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 puede ser afectada por diferentes factores como la temperatura, el pH de la medio, la relación de concentración de los componentes individuales, sobresaturación, la fuerza iónica o impurezas [3]. Las investigaciones de Ogino et al. (1987) [1] reveló que la aragonita formación se favorece a temperaturas más altas (> 40 ° C) en solución acuosa, que también ha contado con el apoyo En otros experimentos [4]. A temperatura ambiente, la pH de la solución en un entorno constante composición es el factor más importante para la formación de la polimorfos [3]. A 24ºC, 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 precipitación de los diferentes polimorfos también pueden ser modificados por impurezas en el solución. Cuando el radio iónico 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 fenómenos de adsorción en el cristalino las caras de los núcleos. Kitano et al. (1976) [7] examinó específicamente el comportamiento de adsorción de Zn2 + en Polimorfos de CaCO3 en soluciones acuosas. Ellos mostraron influencia del metabolismo de las

algas en su acuosa medio ambiente [16]. A través de la fotosíntesis del asimilar algas CO2 y / o 3, y liberar OH- [16,17].

Esto conduce a un aumento del pH y la concentración de aniones carbonato en la solución. También es en gran parte acepta que el pH afecta a ambos Número de superficie de la célula sitios y química de metal dentro de la solución acuosa de unión: en el intervalo ácido, los grupos funcionales de la célula pared son estrechamente protonada, lo que limita el enfoque de cationes metálicos. Las paredes celulares de las algas verde consisten polisacáridos y proteínas [18,19]. Con el aumento de pH, más grupos funcionales, tales como carboxilo o amino grupos, están expuestos, lo que aumenta la biosorción de iones metálicos en las paredes celulares cargadas negativamente. En el primer paso, Ca2 + se une en la pared celular, y después aniones se acumulan y CaCO3 se precipita extracelular. Este mecanismo se llama biológicamente inducido [16], debido a que la calcificación no se controla activamente por los organismos. En el biológicamente controlada biomineralización, se producen diferentes tipos de biominerales bajo el control genético de los organismos. Hasta ahora, en la presencia de microalgas de agua dulce sólo el extracelular formación inducida biológicamente de la calcita es reportado. HCO2 CO3 Iones metálicos cargados positivamente también se pueden unir en la superficie de las células de los organismos vivos [por ejemplo, 20-27]. El zinc es un metales traza esencial para todos los organismos, pero pueden ser tóxicos cuando está presente en altas cantidades. La exposición de las microalgas para subletal concentraciones Zn2 + causaron la inhibición de, por ejemplo la fotosíntesis [28]. Cuando las algas se enfrentan a elementos tóxicos como Zn2 + en su entorno, que desintoxican mediante la adopción de los iones. La absorción se divide en dos pasos: el primero es un biosorción rápida sobre la pared celular, durante el segundo paso, los iones son transportados en el las células [29]. Posteriormente, el interior de las células puede ser desintoxicado quelando los cationes Zn2 + a, por ejemplo no tóxico agujas nano a base de zinc-fosfato-[30]. El objetivo de este estudio fue investigar el papel de algas que viven en la precipitación 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 comunicación inorgánica sin algas. Esta especie de alga fue elegido porque los experimentos preliminares han demostrado que se calcifica fácilmente cuando se cultivan en medios sobresaturada con respecto a Ca2 +.

2. Materiales y Métodos

2.1. Organismos y Culturas

Los experimentos se llevaron a cabo con Scenedesmus de estar oblicuo (cepa 276-1), obtenido a partir del cultivo SAG colección Göttingen. Las algas se cultivan en un medio calcificación modificado [17], donde Na2EDTA, KH2PO4, (NH4) Mo7O24 y MnCl2 se omitieron y FeCl3 se redujo a 0,01 mg / l para evitar la formación de quelato con Zn2 +. La solución se saturó con respecto a Ca2 +. Los medios de comunicación contenían diferentes cantidades de zinc (0 mg Zn2 + / l, 3,27 mg Zn2 + / l o 6,53 mg Zn2 + / l), añadido como ZnSO4 · 7 H2O (Roth, Karlsruhe). Preparación de los medios de comunicación: todas las soluciones madre al lado de Na2CO3 se esterilizaron (Autoclave Systec V-75) y se combinan, el pH se ajustó a 6,3. Las algas fueron lavadas en desmineralizada agua (Millipore), contó con un hemocitómetro (Marienfeld, Lauda-

Königshofen) para asegurar la misma celda la concentración en todas las culturas y añadido al medio de (Alrededor de 4,0 × 108 células / l). El cultivo se llevó a cabo en un rotativo agitador (Infors HT Multitron II, 100 rpm) a 26 ° C y iluminación permanente (tubos FL Gro-Lux 15 W, 3500 lx). Debido a la fotosíntesis, el pH se incrementó a un valor más de 9 durante varios días. No hasta entonces el Na2CO3 era añadió para evitar la pérdida de aniones y el pH fue de ajustado a 8,5. En este punto el experimento comenzó. La inorgánico, solución libre de algas se preparó de forma idéntica; el pH se ajustó a diario según la orgánica, que contiene algas- solución con 0,1 M NaOH. La duración del experimento fue de 72 h. Después de este tiempo todas las culturas vivían según lo revelado por su color verde. 2 CO3

2.2. Medición SEM

La precipitación de cristales se investigó después de 2, 4, 6, 24 y 72 h de duración del experimento. Para la observación en una microscopio electrónico de barrido (Zeiss DSM 982 GEMINI) las muestras se lavaron en agua desmineralizada (Millipore) utilizando un sistema de filtro de vacío de vidrio con 0,2 m / 2 m de poro de la membrana filtro de tamaño (Millipore) y luego se secó al aire. Para obtener conductividad electrónica, las membranas fueron recubiertas con grafito.

2.3. Polvo X-Ray Diffractiometry (DRX)

DRX se utilizó para identificar los polimorfos CaCO3 después 72 h de duración del experimento. Los patrones de difracción de rayos X eran grabado con un difractómetro D500 (Siemens). Mediciones se hicieron en la geometría Bragg-Brentano, usando Radiación CuKα1 (tubos de rayos X de ajuste de 30 mA y 40 kV) empleando un Johansson monocromador de haz primario en un rango 2Θ de 20˚ a 50˚.

3. Resultados y Discusión

3.1. Tendencia pH

Al inicio de todos los experimentos el pH de cada cultivo se ajustó a 8,5. Debido a la fotosíntesis de la algas, el pH se elevó hasta 10,8 después de 48 h en la cultura sin zinc; después se mantuvo casi constante (Figura 1). En presencia de zinc, el cambio de pH se retrasó y no hizo no alcanzar los altos valores de la cultura sin zinc. Este que Zn2 + es fuertemente adsorbido en cristales de aragonita en comparación con otros polimorfos. Se asumió que la iones de zinc inhiben la transformación de aragonita de calcita [1,7]. La adsorción Zn2 + en la superficie de la calcita se produce a través de un intercambio de Ca2 + en una capa superficial adsorbido [8]. También aditivos orgánicos muestran un efecto sobre la mineralización de carbonato de calcio (en comentarios: Meldrum, 2003 [9]; Ren et al., 2011 [10]). Aminoácidos como la glicina, ácido glutámico y ácido aspártico o polisacáridos como celulosa influyen en la precipitación y la morfología de calcita y vaterita [11-13]. Los organismos vivos como fotosintética lata microalgas inducir la precipitación de CaCO3 a través de la biomineralización. Se sabe que muchos de agua dulce calcita acumulación 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 fotosíntesis de algas. El pH de cambio se correlaciona con la concentración de Zn2 + dentro de la solución: la cultura con 6,53 mg Zn2 + / l sólo alcanzó pH

10,1 a las 72 h, la cultura con 3,27 mg Zn2 + / l alcanzó un pH de 10,5 después de 48 h y se mantuvo en este valor. Según los valores de pH observados en cultivos que contiene algas, el pH en el medio de comunicación sin algas eran ajustado a diario con una solución de NaOH 0,1 M.

3.2. La precipitación de cristales y de identificación de polimorfos

La formación de precipitados se investigó en elpunto de los experimentos de partida y después 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 precipitación de las algas (Figura 2 (a)). Después de 2 h de incubación, cristales con algas incrustado podrían ser detectados en los cultivos sin zinc (Figura 2 (b)). En la siguiente horas los cristales se hicieron más grandes (datos no mostrados). en el culturas con zinc, no se produjeron durante la cristalización primero 6 h (datos no mostrados). Después de 24 h de incubación, en todas las soluciones precipitados se pudo encontrar (datos no mostrados). En los medios de comunicación con algas y con el zinc, se produjeron cristales grandes con diámetros de aproximadamente 50 micras. Siempre muchas algas fueron incorporados en estos cristales. En las soluciones inorgánicas con Zn2 +, sólo Se encontraron muy pequeños precipitados (Ø por debajo de 100 nm; REM imagen, datos no mostrados).

Después de 72 h de incubación, en todas las soluciones se cristales encontrado que difería mucho en sus dimensiones y morfología (Figura 3). Los precipitados formados en el soluciones orgánicas contenían varios (Figuras 3 (a) y (c)) o muchas células de algas (Figura 3 (b)). El mayor precipitado, donde se incorporaron siempre muchas células 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. Imágenes de SEM. (a) Algas (flechas negras) sin precipitados al principio del experimento; (b) los cristales (flecha blanca) con algas incrustadas se construyeron después de 2 h en el medio sin zinc.

Figura 3. Los cristales después de 72 h de incubación. (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 inorgánicas 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 solución orgánica con 3,27 mg Zn2 + / l (Figura 3 (b)). Estos precipitados aparecen en las imágenes SEM tan grandes cristales individuales, pero también podría haberse formado como muchos cristales más pequeños y después al horno juntos. En el solución inorgánica de zinc, con dos tipos de cristales diferentes fueron encontrados (Figuras 3 (e) y (f)). Debido a que el cristal morfología asumimos que los cristales en forma de aguja se refieren a aragonito y la calcita romboédrica a [3]. Los cristales se encuentran después de 72 h en las soluciones experimentales se lavaron y después se analizaron en cuanto a su modificación por XRD. Diagramas de difracción de rayos X representativos son se muestra en las Figuras 4 y 5. En el caso de soluciones sin células de las algas el (104) de reflexión dominante de calcita (Tarjeta JCPDS Nº 01-072-1650) se puede encontrar en todas las muestras en 29.5˚ (3.02 Å) (Figura 4). Además, el más débil (012) -, (110) -, (113) -, (202) -, (024) -, (018) – y (116) reflexión

de la calcita están presentes en la muestra, que no contiene Zn2 + cationes dentro de la solución. En la antigua estudios sobre la precipitación en soluciones inorgánicas, vaterita se encontró que era el producto principal en el rango de pH entre 8,5 y 10 y a 24ºC [3]. En estos experimentos, la solución experimental sólo contenía cloruro de calcio y carbonato de sodio. En nuestros estudios, un medio de cultivo para las algas con una composición más compleja era utilizado para todos los experimentos, también para la preparación de las soluciones sin algas. Esta fue probablemente la razón, ¿por qué la calcita fue construido y no vaterita. En la muestra inorgánica que ha sido formado en un medio de con 3,27 mg Zn2 + / l intensidades débiles (cerca de la detección límite) también puede ser detectado en 26.3˚, 27.2˚, y 46.0˚ que puede atribuirse a la característica (111) -, (021) - y (221) -reflections de aragonita (tarjeta JCPDS No. 00-003-1067). Las reflexiones de aragonita corresponden con SEM observación de una pequeña 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 comunicación, muestra sólo el (104) reflexión dominante de calcita. Una pequeña cantidad de cristales de aragonita se pudo observar en este medio de observaciones de SEM (Figura 3 (f)), que está por debajo del límite de detección de XRD. La presencia de células de las algas tiene una influencia significativa en la precipitación de CaCO3 dentro de los medios en comparación a los medios de comunicación sin células de algas, que se demuestra en La figura 5. En el caso de la Zn2 + medios de comunicación libres el precipitado está dominado por las reflexiones de la calcita, pero pequeñas intensidades de aragonita también están 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 concentración de zinc en las soluciones de la cantidad de calcita disminuye drásticamente. 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 difracción de rayos X correspondiente. Sólo 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 incubación). (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 incubación). (a) Sin zinc; (b) Con 3,27 mg Zn2 + / l; (c) Con 6,53 mg Zn2 + / l.

células de las algas avanzar significativamente la formación de aragonita, que se ve reforzada por la presencia de iones de zinc en los medios de comunicación. La función de algas obviamente como nucleación heterogénea sitios. Dado que sólo cristales asociados con las algas tienen han encontrado en las soluciones, las paredes celulares son evidentemente directamente involucrados en la nucleación. Los sitios de unión 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 sólo alcanza el máximo de 9. Esto también se observó por otros autores con diferentes especies de microalga [17,31]. Esto demuestra que las algas no sólo actúan como nucleación sitios para la precipitación de CaCO3 pero participan activamente a través de la fotosíntesis dependiente de la luz y por lo tanto alcalinización del medio. El aumento de pH era medible en la solución a granel, pero fue probablemente mayor cerca las células. Esto también se suponía por otros autores [14,17]. En presencia de zinc en el medio de la aragonita modificación se ve favorecida. En este caso, obviamente, la transformación en la modificación calcita termodinámicamente estable se ve obstaculizada. Un posible mecanismo que se produce en micro-ambientes creados por las células se sugiere en la figura 6. Una parte de la absorbida Ca2 + en la pared celular puede ser intercambiada por Zn2 + [18]. La interacción de Zn2 + con la pared celular permite un enriquecimiento local de los iones que se supone para estabilizar la aragonita metaestable modificación [7] y por lo tanto evita su transformación en calcita termodinámicamente estable. Además, Zn2 + iones restringir la

fotosíntesis [28], que está conectado con un pH más bajo dentro de los microambientes comparación al medio libre de zinc que contiene algas. Como mencionado anteriormente, la formación de aragonita se ve favorecida a pH más bajo en comparación con la de calcita [3]. En consecuencia, sólo cristales de aragonita en los medios de comunicación 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. Sólo rastros de aragonita se producen, según lo revelado por SEM observaciones.

4. Conclusión

Se 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 precipitación de cristales de carbonato de calcio. Debido a la fotosíntesis, el pH en el medio orgánico que contiene algas aumentó y los cristales de CaCO3 se precipitan. En orgánica medios de comunicación sin zinc o con 3,27 mg Zn2 + / l siempre calcita y se forman aragonita. En los medios orgánicos con 6,53 mg Zn2 + / l aragonita se obtiene incluso exclusivamente. En contraste, en las soluciones inorgánicas sin zinc, calcita pura se precipita. Ambas soluciones inorgánicas con espectáculo de zinc importante precipitación de calcita y aragonito precipitación débil según lo revelado por medidas de DRX y SEM observaciones. Por lo tanto, las células de las algas avanzar significativamente la formación de aragonita, que se ve reforzada por el presencia de cationes de zinc en los medios de comunicación. Los siguientes efectos de algas y zinc en la solución se suponía: primero, como las algas se acumulan, un "microambiente" alrededor de los cúmulos se formaron, donde se precipita el CaCO3 (Figura 6). Cuando la alta Zn2 + cantidades están presentes en la solución, la fotosíntesis se inhibe y la pH en este "microambiente" es menor en comparación con el "Microambiente" alrededor de las algas en solución sin Zn. El pH inferior prefiere la construcción de aragonita [3]. En segundo lugar, la función de las algas como nucleación heterogénea 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 están obligados (Figura 6). La presencia de Zn2 + conduce a la precipitación de aragonita [6]. En el "microambiente" alrededor de las células más iones Zn2 + están presentes que en el correspondiente in-

Figura 6. Esquema de posible nucleación heterogénea de cristales de aragonita en presencia de algas y zinc. entre varios células agregadas un "micro-entorno" se construye que conduce a un aumento local de la pH y los iones Zn2 + aq.

solución a granel orgánica, ya que estos iones son atraídos desde las paredes de las células y con destino en ellos. Iones Zn2 + inhiben la transformación 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 inorgánico correspondiente solución se encuentra principalmente calcita.

5. Agradecimientos

Estamos 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.