摘 要

生物矿化是指由生物体通过生物大分子的调控作用生成无机矿物的过程，与一般的矿化最大的不同在于有生物大分子、细胞、有机基质的参与。纳米氧化铝由于表面效应、量子尺寸效应、体积效应、宏观量子隧道效应的作用而具有良好的热学、光学、电学、磁学以及化学方面的性质，氧化铝正被广泛的用于结构陶瓷、催化材料、光、电、磁和热等功能材料，其应用前景十分广阔。本文主要探索细菌表面介导的氧化铝生物矿化，这是一种生物诱导的矿化即生物的生命活动与周围环境相互作用而引起的矿化过程。本项目利用能在细胞表面表达硅蛋白（Silicatein）的重组大肠杆菌（大肠杆菌BL21，质粒Pet28a INPSiliSila）作为模板，诱导氧化铝前体沉积，再利用热处理形成矿物晶体，并用SEM进行形貌表征，发现能表达硅蛋白的大肠杆菌表面相较于未诱导表达硅蛋白的大肠杆菌表面能更好的吸附铝离子形成氧化铝薄膜，且在烧过650℃后氧化铝外壳呈大肠杆菌的短杆状，但没有表达硅蛋白的大肠杆菌的氧化铝表面在烧过650℃后基本没有细胞形态。本文继续探索加入表达硅蛋白的大肠杆菌对以NH4HCO3为沉淀剂，AlCl3为铝源的沉淀法制备氧化铝的影响时，用SEM和XRD对制得的形貌和晶型进行表征，发现加入适当浓度的菌时，不仅可以促进氧化铝的晶型转化，更使氧化铝出现了丝絮状的纳米结构。

关键词：生物矿化，氧化铝，硅蛋白

Abstract

Biomineralization is a process that inorganic mineral is generated by organisms through the readjustment of biological macromolecular and the difference from general mineralization is that Biomineralization is conducted with the participation of biological macromolecules, cells, and organic substrates. Nanometer alumina which has good properties of heat, optics, electricity, magnetism, and chemistry aspect due to surface effect, quantum size effect, volume effect, macroscopical quantum tunnel effect is widely used in functional material such as structural ceramics, catalytic materials, optical, electrical, magnetic and thermal ,and has very broad application prospect. In this paper, we explore that the bacterial surface mediates biomineralization of alumina, which is a kind of biological mineralization induced by the creature's life activities interacting with the surrounding environment. This project use recombinant escherichia coli (e. coli BL21, plasmid: Pet28a INPSiliSila) which express the silicon protein (silicatein) on the cell surface as template to induce the sedimentation of alumina, subsequent heat treatment making depositional alumina to form mineral crystal, whose structure and morphology is characterized by SEM . we have found that the surfaces of e. coli which express silicon protein compared with the surfaces of e. coli which are not induced to express silicon protein can better adsorb aluminum ion to form the alumina membrane which appear short rod shell of e. coli after the thermal treatment of 650 ℃, but the alumina membrane of the surface of e. coli which are not induced to express silicon protein lose cell morphology after the thermal treatment of 650 ℃. This article continues to explore e. coli expressing silicon protein how to impact on alumina preparation in method of precipitation in which NH4HCO3 is used as precipitant, AlCl3 as the precursors . The morphology and crystal type of alumina powder prepared by method of precipitation in which e. coli expressing silicon protein was added were characterized by SEM and XRD, we found that adding appropriate concentration of bacteria, can not only promote the crystal type transformation of alumina, but also make alumina powder appear the filamentous nanostructures.

Key words：Biomineralization, alumina, silicon protein

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1生物矿化 1

1.2硅蛋白研究进展 1

1.2.1海绵 1

1.2.2硅蛋白的发现 2

1.2.3硅蛋白对氧化钛等的生物调控作用 2

1.2.4 用重组硅蛋白进行氧化铝生物矿化 3

1.3 氧化铝 4

1.3.1氧化铝简介 4

1.3.2氧化铝的形貌和晶型 4

1.3.3氧化铝粉末的团聚现象 5

1.3.4沉淀法制备纳米氧化铝粉末 5

1.4 本文的研究目标、主要内容、研究意义 6

1.4.1研究目标 6

1.4.2主要内容 6

1.4.3研究意义 6

第2章实验材料与方法 7

2.1 实验试剂及仪器 7

2.2 实验试剂的配制 9

2.3实验方法 10

第3章 结果与讨论 17

3.1硅蛋白在细菌表面表达 17

3.2 氧化铝在诱导表达硅蛋白的细菌表面沉积和转化 18

3.2.1硅蛋白对氧化铝沉积的影响 18

3.2.2细菌细胞上的氧化铝热处理后形态转化 21

3.2.3细菌浓度、孵化时间对氧化铝在诱导表达硅蛋白的细菌表面沉积和转化影响 24

3.2.4小结 28

3.3诱导表达硅蛋白的大肠杆菌对沉淀法制备氧化铝的影响 28

3.3.1 XRD分析晶型 28

3.3.2 SEM表征形貌 32

3.3.3 小结 36

第4章 总结与展望 37

4.1 结论 37

4.2 展望 37

参考文献 38

致 谢 40

第1章 绪论

自20世纪中期材料科学领域已转变为对钢铁和合金的冶金研究，以满足巨大的航空航天、汽车、通信、电子和石化行业的技术要求。尽管有超过50年的突破，仍然只存在少数制备先进材料的方法。因此，精确控制无机材料的固态结构(体系结构和组成)仍然是一个艰巨的任务。另一方面，生物组织在几十亿年的进化中已具备高保真和大量得将各种无机材料(如二氧化硅、碳酸钙、磷酸氢钙、铁氧化物)制备成以纳米（小于100nm）、微米（0.1-100um）和宏观尺度分层次组织的精巧复杂的结构形态。如何用生物的方法制备性能更完善、结构更精细的材料成为一种研究思路。

1.1生物矿化