化室内模拟实验，系统研究了矿物亚微观过程，生物矿物异于同种组分非生物矿物特性的分子调控机理。结果表明，BioSeNPs生物矿化不符合经典的“核化理论”，在矿化早期，在细胞外膜Se(IV)离子首先被还原为Se(0)原子并核化为几十纳米单质Se(0)；进入矿化中期，以初始阶段的单质Se(0)为凝结核外延生长为100-200nm的矿物颗粒；到了矿化晚期，单质Se(0)颗粒团聚，即随时间延长，细胞凋亡，在各种力作用下，发生颗粒团聚，粒径可达700多nm。其次，在深度还原条件下，细菌SeRB-1可将部分BioSeNPs还原为Se(-II)，并与金属离子化合在胞外或胞内矿化为金属硒化物；但与BioSeNPs生物矿化相比，硒化物生物矿化更加漫长，不过随着矿化时间延长，金属硒化物从无定形态向晶体态转化。此外，元素硒及硒化物生物矿物往往由一层生物有机分子包被，其成分主要为多糖、蛋白等生物大分子，可能正是羧基（-O=C-OH-）、 羰基（-C=O） 和氨基（-N-H2） 等生物组分调控元素硒及金属硒化物在细胞界面的核化、组装、外延生长，并影响其形貌和晶体结构等性能。本项目初步阐释了金属硒化物生物矿化分子机理和影响因素，深化对生物诱导早期纳米成矿过程的认识，丰富了硒的生物地球化学循环理论，同时也为硒及共存重金属污染物的生物去除提供理论依据和数据支持。