Structural and magnetic transformation of monodispersed iron oxide particles in a reducing atmosphere

Uniform metal iron ellipsoidal particles of around 200 nm in length were obtained by reduction and passivation of alumina-coated alpha-Fe2O3 (hematite) particles under different conditions of temperature and hydrogen flow rate. The monodispersed hematite particles were prepared by the controlled hydrolysis of ferric sulfate and further coated with a homogeneous thin layer of Al2O3 by careful selection of the experimental conditions, mainly pH and aluminum salt concentration. The reduction mechanism of alpha-Fe2O3 into alpha-Fe was followed by x-ray and electron diffraction, and also by the measurements of the irreversible magnetic susceptibility. The transformation was found to be topotactic with the [001] direction of hematite particles, which lies along the long axis of the particles, becoming the [111] direction of magnetite and finally the [111] direction of metal iron. Temperature and hydrogen flow rate during the reduction have been found to be important parameters, which determine not only the degree of reduction but also the crystallite size of the final particles. Magnetic characterization of the samples shows that the only parameters affected by the crystallite size are the saturation magnetization and magnetic time-dependence effect, i.e., activation volume. (C) 2002 American Institute of Physics.

A NEW CU-BASED SMA WITH EXTREMELY HIGH MARTENSITIC-TRANSFORMATION TEMPERATURES

A new series of high temperature copper based shape memory alloys has recently been patented. These alloys contain 8-20 wt% Al, 1-20 wt% Ag, 0-2 wt% of a minor element (preferably Co), balance copper. The martensitic start transformation temperatures of these alloys are above 200 degrees C and, in some cases, they have good high temperature stability and may be useful in commercial applications where higher operating temperatures than those obtained from Cu-Zn-Al and Cu-Al-Ni shape memory alloys are required.

Microstructure and electrical properties of perovskite (Pb, La)TiO3 thin film deposited at low temperature by the polymeric precursor method

High-quality (Pb, La)TiO3 ferroelectric thin films were successfully prepared on a Pt(111)/Ti/SiO2/Si(100) substrate for the first time by spin coating, using the polymeric precursor method. The X-ray diffraction patterns show that the films are polycrystalline in nature. This method allows for low temperature (500 degrees C) synthesis, a high quality microstructure and superior dielectric properties. The effects on the microstructure and electrical properties were studied by changing the La content. The films annealed at 500 degreesC have a single perovskite phase with only a tetragonal or pseudocubic structure. As the La content is increased, the dielectric constant of PLT thin films increases from 570 up to 1138 at room temperature. The C-V and P-E characteristics of perovskite thin films prepared at a low temperature show normal ferroelectric behavior, representing the ferroelectric switching property. The remanent polarization and coercive field of the films deposited decreased due to the transformation from the ferroelectric to the paraelectric phase with an increased La content. (C) 2001 Kluwer Academic Publishers.

High temperature X-ray diffraction study of the U4O9 formation on UO2 sintered plates

The surface oxidation of UO2 sintered plates at 170-275 ° C was studied in situ by high temperature X-ray diffractometry. At very low oxygen concentration, UO2 is oxidized to U4O9, while at 300°C and argon-20 vol% oxygen it is oxidized up to U3O7. X-ray diffraction profiles of the UO2, U4O9 and U3O7 phases were well characterized during the transformations. The activation energy for the transformation of UO2 to U4O9, obtained from X-ray diffraction data, was found to be 117 ± 9 kJ/mol and 90 ± 14 kJ/mol for the β-(311) and α-(200) reflections, respectively. © 1991.

Influence of temperature on larval survival, development and respiration in Chasmagnathus granulata (Crustacea, Decapoda)

Larvae of an estuarine grapsid crab Chasmagnathus granulata Dana 1851, from temperate and subtropical regions of South America, were reared in seawater (32 ‰) at five different constant temperatures (12, 15, 18, 21, 24 °C). Complete larval development from hatching (Zoea I) to metamorphosis (Crab I) occurred in a range from 15 to 24 °C. Highest survival (60% to the first juvenile stage) was observed at 18°C, while all larvae reared at 12°C died before metamorphosis. The duration of development (D) decreased with increasing temperature (T). This relationship is described for all larval stages as a power function (linear regressions after logarithmic transformation of both D and T). The temperature-dependence of the instantaneous developmental rate (D-1) is compared among larval stages and temperatures using the Q10 coefficient (van't Hoff's equation). Through all four zoeal stages, this index tends to increase during development and to decrease with increasing T (comparing ranges 12-18, 15-21, 18-24 °C). In the Megalopa, low Q10 values were found in the range from 15 to 24 °C. In another series of experiments, larvae were reared at constant 18°C and their dry weight (W) and respiratory response to changes in T were measured in all successive stages during the intermoult period (stage C) of the moulting cycle. Both individual and weight-specific respiration (R, QO2) increased exponentially with increasing T. At each temperature, R increased significantly during growth and development through successive larval stages. No significantly different QO2 values were found in the first three zoeal stages, while a significant decrease with increasing W occurred in the Zoea IV and Megalopa. As in the temperature-dependence of D, the respiratory response to changes in temperature (Q10) depends on both the temperature range and the developmental stage, however, with different patterns. In the zoeal stages, the respiratory Q10 was minimum (1.7-2.2) at low temperatures (12-18 °C), but maximum (2.2-3.0) at 18-24 °C. The Megalopa, in contrast, showed a stronger metabolic response in the lower than in the upper temperature range (Q10 = 2.8 and 1.7, respectively). We interpret this pattern as an adaptation to a sequence of temperature conditions that should typically be encountered by C. granulata larvae during their ontogenetic migrations: hatching in and subsequent export from shallow estuarine lagoons, zoeal development in coastal marine waters, which are on average cooler, return in the Megalopa stage to warm lagoons. We thus propose that high metabolic sensitivity to changes in temperature may serve as a signal stimulating larval migration, so that the zoeae should tend to leave warm estuaries and lagoons, whereas the Megalopa should avoid remaining in the cooler marine waters and initiate its migration towards shallow coastal lagoons.

Influence of silver additions on the structure and phase transformation of the Cu-13 wt % Al alloy

The influence of silver additions on the structure and phase transformation of the Cu-13 wt % Al alloy was studied by differential thermal analysis, X-ray diffraction, scanning electron microscopy and energy dispersive analysis of X-rays. The results indicate that the presence of silver modifies the phase-stability field, the transition temperature and the structure of the alloy. These effects are more pronounced for silver concentrations up to 8 wt %.

Direct amorphous-to-cubic perovskite phase transformation for lead titanate

The phase evolution of lead titanate processed by the polymeric precursor method was investigated by thermal analysis, X-ray diffraction, and high-resolution transmission electron microscopy. The results showed that the cubic perovskite PbTiO3 (PT) phase is formed from an inorganic amorphous precursor at a temperature of 444 °C. A gradual transition from cubic to tetragonal perovskite PT was observed with the increase of calcination time at this temperature. HRTEM results showed that the cubic PT particles have a size of around 5 nm. The identification of cubic PT as an intermediate phase supports the hypothesis that the chemical homogeneity was kept at the molecular level during the synthesis process, with no cation segregation.

Effects of temperature and of the addition of accelerating and retarding agents on the kinetics of hydration of tricalcium silicate

The formation of calcium silicate hydrates (C-S-H) during the hydration of tricalcium silicate (C3S) in pure water and in water solutions containing 1% CaCl2 (accelerator) and 0.01% saccharose (retarder) was studied by small-angle X-ray scattering (SAXS). SAXS measurements were performed under isothermal conditions within the temperature range 25 °C T < 52 °C. The experimental results indicate that the time variation of the mass fraction of the C-S-H product phase, α(f), can be fitted, under all conditions of paste setting, by Avrami equation, α(t) = 1 -exp(-(kt)′), k being a rate parameter and n an exponent depending on the characteristics of the transformation. The parameter n is approximately equal to 2 for hydration of C^S in pure water. Depending on temperature, n varies from 2 to 2.65 for hydration in the presence of CaC^ and saccharose. The value n = 2 is theoretically expected for lateral growth of thin C-S-H plates of constant thickness. The time dependence of SAXS intensity indicates that the transformed phase (C-S-H) consists of colloidal particles in early stages of hydration, evolving by two-dimensional growth toward a disordered lamellar structure composed of very thin plates. The activation energy ΔE for the growth of C-S-H phase was determined from the time dependence of X-ray scattering intensity. These data were obtained by in situ measurements at different temperatures of hydration. The values of ΔE are 37.7, 49.4, and 44.3 kJ/mol for hydration in pure water and in water solutions containing CaCl2 and saccharose, respectively. © 2000 American Chemical Society.

Low-temperature degradation of a Y-TZP ceramic after surface treatments

The purpose of this study was to evaluate the influence of zirconia surface treatments on low-temperature degradation (LTD). Disc-shaped specimens were subjected to one of four surface treatments, denoted as C (controlno surface treatment), Si (air abrasion with 30 mu m silica-modified alumina particles), Al (air abrasion with 30 mu m alumina particles), and Gr (grinding with 120 grit diamond discs). Half of the samples were submitted to autoclave treatment for 12 h (127 degrees C, 1.5 bar). Samples were characterized by x-ray diffraction and profilometer analysis and were subjected to biaxial flexural strength test. All of the groups exhibited an increase in the amount of monoclinic phase (m-phase) after LTD. The tm transformation was remarkable for the specimens from the C group, which also exhibited a significant increase in strength. The Gr group also exhibited an increase in strength but lower initial roughness, which probably suppressed LTD on the zirconia surface. The specimens subjected to air abrasion exhibited higher initial amounts of m-phase and a small increase in m-phase after LTD; the strength was not affected in these groups. The effects of LTD were different with each surface treatment applied. Apparently, LTD may be suppressed by smoother surfaces or the presence of an initial amount of m-phase on zirconia surface. (c) 2013 Wiley Periodicals, Inc. J Biomed Mater Res Part B: Appl Biomater, 101B: 1387-1392, 2013.

Photoluminescence of BaZrO3 explained by a order/disorded transformation

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Effect of low-temperature aging on the mechanical behavior of ground Y-TZP

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Studies of Inorganic Layer and Framework Structures Using Time-, Temperature- and Pressure-Resolved Powder Diffraction Techniques

This thesis is concerned with in-situ time-, temperature- and pressure-resolved synchrotron X-ray powder diffraction investigations of a variety of inorganic compounds with twodimensional layer structures and three-dimensional framework structures. In particular, phase stability, reaction kinetics, thermal expansion and compressibility at non-ambient conditions has been studied for 1) Phosphates with composition MIV(HPO4)2·nH2O (MIV = Ti, Zr); 2) Pyrophosphates and pyrovanadates with composition MIVX2O7 (MIV = Ti, Zr and X = P, V); 3) Molybdates with composition ZrMo2O8. The results are compiled in seven published papers and two manuscripts. Reaction kinetics for the hydrothermal synthesis of α-Ti(HPO4)2·H2O and intercalation of alkane diamines in α-Zr(HPO4)2·H2O was studied using time-resolved experiments. In the high-temperature transformation of γ-Ti(PO4)(H2PO4)·2H2O to TiP2O7 three intermediate phases, γ'-Ti(PO4)(H2PO4)·(2-x)H2O, β-Ti(PO4)(H2PO4) and Ti(PO4)(H2P2O7)0.5 were found to crystallise at 323, 373 and 748 K, respectively. A new tetragonal three-dimensional phosphate phase called τ-Zr(HPO4)2 was prepared, and subsequently its structure was determined and refined using the Rietveld method. In the high-temperature transformation from τ-Zr(HPO4)2 to cubic α-ZrP2O7 two new orthorhombic intermediate phases were found. The first intermediate phase, ρ-Zr(HPO4)2, forms at 598 K, and the second phase, β-ZrP2O7, at 688 K. Their respective structures were solved using direct methods and refined using the Rietveld method. In-situ high-pressure studies of τ-Zr(HPO4)2 revealed two new phases, tetragonal ν-Zr(HPO4)2 and orthorhombic ω-Zr(HPO4)2 that crystallise at 1.1 and 8.2 GPa. The structure of ν-Zr(HPO4)2 was solved and refined using the Rietveld method. The high-pressure properties of the pyrophosphates ZrP2O7 and TiP2O7, and the pyrovanadate ZrV2O7 were studied up to 40 GPa. Both pyrophosphates display smooth compression up to the highest pressures, while ZrV2O7 has a phase transformation at 1.38 GPa from cubic to pseudo-tetragonal β-ZrV2O7 and becomes X-ray amorphous at pressures above 4 GPa. In-situ high-pressure studies of trigonal α-ZrMo2O8 revealed the existence of two new phases, monoclinic δ-ZrMo2O8 and triclinic ε-ZrMo2O8 that crystallises at 1.1 and 2.5 GPa, respectively. The structure of δ-ZrMo2O8 was solved by direct methods and refined using the Rietveld method.

Water-soluble organic compounds in air particulate matter analyzed by HPLC-DAD-MS and HPLC-MS/MS: abundance, sources and transformation of carboxylic acids, nitrophenols and nitrated proteins

Wasserlösliche organische Verbindungen (WSOCs) sind Hauptbestandteile atmosphärischer Aerosole, die bis zu ~ 50% und mehr der organischen Aerosolfraktion ausmachen. Sie können die optischen Eigenschaften sowie die Hygroskopizität von Aerosolpartikeln und damit deren Auswirkungen auf das Klima beeinflussen. Darüber hinaus können sie zur Toxizität und Allergenität atmosphärischer Aerosole beitragen.In dieser Studie wurde Hochleistungsflüssigchromatographie gekoppelt mit optischen Diodenarraydetektion und Massenspektrometrie (HPLC-DAD-MS und HPLC-MS/MS) angewandt, um WSOCs zu analysieren, die für verschiedene Aerosolquellen und -prozesse charakteristisch sind. Niedermolekulare Carbonsäuren und Nitrophenole wurden als Indikatoren für die Verbrennung fossiler Brennstoffe und die Entstehung sowie Alterung sekundärer organischer Aerosole (SOA) aus biogenen Vorläufern untersucht. Protein-Makromoleküle wurden mit Blick auf den Einfluss von Luftverschmutzung und Nitrierungsreaktionen auf die Allergenität primärer biologischer Aerosolpartikel – wie Pollen und Pilzsporen – untersucht.rnFilterproben von Grob- und Feinstaubwurden über ein Jahr hinweg gesammelt und auf folgende WSOCs untersucht: die Pinen-Oxidationsprodukte Pinsäure, Pinonsäure und 3-Methyl-1,2,3-Butantricarbonsäure (3-MBTCA) sowie eine Vielzahl anderer Dicarbonsäuren und Nitrophenole. Saisonale Schwankungen und andere charakteristische Merkmale werden mit Blick auf Aerosolquellen und -senken im Vergleich zu Daten anderen Studien und Regionen diskutiert. Die Verhätlnisse von Adipinsäure und Phthalsäure zu Azelainsäure deuten darauf hin, dass die untersuchten Aerosolproben hauptsächlich durch biogene Quellen beeinflusst werden. Eine ausgeprägte Arrhenius-artige Korrelation wurde zwischen der 3-MBTCA-¬Konzentration und der inversen Temperatur beobachtet (R2 = 0.79, Ea = 126±10 kJ mol-1, Temperaturbereich 275–300 K). Modellrechnungen zeigen, dass die Temperaturabhängigkeit auf eine Steigerung der photochemischen Produktionsraten von 3-MBTCA durch erhöhte OH-Radikal-Konzentrationen bei erhöhten Temperaturen zurückgeführt werden kann. Im Vergleich zur chemischen Reaktionskinetik scheint der Einfluss von Gas-Partikel-Partitionierungseffekten nur eine untergeordnete Rolle zu spielen. Die Ergebnisse zeigen, dass die OH-initiierte Oxidation von Pinosäure der geschwindigkeitsbestimmende Schritt der Bildung von 3-MBTCA ist. 3-MBTCA erscheint somit als Indikator für die chemische Alterung von biogener sekundärer organischer Aerosole (SOA) durch OH-Radikale geeignet. Eine Arrhenius-artige Temperaturabhängigkeit wurde auch für Pinäure beobachtet und kann durch die Temperaturabhängigkeit der biogenen Pinen-Emissionen als geschwindigkeitsbestimmender Schritt der Pinsäure-Bildung erklärt werden (R2 = 0.60, Ea = 84±9 kJ mol-1).rn rnFür die Untersuchung von Proteinnitrierungreaktionen wurde nitrierte Protein¬standards durch Flüssigphasenreaktion von Rinderserumalbumin (BSA) und Ovalbumin (OVA) mit Tetranitromethan (TNM) synthetisiert.Proteinnitrierung erfolgt vorrangig an den Resten der aromatischen Aminosäure Tyrosin auf, und mittels UV-Vis-Photometrie wurde der Proteinnnitrierungsgrad (ND) bestimmt. Dieser ist definiert als Verhältnis der mittleren Anzahl von Nitrotyrosinresten zur Tyrosinrest-Gesamtzahl in den Proteinmolekülen. BSA und OVA zeigten verschiedene Relationen zwischen ND und TNM/Tyrosin-Verhältnis im Reaktionsgemisch, was vermutlich auf Unterschiede in den Löslichkeiten und den molekularen Strukturen der beiden Proteine zurück zu führen ist.rnDie Nitrierung von BSA und OVA durch Exposition mit einem Gasgemisch aus Stickstoffdioxid (NO2) und Ozon (O3) wurde mit einer neu entwickelten HPLC-DAD-¬Analysemethode untersucht. Diese einfache und robuste Methode erlaubt die Bestimmung des ND ohne Hydrolyse oder Verdau der untersuchten Proteine und ernöglicht somit eine effiziente Untersuchung der Kinetik von Protein¬nitrierungs-Reaktionen. Für eine detaillierte Produktstudien wurden die nitrierten Proteine enzymatisch verdaut, und die erhaltenen Oligopeptide wurden mittels HPLC-MS/MS und Datenbankabgleich mit hoher Sequenzübereinstimmung analysiert. Die Nitrierungsgrade individueller Nitrotyrosin-Reste (NDY) korrelierten gut mit dem Gesamt-Proteinnitrierungsgrad (ND), und unterschiedliche Verhältnisse von NDY zu ND geben Aufschluss über die Regioselektivität der Reaktion. Die Nitrierungmuster von BSA und OVA nach Beahndlung mit TNM deuten darauf hin, dass die Nachbarschaft eines negativ geladenen Aminosäurerestes die Tyrosinnitrierung fördert. Die Behandlung von BSA durch NO2 und O3 führte zu anderend Nitrierungemustern als die Behandlung mit TNM, was darauf hindeutet, dass die Regioselektivität der Nitrierung vom Nitrierungsmittel abhängt. Es zeigt sich jedoch, dass Tyrosinreste in Loop-Strukturen bevorzugt und unabhängig vom Reagens nitriert werden.Die Methoden und Ergebnisse dieser Studie bilden eine Grundlage für weitere, detaillierte Untersuchungen der Reaktionskinetik sowie der Produkte und Mechanismen von Proteinnitrierungreaktionen. Sie sollen helfen, die Zusammenhänge zwischen verkehrsbedingten Luftschadstoffen wie Stickoxiden und Ozon und der Allergenität von Luftstaub aufzuklären.rn

Kinetic modeling and experiments on gas uptake and chemical transformation of organic aerosol in the atmosphere

Aerosolpartikel beeinflussen das Klima durch Streuung und Absorption von Strahlung sowie als Nukleations-Kerne für Wolkentröpfchen und Eiskristalle. Darüber hinaus haben Aerosole einen starken Einfluss auf die Luftverschmutzung und die öffentliche Gesundheit. Gas-Partikel-Wechselwirkunge sind wichtige Prozesse, weil sie die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Aerosolen wie Toxizität, Reaktivität, Hygroskopizität und optische Eigenschaften beeinflussen. Durch einen Mangel an experimentellen Daten und universellen Modellformalismen sind jedoch die Mechanismen und die Kinetik der Gasaufnahme und der chemischen Transformation organischer Aerosolpartikel unzureichend erfasst. Sowohl die chemische Transformation als auch die negativen gesundheitlichen Auswirkungen von toxischen und allergenen Aerosolpartikeln, wie Ruß, polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) und Proteine, sind bislang nicht gut verstanden.rn Kinetische Fluss-Modelle für Aerosoloberflächen- und Partikelbulk-Chemie wurden auf Basis des Pöschl-Rudich-Ammann-Formalismus für Gas-Partikel-Wechselwirkungen entwickelt. Zunächst wurde das kinetische Doppelschicht-Oberflächenmodell K2-SURF entwickelt, welches den Abbau von PAK auf Aerosolpartikeln in Gegenwart von Ozon, Stickstoffdioxid, Wasserdampf, Hydroxyl- und Nitrat-Radikalen beschreibt. Kompetitive Adsorption und chemische Transformation der Oberfläche führen zu einer stark nicht-linearen Abhängigkeit der Ozon-Aufnahme bezüglich Gaszusammensetzung. Unter atmosphärischen Bedingungen reicht die chemische Lebensdauer von PAK von wenigen Minuten auf Ruß, über mehrere Stunden auf organischen und anorganischen Feststoffen bis hin zu Tagen auf flüssigen Partikeln. rn Anschließend wurde das kinetische Mehrschichtenmodell KM-SUB entwickelt um die chemische Transformation organischer Aerosolpartikel zu beschreiben. KM-SUB ist in der Lage, Transportprozesse und chemische Reaktionen an der Oberfläche und im Bulk von Aerosol-partikeln explizit aufzulösen. Es erforder im Gegensatz zu früheren Modellen keine vereinfachenden Annahmen über stationäre Zustände und radiale Durchmischung. In Kombination mit Literaturdaten und neuen experimentellen Ergebnissen wurde KM-SUB eingesetzt, um die Effekte von Grenzflächen- und Bulk-Transportprozessen auf die Ozonolyse und Nitrierung von Protein-Makromolekülen, Ölsäure, und verwandten organischen Ver¬bin-dungen aufzuklären. Die in dieser Studie entwickelten kinetischen Modelle sollen als Basis für die Entwicklung eines detaillierten Mechanismus für Aerosolchemie dienen sowie für das Herleiten von vereinfachten, jedoch realistischen Parametrisierungen für großskalige globale Atmosphären- und Klima-Modelle. rn Die in dieser Studie durchgeführten Experimente und Modellrechnungen liefern Beweise für die Bildung langlebiger reaktiver Sauerstoff-Intermediate (ROI) in der heterogenen Reaktion von Ozon mit Aerosolpartikeln. Die chemische Lebensdauer dieser Zwischenformen beträgt mehr als 100 s, deutlich länger als die Oberflächen-Verweilzeit von molekularem O3 (~10-9 s). Die ROIs erklären scheinbare Diskrepanzen zwischen früheren quantenmechanischen Berechnungen und kinetischen Experimenten. Sie spielen eine Schlüsselrolle in der chemischen Transformation sowie in den negativen Gesundheitseffekten von toxischen und allergenen Feinstaubkomponenten, wie Ruß, PAK und Proteine. ROIs sind vermutlich auch an der Zersetzung von Ozon auf mineralischem Staub und an der Bildung sowie am Wachstum von sekundären organischen Aerosolen beteiligt. Darüber hinaus bilden ROIs eine Verbindung zwischen atmosphärischen und biosphärischen Mehrphasenprozessen (chemische und biologische Alterung).rn Organische Verbindungen können als amorpher Feststoff oder in einem halbfesten Zustand vorliegen, der die Geschwindigkeit von heterogenen Reaktionenen und Mehrphasenprozessen in Aerosolen beeinflusst. Strömungsrohr-Experimente zeigen, dass die Ozonaufnahme und die oxidative Alterung von amorphen Proteinen durch Bulk-Diffusion kinetisch limitiert sind. Die reaktive Gasaufnahme zeigt eine deutliche Zunahme mit zunehmender Luftfeuchte, was durch eine Verringerung der Viskosität zu erklären ist, bedingt durch einen Phasenübergang der amorphen organischen Matrix von einem glasartigen zu einem halbfesten Zustand (feuchtigkeitsinduzierter Phasenübergang). Die chemische Lebensdauer reaktiver Verbindungen in organischen Partikeln kann von Sekunden bis zu Tagen ansteigen, da die Diffusionsrate in der halbfesten Phase bei niedriger Temperatur oder geringer Luftfeuchte um Größenordnungen absinken kann. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen wie halbfeste Phasen die Auswirkung organischeer Aerosole auf Luftqualität, Gesundheit und Klima beeinflussen können. rn

Bioverkapselung lebender Bakterien (Escherichia coli) mit Poly-(Silicat) nach Transformation mit dem Silicatein-alpha-Gen

Die Bioverkapselung ist eine faszinierende Methode, um biologische Materialien einschließlich Zellen in Siliziumdioxid, Metalloxiden oder hybriden Sol-Gel-Polymeren zu immobilisieren. Bisher wurde nur die Sol-Gel-Vorläufertechnologie genutzt, um Bakterien- oder Hefezellen in Siliziumdioxid zu immobilisieren. Hierfür wurden verschiedene Reagenzien als wässrige Vorläufer getestet, um poly(Silicate) auf Biomolekülen (Bhatia et al., 2000) oder Zellen (Liu und Chen 1999; Coradin und Livage, 2007) zu bilden. Einer der erfolgreichsten bisherigen Methoden verwendet eine Mischung aus Silicaten und kolloidalem Silica. Diese initialen Vorläufer werden durch die Zugabe von Salzsäure neutralisiert, was die Gelbildung fortschreiten lässt und die Verkapselung von Bakterien in einem Silica-Netzwerk zur Folge hat (Nassif et al., 2003). Mit der Entdeckung von Silicatein, einem Enzym, das aus Demospongien isoliert wurde und die Bildung von poly(Silicat) katalysiert, wurde es möglich, poly(Silicat) unter physiologischen Bedingungen zu synthetisieren. Silicatein wurde rekombinant in E. coli hergestellt und ist in der Lage, bei Raumtemperatur, neutralem pH-Wert und in wässrigen Puffersystemen aus Siliziumalkoxiden poly(Silicat) zu bilden (Krasko et al., 2000; Müller et al., 2007b; Zhou et al., 1999). In vivo katalysiert Silicatein die Synthese der Silicathülle der Schwamm-Spiculae (Skelettelemente; Müller et al., 2005b; Müller et al., 2007a; Müller et al., 2007b; Schröder et al., 2007a). Dieses Biosilica wurde in Form von Silica-Nanospheren mit Durchmessern zwischen 100 nm und 250 nm organisiert vorgefunden (Pisera 2003; Tahir et al., 2005). Mit dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass Escherichia coli erfolgreich mit dem Silicatein-Gen transformiert werden kann. Das Level der Proteinexpression kann in Anwesenheit von Isopropyl-β-D-thiogalaktopyranosid (IPTG) effizient erhöht werden, indem man die Bakterienzellen gleichzeitig mit Kieselsäure inkubiert. Dieser Effekt konnte sowohl auf Ebene der Synthese des rekombinanten Proteins durch Western Blot als auch durch Immunfluoreszenzmikroskopie nachgewiesen werden. Das heterolog produzierte Silicatein besitzt enzymatische Aktivität und kann die Polymerisation von Kieselsäure katalysieren. Dies konnte sowohl durch Färbung mit Rhodamin123, als auch durch Reaktion der nicht polymerisierten, freien Kieselsäure mit dem ß-Silicomolybdato-Farbsystem (Silicomolybdänblau) nachgewiesen werden. Elektronenmikroskopische Untersuchungen zeigten, dass nur die silicateinexprimierenden Bakterien während des Wachstums in Anwesenheit von Kieselsäure eine viskose Hülle um Zelle herum bilden. Ebenfalls konnte gezeigt werden, dass Silicatein-α aus Suberites domuncula nach Transformation in E. coli an die Zelloberfläche dieser Zellen transportiert wurde und dort seine enzymatische Funktion beibehielt. Die Silicathülle wurde mittels Raster-Elektronenmikroskopie (REM) analysiert. Die Bakterien, die Silicatein exprimierten und poly(Silicat) an ihrer Oberfläche synthetisierten, zeigten die gleichen Wachstumsraten wie die Bakterien, die das Gen nicht enthielten. Schlussfolgernd lässt sich sagen, dass die silicateinvermittelte Verkapselung von Bakterien mit poly(Silicat) die Bandbreite der Anwendung von Bakterien für die Produktion von rekombinanten Proteinen verbessern, erweitern und optimieren könnte.