شکل گیری مواد معدنی کربنات کلسیم توسط باکتری ها

شکل گیری مواد معدنی کربنات کلسیم

شکل گیری مواد معدنی کربنات کلسیم توسط باکتری ها ،بیومینراسیون فرآیندی است که به طور طبیعی در موجودات زنده رخ می دهد. در این مقاله، ما به طور جزئی بحث در مورد بارش کربنات کلسیم ناشی از بارش میکروبی (MICP) را بحث می کنیم. در فرآیند MICP ، اوره آز با طیف گسترده ای از میکروارگانیسم ها که قادر به تولید مقادیر بالای اوره هستند، نقش عمده ای در هیدرولیز اوره دارد. ما در این مقاله همچنین در مورد چند شکلی های مختلف و نقش کلسیم در تشکیل ساختارهای کریستال کلسیت با استفاده از منابع مختلف کلسیم توضیح می دهیم. علاوه بر این، عوامل محیطی موثر بر تولید اوره و رسوب کربنات بحث شده است. این MICP یک رویکرد جایگزین امیدوارکننده و سازگار با محیط زیست برای فناوری های اصلاح و مرسوم و رایج برای حل مشکلات زیست محیطی در زمینه های چند رشته ای است. چندین کاربرد MICP مانند حذف فلزات سنگین و رادیونوکلیدها، بهبود کیفیت مصالح ساختمانی و کاهش CO2 اتمسفر مورد بحث قرار گرفته است. علاوه بر این، ما در مورد کاربردهای دیگر مانند حذف یون های کلسیم، PCB  ها و استفاده از مواد پرکننده در لاستیک و پلاستیک و ذرات فلورسنت در جوهر ثابت و مارکرهای ثابت بحث می کنیم. فناوری MICP به یک جنبه کارآمد در زمینه های چند رشته ای تبدیل شده است. این گزارش نه تنها نقاط قوت اصلی MICP را برجسته می کند، بلکه همچنین به محدودیت های استفاده از این فناوری در مقیاس تجاری می پردازد.

شکل گیری مواد معدنی کربنات کلسیم توسط باکتری ها

بیومینرالیزاسیون تغییر شیمیایی محیط توسط فعالیت میکروبی است که منجر به بارش مواد معدنی می شود. در طبیعت، بی معدنی سازی یک پدیده گسترده است که منجر به تشکیل بیش از ۶۰ ماده معدنی مختلف بیولوژیکی می شود که به صورت بلورهای غیرآلی غیر سلولی یا درون سلولی وجود دارد. سنتزهای معدنی سازی خارج سلولی (به عنوان مثال، رسوب کربنات) از همه گروه های موجودات زنده پدیده های گسترده و شناخته شده ای هستند. بیشتر کریستال های تشکیل شده از طریق بیومینرالیزاسیون از مواد معدنی غیر آلی تشکیل شده اند، اما ممکن است حاوی عناصر کمیاب از ترکیبات آلی باشند که می توانند روند بیومینرالیزاسیون را تنظیم کنند. سه سازوکار مختلف در تولید مواد معدنی وجود دارد: در این فرآیند، ارگانیسم ها هسته و رشد مواد معدنی را کنترل می کنند. مواد معدنی به طور مستقیم در یک مکان خاص در سلول یا روی سلول سنتز می شوند، اما فقط در شرایط خاص. کانی سازی تحت تأثیر بیولوژیکی فرآیندی است که در اثر آن رسوب غیرفعال مواد معدنی به دلیل وجود مواد آلی سطح سلول مانند مواد پلیمری خارج سلولی مرتبط با بیوفیلم ها ایجاد می شود. کانی سازی ناشی از زیست شناختی، اصلاح شیمیایی محیط توسط فعالیت بیولوژیکی است که منجر به اشباع بیش از حد و رسوب مواد معدنی می شود.

فرآیند میکروبی ناشی از بارش کربنات کلسیم

شکل گیری مواد معدنی کربنات کلسیم توسط باکتری ها ،بارش کربنات کلسیم ناشی از میکروب (MICP) به تشکیل کربنات کلسیم از محلول فوق اشباع به دلیل وجود سلولهای میکروبی و فعالیتهای بیوشیمیایی آنها اشاره دارد. در طی MICP ، ارگانیسم ها قادر به ترشح یک یا چند محصول متابولیکی (CO3 23) هستند که با یونها (Ca2 ) در محیط واکنش می دهند و در نتیجه باعث رسوب مواد معدنی می شوند. پیش از این، ایجاد رسوب کربنات کلسیم از طریق مکانیزم های مختلفی مانند فتوسنتز پیشنهاد شده بود. وقتی هیدرولیز اوره رخ دهد، کاهش سولفات اکسیداسیون بیوفیلم و مواد پلیمری خارج سلول روی می دهد. رسوب پودرکربنات کلسیم توسط باکتری ها از طریق هیدرولیز اوره بیشترین استفاده را دارد.

قبلاً توسط چندین محقق بحث توانایی اوره آمیدوهیدرولاز در ایجاد رسوب کربنات در میکروارگانیسم ها مطرح شده است. فعالیت اوره آز در طیف وسیعی از میکروارگانیسم ها دیده می شود، اما برخی از سویه ها به ویژه مقادیر زیادی اورهاز تولید می کنند. به عنوان مثال، باسیلوس پاستوریای سابق یک باکتری خاک، غیر بیماری زا و تولید کننده آندوسپور با PH مطلوب برای رشد ۹٫۰ است که می تواند شرایط شدید را تحمل کند. بر این اساس، بسیاری از محققان به طور گسترده استفاده از این سویه را برای MICP مطالعه کرده اند برخی از باکتری های بیماری زا مانند هلیکوباکتر پیلوری، پروتئوس ولگاریس، استافیلوکوکوس اورئوس و سودوموناس آئروژینوزا نیز در حین عفونت ادراری، اورهاز تولید می کنند و در تشکیل سنگ های ادراری داخل سلولی نقش دارند.

فرآیند رسوب کربنات کلسیم (CaCO3) یک مکانیسم ساده و به راحتی قابل کنترل MICP است که می تواند غلظت بالایی از کربنات کلسیم را در مدت زمان کوتاه تولید کند. اورهاز از طریق چهار پارامتر مختلف مانند pH ، غلظت کربن غیر آلی محلول (DIC) ، غلظت کلسیم و در دسترس بودن مکان های هسته ای، بر روند شیمیایی مرتبط با تشکیل مواد معدنی تأثیر می گذارد. سه پارامتر اول بر غلظت یون های کربنات (CO3 2) (یعنی حالت اشباع) تأثیر می گذارند، در حالی که آخرین پارامتر (یعنی در دسترس بودن مکان های هسته ای) برای تشکیل پایدار و مداوم کربنات کلسیم بسیار مهم است. در روند بیومینراسیون، باکتری ها به عنوان مکان های هسته ای عمل می کنند که از طریق آنها کربنات کلسیم همراه با باکتری ها رسوب می کند. همه این پارامترها به میزان زیادی بر فعالیت ئرولیتیک یا تشکیل کریستال CaCO3 تأثیر می گذارند. سطوح سلولهای باکتریایی دارای گروههایی با بار منفی هستند که با اتصال آنها به سطوح سلولهایشان در pH خنثی به عنوان جاذب کاتیونهای دو ظرفیتی عمل می کنند که باعث ایجاد مکانهای ایده آل برای رسوب کلسیت می شوند. با این حال، یون های Ca2 به دلیل داشتن قدرت بیشتر برای انتخاب یونی، می توانند بیشتر از Mg2 + به سطح سلول با بار منفی متصل شوند. متعاقباً، کاتیون متصل (یونهای فلزی) با آنیونها (کربنات) واکنش داده و کربنات کلسیم را به شکل نامحلول ایجاد می کند. سلولهای باکتریایی برای رسوب CaCO3 بسیار مهم هستند، زیرا باکتریها مکانهای هسته سازی (هسته ناهمگن) را ایجاد می کنند و انواع خاصی از مواد معدنی تشکیل شده را تحت تأثیر قرار می دهند.

چندشکلی های مختلف و اثرات آنها در منابع مختلف کلسیم

بیومینراسیون می تواند منجر به تولید فازهای مختلفی از پلی مورف های بی آب کربنات کلسیم مانند کلسیت، آراگونیت و واتریت و همچنین فازهای کریستالی هیدراته مانند مونوهیدروکلسیت (CaCO3 · H2O) و هگزاهیدروکلسیت یا ایکایت (CaCO3 · ۶H2O) و کلسیم آمورف (کلسیم آمورف) شود. در این میان کلسیت و واتریت متداول ترین چند شکل هستند. واتریت یک مرحله جزئی، قابل تبدیل و انتقال در طی تشکیل کلسیت است. کلسیت از نظر ترمودینامیکی پایدارترین پلی مورف CaCO3 و محصول اصلی کربنات کلسیم در بسیاری از MICP ها است. در مقابل آراگونیت کریستال غالب تشکیل شده توسط Deleya halophila است. کربنات کلسیم تولید شده توسط Proteus mirabilis دارای ریخت شناسی و ساختار غیرمعمولی است که از کره های توخالی واتریت تشکیل شده است. کلسیت و واتریت فازهای مختلف حالت جامد کربنات کلسیم هستند. رسوب CaCO3 با مخلوط کردن محلول غلیظ Ca2 + و CO32 حداقل شامل سه مرحله است یعنی تشکیل کربنات کلسیم بی شکل که شکلی از CaCO3 با پایداری کم و حلالیت بالا، تبدیل CaCO3 بی شکل به واتریت و تبدیل ترمودینامیکی ناپایدار است به کلسیت پایدار. پیشنهاد کرده اند این الگو مراحل اولیه تشکیل CaCO3 را کنترل کند یعنی قبل از تبدیل ACC به واتریت و کلسیت، مراحل اولیه بارش CaCO3 با تشکیل خوشه های پیش هسته ای، تجمع خوشه ها برای تشکیل نانوذرات ACC و ارتباط نانوذرات با سطح الگو برای شروع رشد ACC  آغاز می شود.

منابع مختلف کلسیم باعث ایجاد بلور با اشکال مختلف می شوند، با شکل رومبوهدری القا شده توسط کلرید کلسیم از پایدارترین شکل CaCO3 (کلسیت) مشخص است سایر منابع کلسیم نیز شکل متفاوتی از CaCO3 ایجاد کرده اند. به عنوان مثال، استات کلسیم باعث ایجاد یک کاهو مانند یا ورقه ای (یک شکل قابل تغییر CaCO3) متشکل از واتریت می شود، در حالی که لاکتات کلسیم و گلوکونات کلسیم باعث شکل پیچیده تری با بسته بندی می شود که منجر به رشد واتریت با شکل کروی می شود. تفاوت های مورفولوژیکی در تشکیل کریستال ممکن است به دلیل اختلاف در فعالیت اوره آز خاص کرنش باشد. متناوباً، این اختلافات می تواند پروتئین EPS ویژه تولید شده توسط انواع مختلف باکتریها را کنترل کند که باعث انتخاب کلسیم یا آراگونیت می شوند. زیرا پروتئین های EPS ممکن است به طور خاص Ca2 + را متصل کرده و باعث رسوب کربنات شوند. ترکیب محیط رشد نیز ممکن است بر ریخت شناسی کریستال تأثیر بگذارد زیرا گونه های مختلف باکتریایی قادرند مقادیر اشکال و انواع مختلف بلورهای کربناته را از همان محیط مصنوعی رسوب دهند. بررسی سلولها توسط میکروسکوپ الکترونی نشان می دهد که رسوب کربنات کلسیم با سلولهای باکتریایی ارتباط نزدیکی دارد.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *