生物二氧化硅形成机制的仿生矿化研究

生物矿物以其独特的矿物学组成、结构、形貌和同位素组成与非生物成因矿物有着明显的区别，因此被作为生物标志物示踪地质圈中微生物生态系统的演化和寻找地外生命信息。生物二氧化硅是仅次于生物碳酸钙的第二大类生物矿物；生物硅化作用深刻影响着全球范围内碳、硅等重要元素的生物地球化学循环。本项目试图综合纳米科学和技术、生物、化学和矿物学等多学科研究方法和手段，通过仿生矿化方法，研究膜脂存在下的聚胺、多糖、多肽以及多价阴离子等对二氧化硅组成、表面微结构、形貌和组装超结构等的影响；同时开展硅化紧密相关大分子参与的二氧化硅在不同溶液物理化学条件下的组装、熟化等过程的研究；从分子水平揭示生物二氧化硅形成机制。成果的取得，必将加深对生物硅化作用的了解，丰富和发展生物矿化理论，拓展生物矿物在古生物学、生物医学工程和仿生材料等学科领域的应用范围；同时，有助于从机制上把全球硅、碳等元素的生物地球化学循环联系起来。

生物成因的二氧化硅是仅次于生物成因碳酸盐矿物的第二类最丰富的生物成因矿物。了解生物矿化过程，首先需要清楚地探明其基本的细胞和分子生物学过程，特别是了解与生物矿化作用相关的生物或有机分子的矿化功能。本项目采用仿生矿化的实验方法，以正硅酸四乙酯为硅源，以磷脂和十二胺等多种具有不同官能团的生物或有机分子为模型的矿化调节剂，研究这些模型矿化调节剂对二氧化硅硅化、组成、形貌和组装结构等的影响，从分子水平揭示生物硅化机制，系列成果丰富和发展了生物矿化理论。具体成果包括：(1)首次提出硅藻壳面发育早期阶段的拉长和局部膨大的硅质结构的形成可能是生物通过调节脂类物质的浓度来实现；(2)首次提出脂类和有机胺等有机组元的相分离过程不仅控制了生物二氧化硅的多级多孔图案的产生，而且也可能负责硅质结构在特定方向上的分异生长；(3)为了深入了解生物二氧化硅筛板结构矿化机制，特别的选择阴离子型表面活性剂十二烷基硫酸钠和阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵分别模拟正电性的多肽natSil-1A和负电性的多肽natSil-2，控制形成复合模板；以同时具有羧基和羟基的L-酒石酸模拟natSil-2结构中的羧基和羟基，仿生合成二氧化硅。实验结果显示，在阴、阳离子型表面活性剂复合模板和L-酒石酸调节剂存在下，一种类似生物硅藻壳面的二维二氧化硅筛板结构被成功地合成。实验结果加深了对硅藻壳面大孔多孔二氧化硅筛板成因机制的了解；(4) 通过具有不同官能团的有机分子(酒石酸钠、NaSCN和SDBS)的选择，仿生合成了具有穿透孔结构的二氧化硅带。实验结果显示，预先沉淀的针状酒石酸钠晶体充当了具有穿透孔结构的二氧化硅带的沉积硬模板，而溶液中极性分子NaSCN的加入有利于SDBS在酒石酸盐模板上的吸附，导致了二氧化硅纳米颗粒以松散的方式聚集和沉积在模板上，并最终形成具有穿透孔结构的二氧化硅带。因此，硅化环境如溶液的极性对多孔生物二氧化硅结构的形成可能也会产生重要的影响。