微生物诱导碳酸钙矿化及其在石质材料表面覆膜基础研究

论文摘要

微生物诱导CaCO3矿化的关键在于微生物代谢过程中自然分泌出酶并不断发生特定酶化作用,产生某些重要的微量有机基质蛋白对矿化的控制作用是当前生物矿化机理及应用研究的一个重要方向。在国家“十一五”科技支撑计划项目（批准号:2007BAB08B01）的资助下,通过碳酸盐矿化菌种的筛选、培养,利用其酶化特性进行CaCO3矿化试验,并在石质材料表面进行覆膜基础研究。运用现代分析测试技术对矿化膜的耐酸、耐热、粘接力、透气性等各项指标进行检测。为利用微生物技术在石质材料保护研究开展预研工作。研究结果如下:（1）通过对巴斯德芽孢杆菌进行的培养特性的研究。结果表明,巴斯德芽孢杆菌最适培养基配方为甘露醇40g/L、大豆蛋白胨25g/L、氯化铵3g/L、氯化钠10g/L、pH为8.0;最适培养条件为温度30℃、摇床转速200r/min、接种量4.0%（V/V）、装瓶量75mL/250mL。培养24h,菌体浓度达到高峰。相同培养条件下,优化后的培养基活菌量分别是普通LB和牛肉膏蛋白胨培养基的1.71、1.55倍。（2）通过对巴斯德芽孢杆菌诱导CaCO3沉积试验,并对其机理进行分析。结果表明,沉积的CaCO3颗粒呈分散状态,形貌呈球形、花瓣形和无规则块状体,粒径在1～15μm;晶型是方解石和球霰石混合晶型,含有少量有机物。菌体参与了CaCO3晶体的形成。尿素酶是在巴斯德芽孢杆菌诱导碳酸钙沉积过程中最关键的要素。因为巴斯德芽孢杆菌在尿素的诱导下分泌尿素酶（主要为胞外酶）,分解尿素,产生CO32-,有Ca2+存在的情况,形成碳酸钙晶体。（3）通过对巴斯德芽孢杆菌诱CaCO3晶体形成机理进行研究。结果表明:①通过SEM表征可知,纯水中形成的CaCO3晶体表面形貌为方解石特征的多层重叠的块状斜六面体结构;而细菌液、细菌代谢物为CaCO3结晶环境时,形成大小不一的球形或球状聚集体以及一定比例的规则斜六方体;细菌液浓度越高,对CaCO3晶体形成的调控作用越明显;细菌体对晶体形貌几乎没有影响,形成致密多孔层状晶体结构。②通过XRD分析可以看出,菌体液制备的CaCO3晶体则全为方解石;而细菌液和细菌代谢物诱导沉积的CaCO3除了有稳定性最强的晶型方解石外,还出现亚稳态的球霰石晶型,③通过电导率的测定及红外分析,可知细菌液和细菌代谢物中有机物有机物极性基团与Ca2+产生静电、配位等一系列相互作用,调控晶体的生长。（4）通过对巴斯德芽孢杆菌诱导碳酸钙沉积培养基优化试验。结果表明,最适培养基配方为葡萄糖30 g/L、大豆蛋白胨10 g/L、尿素50 g/L、硝酸钙浓度0.5mol/L、吐温80浓度0.05%（V/V）、氯化镍250μmol/L。通过SEM、IR及XRD对沉淀物分析,可知沉积碳酸钙形貌呈无规则块状体团聚体,表面粗糙,分布杂乱无章,粒径在20～100μm,晶型是方解石和球霰石混合晶型,菌体参与了CaCO3晶体的形成。通过TG/DSC及Raman分析,可知沉淀CaCO3含有少量的有机物。（5）通过浸泡法和涂覆法在石质材料表面覆膜试验,并对矿化膜各项性能进行测试。结果表明,浸泡法效率较高,浸泡法和涂覆法均能在砂石和大理石表面生成一层粒径在1～10μm的细小碳酸钙颗粒,形成一层致密、50～100μm的CaCO3矿化膜。浸泡法在试样表面形成的碳酸钙晶体为方解石和球霰石混合晶型,涂覆法仅形成方解石型。矿化膜与基层具有较强的粘结力,矿化膜的耐酸度小于2,能有效抵抗酸雨的腐蚀;具有良好的耐热、抗冻和耐光老化性能,能有效防范因天气变化造成的巨大温差对石质文物造成的气候性破坏,覆膜后能保持原有的透气性,抗渗性能得到显著提高。通过对微生物仿生矿化保护材料基础应用特性的研究,检测表明它具有较好的表面防护效果和表层加固性能,并且制作工艺简便。这一成果对于发展新型石质保护材料具有重要的参考作用,同时对拓宽生物矿化材料研究的范围提供了一定的依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1绪论
• 1.1 研究意义
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势
• 3 生物矿化沉积机理'>1.2.1 CaCO₃生物矿化沉积机理
• 1.2.2 微生物修复石质文物的应用
• 1.2.3 发展趋势
• 1.3 课题来源及主要研究内容
• 1.3.1 课题来源
• 1.3.2 研究内容
• 1.3.3 创新点
• 1.3.4 意义
• 2 菌株筛选及生物学特性研究
• 2.1 材料与方法
• 2.1.1 试验材料
• 2.1.2 试验方法
• 2.2 结果与分析
• 2.2.1 生理生化特征
• 2.2.2 菌落、菌体形态
• 2.2.3 酶化特性
• 2.2.4 菌株培养特性
• 2.3 本章小结
• 3 沉积及其机理研究'>3 微生物诱导CaCO₃沉积及其机理研究
• 3.1 材料和方法
• 3.1.1 试验材料
• 3.1.2 试验方法
• 3.2 结果与分析
• 3 沉积'>3.2.1 微生物诱导CaCO₃沉积
• 3 矿化机理分析'>3.2.2 微生物诱导CaCO₃矿化机理分析
• 3 晶体形成机理分析'>3.2.3 微生物诱导CaCO₃晶体形成机理分析
• 3.3 本章小结
• 3 沉积培养基的优化'>4 微生物诱导CaCO₃沉积培养基的优化
• 4.1 材料与方法
• 4.1.1 试验材料
• 4.1.2 试验方法
• 4.2 结果与分析
• 3 沉淀量的影响'>4.2.1 碳源对CaCO₃沉淀量的影响
• 3 沉淀量的影响'>4.2.2 氮源对CaCO₃沉淀量的影响
• 4.2.3 正交试验结果与分析
• 4.2.4 X 射线衍射（XRD）分析
• 4.3 本章小结
• 5 石质材料表面覆膜研究
• 5.1 材料与方法
• 5.1.1 试验材料
• 5.1.2 试验方法
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 浸泡试样SEM 及XRD 表征
• 5.2.2 涂覆试样SEM 及XRD 表征
• 5.2.3 矿化膜性能表征
• 5.3 本章小结
• 结语
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果