矿物粉尘与微生物壁膜结构分子相互作用模拟研究

摘要

分子模拟以其在分子尺度上的可视性已成为界面作用研究中的一项重要的研究手段。本文通过蒙特卡洛、分子动力学、量子化学等三种计算模拟手段，模拟了微生物细胞壁膜生物分子（甘氨酸、丝氨酸、谷氨酸、精氨酸、肽聚糖、类脂A、磷脂）在常见大气污染物矿物（方解石、石英、蒙脱石）表面的吸附及电子传递过程，以期为微生物在矿物表面的粘附及生长提供理论依据。
　　蒙特卡洛的计算结果表明，生物分子在蒙脱石、石英、方解石表面均能稳定的吸附。且方解石与生物分子的相互作用要强于蒙脱石，蒙脱石强于石英。生物分子在蒙脱石和石英表面的吸附强弱表现一致。Lipid A最强，磷脂作用最弱，氨基酸团簇和PDG的作用大致相当。方解石组各生物分子的作用强弱顺序为Gly＞PDG＞Lipid A＞Arg＞Phospholipid＞Ser＞Glu。
　　分子动力学的计算结果表明，石英和蒙脱石主要通过硅氧四面体和铝氧八面体端面上的氧原子发生作用。方解石主要是钙离子和碳酸根离子的氧原子发生作用。氨基酸团簇参与作用的基团主要是氨基、羧基及亚甲基；磷脂分子主要是磷酸根基团和磷酸甘油酯的酯键；Lipid A的主要作用基团为氨基葡萄糖上的磷酸根基团及脂肪酸链上的亚甲基；PDG的作用基团为四肽尾上的肽键及N-乙酰葡萄糖胺。
　　通过相互作用前后作用体系的非价键能变化，确定了在相互作用过程中主要的作用力。计算结果表明，在与蒙脱石和石英作用过程中，中性的氨基酸团簇（甘氨酸和丝氨酸）以范德华力为主，酸性和碱性氨基酸团簇以静电作用力为主。类脂 A和磷脂分子以范德华力为主。在与方解石作用过程中，7种生物分子都是静电作用力起绝对主导作用。
　　量子化学计算结果表明，矿物结构和生物分子的部分基团上均存在较离域的容易失去的电子。在相互作用过程中，矿物和生物分子之间存在电子传递。电子传递的多少和相互作用的强弱存在一定的相关性。总体来讲，相互作用越强烈，电子传递量越多。电子传递也主要集中在生物分子活性基团和矿物结构的作用原子之间。

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1 绪论

1.1 大气颗粒物污染现状及其危害

1.2 矿物细颗粒与微生物相互作用研究现状

1.3 矿物与生物分子相互作用研究现状

1.4 课题来源、选题依据及意义

1.5 主要研究内容及创新点

2 分子模拟方法、模型构建及模拟计算过程

2.1 分子模拟方法

2.2 计算模型的构建及优化

2.3 模拟计算过程及参数设置

3 壁膜结构分子在矿物表面的吸附

3.1 生物分子在蒙脱石表面的吸附

3.2 生物分子在石英表面的吸附

3.3 生物分子在方解石表面的吸附

3.4 本章小结

4 矿物与壁膜结构分子之间的电子传递

4.1 矿物结构和生物分子的电子局域函数

4.2 三种矿物结构和生物分子活性基团的态密度分析

4.3 矿物与生物分子在相互作用前后Mulliken布居分析

4.4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果