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生物矿化过程及其体外模拟的研究进展 闫伟，陈启伟 甘肃农业大学生命科学技术学院，甘肃兰州 （730070 ） E-mail：cqw1211@126.com 摘 要：生物矿物在自然界广泛存在，生物体内的矿化过程受有机基质的调控。本文综述了 该领域的发展过程，以求进一步探讨关于生物矿化机理及寻求制造高级复合材料的新方法， 新途径。 关键词：生物矿化,碳酸钙,有机质,分子识别 0. 引言 生物体利用矿物的历史久远，从细菌，微生物直至植物，动物的体内均可形成矿物。近 几十年来，人们对生物矿化产物的多样性和生物矿化过程的了解有了惊人的增长。生物矿化 的过程是指在生物体中细胞的参与下，无机元素从环境中选择性的沉析在特定的有机质上而 形成的矿物。仿生矿化是模拟生物矿化方法合成人工晶体的一种方法，其研究领域已从结晶 学水平深入到分子和细胞水平。国内外对生物矿化的作用已进行了大量研究，本文试图在生 物矿化学已有研究成果的基础上，用总结和归纳的观点对生物矿化的过程，机理及体外模拟 等关键问题加以论述。 1. 生物矿物 1.1 生物矿化组织的矿物成分 生物矿物是生物圈和岩石圈两者通过水圈相互作用的结果，根据Bowen(1979)汇编的数据 分析，生物矿物的组成元素主要为O，C，Ca(10%) 以及P, Si, N和H （1% ），其次为Mg, K, Na, -6 CL,S和Fe （0.1% ），AL ，Sr , F, Br和I （0.0 1%）；微量元素主要为Mn,As,V和Sn （1×10 ）, -6 [1] 还有Se,Cr,和Co （0.1 ×10 ）等 。 1.2 生物矿化产物的分布和种类（表1） [2] 人们已经发现几十种矿物在生物体内行成，下表列出了这些矿物的分布和种类 。从表 中可以看出3 个显著特点：（1）含钙的矿物最多，占三分之二；（2 ）铁、硅的氧化物及镁、 钡的无机盐也占较大的比例；（3 ）无定型矿物（胶体材料）占四分之二。 1.3 碳酸钙的结构和特性 [3] 碳酸钙有四种常见的结晶形态：方解石、文石、球霰石和无定型碳酸钙 。在鸡蛋和某 些疾病的结石中为方解石；而在软体动物壳的珍珠层中主要为文石；棱柱层中主要为方解石 [4] 。软体动物支撑结构中的碳酸钙晶体均为高度有序的多重微层结构，这种高度有序的晶体 复合体与一般的碳酸钙晶体相比具有诸多特殊的性质。碳酸钙不仅构成硬体部分，而且在软 体组织中组成藻蛋白酸钙、果胶酸钙、酶。其功能为广泛组成细胞的细胞壁，固定蛋白质， 进行催化，电化学控制，肌肉运动和传递信息。在生物体新成代谢中也具有储存钙的功能。 -1- 表1 生物矿物的种类及其分布 矿物 无核原生物 原球藻 真菌 动物 植物 方解石 + + + + 文石 + + + + 球霞石 + + + 水合方解石*