莫天寶, 徐洪強(qiáng), 何 京, 董迎輝, 林志華,

五種雙殼貝類貝殼微觀結(jié)構(gòu)觀察與成分分析

莫天寶1, 2, 徐洪強(qiáng)3, 何 京3, 董迎輝2, 林志華2, 3

(1. 上海海洋大學(xué) 水產(chǎn)科學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心, 上海 201306; 2. 浙江萬(wàn)里學(xué)院 生物與環(huán)境學(xué)院 浙江省水產(chǎn)種質(zhì)資源高效利用技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 浙江 寧波 315100; 3. 浙江萬(wàn)里學(xué)院 寧海海洋生物種業(yè)研究院, 浙江 寧海 315604)

利用掃描電鏡技術(shù)、X-射線粉末衍射技術(shù)和弱酸去鈣法, 對(duì)菲律賓蛤仔、文蛤、厚殼貽貝、泥蚶、縊蟶5種習(xí)見(jiàn)海洋經(jīng)濟(jì)貝類貝殼的斷面微觀結(jié)構(gòu)、物相組成、有機(jī)基質(zhì)和蛋白質(zhì)含量等進(jìn)行了觀察和分析。電鏡觀察結(jié)果顯示, 5種貝殼的微觀結(jié)構(gòu)主要包含棱柱層和珍珠層; 棱柱層晶體結(jié)構(gòu)有斜棱柱層、球棱柱層、棱柱層、均質(zhì)層和交錯(cuò)板狀層5種類型, 其中縊蟶只有斜棱柱層, 而泥蚶除球棱柱層外, 其他4種晶體類型均存在, 此復(fù)雜結(jié)構(gòu)可能與其貝殼強(qiáng)度大有關(guān); 珍珠層晶體結(jié)構(gòu)有珍珠層和肌棱柱層2種類型, 其中厚殼貽貝的珍珠層呈典型的“磚-泥”結(jié)構(gòu), 具有明顯的層狀結(jié)構(gòu), 其余4種貝殼珍珠層均由不規(guī)則塊狀結(jié)構(gòu)組成。X-射線衍射結(jié)果顯示, 菲律賓蛤仔、文蛤、縊蟶和泥蚶4種貝殼都屬于文石質(zhì)殼體, 無(wú)機(jī)相幾乎由文石組成, 而厚殼貽貝屬于混合質(zhì)殼體, 無(wú)機(jī)相由文石和方解石組成; 貝殼化學(xué)成分分析顯示, 5種貝殼有機(jī)質(zhì)含量均為3%左右, 而總蛋白含量占有機(jī)質(zhì)的2.98%～7.21%, 其中可溶性蛋白是不可溶蛋白含量的5.55～20.31倍。上述結(jié)果為貝殼形成機(jī)理的研究積累了基礎(chǔ)資料。

貝殼; 微觀結(jié)構(gòu); 有機(jī)質(zhì); 掃描電鏡; X-射線衍射

貝殼是一種天然的復(fù)合材料, 其優(yōu)異的力學(xué)性能和良好的生物相容性歷來(lái)是生物材料和仿生學(xué)等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[1-2], 而在水產(chǎn)領(lǐng)域中貝類殼色、殼型、殼厚度等性狀近年來(lái)也引起諸多研究者和育種學(xué)家的廣泛關(guān)注。在殼色方面, 國(guó)內(nèi)學(xué)者相繼培育出櫛孔扇貝()“蓬萊紅”[3]、海灣扇貝()“中科紅”[4]、長(zhǎng)牡蠣()“海大2號(hào)”和“海大3號(hào)”[5-6]、文蛤()“科浙1號(hào)”[7]和“萬(wàn)里紅”[8]等優(yōu)良新品種, 而這些殼色靚麗的新品種均能提高其經(jīng)濟(jì)價(jià)值; 殼型方面, 培育有“殼寬型”菲律賓蛤仔()[9]、“深凹?xì)ば汀毕愀勰迪?)[10]、“殼寬型”美洲牡蠣()[11]等新品系, 更受產(chǎn)業(yè)和市場(chǎng)的青睞; 在殼厚度方面, 開(kāi)展了三角帆蚌()[12]、馬氏珠母貝()[13-14]等貝殼珍珠層厚度和礦化機(jī)理相關(guān)研究, 而厚重堅(jiān)硬的貝殼能更好地抵御敵害生物捕食、降低生產(chǎn)管理帶來(lái)的機(jī)械損傷[15-17]。上述性狀與貝殼的結(jié)構(gòu)和成分有著密切關(guān)系, 但目前研究工作主要集中在腹足綱貝類[18-19]和雙殼綱褶紋冠蚌()[20]、三角帆蚌[21]、馬氏珠母貝[13]等育珠貝的貝殼微觀結(jié)構(gòu)類型、有機(jī)質(zhì)和無(wú)機(jī)質(zhì)特征及貝殼蛋白質(zhì)的分子組成等[1], 其中以珍珠層的相關(guān)研究最為經(jīng)典[22], 而對(duì)雙殼綱其他貝類的貝殼結(jié)構(gòu)和成分等的系統(tǒng)研究鮮有報(bào)道。

典型的雙殼貝類貝殼分為3層, 角質(zhì)層、棱柱層和珍珠層[23], 不同貝類其貝殼微觀結(jié)構(gòu)及層次排列特征不同, Carter等[24]對(duì)雙殼貝類的貝殼形態(tài)、微觀結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行觀察和分類, 根據(jù)其表型形態(tài)和晶體結(jié)構(gòu)差異, 分為肌棱柱層(myostracum)、斜棱柱層(fibrous prismatic)、復(fù)雜交叉狀層(complex crossed lamellar)、交叉板狀層 intersected crossed platy)、珍珠質(zhì)層(nacre)、球棱柱層(spherulitic prismatic)、均質(zhì)層(homogeneous)等7大類。但由于貝類種類、生長(zhǎng)環(huán)境的不同, 造成貝殼結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和性能上的差異很大[25-27]。貝殼主要成分包括95%的碳酸鈣質(zhì)晶體和少量有機(jī)質(zhì)(約占5%)[28]。碳酸鈣晶體構(gòu)型主要有文石質(zhì)、方解石和混合質(zhì)3種形式, 其中文石的力學(xué)性能優(yōu)于方解石, 但方解石的穩(wěn)定性好, 在混合質(zhì)殼體貝類(牡蠣、貽貝等)中, 位于外層的方解石能有效防止碳酸鈣溶解, 保護(hù)貝殼和適應(yīng)復(fù)雜多變的水體環(huán)境[29]。另外, 貝殼的形成是一個(gè)有機(jī)相-無(wú)機(jī)相分子相互作用的過(guò)程[30], 有機(jī)質(zhì)在貝殼的形成以及結(jié)構(gòu)、性能方面起到至關(guān)重要的作用, 它通過(guò)控制晶體形成、晶體結(jié)構(gòu)、物相轉(zhuǎn)換等影響貝殼的性能[31]。因此充分了解不同貝類貝殼的結(jié)構(gòu)和成分組成能針對(duì)性地對(duì)貝殼性狀進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用。

菲律賓蛤仔、文蛤、厚殼貽貝()、泥蚶()和縊蟶()均是東部沿海習(xí)見(jiàn)的海洋貝類, 具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。本實(shí)驗(yàn)用掃描電鏡技術(shù)、X-射線粉末衍射技術(shù)和弱酸去鈣分析法對(duì)5種貝類貝殼的斷面微觀結(jié)構(gòu)、物相組成、有機(jī)基質(zhì)和蛋白質(zhì)含量等進(jìn)行了觀察和比較分析, 以期為深入研究貝殼的形成機(jī)理及貝殼性狀的開(kāi)發(fā)利用積累基礎(chǔ)資料。

1 材料與方法

1.1 貝殼樣品處理

實(shí)驗(yàn)用菲律賓蛤仔、縊蟶為1齡貝, 文蛤?yàn)?齡貝, 泥蚶為3齡貝, 均采自于浙江省寧波市海洋與漁業(yè)研究院科技創(chuàng)新基地的養(yǎng)殖池塘, 厚殼貽貝為2齡貝, 采自浙江舟山。各取成貝3粒, 解剖去除軟體部, 用5% NaOH溶液去除貝殼上附著的雜質(zhì), 并用去離子水清洗貝殼, 晾干備用。

1.2 貝殼結(jié)構(gòu)的掃描電鏡觀察

選取貝殼中間部位制成0.5 cm×0.5 cm小塊(圖1), 斷面用去離子水清洗后, 置于超聲波清洗儀處理10 min以清潔斷面。利用日本日立公司SU8230型掃描電鏡觀察拍照。

1.3 貝殼成分的X射線分析

將貝殼置于105 ℃烘箱中恒溫烘干3 h后, 用小型粉碎機(jī)粉碎, 過(guò)0.15 mm篩, 得到待測(cè)樣品。采用德國(guó)布魯公司D8 Advance型多晶體X射線衍射儀進(jìn)行檢測(cè), 檢測(cè)條件為: CuKα輻射、波長(zhǎng)0.154 nm、電壓40 kV、掃描范圍3°～60°、步長(zhǎng)0.02°、步速0.2 s。采用絕熱法計(jì)算各種晶體類型的比例。

W=/[K(1/1+2/2+……I/K)][32]. (1)

用待測(cè)物質(zhì)與純剛玉(αAl2O3)按重量比1∶1混合均勻, 測(cè)量?jī)烧叩难苌鋸?qiáng)度之比, 這個(gè)比值稱為這個(gè)物相的值。式中代表樣品中任一相,和分別指衍射強(qiáng)度和質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.4 有機(jī)質(zhì)提取和蛋白含量測(cè)定

將貝殼用小型粉碎機(jī)粉碎, 取樣品各5 g, 用6.5 mol/L的醋酸于冰浴條件下溶解, 溶解過(guò)程盡量避免CO2過(guò)快生成和溢出, 反應(yīng)至完全無(wú)氣泡后終止。將混合物離心(4 000 r/min, 4 ℃, 10 min)后分別收集上清液和沉淀, 上清液裝入截留分子量為1 000 Da的透析袋透析, 每隔半天換水一次, 透析共計(jì)3 d, 整個(gè)透析過(guò)程溫度維持在4 ℃。收集已透析的樣品溶液, 經(jīng) 0.22 μm微孔濾膜過(guò)濾后于–20 ℃至完全凍結(jié), 冷凍干燥后收集樣品, 得到可溶有機(jī)質(zhì)(soluble matrix, SM)。將離心后的沉淀用去離子水沖洗3次, 離心后冷凍干燥, 收集樣品得到不可溶有機(jī)質(zhì)(insoluble matrix, IM)。稱重并計(jì)算可溶性有機(jī)質(zhì)和不可溶性有機(jī)質(zhì)的產(chǎn)率。將冷凍干燥后的上清和沉淀樣品溶解, 采用二喹啉甲酸蛋白質(zhì)法測(cè)定蛋白含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 5種貝殼的微觀結(jié)構(gòu)

菲律賓蛤仔、文蛤、厚殼貽貝、泥蚶、縊蟶5種貝殼的厚度分別為(1.03±0.08) mm、(1.36±0.14) mm、(1.15±0.09) mm、(2.64±0.18) mm、(0.28±0.04) mm, 均由角質(zhì)層、棱柱層和珍珠層3層組成。

貝殼斷面結(jié)構(gòu)掃描電鏡結(jié)果顯示, 5種貝殼中殼層[33]主要包括斜棱柱層、棱柱層和球棱柱層3類層次結(jié)構(gòu)。斜棱柱層在菲律賓蛤仔、厚殼貽貝、縊蟶中均存在, 菲律賓蛤仔斜棱柱層位于角質(zhì)層下方, 晶體呈柱狀且不同晶體長(zhǎng)度有明顯的差異, 晶體排列方向朝向貝殼生長(zhǎng)方向(圖1a); 厚殼貽貝斜棱柱層呈圓柱狀, 與菲律賓蛤仔斜棱柱層相比較規(guī)律有序, 晶體厚度約為1 μm, 長(zhǎng)度不均, 最長(zhǎng)從珍珠層到角質(zhì)層, 隨貝殼大小變化, 晶體排列緊密(圖1g); 縊蟶斜棱柱層呈“M”字結(jié)構(gòu)從左到右重復(fù)排列, 有圓形顆粒晶體依附在柱狀晶體上, 排列緊密厚實(shí), 構(gòu)成了大部分貝殼(圖1m)。棱柱層在文蛤、泥蚶中存在, 文蛤棱柱層表現(xiàn)為由垂直于貝殼表面的短柱狀晶體組成平行于貝殼表面的方塊狀晶體, 厚度約為0.3～0.4 μm(圖1d); 泥蚶棱柱層則表現(xiàn)為柱狀晶體緊密堆疊, 平行于貝殼表面, 晶體排列比文蛤更為緊密(圖1j)。球棱柱層只存在于菲律賓蛤仔中, 其結(jié)構(gòu)由大小較均勻的小圓塊緊密組合而成, 排列緊密(圖1b)。另外, 在泥蚶的棱柱層下方分別存在有均質(zhì)層和交錯(cuò)板狀層。均質(zhì)層表現(xiàn)為表面光亮并有不規(guī)則的晶體突起, 晶體密實(shí), 整體質(zhì)地均勻, 可觀察到晶體表面分布有絲狀有機(jī)物(圖1k); 交錯(cuò)片狀層結(jié)構(gòu)是由互相平行的文石晶體聚集而成, 首級(jí)片體與次級(jí)片體互相部分疊加, 首級(jí)片體長(zhǎng)而且規(guī)則, 內(nèi)部次級(jí)片體較短且不規(guī)則, 分布廣泛, 為貝殼中間層主要結(jié)構(gòu), 這種復(fù)雜交錯(cuò)片狀排列方式可以增加貝殼的強(qiáng)度(圖1l)。

圖1 貝殼斷面微觀結(jié)構(gòu)掃描電鏡圖

注: a—c: 菲律賓蛤仔的斜棱柱層、球棱柱層和珍珠層; d—f: 文蛤的棱柱層、肌棱柱層和珍珠層; g—i: 厚殼貽貝的斜棱柱層、肌棱柱層和珍珠層; j—l, o: 泥蚶的棱柱層、均質(zhì)層、交錯(cuò)板狀層、和珍珠層; m, n: 縊蟶的棱柱層和珍珠層

5種貝殼的珍珠層主要包括不規(guī)則狀、復(fù)雜交叉狀、“板磚”狀3種類型的層次結(jié)構(gòu)(表1)。菲律賓蛤仔、文蛤、縊蟶珍珠層呈不規(guī)則結(jié)構(gòu), 表現(xiàn)為由密實(shí)的塊狀晶體鑲嵌而成, 縫隙有不規(guī)則的顆粒晶體填充, 晶體排列較緊密, 排列緊密程度由大到小為: 文蛤、縊蟶、菲律賓蛤仔, 同時(shí)觀察到塊狀晶體之間存在絲狀有機(jī)物連接(圖1c、f、n)。泥蚶珍珠層呈復(fù)雜交叉狀, 首級(jí)片體形狀不規(guī)則, 相鄰塊體中的板片主要在兩個(gè)相反的方向排列, 該結(jié)構(gòu)層相對(duì)于交錯(cuò)片狀結(jié)構(gòu)而言, 有序性較小, 厚度約為22 μm(圖1o)。厚殼貽貝的珍珠層呈典型的“磚-泥”結(jié)構(gòu), 由許多整齊堆疊的片層構(gòu)成, 具有明顯的層狀結(jié)構(gòu), 片層厚度約0.4～0.6 μm, 在片層結(jié)構(gòu)之間存在絲狀有機(jī)物連接, 與前4種的珍珠層相比, 顯得更加有序規(guī)則(圖1i)。在5種貝類貝殼中, 發(fā)現(xiàn)文蛤和厚殼貽貝珍珠層中存在肌棱柱層, 文蛤肌棱柱層呈方柱狀結(jié)構(gòu), 包埋在珍珠層內(nèi)并垂直貝殼表面, 厚度1～2 μm (圖1e)。厚殼貽貝肌棱柱層同樣包埋在珍珠層中, 呈垂直于貝殼表面的柱狀結(jié)構(gòu), 緊密排列形成厚度約為1 μm板片并平行于貝殼表面, 整個(gè)肌棱柱層結(jié)構(gòu)如文蛤一樣, 晶體排列緊密并平行于貝殼表面(圖1h)。

表1 5種貝類貝殼斷面的微觀結(jié)構(gòu)特征

2.2 貝殼的X-射線粉末衍射和物相組成

圖2是5種貝類貝殼粉末的XRD圖譜, 其中菲律賓蛤仔、文蛤、泥蚶、縊蟶的圖譜類似, 峰形尖銳、結(jié)晶度良好, 均在(111)、(021)、(012)、(200)、(112)、(221)、(202)等晶面出現(xiàn)了與標(biāo)準(zhǔn)文石碳酸鈣晶體(PDF#41-1475)基本吻合的特征衍射峰, 表明這4種貝殼的碳酸鈣晶體基本為文石晶體。厚殼貽貝圖譜在(104)、(110)、(113)、(202)等晶面與標(biāo)準(zhǔn)方解石碳酸鈣晶體(PDF#47-1743)的特征衍射峰基本吻合, 表明其貝殼碳酸鈣晶體主要以方解石晶型為主。

根據(jù)公式(1)計(jì)算得出, 菲律賓蛤仔貝殼無(wú)機(jī)相由98.9%文石和1.1%方解石組成, 文蛤、泥蚶貝殼無(wú)機(jī)相由100%文石組成, 縊蟶由98.6%文石和1.4%方解石組成, 而厚殼貽貝則由30.1%文石和69.9%的方解石組成(圖2, 表2)。

2.3 貝殼有機(jī)質(zhì)及蛋白含量的比較

用酸作為脫鈣溶液來(lái)分離可溶有機(jī)質(zhì)和不可溶有機(jī)質(zhì), 5種貝類貝殼樣品中提取的有機(jī)質(zhì)產(chǎn)率見(jiàn)表3。菲律賓蛤仔、文蛤、厚殼貽貝、泥蚶、縊蟶的有機(jī)質(zhì)含量分別為3.283%、3.429%、3.057%、2.461%、3.345%, 不可溶有機(jī)質(zhì)含量較高。

圖2 五種貝殼的X射線粉末衍射圖

表2 五種貝類貝殼物相組成

通過(guò)二喹啉甲酸蛋白質(zhì)法測(cè)定有機(jī)質(zhì)中的蛋白質(zhì)含量, 結(jié)果顯示, 菲律賓蛤仔、文蛤、厚殼貽貝、泥蚶、縊蟶貝殼有機(jī)質(zhì)中蛋白質(zhì)的相對(duì)含量分別為2.98%、3.543%、4.954%、7.21%、5.086%, 可溶性蛋白含量是不可溶蛋白含量的5.55～20.31倍(表3)。

表3 五種貝類貝殼有機(jī)質(zhì)含量比較

3 討論

貝殼的微觀結(jié)構(gòu)有著明顯的多樣性, 如同為簾蛤科(Veneridae)的菲律賓蛤仔和文蛤卻在貝殼中間層組成上存在較大差異, 菲律賓蛤仔的中間層為短柱狀的斜棱柱層和顆粒狀的球棱柱層, 斜棱柱層晶體排列朝向貝殼生長(zhǎng)方向, 球棱柱平行于貝殼開(kāi)口方向, 而文蛤的中間層為平行于開(kāi)口方向的短柱狀棱柱層。這些差異主要表現(xiàn)在晶體的組成和排列結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面, 這與陳道海等[34]關(guān)于13種雙殼類貝殼的掃描電鏡觀察結(jié)果一致, 不同種雙殼貝類貝殼橫切面微觀結(jié)構(gòu)均有一定的差異。厚殼貽貝[28]和綠貽貝()[2]均屬于貽貝科, 但二者貝殼斷面結(jié)構(gòu)也存在明顯的差異, 厚殼貽貝斷面結(jié)構(gòu)主要包含珍珠質(zhì)層、肌棱柱層和斜棱柱層3種層次結(jié)構(gòu), 而綠貽貝僅包含珍珠質(zhì)層和肌棱柱層2種, 不存在斜棱柱層。在池蝶蚌()[35]中, 貝殼及其珍珠的珍珠層表面出現(xiàn)螺旋狀紋理, 這在其他的淡水珍珠貝(如三角帆蚌)的貝殼及珍珠中極為少見(jiàn)。另外, 研究發(fā)現(xiàn)泥蚶貝殼斷面結(jié)構(gòu)比菲律賓蛤仔、文蛤、縊蟶貝殼更為復(fù)雜, 包含棱柱層、均質(zhì)層、交錯(cuò)板狀層、斜棱柱層和珍珠層5種類型的層次結(jié)構(gòu), 與蝦夷扇貝()貝殼層次結(jié)構(gòu)相似[36], 其復(fù)雜的層次結(jié)構(gòu)可能賦予了貝殼更強(qiáng)的抗擊能力和抗磨損能力。

貝殼的無(wú)機(jī)相組成與生活環(huán)境及生活方式有關(guān)。文蛤、縊蟶、泥蚶、菲律賓蛤仔屬于埋棲型貝類, 生活在潮間帶灘涂或池塘的沙泥底質(zhì)中, 殼體被底質(zhì)覆蓋, 可以做短距離運(yùn)動(dòng), 如文蛤具有隨著生長(zhǎng)由中潮區(qū)向低潮區(qū)或潮下帶遷移的習(xí)性, 縊蟶可在洞穴內(nèi)做升降運(yùn)動(dòng)等, 需要堅(jiān)硬的貝殼來(lái)抵抗底質(zhì)和周圍環(huán)境的摩擦力。相對(duì)堅(jiān)硬的貝殼更利于抵抗周圍環(huán)境的摩檫力。Fan[29]指出, 處在泥沙之中, 周圍介質(zhì)(主要指孔隙水)的理化變化相對(duì)平穩(wěn), 對(duì)殼體穩(wěn)定性的要求相對(duì)降低, 從文石、方解石性質(zhì)差別上分析, 文石更適合這樣的環(huán)境。且文石的硬度比方解石大, 所以4種埋棲貝類貝殼以文石質(zhì)殼體為主。而厚殼貽貝是附著型貝類, 與扇貝的生活方式相同, 貝殼屬于混合質(zhì)殼體。Fan[29]認(rèn)為混合質(zhì)殼既能節(jié)省殼體需要付出的生物能量, 又具有方解石質(zhì)殼體的性能, 適應(yīng)復(fù)雜的水體變化。另有研究表明[37], 柳珊瑚全軸亞目(Holaxonia)的基部和軸, 如果溫度在15 ℃以上全為方解石, 20 ℃以上則全是文石質(zhì), 在15～20 ℃之間為文石和方解石組成, 這也解釋了貝殼物相的組成與其生活環(huán)境、生活方式有關(guān)。

貝殼的形成是一個(gè)有機(jī)相-無(wú)機(jī)相分子相互作用的過(guò)程[30], 其中有機(jī)質(zhì)在貝殼形成以及結(jié)構(gòu)、性能方面起到至關(guān)重要的作用。有機(jī)質(zhì)通過(guò)控制晶體形成、晶體結(jié)構(gòu)、物相轉(zhuǎn)換等影響貝殼的性能。研究發(fā)現(xiàn), 有機(jī)質(zhì)在貝殼中的百分含量隨貝殼種類不同而不同, 扇貝和珠母貝貝殼的有機(jī)質(zhì)含量分別為4.36%和5.24%[38]; 三角帆蚌與褶紋冠蚌貝殼粉平均有機(jī)質(zhì)含量為0.903%, 蛋白質(zhì)含量為1.64%[39]; 而香螺()[40]貝殼中的蛋白含量約為0.943%。本實(shí)驗(yàn)中, 5種貝類貝殼有機(jī)質(zhì)含量均為3%左右, 文蛤有機(jī)質(zhì)含量最高, 占?xì)ぶ氐?.429%, 泥蚶有機(jī)質(zhì)含量最低, 占?xì)ぶ氐?.461%; 其中蛋白質(zhì)的相對(duì)含量在2.98%～7.21%, 泥蚶蛋白質(zhì)含量最高, 占有機(jī)質(zhì)的7.21%, 菲律賓蛤仔含量最低, 占2.98%。不同貝類貝殼或者同一貝類在不同環(huán)境、不同生長(zhǎng)期、不同殼層, 其有機(jī)質(zhì)的含量均有差異[41]。

4 結(jié)論

貝殼是絕大多數(shù)貝類防御保護(hù)的特殊結(jié)構(gòu), 而目前有關(guān)貝殼結(jié)構(gòu)和成分的系統(tǒng)研究較為欠缺。本研究綜合應(yīng)用掃描電鏡技術(shù)、X-射線粉末衍射技術(shù)和弱酸去鈣分析法對(duì)中國(guó)5種習(xí)見(jiàn)經(jīng)濟(jì)貝類貝殼的斷面微觀結(jié)構(gòu)、物相組成、有機(jī)基質(zhì)和蛋白質(zhì)含量進(jìn)行了系統(tǒng)觀察和比較分析, 主要結(jié)論如下:

1) 它們的微觀結(jié)構(gòu)不盡相同, 差異主要表現(xiàn)在晶體的組成和排列結(jié)構(gòu);

2) 它們的物相組成均由約97%的碳酸鈣和約3%的有機(jī)質(zhì)組成;

3) 菲律賓蛤仔、文蛤、泥蚶和縊蟶4種貝殼無(wú)機(jī)相幾乎由文石組成, 而厚殼貽貝貝殼由文石和方解石組成;

4) 不同種類貝殼中總蛋白質(zhì)含量差異較大, 可溶性蛋白含量顯著高于不可溶蛋白。

[1] 廖智, 孫琦, 姜雨婷. 貝類閉殼肌-貝殼連接界面的分子組成及連接機(jī)制[J]. 浙江海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2018, 37(4): 313-319.

LIAO Zhi, SUN Qi, JIANG Yuting. Molecular composition and mechanism of muscle-shell attachment of shellfish[J]. Journal of Zhejiang Ocean University (Natural Science), 2018, 37(4): 313-319.

[2] 鮑林飛, 高鵬, 趙魯蘋(píng), 等. 綠貽貝貝殼的微結(jié)構(gòu)特征及光譜分析[J]. 浙江海洋學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2014, 33(4): 347-353.

BAO Linfei, GAO Peng, ZHAO Luping, et al. Microstructural characteristics and FTIR analysis of the shell from green mussel ()[J]. Journal of Zhejiang Ocean University (Natural Science), 2014, 33(4): 347-353.

[3] 王偉, 唐玉卿. 雜交櫛孔扇貝試養(yǎng)技術(shù)[J]. 水產(chǎn)科學(xué), 2003, 22(2): 37.

WANG Wei, TANG Yuqing. Trial on hybridizedculture[J]. Fisheries Science, 2003, 22(2): 37.

[4] 許飛, 鄭懷平, 張海濱, 等. 海灣扇貝“中科紅”品種與普通養(yǎng)殖群體不同溫度下早期性狀的比較[J]. 水產(chǎn)學(xué)報(bào), 2008, 32(6): 876-883.

XU Fei, ZHENG Huaiping, ZHANG Haibin, et al. Co-mparison on the larval traits between strain “Zhong-kehong” and common cultured population of bay scal-lopunder different temperature[J]. Journal of Fisheries of China, 2008, 32(6): 876-883.

[5] 李琪, 于瑞海, 孔令鋒, 等. 長(zhǎng)牡蠣“海大2號(hào)”[J]. 中國(guó)水產(chǎn), 2018(6): 84-92.

LI Qi, YU Ruihai, KONG Lingfeng, et al.“Haida No. 2”[J]. China Fisheries, 2018(6): 84-92.

[6] 李琪, 于瑞海, 孔令鋒, 等. 長(zhǎng)牡蠣“海大3號(hào)”[J]. 中國(guó)水產(chǎn), 2020(4): 98-105.

LI Qi, YU Ruihai, KONG Lingfeng, et al.“Haida No. 3”[J]. China Fisheries, 2020(4): 98- 105.

[7] 劉保忠, 柴雪良. 文蛤“科浙1號(hào)”[J]. 中國(guó)水產(chǎn), 2014(10): 48-50.

LIU Baozhong, CHAI Xueliang.“Kezhe No. 1”[J]. China Fisheries, 2014(10): 48-50.

[8] 林志華, 董迎輝. 文蛤“萬(wàn)里紅”[J]. 中國(guó)水產(chǎn), 2015(10): 72-74.

LIN Zhihua, DONG Yinghui.“Wan-lihong”[J]. China Fisheries, 2015(10): 72-74.

[9] 張興志, 張繼彪, 劉輝, 等. 菲律賓蛤仔獐子島群體兩種殼型表型性狀比較[J]. 水產(chǎn)科學(xué), 2015, 34(10): 616-620.

ZHANG Xingzhi, ZHANG Jibiao, LIU Hui, et al. Comparisons of phenotypic traits in two shell type strains of manila clam in Zhangzi Island[J]. Fisheries Science, 2015, 34(10): 616-620.

[10] 莫日館, 肖述, 秦艷平, 等. 深凹?xì)ば拖愀勰迪牸蚁瞪L(zhǎng)與存活性狀比較[J]. 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué), 2019, 26(5): 869-882.

MO Riguan, XIAO Shu, QIN Yanping, et al. Estimates of genetic parameters of growth-related traits for the selective breeding of deep-cupped shell[J].Journal of Fishery Sciences of China, 2019, 26(5): 869-882.

[11] ALLEN S K, GAFFNEY P M, EWART J W. Genetic improvement of the eastern oyster for growth and disease resistance in the northeast[R]. NRAC fact sheet No. 210, College Park, MD: Norrheastern Regional Aquaculture Center, 1993: 2.

[12] 馬玉菲, 喬莉, 馮慶玲. 淡水珍珠的生物礦化機(jī)理研究進(jìn)展[J]. 無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào), 2013, 28(1): 109-116.

MA Yufei, QIAO Li, FENG Qingling. Research progress on biomineralization mechanism of freshwater pearl[J]. Journal of Inorganic Materials, 2013, 28(1): 109-116.

[13] 戰(zhàn)欣, 陳瓊, 顧志峰, 等. 馬氏珠母貝貝殼珍珠質(zhì)層厚度性狀與微衛(wèi)星標(biāo)記的相關(guān)性分析[J]. 熱帶生物學(xué)報(bào), 2016, 7(3): 290-295.

ZHAN Xin, CHEN Qiong, GU Zhifeng, et al. Analysis of correlationship between the thickness of shell inner nacreous layer and microsatellite markers in[J]. Journal of Tropical Biology, 2016, 7(3): 290-295.

[14] 張偉鋼, 汪港, 唐建, 等. 貝殼珍珠層動(dòng)態(tài)的文石板片厚度及其新結(jié)構(gòu)模型[J]. 廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2009, 34(4): 509-512.

ZHANG Weigang, WANG Gang, TANG Jian, et al. Dy-namic aragonite sheets thickness and new structural model of shell nacre[J]. Journal of Guangxi University (Natural Science Edition), 2009, 34(4): 509-512.

[15] GUI?EZ R, TORO J E, KRAPIVKA S, et al. Heritabilities and genetic correlation of shell thickness and shell length growth in a mussel,(Bivalvia: Myti-lidae)[J]. Aquaculture Research, 2017, 48(4): 1-8.

[16] GREFSRUD E S, STRAND I. Comparison of shell strength in wild and cultured scallops ()[J]. Aquaculture, 2006, 251(2/4): 306-313.

[17] NAGARAJAN R, LEA S E G, GOSS-CUSTARD J D. Seasonal variations in mussel,L. shell thickness and strength and their ecological implications[J]. Journal of Experimental Marine Biology & Ecology, 2006, 339(2): 241-250.

[18] 謝忠東, 丁曉非, 李鳳敏, 等. 3種海產(chǎn)螺殼體相組成及結(jié)構(gòu)特征分析[J]. 水產(chǎn)科學(xué), 2006, 25(5): 253-255.

XIE Zhongdong, DING Xiaofei, LI Fengmin, et al. The structure characteristics of the shell of the conch[J]. Fisheries Science, 2006, 25(5): 253-255.

[19] 陳靜, 黃根哲. 鮑魚(yú)殼、香螺殼的結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能[J]. 機(jī)械工程師, 2016, 7(3): 39-41.

CHEN Jing, HUANG Genzhe. The structure and mechanical properties of abalone shell andshell[J]. Mechanical Engineer, 2016, 7(3): 39-41.

[20] FENG Q L, CUI F Z, PU Get al. Crystal orientation, toughening mechanisms and a mimic of nacre[J]. Materials Ence and Engineering: C, 2000, 11(1): 19-25.

[21] MURR L E, RAMIREZ D A. The microstructure of the cultured freshwater pearl[J]. Jom: The Journal of the Minerals, Metals & Materials Society, 2012, 64(4): 469-474.

[22] 嚴(yán)俊, 方飚, 張姍姍, 等. 雙殼綱三角帆蚌貝殼的三維微結(jié)構(gòu)及其化學(xué)組成研究[J]. 材料導(dǎo)報(bào), 2013, 27(16): 108-112.

YAN Jun, FANG Biao, ZHANG Shanshan, et al. Study on three-dimensional microstructure and chemical composition of bivalve shells of(Lea)[J]. Materials Reports, 2013, 27(16): 108-112.

[23] 吳小平, 歐陽(yáng)珊, 梁彥齡, 等. 蚌科貝殼的掃描電鏡觀察[J]. 南昌大學(xué)學(xué)報(bào)(理科版), 1999, 23(1): 58-61.

WU Xiaoping, OU Yangshan, LIANG Yanling, et al. A scanning electron microscopic study of the shells of unionidae[J]. Journal of Nanchang University (Natural Science), 1999, 23(1): 58-61.

[24] CARTER J G. Shell microstructural data for the bivalvia[M]. New York: Van Nostrand Reinhold and Co, 1990.

[25] 唐亞麗, 張恩. 粉紅貝貝殼的結(jié)構(gòu)特征及其顏色[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué), 2017, 45(24): 156-161.

TANG Yali, ZHANG En. Structural property and coloring mechanism of pink shellfish[J]. Jiangsu Agricultural Sciences, 2017, 45(24): 156-161.

[26] LOWENSTAM H A. Factors affecting the aragonite: calcite ratios in carbonate-secreting marine organisms[J]. Jour-nal of Geology, 1954, 62(3): 284-322.

[27] WALTER L M, MORSE J W. Reactive surface area of skeletal carbonates during dissolution: effect of grain size[J]. Journal of Sedimentary Research, 1984, 54: 1081-1090.

[28] 趙魯蘋(píng), 徐煥志, 陳東, 等. 厚殼貽貝貝殼的微結(jié)構(gòu)及光譜分析[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(理學(xué)版), 2015, 42(3): 339-346.

ZHAO Luping, XU Huanzhi, CHEN Dong, et al. Microstructure and spectral analysis ofshell[J]. Journal of Zhejiang University (Science Edition), 2015, 42(3): 339-346.

[29] FAN D J. Comparison study on the shell mineralogy of 9 species of modern bivalves living in yellow sea[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2005, 23(3): 475-482.

[30] MANN S. Molecular recognition in biomineralization[J]. Nature, 1988, 332(6160): 119-124.

[31] 張文兵, 姚春鳳, 麥康森. 貝殼生物礦化的研究進(jìn)展[J]. 海洋科學(xué), 2008, 32(2): 74-79.

ZHANG Wenbing, YAO Chunfeng, MAI Kangsen. Progress in the studies on shell biomineralization[J]. Marine Sciences, 2008, 32(2): 74-79.

[32] CHUNG F H. Quantitative interpretation of X-ray diffra-ction patterns of mixtures. II. Adiabatic principle of X- ray diffraction analysis of mixtures[J]. Journal of Applied Crystallography, 1974, 7(6): 526-531.

[33] 龐云龍, 丁君, 田瑩, 等. 不同生長(zhǎng)時(shí)期蝦夷扇貝殼質(zhì)的超微結(jié)構(gòu)觀察及表面5種元素組成分析[J]. 海洋科學(xué), 2015, 39(8): 28-34.

PANG Yunlong, DING Jun, TIAN Ying, et al. Analysis of shell microstructure and five surface elements ofat different ages[J]. Marine Sciences, 2015, 39(8): 28-34.

[34] 陳道海, 霍穎嫻. 13種雙殼類貝殼的掃描電鏡觀察[J]. 動(dòng)物學(xué)雜志, 2015, 50(1): 122-130.

CHEN Daohai, HUO Yingxian. Shell microstructure in thirteen species of bivalves[J]. Chinese Journal of Zoo-logy, 2015, 50(1): 122-130.

[35] 羅琴鳳, 亓利劍, 尹作為. 池蝶蚌貝殼及其珍珠的微結(jié)構(gòu)表征[J]. 寶石和寶石學(xué)雜志, 2008, 10(2): 17-20.

LUO Qinfeng, QI Lijian, YIN Zuowei. Microstructure ofshells and its pearls[J]. Journal of Gems and Gemmology, 2008, 10(2): 17-20.

[36] LIN A G, DING X F, XIE Z D, et al. Microstructure of(scallop) shell and correlations with functions[J]. Journal of the Chinese Ceramic Society, 2010, 38(3): 504-509.

[37] 梁艷. 幾種腹足綱貝殼的結(jié)構(gòu)和性能[D]. 大連: 大連理工大學(xué), 2008.

LIANG Yan. The microstructure and properties of several Gastropoda shells[D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2008.

[38] 何朋, 陳建新, 蘇敏, 等. 貝殼的化學(xué)成分及其結(jié)構(gòu)特征[J]. 化工學(xué)報(bào), 2015, 66(S2): 450-454.

HE Peng, CHEN Jianxin, SU Min, et al. Analysis of chemical composition and structure characteristics of shells[J]. CIESC Journal, 2015, 66(S2): 450-454.

[39] 夏靜芬, 錢國(guó)英, 陳亮, 等. 珍珠粉和貝殼粉的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)特征分析[J]. 化學(xué)研究與應(yīng)用, 2010, 22(11): 1467-1471.

XIA Jingfen, QIAN Guoying, CHEN Liang, et al. Analysis of chemical composition and structure characteristics of pearl and conch powders[J]. Chemical Research and Application, 2010, 22(11): 1467-1471.

[40] 梁艷, 趙杰, 王來(lái), 等. 貝殼的有機(jī)質(zhì)及生物礦化機(jī)制分析[J]. 生物學(xué)雜志, 2006, 23(6): 19-23.

LIANG Yan, ZHAO Jie, WANG Lai, et al. The organic matrix and analysis of biomineralization mechanism of mollusk shell[J]. Journal of Biology, 2006, 23(6): 19-23.

[41] 姜國(guó)良, 陳麗, 劉云. 貝殼有機(jī)基質(zhì)與生物礦化[J]. 海洋科學(xué), 2002, 26(2): 17-19.

JIANG Guoliang, CHEN Li, LIU Yun. The organic matrix of molluscan shell and its relevance[J]. Marine Sciences, 2002, 26(2): 17-19.

Microstructure and composition analysis of five species of economic bivalves

MO Tian-bao1, 2, XU Hong-qiang3, HE Jing3, DONG Ying-hui2, LIN Zhi-hua2, 3

(1. National Demonstration Center for Experimental Fisheries Science Education, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China; 2. Zhejiang Key Laboratory of Aquatic Germplasm Resources, College of Biological & Environmental Sciences, Zhejiang Wanli University, Ningbo 315100, China; 3. Ninghai Marine Biological Seed Industry Research Institute, Zhejiang Wanli University, Ninghai 315604, China)

Five popular species of marine bivalves,,,,, and, living off the east coast of China, were selected for shell structure characterization and chemical composition analyses using scanning electron microscopy, X-ray diffraction, and decalcifying in a weak acid. Scanning electron microscopy results showed that the shells comprised a prismatic layer and nacre layers. Additionally, the prismatic crystal structure included five types: fibrous prismatic, spherical prismatic, prismatic, homogeneous, and crossed lamellar layers.had only a fibrous prismatic layer, whilehad all types of layers except a spherical prismatic layer. These differences might be related to shell-crushing resistance. The nacre crystal structure contains nacreous and myostracum layers. The nacreous layer ofshowed an obvious layered structure that was a typical brick-mud structure, while the other four shells presented an irregular blocky structure. The X-ray powder diffractometry results showed two types of shells in the five mollusks, namely aragonite shells and calcite shells. In four species,,,, and, the inorganic phases were almost entirely composed of aragonite, while theinorganic phase was composed of aragonite and calcite. The organic matrix content in the five bivalves was approximately 3%, and the total protein content accounted for 2.98%–7.21% of the organic matrix, among which the content of soluble protein was 5.55–20.31 times that of insoluble protein. The information obtained from this study will provide a reliable scientific basis for biomineralization.

bivalves; shell; organic matter; SEM; XRD

Dec. 17, 2020

S91

A

1000-3096(2022)12-0041-09

10.11759/hykx20201217003

2020-12-17;

2021-03-03

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“藍(lán)色糧倉(cāng)科技創(chuàng)新”專項(xiàng)課題(2018YFD0901405); 浙江省農(nóng)業(yè)新品種選育重大科技專項(xiàng)課題(2021C02069-7); 寧波市重大科技攻關(guān)暨“揭榜掛帥”項(xiàng)目(2021Z114); 國(guó)家海洋水產(chǎn)種質(zhì)資源庫(kù)項(xiàng)目

[National Key Research and Development Program of China, No. 2018YFD0901405; Zhejiang Major Program of Science and Technolo-gy, No. 2021C02069-7; Ningbo Major Project of Science and Technology, No. 2021Z114; National Marine Genetic Resource Center Program]

莫天寶(1995—), 男, 廣西玉林人, 碩士研究生, 主要從事貝類遺傳育種研究, E-mail: 191950530@qq.com; 林志華(1965—),通信作者, 研究員, E-mail: zhihua9988@126.com; 董迎輝(1980—), 通信作者, 教授, E-mail: dongyinghui118@126.com

(本文編輯: 楊 悅)