Abstract

Even though biomineralization induced by bacteria has been studied for many years, some unsolved problems are still present in the biomineralization, especially the intracellular biomineralization, which should be further explored. In this study, the Bacillus subtilis Daniel-1 strain was identified by 16S rDNA homology, used to induce calcium carbonate biomineralization at various Mg/Ca molar ratios (0, 2, 4, 6, and 8). The results showed that pH still increased at the decline stage in the bacterial growth process, and could increase to about 8.69, resulting from the influence of carbonic anhydrase activity and ammonia. X-ray diffraction (XRD) results showed that calcite, Mg-rich calcite, and aragonite minerals were induced in the extracellular biomineralization process. The diversified morphologies and the presence of fatty acids, protein, and other organic substances in calcium carbonate analyzed by scanning electron microscopy-energy dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDS), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) proved the biogenesis of these minerals. The stable carbon isotope values (–19.37‰ to −19.79‰) and oxygen isotope values (–6.37‰ to −8.91‰) presented in this study were relatively negative, also confirmed the biogenesis of the minerals. Magnesium carbonate contents in Mg-rich calcite increased from 8.79% to 25.71% with increasing Mg/Ca ratios. Aragonite could be grown not only in cell surface but also inside the cell by analyzing ultrathin slices of bacteria with HRTEM-EDS-SAED. Aragonite in cell surface was elongated whereas intracellular aragonite was granular. To the best of our knowledge, the intracellular biotic crystalline aragonite has rarely been reported. This study is helpful to further understand the mechanism of carbonate mineral biomineralization, and may also provide useful evidence for further studies on intracellular crystal structures.

摘要

尽管细菌诱导的生物矿化已经研究了很多年，但生物矿化，特别是细胞内生物矿化仍存在一些未解决的问题，有待进一步探索。在本研究中，枯草芽孢杆菌Daniel-1 菌株通过 16S rDNA 同源性鉴定，用于在各种 Mg/Ca 摩尔比（0、2、4、6 和 8）下诱导碳酸钙生物矿化。结果表明，由于碳酸酐酶活性和氨的影响，在细菌生长过程中的衰退阶段，pH值仍然升高，并可能升高到8.69左右。X 射线衍射 (XRD) 结果表明，在细胞外生物矿化过程中诱导了方解石、富镁方解石和文石矿物。通过扫描电子显微镜-能量色散 X 射线光谱 (SEM-EDS)、傅里叶变换红外光谱 (FTIR) 和 X 射线光电子分析碳酸钙中的多样化形态和脂肪酸、蛋白质和其他有机物质的存在光谱（XPS）证明了这些矿物质的生物起源。本研究中的稳定碳同位素值（–19.37‰至-19.79‰）和氧同位素值（–6.37‰至-8.91‰）相对为负，也证实了矿物质的生物成因。随着 Mg/Ca 比的增加，富镁方解石中碳酸镁的含量从 8.79% 增加到 25.71%。通过使用 HRTEM-EDS-SAED 分析超薄细菌切片，文石不仅可以在细胞表面生长，而且可以在细胞内部生长。细胞表面的文石被拉长，而细胞内的文石呈颗粒状。据我们所知，细胞内生物结晶文石鲜见报道。该研究有助于进一步了解碳酸盐矿物生物矿化的机理，也可为进一步研究胞内晶体结构提供有用的证据。37‰至-19.79‰)和氧同位素值(–6.37‰至-8.91‰)相对负值，也证实了矿物质的生物成因。随着 Mg/Ca 比的增加，富镁方解石中碳酸镁的含量从 8.79% 增加到 25.71%。通过使用 HRTEM-EDS-SAED 分析超薄细菌切片，文石不仅可以在细胞表面生长，而且可以在细胞内部生长。细胞表面的文石被拉长，而细胞内的文石呈颗粒状。据我们所知，细胞内生物结晶文石鲜见报道。该研究有助于进一步了解碳酸盐矿物生物矿化的机理，也可为进一步研究胞内晶体结构提供有用的证据。37‰至-19.79‰)和氧同位素值(–6.37‰至-8.91‰)相对负值，也证实了矿物质的生物成因。随着 Mg/Ca 比的增加，富镁方解石中碳酸镁的含量从 8.79% 增加到 25.71%。通过使用 HRTEM-EDS-SAED 分析超薄细菌切片，文石不仅可以在细胞表面生长，而且可以在细胞内部生长。细胞表面的文石被拉长，而细胞内的文石呈颗粒状。据我们所知，细胞内生物结晶文石鲜见报道。该研究有助于进一步了解碳酸盐矿物生物矿化的机理，也可为进一步研究胞内晶体结构提供有用的证据。91‰)在本研究中呈相对阴性，也证实了矿物质的生物成因。随着 Mg/Ca 比的增加，富镁方解石中碳酸镁的含量从 8.79% 增加到 25.71%。通过使用 HRTEM-EDS-SAED 分析超薄细菌切片，文石不仅可以在细胞表面生长，而且可以在细胞内部生长。细胞表面的文石被拉长，而细胞内的文石呈颗粒状。据我们所知，细胞内生物结晶文石鲜见报道。该研究有助于进一步了解碳酸盐矿物生物矿化的机理，也可为进一步研究胞内晶体结构提供有用的证据。91‰)在本研究中呈相对阴性，也证实了矿物质的生物成因。随着 Mg/Ca 比的增加，富镁方解石中碳酸镁的含量从 8.79% 增加到 25.71%。通过使用 HRTEM-EDS-SAED 分析超薄细菌切片，文石不仅可以在细胞表面生长，而且可以在细胞内部生长。细胞表面的文石被拉长，而细胞内的文石呈颗粒状。据我们所知，细胞内生物结晶文石鲜见报道。该研究有助于进一步了解碳酸盐矿物生物矿化的机理，也可为进一步研究胞内晶体结构提供有用的证据。随着 Mg/Ca 比的增加，富镁方解石中碳酸镁的含量从 8.79% 增加到 25.71%。通过使用 HRTEM-EDS-SAED 分析超薄细菌切片，文石不仅可以在细胞表面生长，而且可以在细胞内部生长。细胞表面的文石被拉长，而细胞内的文石呈颗粒状。据我们所知，细胞内生物结晶文石鲜见报道。该研究有助于进一步了解碳酸盐矿物生物矿化的机理，也可为进一步研究胞内晶体结构提供有用的证据。随着 Mg/Ca 比的增加，富镁方解石中碳酸镁的含量从 8.79% 增加到 25.71%。通过使用 HRTEM-EDS-SAED 分析超薄细菌切片，文石不仅可以在细胞表面生长，而且可以在细胞内部生长。细胞表面的文石被拉长，而细胞内的文石呈颗粒状。据我们所知，细胞内生物结晶文石鲜见报道。该研究有助于进一步了解碳酸盐矿物生物矿化的机理，也可为进一步研究胞内晶体结构提供有用的证据。细胞表面的文石被拉长，而细胞内的文石呈颗粒状。据我们所知，细胞内生物结晶文石鲜见报道。该研究有助于进一步了解碳酸盐矿物生物矿化的机理，也可为进一步研究胞内晶体结构提供有用的证据。细胞表面的文石被拉长，而细胞内的文石呈颗粒状。据我们所知，细胞内生物结晶文石鲜见报道。该研究有助于进一步了解碳酸盐矿物生物矿化的机理，也可为进一步研究胞内晶体结构提供有用的证据。