高时空分辨率的微流控芯片系统构建及微生物矿化机理研究

This project proposes a microfluidic system with high spatial and temporal resolution to achieve microbial manipulation and study on the biomineralization process and mechanism. According to the characteristics of microbial induced mineralization process, this proposal aims to design a 3D microfluidic chip with composite materials and microchannel networks on the consideration of 3D chip structure, materials, microchannel size, connections and fluid flow characteristics. The 3D microfluidic chip is designed to realize precise control of fluid flow and microbial mineralization. Meanwhile, with the help of the in-situ and real-time analytical methods, this microfluidic system has high spatial and temporal resolution since it processes unique capabilities in control of microbial culture environment, tracking of mineralization process and detection of ion concentrations. The designed system could be applied to study the microbial induced mineralization about the nucleation sites, mineralization speed and the influence of metabolites on mineralization. Also, the dynamic changes of microbial in the microenvironment, the mineralization pathway and the influence of metabolites on the products could be concluded. The proposed novel microfluidic chip system has important research value and practical significance for the monitoring and analysis of microbial induced mineralization and further research on the role of microbial in the material cycles in nature.

本项目提出一种基于高时空分辨的微流控芯片系统实现对微生物操控以及矿化过程和机制研究。针对微生物矿化过程的特征，充分考虑三维芯片的结构、材料、微通道尺寸、连通方式、流体流动特性，设计基于复合材料的含微管道网络的3D微流控芯片，实现流体操控和微生物矿化过程控制，同时，通过原位实时表征和测试方法的有机耦合效果，对微生物的培养环境控制、矿化发生和转化过程追踪以及离子浓度检测实现高时间分辨和高空间分辨的连续在线测试，研究矿化发生位点、矿化速度和代谢产物对矿化的影响，揭示微生物在微环境中的动态变化过程和规律，解析微生物矿化的路径以及微生物代谢产物对矿化的影响。提出的新型微流控芯片系统为微生物矿化的监测分析，以及更进一步研究微生物在自然界物质循环中所起到作用等方面具有重要的研究价值和实用意义。

微生物的矿化过程是非常复杂的一个生化反应，涉及到细菌的状态与活性、矿化的位点、矿化速度以及矿化产物的调控等，利用微流控芯片微环境可控、通量高、检测手段丰富等优势进行细菌矿化过程研究是一种较为理想的方法。在项目的资助下我们主要开展了新型微流控芯片和系统的设计与制备、矿化结晶速率的测定、晶体形貌的调控、细菌诱导碳酸钙结晶成核位点的研究、细菌矿化过程追踪及环境因素对矿化的影响等工作。我们共设计了高通量阵列芯片、浓度梯度芯片、同步辐射检测芯片、“自吸入式”芯片、细菌检测芯片等微流控器件超过5种，并开发了一种新的芯片键合技术，在国际上第一次准确测定了矿化结晶的同质成核和异相成核速率，建立了一种快速筛选离子浓度对矿化形貌调控的新方法，开发了微流控芯片与同步辐射光源结合进行矿化过程追踪的新技术，发现了巴氏芽孢杆菌可作为矿化的成核位点，PAA及镁离子对巴氏芽孢杆菌的脲酶活性分别产生促进和抑制作用，并且会影响晶体的形貌。项目中开发的新型的微纳器件为复杂生化过程特别是微生物矿化过程的研究提供了一种新的思路，有助于理解微生物与环境之间的物质循环过程。本研究共发表高质量SCI论文8篇、撰写英文学术专著一章节、授权中国发明专利3项，培养博士研究生1名，硕士研究生4名。