材料表面正电性对舟形藻附着的影响

李祥筑 张敬迎 李长林 刘佳斌 王珺 刘钟馨 于晓龙

摘 要 利用单分子自组装膜（SAMs）技术，分别制备表面具有碳碳双键、甲基、氨基及混合官能团的表面膜层材料。研究表明：表面硅藻附着量是随着时间变化而呈动态变化，氨基的正电程度对舟形藻的附着有着重要影响。前H5内氨基（0.4）的附着量最小，当H12时氨基（0.4）附着量最大。材料表面的电负性和亲疏水性共同影响硅藻的附着。甲基的附着强度最大，硅藻的附着强度与附着量并无直接关系。这不仅对探讨硅藻细胞的附着行为有着意义，同时为研究应用海洋生物防污提供一种有效的途径。

关键词 单分子自组装膜；硅藻；附着；脱附；静电作用

中图分类号 R318.1 文献标识码 A

海域中并非靠陆生植物生存的动物世界靠着海洋植物提供物质能量作为基础进行生命活动。高度分化的高等植物由于受到生存环境因素的限制不可能像在陆地上那样遍布海洋中，作为海洋植物主要成分的藻类，尽管是一群最简单、最古老的低等植物，它们的足迹却可以在从热带到两极的区域找到[1]。

硅藻作为海洋浮游植物中重要的一类群体，不仅仅是为世界贡献着20%左右的初级生产力[2-3]，且硅藻在海洋的物质和能量循环过程（例如还海洋硅藻为海洋中固定有机碳占40%[4]）中有着不可替代的作用[5-6]；同时硅藻在仿生与合成、硅藻基因组学、污染与干扰等方面起着重要作用[7-8]。近年来，细胞行为的研究已成为生物和生物医用材料研究的热点。大量研究[9-12]已证实：细胞微环境中的细胞外基质是影响细胞行为的重要原因。利用单分子自组装膜技术形成具有单一化学基团的材料表面探讨对硅藻细胞生命活动的影响具有重要意义：它不仅对硅藻细胞自身的行为研究具有重要意义，同时通过对硅藻细胞自身的行为影响也可以为海洋生态保护及海洋污损的研究提供有效途径。

硅藻在固相表面的附着是一个动态过程，其一般包括到达表面后着陆、初始附着、滑行、永久附着四个步骤[13]。Maureen等[14]首次通过高分辨率显微镜详细观察浒苔（Enteromopha）孢子的着陆与附着的情况并且引入动力学方法定量分析细胞附着。目前研究表明[15-19]对硅藻附着影响的因素有材料表面接触角、粗糙度、表面能等。Li等[20-21]在研究材料表面能对硅藻的附着影响时，认为表面为羧基的材料与带有负电的硅藻胞外分泌物（extracellular polymeric substances，EPS）有一定的静电排斥作用，同时通过制备磷酸胆碱聚合物膜带有一定的正电性研究对硅藻的附着影响，认为这种正电性有利于硅藻的附着及提高附着强度，但对电负性影响硅藻的附着程度并未进一步探讨，且目前在对于材料表面电负性对硅藻附着及随时间的影响研究较少。因此设计实验制备出具有不同程度电负性的材料表面对硅藻的附着进行研究便有了重要意义。本实验利用SAMs制备出表面能够具有系列梯度的正电的材料表面探讨硅藻附着情况。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 化学试剂 （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%）为Sigma公司产品，环己烷为Fluka公司产品，其他试剂均为国产分析纯。

1.1.2 植物材料 舟形藻（Navicula vilaplanii，Lange-Bertalot，1990）取自海南大学海洋学院。舟形藻（Navicula V.）采用F/2培养基培养，光照强度为（2 500±500）lx，光照与黑暗时间比例为14 h ∶ 10 h。

1.2 方法

1.2.1 单分子自组装膜制备 分别配制尾基为氨基、甲基、碳碳双键的硅烷联环己烷溶液（V有机硅烷 ∶ V联环己烷=5 ∶ 100）。制备尾基为氨基、甲基及碳碳双键的具体实验方法和步骤可参考相关文献[22-23]。分别配置甲基和氨基混合官能团硅烷溶液（V甲基 ∶ V氨基=0.2、0.4、0.6、0.8）。甲基和氨基的混合官能团制备具体过程见参考文献[15]。将表面官能团化后的玻璃片分别用丙酮、无水酒精、去离子水依次清洗并在氮气气氛下干燥。

1.2.2 硅藻细胞附着与分析 分别将上述接枝后的玻璃片和空白玻璃片分别放置在7个硅藻培养皿中培养。等待24 h后分别于1、3、5、7、10、12 h取出玻璃片在光学显微镜（E-100，Nikon）下进行随机拍照8张并且观察计数。

1.2.3 硅藻脱附实验 模拟水流装置：将1个100 mL的烧杯装满蒸馏水，然后将搅拌机转子放入烧杯底部，并调节转数至200 r/min，形成水流的模拟环境，将玻璃片样本在液面上层浸没5 min。分别将接枝尾端为碳碳双键、甲基、氨基及空白玻璃片放置在硅藻培养皿中培养3 h，然后取出玻璃片在光学显微镜下分别观察计数在培养后的玻片及在模拟水流环境冲压后的玻片样本。

1.2.4 接触角测试及红外光谱测试 分别将制备的表面为碳碳双键、氨基和甲基以及空白玻片进行接触角（HARKE-SPCA，北京哈科）测试，其数据处理用内置图像分析软件，每组样本用去离子水滴定重复测试3次。将制备的表面含有碳碳双键、甲基和氨基的玻片进行傅里叶红外光谱（Perkin Elmer，USA）测试。

1.3 数据处理

所有实验数据都是以两因子试验方差分析处理。

2 结果与分析

2.1 接触角测试结果

以上几种化学官能团的玻片接触角测试结果见表1。表1中的接触角数据，碳碳双键的疏水性最强，甲基次之，而空白组和氨基的表面接触角较小，亲水性较强。混合组官能团的接触角介于氨基和甲基之间。

2.2 红外光谱测试

由化学官能团的红外图谱图1可看出，在1 100 cm-1处有较为明显的特征峰，而此处峰值正是Si-O-Si键的特征峰。同时可以分别在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附近有明显的碳碳双键的特征峰，说明化学基团都成功与基底连接。

2.3 几种化学官能团的附着情况

不同官能团的硅藻附着量见图2。由图2可看出，氨基的附着量最大，而空白组次之，然后碳碳双键的数量多于甲基组的附着量。其光学显微镜图见图3。氨基的附着量远大于甲基和碳碳双键的附着量，除了因为氨基的亲水性有利于硅藻附着外，和空白组对比，氨基的接触角大于空白组说明还有其它因素在影响硅藻的附着。

2.4 不同正电程度材料表面的附着情况

不同官能团的硅藻表面附着情况见图4。由图4可看出，在H1氨基官能团上附着的硅藻最少，而甲基和空白组上的数量相差不大，混合官能团上的数量较多，但是在混合氨基（0.4）处明显较少。H3后氨基玻璃片上数量最多，除了混合氨基（0.4）依然最少，其他玻璃片上附着量相差不大。从H5到H7，氨基和甲基及空白组的硅藻附着数量较多，混合组上的数量比较少。而从H10到H12，甲基上附着量都较少，而含有氨基的组附着量整体上较多。

硅藻附着量随着时间变化见图5。在图5中，每种化学基团的附着量都会随时间延长而变化。以H1附着量为基准，除了氨基组（0.4），其他组的变化趋势基本上是先减少，特别是在H3到H5小时之间较为明显，之后的时间段特别是H10到H12小时硅藻的附着量变化趋势减小，由此说明舟形的附着量是个随时间动态变化的过程。同时在前H5内，舟形藻附着量的最小值在H1和H3及H5时刻都出现在氨基组（0.4），这说明影响舟形藻附着还有其他因素，这其中可能与材料表面能和硅藻的生命活动相关[24-27]，值得进一步深入研究。

2.5 几种化学官能团的脱附情况

对于硅藻的附着强度情况，从图6可以计算出，甲基上的脱附率最高达到13.5%，空白组为12.1%，而氨基为9.2%，碳碳双键为8.33%。硅藻的附着强度在甲基与空白组的差距并不大，而在氨基上明显降低，硅藻在亲水性材料表面的附着强度高于疏水性表面，这与Callow[19]观察结果一样，这可能不仅是由于极性化学官能团氨基的正电在硅藻附着中的静电吸引，同时可能由于硅藻的EPS含有带有极性分子使得其在材料表面具有更大的接触作用面积[16]，即加强了硅藻与材料表面的相互作用从而增强附着强度。同时根据结果可以得到硅藻的附着量与附着强度并无直接关系。

3讨论与结论

3.1 不同正电程度化学基团对硅藻附着的影响

虽然前人利用SAMs技术制备具有特定物理化学性质的材料表面研究对硅藻的附着影响，但是多从材料亲疏水性、摩擦系数、表面能等因素探讨对硅藻附着的影响。很少有从材料表面所带的正电性及带电程度来研究对硅藻附着的影响。材料表面所带的电性主要是通过与硅藻EPS的糖类及蛋白质相互作用从而影响硅藻的附着过程。硅藻的附着过程同时伴随着硅藻的生命活动，正是由于硅藻的生命活动影响着硅藻EPS的分泌及其含量，从而引起硅藻附着的变化。在实际水域环境中，硅藻的EPS中糖类及蛋白质含量的相对变化对于硅藻附着情况有紧密联系。

在图4中，H1甲基和氨基（0.2）的附着量明显多于氨基组的附着量，这种现象与Finlay等[15]人的结果保持一致，这主要是因为在硅藻附着初期疏水作用[19]。但是在这期间氨基（0.2）的组中数量最多，这说明了氨基的在硅藻附着中也起了一定作用，理论上应该随着氨基的含量增高附着量递减，但是结果表明氨基（0.2）组附着量最多，而在氨基（0.4）时最少。这说明在硅藻附着初期，虽然在硅藻的附着过程初期疏水性占着主导作用，但是材料表面的正电性对硅藻附着量仍有重要影响，这可能是由于硅藻分泌的胞外多聚物（extracellular polymeric substances，EPS）中含有较多的含有羟基的酸性多糖带有一定的负电性，静电吸引导致氨基（0.2）处的附着量最多，但随着氨基含量增多，正电性增强，硅藻附着量并未呈逐渐增强，此时是由于材料正电程度过高会影响硅藻细胞选择附着位点。H3中氨基组的附着量又明显多于甲基组及其混合组，说明此时氨基的所带的正电性有利于舟形藻的附着。H5中同样有相似的现象，但是附着量组最小的组氨基（0.4）与最大组的差距逐渐减小，说明正电性对舟形藻的附着影响程度开始减弱，此时是由于材料表面亲疏水性及电负性共同调节硅藻附着导致。H12时氨基组不再是最大附着量，氨基（0.4）成为附着量量最大组，但是氨基组和甲基组的附着量差距并不大，而此时甲基组与氨基（0.2）的差异也不大，这可能是由于氨基组（0.4）具有特定的表面能，从而有利于舟形藻的附着。

3.2 时间对硅藻附着的影响

前人在研究硅藻附着情况，基本上是选取某一个时间段，并未做较为连续时间段的硅藻附着情况。硅藻附着时间因素主要是由于硅藻的EPS的含量及成分会随着时间变化而变化，而这些与硅藻附着有着不可分割的关系。本实验的结果同样说明了硅藻附着量会因为时间变化而变化。硅藻脱附影响因素研究目前较多集中在材料表面亲疏水性，对于其他因素的研究仍需深入探讨。

氨基的正电程度对舟形藻的附着有着重要影响。前H5内氨基（0.4）的附着量最小，当H12时氨基（0.4）附着量最大。材料表面的电负性和亲疏水性共同影响硅藻的附着。甲基的附着强度最大，硅藻的附着量与附着强度并没有直接关联。这项工作对研究海洋生物防污中将有积极作用。

致 谢 本研究承蒙海南大学海洋学院及热带岛屿资源先进材料教育部重点实验室提供技术支持，在此表示感谢！

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责任编辑：叶庆亮