文摘
这项研究显示了二氧化硅粒子的结构特征提取Stenotaphrum secundatum(圣·奥古斯丁)草使用annelid-based生物转化过程。这生物过程开始于圣奥古斯汀草由vermicompost变成腐殖质,然后经过焙烧和酸处理获得二氧化硅粒子。确定生物处理的影响,硅颗粒没有生物转化是直接从样本中提取的草。二氧化硅粒子的表征进行了使用红外(FTIR)和拉曼光谱、透射电子显微镜(TEM)、x射线衍射(XRD),动态光散射(DLS),能量色散谱(EDS)。两种类型的粒子表现出不同的形态和大小。粒子没有生物转化在本质上是无定形而获得通过环节动物显示特定的结晶阶段。生物之间的关系蠕虫和微生物的新陈代谢和有机无机物质原因改变粒子的属性。这项研究的结果很重要,因为它们将允许合成二氧化硅更便宜、更环保的方式。
1。介绍
所有的植物,草是最重要的。我们所有的塞面包,玉米、小麦、燕麦、黑麦、大麦、大米,是草。食品、农业和林业产业全球每年产生大量的浪费作为副产品的利用这些草,导致一个严重的处理问题;然而,他们构成一个可再生资源可以得到许多有用的材料。草的叶子,二氧化硅干物质可以占2 - 5%,10 - 20倍的水平发现通常在双子叶植物1]。表皮硅存储主要是乳白色的植物岩(2]。尽管所有植物生根的土壤中包含一些如果在他们的组织3),植物物种之间的内容大大不同,因为如果被植物的根所吸收的差异。吸收和易位发生monosilicic酸和无定形氧化硅凝胶SiO沉积形成2·nH2O (4]。积累这样的高水平的一个矿物元素在草家庭表明它的功能意义。进步在理解如果在植物的吸收和积累已经被一些作者(led广泛5- - - - - -8]。的opal-like植物岩(水合氧化矽)发生在草在三维分布的组织以这样一种方式,表明硅被排除在细胞和细胞之间的空间中沉淀为硅胶。硅是运输Si(哦)4然后集中和稠化水蒸发的树叶。毛孔凝胶测量1 - 10 nm直径,装满了水,使得硅完全非晶(9]。硅的沉淀与聚合,由于蒸发和水代谢在植物的体内,导致内部的形成以及细胞外二氧化硅的身体。细胞,硅积累在植物细胞的细胞质和液泡,可以存放在根,茎和叶子。早些时候,我们报道的合成氧化硅纳米颗粒从稻壳,甘蔗蔗渣,和咖啡壳,采用vermicompost环节动物(Eisenia麻)[10]。这些粒子的特征有助于对自然的理解机制转换的非晶纳米氧化物的肠道蠕虫的表单。这生物工艺可以应用的使用浪费草与潜在的应用产生特定的纳米晶体材料科学。
圣奥古斯汀草(Stenotaphrum secundatum)原产于墨西哥海湾的沿海地区和地中海。这个标本被广泛用作草坪草在温暖、潮湿,热带和亚热带气候,其广泛的叶片产生紧密的树冠从迅速延伸匍匐茎,导致粗切地盘(11]。在圣奥古斯汀草适应性和形态变化与染色体的差异有关。最明显的差异倍数性是二倍体水平低增长和窄,半透明的,明亮的绿色叶片多倍体植株粗,叶片厚,蓝/绿、不饱和的颜色(12]。虽然常见的硅质和钙质砂在海边,圣奥古斯汀草也生长在一个广泛的排水不良的土壤,从沙这种粘土。硅积累在陆地圣奥古斯汀草等禾本科被报道在1.5%和0.5之间,而在双子叶植物(即。阔叶植物),还不到0.2%。事实上,大量的硅,植物从土壤中积累可以远远高于任何其他必要的宏观或微量元素的数量(13]。
Vermicompost是蚯蚓的排泄物,能够改善土壤健康和营养状况。Vermiculture是一个过程,所有类型的可生物降解的垃圾,例如农业废弃物,厨房废物,市场浪费,agrobased产业生物废弃物,和牲畜废物转换,同时通过肠道蠕虫vermicompost营养丰富。Vermi蠕虫在这里使用生物制剂使用这些废物和存款排泄物的过程称为vermicomposting [14]。Vermicomposting堆肥过程是一个简单的生物技术,某些种类的蚯蚓的用于提高废物转化的过程和生产更好的产品。Vermicomposting是一个嗜中温过程,利用微生物和蚯蚓活动10°C到32°C(而不是环境温度温度在一堆潮湿的有机物质)。比堆肥过程更快,因为材料经过蚯蚓肠道和一个重要但不是完全理解转换发生,由此产生的蚯蚓铸造(虫粪)富含微生物的活动。蚯蚓长期以来被农民有利于土壤(15),作为一个主要的土壤大型生物,构成了一个重要的组二级的分解者。蚯蚓是关键生物制剂降解的有机废物(16]。每个蚯蚓重约0.5到0.6 g,相当于其体重吃浪费,生产铸造相当于一天浪费它消耗的50%。这些蠕虫铸件为化学和生物属性进行了分析。铸件的含水率范围在32%和66%之间和pH值大约是7.0。最终产品的vermicompost生物过程腐殖质它可以被视为一个驱动力在陆地生态系统的性质不同17]。腐殖质不同于nonhumic物质,如碳水化合物(土壤碳的主要部分),脂肪、蜡,烷烃,缩氨酸,氨基酸,蛋白质,脂类,有机酸的事实不同的化学公式可以写为这些nonhumic物质。大多数nonhumic小分子物质被土壤中的微生物迅速退化。相反,土壤腐殖质分解缓慢自然土壤条件下(降低)。结合土壤矿物、土壤腐殖质可以持续几百年。一些最有益的腐殖质与它相关联的属性能力小,无机颗粒粘在一起松散,松散聚合。蚯蚓活动确定土壤的特征和积极参与能量和养分循环通过矿化和腐殖化过程的选择性激活(18]。
显然,在蚯蚓生物诱导矿化,大多被描述为一个无意的结果在微生物有机体的代谢活动。在这个过程中产生的纳米颗粒是一种细胞外微生物新陈代谢的副产品。细菌或其他类型的微生物分泌有机产品吸引离子或化合物在他们附近,随后导致浓度、变更、固定或消耗这些矿物质。这意味着元素晶体的形成没有直接控制的微生物。这可以产生随机结晶或缺乏特定的晶体形态(19]。矿物形成的以这种方式也往往是不洁净的其他矿物的晶格和夹杂物和化合物(20.]。一些关于生物转化和生物矿化过程,作品涉及蚯蚓已报告(21,22]。蚯蚓肠道中存在各种微生物,包括细菌、藻类、原生动物、放线菌、真菌、线虫,发现通常在蚯蚓肠道的长度。肠道微生物的物种通常是非常类似的在周围的土壤或有机物的蚯蚓饲料。蚯蚓是依赖于各种微生物在营养和微生物真菌可能是最重要的食物。似乎原生动物在他们的饮食也很重要,但细菌和放线菌是更重要的23]。几项研究表明,在一定条件下的压力和温度的生物矿化(硅化)可以诱导微生物的存在和显示之间存在复杂的相互作用的降雨雪硅,质地,和结构形成24]。
这项研究显示了二氧化硅粒子的结构特征,从草中提取Stenotaphrum secundatum(圣·奥古斯丁)使用一个annelid-based生物转化过程。目的是调查这些粒子的性质的变化引起的生物过程,我们建议这些biostructures可以用于合成新材料的廉价和环保的方式。
2。材料和方法
圣奥古斯汀草的种子(Stenotaphrum secundatum)(沃特。)Kuntze从商业来源获得,在花园种植,种植大约3个月。一旦割草,它被添加到vermicompost。使用环节动物的标本Eisenia麻。环境条件适合的繁殖和控制这些样本设置:温度20°C,湿度约60 - 85%,曝气条件下,和黑暗。稳定时间约1个月,获得的腐殖质在室温下干燥。然后,腐殖质已筛大小约0.5毫米。接下来,样本被教廷19 h 500°C的温度,消除有机物。段烧进行隔焰林德伯格/ Eurotherm模型847 h能源消耗为0.17千卡/厘米3样本,然后用硝酸和盐酸(体积比3:1)。每克样品教廷4毫升的酸混合添加为了消除杂质。酸处理进行40°C 4 h和持续不断的搅拌。然后,样本过滤中和,用蒸馏水洗净。获得的固体在室温下干燥。所有试剂使用都由Sigma-Aldrich提供。二氧化硅从圣奥古斯汀草没有获得生物过程被用作参考。提取工艺获得硅没有生物处理是相同的前面描述的使用焙烧和酸处理。
硅粉64扫描特征是利用傅里叶变换红外分光光度计(红外光谱)力量矢量33 4厘米的一项决议−1,用溴化钾粉末。拉曼光谱进行了在拉曼Senterra力量机100 x显微镜物镜,激光发射,在785 nm和分辨率0.1厘米−1。透射电子显微镜(TEM)进行使用JEOL TEM - 1010透射电子显微镜。平均颗粒大小是由动态光散射(DLS)使用布鲁克海文模型BI200SM氦氖激光的35 mW模型9167 EB-1 Melles-Griot。元素分析是利用能量色散谱(EDS)意味着软件印加X-Sight牛津。EDS在设备适应JEOL地产- 6060 LV扫描电子显微镜。x射线衍射(XRD)进行衍射仪Rigaku,模型MiniFlex,波长从1.54对应于ka爱好者辐射。晶体结构与材料数据样本分析中玉MDI材料数据的软件。
3所示。结果与讨论
3.1。红外光谱(ir)
图1介绍了傅立叶变换红外光谱的硅样品(有或没有生物处理)。每个光谱显示了一个宽峰在3263厘米−1由于水分子的地伸展模式以及分配给水中羟基变形振动峰值为1630厘米−1这些乐队对应于吸附水,矿物质含有身体(25,26]。在1379厘米−1,存在一个乐队与碳酸盐矿物相(即有关。、方解石、白云石和霰石);这些化合物在土壤中非常普遍,而且通常是由一个生物矿化的过程。虽然碳酸盐可以热不稳定,其稳定性随阳离子的类型相关,所以可以获胜甚至治疗条件的样本(27]。这个乐队是样品没那么强烈的生物过程在很大程度上归因于这个矿物源可以在蚯蚓的新陈代谢是必要的。对应一个乐队Si-O不对称伸缩振动局部在1056厘米−1(28),这个乐队非常相似和样品和生物过程。另一个乐队本地化为797厘米−1(Si-O)有关的石英在样例(29日]。在该地区400至600厘米−1生物处理的样本显示,峰值为457厘米−1对应于Si-O-Si弯曲振动(30.];没有生物处理示例展示一个高峰在603厘米−1;这可以被分配到一个包含镁复合硅酸盐(31日]。生物处理是一个乐队不是观察;但是这可以重叠与乐队457厘米的本地化−1。红外光谱结果显示二氧化硅流行乐队的存在中,但是这些乐队的差异(有或没有生物处理)可以帮助解释蚯蚓的生物过程的机理。
3.2。拉曼光谱
FT-Raman光谱的样品,没有生物处理数据所示2(一个)和2 (b)。FT-Raman乐队只定义良好的硅样品的生物过程(图2(一个))。这些乐队本地化为122厘米−1,210厘米−1,468厘米−1。第一个乐队在122厘米−1对应于一个O-Si-O对称弯曲;第二个乐队本地化为210厘米−1分配给伸展地组的振动模式,而强烈的乐队在468厘米本地化吗−1与Si-O-Si伸展振动有关。最后一个乐队有一个较强的强度和属于石英的变形α石英通常在465厘米−1(32]。FT-Raman结果证实二氧化硅的存在,表明存在与生物工艺水晶安排样品与样品相比没有生物过程,从而证实微生物分子排序。
(一)
(b)
3.3。透射电子显微镜(TEM)
TEM图像硅样品的生物处理数据所示3(一个)- - - - - -3 (c)。在这种情况下,粒子使用环节动物中提取生物过程有类似球形的形态,他们在集群分组,毫微米。TEM硅样品的图片没有生物处理数据所示3 (d)- - - - - -3 (f)。在这个图中,粒子没有明确定义也没有他们的形态,但集群和团聚体被观察到,他们的规模明显大于粒子没有生物过程。结果显示不同形态、色散和大小之间的样本。没有生物过程,粒子有一个趋势是无定形的,同时,生物过程,这些粒子显示更多的秩序,这些差异归因于vermicomposting生物过程。微生物扮演重要的角色在这个过程中由于分类的活动和净化的使用在他们的代谢过程。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
3.4。x射线衍射(XRD)
XRD衍射图的示例的二氧化硅生物过程在图4(一)。图4(一)显示特征峰与六角石英(图4(一)峰1)——石英早些时候已被确认属于石英的变形。还六角鳞石英(原始)(图4(一)、峰值和三斜钠长石(图2)4(一)峰3)多晶型物被确定。XRD衍射图样的样本没有生物过程在图4 (b)。图4 (b)表明,粒子有一个本质上非晶结构,只有两座山峰与六角石英多晶型物能被探测到的略(图4 (b)峰1)。这些结果证实生物过程中发挥着重要作用的转换粒子晶体结构。在这种类型的草,多晶型物的硅酸盐占据上风,尽管如此,可以观察到EDS、矿物元素存在,可以产生其他晶体结构。
(一)
(b)
3.5。动态光散射(DLS)
粒子的平均直径估计由DLS与生物过程表明,粒子达到530纳米,而没有生物过程平均直径为1.6微米。这些结果表明,生物处理的二氧化硅粒子的大小小于那些没有生物处理的大小。矿物部分(植物岩)在草一般微观;然而,蚯蚓的肠内微生物的代谢活动导致一个重要的大小减少。这一分析表明,粒子的大小可以影响样品的趋势形成团聚体;这可以更好的观察样本没有生物过程。
3.6。能量色散谱(EDS)
表1总结了用能量色散光谱获得的结果。大量的硅和氧重量百分比观察样本:生物处理:54.01% O和30.69% Si和没有生物处理:56.23% Si O和35.44%。表1显示相关元素在低比例的生物矿化过程和一些人发现使用x射线衍射技术(图4)。元素,如镁、铝和铁比例增加了生物处理时使用。样品的氧和硅的关系是相似的,尽管示例中的氧是略低的生物过程由于这个元素的重要来源蚯蚓和微生物的代谢过程。EDS显示样品的矿物元素和没有生物过程,和评论是很重要的元素,如钠和钙只有示例所示没有生物过程,在生物处理元素是蚯蚓的营养过程的一个重要来源,可以使用的微生物。
4所示。结论
效果产生的环节动物生物处理的二氧化硅粒子的属性,从圣奥古斯汀草。这些粒子的表征进行了红外光谱,拉曼光谱,TEM, XDR, DLS, EDS。粒子获得的生物过程包含主要是二氧化硅和哦组和球形形貌呈现一个趋势;他们的大小估计由DLS 530海里,这是小于粒子没有生物过程。产生的生物过程结构秩序和水晶粒子与主流α石英阶段和其他硅酸盐鳞石英、钠长石等。生物处理显示其他元素在小比例如铝,镁,铁,钾。这些类型的粒子的特征从生物处理获得使用vermicompost和草可以有助于解释vermicomposting专门的生物机制称为生物矿化。结果表明样本之间的变化和生物过程。这些变化在消化过程中产生的蚯蚓一起涉及微生物分离、分类、净化和转换的,因此称为生物转化。这种生物机制代表了小说另类创建小说在一个廉价的材料和环保biostructure方式。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
作者感谢Maria de卢尔德帕尔马女士她的援助在TEM,博士Genoveva Hernandez-Padron在红外和拉曼分析,协助博士埃里克·里维拉协助XRD,米里亚姆博士这几年会冈萨雷斯为她协助DLS分析,以及Carrillo m . t。金融支持从墨西哥的国家科学技术委员会(CONACYT) (a . Espindola-Gonzalez博士奖学金)。