γ-聚谷氨酸与重金属阳离子相互作用的离子特异性及微观构型研究

Poly (γ-glutamic acid) (γ-PGA) is mainly produced by Bacillus subtilis and the bacteria use the released γ-PGA for sequestration of toxic metal ions. Therefore it change the distribution and mobility of heavy metal ions at the surface of bacteria, in the water and in the soil. The mechanism of interaction of γ-PGA and heavy metal ions also will be beneficial for solving problems in application of the γ-PGA and its derivatives, and selectively improving the further preparation of γ-PGA derived materials. Base on physical chemistry, polymer science and analytical chemistry, this work will focus on the mechanism of γ-PGA interacted with heavy metal cations, including specific ion effects, structure evolution and intermolecular force change of γ-PGA interacted before and after heavy metal cations. This project will provide theoretical basis and technological guidance for both fundamental study and application of γ-PGA.

微生物胞外聚合物γ-PGA与重金属阳离子之间的相互作用不仅涉及微生物在环境中利用γ-PGA阻碍有毒有害重金属的侵害，改变重金属离子在微生物表面、水和土壤体系中的分布和迁移，而且对于无毒无害可生物降解材料γ-PGA在水处理、医药等领域的开发和应用具有重要意义。但是γ-PGA与重金属阳离子之间的相互作用机理仍未有深入研究。本项目拟基于物理化学、高分子科学和分析化学的技术与原理，研究γ-PGA离子特殊效应和微观构型，通过获取γ-PGA与重金属阳离子的结合性质、热力学参数、构型信息变化、作用力分析，解析γ-PGA基本物化性质、离子特异性、微观构型信息和γ-PGA与重金属离子相互作用的宏观性能之间的联系。本研究不仅能够完善γ-PGA在微生物学、环境化学和材料学领域内的物化性质研究，深入理解γ-PGA与重金属离子之间的相互作用机理，而且为γ-PGA及其制品在实际问题中的应用、进一步开发提供理论基础。

微生物胞外聚合物γ-PGA的自身物化性质影响了其与重金属阳离子之间的相互作用，不仅涉及微生物在环境中利用γ-PGA阻碍有毒有害重金属的侵害，改变重金属离子在微生物表面、水和土壤体系中的分布和迁移，而且对于无毒无害可生物降解材料γ-PGA在水处理、医药等领域的开发和应用具有重要意义。本项目重点研究了γ-PGA的基本物化性质、分子微观构型和γ-PGA吸附金属离子的离子特异性。研究结果表明γ-PGA的粘度、沉降系数分布和离子特异性吸附均与γ-PGA的分子微观构型相关。γ-PGA自身分子微观构型是除了温度、浓度、分子量外导致其自身粘度变化的重要因素，分子内氢键、分子内和分子间静电排斥和分子间缠结作用力是导致其微观构型变化的主要作用力。γ-PGA沉降系数分布与自身分子微观构型相关，沉降系数s随着γ-PGA浓度的增加而降低，随着pH的上升而降低，在较高pH值下，浓度对γ-PGA沉降系数分布的影响更为明显。γ-PGA氢型(γ-PGA-H)为棒状结构，钠型(γ-PGA- Na)为球形结构。圆二光谱（CD）的结果进一步显示γ-PGA分子在不同pH条件下二级结构的显著变化。γ-PGA与二价金属阳离子Ca2+、Mg2+结合后，会影响γ-PGA的Zeta电势，但并不影响γ-PGA侧链上羧基的振动模式，也不影响γ-PGA的二级结构。重金属离子Pb2+能够与γ-PGA的COO-强烈结合并显著改变羧基基团的振动模式，同时显著影响γ-PGA的二级结构。Ca2+、Mg2+和Pb2+对γ-PGA二级结构的不同影响取决于离子自身的性质，即离子特异性，一是Pb2+具有较高的电负性以吸引COO-基团，二是Pb2+自身的有效离子半径更大，且能与更多的H2O配位，由于空间位阻效应，这种较大的水合离子可能会破坏骨架中CO和NH之间的氢键。本研究不仅完善γ-PGA在微生物学、环境化学和材料学领域内的物化性质研究，深入理解γ-PGA与金属离子之间的相互作用机理，而且为γ-PGA及其制品在实际问题中的应用、进一步开发提供理论基础。