脲酶驱动不同晶型碳酸钙微纳米颗粒的制备
巴氏芽孢杆菌（Sporosarcina pasteurii）是自然界中产脲酶能力较高的微生物，可分解尿素产生碳酸根，与环境中钙离子反应生成CaCO3沉淀，这项技术已经被广泛应运于岩土工程领域，如生物水泥、建筑物和文物的修复、砂土的固化等。虽然目前对于这种方法的工程应用研究有很多，但是利用脲酶水解尿素制备微纳米CaCO3的研究鲜有报道。本文通过研究S.pasteurii的菌体生长特性和所产脲酶的酶学性质，利用脲酶来制备不同晶形碳酸钙微纳米颗粒，为碳酸钙微纳米颗粒的制备提供一种新的思路。 首先，利用5L发酵罐探究了发酵方式和发酵条件对S.pasteurii的影响。发酵24h，批式补料发酵菌体浓度达到了批式发酵菌体浓度的2.2倍，脲酶活性达到了1.7倍。探究温度和通气对菌体生长的影响发现，S.pasteurii的最适温度是30℃，提高通气量可以促进菌体的生长。利用廉价原料玉米浆干粉和糖蜜，采用正交试验优化S.pasteurii的培养基，得到最优水平为：玉米浆干粉为5g/L，糖蜜为5g/L，尿素为15g/L，硫酸铵为10g/L。最优组合培养S.pasteurii的脲酶活性为1.67±0.02mmol/L/min，并通过实验得到验证。优化后的培养基与文献报道中的培养基进行成本比对，优化培养基成本仅有898元/吨，这有利于S.pasteurii在工程领域的大规模应用。 其次，对脲酶的酶学性质进行研究，考察温度、pH、金属离子对其产生的影响。脲酶的最适温度为50℃，最适pH为7。热稳定性的研究表明，20℃下保存的脲酶活性与在4℃条件下保持的脲酶活性表现一致。而在高温条件50℃下，脲酶的稳定性表现较差。对脲酶在碱性条件下的稳定性进行探究，发现pH为8和9的时候，脲酶酸碱稳定性较好，pH为10的时候稳定性较差。金属离子Ca2+、Fe2+、Ni2+、Mg2+、Cu2+均对脲酶活性表现出抑制作用，其中Ca2+对脲酶活性的抑制作用较弱，Cu2+对脲酶活性的抑制作用最强。 最后，利用S.pasteurii产生的脲酶水解尿素，与氯化钙反应获得碳酸钙晶体，不同形式的脲酶溶液对碳酸钙晶型有显著影响。用发酵液上清液中的脲酶催化，可以获得由纳米级球霰石自组装成的介孔空心微米纯球霰石；用菌体中的脲酶催化可获得100%的方解石。红外光谱分析表明，细胞破碎后的粗脲酶溶液获得的椭圆形碳酸钙受到富含羟基物质的影响。进一步探究了反应物加入顺序、温度、脲酶活性和反应物浓度对球霰石的影响。与化学法（碳酸钠和氯化钙反应）获得的CaCO3相比较，脲酶催化获得的纯球霰石在水溶液中可保存较长时间（7天）。利用脲酶分解尿素得到的OH-、CO32-，之后与FeCl2和CaCl2反应成功获得磁性复合球霰石，这对于碳酸钙作药物载体通过体外磁场操控到达特定部位的研究有很大意义。
碳酸钙;微纳米颗粒;巴氏芽孢杆菌;脲酶;尿素水解
大连理工大学
硕士
生物化工
修志龙
2021
中文
TQ132.32
2021-12-22（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）