Search

Kalcijev karbonat (CaCO3) je jedan od najrasprostranjenijih minerala u morskom okolišu. Nastaje procesima taloženja pod kojima podrazumjevamo procese formiranja nove čvrste faze iz homogenog sustava, preciznije iz vodenih, obično elektrolitnih otopina, kao što je slučaj i u biološkim sustavima. Procesi taloženja su fizikalno-kemijska osnova biomineralizacije (procesi formiranja biominerala u biološki sustavima). Biomineralizacijom u kalcificirajućim organizmima (mekušcima, koraljima, spužvama, krednjacima...) nastaje biogeni CaCO3. Glavna pokretačka sila koja kontrolira procese taloženja jest prezasićenost, no i drugi faktori kao što su koncentracija konstituirajućih iona i otopljenog ugljikovog dioksida (CO2), prisutnost aditiva, temperatura (t), pH, ionska jakost, hidrodinamika kontroliraju taloženje CaCO3 te posljedično i biomineralizaciju.

Ovaj rad sastoji se od istraživačkog i metodičkog dijela. U istraživačkom dijelu istražen je proces spontanog taloženja kalcijeva karbonata u prisustvu poli-L-asparaginske kiseline kao modelnog taložnog sustava za istraživanja biomineralizacije u morskim organizmima. Napredovanje procesa taloženja praćeno je potenciometrijski, a talozi karakterizirani infracrvenom spektroskopijom i pretražnom elektronskom mikroskopijom. Svi relevantni početni parametri taložnog sustava (prezasićenost, omjer aktiviteta kalcijevih i karbonatnih iona, temperatura, ionska jakost) bili su konstantni, a promatrani su utjecaji početnog pH (pH0) u rasponu od 8,5 do 10,5 te koncentracije poli-L-asparaginske kiseline. Proces taloženja kalcijeva karbonata je inhibiran u cijelom ispitivanom području pH0 vrijednosti zbog djelovanja poli-L-asparaginske kiseline, a efekt je izraženiji u sinergiji s Mg2+ ionima. U metodičkom dijelu rada pod naslovom Kemija u kapljici tvrde vode načinjen je pregled i kritički osvrt udžbeničke i stručne literature na zadanu temu. Opisana je nastavna jedinica za 90- minutni nastavni sat za učenike četvrtog razreda gimnazije te su predloženi radni listić i uputa za nastavnike temeljena na učenju otkrivanjem. This Diploma thesis consist of two parts: the research part and the methodological part. The research part investigates the process of spontaneous precipitation of calcium carbonate in the presence of poly-L-aspartic acid as a model precipitation system for biomineralization research in marine organisms. The progress of the precipitation process was monitored potentiometrically and the precipitate were characterized by infrared spectroscopy and scanning electron microscopy. All relevant initial parameters of the precipitation system (supersaturation, calcium and carbonate ion activity ratio, temperature, ionic strength) were constant and the influence of the initial pH (pH0) in the range of 8,5 to 10,5 and the concentration of poly-L-aspartic acid were investigated. The process of calcium carbonate precipitation is inhibited in the whole examined range of pH0 values due to the influence of poly-L-aspartic acid, and the effect is more pronounced in synergy with Mg2+ ions. In the methodological part of the Thesis entitled Chemistry in a drop of hard water, critical review of textbooks and professional literature was made. The class for a 90-minute lesson for fourth-grade high school students is described while worksheets and instructions based on discovery learning are proposed to teachers as well.

Exposed regions of the arthropod exoskeleton have specialized structure and mineral composition. Their study can provide insights into the evolutionary optimization of the cuticle as a material. We determined the structural and compositional features of claws in the crustacean Ligia pallasii using X-ray micro-computed tomography, scanning electron microscopy (SEM), and analytical scanning transmission electron microscopy (STEM). In addition, we used nanoindentation to determine how these features fine-tune the mechanical properties of the claw cuticle. We found that the inner layer of the claw cuticle—the endocuticle—contains amorphous calcium phosphate, while the outer layer—the exocuticle—is not mineralized and contains elevated amounts of bromine. While the chitin–protein fibers in crustacean exoskeletons generally shift their orientation, they are aligned axially in the claws of L. pallasii. As a consequence, the claw cuticle has larger elastic modulus and hardness in the axial direction. We show that amorphous calcium phosphate mineralization and the brominated cuticle are widespread in isopod crustaceans inhabiting terrestrial habitats. We discuss how the features of the claw cuticle may aid in minimizing the likelihood of fracture. Ultimately, our study points out the features that increase the durability of thin skeletal elements.

Within this doctoral dissertation, spider silk fibers have been chosen as a model system for synthesis new composite materials. The fibers were used as a template for biomineralization, coating with different nanoparticles, as well as template for synthesis pure inorganic fibers. By imitating biomineralization process, fibers coated with pure and Eu3+ doped cerium(IV)-oxide (CeO2) were obtained. Based on the experimental results obtained by scanning electron microscopy, the optimal concentration of starting material for subsequent europium doping has been determined. Besides complete physico-chemical characterization of the material, luminescent properties of composite material coated with europium doped ceria were investigated. Similarly, fibers coated with γ-Fe2O3 nanoparticles were obtained by precipitation treatment. Complete physico-chemical, as well as magnetic properties were explored. By calcination of magnesium salts in the presence of spider silk fibers, fiber-shaped magnesium oxide was obtained, while dimensions of materials were defined with dimensions of natural fibers. By subsequent calcination of MgO fibers, magnesium-hydroxide (Mg(OH)2) was formed, while different obtaining parameters like temperature and incubation period were examined. Additionally, within dissertation, theoretical calculations of CeO2 system were done in order to estimate its electronic, elastic and mechanical properties in function of pressures in the range 0-100 GPa.

Kalcijevi fosfati (CaP), teško topljive soli fosfatne kiseline, od posebne su važnosti u raznim interdisiciplinarnim područjima znanosti poput geologije, biologije, kemije i (bio)medicine. Široko su rasprostranjeni u živim organizmima i u prirodi. Istraživanja kalcijevih fosfata danas su usmjerena na bolje razumijevanje procesa normalne i patološke biomineralizacije i razvoj novih materijala poboljšanih svojstava. Iako su taložni dijagrami CaP u uvjetima bliskim fiziološkima eksperimentalno istraženi, nisu izrađeni njihovi teoretski taložni dijagrami. U ovom radu izrađeni su teoretski taložni dijagrami četiri biološki važne faze kalcijevih fosfata (amorfni kalcijev fosfat (ACP), oktakalcijev fosfat (OCP), kalcijev hidrogenfosfat dihidrat (DCPD) i hidroksiapatit (HA)) u sustavima bez aditiva te uz dodatak magnezija, citrata (Cit) ili oba aditiva (t = 25 oC i pH 7,4): CaCl2 – Na2HPO4, CaCl2 – Na2HPO4 – MgCl2 (c = 0,0015 mol dm^–3), CaCl2 – Na2HPO4 – Na3Cit (c = 0,000125 mol dm^–3), CaCl2 – Na2HPO4 – MgCl2 (c = 0,0015 mol dm^–3) – Na3Cit (c = 0,000125 mol dm^–3). Dobiveni rezultati su pokazali da se u svim taložnim sustavima mogu, ovisno o sastavu taloga, razlikovati četiri taložna područja, u skladu s topljivosti pojedine soli. Razlike u obliku teoretske granice taloženja za DCPD u odnosu na ostale istraživane CaP ukazuje na moguću razliku u dominantnim procesima kojima otopljene ionske i druge vrste prelaze u krutu fazu. Razlike u položaju teoretskih granica taloženja u različitim taložnim sustavima za pojedinu fazu kalcijevih fosfata u skladu su s eksperimentalno opaženim utjecajima koje Mg2+ i Cit3- ioni imaju na procese njihovog nastajanja. Calcium phosphates (CaP), the sparingly soluble salts of phosphoric acid, are of particular importance in various interdisciplinary fields of science such as geology, biology, chemistry and (bio) medicine. They are widespread in living organisms and in nature. Calcium phosphate research is today focused on a better understanding of the processes of normal and pathological biomineralization and the development of new materials with improved properties. Although CaP deposition diagrams have been investigated experimentally in conditions close to physiological ones, their theoretical deposition diagrams have not been developed. In this paper, theoretical precipitation diagrams of four biologically important phases of calcium phosphate (amorphous calcium phosphate (ACP), octacalcium phosphate (OCP), calcium hydrogen phosphate dihydrate (DCPD) and hydroxyapatite (HA)) are made in systems without additives and with the addition of magnesium, citrate (Cit) or both additives (t = 25 °C and pH 7.4): CaCl2 – Na2HPO4, CaCl2 – Na2HPO4 – MgCl2 (c = 0.0015 mol dm^–3), CaCl2 – Na2HPO4 – Na3Cit (c = 0.000125 mol dm^–3), CaCl2 – Na2HPO4 – MgCl2 (c = 0.0015 mol dm^–3) – Na3Cit (c = 0.000125 mol dm^–3). The obtained results showed that, in all precipitation systems, depending on the composition of the precipitate, four precipitation areas can be distinguished, in accordance with the solubility of each salt. The differences in the shape of the theoretical precipitation boundary for DCPD with respect to the other CaPs studied indicate a possible difference in the dominant processes by which dissolved ionic and other species enter the solid phase. The differences in the position of theoretical precipitation limits in different deposition systems for each phase of calcium phosphates are consistent with the experimentally observed effects that Mg2+ and Cit3- ions have on the processes of their formation.

Samopopravljivi betoni so betoni, ki vsebujejo samopopravljivo komponento, ki služi kot takojšnje sredstvo za popravilo poškodb na betonskih konstrukcijah. Osredotočila sem se na proces biomineralizacije in nastanek kalcijevega karbonata kot metode, s katero se podaljšuje trajnost in trdnost zgrajenih objektov. Potem ko v betonu nastanejo manjše razpoke, delovanje bakterij, ki so v beton predhodne vmešane, omogoči nastanek oborine, ki razpoko ponovno zapolni. Pripravila sem vzorec z vsebovanimi bakterijami in ga opazovala 28 dni v vodi, kjer sem spremljala nastanek in rast oborine kalcijevega karbonata. Opisni in vizualni oceni uspešnosti procesa sem dodala še spremljanje in slikanje pod optičnim in vrstičnim elektronskim mikroskopom. Postopek se je izkazal za uspešnega, oborina kalcijevega karbonata je nastala in pričakovano zapolnila razpoke v vzorcih. Self-healing concrete is a concrete that contains a self-healing component which behaves as an immediate agent for repairing injuries on constructions made of concrete. I focused on the process of biomineralization and the formation of calcium carbonate as the method which prolongs the durability and firmness of structures. After minor cracks are formed in the concrete, the action of bacteria previously mixed into the concrete allows the formation of a precipitate that fills the crack again. A sample that contained the bacteria was prepared, immersed into water and observed for 28 days. The appearance and growth of calcium carbonate precipitation was followed during this period. The process was descriptively and visually evaluated and images were taken with an optical as well as scanning electron microscope. The process was successful calcium carbonate precipitation appeared and filled the cracks of the samples, as expected.

Biomineralizacija je široko rasprostranjen i raznolik proces što dokazuju 64 dosad poznata minerala koje stvaraju organizmi iz svih klastera eukariota. Stoga je područje od interesa i brojna istraživanja su usmjerena otkrivanju detalja tog procesa. Bez obzira na sve danas poznate informacije i dalje nemamo pravu sliku o tome na koji način organizmi stvaraju minerale. Ipak znamo mnogo o tome kako kontroliraju nastanak minerala i to je ono što čini biološki kontroliranu mineralizaciju. Moramo imati na umu da dosad stvorene podjele služe kako bi nama olakšale razumijevanje procesa biomineralizacije i da u stvarnosti podjele nisu toliko jasne. Biomineralizacija se odvija na razinama koje snažno utječu na biosferu, kao što su kemijski sastav oceana ili sastav sedimentnih stijena. U ovom radu detaljnije su obrađeni školjkaši koji su vrlo istraženi zbog korištenja u komercijalne svrhe pa i zbog proizvodnje bisera. Osim školjkaša, bodljikaši su također poznati biomineralizatori zbog specifičnih struktura koje formiraju i stoga su obrađeni u ovom radu. Biomineralization is a widespread and diverse process that is demonstrated by 64 known minerals that are produced by organisms from all eukaryotic clasters. That is why it is an area of interest and numerous researches are aimed at revealing the details of this process. Despite all the information we know today, we still have no real picture of how organisms produce minerals. However, we know a lot about how they control mineral formation and that is what makes biologically controlled mineralization. We have to keep in mind that the divisions created so far are used to make it easier for us to understand the biomineralization process and that in reality divisions are not so clear. Biomineralization occurs on such level that it strongly affects biosphere, such as ocean chemistry or composition of sedimentary rocks. In this paper, bivalves are thoroughly discussed because they are used for commercial purposes and also for the production of pearls. Besides bivalves, echinoderms are also well known biomineralists due to specific structures that they form and are therefore covered in this paper.

Enzimska aktivnost ukupnih esteraza (UE) i ugljične anhidraze (UA) mjerena je modifikacijom metode po Pocker i Stone-u u ukopnom homogenatu tkiva jajne vrpce morskog zekana Aplysia punctata (Cuvier, 1803). Navedenom metodom prvo se određuje enzimska aktivnost ukupnih esteraza, te se od tih aktivnosti oduzme aktivnost UA dobivena primjenom specifičnog inhibitora UA acetazolamida (AZM). Početno određena je aktivnost UA standarda izoforme CAII iz ljudskih eritrocita i inhibitorski učinak acetazolamida na CAII. Raspon koncentracija AZM testiran je u triplikatu i dokazano je da je 0,5 mM AZM potpuno inhibirala aktivnost UA CAII, te je u daljnjim mjerenjima UE i UA korištena upravo ta koncentracija. Analiza ukupne aktivnosti esteraze i ugljičnih anhidraza tijekom embrijskog razvoja morskog zekana A. punctata općenito je pokazala povećanje obje aktivnosti tijekom razvoja embrija / larve (0-26 dana). UA aktivnost se značajno povećava u 7. i 15. danu. Postotak UA aktivnosti u usporedbi s ukupnom aktivnošću esteraze bio je najviši u 16. i 23. danu razvoja. Općenito, tijekom vremena razvoja, postotak UA aktivnosti smanjen je u usporedbi s ukupnim aktivnostima esteraze. Nastanak prvih biominerala utvrđen je analizom mineralnog sastava (XRD analiza) u 9. danu razvoja embrija morskog zekana A. punctata, a ovim radom pokazano je da pojavi biominerala prethodi povećanje UA aktivnosti u 7. danu razvoja. Enzymatic activity of total esterase (TE) and carbonic anhydrase (CA) activities was measured by a modification of the method early described by Pocker and Stone on whole tissue homogenate of sea hare A. punctata (Cuvier, 1803). This method first determines the enzymatic activity of total esterases, and from these activities the CA activity obtained using a specific inhibitor of CA, Acetazolamide (AZM) are subtracted to calculate specific CA activities. Initially, the CA activity of standard CAII isoform and the acetazolamide inhibitory effect on CAII was determined. Range of AZM used concentration was tested in triplicate and it was proved that 0.5 mM AZM inhibited CAII activity completely. In following measurements of TE and CA activities, 0.5 mM AZM concentration was used. Analysis of TE and CA activities during embryonal development of sea hare in general indicated increase of both activities during larval development (0-26 days). The CA activities significant increased at 7th and 15th day. The percentage of CA activities in comparison to total esterase activity was the highest at 16th and 23th day of development. In general, during development time the percentage of CA activity was reduced comparing to total esterase activities. The emergence of the first biominerals was determined by the analysis of mineral composition (XRD analysis) on the 9th day of development of sea hare embryos, and this work demonstrated that the appearance of biominerals preceded the increase of UA activity on the 7th day.

Enzimska aktivnost ukupnih esteraza (UE) i ugljične anhidraze (UA) mjerena je modifikacijom metode po Pocker i Stone-u u ukopnom homogenatu tkiva jajne vrpce morskog zekana Aplysia punctata (Cuvier, 1803). Navedenom metodom prvo se određuje enzimska aktivnost ukupnih esteraza, te se od tih aktivnosti oduzme aktivnost UA dobivena primjenom specifičnog inhibitora UA acetazolamida (AZM). Početno određena je aktivnost UA standarda izoforme CAII iz ljudskih eritrocita i inhibitorski učinak acetazolamida na CAII. Raspon koncentracija AZM testiran je u triplikatu i dokazano je da je 0, 5 mM AZM potpuno inhibirala aktivnost UA CAII, te je u daljnjim mjerenjima UE i UA korištena upravo ta koncentracija. Analiza ukupne aktivnosti esteraze i ugljičnih anhidraza tijekom embrijskog razvoja morskog zekana A. punctata općenito je pokazala povećanje obje aktivnosti tijekom razvoja embrija / larve (0-26 dana). UA aktivnost se značajno povećava u 7. i 15. danu. Postotak UA aktivnosti u usporedbi s ukupnom aktivnošću esteraze bio je najviši u 16. i 23. danu razvoja. Općenito, tijekom vremena razvoja, postotak UA aktivnosti smanjen je u usporedbi s ukupnim aktivnostima esteraze. Nastanak prvih biominerala utvrđen je analizom mineralnog sastava (XRD analiza) u 9. danu razvoja embrija morskog zekana A. punctata, a ovim radom pokazano je da pojavi biominerala prethodi povećanje UA aktivnosti u 7. danu razvoja.

Biomineralizacija je interdisciplinarna znanstvena grana, na granici kemije, biologije i znanosti o materijalima. To je proces koji se zbiva u živim organizmima u svrhu nastajanja biominerala. Pristunost biominerala je raznolika pri čemu oni imaju brojne biološke funkcije poput zaštite, magnetske orijentacije, mehaničke snage, skladištenja iona i drugo. Od 60 trenutno poznatih biominerala, otprilike 20 % su amorfni, a 80 % kristalinični minerali. Osim biominerala procesom patološke biomineralizacije mogu nastati i biominerali koji nisu korisni za organizam u kojem nastaju. U svrhu njihova istraživanja koriste se brojne eksperimentalne metode analize taloga poput termogravimetrijske analize (TGA), skenirajuće (SEM) i transmisijske elektronske (TEM) mikroskopije, mikroskopije atomskih sila (AFM), svjetlosne mikroskopije (OM), metoda molekulske spektroskopije Ramanska i infracrvena spektroskopija (IR), metode dinamičkog raspršenja svjetlosti. Uz metode analize taloga postoje i metode analize tekuće faze poput potenciometrije, ionske kromatografije i Uv-Vis spektroskopije. U ovom završnom radu opisane su eksperimentalne metode i tehnike analize krutih uzoraka te je objašnjen princip djelovanja i njihova primjena u svrhu istraživanja biomineralizacije. Svaka metoda potkrepljena je primjerom.

Biomineralizacija je proces nastajanja slabo topljivih soli u živim organizmima, uz prisustvo biološki značajnih makromolekula. Nastajanje biokompozita specifičnih fizičko-kemijskih svojstava predložak je za biomimetičku sintezu novih funkcionalnih materijala. Kalcijev karbonat odabran je kao model biomineralizacije zbog složenosti sustava i makromolekula koje u tom procesu sudjeluju. Sustavno je istraženo djelovanje malih organskih molekula (aminokiseline, dipeptidi i derivati salicilne kiseline) i ionotropnosti (gelatori male molekulske mase) na nukleaciju te rast kalcita. Utjecaj na nukleaciju ispitan je indirektno eksperimentima spontanog taloženja, dok je utjecaj na rast istražen dodatkom kristalnog sjemena kalcita. Navedenim istraživanjima dobiven je uvid u mehanizam i doseg interakcija malih organskih molekula i površine kalcita određivanjem Langmuirovih konstanti adsorpcije. Dokazano je da polarne aminokiseline utječu na nukleaciju i rast, a ne samo kisele aminokiseline. Dipeptidi imaju veći utjecaj zbog sinergijskog djelovanja dviju funkcionalnih skupina aminokiselina. Najveći utjecaj uočen je dodatkom salicilnih derivata, koji bi se mogli koristiti kao nosači lijekova. Biomineralization is the formation of sparingly soluble salts in living organisms, strongly influenced by biologically active macromolecules. Formation of biocomposites, with specific physico-chemical properties, is a suitable model for the biomimetic approach of new materials synthesis. Calcium carbonate was selected as a biomineralization model due to the complexity of the system and the macromolecules involved in this process. Systematic research was carried out on small organic molecules' influence (amino acids, dipeptides and derivatives of salicylic acid) and ionotropy (low molecular weight galators) on nucleation and calcite growth. Their influence on nucleation was investigated by experiments on spontaneous precipitation, while seeded precipitation was used for observing their influence on growth. Insight into the interactions between small organic molecules and calcite surfaces was gained from Langmuir adsorption constants. Polar amino acids also influenced nucleation and growth, apart from acidic amino acids. Higher influence of dipeptides was observed due to the sinergistic effect of two amino acid functional groups. The strongest influence was noted for salicylic derivatives, which could be used as a drug delivery system.

U ovoj tezi je ispitana mogućnost sinteze novih, poboljšanih biomaterijala na bazi alginata, agara i cinka, primenom biomimetičkog principa dizajna – biomineralizacije. Cilj istraživanja je bio dizajn i karakterizacija novih nanokompozitnih biomaterijala, sa potencijalnom primenom u biomedicini i pakovanju hrane... The aim of this study was to test the hypothesis whether biopolymer-based biomineralization, with essential metal salts, Zn-minerals, can be considered a good platform for designing nanocomposite biomaterials for potential biomedical and active food packaging applications...

Međudjelovanje malih organskih molekula i/ili makromolekula s anorganskim kristalima važno je za razumijevanje procesa taloženja u prirodi. Između različitih biominerala, kalcijevi fosfati privlače posebnu pažnju zbog uloge u biološkoj i patološkoj mineralizaciji i industrijskim procesima. U novije vrijeme, istraživanja utjecaja aditiva na nastajanje kalcijevih fosfata uglavnom su usmjerena na proteine. Iako su opći principi tih međudjelovanja poznati, uloga pojedinih aminokiselina nije još do kraja razjašnjena. Cilj ovoga rada je istraživanje utjecaja aminokiselina koje pri fiziološkim uvjetima imaju bočne ogranke različitih naboja: fenilalanina (nenabijen), asparaginske kiseline (negativno nabijen), asparagina (polaran, nenabijen), serina (polaran, nenabijen) i lizina (pozitivno nabijen). Napredovanje taloženja kalcijevih fosfata praćeno je potenciometrijski, što je omogućilo određivanje vremena indukcije. Nastali talog analiziran je infracrvenom spektroskopijom s Fourierovom transformacijom, pretražnom elektronskom mikroskopijom, transmisijskom elektronskom mikroskopijom i difrakcijom rendgenskih zraka na praškastom uzorku. Dobiveni rezultati ukazali su da utjecaj aminokiselina na svojstva kalcijevih fosfata ovisi o naboju njihovog bočnog ogranka. Mechanisms of interaction between soluble small organic molecules and/or macromolecules with inorganic crystals are of major importance for crystallization processes in nature. Among different biogenic crystals, calcium phosphates attract attention due to their role in the normal and pathological mineralization, as well as in industrial processes. Recent investigations of the influence of additives on the formation of calcium phosphates are mostly focused on protein and their building blocks, amino acids. Althought general principles of these interactions are known, the role of specific amino acids is still unclear. The aim of this research was to investigate the influence of amino acids with side chains of different properties at physiological conditions: phenylalanine (uncharged, hydrophobic), aspartic acid (negatively charged), arginine (uncharged, polar), serine (uncharged, polar) and lysine (positively charged). The progress of precipitation was followed potentiometrically, which enabled determination of induction time. Fourier transform infrared spectroscopy, powder x - ray diffraction, scanning and transmission electron microscopy were used for characterization of the precipitates. Given results show the influence of amino acids on properties of calcium phosphates. The obtain resultes show that the infuence of amino acids on calcium phosphates’ properties dependes on the charge of their side chain.

Calcium carbonate is among the most widely occurring natural minerals. Biogenic calcium carbonate minerals occur in e.g. soils and calcifying marine plankton and are a key component of the global carbon cycle. Abiotic calcium carbonate (synthetic) has a wide range of uses: as a component of pharmaceuticals and foodstuffs, in water treatment, and as a filler in ceramics, plastics, coatings, and paper. Calcium carbonate with desired chemical and structural composition, size and morphology could be tuned by a strict control of precipitation conditions. Amorphous calcium carbonate (ACC), biogenic or synthetic, is an important (meta)stable phase or transient precursor to crystalline calcium carbonate minerals. Depending on the preparation method or its biogenic source, ACC varies in composition, stability and structure. It was found that organisms use organic macromolecules, magnesium, phosphate and structural water to induce ACC formation and to determine its stability. Three model systems with broad range of relative supersaturations, have been investigated previously: (a) Simple system containing only constituent ions: calcium and carbonate, (b) Complex system including constituent ions and their co-ions, sodium and chloride, and (c) Physiological system with the addition of inorganic cation, Mg2+, and at increased ionic strength, 0.15 M NaCl (mimicking the simplified inorganic environment in selected living organisms). In this work, the investigations of ACC stability and transformation were performed for all three model systems. The analyses of precipitation in model systems of different chemical complexity gave the insight into precipitation boundaries and supersaturation domains for formation of different CaCO3 phases. The results have shown that besides the increased initial supersaturation, the complexity of precipitation domain (increased ionic strength, the presence of common inorganic ions, in particular magnesium) has an important role on the formation and properties of the amorphous, metastable and stable CaCO3 phases. The amorphous phases isolated in simple and complex systems have similar properties and transformed to vaterite and cacite. Those formed in physiological system are more stable and transform to monohydrocalcite/aragonite, or remain stable.

Kalcijev karbonat u beskralježnjacima nastaje procesom biomineralizacije i to u obliku nekog od polimorfa (vaterit, aragonit i kalcit) ili amorfne faze. Pri tome, na nukleaciju određene faze i njenu morfologiju utječu razni čimbenici taloženja, kao na primjer temperatura, prezasićenost, ali i prisutnost otopljenih i/ili neotopljenih anorganskih i organskih komponenata. Proteini, koji su sastavni dio ekstrapalijarne otopine u kojoj se zbiva biomineralizacija, imaju izuzetno važnu ulogu te je stoga u literaturi opisan niz istraživanja utjecaja proteina i njihovih fragmenata izoliranih iz mineraliziranih tkiva, kao i sintetskih (makro)molekulskih analoga. Navedena istraživanja, iako daju važne informacije o utjecaju pojedinih proteina, nepotpuna su, između ostaloga i zbog nerazjašnjenih mehanizama interakcije pojedinih aminokiselina i anorganske faze. – Cilj opisanih istraživanja bio je proučiti utjecaj odabranih aminokiselina, kao jednostavnih modela biomolekula za koje se pretpostavlja da su odgovorne za nukleaciju, rast i transformaciju kalcijeva karbonata u biomineraliziranim sustavima. Kao modeli su korištene asparaginska kiselina (Asp), asparagin (Asn) i lizin (Lys), odabrane zbog različitog naboja bočnih ogranaka, dok se tirozin (Tyr) i fenilalanin (Phe) te serin (Ser) i alanin (Ala) razlikuju u polarnosti molekule. Na temelju FT-IR, XRD, EPR i SEM analiza, praćen je utjecaj odabranih skupina aminokiselina na polimorfizam, morfologiju i distorziju kristalne rešetke stvorenoga kalcita. Pri tome, najizraženije je djelovanje Asp i Tyr: Asp je promjenila morfologiju kristala kalcita kod kojeg se pojavljuje značajan broj novih, stabilnih, romboedarskih ploha, dok dodatak Tyr uzorkuje nastajanje nestabilnih (0 0 1) ploha.

Proteins were proved to be type-independent templates for the biomineralization of iron ions into hematite mesocrystals with tunable structures and morphologies under hydrothemal conditions. Our finding could pave the way for the synthesis of mesocrystals with controlled stuctures and morphologies using templates of low-cost proteins.

Morfološke, strukturne i biokemijske značajke složenih biomineralnih struktura kamenog koralja (Cladocora caespitosa), kunjke (Arca noae), periske (Pinna nobilis) i obične sipe (Sepia officinalis) su detaljno karakterizirane. Korišten je interdisciplinarni pristup uporabom tehnika poput elektronske mikroskopije (FESEM), mikroskopije atomskih sila (AFM), rendgenske difrakcije (XRD), masene spektrometrije visoke razlučivosti (HR ICP-MS), termogravimetrijske (TGA) i diferencijalne termalne analize (DTA) s plinskom kromatografijom-masenom spektrometrijom (GC-MS) uz biokemijske metode karakterizacije proteina kao gel elektroforeza (SDS-PAGE i 2D- PAGE), masena spektrometrija (Nano LC-MS) te Edmanova degradacija. Po prvi put su izolirani proteini organskog matriksa sipovine i kunjke te je izrađen model rasta sipovine. Rezultati istraživanja omogućuju bolje razumijevanje mehanizama nastanka složenih biomineralnih struktura aragonita kod morskih beskralješnjaka na nanorazini te doprinose proširenju osnovnog znanja koje definira metode biomimeričke priprave aragonitnih materijala željenih morfoloških i strukturnih značajki.

Istraživanje uvjeta nastajanja kalcijevih karbonata i kalcijevih fosfata važno je prvenstveno zbog njihove uloge u procesu biomineralizacije, no nije zanemariva ni njihova uloga u geologiji, oceanologiji, ekologiji te u različitim industrijskim procesima. Iako su ta dva biominerala različita po svojoj biološkoj ulozi (karbonati su glavna anorganska komponenta mineraliziranih tkiva beskralježnjaka, a fosfati kralježnjaka), procesi njihova nastajanja i transformacije "in vivo", ali i "in vitro" podliježu sličnim pravilima i iskazuju sličan obrazac. Naime, kalcijevi karbonati i kalcijevi fosfati pojavljuju se u nizu različitih čvrtih faza, amorfnih ili kristalnih, metastabilnih i stabilnih, pri čemu je uloga nestabilnih modifikacija djelomično nerasvijetljena.1, 2 Cilj je ovih istraživanja istražiti početne uvjete taloženja kalcijevih karbonata i kalcijevih fosfata u području koncentracija relevantnih za biomineralizaciju tih soli u tipičnim biološkim sustavima te kritički usporediti tako dobivene podatke. Taloženje kalcijevih karbonata i kalcijevih fosfata rađeno je u sustavima u kojima su otopine reaktanata miješane pri strogo kontroliranim hidrodinamičkim i termodinamičkim uvjetima (početna prezasićenost, pH, temperatura, ionska jakost). Proces je kontinuirano praćen mjerenjem koncentracije tijekom vremena, a čvrsta faza je odijeljena filtriranjem. Talog je analiziran IR spektroskopijom te svjetlosnom mikroskopijom. U taložnim dijagramima su određene granice taloženja te koncentracijska područja u kojima nastaju pojedine modifikacije kalcijevih karbonata, odnosno fosfata. Za sustav kalcijevih fosfata je utvrđeno da u cijelom koncentracijskom području, nakon jednog sata, transformacijom primarno nastalog amorfnog kalcijevog fosfata, nastaju kalcijev hidrogenfosfat dihidrat, oktakalcijev fosfat i/ili apatiti. Pri sličnim uvjetima prezasićenosti, u sustavima kalcijevih karbonata nastaje pretežito vaterit, dok je samo u uskom području taložnog dijagrama nastala smjesa vaterita i kalcita.

Brončani kip koji predstavlja Apokiomena "izvučen" iz Jadranskog mora nakon 2000 godina predstavlja pravi izvor informacija o procesima koji se događaju na njegovoj površini od potapanja. Pracenje sadržaja odeđenih metala u ljušturicama morskih organizama koji su se kroz tisučljeća pričvršćivali na njegovu brončanu površinu daje uvid u procese biomineralizacije.

Mnogi živi organizmi, napose životinjski, formiraju mineralne strukture, biološki kontroliranim procesom poznatim kao biomineralizacija. Tako stvoreni materijali su prirodni organsko-anorganski kompoziti, pri čemu je neki od polimorfa kalcijeva karbonata jedna od češćih mineralnih komponenti. Tako se npr., ljuštura morskog puža Haliotis rufescens sastoji od kalcitnih i aragonitnih slojeva te u njih ugrađenih karakterističnih biopolimernih molekula za koje se pretpostavlja da su odgovorne za biomineralizaciju. U ovom je radu, istraženo djelovanje intersticijskog polipeptida izoliranog iz zelenog sloja ljušture morskog puža, GP, na proces spontanog taloženja polimorfa kalcijeva karbonata iz prezasićenih vodenih otopina. Pri tome su proučavana tri modelna sustava, različitih početnih prezasićenosti, u kojima je, posljedično, i početni mineraloški sastav taloga bio različit. U sustavu najniže prezasićenosti taložio je kalcit, dok je u sustavu više prezasićenosti inicijalno taložila smjesa kalcita i vaterita. U sustavu koji je po sastavu glavnih anorganskih komponenti podražavao plaštenu tekućinu (morsku vodu), taložio je isključivo aragonit. Analizom kinetičkih podataka procesa taloženja te rentgenskom analizom, FT-IR spektroskopijom, svjetlosnom konfokalnom mikroskopijom i pretražnom elektronskom mikroskopijom je utvrđeno da dodatak GP, u proučavanim sustavima uzrokuje inhibiciju taloženja i promjenu morfologije kristala, što je posljedica, kako adsorpcije GP na plohe kristala, tako i njegove ugradnje u strukturu mineralne matrice.

Biomineralizacija je proces kojim organizmi stvaraju ili sudjeluju u stvaranju minerala. Prisutna je među različitim skupinama organizama, no, eventualne posljedice njenog postojanja u ekološkom kontekstu još uvijek nisu najjasnije. U ovom istraživanju je kao model za proučavanje utjecaja biomineralizacije na epifitsku faunu uzeta alga roda Chara čiji su primjerci skupljeni s dubina od 1, 5 i 10 metara u Prošdanskom jezeru koje se nalazi u sklopu sedrotvornog sustava NP Plitvička jezera. Analiza epifitske faune je pokazala visoku raznolikost, a njena brojnost je negativno korelirana s količinom taloga sedre na površini talusa. Analiza izotopa 13C i 18O taloga sedre je dala naslutiti da je sedra istaložena na površini talusa alge rezultat biološke aktivnosti, odnosno, fotosinteze, što podupire činjenicu da se na površini alge roda Chara događa proces biomineralizacije. Spektrofotometrijskim određivanjem količine fotosintetskih pigmenata u tkivu alge je uočeno smanjenje omjera klorofil a : klorofil b i povećanje omjera klorofil a : karotenoidi sa smanjenjem dubine jezera. To je najvjerojatnije rezultat aktivacije mehanizama za efikasnije iskorištavanje svjetlosti i zaštitu od potencijalno štetnog zračenja. Također, uočena je statistički značajna korelacija između količine fotosintetskih pigmenata i udjela sedre na površini talusa. Biomineralization is the process by which organisms create or participate in creating a mineral. It is widespread among different groups of organisms. However, consequences that this process has in ecological context are still not clear. Alga of genus Chara was the model organism in this research where effect of biomineralization on epiphitic fauna was studied. Alga was collected in Lake Prošde which is a part of tufa depositing system Plitvice lakes at depths of 1, 5 and 10 meters. Analysis of epiphitic fauna showed high diversity, and its abundance was negatively correlated with tufa deposits on the surface of the talus. Analysis of the isotops 13C and 18O of tufa deposits indicates that tufa deposits on the surface of the talus are a result of biological activity. Spectrophotometric measurements of the amount of photosynthetic pigments in algal talus showed decrease in the ratio chlorophill a : chlorophill b and increase in the ratio chlorophill a : carotenoids with decreasing depth of the lake. This is most likely a result of the mechanisms which tend to increase efficiency of light utilization and protect alga from potentially harmful radiation. Also, amount of photosynthetic pigments and amount of tufa deposited on algal surface showed statistically significant correlation.

Sipovina obične sipe (Sepia officinalis) je biomaterijal izvanrednih svojstava, sastavljen od aragonitnih septi s visoko poroznom strukturom koja omogućava regulaciju plovnosti životinje, a pritom održava i funkciju mehaničke potpore. Ovaj rad opisuje morfološke i strukturalne značajke složene biomineralne strukture sipovine na nanoskali i ukazuje na mehanizme njenog formiranja. Morfologija sipovine je ispitana primjenom pretražne elektronske mikroskopije visoke rezolucije (FESEM) i mikroskopije atomskih sila (AFM) dok su značajke njene kristalne strukture analizirane primjenom rendgenske difrakcije na prahu (XRD) i termogravimetrijskim mjerenjima (TG). Rezultati istraživanja potvrđuju značenje ranije predloženog koncepta (Sondi et al.: Cryst. Growth Des 8, 433 ; Biomimetics, Learning from Nature/Amitava Mukherjee (ur.), In- Tech, pp 241-255 ; J. Colloid Interface Sci. 354, 181) u izučavanju procesa formiranja biomineralnih struktura nekih morskih organizama koji se temelji na inicijalnom formiranju primarnih anorganskih nanočestica i njihovom orijentiranom agregacijom u visokoorganizirane strukture submikrometarskih i mikrometarskih dimenzija.

Biomineralizacija je proces kojim organizmi stvaraju ili sudjeluju u stvaranju minerala. Prisutna je među različitim skupinama organizama, no, eventualne posljedice njenog postojanja u ekološkom kontekstu još uvijek nisu najjasnije. U ovom istraživanju je kao model za proučavanje utjecaja biomineralizacije na epifitsku faunu uzeta alga roda Chara čiji su primjerci skupljeni s dubina od 1, 5 i 10 metara u Prošdanskom jezeru koje se nalazi u sklopu sedrotvornog sustava NP Plitvička jezera. Analiza epifitske faune je pokazala visoku raznolikost, a njena brojnost je negativno korelirana s količinom taloga sedre na površini talusa. Analiza izotopa 13C i 18O taloga sedre je dala naslutiti da je sedra istaložena na površini talusa alge rezultat biološke aktivnosti, odnosno, fotosinteze, što podupire činjenicu da se na površini alge roda Chara događa proces biomineralizacije. Spektrofotometrijskim određivanjem količine fotosintetskih pigmenata u tkivu alge je uočeno smanjenje omjera klorofil a : klorofil b i povedanje omjera klorofil a : karotenoidi sa smanjenjem dubine jezera. To je najvjerojatnije rezultat aktivacije mehanizama za efikasnije iskorištavanje svjetlosti i zaštitu od potencijalno štetnog zračenja. Također, uočena je statistički značajna korelacija između količine fotosintetskih pigmenata i udjela sedre na površini talusa.

Biomineralizacijom oklopa školjaka nastaju prirodni biokompozitni materijali izuzetnih mehaničkih i kemijskih svojstava, u kojima mineralnu komponentu čine neki od polimorfa kalcijeva karbonata (CaCO3). Tijekom tog procesa ključnu ulogu imaju kiseli glikoproteini bogati glutaminskom (Glu) i asparaginskom kiselinom (Asp). S nakanom rasvjetljavanja uloge prirodnih polipeptida tijekom nastanka tih izuzetnih biokompozitnih materijala provedeni su pokusi u kojima je istraženo djelovanje poli-L-asparaginske kiseline (pAsp), poli-L-glutaminske kiseline (pGlu) i poli-L-lizina (pLys) na spontano taloženje CaCO3. Pri tome, pAsp i pGlu podražavaju ulogu prirodnih, kiselih, proteina u procesima biomineralizacije oklopa školjaka dok pLys služi kao kontrola. Kao modelni sustavi odabrani su sustav niže početne prezasićenosti (1), u kojem je spontano taložio isključivo vaterit te sustav više početne prezasićenosti (2) u kojem je spontano taložila smjesa kalcita i vaterita. Dodatak pGlu i pAsp, u sustav (1) uzrokovao je značajnu inhibiciju nukleacije, dok je u sustavu (2) osim inhibicije uzrokovao i promjenu morfologije te sastava taloga. S porastom koncentracije pAsp i pGlu smanjivao se maseni udio kalcita, što je moguće objasniti jačim vezanjem kiselih polipeptida na površinu kalcita nego na površinu vaterita te jačom inhibicijom nukleacije i rasta kristala kalcita. Pri tom se inhibicijsko djelovanje polipeptida smanjivalo u nizu: InhpAsp > InhpGlu >> InhpLys [Ref: Njegić–Džakula, B., Falini, G., Brečević, Lj., Skoko, Ž., Kralj, D., J. Colloid Interface Sci. 343 (2010) 553-563].

Biomineralization processes offer a wide variety of biomineral structures of unique morphological and surface properties. It is well accepted that different organics, mostly peptides, proteins and polysaccharides play a significant role in initial crystallization and growth of carbonate solids. Several studies have shown that even the small differences in their amino acid sequence can govern the formation of different calcium carbonate polymorphs with unusual hierarchically organized morphologies. The best way to understand this process is to study the specific molecular interaction between their functional groups and inorganic building units. Recently, a novel approach designated as a particle-mediated, nano-scale, aggregation route was found much more spread in the nature than it has been previously assumed ; the new examples of its significance in the carbonate crystalline particles formation are still emerging. As an example of the aggregation process, the role of the biomimetic precipitation of calcium carbonate solids in a laboratory and formation of bio- inorganic structures in corals is presented. These processes, based on the same principle, were found to be similar, but in natural system are much more sophisticated. With increasing of our knowledge on how biomineralization mechanisms work, we can build new strategies for the synthesis of precipitates that can serve us in many different fields.

Biomineralizacijom ljuštura školjaka nastaju prirodni biokompozitni materijali izuzetnih mehaničkih svojstava, pri čemu je utvrđeno da je u tom procesu ključna uloga kiselih glikoproteina, bogatih glutaminskom (Glu) i asparaginskom kiselinom (Asp). Kako bi u laboratorijskim uvjetima proučili mehanizam nastajanja takvih izuzetnih biokompozitnih materijala, u kojima mineralnu komponentu čine neki od polimorfa kalcijeva karbonata (CaCO3), rađeni su pokusi spontanog taloženja te taloženja iniciranog dodatkom kristalnoga sjemena polimorfa CaCO3, kalcita i vaterita, uz dodatak poli-L-asparaginske kiseline (pAsp), poli-L-glutaminske kiseline (pGlu) ili poli-L-lizina (pLys). Pri tome, pAsp i pGlu podražavaju ulogu kiselih, prirodnih, glikoproteina u procesu biomineralizacije. Kao modelni sustavi odabrani su (a) sustav niže početne prezasićenosti, , u kojem je spontano taložio isključivo vaterit te (b) sustav više početne prezasićenosti, u kojem je spontano taložila smjesa kalcita i vaterita. U sustavima u kojima je proučavano spontano taloženje kalcijeva karbonata, utvrđeno je da dodatak pGlu i pAsp u sustav (a) uzrokuje značajnu inhibiciju nukleacije, dok je u sustavu (b) osim inhibicije, dodatak kiselih polipeptida uzrokovao i promjenu morfologije te sastava taloga. S porastom koncentracije pAsp i pGlu smanjivao se maseni udio kalcita, što je objašnjeno jačim vezanjem kiselih polipeptida na površinu kalcita te jačom inhibicijom nukleacije i rasta kristala kalcita. Kinetički parametri te utvrđeni mehanizmi kristalnoga rasta, ukazuju da se rast kalcita i vaterita zbiva na spiralnoj dislokaciji te da je integracija konstitucijskih iona u kristalnu rešetku najsporiji proces. Dodatak pAsp ili pGlu uzrokuje inhibiciju rasta kristala, no također i promjenu mehanizma, tako da je rast kontroliran površinskom nukleacijom.

U prvom dijelu ovog pregleda prikazali smo sličnosti i razlike između fiziološke i patološke biomineralizacije, tj. nastajanja kostiju i zubi, osteoartikulame i zubne patologije, te urolitijaze. Pojednostavljeno možemo ove procese smatrati taloženjem ionskih kristala iz otopina visoke ionske jakosti na i/ili unutar organske matrice. Prisutnost ili manjak promotora ili inhibitora kristalizacije u svim su slučajevima od izuzetne važnosti. Međutim, dok je fiziološka mineralizacija strogo biološki kontrolirana, urolitijaza je uglavnom kontrolirana fizičko-kemijskim faktorima kao sto su prezasićenost urina, pomanjkanje inhibitora kristalizacije i agregacije, itd. U drugom dijelu preglednog rada opisana su fizičko-kemijska istraživanja, izvedena zbog boljeg razumijevanja procesa biomineralizacije. Konstruirani su taložni dijagrami za sustave kalcij i magnezij fosfata, kalcij oksalata, mokraćne kiseline, te natrij i kalcij urata za slučaj taloženja iz otopina visoke ionske jakosti u biološki relevantnim uvjetima. Prikazan je generalni taložni dijagram kalcij fosfata sa granicom taloženja i granicom između područja, gdje kristali nastaju direktnim rastom i onim gdje nastaju putem transformacije prekusorske faze. Istraživanja kinetike taloženja prikazana su dijagramima, koje možemo interpretirati u smislu sukcesivnih ili paralelnih taložnih procesa, kao što su nukleacija, kristalni rast i agregacija. Kinetičkom studijom fazne transformacije amorfnog kalcij fosfata (ACP) u oktakalcij fosfat i/odn. apatit pokazali smo, da makromolekule, kao što su poli-L-glutamat i poli-L-lisin mogu imati dvostruko djelovanje, tj kada su prisutne u niskoj koncentraciji djeluju kao promotori, a u visokim koncentracijama kao inhibitori sekundarnog taloženja kristalne faze na površini amorfnih čestica. U trećem dijelu pregleda opisana su primijenjena interdisciplinarna istraživanja. Razrađene su tri kemijske metode za testiranje inhibitorskog potencijala nerazrijeđenog urina. Metode su jednostavne i pogodne su za primjenu u kliničkim laboratorijima za razlikovanje urina pacijanata s urolitijazom od urina zdravih osoba. U posljednje vrijeme pripremljene su nove vrste organsko - anorganskih kompozita. kao presvlake za bioinertne metalne implante. Postupak pripreme uključuje „in situ” rast kristala kalcij fosfata unutar organsko - anorganske matrice (anorganska komponenta je ACP), koja je ranije adsorbirana na metalnu površinu. Tako pripremljene presvlake čvrsto prianjaju uz površinu supstrata i imaju izvrsna biološka svojstva, što smo provjerili „in vitro” i „in vivo” biološkim testovima., In the first part of this review similarities and differences between physiological and pathological biomineralization (bone and tooth formation, osteoarticular and tooth pathologies, urolithiasis) are discussed. Both processes may be seen as the deposition of ionic crystals from high ionic strength solutions upon / within a preformed organic matrix and the presence or deficiency of crystallization promoters or inhibitors plays a decisive role. However, while physiological mineralization is strictly biologically controlled, urolithiasis is more likely driven by physicochemical factors, such as urinary supersaturation and lack of inhibitors of crystallization and aggregation. In the second part of the review physicochemical research, performed to facilitate understanding ot biomineralization processes is described. It comprises precipitation diagrams for calcium and magnesium phosphates, calcium oxalates, uric acid, sodium and calcium urates, precipitating from high ionic strength solutions at biologically relevant conditions. Here we present a general precipitation diagram of the calcium phosphate system, in which the precipitation boundary and the boundary between the regions of direct crystallization and crystallization via precursor phases are defined by the mean ion activity products and the pH. Kinetic diagrams of spontaneously precipitating systems are represented, which may be interpreted in terms of subsequent or parallel precipitation processes, such as nucleation, crystal growth and aggregation. The dual role of macromolecules, poly-L-glutamate and poly-L-lysine, as crystallization promoters and/or inhibitors is demonstrated by a kinetic study of the phase transformation of amorphous calcium phosphate, ACP, into octacalcium phosphate and/or apatite. It is shown that the polyelectrolytes at low concentrations induce and at higher concentrations inhibit secondary precipitation of the crystalline phase. In the third part of the review applied interdisciplinary research is described. Three chemical methods for testing the inhibitory potential of whole urine were developed. The methods are simple and can be used in a clinical laboratory for discrimination between urines of calcium stone formers and healthy persons. Furthermore a new class of biomimetic organic inorganic composites, as coatings for bioinert metal implants was recently developed. The coating procedure involves “in situ’ growth of calcium phosphate crystals within an organic - inorganic matrix, the inorganic part being ACP. The coatings are tightly anchored to the substrate and exhibit excellent biological properties as verified by in vitro testing and animal experiments.

Minerali formirani biološki induciranim procesom mineralizacije tvore jezgru i rastu izvan stanice kao rezultat metaboličke aktivnosti organizma i kasnijih kemijskih reakcija koje uključuju produkte metabolizma. BIM je posebno značajan za bakterije koje žive u anaerobnim uvjetima uključujući i dubokomorska staništa, ili u oksično-anoksičnim slojevima. Uzrok preživljavanja bakterija u anaerobnim uvjetima je u tome što koriste sulfide za proces disanja i/ili različite metale kao što su željezo (terminalni akceptor elektrona u transportu elektrona). Minerali nastali djelovanjem bakterija, u jednom ili drugom obliku, mogu biti korisni biomarkeri (indikatori prošlog života) kada ostali ostaci stanica ili drugi indikatori tih procesa više nisu evidentni. Minerals that are formed by biolgically induced mineralization processes, generally nucleate and grow extracellulary as a result of metabolic activity and chemical reactions involving metabolic byoproducts. BIM is especially significant for bacteria in anaerobic habitats including deep subsurface sites, or oxic-anoxic interfaces. This s because under anaerobic conditions many bacteria respire involving sulfate and sulfides of various metals, including iron terminal electon acceptors in electron transport. Bacterially-formed minerals may be useful as a biomarcers (indicators of past life) when other remains of the cell or indicators of the presence of the cell are no longer evident.

Opisani su procesi koji se javljaju pri fosilizaciji kao rezultat geokemijskih uvjeta u okolišu za vrijeme tafonomskih i ranodijagenetskih promjena na ostacima organizma. Posebna pažnja posvećena je utjecaju biomineralizacije i aktivnosti bakterija na geokemijsku mikrosredinu vezanu uz fosilizaciju i ostale mineralizacije vezane uz okoliš. Opisane su sulfidne, željezno-karbonatne, oksidne, silikatne i fosfatne mineralne asocijacije koje se javljaju vezane za fosile i okoliš. Na osnovi fizikalno-kemijskih zakonitosti stabilnosti originalnih minerala sačuvanih u skeletnim dijelovima, ili njihovih alteracija, tumačeni su uvjeti u okolišu za vrijeme odvijanja tih procesa. Rezultati su primjenjivi u rješavanju paleoekološke ili ekološke problematike na raznim lokalitetima sa okolišnom problematikom.

Metodama rendgenske difrakcije (RTG), energetske analize spektara (EDS), transmisijske elektronske mikroskopije (TEM), pratili smo pojavljivanje kristalnih faza u uzorcima Aplysia punctata (A.p.) starosti 1 do 24 dana. Morfološke promjene koje se događaju prilikom razvoja opažane su u prethodnim radovima rasterskim elektronskim mikroskopom i EDS-om. Potanje su ispitivani uzorci 9 dana stari, koji su bili amorfni prema rendgenskoj difrakciji. Transmisijskom elektronskom mikroskopijom i difrakcijom, grijanjem uzoraka u elektronskom mikroskopu, uočeni su prvi kristalići faza dolomita i aragonita. Prema našim opažanjima biomineralizacija ove vrste morskog zekana (A.p.) odvija se prijelazom amorfnih faza koje sadrže Mg i Ca u dolomit i aragonit.

This work is a continuation of the previous work reported at the 16th Croatian-Slovenian Crystallographic Meeting. Transmission electron microscopy (TEM), SAED and HRTEM were used in order to find and locate starting biominerals in the early embryos of the sea hare species Aplysia punctata. The former results obtained by scanning electron microscopy (ESEM) with energy dispersive X-ray analysis (EDS) showed morphological changes during development of numerous (about 40 in each capsule) embryos incorporated in a jelly-like egg-string immediately after deposition on the substratum ( in a form of a spaghetti-like tissue ) until hatch of the veliger larvae. Diffraction patterns of A. punctata embryos confirmed that the very first aragonite mineral appeared 12 days after egg-strings deposition. Fully formed aragonite crystals were recorded in more developed embryos even before hatching, which occurred 23 days after deposition. The same series of powdered samples of egg-strings and embryos were also used for TEM, SAED and HRTEM investigation. A special attention was paid to the sample of 9 days old embryos that appeared amorphous for XRD. During observation of the amorphous area by TEM, the appearance/precipitation of first grains of a nanocrystalline phase was marked showing a strong reflection in SAED. This precipitation of the first nucleated phase was induced by the electron beam in the amorphous area. Three separate regions were analyzed in order to give confidence of distribution of crystallographic phases. At higher magnification (area of 100x100 nm2), after disappearance of the amorphous area, layers of monocrystalline dolomite in [010] orientation were seen by SAED. In all regions nanocrystalline diffraction rings of calcite or aragonite were observed. It could be presumed that in A. punctata biomineralization process starts by formation of the dolomite crystals which serve as centers of crystallization for further aragonite deposition in the larval shell.

Biominerali - čvrste strukture organizama osnova su i potpora mekom tkivu (npr. kosti u sisavaca, ptica, riba), ili im služe kao zaštita (npr. ljušture školjkaša i puževa) od okolnih uvjeta i predatora. Biominerali nastaju procesima biomineralizacije – nizom fizioloških i morfoloških promjena koje započinju u ranom embrionalnom razvoju i odvijaju se tijekom čitavog životnog ciklusa organizma. Biomineralizacija – nastanak i pretvorbe biominerala ovise o genetskim osobitostima organizama i o uvjetima okoline u kojima organizam živi. U predavanju se opisuje početak stvaranja biominerala tijekom embrionalnog i ličinačkog razvoja školjkaša i nekih drugih morskih organizama, te utjecaj okoliša i onečišćenja na procese biomineralizacije odraslih školjkaša. Prikazuju se tehnike poticanja organizama na izlučivanje biominerala koji imaju primjenu u farmaceutskoj industriji (za proizvodnju lijekova) i u medicini (kao nadomjestak oštećenih dijelova ljudskih kostiju).

Mjerenja su pokazala da je kod embrija aktivnost ugljične anhidraze najviša neposredno prije stvaranja kristala aragonita i kvarca. Uzorci embrija i ličinki sadrže kristale kalcita, aragonita, kvarca, halita te struvita.

Kristalizacija predstavlja prvu fazu u stvaranju kamenaca koja se može definirati i kao patološka biomineralizacija. Važnost ovih procesa te nijhovo istraživanje dovodi do boljih saznanja o nastanku samog kamenca.

U ovom radu opisana je, konceptualno gledajući, nova metoda precipitacije polimorfa kalcijevog karbonata katalitičkom dekompozicijom uree na povišenoj temperaturi i primjenom enzima ureaze na sobnoj temperaturi. Struktura i morfologija dobivenih precipitata analizirane su pretražujućim elektronskim mikroskopom i rentgenskom difrakcijom. Može se zaključiti da je na formiranje različitih polimorfa kalcijevog karbonata na povišenoj temperaturi uglavnom utjecalo starenje i način miješanja reakcijskim otopina tijekom precipitacije. Konačno, ovaj rad je potvrdio da su makromolekule enzima važan faktor u oblikovanju ploha kalcita i kao takve imaju značajan utjecaj na morfologiju kalcita.

Randgenskom difrakcijskom analizom istraživani su procesi biomineralizacije kamenica Ostrea edulis i dagnji Mytilus galloprovincialis i Mytilus edulis. Analizirani su uzorci kamenica tijekom inkubacijskog perioda (embrionalni razvoj i rast ličinki), razvijenih veliger ličinki sakupljenih iz planktona, te ličinki prihvačenih na kolektore. Određen je mineralni sastav i fazne promjene tijekom stvaranja prve organske ljušturice prodisokonh I trohofore, rast prodisokonh II ljušturice veliger ličinki, nastajanje disokonh ljušture u preocesu metamorfoze, te mineralni sastav mladih i odraslih školjkaša. Odrasle dagnje Mytilus galloprovincialis i M.edulis su poticane na mriještenje termo-mehaničkim i kemijskim metodama. U laboratoriju je praćen razvojembrija i rast ličinki do potpunog formiranja prodisokonh II sloja veliger ličinki (M.edulis) i do razvijenih pediveliger ličinki pred prihvat (M.galloprovincialis). Mjerena je aktivnost enzima ugljične anhidraze u embrijima, ličinkama i tkivima odraslih dagnji M.edulis, te prikazan utjecaj aktivnosti enzima na procese biomineralizacije ličinki i odraslih školjkaša. U kamenica O.edulis prva organska ljušturica prodisokonh I pojavlčjuje se u stanju kasne gastrule (veličine od oko 100 mikrona). Mineralizacija tog sloja započinje izlučivanjem prvih kristala kalcita, koji služe kao centri kristalizacije drugoj mineralnoj komponenti ljušturice, aragonitu, a završava pri podjednakim udjelima aragonita i organske komponente, kod veličine veliger, ličinki od 140 do 150 mikrona. Naglim porastom udjela aragonite na gotovo 100%, i nastajanjem prodisokonh II sloja, (pri veličini veliger ličinki od 180 do 190 mikrona), završava inkubacijski period i ličinke kamenica nastavljaju život u planktonu. Tijekom planktonskog perioda života ličinke kamenica rastu (od 200 do 300 mikrona), ljušture im se mijenjaju morfološki, ali im mineralni sastav ostaje isti. Nakon prihvata za čvrstu podlogu i pri podjednakim udjelima kalcita i aragonita, započinje proces metamorfoze. Završetak metamorfoze pediveliger ličinke u mladu kamenicu označen je stvaranjem disokonh ljušturice izgrađene uglavnom od kalcita, dok se aragonit pojavljuje kao sastavni dio rožnatog ligamenta i na mjestu gdje je mišić zatvarač pričvršćen za ljušture. LJušture odraslih kamenica imaju isti mineralni sastav kao i ljušture mladih kamenica. Dagnje M. galloprovincialis i M.edulis neposredno nakon oplodnje (prije i nakon prve diobe) pokazuju prisutnost minerala kalcita i kvarca u udjelima od oko 1%. U kasnijim embrionalnim i ličinačkim razvojnim fazama procesi biomineralizacije dagnji slični su kao i u kamenica O.edulis. Veliger ličinke dagnji M.edulis , imaju potpuno formiran prodisokonh I sloj 52 sata, a prodisokonh II sloj 72 sata nakon oplodnje. Ljušture tek prihvaćenih pediveliger ličinki dagnji M.galloprovincialis prije metamorfoze (veličine oko 400 mikrona), kao i mladih dagnji nakon metamorfoze (veličina 1200 mikrona), izgrađene su od aragonita (60%), kalcita (30%) i organske komponente (10%), za razliku od odraslih dagnji u čijim ljušturama prevladava kalcit (75 %), a aragonit se pojavljuje u udjelima od 25 %. Odrasle dagnje M.edulis imaju drugačiji mineralni sastav ljuštura. Aragonit je prisutan u udjelima od 60 %, a kalcit u udjelima od 40 %. Pediveliger ličinke dagnji M.galloprovincialis pred prihvat izgrađene su od kalcij karbonata monohidrata, koji do sada nije zabilježen kao sastavni dio ljuštura školjkaša. Isto tako nije zabilježeno u literaturi da trohofore i ljušture veliger ličinki dagnji M.edulis dobivene nakon poticanja odraslih školjkaša na mriještenje barij kloridom, pokazuju prisutnost minerala barita, gipsa, halita, dolomita i nedefinirane komponente u udjelima od tragova do 20 %. Aktivnost enzima ugljične anhidraze utječe na proces biomineralizacije školjkaša. Svaki put nakon povećane aktivnosti enzima u embrionalnim i ličinačkim razvojnim stadijima dagnji M.edulis odvijaju se bitne fiziološko- morfološke promjene povezane s kalcifikacijom i mineralizacijom ili promjene mineralnog sastava i faznih udjela komponenti u ljušturama. Izmjerene aktivnosti enzima u gonadnom tkivu i plaštanom epitelu, ukazuju na stabilnost procesa mineralizacije ljuštura odraslih dagnji.

Sintetičke lipidne vezikule, lipozomi, su korišteni kao modelne membrane za izučavanje mineralizacije kalcij-fosfata. Kinetika nastajanja mineralne faze praćena je u vodenim suspenzijama anionskih lipozoma, koji su sadržavali visoku koncentraciju kolesterola i različite fosfolipide, te u modelnim lipozomima, čiji je sastav odgovarao lipidnom sastavu membrane vezikula matriksa. Rezultati istraživanja pokazuju da lipidni sastojci membrana utječu na taloženje kalcij-fosfata u lipozomnim suspenzijama na najmanje 3 načina: (1) kontroliranjem transporta kalcijevih iona kroz membrane, (2) usporavanjem prodiranja intralipozomalno nastalih kristala u medij izvan lipozoma i (3) inhibicijom ekstralipozomalne mineralizacije. Uz 50 mM enkapsuliranog topljivog anorganskog fosfata i u prisutnosti ionofore, kolesterol značajno utječe na kinetiku taložnog procesa. Inhibicija intralipozomalnog taloženja je u sustavima višeg sadržaja kolesterola rezultat djelovanja njegovih nefleksibilnih molekula, koje čine membranu znatno rigidnijom. Utjecaj kolesterola na transmembranske procese ne mijenja se ugradnjom različitih fosfolipida u lipozomalne membrane., Artificial lipid vesicles, liposomes, are used as a model for examining membrane-mediated calcium phosphate mineralization. Applying different procedures and techniques, the kinetics of mineral formation are followed in aqueous suspension of anionic liposomes containing high levels of cholesterol, different phospholipid — cholesterol compositions and model liposomes with matrix vesicle-like compositions. Results of the study show that membrane lipid constituents can affect calcium phosphate precipitation in liposome suspensions at least in 3 ways: (1) by controlling transmembrane transport of calcium ions, (2) by delaying the release of intraliposomally formed seed crystals into the external medium and (3) by inhibiting further growth of seed crystals once they come into contact with the external solution. With 50 mM encapsulated phosphate and in the presence of ionophore, cholesterol significantly affected the mineralization kinetics. Inhibition of ionophore-mediated intraliposomal mineral formation could be related to the inflexible cholesterol molecules making the liposomal membrane more rigid. Interference of cholesterol with the membrane transport processes necessary for endogenous precipitation in liposomes containing different anionic components is not compromised by the specificic phospholipid incorporated in the membrane.