CC BY
18
УДК 537.535.35+543.422.8
НАНОСТРУКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ БИОКРЕМНИЯ МОРСКОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ
ГАЛКИНА АН., ВОЗНЕСЕНСКИЙ С.С., КУЛЬЧИН Ю.Н., СЕРГЕЕВ А.А.
Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН, 690041, г. Владивосток, Радио, д.5.
АННОТАЦИЯ. Исследованы основные физические, оптические и структурно-химические свойства материала спикул морских стеклянных губок Нуа1опета sieboldi, Pheronema raphanus, Pheronema sp. (Porifera, Нехайте1Ша), их взаимная корреляция. Экспериментально показано, что важным характеризующим признаком материала биоминералов является различная степень гидратированности оксида кремния по поперечному сечению спикул. Показано, что материал спикул имеет спектрально-селективные характеристики пропускания, что определяется их функциональными особенностями, а также природой материала спикул. Полученные данные позволяют рассматривать спикулы морских стеклянных губок как перспективный прототип для биомиметического моделирования при создании наноструктурированных оптических материалов для систем и устройств фотоники.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: морские глубоководные губки, спикулы, наноструктурированные оптические биоминералы.
ВВЕДЕНИЕ
Нанотехнологии являются современным подходом к проблеме получения новых функциональных материалов. Создаваемые на основе таких технологий объекты обладают различными уникальными свойствами, вследствие того, что отдельные наночастицы имеют большое соотношение поверхности к линейному размеру. В природе существует обширная группа биологических организмов, которые могут концентрировать в себе минеральные вещества. Ярким примером таких организмов, в основе метаболизма которых лежит процесс биоминерализации, служат губки. У обитающих в морских или пресных водах с небольшим количеством растворенного кремния стеклянных губок существует клеточный механизм избирательного накопления кремния из воды. Элементы скелета таких губок - спикулы, в которых минеральным компонентом является двуокись кремния, представляют значительный интерес для нанотехнологий, поскольку обладают уникальными механическими и оптическими характеристиками [1-3].
Целью настоящей работы является исследование физико-химических характеристик спикул морских стеклянных губок видов Pheronema и Hyalonema как перспективных прототипов для биомиметического моделирования при создании наноструктурированных оптических материалов для систем и устройств фотоники.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Структура поперечных и продольных срезов спикул изучалась на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) EVO-50XVP (Zeiss, Aalen, Германия), напряжение 20 kV, рабочее расстояние (10-24) мм. Элементный анализ на присутствие таких элементов, как C, Si, O, Na, K, проводили с помощью энергодисперсионного спектрометра (ЭДС) INCA Energy 350 (изображение в обратно отражённых электронах). Корреляцию содержания оксида кремния в образцах спикул проводили с помощью ZAP-процедуры сравнения со стандартами минералов. Строение спикул в продольном и поперечном сечении, а также топографию их ламинирующей оболочки исследовали с помощью атомно-силовой микроскопии (полуконтактный метод) на NTEGRA-AURA г. Зеленоград, Россия. Факт наличия адсорбированной и/или связанной воды в спикулах определялся по температурному режиму
HAHGCTPyKTyPHblE OСOБЕHHOСТИ БИOKРЕМHИЯ МOРСKOГO ПРOИСХOЖДЕHИЯ
нагревания при варьировании температуры от 40 0С до l50 0С с шагом температур l0 0С в течение 2 ч в каждой температурной точке. Влияние адсорбированной и связанной воды на оптические свойства спикул исследовалось на УФ-ИK спектрофотометре Cary 5000 (Varían, ^дерланды) в диапазоне длин волн (200-1800) нм. Длина образцов (1±0,05) см, торцы спикул полировались на абразивных пленках фирмы Fiber Instruments, NY USA.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Иерархия построения и структурные особенности материала спикул
Ш микро- и наноуровне материал спикул губок H. sieboldy, Pheronema sp., Ph. raphanus представляет собой трехмерную периодическую структуру, состоящую из органического матрикса и аморфного диоксида кремния [4-7]. Исследования морфологии спикул показали, что толщина слоя оксида кремния уменьшается от центра к периферии и варьируется от 0,5 мкм до 20 мкм (рис. 1). Минимальный размер глобул оксида кремния варьируется в пределах от 40 нм до 70 нм
А) поверхность поперечного среза спикулы после обработки плавиковой кислотой, шкала 2 рт; Б) участки материала центрального цилиндра спикулы, шкала 1 рт; В) наночастицы оксида кремния после обработки ЭТ, шкала 100 пт
Рис. 1. Иерархическое структурирование материала спикулы. СЭМ анализ пятилучевой спикулы губки Pheronema raphanus
О композитном составе и регулярной структуре исследуемых образцов губок свидетельствуют также результаты зондовой микроскопии. Показано, что каждый концентрический слой спикулы состоит из глобул, причем сами глобулы имеют сложный композитный состав. Измерения в режиме топографии поверхности показывают, что диаметр глобул, из которых сложены слои спикул, составляет (50 - 150) нм (рис 2).
Особенности химического состава спикул
В работе [10] для спикул роговых губок S. domuncula представлены результаты исследования процесса переноса кремнийсодержащих веществ (кремниевой кислоты) из раствора в мембрану клетки при формировании спикулы. Показано, что этот процесс обеспечивается котранспортером Na+/HCO3-[Si(OH)4]. При этом формирование слоев оксида кремния в спикуле проходит в два этапа. Первый этап состоит в конденсации молекул силиката в виде Na+ [Si(OH)4]-x (H2O)n в процессе послойного роста спикулы. Второй этап -в присутствии катионов К+ уплотнение (переконденсация) вещества за счет отдачи сконденсированной воды и формирование олиго- и полимерных цепочек оксида кремния. Таким образом, регистрация содержания катионов Na+ и К+ может свидетельствовать о различной степени конденсированности оксида кремния в различных участках спикулы, что непосредственно влияет на физические свойства материала спикул такие, как жесткость и эластичность.
а) - участок поперечного среза спикулы, измерения в режиме топографии поверхности; б) - измерения в режиме фазового контраста
Рис. 2. Исследование образцов спикулы губки Pheronema sp. методом зондовой микроскопии
Показано, что базальные спикулы губки Н. sieboldi, назначение которых поддерживать тело губки на высоте до метра от субстрата дна и противостоять течениям, обладают высокой гибкостью, как показано в работе [8] и подтверждено нашими исследованиями. Распределение концентрации катионов №+ и К+ указывает на сложную картину композитного материала слоистой структуры, отличающуюся сочетанием зон высоко и низко конденсированного силиката. Жесткий центральный цилиндр (только катионы К ), и, наоборот, эластичная ламинирующая оболочка (только катионы №+) усиливают гибкость всей конструкции спикулы. Пятилучевые спикулы губки Рк. таркапш, назначение которых обеспечивать жесткость конструкции тела губки, обладают низкой гибкостью. При поперечной деформации спикулы она легко растрескивается. Показано, что пятилучевые спикулы практически не содержат катионов №+ и состоят преимущественно из высоко конденсированного силиката с вариацией степени поликонденсации материала спикул.
Исследование спектральных характеристик материала спикул
Методом УФ-ИК спектрометрии показано, что для материала спикул характерен широкий спектральный диапазон от 400 нм до 1400 нм (рис. 3). Положение минимумов спектральных характеристик материала спикул стеклянных губок, обусловленных наличием связанной воды в образцах, вне зависимости от их диаметра и видовой принадлежности, постоянно и регистрируется при (960 ± 3) нм и (1150 ± 5) нм. Сравнение спектральных характеристик спикул губки Рк. таркапш и базальных спикул губки Н. sieboldy демонстрирует влияние связанной воды. В первом случае имели место свежезамороженные образцы спикул, а во втором - музейные образцы, хранившиеся несколько десятилетий на открытом воздухе. Кроме того, следует отметить зависимость наклона спектральных характеристики материала спикул стеклянных губок в области длин волн (300 - 500) нм от их функционального назначения.
В работах [2, 5] приведены результаты исследований спектров пропускания базальных спикул стеклянных губок Н. sieboldy и М. скит, где показано, что спикулы проводят свет в диапазоне длин волн (400 - 1600) нм дифференциально. Спикула пропускает свет в области длин волн (615 - 1310) нм, тогда как излучение в диапазоне от 400 нм до 615 нм, и от 1310 нм и выше спикула не пропускает. В нашем случае отличие заключается в том, что регистрировалось излучение со всей поверхности (в том числе из торца) отрезка спикулы, введенного в сферу спектрофотометра, т.е. исследовались спектральные характеристики материала спикул. Сопоставление результатов экспериментов позволяет утверждать, что спикулы губок Н. sieboldy и Рк. таркапш хорошо проводят излучение в диапазоне длин волн от 615 нм до 1320 нм, и рассеивают через боковую поверхность
НАНОСТРУКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ БИОКРЕМНИЯ МОРСКОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ
излучение в диапазоне длин волн от 300 нм до 600 нм. Кроме того, при прохождении света через спикулу, регистрируется изменение свечения спикулы по длине с белого цвета на красный, что свидетельствует о рассеянии части видимого спектра. Для образцов спикул, длиной более 5 см, исследованных в работе [2], происходит рассеяние излучения в диапазоне длин волн от 300 нм до 600 нм, что объясняет покраснение образца.
а) б)
а) Hyalonema sieboldy, базальные спикулы; б) Pheronema raphanus, пятилучевая спикула Рис. 3. Спектральные характеристики материала спикул
ВЫВОДЫ
Проведенные исследования показали, что спикулы губок Hyalonema sieboldy, Pheronema sp., Pheronema raphanus представляют собой нанокомпозитную трехмерную периодическую структуру, состоящую из органического матрикса и аморфного оксида кремния. В настоящей работе установлен факт наличия наноструктурной иерархии материала спикул и выявлен иерархический контроль в процессе формирования спикулы. Показано, что размер глобул оксида кремния варьируется в пределах от 40 нм до 70 нм. Выявление феномена различной степени конденсированности оксида кремния в поперечном сечении спикул и его метастабильного состояния позволило предположить возможность модификации наноструктурной организации материала спикул. Полученные данные позволяют рассматривать спикулы морских стеклянных губок как перспективный прототип для биомиметического моделирования при создании наноструктурированных оптических материалов для систем и устройств фотоники.
Работа поддержана грантами РФФИ №07-02-01442_а, РФФИ №09-021-98506-р_восток_а.
Выражаем благодарность Галкину К.Н. (Институт автоматики и процессов управления, ДВО РАН, г. Владивосток) за исследование образцов спикул методом атомно-силовой микроскопии.
Материалы статьи обсуждались на Двенадцатой Межрегиональной конференции молодых ученых по физике полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов «ПДММ-2009) (г. Владивосток, 17-20 июня 2009 г.) и рекомендованы к публикации в журнале «Химическая физика и мезоскопия».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Aizenberg J., Sundar V.C., Yablon A.D., et al. Biological glass fibers: Correlation between optical and structural properties // Proc. of the National Acaddemy of Sciences of the USA. 2004. V. 101. P. 3358-3363.
2. Müller W.E.G., Wendt K., Geppert Ch., et al. Novel photoreception system in sponges? Unique transmission properties of the stalk spicules from the hexactinellid Hyalonema siebold // Biosensors and Bioelectronics. 2006. V. 21, P. 1149-1155.
3.Кульчин Ю.Н., Багаев С.Н., Букин О.А. и др. Фотонные кристаллы на основе природных биоминералов океанического происхождения // Письма ЖТФ. 2008. Т. 34, №15. С.1-7.
4. Aizenberg J., Weaver J. C., Thanawala M.S., et al. Skeleton of Euplectella sp.: Structural Hierarchy from the Nanoscale to the Macroscale // Science. 2005. V. 309. P.275-278.
5.Müller W.E.G., Xiaohong Wang, Kropf K., et al. Bioorganic/inorganic hybrid composition of sponge spicules: Matrix of the giant spicules and tha comitalia of tha deep sea hexactinellid Monorhaphis // Journal of Structural Biology. 2008. V. 161. P. 188-203.
6.Kul'chin Yu.N., Bukin O.A., Voznesenskiy S.S., et al. Optical ebres based on natural biological minerals - sea sponge spicules // Quantum Electronics. 2008. V.38 (1). P. 51 - 55.
7. Weaver J.C., Pietrasanta L.I., Hedin N., et al. Nanostructural features of demosponge biosilica // Journal of Structural Biology. 2003. V. 144. P. 271-281.
8.Эрлих Г., Ересковский А.В., Дроздов А.Л. и др. Современный подход к деминерализации спикул стеклянных губок (Porifera: Hexactinellida) с целью извлечения и исследования протеинового матрикса // Биология моря. 2006. Т. 32, №3. C. 217-224.
9. Ehrlich H., Krautter M., Hanke Th., et al. First evidence of the presence of chitin in skeletons of marine sponges. Part II. Glass sponges (Hexactinellida:Porifera) // Journal of experimental zoology. 2007. V. 308 (B). P. 473-483.
10. Schroder H.C., Perovic-Ottstadt S., Rothenberger M., et al. Silica transport in the demosponge Suberites domuncula: fluorescence emission analysis using the PDMPO probe and cloning of potential transporter // Biochemical Journal. 2004. V. 381. P. 665-673.
NANOSTRUCTURAL FEATURES OF MARINE BIOSILICA
Galkina A.N., Voznesenskiy S.S., Kulchin Yu.N., Sergeev A.A.
The Institute of Automation and Control Processes of the Far Eastern Branch of the RAS, Russia
SUMMARY. The physical, optical and structural-chemical properties of the spicules deep sea sponges Hyalonema sieboldi, Pheronema raphanus, Pheronema sp., and their cross-correlation are investigated. It is experimentally shown that the spicules of sponge are the nanocomposite three-dimensional periodic structure, which consists of the organic matrix and the amorphous oxide of silica, the characteristic feature of the biomaterials is different degree of the silica hydration over the cross section of spicules. The material of spicules has the spectral- selective characteristics of the transmission in the region of wavelengths (190-1500) nm, which is determined by their three-dimensional periodic structure, organic matrix and amorphous hydrated oxide of silicon and also by functional special features of spicules. Obtained data make it possible to consider the spicules of sea glass sponges as promising prototype for the biomimetic simulation to production the nanostructure optical materials for systems and devices of photonic.
KEYWORDS: deep sea sponge, spicules, nanostructure optical biomaterials
Галкина Анна Николаевна, младший научный сотрудник ИАПУДВО РАН, тел. (4232) 320624, e-mail: galkina@iacp. dvo. ru
Вознесенский Сергей Серафимович, кандидат технических наук, зав. лабораторией физических методов мониторинга природных и техногенных объектов ИАПУ ДВО РАН, тел. (4232) 320624, e-mail:vss@iacp.dvo. ru
Кульчин Юрий Николаевич, доктор физико-математических наук, член-корр. РАН, директор ИАПУ ДВО РАН, тел. (4232) 310439, e-mail: kulchin@iacp. dvo. ru
Сергеев Александр Александрович, аспирант ИАПУ ДВО РАН, тел. (4232) 320624, e-mail: aleksandrsergeev@inbox. ru
