Formación de Calcio Carbonato Polimorfos Inducidas Por Living Micro Algas

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Formación de Calcio Carbonato polimorfos inducidas por Living micro algas RESUMEN El carbonato de calcio (CaCO3) se produce en los tres polimorfos calcita, aragonita y vaterita. La formación de estos cristales en soluciones inorgánicas está influenciada por parámetros tales como pH, temperatura o impurezas. Vivir microalgas de agua dulce también puede inducir la formación de CaCO3 cuando viven en un entorno adecuado que contenga cantidades saturadas de Ca2 +. A través de este biomineralización biológicamente inducida sólo la formación de la calcita polimorfo ha informado todavía. Se investigaron los precipitados que se han formado en soluciones que contienen la Scenedesmus microalgas de agua dulce oblicuo y diferentes cantidades de zinc (0, 3,27 y 6,53 mg Zn2 + / l) por DRX y SEM. Como referencias precipitados de las mismas soluciones, pero sin algas fueron investigados. Hemos podido demostrar que la presencia de microalgas que viven tiene una gran influencia sobre la precipitación de cristales de carbonato de calcio. En los medios de algas que contienen o sin la mínima cantidad de zinc se forman siempre calcita y aragonita. En el medio correspondiente con 6,53 mg Zn2 + / l aragonita pura se construyeron cristales. En cambio, en las soluciones inorgánicas, libre de algas sin zinc, calcita pura se precipita. Tanto inorgánicos soluciones con zinc muestran mayor precipitación de calcita y aragonito precipitación débil. Así, las células de las algas avanzan significativamente la formación de aragonita, que se ve reforzada por la presencia de cationes de zinc en los medios. Posible Se discuten mecanismos. Palabras clave: polimorfos CaCO3; Biomineralización; Zinc; Las microalgas; DRX 1. Introducción La formación del carbonato de tres de calcio (CaCO3) polimorfos calcita, aragonito y vaterita en inorgánica soluciones ha sido el tema de muchos estudios [1-4]. Era propone que primero una fase amorfa inestable se construye que transforma a la vaterita fase metaestable o aragonita, seguido por la transformación a la fase estable calcita [1]. La precipitación de los polimorfos

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Formacin de Calcio Carbonato polimorfos inducidas por Living micro algasRESUMENEl carbonato de calcio (CaCO3) se produce en los tres polimorfos calcita, aragonita y vaterita. La formacin de estos cristales en soluciones inorgnicas est influenciada por parmetros tales como pH, temperatura o impurezas. Vivir microalgas de agua dulce tambin puede inducir la formacin de CaCO3 cuando viven en un entorno adecuado que contenga cantidades saturadas de Ca2 +.A travs de este biomineralizacin biolgicamente inducida slo la formacin de la calcita polimorfo ha informado todava. Se investigaron los precipitados que se han formado en soluciones que contienen la Scenedesmus microalgas de agua dulce oblicuo y diferentes cantidades de zinc (0, 3,27 y 6,53 mg Zn2 + / l) por DRX y SEM. Como referencias precipitados de las mismas soluciones, pero sin algas fueron investigados. Hemos podido demostrar que la presencia de microalgas que viven tiene una gran influencia sobre la precipitacin de cristales de carbonato de calcio. En los medios de algas que contienen o sin la mnima cantidad de zinc se forman siempre calcita y aragonita. En el medio correspondiente con 6,53 mg Zn2 + / l aragonita pura se construyeron cristales. En cambio, en las soluciones inorgnicas, libre de algas sin zinc, calcita pura se precipita. Tanto inorgnicos soluciones con zinc muestran mayor precipitacin de calcita y aragonito precipitacin dbil. As, las clulas de las algas avanzan significativamente la formacin de aragonita, que se ve reforzada por la presencia de cationes de zinc en los medios. Posible Se discuten mecanismos.Palabras clave: polimorfos CaCO3; Biomineralizacin; Zinc; Las microalgas; DRX1. IntroduccinLa formacin del carbonato de tres de calcio (CaCO3) polimorfos calcita, aragonito y vaterita en inorgnica soluciones ha sido el tema de muchos estudios [1-4]. Era propone que primero una fase amorfa inestable se construye que transforma a la vaterita fase metaestable o aragonita, seguido por la transformacin a la fase estable calcita [1]. La precipitacin de los polimorfos puede ser afectada por diferentes factores como la temperatura, el pH de la medio, la relacin de concentracin de los componentes individuales, sobresaturacin, la fuerza inica o impurezas [3]. Las investigaciones de Ogino et al. (1987) [1] revel que la aragonita formacin se favorece a temperaturas ms altas (> 40 C) en solucin acuosa, que tambin ha contado con el apoyo En otros experimentos [4]. A temperatura ambiente, la pH de la solucin en un entorno constante composicin es el factor ms importante para la formacin de la polimorfos [3]. A 24C, vaterita es el producto principal en el intervalo de pH entre 8,5 y 10. Aragonite preferiblemente formado a pH 11; cuando el pH es mayor que 12, calcita es el producto dominante. La precipitacin de los diferentes polimorfos tambin pueden ser modificados por impurezas en el solucin. Cuando el radio inico de las impurezas es menor que la de los cationes Ca2 +, lo que es el caso para Zn2 + cationes [5], aragonita se deposita [6]. Esta influencia se explica por fenmenos de adsorcin en el cristalino las caras de los ncleos. Kitano et al. (1976) [7] examin especficamente el comportamiento de adsorcin de Zn2 + en Polimorfos de CaCO3 en soluciones acuosas. Ellos mostraron influencia del metabolismo de las algas en su acuosa medio ambiente [16]. A travs de la fotosntesis del asimilar algas CO2 y / o 3, y liberar OH- [16,17].Esto conduce a un aumento del pH y la concentracin de aniones carbonato en la solucin. Tambin es en gran parte acepta que el pH afecta a ambos Nmero de superficie de la clula sitios y qumica de metal dentro de la solucin acuosa de unin: en el intervalo cido, los grupos funcionales de la clula pared son estrechamente protonada, lo que limita el enfoque de cationes metlicos. Las paredes celulares de las algas verde consisten polisacridos y protenas [18,19]. Con el aumento de pH, ms grupos funcionales, tales como carboxilo o amino grupos, estn expuestos, lo que aumenta la biosorcin de iones metlicos en las paredes celulares cargadas negativamente. En el primer paso, Ca2 + se une en la pared celular, y despus aniones se acumulan y CaCO3 se precipita extracelular. Este mecanismo se llama biolgicamente inducido [16], debido a que la calcificacin no se controla activamente por los organismos. En el biolgicamente controlada biomineralizacin, se producen diferentes tipos de biominerales bajo el control gentico de los organismos. Hasta ahora, en la presencia de microalgas de agua dulce slo el extracelular formacin inducida biolgicamente de la calcita es reportado. HCO2 CO3 Iones metlicos cargados positivamente tambin se pueden unir en la superficie de las clulas de los organismos vivos [por ejemplo, 20-27]. El zinc es un metales traza esencial para todos los organismos, pero pueden ser txicos cuando est presente en altas cantidades. La exposicin de las microalgas para subletal concentraciones Zn2 + causaron la inhibicin de, por ejemplo la fotosntesis [28]. Cuando las algas se enfrentan a elementos txicos como Zn2 + en su entorno, que desintoxican mediante la adopcin de los iones. La absorcin se divide en dos pasos: el primero es un biosorcin rpida sobre la pared celular, durante el segundo paso, los iones son transportados en el las clulas [29]. Posteriormente, el interior de las clulas puede ser desintoxicado quelando los cationes Zn2 + a, por ejemplo no txico agujas nano a base de zinc-fosfato-[30]. El objetivo de este estudio fue investigar el papel de algas que viven en la precipitacin de diferentes polimorfos de carbonato de calcio. Para los experimentos de la unicelulares alga especie Scenedesmus oblicuo (Chlorophyta) fue cultivada en medios con y sin Zn2 + y los resultados se compararon con los medios de comunicacin inorgnica sin algas. Esta especie de alga fue elegido porque los experimentos preliminares han demostrado que se calcifica fcilmente cuando se cultivan en medios sobresaturada con respecto a Ca2 +.2. Materiales y Mtodos2.1. Organismos y CulturasLos experimentos se llevaron a cabo con Scenedesmus de estar oblicuo (cepa 276-1), obtenido a partir del cultivo SAG coleccin Gttingen. Las algas se cultivan en un medio calcificacin modificado [17], donde Na2EDTA, KH2PO4, (NH4) Mo7O24 y MnCl2 se omitieron y FeCl3 se redujo a 0,01 mg / l para evitar la formacin de quelato con Zn2 +. La solucin se satur con respecto a Ca2 +. Los medios de comunicacin contenan diferentes cantidades de zinc (0 mg Zn2 + / l, 3,27 mg Zn2 + / l o 6,53 mg Zn2 + / l), aadido como ZnSO4 7 H2O (Roth, Karlsruhe). Preparacin de los medios de comunicacin: todas las soluciones madre al lado de Na2CO3 se esterilizaron (Autoclave Systec V-75) y se combinan, el pH se ajust a 6,3. Las algas fueron lavadas en desmineralizada agua (Millipore), cont con un hemocitmetro (Marienfeld, Lauda-Knigshofen) para asegurar la misma celda la concentracin en todas las culturas y aadido al medio de (Alrededor de 4,0 108 clulas / l). El cultivo se llev a cabo en un rotativo agitador (Infors HT Multitron II, 100 rpm) a 26 C y iluminacin permanente (tubos FL Gro-Lux 15 W, 3500 lx). Debido a la fotosntesis, el pH se increment a un valor ms de 9 durante varios das. No hasta entonces el Na2CO3 era aadi para evitar la prdida de aniones y el pH fue de ajustado a 8,5. En este punto el experimento comenz. La inorgnico, solucin libre de algas se prepar de forma idntica; el pH se ajust a diario segn la orgnica, que contiene algas- solucin con 0,1 M NaOH. La duracin del experimento fue de 72 h. Despus de este tiempo todas las culturas vivan segn lo revelado por su color verde. 2 CO3 2.2. Medicin SEMLa precipitacin de cristales se investig despus de 2, 4, 6, 24 y 72 h de duracin del experimento. Para la observacin en una microscopio electrnico de barrido (Zeiss DSM 982 GEMINI) las muestras se lavaron en agua desmineralizada (Millipore) utilizando un sistema de filtro de vaco de vidrio con 0,2 m / 2 m de poro de la membrana filtro de tamao (Millipore) y luego se sec al aire. Para obtener conductividad electrnica, las membranas fueron recubiertas con grafito.2.3. Polvo X-Ray Diffractiometry (DRX)DRX se utiliz para identificar los polimorfos CaCO3 despus 72 h de duracin del experimento. Los patrones de difraccin de rayos X eran grabado con un difractmetro D500 (Siemens). Mediciones se hicieron en la geometra Bragg-Brentano, usando Radiacin CuK1 (tubos de rayos X de ajuste de 30 mA y 40 kV) empleando un Johansson monocromador de haz primario en un rango 2 de 20 a 50.3. Resultados y Discusin3.1. Tendencia pHAl inicio de todos los experimentos el pH de cada cultivo se ajust a 8,5. Debido a la fotosntesis de la algas, el pH se elev hasta 10,8 despus de 48 h en la cultura sin zinc; despus se mantuvo casi constante (Figura 1). En presencia de zinc, el cambio de pH se retras y no hizo no alcanzar los altos valores de la cultura sin zinc. Este que Zn2 + es fuertemente adsorbido en cristales de aragonita en comparacin con otros polimorfos. Se asumi que la iones de zinc inhiben la transformacin de aragonita de calcita [1,7]. La adsorcin Zn2 + en la superficie de la calcita se produce a travs de un intercambio de Ca2 + en una capa superficial adsorbido [8]. Tambin aditivos orgnicos muestran un efecto sobre la mineralizacin de carbonato de calcio (en comentarios: Meldrum, 2003 [9]; Ren et al., 2011 [10]). Aminocidos como la glicina, cido glutmico y cido asprtico o polisacridos como celulosa influyen en la precipitacin y la morfologa de calcita y vaterita [11-13]. Los organismos vivos como fotosinttica lata microalgas inducir la precipitacin de CaCO3 a travs de la biomineralizacin. Se sabe que muchos de agua dulce calcita acumulacin de algas cristales cuando viven en un entorno sobresaturado respecto de calcio [14,15]. Este es un resultado es debido al hecho de que Zn2 + cationes restringen la fotosntesis de algas. El pH de cambio se correlaciona con la concentracin de Zn2 + dentro de la solucin: la cultura con 6,53 mg Zn2 + / l slo alcanz pH 10,1 a las 72 h, la cultura con 3,27 mg Zn2 + / l alcanz un pH de 10,5 despus de 48 h y se mantuvo en este valor. Segn los valores de pH observados en cultivos que contiene algas, el pH en el medio de comunicacin sin algas eran ajustado a diario con una solucin de NaOH 0,1 M.3.2. La precipitacin de cristales y de identificacin de polimorfosLa formacin de precipitados se investig en elpunto de los experimentos de partida y despus de 2 h, 4 h, 6 h, 24 hy 72 h en soluciones con algas. En el punto de partida de los experimentos, no hubo precipitacin de las algas (Figura 2 (a)). Despus de 2 h de incubacin, cristales con algas incrustado podran ser detectados en los cultivos sin zinc (Figura 2 (b)). En la siguiente horas los cristales se hicieron ms grandes (datos no mostrados). en el culturas con zinc, no se produjeron durante la cristalizacin primero 6 h (datos no mostrados). Despus de 24 h de incubacin, en todas las soluciones precipitados se pudo encontrar (datos no mostrados). En los medios de comunicacin con algas y con el zinc, se produjeron cristales grandes con dimetros de aproximadamente 50 micras. Siempre muchas algas fueron incorporados en estos cristales. En las soluciones inorgnicas con Zn2 +, slo Se encontraron muy pequeos precipitados ( por debajo de 100 nm; REM imagen, datos no mostrados).Despus de 72 h de incubacin, en todas las soluciones se cristales encontrado que difera mucho en sus dimensiones y morfologa (Figura 3). Los precipitados formados en el soluciones orgnicas contenan varios (Figuras 3 (a) y (c)) o muchas clulas de algas (Figura 3 (b)). El mayor precipitado, donde se incorporaron siempre muchas clulas de algas, eran

Figura 1. Cambio de pH en los cultivos con algas y diferentes cantidades de zinc durante el tiempo experimental de 72 h.

Figura 2. Imgenes de SEM. (a) Algas (flechas negras) sin precipitados al principio del experimento; (b) los cristales (flecha blanca) con algas incrustadas se construyeron despus de 2 h en el medio sin zinc.

Figura 3. Los cristales despus de 72 h de incubacin. (a) - (c) cultivos con algas y diferentes cantidades de zinc: (a) Sin zinc; (b) Con 3,27 mg Zn2 + / l; (c) Con 6,53 mg Zn2 + / l. (d) - (f) soluciones inorgnicas con diferentes cantidades de zinc: (d) Sin zinc; (e) Con 3,27 mg Zn2 + / l; (f) Con 6,53 mg Zn2 + / l. Flechas algas negras, blancas flechas-cristales.encontrado en la solucin orgnica con 3,27 mg Zn2 + / l (Figura 3 (b)). Estos precipitados aparecen en las imgenes SEM tan grandes cristales individuales, pero tambin podra haberse formado como muchos cristales ms pequeos y despus al horno juntos. En el solucin inorgnica de zinc, con dos tipos de cristales diferentes fueron encontrados (Figuras 3 (e) y (f)). Debido a que el cristal morfologa asumimos que los cristales en forma de aguja se refieren a aragonito y la calcita rombodrica a [3]. Los cristales se encuentran despus de 72 h en las soluciones experimentales se lavaron y despus se analizaron en cuanto a su modificacin por XRD. Diagramas de difraccin de rayos X representativos son se muestra en las Figuras 4 y 5. En el caso de soluciones sin clulas de las algas el (104) de reflexin dominante de calcita (Tarjeta JCPDS N 01-072-1650) se puede encontrar en todas las muestras en 29.5 (3.02 ) (Figura 4). Adems, el ms dbil (012) -, (110) -, (113) -, (202) -, (024) -, (018) y (116) reflexin de la calcita estn presentes en la muestra, que no contiene Zn2 + cationes dentro de la solucin. En la antigua estudios sobre la precipitacin en soluciones inorgnicas, vaterita se encontr que era el producto principal en el rango de pH entre 8,5 y 10 y a 24C [3]. En estos experimentos, la solucin experimental slo contena cloruro de calcio y carbonato de sodio. En nuestros estudios, un medio de cultivo para las algas con una composicin ms compleja era utilizado para todos los experimentos, tambin para la preparacin de las soluciones sin algas. Esta fue probablemente la razn, por qu la calcita fue construido y no vaterita. En la muestra inorgnica que ha sido formado en un medio de con 3,27 mg Zn2 + / l intensidades dbiles (cerca de la deteccin lmite) tambin puede ser detectado en 26.3, 27.2, y 46.0 que puede atribuirse a la caracterstica (111) -, (021) - y (221) -reflections de aragonita (tarjeta JCPDS No. 00-003-1067). Las reflexiones de aragonita corresponden con SEM observacin de una pequea cantidad de un segundo fase acerous (cf. Figura 3 (e)). El precipitado de la de la muestra, que tiene la mayor cantidad de Zn2 + cationes dentro de los medios de comunicacin, muestra slo el (104) reflexin dominante de calcita. Una pequea cantidad de cristales de aragonita se pudo observar en este medio de observaciones de SEM (Figura 3 (f)), que est por debajo del lmite de deteccin de XRD. La presencia de clulas de las algas tiene una influencia significativa en la precipitacin de CaCO3 dentro de los medios en comparacin a los medios de comunicacin sin clulas de algas, que se demuestra en La figura 5. En el caso de la Zn2 + medios de comunicacin libres el precipitado est dominado por las reflexiones de la calcita, pero pequeas intensidades de aragonita tambin estn presentes (Tenga en cuenta que la fuerte (104) reflejo de calcita a aproximadamente 29.5 se corta en alrededor de 1.600 a.u. en la Figura 5 (a)). Con el aumento de concentracin de zinc en las soluciones de la cantidad de calcita disminuye drsticamente. De hecho, en el caso de medios con 6,53 mg Zn2 + / l no hay reflexiones de calcita se pueden determinar dentro del diagrama de difraccin de rayos X correspondiente. Slo las reflexiones de aragonita se presen (t Figura 5 (c)). Por lo tanto, la

Figura 4. diagramas de XRD de precipitados en ausencia de algas (72 h de incubacin). (a) Sin zinc; (b) Con 3,27 mg Zn2 + / l; (c) Con 6,53 mg Zn2 + / l.

Figura 5. diagramas de XRD de precipitados en presencia de algas (72 h de incubacin). (a) Sin zinc; (b) Con 3,27 mg Zn2 + / l; (c) Con 6,53 mg Zn2 + / l.clulas de las algas avanzar significativamente la formacin de aragonita, que se ve reforzada por la presencia de iones de zinc en los medios de comunicacin. La funcin de algas obviamente como nucleacin heterognea sitios. Dado que slo cristales asociados con las algas tienen han encontrado en las soluciones, las paredes celulares son evidentemente directamente involucrados en la nucleacin. Los sitios de unin de la paredes celulares tienen una gran afinidad por cationes Ca2 +, la Ca2 + unida atraer aniones como [16]. Nuestra preliminar experimentos han demostrado que oblicuo Scenedesmus no calcificarse cuando se cultivan en la oscuridad, y el pH slo alcanza el mximo de 9. Esto tambin se observ por otros autores con diferentes especies de microalga [17,31]. Esto demuestra que las algas no slo actan como nucleacin sitios para la precipitacin de CaCO3 pero participan activamente a travs de la fotosntesis dependiente de la luz y por lo tanto alcalinizacin del medio. El aumento de pH era medible en la solucin a granel, pero fue probablemente mayor cerca las clulas. Esto tambin se supona por otros autores [14,17]. En presencia de zinc en el medio de la aragonita modificacin se ve favorecida. En este caso, obviamente, la transformacin en la modificacin calcita termodinmicamente estable se ve obstaculizada. Un posible mecanismo que se produce en micro-ambientes creados por las clulas se sugiere en la figura 6. Una parte de la absorbida Ca2 + en la pared celular puede ser intercambiada por Zn2 + [18]. La interaccin de Zn2 + con la pared celular permite un enriquecimiento local de los iones que se supone para estabilizar la aragonita metaestable modificacin [7] y por lo tanto evita su transformacin en calcita termodinmicamente estable. Adems, Zn2 + iones restringir la fotosntesis [28], que est conectado con un pH ms bajo dentro de los microambientes comparacin al medio libre de zinc que contiene algas. Como mencionado anteriormente, la formacin de aragonita se ve favorecida a pH ms bajo en comparacin con la de calcita [3]. En consecuencia, slo cristales de aragonita en los medios de comunicacin que contiene algas y grandes cantidades de zinc se detectan. Por contrario, la calcita se produce casi exclusivamente en el 2 CO3 medios sin algas y grandes cantidades de zinc. Slo rastros de aragonita se producen, segn lo revelado por SEM observaciones.4. ConclusinSe compararon los precipitados que se han formado en soluciones con y sin algas y con y sin diferentes cantidades de zinc. Hemos podido demostrar que la presencia de microalgas que viven tiene una gran influencia en la precipitacin de cristales de carbonato de calcio. Debido a la fotosntesis, el pH en el medio orgnico que contiene algas aument y los cristales de CaCO3 se precipitan. En orgnica medios de comunicacin sin zinc o con 3,27 mg Zn2 + / l siempre calcita y se forman aragonita. En los medios orgnicos con 6,53 mg Zn2 + / l aragonita se obtiene incluso exclusivamente. En contraste, en las soluciones inorgnicas sin zinc, calcita pura se precipita. Ambas soluciones inorgnicas con espectculo de zinc importante precipitacin de calcita y aragonito precipitacin dbil segn lo revelado por medidas de DRX y SEM observaciones. Por lo tanto, las clulas de las algas avanzar significativamente la formacin de aragonita, que se ve reforzada por el presencia de cationes de zinc en los medios de comunicacin. Los siguientes efectos de algas y zinc en la solucin se supona: primero, como las algas se acumulan, un "microambiente" alrededor de los cmulos se formaron, donde se precipita el CaCO3 (Figura 6). Cuando la alta Zn2 + cantidades estn presentes en la solucin, la fotosntesis se inhibe y la pH en este "microambiente" es menor en comparacin con el "Microambiente" alrededor de las algas en solucin sin Zn. El pH inferior prefiere la construccin de aragonita [3]. En segundo lugar, la funcin de las algas como nucleacin heterognea sitios donde en el primer paso de iones Ca2 + y Zn2 + son absorbida en las paredes celulares cargadas negativamente y en el aniones segundo paso como estn obligados (Figura 6). La presencia de Zn2 + conduce a la precipitacin de aragonita [6]. En el "microambiente" alrededor de las clulas ms iones Zn2 + estn presentes que en el correspondiente in-Figura 6. Esquema de posible nucleacin heterognea de cristales de aragonita en presencia de algas y zinc. entre varios clulas agregadas un "micro-entorno" se construye que conduce a un aumento local de la pH y los iones Zn2 + aq.

solucin a granel orgnica, ya que estos iones son atrados desde las paredes de las clulas y con destino en ellos. Iones Zn2 + inhiben la transformacin de aragonita de calcita [1]. Por lo tanto, la aragonita se precipita en el medio que contiene algas con alta cantidad de Zn, mientras que en lo inorgnico correspondiente solucin se encuentra principalmente calcita.5. AgradecimientosEstamos muy agradecidos por el apoyo financiero proporcionado por la Deutsche Forschungsgemeinschaft (BI 469 / 15-1) dentro el alcance del proyecto "Biologische Erzeugung von Oxidkeramiken "(PAK 410). Los autores agradecen a M. Dudek y F. Predel (tanto MPI-IS) por DRX y SEM mediciones, respectivamente. Prof. Dr. P. A. van Aken (MPI-IS) se dio las gracias por proporcionar el SEM.