马氏珠母贝天然珍珠的结构分析

肖雁冰，郑 兴，王爱民，顾志峰

(海南大学 海洋学院，热带生物资源教育部重点实验室，海南 海口 570228)



马氏珠母贝天然珍珠的结构分析

肖雁冰，郑 兴，王爱民，顾志峰

(海南大学 海洋学院，热带生物资源教育部重点实验室，海南 海口 570228)

应用光学显微镜和扫描电子显微镜对30颗直径约为2mm的马氏珠母贝天然海水珍珠进行了显微结构和超微结构的观察，结果表明：在马氏珠母贝天然珍珠的中心区域无不定型基质，也无棱柱层,其完全是由文石单晶层构成; 珍珠的珍珠层内部结构与人工养殖珍珠相似, 珍珠层存在断层现象; 靠近珍珠表面的文石晶片层厚度为(0.24±0.03)μm,呈“砌墙式”排列,排列非常整齐、均匀致密，并与珍珠表面平行；珍珠内部的文石晶片层的厚度为(0.28±0.03)μm；珍珠表面的晶层融合状态良好，单晶体的顶面观呈近正六边形, 彼此间结合紧密且光滑.

马氏珠母贝； 天然珍珠； 珍珠结构； 光学显微镜； 扫描电子显微镜

马氏珠母贝(P.fucata), 又称合浦珠母贝, 属于软体动物门(Molluesa), 双壳纲(Pteriomorphia)、珍珠贝科(Pteriidae)珠母贝属(Pinctada)[1].马氏珠母贝是我国生产海水游离珍珠的最主要贝类, 其培育的游离珍珠是由植入的外套膜形成珍珠囊后向被包裹的圆形人工珠核表面沉积珍珠质而形成的.因其色彩迷人、颗粒大且圆润而享誉世界, 曾被誉为“南珠”.

马氏珠母贝游离珍珠相关的报道很多, 包括珍珠的物相组成、组成成分、药理机制等[2-7]. 马氏珠母贝人工游离珍珠主要由约5%的蛋白质与多糖等有机高分子物质和约95%的碳酸钙组成.其中氨基酸种类高达22种, 其中8种是人体必需氨基酸, 其氨基酸种类和含量都远大于淡水珍珠; 碳酸钙主要以方解石和文石两种物相形式存在. 目前, 根据珍珠的物质组成和排列方式将马氏珠母贝的游离珠分为珍珠层型、棱柱层型和复合型三类, 进行了比较详细的结构和组成研究.

马氏珠母贝不仅能够培育人工海水珍珠, 而且能够形成天然珍珠, 并且正是基于其能够形成天然珍珠这一现象才在1893年日本的御木本成功培育出第一颗半球状人工珍珠, 在1905年御木本培育出圆形游离海水珍珠, 1958年我国成功生产出圆形游离海水珍珠. 虽然马氏珠母贝游离珍珠结构的相关报道已经很多, 但是关于马氏珠母贝天然珍珠的研究却很少见[8-11]. 本文应用光学显微镜和扫描电子显微镜(SEM)对马氏珠母贝天然珍珠结构进行观察和分析, 以期揭示马氏珠母贝天然珍珠和游离珍珠结构的异同以及对珍珠表型性状的影响.

1 材料与方法

1.1 实验材料 实验所用的马氏珠母贝天然海水珍珠来源于2012年10月在海南陵水黎安港珍珠养殖场繁殖的“海优一号”马氏珠母贝外套膜内. 样品总量为30颗, 直径约2mm, 珍珠表面光滑，具有很强的光泽，明度亮且通透, 颜色呈银白色或淡粉色.

1.2 实验方法

1.2.1 固定和打磨 天然海水珍珠用特制底座及EP固化剂(广州施能)、E-44型环氧树脂(广州东风)进行固定, 硬化24h后用80目粗砂纸进行打磨至约1cm厚. 再依次用120目和240目的砂纸打磨至厚度小于2mm, 使打磨后珍珠样品的截面处于径切面.蒸馏水清洗后用纯水于超声波清洗仪(SB5200D, 宁波薪芝)中再清洗3次, 每次5min. 清洗后样品置于50 ℃的电热鼓风干燥箱(DGX-9240)干燥处理24h.

1.2.2 光学显微观察 干燥处理后的天然海水珍珠置于光学显微镜(Olympus-BX41, 日本)下对观察其结构，并进行拍照记录.

1.2.3 扫描电镜观察 光学显微镜观察后, 样品喷金约150 Å, 然后用扫描电子显微镜(S-3000N型,Hitachi)观察和拍照, 加速电压为20kV.

1.2.4 单晶层厚度和边长测定 通过NanoMeasurer1.2 软件对SEM图中的单晶层的厚度和边长进行测量, 各测量35个位点.然后使用Excel表格对数据进行统计处理.

2 结 果

2.1 光学显微镜下马氏珠母贝天然珍珠的结构特征 在光学显微镜下30颗马氏珠母贝天然珍珠都呈近同心圆形状分层(图1). 每一层的纹路明显且整齐, 但不同珍珠的层数并不是固定不变的, 而且每一层的厚度亦不一定相同. 不同层间的颜色也存在差异, 近中心部位的颜色较深(图1-A和图1-B中的a层), 而近外围的颜色较浅(图1-A的c和图1-B的b), 并且颜色呈明显的梯度变化. 有的部位还有颜色较深的无定型基质(图1-A中的d).

图1 光学显微镜下马氏珠母贝天然珍珠的内部结构

2.2 扫描电子显微镜下马氏珠母贝天然珍珠的结构特征

2.2.1 整体结构 扫描电子显微镜低放大倍数下马氏珠母贝天然珍珠剖面呈近似同心环状的裂缝(图2-A).若以裂缝为界进行分层, 其层数与在光学显微镜下观察到颜色分层数一致. 每一层的厚度为0.2～0.5mm不等. 有的珍珠的剖面出现类似核的深色椭圆形结构(图2-A中的d), 放大至370倍后呈现与周围显著不一致的疏松多孔结构(图2-C,MA), 进一步放大该结构至2 500倍时呈无定型基质状(图2-D,MA)，有少量零散的结晶块混在其中. 同时, 无定型基质的周围没有发现方解石结构的存在, 它是由无定型基质直接过渡到文石结构.

2.2.2 中心部位结构 马氏珠母贝天然珍珠超微结构中没有观察到明显与众不同的核心结构, 中心区域仅由文石组成, 并未发现方解石结构(图2-B).

2.2.3 文石层横截面结构 马氏珠母贝天然珍珠几乎全由文石晶片层组成. 从截面上看, 文石晶片一层一层累积叠加, 呈“砌墙式”的片状结构, 且每一层的文石板片厚度基本均匀一致, 各层之间的间隙较小(图3-A,B). 我们选取离珍珠表面约有0.5mm的一裂缝处进行文石单晶层厚度的测量结果显示单晶层的厚度平均为(0.28±0.03)μm(图3-B).

图2 马氏珠母贝天然珍珠的整体结构和无定型基质的SEM图

2.2.4 截面边缘结构 马氏珠母贝天然珍珠的边缘处文石晶片层较薄, 平均单晶层厚度为(0.24±0.03)μm(图3-C). 此处的文石晶片层排列非常整齐, 层状结构均匀致密, 且平行于珍珠的表面. 但是文石晶片层都出现了黑色的凹洞, 呈被腐蚀状.

2.2.5 表面结构 马氏珠母贝天然珍珠的表面结构与横截面结构显著不同, 其生长机理纹呈规则的梯田状, 一层一层地堆积, 表面晶层融合状态良好, 没有未融合成层的单晶体, 文石晶片间结合紧密且光滑, 没有空洞或斑点. 单文石晶片顶面观多呈大小相似的近正六边形, 边长为(3.08±0.13)μm, 中间厚边缘薄, 呈外凸状, 整个珍珠文石晶片层表面较为平整.

3 讨 论

3.1 无定型基质与断层结构 人工培育的游离珍珠中, 无定型基质是一层紧贴于珠核表面的黑色或褐色有机质或者是有机物与无机物混合体, 优质珍珠没有无定型基质或者很薄, 而劣质珍珠却有较厚的无定型基质层[12]. 本研究在马氏珠母贝天然珍珠的中心区域没有发现无定型基质, 但在有的珍珠中存在近圆形的无定型基质团, 其周围没有方解石结构, 直接由无定型基质过渡到文石晶片层结构. 可能是因为当珍珠形成过程中出现局部空隙时, 珍珠囊液会填充空隙, 珍珠囊液与一些不参与结晶的物质形成了无定型基质[13]. 大珠母贝珍珠中经常出现无定型基质团, 其基质中混有结晶体,有时基质层还会与结晶层交替出现[13], 但是本研究中马氏珠母贝天然珍珠的珍珠质层出现了断层现象, 即, 文石晶片层之间出现较大的裂缝使文石晶片层的堆积不连续. 同时其整体形状如同年轮, 且断层之间没有无定型基质, 因而二者发生机理可能存在差异. 这与孔蓓等[14]对马氏珠母贝人工游离珍珠珍珠层结构的观察结果相似, 通过对珍珠进行打磨制成光薄片并进行观察发现, 游离珍珠中也存在断层现象[14]. 孔蓓等[14]认为, 当上皮细胞分泌粘液中的胶体碳酸钙达到一定量时才会形成以文石为主的晶体, 并在一组晶体的结晶周期结束后才进行下一轮晶体生长; 若局部碳酸钙供给不足, 则可能导致晶体生长速度不均衡, 形成貌似同心圆状而实为不连续的韵律层结构. 导致局部碳酸钙供给不足的原因很多, 养殖海域区域的养殖水体浮游动植物种类、水体盐度、病虫害等各种物理、化学和生物因素的变化可能使马氏珠母贝珍珠囊的细胞分泌活动发生了改变, 影响碳酸钙的形成和分泌.

图3 马氏珠母贝天然珍珠内部结构SEM图

3.2 棱柱层 人工培育的海水游离珍珠中普遍存在柱状方解石结晶的棱柱层, 与片状结晶的珍珠质层垂直, 其含量的高低是影响珍珠质量的重要因素之一, 优质海水珍珠的棱柱层含量明显低于劣质珍珠. 棱柱层的空间分布也影响珍珠的质量[15]. 人工游离珍珠除了常见的珠核附近会形成棱柱层外, 在文石结晶层中也可能连续分布或局部形成. 本研究的马氏珍珠贝天然珍珠没有观察到棱柱层, 暗示天然珍珠与人工圆形游离珠的形成上可能存在一定的差异.

3.3 文石层 文石层是珍珠最主要结构, 直接决定了珍珠的优劣. 文石顶面观多呈六边形, 也有不规则多边形和近圆形, 成层排列, 侧面观为“砖墙式”堆积, 通过蛋白质等有机质将文石板片胶结在一起[16-17]. 珍珠的质量还受珍珠层的洁净度、文石结晶的完整性和排列状态的影响[18-19], 珍珠近表层的文石结晶度、排列的有序性和有机质的含量等对珍珠质量的影响更大. 珍珠近表层的单晶层厚度与珍珠的色泽有关, 单晶层越薄, 珍珠的光泽就越丰富, 珍珠质量越好. 大珠母贝培育珍珠的文石单晶层最薄(0.2～0.3μm), 其次是三角帆蚌培育珍珠的文石单晶层(0.3μm), 马氏珠母贝生产珍珠的文石单晶层厚度(0.2～0.5μm)变化较大, 而褶纹冠蚌所产珍珠的文石单晶层普遍较厚(0.3～0.4μm)[13]. 马氏珠母贝天然珍珠无棱柱层, 是完全由文石单晶层或者含有极少量的无定型基质构成的无核珍珠, 其珍珠质层有序、精细、洁净、多层次、整体性好, 层与层之间有机质很少, 与优质珍珠的结构相似. 马氏珠母贝天然珍珠的文石晶片层平均厚度约(0.28±0.03)μm, 靠近表层的文石晶片层厚度约(0.24±0.03)μm, 与珍珠中部的单晶层厚度略大于近表面的文石晶片厚度这一普遍特征相符[20]. 马氏珠母贝天然珍珠近表层文石晶片层出现了黑色的凹洞, 呈被腐蚀状, 这可能是因为这些区域的文石晶片层在打磨过程中与砂纸直接接触并相互摩擦. 摩擦过程中接触面的温度较高, 导致文石晶片内的有机物分解汽化, 从而呈现出类似被腐蚀的现象[21].

3.4 外表形貌 珍珠表面的文石晶层融合越好, 结构越均匀、致密、光滑, 珍珠的光泽就越好[22-23]. 杜晓东和邓陈茂[13]认为不同生物培育的珍珠其表面晶层的融合状况有种间差异, 三角帆蚌和大珠母贝培育珍珠的表面晶层融合最好, 未见单晶体分布, 宏观上显得光滑细腻; 而褶纹冠蚌培育珍珠的表面晶层融合较差, 有未融合成层的单晶体; 马氏珠母贝培育的游离珍珠表面晶层融合很好, 但单晶体中央厚、边缘薄的现象较显著. 本研究的马氏珠母贝天然珍珠表面的晶层融合状态与人工游离珍珠相似, 没有未融合成层的单晶体, 文石单晶层间结合紧密光滑, 没有空洞或斑点, 文石单晶片多呈中间厚、边缘薄的外凸状.

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Structural Analysis of Natural Pearls Produced by Pinctada fucata martensii

XiaoYanbing,ZhengXin,WangAimin,GuZhifeng

(KeyLaboratoryofTropicBiologicalResources,MinistryofEducation,theOceanCollege,HainanUniversity,Haikou570228,China)

Theopticalandscanningelectronmicroscopeswereusedtoinvestigatethemicrostructureandultra-structureofthirtyseawaterpearls(2mmindiameter)producedbythepearloysterP. fucata martensii.Theresultsshowedthatthecentralregionofpearldidnotcontainamorphousmatrix,andthepearlwascomposedofaragonite,notthecalcitecrystallites;thestructureofpearllayerwassimilartotheculturedpearlintheexistenceofafaultphenomenon;thethicknessofaragonitetabletclosingtothepearlsurfacewas0.24±0.03um,whereasthecounterpartintheinternalofthepearlwas0.28±0.03um;thearagonitetabletswerearrangedlikebrick-wall,moreover,thearagonitetabletsnearthepearlsurfacewereinneatorder,uniformdensityandparalleltothepearlsurface;thecrystallayerofpearlsurfacefusionwasingoodcondition,andthetopofsingletabletsintheshapeofregularhexagonwerecloselyandsmoothlyconnectedwitheachother.

P. fucata martensii;naturalpearl;structureofpearl;opticalmicroscope;SEM

2015-03-26

国际科技合作专项(2013DFA31780)、国家自然科学基金(30960295)、海南省科技兴海项目(XH201314)

肖雁冰(1989 -), 女, 广西百色人,海南大学 海洋学院2012级硕士研究生,E-mail:xiao754390536@qq.com

顾志峰(1975 -), 男, 江苏苏州人, 教授,研究方向：贝类养殖与生态养殖研究, E-mail: hnugu@163.com

1004-1729(2015)03-0252-06

P

ADOl：10.15886/j.cnki.hdxbzkb.2015.0046