基底矿物学、生物膜与胞外聚合物对细菌诱导碳酸钙矿化的纳米尺度原位ToF-SIMS研究

本研究通过先进纳米分析技术（ToF-SIMS）揭示了细菌胞外聚合物（EPS）在碳酸钙（CaCO3）多晶型选择中的关键作用。研究人员对比低EPS产菌（Sporosarcina pasteurii）与高产EPS菌（Bacillus subtilis）在不同矿物基底上的矿化过程，发现EPS通过吸附钙离子促进球霰石（vaterite）形成并稳定其结构，突破了传统认知中基底矿物学的主导影响，为生物矿化材料设计提供了新思路。

　　

自然界中，细菌通过代谢活动诱导碳酸钙（CaCO₃）矿化的现象广泛存在于珊瑚礁、微生物岩等地质结构中。这一过程不仅塑造了地球化学景观，还在生物医学（如自修复牙科材料）和工程领域（如自修复混凝土）展现出巨大潜力。然而，细菌如何选择CaCO₃多晶型（方解石、球霰石或文石）仍是未解之谜。传统观点认为基底矿物学是主导因素，但澳大利亚科廷大学（Curtin University）的研究团队通过创新实验设计，揭示了微生物代谢途径和胞外聚合物（EPS）的关键作用。

研究人员采用两种典型菌株：低EPS产菌Sporosarcina pasteurii（SP）和高EPS产菌Bacillus subtilis（BS），在磷灰石（apatite）、方解石（calcite）和石英（quartz）三种基底上开展矿化实验。通过时间飞行二次离子质谱（ToF-SIMS）、拉曼光谱和变压力场发射扫描电镜（VP-FESEM）等先进技术，首次在纳米尺度追踪了EPS与钙离子的相互作用过程。

关键技术方法

1. 微生物培养与表征：测定菌株生长曲线、脲酶活性和EPS产量（BS的EPS产量达2.01 g/L，是SP的3倍）；

2. 基底表征：X射线衍射（XRD）分析矿物组成，Zeta电位评估表面电荷特性；

3. 原位分析：ToF-SIMS空间定位有机分子与钙离子吸附位点，拉曼光谱确认多晶型；

4. 形貌观测：VP-FESEM无涂层观测生物矿物形貌，避免传统SEM的样品损伤。

研究结果

微生物途径主导多晶型选择

SP在所有基底上均生成20-40 μm的菱面体方解石（calcite），而BS则形成20-100 μm的球状/六方板状球霰石（vaterite）。拉曼光谱证实，BS组vaterite的特征峰（v₄双峰739/749 cm^-1）与EPS基质中羧酸盐（C=O）和羟基（-OH）的FTIR信号（1430/3300-3500 cm^-1）高度关联。

EPS介导的矿化机制

ToF-SIMS图谱显示，钙离子（Ca²⁺）在磷灰石基底上优先吸附于碳水化合物富集区（蓝色区域），形成"有机-钙"复合界面（绿色重叠区）。这种结合抑制了球霰石向方解石的转化，符合奥斯特瓦尔德阶梯规则（Ostwald's rule of stages）。

基底矿物学的次要作用

尽管三种基底的Zeta电位差异显著（方解石-0.364 mV vs. 石英-21.5 mV），但微生物特性仍主导多晶型选择。SP在方解石基底上生成具刻面的晶体，反映基底表面电荷的微弱影响；而BS在所有基底上均形成相似球霰石结构。

结论与意义

该研究颠覆了传统认知，证明EPS通过两种机制调控矿化：① 碳水化合物网络捕获钙离子，促进纳米晶聚集为球霰石介晶（mesocrystal）；② 氨基/羧基官能团稳定亚稳态相。这一发现为仿生材料设计提供了新策略——通过调控EPS组成可定制CaCO₃的力学性能（如珊瑚礁中文石的抗断裂性）。论文发表于《Scientific Reports》，为地质工程（土壤固化）和生物医学（药物载体）领域的多晶型控制提供了理论框架。