生物矿化是指生物体内形成矿物质(生物矿物)的过程。生物细胞和细胞膜内本身就存在着纳米级的结构组织，生物体利用有机大分子可控制无机物生长、成核，最后生物矿化形成纳米结构材料。生物矿化合成纳米结构二氧化硅在各种单细胞藻类、细菌、海绵原生物和高等植物体内均存在。高等植物体内无定形SiO₂的沉积主要发生在细胞壁、细胞间隙或导管内。

Harrison(1996)研究证明高等植物体内矿物质——SiO₂的沉积与有机基质相关。Perry(1987)用¹⁴C标记发现高等植物次生细胞壁上的碳水化合物与SiO₂的沉积直接相关。王荔军(2002)、郭中满等(2000)利用含有TEOS或NaSiO₃的植物营养液栽培结缕草(Zoysia japonica)、高羊茅(Festuca elate)和芦荟(Aloevera sp.)等喜硅植物，借助叶表皮细胞壁为模板生物合成了针状的纳米结构SiO₂。有关竹叶、竹鞭等部位中硅的沉积(Motomura et al., 2000; 2002; 2004)、竹材中含硅的蛋白石(Jones et al., 1966)已有些报道，迄今还没有竹材中纳米结构SiO₂的相关研究。本文通过对自然生长条件下的毛竹(Phyllostachys pubescens)材进行研究，首次发现未施含硅营养液的毛竹材中也含有以细胞壁为模板天然矿化的纳米结构SiO₂。

1 材料与方法 1.1 材料

毛竹材采自浙江杭州萧山，120°04′—120°43′ E，29°50′— 30°23′ N；属低山丘陵坡地(东北坡)，海拔500~600 m，红壤土，竹杉混交林；属亚热带季风性气候，年平均气温16.7~17.6 ℃，年平均相对湿度68%，年降水量1 703.3~2 004.5 mm，日照1 454.6~1 741.8 h。试验所用为4年生毛竹材基部的竹青部分。

1.2 方法

毛竹材竹青部分软化，经梯度乙醇脱水、Spurr树脂包埋、聚合，超薄切片机沿径向切片，醋酸双氧铀和柠檬酸三钠染色后，置于带EDS附件的高分辨透射电镜(HRTEM-EDAX)下观察并拍照。

2 结果与讨论 2.1 沉积部位及形态观察

图 1为试验成熟毛竹材竹青部分超薄切片的透射电镜照片，可以观察到毛竹材中的氧化硅沉积主要发生在细胞间隙。在细胞间隙，附着在细胞壁上有一圈柱状的纳米结构SiO₂(图 1a、b中黑箭头所示)，排列整齐且具一定规则，宽约120~200 nm，长约200~1 600 nm；还有的呈簇状(图 1c)，其中靠近基部的近似矩形(图 1c中黑箭头所示)，宽约150~200 nm，长约200~1 500 nm。王荔军(2002)将喜硅植物结缕草种子发芽后定期施用TEOS植物营养液，发现叶片表皮细胞质外体内生物矿化形成连续、有序结构排列的SiO₂。本文观察到未施营养液的毛竹材中也存在类似的、以细胞壁为模板天然矿化的纳米结构SiO₂，这也是首次报道毛竹材通过生物矿化作用形成纳米柱状结构SiO₂，此研究结果为传统的竹类生物学研究、竹材利用及改性和生物材料学研究提供了一个新方向。

2.2 电子衍射和X射线能谱分析

硅以水溶性的单硅酸分子形式(Si(OH)₄)进入植物体内，羟基与各种亲水组分通过分子间相互作用力形成－SiO(OH)单元，然后水解，在适当的条件下形成无定形的硅胶SiO₂·nH₂O，进一步生长形成有序排列的纳米尺寸的柱状结构体(Sangster et al., 1981；Kaufman et al., 1981；王荔军，2002)。根据热力学计算认为所有生物源的SiO₂都是非结晶态的(Mann，1986)。本试验对成熟毛竹材细胞间隙的纳米结构SiO₂的电子衍射(图 2a)表明其为非晶态的，这与前人(Iler，1979；Gerd et al., 1978)等关于“植物组织中SiO₂均为无定形”的结论一致。X射线能谱对毛竹材细胞间隙柱状SiO₂的组成分析(图 2b)表明，这些柱状结构中含有C、O和Si峰，其中硅含量最高。通过HRTEM-EDAX沿细胞壁到细胞间隙的方向，对图 1c中簇状纳米结构SiO₂逐个进行点扫描，硅含量呈先增加后减少的趋势(图 3)。

3 研究进展与展望

天然的纳米结构复合材料是以有机物质为模板，控制和操作分子成核、生长，最后形成纳米结构材料(王荔军等，1999)。有机模板为SiO₂沉积和结构修饰提供了有序的表面。不同植物由于细胞壁组分不同，SiO₂沉积形式也不同(王荔军，2002)。高等植物的细胞壁、细胞间隙或导管内这些部位由于各种亲水介质存在，均可诱导SiO₂自组装形成各种纳米结构体，它们的形成与生物大分子如糖蛋白、碳水化合物和磷脂密切相关，即矿化纳米氧化硅材料以生物细胞膜亲水膜表面和细胞壁多糖羟基体系为模板，通过一系列分子识别作用，最终形成植物SiO₂。本研究结果表明毛竹材中二氧化硅的形成亦是以细胞壁为模板。因而从植物细胞壁的发育角度和细胞壁有机基质的调控来研究植物体内硅的沉积，将为硅的沉积机制研究提供启示。作者认为竹类植物生物矿化研究的开始阶段，首先要开展竹材中天然矿化纳米结构SiO₂的形成位点、形态、结构、密度、组成和微观力学性质等基本研究，其次研究竹材生物硅化过程中有机分子模板和结构的诱导效应，为认识和揭示硅在竹材中的生物特异性提供线索。

关于生物源纳米结构SiO₂的生化特性已有所关注(Perry，1989；Mann，1986；1996)，目前分子生物学家们已经开始硅藻、海绵中纳米结构SiO₂生物合成和形成相关的蛋白和基因方面的研究(Shimizu et al., 1998；Emanuel，1999)。硅在高等植物沉积过程中，可能也有类似蛋白的参与。但到目前为止，还没有发现某一个蛋白或基因调控植物的硅化过程，SiO₂前体分子和蛋白/糖蛋白的作用机制也不清楚(王荔军等，2002)。因此完成竹材生物矿化基础研究后，还需进一步在分子水平上揭示竹材生物硅化的奥秘。

纳米化学家们已从生物体系矿化过程的模式中了解到一些基本规律，并运用生物学概念作为无机材料合成策略，为纳米化学的发展提供了诱人的前景。已有学者提出利用硅生物技术合成制备新型材料(Reinhold，1999；Daniel，1999)。竹材的硬度和强度可部分归因于其纤维结构中所含的硅(Iler, 1979)。竹材中有机组成和木材相似(江泽慧，2002)，竹材中这些大量的有机大分子与无机离子之间的界面可为生物矿化提供模板和矿化位，调节微环境，建立饱和溶液，竹材细胞间隙可为生物矿化提供隔室。因而通过分子识别调控竹材中的矿物质(尤其是硅)的成核、生长及析出等研究，为制备竹材纳米结构复合材料提供可能。

此外，传统的竹材改性研究都是以“死”细胞作为研究对象，是对竹材的自然缺陷进行改良，而生物矿化是在“活”植株体内一个动态、受控的无机物形成过程(李坚等，2005)，因此可以考虑通过森林培育措施人为地引导或控制生物的矿化过程，使生物矿化材料赋予竹材新的性能，从而达到竹材改性的目的。目前已有根据竹材的特殊结构特性制备新型仿生材料(崔福斋等，2004)，因此竹材生物矿化研究也将为未来竹材智能材料、竹材仿生等研究领域提供重要的理论依据。