Физико-химическое исследование структуры и состава скелетов панциря шарообразных (Strongylocentrotidae) и клипестероидных (Clypesteroidae) морских ежей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Дальневосточный федеральный университет

Кафедра общей, неорганической и элементорганической химии

Физико-химическое исследование структуры и состава скелетов панциря шарообразных (Strongylocentrotidae) и клипестероидных (Clypesteroidae) морских ежей

Шапкин Николай Павлович,

Хальченко И.Г.

Дроздов А.Л.

г. Владивосток

У представителей древнейшего типа морских многоклеточных животных - иглокожих - имеется хорошо развитый кальциевый скелет, который играет важную роль в формировании карбонатных осадков в океанах и морях [1, 2]. Наибольшего развития он достигает у морских ежей, имеющих мощный панцирь и иглы. У них у всех есть общее свойство - единая кристаллическая кальциевая структура биогенной природы.

Кристалл кальцита погружен в слой дермиса и покрыт эпидермисом [3, 4]. Помимо минеральной составляющей в иглах присутствуют гликопротеиновые компоненты, обеспечивающие иглам относительную гибкость. Встраивание органических компонентов в неорганическую матрицу приводит к формированию массива упорядоченных кальцийорганических нанокристаллов [5-10]. В ряде работ подробно изучается органическая компонента, обеспечивающая скелетную биоминерализацию морских ежей [11].

Биоминералы живых организмов обладают свойствами, резко отличными от свойств их абиотических аналогов [12]. В связи с перспективой химико-мимитического использования структуры скелетов морских ежей при получении новых наноматериалов [13] было проведено физико-химическое исследование панцирей шарообразных (промежуточного серого и невооруженного черного) и необыкновенного плоского морских ежей.

Материал и методы исследования. Объектами исследования были три вида морских ежей, собранных на биостанции "Восток" ИБМ ДВО РАН в заливах Восток и Уссурийском залива Петра Великого Японского моря: промежуточный (серый) морской еж Strongylocentrotus intermedius (A. Agassiz, 1863) и невооруженный (черный) Mesocentrotus nudus (A. Agassiz, 1863) (отряд Camarodonta, семейство Strongylocentrotidae Gregory, 1900), необыкновенный плоский морской еж Scaphechinus mirabilis (Agassiz, 1863) (отряд Clypeasteroida, семейство Scutellidae Gray, 1825).

Для сканирующей электронной микроскопии панцири промывали в проточной воде, высушивали, монтировали на металлические столики и напыляли углеродом или платиной. Материал изучали с помощью сканирующего электронного микроскопа EVO 40 (Carl Zeiss).

Для изучения химического состава панцирей морских ежей они были высушены, а затем отдельно друг от друга размолоты в порошок. Использовались как порошок, так и их вытяжки (растворы).

Метод ИК-спектроскопии использовался для исследования полученных зольных остатков и сухих экстрактов. Образцы готовили по стандартной методике прессованием вещества в КВr. ИК- спектры поглощения снимали на спектрофотометре с Фурье-преобразованием "Spectrum: 1000" ("Perkin Elmer").

Дифрактограммы регистрировали на приборе "Advance_D8" ("Bruker"), используя CuK_излучение, в диапазоне углов 2 < 2 < 90.

Элементный анализ проводили с помощью энергодисперсионного рентгенофлуоресцентного спектромера "EDX_800 HS" фирмы "Shimadzu".

Полученные данные приведены в таблице.

Получение пленки с поверхности плоского ежа: 30 г тонкоразмолотого, высушенного, прогретого до 150 С панциря плоского ежа растворяли в 20%_ной соляной кислоте. После растворения на поверх-ности раствора собирался коричневый продукт I. Полученный продукт отфильтровывали, промывали на фильтре, сушили при 100 С. Выход продукта составил 0.5 г.

Результаты и их обсуждение

1. Морфология панцирей морских ежей

Скелет морских ежей внутренний: скелетные элементы панциря и игл покрыты тонким слоем эпидермиса. Скелет панцирей представлен губчатым или ячеистым стереомом, образован-ным высокомагнезиальным оптически сплошным кальцитом с включениями. Поровые прост-ранства связаны в единую систему, которая может составлять до половины общего скелетного объема (рис. 1).

Таблица. Элементный состав скелетов промежуточного (серого) морского ежа Strongylocentrotus intermedius и невооруженного (черного) морского ежа Mesocentrotus nudus до и после прокаливания

Панцири трех изученных видов морских ежей, как шарообразных, так и плоских клипестероидных состоят в основном из кальцита с примесью магнезита. Для подтверждения наличия кремния в составе скелета был проделан полный химический анализ скелетов ежей до и после прокаливания при 700 С. Данные элементного анализа приведены в таблице.

а)

б)

в)

Рис. 2. Дифрактограммы панцирей ежей: а) промежуточный (серый) морской еж Strongylocentrotus intermedius; б) невооруженный (черный) морской еж Mesocentrotus nudus; в) необыкновенный плоский морской еж Scaphechinus mirabilis.

Наблюдаются различия в составе серого и черного ежей, так как при 700 С удаляется частично углерод, который не определяется данным методом, а с ним и отдельные элементы. При прокаливании панциря серого ежа содержание магния практически не меняется, в то время как в случае черного ежа - содержание падает вдвое. Возможно, это связано с тем, что магний находится ближе к поверхности. В то же время, содержание кремния для серого ежа падает до нуля, а в случае черного - содержание кремния возрастает.

Данные дифрактометрии и ИК-спектроскопии свидетельствуют, что ячеистый стереомом скелетов панцирей образован высокомагнезиальным оптически сплошным кальцитом (рис. 2).

В ИК-спектрах (рис. 3) наблюдаются малоинтенсивные полосы в области 2910, 2880 см^_1, отвечающие валентным колебаниям связи C-H. Также присутствует очень интенсивная полоса при 1430-1410 см^-1, отвечающая колебаниям связи С-О в карбонат-ионе.

а)

б)

в)

Рис. 3. ИК_спектры скелетов ежей: а) промежуточный (серый) морской еж Strongylocentrotus intermedius; б) невооруженный (черный) морской еж Mesocentrotus nudus; в) плоский Scaphechinus mirabilis.

В ИК_спектрах (рис. 4) прокаленных скелетов при 700 С снизилась интенсивность полос, отвечающих связям C-H, связям C-O в карбонат-ионе при 1430 см^_1, и появилась полоса при 1140-1100 см^-1, отвечающая связям Si-O-Si. Кроме того, появилась полоса при 3640 см^_1, отвечающая колебаниям О-H в силанольном гидроксиле.

Таким образом, был подтвержден состав скелета ежей (кальцит) и наличие на поверх-ности органической пленки. После прокаливания при температуре 600-700 С в течение 3 часов скелеты ежей также легко растворялись в соляной кислоте, и на поверхности раствора всплывала нерастворимая в кислоте пленка.

Для более глубокого исследования поверхностной пленки было проведено растворение в соляной кислоте 30 г размолотого панциря плоского ежа Sc. mirabilis. Масса выделенного нерастворимого темно-коричневого продукта I составляла ~0.5 г, содержание углерода соста-вило 2.96%.

В ИК_спектре продукта I (рис. 5) отсутствует полоса при 1430 см^_1, отвечающая колебаниям связей C-O в карбонат-ионе, и присутствует интенсивная полоса при 1000-1100 см^_1, отвечающая колебаниям связей Si-O, Si-C [14].

Экстракцией этилацетатом размолотого панциря плоского ежа (после упаривания) была получена пленка - продукт II.

ИК-спектр продукта II (рис. 7) отвечает белковому субстрату с небольшой примесью кремнийорганического соединения. Полосы при 3400 см^-1, 1656 см^-1 отвечают н- и д-колеба-ниям связей N-Н в аминах, полосы при 2927 см^-1 и 2854 см^-1 отвечают C-H связям, малоин-тенсивные полосы при 1150, 1000 см^-1 отвечают колебаниям связей Si-C, Si-O соответственно.

Рис. 4. ИК_спектр панциря промежуточного (серого) морского ежа Strongylocentrotus intermedius, прокаленного при 700 С

Рис. 5. ИК_спектр продукта I из размолотого панциря плоского ежа Sc. mirabilis, растворенного в соляной кислоте

По данным дифрактометрии плёнка рентгеноаморфна и является кремнийорганическим полимером (рис. 6).

Рис. 6. Дифрактограмма продукта I из размолотого панциря плоского ежа Sc. mirabilis, растворенного в соляной кислоте

Рис. 7. ИК_спектр продукта II (экстракт этилацетатом размолотого панциря плоского ежа Sc. mirabilis после упаривания)

При экстракции размолотого панциря плоского ежа 1N раствором гидроксида натрия после упаривания был получен продукт III тёмно-коричневого цвета. В ИК-спектре продукта III (рис. 8) наблюдаются те же полосы, что и в плёнки, полученной экстракцией этилацетатом.

Рис. 8. ИК_спектр продукта III (экстракт 1N раствором гидроксида натрия размолотого панциря плоского ежа Sc. mirabilis после упаривания)

Однако появляются достаточно интенсивные полосы при 1192 и 1036 см^-1, отвечающие колебаниям связей Si-C, Si-O соответственно. Таким образом, щелочной раствор смывает и белковые и кремнийсодержащие компоненты.

Рис. 9. ИК_спектр продукта IIIА

Рис. 10. Дифрактограмма продукта IIIА

Продукт III растворили в толуоле и переосадили гептаном, получили светло-жёлтую пудру (продукт IIIA). ИК-спектр продукта IIIА (рис. 9) и спектр РФА (рис. 10) отвечают полифенилсилоксану [14]. Содержание кремния в полученном продукте IIIA составляет 18.9%, вычислено для ПФС 20.2%.

Выводы

При исследовании скелетов морских ежей нами впервые использованы методы сравнительного анализа интактных спанцирей до и после прокаливания при температуре 700 С. Оказалось, что их элементный состав после этой процедуры претерпевает изменения. В частности, при прокаливании из панцирей выявляются производные кремния. После растворения в кислоте выделены продукты, в составе которых имеется полифенилсилоксан.

Литература

1. H.A. Lowenstam, S. Weiner. On Biomineralization. Oxford: Oxford University Press. 1989.

2. K. Simkiss, K.M. Wilbur. (1989) Biomineralization. New York: Academic Press. 1989.

3. Ebert. A new theory to explain the origin of growth line in sea urchin spines. Mar. Ecol. Prog. Ser. 1986. Vol.34. P.197-199.

4. X. Su, S. Kamat, A.H. Heuer. The structure of sea urchin spines, large biogenic single crystals of calcite. J. of Mater. Sci. 2000. Vol.35. P.5545-5551.

5. R.R. Strathmann. The Role of Spines in Preventing Structural Damage to Echinoid Tests. 1981. Paleobiology 7. P.400-406.

6. S.K. Donovan. Functional Morphology of the Invertebrate Skeleton. In: Savazzi E, editor: John Wiley and Sons. 1999. P.565-600.

A. Berman, L. Addadi, A. Kvick, L. Leiserowitz, M. Nelson, et al. Intercalation of Sea Urchin Proteins in Calcite: Study of a Crystalline Composite Material. 1990. Science 250. P.664-667.

7. S.I. Stupp, P.V. Braun. Molecular Manipulation of Microstructures: Biomaterials, Ceramics, and Semiconductors. 1997. Science 277. P.1242-1248.

8. U. Magdans, H. Gies. Single crystal structure analysis of sea urchin spine calcites: Systematic investigations of the Ca/Mg distribution as a function of habitat of the sea urchin and the sample location in the spine. European Journal of Mineralogy. 2004. P.261-268.

9. J. Seto, Y. Ma, S. Davis, F. Meldrum, A. Gourrier, et al. Structure-property relationships of a biological mesocrystal in the adult sea urchin spine. Proceedings of the National Academy of Sciences 109. 2012. P.3699-3704.

10. F.H. Wilt. Biomineralization of the Spicules of Sea Urchin Embryos. Zoological Science. 2002. Vol.19. №3. P.253-261. (DOI: http://dx.doi.org/10.2108/zsj.19.253

11. URL: http://www.bioone.org/doi/full/10.2108/zsj.19.253)

12. C. Moureaux, A. Perez-Huerta, P. Compere, W. Zhu, T. Leloup, M. Cusack, P. Dubois. Structure, composition and mechanical relations to function in sea urchin spine. Journal of Structural Biology. 2010. Vol.170. P.41-49. (doi:10.1016/j.jsb.2010.01.003)

13. C. Sancher, H. Arribart, M.M.G. Cuille. Biomimetism and bioinspiration as tools fore the design of innovative materials and systems. Nature mater. 2005. Vol.4. No.4. P.277-288.

14. Шапкин Н.П. и др. Синтез полиэлементорганосилоксанов. Высокомол. соед. 1977. Т. XIX Б. №11. С.855-857.

Размещено на Allbest.ru