微生物碳酸酐酶在礦化沉積中的研究進展

張小菊，楊 娟，李橫江

(華中科技大學(xué)武昌分校城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 430064)

碳酸酐酶(Carbonic anhydrase，CA)是生物體內(nèi)普遍存在的一種金屬酶，其活性中心中含有一個催化活性所必需的鋅原子，催化CO2進行可逆水合反應(yīng)，在礦化沉積中扮演著重要的角色[1，2]。

生物礦化沉積是一種廣泛而復(fù)雜的固液之間、有機物和無機物之間的物理化學(xué)過程，是以少量有機質(zhì)為模板，進行分子操作，高度有序地組合成無機材料，構(gòu)成礦物質(zhì)點的形態(tài)大小、空間排列、結(jié)晶取向和同質(zhì)多晶類型[3]。目前石質(zhì)文物的人為破壞作用、微生物破壞作用、風(fēng)化作用嚴(yán)重，對石質(zhì)文物進行保護的研究主要集中在石質(zhì)文物微生物的腐蝕機理[4]、石質(zhì)文物的防風(fēng)化、利用生物礦化的原理在石材表面仿生合成保護材料[5～7]等。已有研究微生物誘導(dǎo)的礦化作用對碳酸鈣形成的影響及遺產(chǎn)保護的相關(guān)報道[8～10]，但利用生物的礦化沉積特別是碳酸酐酶的作用來修復(fù)石質(zhì)文物還研究得較少。

作者主要綜述了微生物碳酸酐酶在礦化沉積中的研究進展及在環(huán)境生物修復(fù)、石刻文物保護中的應(yīng)用價值，并對其研究進行了展望。

1 微生物碳酸酐酶在礦化沉積中的研究現(xiàn)狀

有關(guān)植物碳酸酐酶、微生物碳酸酐酶的研究報道均較多，探討了碳酸酐酶在巖溶環(huán)境中的分布、活性、穩(wěn)定性、與生態(tài)系統(tǒng)元素遷移之間的關(guān)系等[11～13]。研究表明，植物的根系、土壤中的微生物等都是碳酸酐酶的重要來源，其活性與地球化學(xué)環(huán)境等關(guān)聯(lián)性強[14]。

目前，有關(guān)微生物碳酸酐酶引起的礦化沉積作用還研究得較少。因微生物碳酸酐酶催化的是CO2的可逆水合反應(yīng)，反應(yīng)生成的H+會影響CaCO3的電離平衡，反應(yīng)式如下：

(1)

由此可知，研究碳酸酐酶在鈣化沉積中的作用，對環(huán)境修復(fù)或制備碳酸鹽晶體等有重要意義。

有關(guān)碳酸酐酶與鈣化沉積的關(guān)系早在十幾年前就有研究，主要集中在海洋生物的鈣化沉積等方面。

Miyamoto等[15]首次報道在牡蠣珍珠層的一種可溶性有機基質(zhì)蛋白質(zhì)中發(fā)現(xiàn)了2個功能域：一個是CA，一個是 Gly-Xaa-Asn(Xaa=Asp或 Glu)重復(fù)域。CA域被Gly-Xaa-Asn重復(fù)域插入分成2個子域，其重復(fù)的Gly-Xaa-Asn域可能連接鈣，同時碳酸酐酶由于催化上述反應(yīng)而參與了珍珠層 CaCO3晶體的形成。

Watanabe等[16]從珊瑚的外骨骼化鈣化組織中提取生物的有機基質(zhì)，從中分離出46 kDa的蛋白質(zhì)，對其氨基酸序列進行分析，發(fā)現(xiàn)該蛋白質(zhì)的內(nèi)部序列與 CA的部分序列類似，進一步證實了碳酸酐酶能促進鈣化沉積。

Beiner等[17]對魚類耳石礦化形成的早期階段碳酸酐酶所起的重要作用進行了研究，認為在耳石播種的很早階段，CA可能有助于前體顆粒的增長過程。

Rahman等[18]研究了珊瑚內(nèi)骨骼硬化組織中CA的新的活性，并研究了CA與鈣化硬組織形成之間的關(guān)系，認為CA域參與了鈣化過程，能控制CaCO3晶體的形貌。

珊瑚中的基質(zhì)蛋白質(zhì)不僅是一種結(jié)構(gòu)蛋白，而且是一種催化劑，可促進鈣化沉積。Rahman等[19]研究表明，酸性蛋白在控制礦物的形成和發(fā)展中發(fā)揮重要作用。鑒定不溶性有機基質(zhì)中酸性蛋白及其作用對于理解珊瑚中個體蛋白的功能非常重要。分析短指多型軟珊瑚(Sinularia polydactyla)的可溶性和不溶性基質(zhì)層中蛋白組分表明，不溶性基質(zhì)和可溶性基質(zhì)層中天冬氨酸的含量分別是61%和29%。利用體外分析法發(fā)現(xiàn)，基質(zhì)蛋白誘導(dǎo)碳酸鈣形成非晶態(tài)析出相先于其形成鈣質(zhì)的結(jié)晶態(tài)。對不溶性基質(zhì)組分分析顯示一個分子量為109 kD的蛋白質(zhì)可以與形成骨片的鈣離子結(jié)合，這一過程對骨片形成非常重要。對在生物鈣化過程中起重要作用的碳酸酐酶的分析表明了此酶的新的活性。以上結(jié)果表明珊瑚中不溶性基質(zhì)內(nèi)富含天冬氨酸的蛋白在生物礦化調(diào)控過程中起重要作用。

有關(guān)碳酸酐酶對CaCO3晶體生物沉積的調(diào)控作用也有一些研究，主要通過購買純牛CA進行模擬實驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)換反應(yīng)(2)是CaCO3晶體沉積的限速步驟，但CA的調(diào)控機理有待進一步研究。

(2)

2 微生物碳酸酐酶的應(yīng)用價值

通過涂抹工藝和注入工藝的實踐，可在材料表面原位礦化沉積出方解石，增強了微生物修復(fù)在實際工程中應(yīng)用的可操作性。王瑞興等[22]以瓊脂作為載體，采用涂刷技術(shù)將菌株和營養(yǎng)物質(zhì)固載于水泥石表面，創(chuàng)造菌株生長、酶化和碳酸鈣沉積的微環(huán)境，7 d后能在水泥石表面緊密附著生成厚度100 μm左右的碳酸鈣膜，同時將高濃縮菌株與砂基材拌合，并混合尿素和Ca2+，制備成漿體，注入到水泥石人造裂縫中，通過定時滴加修復(fù)營養(yǎng)液的方法，逐漸在裂縫砂粒之間礦化沉積出碳酸鈣，最終將砂粒緊密膠結(jié)在裂縫內(nèi)，達到裂縫修復(fù)的目的。

微生物碳酸酐酶促進碳酸鹽沉積應(yīng)用前景還體現(xiàn)在生物礦化的CaCO3晶體，可作為吸附材料、催化材料、陶瓷材料、敏感介質(zhì)(如酶、蛋白質(zhì))保護材料、藥物緩釋材料等，在化工、環(huán)保、生物、醫(yī)藥和建材等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景；還可以應(yīng)用于工程如混凝土微裂縫修復(fù)、古建筑表面防護處理、微納米碳酸鈣顆粒制備等；其對石質(zhì)景觀的保護與修復(fù)、穩(wěn)固地基、預(yù)防地震、捕獲放射性核素和重金屬離子等作用也不容忽視。

3 微生物碳酸酐酶的研究展望

鑒于微生物碳酸酐酶在礦化沉積中的重要作用，今后的研究要致力于掌握微生物碳酸酐酶誘導(dǎo)碳酸鹽沉積或礦化機理，明確其關(guān)鍵問題，如碳酸鹽沉積過程中，CaCO3晶體成核、生長、結(jié)構(gòu)的堆積方式、碳酸鹽的大小和形態(tài)等，并掌握其調(diào)控機制；可研究來自不同有機體如植物、微生物的CA是否對CaCO3的沉積產(chǎn)生不同的影響；探索具有特定形態(tài)的晶體對環(huán)境污染的生物治理和修復(fù)的應(yīng)用策略；以生物化學(xué)和基因工程為研究手段探討微生物碳酸酐酶促進生物礦化的長期過程中的動力學(xué)效應(yīng)、取向生長、原位合成、重要影響因素等，為石質(zhì)文物表面保護和生物修復(fù)提供更多新的途徑。

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