彭明棟, 曹 瑞, 唐 敏, 商 群, 王超超, 陳 新

(1. 海南大學 材料與化工學院, 海南 ?？?570228; 2. 海南大學 熱帶島嶼資源先進材料教育部重點實驗室,海南 海口 570228; 3. 中國農業(yè)大學 動物醫(yī)學院, 北京 100083; 4. 海南大學 農學院, 海南 ?？?570228)

生長在不同基底材料上的網紋藤壺底板形貌結構比較

彭明棟1, 曹 瑞3, 唐 敏2, 商 群1, 王超超4, 陳 新2

(1. 海南大學 材料與化工學院, 海南 ?？?570228; 2. 海南大學 熱帶島嶼資源先進材料教育部重點實驗室,海南 ?？?570228; 3. 中國農業(yè)大學 動物醫(yī)學院, 北京 100083; 4. 海南大學 農學院, 海南 ?？?570228)

通過觀察在不同材質表面上黏附的網紋藤壺底板的微觀結構, 發(fā)現不同的基底材料對網紋藤壺底板結構有明顯影響。在底板不同區(qū)域, 其微觀結構呈現多樣化, 這可能與底板處于不同形成期或與底板承擔的側壁鏈接、藤壺膠運輸等功能有關。網紋藤壺底板結構復雜性高、可塑性強, 這為藤壺適應嚴酷多變的海洋環(huán)境提供了必要的結構基礎。

網紋藤壺(Balanus reticulatusUtinomi); 底板; 基底材料

藤壺是一類常見的海洋污損生物, 環(huán)境適應性很強, 在世界海域廣泛分布, 給各種海事活動帶來嚴重危害, 是重點防污對象[1-2]。國內外對藤壺黏附的研究多集中在以下幾個方面, 如藤壺膠的生化及理化特征分析[3-4]、腺介幼蟲的初步黏附行為[5]、基底材料表面理化特征(如化學組成、疏水性、粗糙度、生物膜等)及生態(tài)因子對藤壺黏附的影響[2,6-7]等, 但對藤壺底板結構方面的研究很少[8]。藤壺通過底板黏附于基底,隨著藤壺個體的不斷蛻皮和生長, 底板面積一般由水平方向向四周擴大, 隨底板面積的增大, 藤壺的黏附強度也不斷增強[9]。此外, 藤壺膠自腺體分泌后, 主要通過毛細管作用, 經由底板上分布的通道到達底板和基底的界面[9], 可見藤壺膠的運輸和分布與底板結構密切相關[10]。網紋藤壺(Balanus reticulatus)屬暖水性種,適應性強, 發(fā)育快, 在熱帶和亞熱帶海域可周年繁殖,常成為一些海域污損生物群落的優(yōu)勢種[2,11], 在海口近岸周邊海域的潮間帶廣為分布。本試驗采集自然海域中附有網紋藤壺的竹質材料、聚丙烯腈纖維材料、普通燒結磚質材料及表面為防污涂料的鋼板, 通過觀察研究藤壺底板及其界面的微觀結構特征, 分析了基底材料對藤壺底板的影響。期望通過藤壺底板的研究, 進一步了解藤壺在不同基底環(huán)境條件下的黏附行為及其調節(jié)機理,為防污工作提供新的思路和理論基礎[12-13]。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料

在海南海甸島(20°1' N, 110°19' E)潮間帶的自然海域(28℃; 鹽度, 33‰; pH 7.8), 采集附有網紋藤壺的實驗材料, 包括天然竹質材料、燒結普通磚材料、聚丙烯腈纖維材料及表面為防污涂料的鋼板。將采集的各種材料帶回實驗室經過處理, 用于試驗。

1.2 實驗方法

1.2.1 試驗樣品制備

將附有藤壺的各種材料從海水中拿出后, 用新鮮海水清洗干凈藤壺及材料表面。選正常生長的網紋藤壺作為研究對象, 其底板直徑約為10～12 mm。將選取好的藤壺從其基底表面小心取下, 保證藤壺正常黏附狀態(tài)時與材料表面的相對位置和結構的完整性。隨后清除藤壺內部臟器, 取底板, 用流水清洗干凈, 超聲波清洗2次, 每次10 min, 然后用蒸餾水潤洗3遍。置于80℃烘箱烘干后待用。

1.2.2 樣品表面微觀結構觀察

干凈的藤壺底板樣品完全干燥后, 經過真空鍍金(E-1010型離子鍍膜儀), 于掃描電子顯微鏡(日立S-4800)下觀察樣品表面形貌和結構特征。

2 實驗結果

本實驗發(fā)現網紋藤壺能夠以其底板牢固地黏附于竹質材料、燒結普通磚材料、聚丙烯腈纖維材料及表面為防污涂料的鋼板四種材料表面。個體較小的藤壺較易從竹質材料表面剝離下來, 其底板較薄;但較大個體不易從各種材料表面上剝落。裸眼觀察藤壺底板與四種材料的黏附表面, 發(fā)現界面界線明顯, 緊密無縫隙。在此, 把藤壺底板朝向軟組織的一側稱為內側, 而黏附基底材料表面的一側為外側。在掃描電鏡下進一步觀察, 發(fā)現藤壺底板的內、外側的微觀結構各具特征。

2.1 網紋藤壺生長在燒結普通磚質材料表面

磚質材料表面黏附的網紋藤壺很難與基底分離。較低倍數下, 發(fā)現在藤壺底板邊緣斷面上有規(guī)律地分布著間隔大致相等的圓形空洞, 其直徑約為1.0～1.5 mm。在低倍鏡下, 底板外表面顯得較為平整,但放大倍數較高時可見其表面形貌多樣, 有的區(qū)域較為粗糙, 間或出現寬窄不一的空隙, 局部堆積著形狀不規(guī)則的塊狀物(圖 1-a); 同時, 在底板表面還分布有直徑大小不一的圓形孔, 直徑約在3～5 μm, 孔壁光滑, 孔內顯示出其下層物質; 有些區(qū)域表面凹凸不平, 似膠狀物凝固后的形成, 間雜有不規(guī)則形狀的顆粒物質(圖1-b)。

圖1 黏附于磚質材料表面的網紋藤壺底板外側邊緣處局部表面形貌差異Fig. 1 The morphological difference between different parts of the outside edge of base plate of B. reticulatus adhering to the brick material

2.2 網紋藤壺在竹質材料表面

觀察網紋藤壺底板中心部分和節(jié)間竹稈壁界面的橫截面, 在低倍鏡下可見在竹纖維表面上緊密附有一層較平滑的連續(xù)膜狀物, 此為藤壺底板及其下的藤壺膠, 同時可見底板表面上有不規(guī)則分布的突起及空洞; 局部放大, 底板表面呈現水紋狀, 且凹凸不平; 藤壺底板及其下的藤壺膠厚大約10～15 μm(圖2-a)。觀察因機械力而導致藤壺底板與竹稈壁分離處的斷面, 可見底板的厚度不均一, 但底板中央部分質地致密均勻, 渾然一體。進一步局部放大發(fā)現底板斷面較粗糙, 而且在其表面和斷面上都分布有1 μm以下的孔洞(圖2-b)。

觀察網紋藤壺底板靠近邊緣處的內側, 可見其表面由大小不一、無規(guī)則形狀的塊狀物堆砌嵌合呈凹凸不平狀(圖2-b)。

圖2-a 黏附于竹稈壁表面的網紋藤壺底板橫截面Fig. 2-a The cross-section of the base plate of B. reticulatus adhering to bamboo material

2.3 網紋藤壺生長在聚丙烯腈纖維材料表面

網紋藤壺分泌的藤壺膠將底板緊密地黏附于聚丙烯腈纖維材料表面, 將纖維艱難地從底板剝離后,在掃描電鏡下觀察。較低倍數下可見藤壺底板與纖維的接觸面凹凸不平, 在中心部位有一類似圓形的孔洞, 直徑約2 mm。較高倍數下觀察發(fā)現, 膜狀平整區(qū)域是層狀物覆在細密顆粒表面上形成的, 推測膜狀平整區(qū)域可能是藤壺膠覆蓋區(qū)(圖 3-a), 其下底板表面為類似石鐘乳突起的大小不一的塊狀物或顆粒狀密集堆疊而成(圖 3-b), 顆粒之間可見分布有大小不一、形狀不規(guī)則的空洞開口。

圖 2-b 黏附于竹稈壁表面的網紋藤壺底板內側邊緣處局部表面形貌Fig. 2-b The morphology of the outside edge of base plate of B. reticulatus adhering to bamboo material

2.4 網紋藤壺生長在防污涂層表面

在防污涂料表面附著的藤壺較難剝離, 在顯微鏡下可見接觸防污漆的底板在邊緣呈明顯的分層現象, 即在兩層底板物質之間夾有一層較為疏松的黑褐色物質, 呈現獨特的“三明治”層狀結構(圖 4)。進一步觀察底板的超微結構, 發(fā)現各層的形態(tài)結構差別較大。外層板壁表面呈現出層片和顆粒物堆積的不規(guī)則排列形貌, 其間分布有開口大小不一的間隙(圖 5-a); 中間黑褐色物質存在的部分呈疏松蜂窩狀結構, 緊接著的下層按一定規(guī)則排列成較密集的網絡結構(圖5-b)。

3 討論

3.1 藤壺底板不同區(qū)域的表面形貌差異

圖3 生長在聚丙烯腈纖維表面的網紋藤壺底板外側形貌結構Fig. 3 The morphology of the outside edge of base plate of B. reticulatus adhering to the surface of Polyacrylonitrile fiber

圖4 生長在防污涂料上網紋藤壺底板形貌結構, 顯示分層特征Fig. 4 The base plate of B. reticulatus adhering on the antifouling paint, showing the laminated structure

正常生長的網紋藤壺(Amphibalanus reticulatus)底板為堅硬的生物鈣質化結構[9], 微觀構造復雜, 在底板不同區(qū)域, 底板內外側及內部微觀結構特征都呈現出明顯差異。

生長在竹質材料表面的藤壺底板內側, 靠近中央區(qū)域的底板致密, 渾然一體, 而靠近邊緣處的底板則呈現堆積的塊狀結構。藤壺自腺介幼蟲黏附于基底營固著生活開始, 其底板隨藤壺的生長而不斷向四周擴延[9]。因此, 在藤壺附著后的生長發(fā)育階段,藤壺底板圍繞著其初始黏附點, 一直處于一個不斷更新和擴建的過程, 從藤壺底板不同區(qū)域的微觀結構差異可反映出這個特征。不斷擴大的底板和積累的藤壺膠使藤壺的黏附強度隨藤壺生長時間的增加而加強。故推測, 邊緣處的底板可能因為形成期較短, 堆積塊狀物在結構上還未形成如中央部分的致密整體結構。

從橫截面上進一步觀察藤壺底板內部結構的特征, 在底板邊緣處的橫截面上明顯可見分布較規(guī)則的孔腔結構, 其截面呈橢圓形, 500 μm左右, 長徑與邊緣平行, 這與Sangeetha 和Ravi[8]所觀察到的情況非常類似, 只是此處在磚質材料表面觀察到的孔間距較大。推測底板邊緣出現的這些空腔結構一方面可能加強底板與側板的鏈接, 另一方面可能也參與或輔助藤壺膠的運輸和分布[8]。而在藤壺底板中央部分橫截面上分布的只有直徑約5 μm的圓形空腔孔洞,研究發(fā)現藤壺鈣質底板分布有用以運輸藤壺膠質的微導管[6], 故推測藤壺膠從分泌腺分泌后, 底板的孔腔結構可能作為運輸通道, 使藤壺膠在一定的時間內可順利到達底板與基底的空隙。

圖5 生長在防污涂料表面的網紋藤壺底板外側形貌結構Fig. 5 The morphology of the outside edge of base plate of B. reticulatus adhering to the surface of the antifouling paint

3.2 黏附于不同基底材料的藤壺底板表面形貌差異

通過觀察實驗中四種基底材料上附著藤壺底板,發(fā)現在不同的基底材料表面上底板的微觀形貌結構差異較大。

竹質材料表面黏附生長的藤壺底板較平整, 聚丙烯腈纖維上的藤壺底板凹凸不平, 溝壑交縱。顯然,聚丙烯腈纖維非常不規(guī)整的表面作為藤壺黏附基底,直接導致了不規(guī)則的底板結構形成, 生長在聚丙烯腈纖維表面的藤壺底板外側表面形貌呈塊狀和細密顆粒結構, 底板和黏附基底之間的藤壺膠表面亦凹凸不平。此外, 底板與基底材料的結構在界面高度吻合, 可推斷藤壺底板在形成初期具有一定的可塑性,藤壺膠在抵達目的地固化前流動性和滲透性較強,因此藤壺膠能較充分地滲入一些多孔基底材料表面以下的微細空腔結構中, 有利于增加藤壺底板與黏附基底表面的結合強度。

比較在磚質和竹質材料表面生長的藤壺底板,盡管其內側都分布有用以輸導藤壺膠的圓形孔腔,但孔徑大小相差約一個數量級。推測在底板形成時,磚質材料表面粗糙多孔的特征影響了底板的微觀結構, 致使其微導管的直徑變大, 以輸送較多藤壺膠于多孔的黏附基底, 加強底板在基底表面的黏附強度。

表面觀察正常生長在無防污涂料表面的藤壺底板,可見其整體為較均一、不分層的致密鈣化結構。而生長在防污涂層表面的網紋藤壺底板呈現出的獨特的“三明治”層狀結構。推測這種差異是由于在腺介幼蟲黏附初期和藤壺生長過程中, 受到涂料中防污活性物質的影響,與涂料接觸的底板在形成和發(fā)育過程中結構出現了異常變化, 體現在底板的微觀形貌與正常藤壺底板有明顯的結構差異。其影響機理還需進一步探索。

顯然, 為適應復雜的外部生存環(huán)境, 網紋藤壺的腺介幼蟲在選擇了一定特征的材料作為黏附基底后,不同表面特征的基底材料會影響藤壺底板的形貌結構?；讓μ賶氐装宓男纬杉捌涮賶啬z的分泌運輸有較強的調節(jié)作用。要認識基底材料對藤壺黏附及其生長的影響因素及其機理, 為防污材料的研發(fā)提供更有價值的參考資料, 還需今后進一步的深入研究。

[1] 黃宗國, 蔡如星. 海洋污損生物及其防除[M]. 北京:海洋出版社, 1984.

[2] 黃宗國. 海洋污損生物及其防除[M]. 北京: 海洋出版社, 2008.

[3] Kamino K, Inoue K, Maruyama T. Barnacle Cement Proteins. Importance of disulfide bonds in their insolubility [J]. The Journal of Biological Chemistry, 2000, 275 (35): 27360-27365.

[4] Sullan, R M A, Gunari N, Tanur A E, et al. Nanoscale structures and mechanics of barnacle cement [J]. Biofouling, 2009, 25 (3): 263-275.

[5] Phang Y, Aldred N, Clare A S, et al. Towards a nanomechanical basis for temporary adhesion in barnacle cyprids (Semibalanus balanoides) [J]. Journal of the Royal Society Interface, 2008, 5: 397-401.

[6] Lindner, E. The attachment of macrofouling invertebrates[C]//Annapolis MD. Marine Biodeterioration: An Interdisciplinary Study. US Naval Institute: Costlow, J.D., Tipper, R.C, 1984: 183-201.

[7] 張明明, 趙文, 于世超, 等. 我國海洋污損生物的研究概況[J].水產科學, 2008, 27 (10): 545-549.

[8] Sangeetha R, Ravi K. Construction and nanomechanical properties of the exoskeleton of the barnacle,Amphibalanus reticulates[J]. Journal of Structural Biology, 2011, 176: 360-369.

[9] Wiegemann M. Structure formation in barnacle adhesive[C]//Possart W, Wiegemann M. Adhesio: Current Research and Application. Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH &Co. KGaA, 2006: 143-156.

[10] Kamina K. Barnacle attachment. [C]//Smith A M, Callow J A. Biological Adhesives. Springer-Verlag Berlin and Heidelberg GmbH & Co. K., 2006: 146-166.

[11] 方芳, 嚴濤. 南海污損生物的研究現狀及展望[J]. 熱帶海洋學報, 2004, 23(1): 76-85.

[12] 周文木, 王孝杰, 胡碧茹, 等. 海洋污損生物黏附機制及防污涂層表面工程[J]. 應用化學, 2010, 27(9): 993-997.

[13] Raman S, Karunamoorthy L, Doble M, et al. Barnacle adhesion on natural and synthetic substrates: Adhesive structure and composition[J]. International Journal of Adhesion & Adhesives, 2013, 41: 140-143.

(本文編輯: 康亦兼)

Comparison of the base plate structure of barnacle adhered on different substrates

PENG Ming-dong1, CAO Rui3, TANG Min2, SHANG Qun1, WANG Chao-chao4, CHEN Xin2
(1. Faculty of Material and Chemical Engineering, Hainan University 570228, China; 2. Key Lab of Advanced Materials of Tropical Island Resources, Ministry of Education, Hainan University 570228, China; 3. College of Veterinary Medicial, China Agricultural University 100083, China; 4. College of Agriculture, Hainan University 570228, China)

May, 16, 2013

Balanus reticulatusUtinomi; base plate; substrate

In this paper, the microstructure of base plates ofBalanus reticulatuswhich adhered to different materials was studied. It was found that the microstructure of base plates showed different appearances on different substrates. So it is speculated that the substrate has a significant impact on the base plate structure. In addition, different texture features between the edge and center part of the same base plate was also found, which may be related to the function of base plate at different developing stage, such as the stabilization of lateral plates, and the transportion of barnacle cement. The results of this study shed light on the complexity and plasticity of barnacle base plates, which may provide evidence to the adaption of barnacles to the adverse environment variations.

P745

A

1000-3096(2014)04-0034-05

10.11759/hykx20130516001

2013-05-16;

2013-10-16

國家自然科學基金項目(31160098); 海南省自然科學基金項目(313104); 海南大學博士科研啟動基金項目(kyqd1046); 海南省高等學?？茖W研究項目(hjjg2013-05); 海南大學教育教學研究項目(hdjy1208)

彭明棟(1992-), 男, 本科生, 山東滕州人, 研究方向: 生物污損, E-mail: 23543920@qq.com; 陳新, 通信作者, 講師, 碩士,主要從事海洋污損方面的研究, E-mail: chenxincx@tom.com