生物矿化：从骨骼形成到环境修复的神奇过程
生物矿化：从骨骼形成到环境修复的神奇过程
生物矿化是一种基于生化反应的无机矿物质形成过程，此过程可硬化微生物的自身组织及周围环境，为生物提供支撑、定位等功能。生物矿化的现象非常普遍，从原核生物界到动物界都有广泛的分布。目前已知有 60 多种矿物质都是由生物矿化过程产生的。
什么是生物矿化？
生物矿化是一种基于生化反应的无机矿物质形成过程，此过程可硬化微生物的自身组织及周围环境，为生物提供支撑、定位等功能。生物矿化的现象非常普遍，从原核生物界到动物界都有广泛的分布。目前已知有 60 多种矿物质都是由生物矿化过程产生的。
生活中的生物矿化
生活中距离我们最近的生物矿化就是骨骼和牙齿的形成了。骨骼的形成始于胚胎细胞图式形成。在下图形成的过程中，间充质细胞聚集形成与未来骨骼的形状和位置大致相同的凝聚体。之后，这些细胞通过两种不同的机制途径进行分化，最终形成了骨骼。而牙齿则是一个高度钙化的器官，由不同胚胎起源的组织形成。例如，牙髓、牙本质和牙骨质产生于源自神经嵴的外胚间充质，而牙釉质则来自外胚层。
软骨(a)和牙齿(b)的形成
生物矿化的类型
生物矿化的类型包括控制矿化和诱导矿化。
生物诱导的矿化主要指生物的生命活动与周围环境相互作用，诱导相应的金属离子发生沉降、成核与结晶生长，形成生物矿化物。该形式在原核生物和真菌中比较常见。而生物控制的矿化则是生物在不受外界环境影响的条件下，通过生理调节来控制矿物沉积的过程。
脲酶诱导的生物矿化是诱导矿化类的典型代表。脲酶的功能是催化水解尿素，其完整反应过程分为两步，首先尿素在脲酶的催化下水解为氨和氨基甲酸酯，然后氨基甲酸酯又能够自发地降解为氨和碳酸根，最终生成两分子的氨和一分子的碳酸根。具体反应过程见化学式 1-1 和 1-2。
脲酶水解尿素的过程会提高环境的pH 值和碳酸根浓度，从而诱导金属离子发生矿化，形成小的碳酸盐晶体，进一步聚集成薄片，如下图所示。随着矿化过程的进行，微生物的表面空隙减少，碳酸盐晶体覆盖的面积增加。最后，微生物发生凋亡，形成表面不平整的碳酸盐沉积物。
细菌的细胞外聚合物和重金属离子的细胞壁吸附在微生物诱导碳酸盐沉淀（MICP）的过程中也起着重要作用。细胞外聚合物（EPS）可通过生物膜和细胞吸附捕获游离碳酸盐，从而刺激碳酸盐矿物的形成。其中EPS上的羧基（-COOH）、羟基（-OH）和氨基官能团为重金属离子的吸附提供了更有效的位点。细胞表面的碳酸根离子富集主要是由于带负电荷的细菌细胞壁对碳酸根离子产生静电吸引作用。所以最终碳酸盐与金属阳离子在细胞的表面上发生沉淀反应，产生生物矿物质。
生物矿化的应用
利用生物矿化的独特机制，可以更好地制备一些具备特殊微/纳米结构的功能材料。目前已有研究团队利用非传统的结晶途径实现了胶原的仿生矿化、硬组织的仿生修复以及人工合成珍珠质材料等。
2012年，清华大学的李萌等认利用脲酶诱导生物矿化的原理，通过改造菌沉降土壤中的镍、铜、铅、钴、锌、铬等重金属离子，提供了一种全新的土壤重金属污染修复方法。
参考文献
[3]Liya Liang1;Chelsea Heveran2;Rongming Liu1;Ryan T. Gill3;Aparna Nagarajan1;Jeffrey Cameron4,5;Mija Hubler2;Wil V. Srubar III6;Sherri M. Cook2CA1.Rational Control of Calcium Carbonate Precipitation by Engineered Escherichia coli(Article)[J].ACS Synthetic Biology,2018,Vol.7(11): 2497-2506
[4]Li, M (Li, Meng)1,2;Cheng, XH (Cheng, Xiaohui)1;Guo, HX (Guo, Hongxian)1.Heavy metal removal by biomineralization of urease producing bacteria isolated from soil[J].International Biodeterioration & Biodegradation,2013,Vol.76: 81-85
[5]Fang, Longyang1;Niu, Qijian1,2;Cheng, Liang1;Jiang, Jianxiong1;Yu, Yang-Yang1;Chu, Jian3;Achal, Varenyam4;You, Tianyan2.Ca-mediated alleviation of Cd2+ induced toxicity and improved Cd2+ biomineralization by Sporosarcina pasteurii.[J].Science of the Total Environment,2021,Vol.787: 147627