کانی سازی زیستی یا بیومینرالیزاسیون – Biomineralization

کانی سازی زیستی یا بیومینرالیزاسیون (به انگلیسی Biomineralization) فرایندی است که در آن موجودات زنده، کانی تولید می‌کنند که اغلب در بافت‌های سخت آن‌ها که به آنها کانبافت گفته می‌شود، موجود هستند. تاکنون بیش از ۶۰ کانی گوناگون که از این پدیده تولید می‌گردند، شناسایی شده است. کانی‌سازی زیستی توسط هر شش فرمانرو در آرایه‌شناسی آلفا اتفاق  می‌افتد. سیلیکات در جلبک‌ها و دیاتوم‌ها، کربنات در بی‌مهرگان، و کلسیم کربنات و کلیسم فسفات در مهره‌داران از نمونه‌های آن هستند.

شیمی آیوپاک کانی سازی زیستی را اینگونه تعریف می‌کند: کانی‌سازی به سبب فرایندهای سلولی کانی‌سازی زیستی، از شاخه‌های مهم در شیمی معدنی زیستی به شمار می‌رود. کامپوزیت‌های زیستی سخت، مثل صدف مقدار زیادی مواد سخت معدنی را در فرایندی که کانی سازی زیستی نامیده می‌شود، همراه خود می‌کنند. در طبیعت این امکان فراهم شده است که ساختار صدف‌ها با زیبایی و نظم بالایی کریستالی شوند. در این فرایند مواد معدنی در داربستی از مواد آلی که از قبل خودآرایی پیدا کرده، وارد می‌شوند و هسته سازی و رشد می‌کنند.

شیوه کانی سازی، سختی و استحکام فشاری را ارتقا می‌دهد. صدف خشک شبیه آراگونیت خالص، عملکردی سرامیکی شکل دارد و در افزایش طول اندک (تقریباً 0.1 درصد) به شکل ترد می‌شکند. پاسخ با مدول یانگ E حدود 90 گیگاپاسکال خطی است. اما رفتار صدف خیس ابتدا به صورت یک ماده الاستیک و خطی می‌باشد (E حدود 70 گیگاپاسکال)، اما در ادامه با یک تغییر شکل بالای پلاستیک، قبل از شکست دنبال می‌شود. صدف‌تر در یک درصد افزایش طول دچار شکستگی می‌شود. این مقدار برای ماده ای که 95 درصد وزنی آن را موادمعدنی تشکیل داده است، مقدار بالایی می‌باشد.

این سطح بالای ازدیاد طول به خاطر این است که صدف توانسته تا حد بالایی تغییر شکل را در ساختار درونی خود توزیع کند. علت اصلی این اتفاق، خواص ساختاری صدف یعنی حالت توهم رفته و موج دار بلوک‌های سرامیکی آن می‌باشد. با این حال با وجود کارهای زیادی که در بیست ساله اخیر انجام شده هنوز طراحی دقیقی که بتواند همان رفتار را در محیط مصنوعی ایجاد کند به دست نیامده است

امروزه بسیاری از دانشمندان، نقش باکتری‌ها را نیز در نهشت موادمعدنی در محیط‌های رسوبی مؤثر می‌دانند (به عنوان مثال، لوونستام (1981،) کایرشوینک و هاگادورن (2000) و کنهاسر (1998 و 2003). بر طبق نظر این گروه، باکتری‌ها به دو طریق می‌توانند باعث نهشت موادمعدنی شوند. روش اول شامل تولید اسیدسولفوریک توسط باکتری و تثبیت عناصر به شکل سولفیدی است و روش دوم در حقیقت، تثبیت عناصر درون بدن باکتری جهت انجام اعمال حیاتی است که پس از مرگ و انباشت باکتری‌ها، تجمعی از ماده معدنی را خواهیم داشت.

هیدروکسید آهن ^[₃^[Fe(OH) یکی از معمول‌ترین کانی‌های زیستی (بیومینرال) است که در محیط‌های مختلفی تشکیل شده و در اثر دیاژنز، به فازهای پایداری نظیر گوتیت و هماتیت تبدیل می‌شود. از جمله باکتری‌هایی که آهن فریک (آهن سه ظرفیتی) را درون سلول‌های خود رسوب می‌دهند می‌توان به لپتوتریکس اوکراسه  (Leptotrix Ochracea) اشاره نمود (شکل 1 الف). همچنین، باکتری مگنتوتاکتیک (Magnetotactic) قادر است بلورهای مگنتیت را به صورت زنجیره‌هایی پیوسته در درون سلول خود ذخیره سازد (شکل 1 ب).

 کانی سازی زیستی فرایندی است که علاوه بر ذخایر آهن، در تشکیل سایر موادمعدنی نیز نقش دارد. به عنوان مثال، منگنز نیز از جمله عناصری است که می‌تواند به شکل بیوژنیکی و مشابه با آهن ته نشست نماید. مطالعات اخیر نشان می‌دهد که تمرکز باکتریایی آهن و منگنز در کف اقیانوس‌ها در تشکیل گرهک‌های منگنز نقش دارد (روب، 2005). بر اساس مطالعات کنهاسر (2003) تشکیل بخشی از رسوبات غنی از فسفات نیز به پدیده بیومینرالیزاسیون وابسته است. به علاوه سیلیس بی‌شکل تشکیل شده در کانسارهای طلای اپی‌ترمال نیز به حضور باکتری‌ها در محیط، نسبت داده شده است (روب، 2005).

شکل 1 تصاویر میکروسکپی از الف) سلول باکتری که هیدروکسید آهن بیشکل در دیواره‌های سلول جانشین شده است و ب) باکتری مگنتوتاکتیک که زنجیرهای از بلورهای مگنتیت در امتداد محور طولی بدن میکروارگانیسم ردیف شده است (روب، 2005).

جهت اطلاعات بیشتر می‌توانید ویدئوهای منتشر شده در کانال آپارات ما را ببینید.