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      材料表面正電性對(duì)舟形藻附著的影響

      2014-04-29 05:50:42李祥筑張敬迎李長(zhǎng)林劉佳斌王珺劉鐘馨于曉龍
      熱帶作物學(xué)報(bào) 2014年12期
      關(guān)鍵詞:硅藻

      李祥筑 張敬迎 李長(zhǎng)林 劉佳斌 王珺 劉鐘馨 于曉龍

      摘 要 利用單分子自組裝膜(SAMs)技術(shù),分別制備表面具有碳碳雙鍵、甲基、氨基及混合官能團(tuán)的表面膜層材料。研究表明:表面硅藻附著量是隨著時(shí)間變化而呈動(dòng)態(tài)變化,氨基的正電程度對(duì)舟形藻的附著有著重要影響。前H5內(nèi)氨基(0.4)的附著量最小,當(dāng)H12時(shí)氨基(0.4)附著量最大。材料表面的電負(fù)性和親疏水性共同影響硅藻的附著。甲基的附著強(qiáng)度最大,硅藻的附著強(qiáng)度與附著量并無(wú)直接關(guān)系。這不僅對(duì)探討硅藻細(xì)胞的附著行為有著意義,同時(shí)為研究應(yīng)用海洋生物防污提供一種有效的途徑。

      關(guān)鍵詞 單分子自組裝膜;硅藻;附著;脫附;靜電作用

      中圖分類(lèi)號(hào) R318.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

      海域中并非靠陸生植物生存的動(dòng)物世界靠著海洋植物提供物質(zhì)能量作為基礎(chǔ)進(jìn)行生命活動(dòng)。高度分化的高等植物由于受到生存環(huán)境因素的限制不可能像在陸地上那樣遍布海洋中,作為海洋植物主要成分的藻類(lèi),盡管是一群最簡(jiǎn)單、最古老的低等植物,它們的足跡卻可以在從熱帶到兩極的區(qū)域找到[1]。

      硅藻作為海洋浮游植物中重要的一類(lèi)群體,不僅僅是為世界貢獻(xiàn)著20%左右的初級(jí)生產(chǎn)力[2-3],且硅藻在海洋的物質(zhì)和能量循環(huán)過(guò)程(例如還海洋硅藻為海洋中固定有機(jī)碳占40%[4])中有著不可替代的作用[5-6];同時(shí)硅藻在仿生與合成、硅藻基因組學(xué)、污染與干擾等方面起著重要作用[7-8]。近年來(lái),細(xì)胞行為的研究已成為生物和生物醫(yī)用材料研究的熱點(diǎn)。大量研究[9-12]已證實(shí):細(xì)胞微環(huán)境中的細(xì)胞外基質(zhì)是影響細(xì)胞行為的重要原因。利用單分子自組裝膜技術(shù)形成具有單一化學(xué)基團(tuán)的材料表面探討對(duì)硅藻細(xì)胞生命活動(dòng)的影響具有重要意義:它不僅對(duì)硅藻細(xì)胞自身的行為研究具有重要意義,同時(shí)通過(guò)對(duì)硅藻細(xì)胞自身的行為影響也可以為海洋生態(tài)保護(hù)及海洋污損的研究提供有效途徑。

      硅藻在固相表面的附著是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程,其一般包括到達(dá)表面后著陸、初始附著、滑行、永久附著四個(gè)步驟[13]。Maureen等[14]首次通過(guò)高分辨率顯微鏡詳細(xì)觀察滸苔(Enteromopha)孢子的著陸與附著的情況并且引入動(dòng)力學(xué)方法定量分析細(xì)胞附著。目前研究表明[15-19]對(duì)硅藻附著影響的因素有材料表面接觸角、粗糙度、表面能等。Li等[20-21]在研究材料表面能對(duì)硅藻的附著影響時(shí),認(rèn)為表面為羧基的材料與帶有負(fù)電的硅藻胞外分泌物(extracellular polymeric substances,EPS)有一定的靜電排斥作用,同時(shí)通過(guò)制備磷酸膽堿聚合物膜帶有一定的正電性研究對(duì)硅藻的附著影響,認(rèn)為這種正電性有利于硅藻的附著及提高附著強(qiáng)度,但對(duì)電負(fù)性影響硅藻的附著程度并未進(jìn)一步探討,且目前在對(duì)于材料表面電負(fù)性對(duì)硅藻附著及隨時(shí)間的影響研究較少。因此設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)制備出具有不同程度電負(fù)性的材料表面對(duì)硅藻的附著進(jìn)行研究便有了重要意義。本實(shí)驗(yàn)利用SAMs制備出表面能夠具有系列梯度的正電的材料表面探討硅藻附著情況。

      1 材料與方法

      1.1 材料

      1.1.1 化學(xué)試劑 (3-氨基丙基)三乙氧基硅烷(APTES,-NH2,98%)、三甲氧基(丙基)硅烷(PTS,-CH3,97%)、三乙氧基乙烯基硅烷(TVS,-C=C-,97%)為Sigma公司產(chǎn)品,環(huán)己烷為Fluka公司產(chǎn)品,其他試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純。

      1.1.2 植物材料 舟形藻(Navicula vilaplanii,Lange-Bertalot,1990)取自海南大學(xué)海洋學(xué)院。舟形藻(Navicula V.)采用F/2培養(yǎng)基培養(yǎng),光照強(qiáng)度為(2 500±500)lx,光照與黑暗時(shí)間比例為14 h ∶ 10 h。

      1.2 方法

      1.2.1 單分子自組裝膜制備 分別配制尾基為氨基、甲基、碳碳雙鍵的硅烷聯(lián)環(huán)己烷溶液(V有機(jī)硅烷 ∶ V聯(lián)環(huán)己烷=5 ∶ 100)。制備尾基為氨基、甲基及碳碳雙鍵的具體實(shí)驗(yàn)方法和步驟可參考相關(guān)文獻(xiàn)[22-23]。分別配置甲基和氨基混合官能團(tuán)硅烷溶液(V甲基 ∶ V氨基=0.2、0.4、0.6、0.8)。甲基和氨基的混合官能團(tuán)制備具體過(guò)程見(jiàn)參考文獻(xiàn)[15]。將表面官能團(tuán)化后的玻璃片分別用丙酮、無(wú)水酒精、去離子水依次清洗并在氮?dú)鈿夥障赂稍铩?/p>

      1.2.2 硅藻細(xì)胞附著與分析 分別將上述接枝后的玻璃片和空白玻璃片分別放置在7個(gè)硅藻培養(yǎng)皿中培養(yǎng)。等待24 h后分別于1、3、5、7、10、12 h取出玻璃片在光學(xué)顯微鏡(E-100,Nikon)下進(jìn)行隨機(jī)拍照8張并且觀察計(jì)數(shù)。

      1.2.3 硅藻脫附實(shí)驗(yàn) 模擬水流裝置:將1個(gè)100 mL的燒杯裝滿蒸餾水,然后將攪拌機(jī)轉(zhuǎn)子放入燒杯底部,并調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)數(shù)至200 r/min,形成水流的模擬環(huán)境,將玻璃片樣本在液面上層浸沒(méi)5 min。分別將接枝尾端為碳碳雙鍵、甲基、氨基及空白玻璃片放置在硅藻培養(yǎng)皿中培養(yǎng)3 h,然后取出玻璃片在光學(xué)顯微鏡下分別觀察計(jì)數(shù)在培養(yǎng)后的玻片及在模擬水流環(huán)境沖壓后的玻片樣本。

      1.2.4 接觸角測(cè)試及紅外光譜測(cè)試 分別將制備的表面為碳碳雙鍵、氨基和甲基以及空白玻片進(jìn)行接觸角(HARKE-SPCA,北京哈科)測(cè)試,其數(shù)據(jù)處理用內(nèi)置圖像分析軟件,每組樣本用去離子水滴定重復(fù)測(cè)試3次。將制備的表面含有碳碳雙鍵、甲基和氨基的玻片進(jìn)行傅里葉紅外光譜(Perkin Elmer,USA)測(cè)試。

      1.3 數(shù)據(jù)處理

      所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都是以兩因子試驗(yàn)方差分析處理。

      2 結(jié)果與分析

      2.1 接觸角測(cè)試結(jié)果

      以上幾種化學(xué)官能團(tuán)的玻片接觸角測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。表1中的接觸角數(shù)據(jù),碳碳雙鍵的疏水性最強(qiáng),甲基次之,而空白組和氨基的表面接觸角較小,親水性較強(qiáng)?;旌辖M官能團(tuán)的接觸角介于氨基和甲基之間。

      2.2 紅外光譜測(cè)試

      由化學(xué)官能團(tuán)的紅外圖譜圖1可看出,在1 100 cm-1處有較為明顯的特征峰,而此處峰值正是Si-O-Si鍵的特征峰。同時(shí)可以分別在2 960 cm-1和2 870 cm-1附近找到甲基的特征峰;在1 591 cm-1附近的氨基特征峰;在1 643 cm-1和911 cm-1附近有明顯的碳碳雙鍵的特征峰,說(shuō)明化學(xué)基團(tuán)都成功與基底連接。

      2.3 幾種化學(xué)官能團(tuán)的附著情況

      不同官能團(tuán)的硅藻附著量見(jiàn)圖2。由圖2可看出,氨基的附著量最大,而空白組次之,然后碳碳雙鍵的數(shù)量多于甲基組的附著量。其光學(xué)顯微鏡圖見(jiàn)圖3。氨基的附著量遠(yuǎn)大于甲基和碳碳雙鍵的附著量,除了因?yàn)榘被挠H水性有利于硅藻附著外,和空白組對(duì)比,氨基的接觸角大于空白組說(shuō)明還有其它因素在影響硅藻的附著。

      2.4 不同正電程度材料表面的附著情況

      不同官能團(tuán)的硅藻表面附著情況見(jiàn)圖4。由圖4可看出,在H1氨基官能團(tuán)上附著的硅藻最少,而甲基和空白組上的數(shù)量相差不大,混合官能團(tuán)上的數(shù)量較多,但是在混合氨基(0.4)處明顯較少。H3后氨基玻璃片上數(shù)量最多,除了混合氨基(0.4)依然最少,其他玻璃片上附著量相差不大。從H5到H7,氨基和甲基及空白組的硅藻附著數(shù)量較多,混合組上的數(shù)量比較少。而從H10到H12,甲基上附著量都較少,而含有氨基的組附著量整體上較多。

      硅藻附著量隨著時(shí)間變化見(jiàn)圖5。在圖5中,每種化學(xué)基團(tuán)的附著量都會(huì)隨時(shí)間延長(zhǎng)而變化。以H1附著量為基準(zhǔn),除了氨基組(0.4),其他組的變化趨勢(shì)基本上是先減少,特別是在H3到H5小時(shí)之間較為明顯,之后的時(shí)間段特別是H10到H12小時(shí)硅藻的附著量變化趨勢(shì)減小,由此說(shuō)明舟形的附著量是個(gè)隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程。同時(shí)在前H5內(nèi),舟形藻附著量的最小值在H1和H3及H5時(shí)刻都出現(xiàn)在氨基組(0.4),這說(shuō)明影響舟形藻附著還有其他因素,這其中可能與材料表面能和硅藻的生命活動(dòng)相關(guān)[24-27],值得進(jìn)一步深入研究。

      2.5 幾種化學(xué)官能團(tuán)的脫附情況

      對(duì)于硅藻的附著強(qiáng)度情況,從圖6可以計(jì)算出,甲基上的脫附率最高達(dá)到13.5%,空白組為12.1%,而氨基為9.2%,碳碳雙鍵為8.33%。硅藻的附著強(qiáng)度在甲基與空白組的差距并不大,而在氨基上明顯降低,硅藻在親水性材料表面的附著強(qiáng)度高于疏水性表面,這與Callow[19]觀察結(jié)果一樣,這可能不僅是由于極性化學(xué)官能團(tuán)氨基的正電在硅藻附著中的靜電吸引,同時(shí)可能由于硅藻的EPS含有帶有極性分子使得其在材料表面具有更大的接觸作用面積[16],即加強(qiáng)了硅藻與材料表面的相互作用從而增強(qiáng)附著強(qiáng)度。同時(shí)根據(jù)結(jié)果可以得到硅藻的附著量與附著強(qiáng)度并無(wú)直接關(guān)系。

      3討論與結(jié)論

      3.1 不同正電程度化學(xué)基團(tuán)對(duì)硅藻附著的影響

      雖然前人利用SAMs技術(shù)制備具有特定物理化學(xué)性質(zhì)的材料表面研究對(duì)硅藻的附著影響,但是多從材料親疏水性、摩擦系數(shù)、表面能等因素探討對(duì)硅藻附著的影響。很少有從材料表面所帶的正電性及帶電程度來(lái)研究對(duì)硅藻附著的影響。材料表面所帶的電性主要是通過(guò)與硅藻EPS的糖類(lèi)及蛋白質(zhì)相互作用從而影響硅藻的附著過(guò)程。硅藻的附著過(guò)程同時(shí)伴隨著硅藻的生命活動(dòng),正是由于硅藻的生命活動(dòng)影響著硅藻EPS的分泌及其含量,從而引起硅藻附著的變化。在實(shí)際水域環(huán)境中,硅藻的EPS中糖類(lèi)及蛋白質(zhì)含量的相對(duì)變化對(duì)于硅藻附著情況有緊密聯(lián)系。

      在圖4中,H1甲基和氨基(0.2)的附著量明顯多于氨基組的附著量,這種現(xiàn)象與Finlay等[15]人的結(jié)果保持一致,這主要是因?yàn)樵诠柙甯街跗谑杷饔肹19]。但是在這期間氨基(0.2)的組中數(shù)量最多,這說(shuō)明了氨基的在硅藻附著中也起了一定作用,理論上應(yīng)該隨著氨基的含量增高附著量遞減,但是結(jié)果表明氨基(0.2)組附著量最多,而在氨基(0.4)時(shí)最少。這說(shuō)明在硅藻附著初期,雖然在硅藻的附著過(guò)程初期疏水性占著主導(dǎo)作用,但是材料表面的正電性對(duì)硅藻附著量仍有重要影響,這可能是由于硅藻分泌的胞外多聚物(extracellular polymeric substances,EPS)中含有較多的含有羥基的酸性多糖帶有一定的負(fù)電性,靜電吸引導(dǎo)致氨基(0.2)處的附著量最多,但隨著氨基含量增多,正電性增強(qiáng),硅藻附著量并未呈逐漸增強(qiáng),此時(shí)是由于材料正電程度過(guò)高會(huì)影響硅藻細(xì)胞選擇附著位點(diǎn)。H3中氨基組的附著量又明顯多于甲基組及其混合組,說(shuō)明此時(shí)氨基的所帶的正電性有利于舟形藻的附著。H5中同樣有相似的現(xiàn)象,但是附著量組最小的組氨基(0.4)與最大組的差距逐漸減小,說(shuō)明正電性對(duì)舟形藻的附著影響程度開(kāi)始減弱,此時(shí)是由于材料表面親疏水性及電負(fù)性共同調(diào)節(jié)硅藻附著導(dǎo)致。H12時(shí)氨基組不再是最大附著量,氨基(0.4)成為附著量量最大組,但是氨基組和甲基組的附著量差距并不大,而此時(shí)甲基組與氨基(0.2)的差異也不大,這可能是由于氨基組(0.4)具有特定的表面能,從而有利于舟形藻的附著。

      3.2 時(shí)間對(duì)硅藻附著的影響

      前人在研究硅藻附著情況,基本上是選取某一個(gè)時(shí)間段,并未做較為連續(xù)時(shí)間段的硅藻附著情況。硅藻附著時(shí)間因素主要是由于硅藻的EPS的含量及成分會(huì)隨著時(shí)間變化而變化,而這些與硅藻附著有著不可分割的關(guān)系。本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果同樣說(shuō)明了硅藻附著量會(huì)因?yàn)闀r(shí)間變化而變化。硅藻脫附影響因素研究目前較多集中在材料表面親疏水性,對(duì)于其他因素的研究仍需深入探討。

      氨基的正電程度對(duì)舟形藻的附著有著重要影響。前H5內(nèi)氨基(0.4)的附著量最小,當(dāng)H12時(shí)氨基(0.4)附著量最大。材料表面的電負(fù)性和親疏水性共同影響硅藻的附著。甲基的附著強(qiáng)度最大,硅藻的附著量與附著強(qiáng)度并沒(méi)有直接關(guān)聯(lián)。這項(xiàng)工作對(duì)研究海洋生物防污中將有積極作用。

      致 謝 本研究承蒙海南大學(xué)海洋學(xué)院及熱帶島嶼資源先進(jìn)材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供技術(shù)支持,在此表示感謝!

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      責(zé)任編輯:葉慶亮

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