李清鈔，王 嶸，曾艷華，蔡中華，周 進(jìn)

(1.清華大學(xué) 深圳國際研究生院，廣東 深圳 518055；2.深圳市藍(lán)海綠洲科技有限公司，廣東 深圳 518055)

海洋生物污損(marine fouling)是指海洋中的動(dòng)物、植物或微生物在海洋結(jié)構(gòu)物表面附著、定殖、生長、腐蝕的過程[1-2]，該過程會(huì)造成海洋監(jiān)測儀器、海底管道、濱海構(gòu)筑物、船只甚至跨海大橋的腐蝕[3-4]。海洋生物污損主要由微生物腐蝕和生物淤積造成。污損不僅會(huì)增加船體的質(zhì)量和表面粗糙度，增加摩擦力帶來額外的燃料消耗[3,5]；還會(huì)減小跨海大橋、海底管道及濱海構(gòu)筑物的強(qiáng)度[6-7]，甚至降低海洋監(jiān)測設(shè)備的精度，導(dǎo)致海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)的失真。此外，由于船舶具有遠(yuǎn)距離運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)，附著微生物會(huì)隨著船只的航行搬運(yùn)至其他地方，對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)平衡構(gòu)成沖擊，引發(fā)外來物種入侵的風(fēng)險(xiǎn)[8]。研究表明，每年由于海洋污損造成的直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)4400億美元[9-10]，因此海洋污損事件是政府、公眾和學(xué)界共同關(guān)心的議題。

近年來，人們從微觀和宏觀兩個(gè)角度對(duì)污損問題進(jìn)行了大量研究。從微觀角度看，微生物行為是導(dǎo)致污損的前提條件。微生物在材料表面黏附、定殖、成膜、脫落，此過程中產(chǎn)生的胞外多聚物(EPS)與微生物一起形成微生物被膜(biofilm)。膜內(nèi)的pH、溶解氧、氧化還原電位、溫度、鹽度等理化條件與周圍環(huán)境有很大的差別，為微生物的生長繁殖提供了良好的環(huán)境[11]。因此微生物及生物被膜在生長發(fā)育過程中與材料表面發(fā)生一系列生化反應(yīng)導(dǎo)致材料表面腐蝕，此過程即微生物腐蝕。從宏觀角度看，材料表面受微生物腐蝕后形成有利于浮游植物生長的微環(huán)境，吸引海洋藻類、孢子、幼蟲等積聚在條件膜表面進(jìn)一步生長、發(fā)育與富集，最后大型海洋生物藤壺、貽貝便可定殖于結(jié)構(gòu)物上，形成牢固的堆積狀結(jié)構(gòu)，此過程即生物淤積。

雖然目前對(duì)于海洋污損的過程與機(jī)制有了諸多認(rèn)識(shí)，但其中一些環(huán)節(jié)仍存在爭議，少數(shù)機(jī)制還未被探知。本文中，筆者以近10年的文獻(xiàn)為重點(diǎn)，嘗試梳理最新的進(jìn)展，著重關(guān)注海洋污損的形成過程、影響因素、動(dòng)力學(xué)機(jī)制和防控技術(shù)，并對(duì)未來的發(fā)展方向進(jìn)行展望。論文旨在明晰污損的過程機(jī)制，為更好地認(rèn)識(shí)污損行為和開發(fā)環(huán)保型方法提供理論支撐。

1 海洋污損的微生物學(xué)條件——生物聚集

1.1 微生物被膜(biofilm)的形成

微生物被膜是由微型生物(細(xì)菌、真菌、浮游動(dòng)植物和小型動(dòng)植物等)及其代謝產(chǎn)物粘結(jié)而成的厚度小于1 mm的膜狀生物群落[12]。膜主要由水、微小生物、EPS、顆粒物等組成[13]。微生物被膜的形成有利于微生物獲得更加豐富的營養(yǎng)資源，不同微生物之間的種內(nèi)或種間協(xié)作也有利于彼此的存活，提高了其生存環(huán)境的穩(wěn)定性[14]。微生物被膜的形成是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，主要可分為以下4個(gè)階段(圖1)。

圖1 生物膜形成的4個(gè)階段[15]Fig.1 Four stages of biofilm formation[15]

第一階段，可逆吸附階段。當(dāng)材料浸泡于海水中后，由于物化作用，水中的有機(jī)質(zhì)和EPS會(huì)吸附于固體表面，從而降低自身的表面能，達(dá)到新的平衡狀態(tài)。這一吸附過程通常是可逆的，在浸泡最開始的幾秒至幾分鐘內(nèi)大量發(fā)生，形成一層厚度極小的生物膜，通常稱之為條件膜(conditional film)。條件膜的形成會(huì)改變固體表面性質(zhì)，為生物膜的進(jìn)一步發(fā)展創(chuàng)造條件[16]。

第二階段，過渡階段。當(dāng)條件膜形成之后，微生物可通過物理或化學(xué)作用停留在固體材料表面，此階段微生物可以自主選擇停留在條件膜表面或受水流的剪切作用脫落，該階段通常持續(xù)數(shù)小時(shí)(3～10 h)[17]。

第三階段，膜發(fā)育與成熟階段。過渡階段停留的微生物通過鞭毛、纖毛或菌毛吸附在固體表面，通過EPS的分泌和相互作用使得膜、微生物及EPS構(gòu)成有機(jī)整體，形成牢固的黏性表面，可以抵抗水流剪切作用的沖刷[18]。此后膜開始穩(wěn)定生長，不斷吸收水中的營養(yǎng)物質(zhì)并排出相應(yīng)的代謝產(chǎn)物與EPS，吸引周圍的其他細(xì)菌、真菌及浮游動(dòng)植物更新定殖，在固體表面形成較為成熟的微生物被膜。

第四階段，衰敗與脫落階段。成熟微生物被膜不斷生長，附著的物種數(shù)量不斷增加，生物多樣性不斷上升，膜厚度由最開始的納米級(jí)增加到微米級(jí)甚至毫米級(jí)，膜所受水剪切力不斷變大，微生物的附著與脫落達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡。此時(shí)膜外周表面變化劇烈，形成一個(gè)生物活躍地帶。生物膜的物理化學(xué)性質(zhì)變得更為復(fù)雜，此后便會(huì)有一些小型動(dòng)植物的孢子或幼蟲吸附在生物膜表面，形成生物淤積。

1.2 小型浮游生物的定殖

固體表面生物膜成熟之后，會(huì)吸引浮游藻類、孢子與原生動(dòng)物的幼蟲附著，這些微型生物與生物膜釋放的EPS緊密結(jié)合，在膜內(nèi)不斷生長發(fā)育，最后逐漸形成大型微生物群落，其中最常見的為硅藻。有研究指出，硅藻與細(xì)菌共同構(gòu)成了海洋生物膜群落中的優(yōu)勢生物，是形成穩(wěn)定生物被膜的重要類群之一[19]。通過分泌富含碳水化合物的EPS，硅藻幾乎可以定殖于所有介質(zhì)的表面[20-22]。相較于其他浮游生物而言，硅藻表面具有更高的附著強(qiáng)度，在高水流剪切力作用下也難以被沖刷；同時(shí)，硅藻能夠誘導(dǎo)大型生物(如藤壺、浮游孢子或幼蟲)在表面附著。

小型浮游生物的定殖大致可分為以下4個(gè)階段[23](圖2)：①基于蛋白質(zhì)、糖蛋白和多糖的吸附，先鋒微生物在浸沒表面迅速形成條件膜；②細(xì)菌和其他微生物附著在條件膜上，通過分泌由蛋白質(zhì)和多糖組成的胞外聚合物物質(zhì)(EPS)來包裹和固定自己，逐漸形成生物膜；③小型浮游生物如硅藻、微藻孢子、浮游動(dòng)物幼蟲在基質(zhì)表面進(jìn)一步積聚；④大型生物如藤壺、大型藻類等在基質(zhì)表面沉降并穩(wěn)定生長。上述4個(gè)階段中前兩階段主要是微生物被膜的形成，后兩階段主要是小型浮游生物的定殖過程；相比之下，微生物被膜的形成更為關(guān)鍵，因?yàn)樗绊懼罄m(xù)定殖的動(dòng)力學(xué)過程。

圖2 小型浮游生物定殖的4個(gè)階段[24]Fig.2 Four stages of small plankton colonization[24]

2 微生物被膜形成的影響因素

2.1 物理因素

影響微生物被膜生長發(fā)育的物理因素主要有兩類：

第一，固體表面的物理參數(shù)。固體表面的濕潤性、疏水性、表面張力及表面分子形態(tài)都會(huì)影響膜的生長。表面親/疏水性程度以及表面特異的化學(xué)官能團(tuán)影響著定殖的早期階段，Dang等[25]發(fā)現(xiàn)22種細(xì)菌在24～72 h后可在固體表面附著及生長，另外兩種細(xì)菌在最初24 h存在附著現(xiàn)象，但隨著時(shí)間推移而不斷減少，因此在生物膜發(fā)育的早期階段，固體表面對(duì)不同細(xì)菌的定殖表現(xiàn)出選擇作用。Jones等[26]的研究發(fā)現(xiàn)，不銹鋼和聚碳酸酯表層生物膜在最初時(shí)的組成相同，而一周后生物膜結(jié)構(gòu)組成發(fā)生了顯著變化。隨著生物膜在不銹鋼和聚碳酸酯等表面生長，材料表面性質(zhì)與生物膜群落結(jié)構(gòu)之間相互影響，材料構(gòu)成及表層分子共同參與了對(duì)生物膜生長發(fā)育的影響[27]。

第二，環(huán)境參數(shù)。溫度、輻射、pH、溶解氧、CO2濃度等會(huì)對(duì)生物膜的形成及發(fā)育造成顯著的影響。Lau等[27]證實(shí)溫度及鹽度會(huì)對(duì)生物膜的形成及后續(xù)物種的定殖產(chǎn)生影響，在高溫(23和30 ℃)和低溫(16 ℃)條件下形成的生物膜，其細(xì)菌群落組成存在顯著差異，Balanustrigonus幼蟲優(yōu)先定居在23 ℃或30 ℃時(shí)形成的生物膜上；鹽度會(huì)顯著影響生物膜的細(xì)菌密度，鹽度越高細(xì)菌密度越低。CO2的影響中，Brown等[28]指出隨著海水環(huán)境中CO2分壓的升高，生物膜形成過程加快；而在酸化部位，生物膜初級(jí)群落演替速度變慢，次級(jí)演替變快，導(dǎo)致更多次級(jí)生物的定殖，最終形成更均勻的生物群落。酸堿性對(duì)生物被膜的形成也產(chǎn)生影響，Baragi等[29]的研究指出pH與溫度的協(xié)同作用會(huì)影響沉積硅藻的成膜效果。微生物及其產(chǎn)生的EPS在生物膜中的積累主要受物理吸附過程的影響，而物理吸附又受環(huán)境過程的左右，因此環(huán)境參數(shù)的變化會(huì)影響整個(gè)生物膜群落的組成[30-31]。此外，船舶上形成的生物膜有著復(fù)雜的動(dòng)態(tài)條件，與其他構(gòu)筑物上生物膜相比，其不僅需要耐受不斷變換的環(huán)境，還會(huì)受到水流剪切力的影響[32-33]。

2.2 化學(xué)因素

2.2.1 群體感應(yīng)信號(hào)分子

微生物被膜的形成受多種化學(xué)因素的調(diào)節(jié)，其中最具代表性的是群體感應(yīng)(quorum sensing,QS)信號(hào)分子。QS是調(diào)控生物膜形成、生物發(fā)光、細(xì)菌運(yùn)動(dòng)性及次級(jí)代謝產(chǎn)物分泌等生理行為的信號(hào)分子[34]。QS信號(hào)被視為細(xì)胞間的通訊語言，也是膜內(nèi)生物應(yīng)對(duì)環(huán)境變化的重要生物學(xué)機(jī)制[35-36]。Hoang等[37]指出：在某些條件下，QS在EPS合成和生物膜形成過程中起著至關(guān)重要的作用，甚至在一些條件下可以誘導(dǎo)生物膜的擴(kuò)散。QS分子在海洋革蘭氏陰性菌和陽性菌中均被檢測到[38]，但在前者中更為常見。最常見的QS信號(hào)分子為?；呓z氨酸內(nèi)酯(AHL)[39]。該信號(hào)分子的調(diào)控/表達(dá)原件有rhlI/R、lasI/R和pqsABCDEH,產(chǎn)物包括3-oxo-C12-HSL、C4-HSL和PQS化合物等，這些分子具有不同的分子結(jié)構(gòu)并行使不同的功能。其中：rhlI/R控制微生物的隨機(jī)碰撞過程，并決定著微生物是否附著或游離；lasI/R調(diào)節(jié)生物膜的組成及結(jié)構(gòu)差異；PQS信號(hào)分子則調(diào)控微生物間毒性因子產(chǎn)生[40]。由于生物膜的構(gòu)成復(fù)雜多樣，微生物會(huì)通過不同的機(jī)制調(diào)節(jié)QS信號(hào)的產(chǎn)生，因此各種信號(hào)分子交互表達(dá)，共同控制生物膜的生長、發(fā)育、成熟與衰敗過程。

早期的研究認(rèn)為生物膜形成過程中，微生物從游離態(tài)轉(zhuǎn)換為附著態(tài)是一個(gè)隨機(jī)過程，微生物在結(jié)構(gòu)物表面吸附后會(huì)自發(fā)地發(fā)育、生長和增殖。Whiteley等[41]通過微陣列方法對(duì)比銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa)游離態(tài)與附著態(tài)下基因表達(dá)情況，發(fā)現(xiàn)約有1%的基因表達(dá)出現(xiàn)明顯的變化，進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn),這1%的基因中有12%的基因與QS表達(dá)有關(guān),這表明早期的銅綠假單胞菌附著受QS調(diào)節(jié)。其他多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)也表明膜內(nèi)基因的表達(dá)與游離態(tài)有著顯著的差異[42]。

在生物膜的生長、發(fā)育與成熟狀態(tài)下，QS也發(fā)揮著極其重要的作用。Davies等[43]的研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)銅綠假單胞菌密度較低或處于游離狀態(tài)時(shí)分泌的EPS較少，與其膜內(nèi)EPS的分泌量形成鮮明的對(duì)比，而EPS的分泌受QS系統(tǒng)中的C4-HSL,C12-HSL和C8-O-HSL信號(hào)分子的調(diào)節(jié)，表明生物膜狀態(tài)受QS調(diào)節(jié)[44]。Dunne等[45]指出這種現(xiàn)象是由于微生物種間競爭行為導(dǎo)致。相較于游離態(tài)生物，生物膜內(nèi)的微生物在空間、營養(yǎng)物質(zhì)的獲取方面承受著更大的競爭壓力，EPS的分泌有利于提高種間的競爭優(yōu)勢。QS在調(diào)節(jié)生物膜內(nèi)細(xì)胞濃度方面也起著重要的作用，當(dāng)生物膜內(nèi)部的細(xì)胞密度達(dá)到一定限度時(shí),QS會(huì)減少EPS的分泌，使得部分生物膜脫落，微生物重歸游離狀態(tài)[46]。表1總結(jié)了幾類代表性的信號(hào)分子對(duì)膜內(nèi)生物的調(diào)節(jié)作用[47]。

通過表1總結(jié)來看，QS調(diào)節(jié)機(jī)制貫穿于生物膜形成的始末，并且在細(xì)胞密度、微生物行為方面起著顯著的作用，對(duì)生物膜的形成、發(fā)展發(fā)育發(fā)揮級(jí)聯(lián)調(diào)控作用。但在不同環(huán)境下，具體的調(diào)節(jié)方式會(huì)隨著物質(zhì)基礎(chǔ)、菌落條件及環(huán)境差異而呈現(xiàn)不同的特點(diǎn)[40]。

表1 微生物被膜中的群體感應(yīng)分子及產(chǎn)生生物[47]Table 1 Quorum sensing molecules and the main producers in marine biofilms[47]

2.2.2 其他信號(hào)分子

與QS相似，生物膜形成還受到其他化合物的調(diào)節(jié)，包括四溴吡咯(Tetrabromopyrrole,TBP)、6,9-十七烷二烯、12-十八烯酸、氨基酸、胞外多糖、組胺以及c-di-GMP等[47](表2)。Sneed等[55]指出TBP可以誘導(dǎo)Orbicellafranksi和Acroporapalmata定居，在加勒比珊瑚礁生物膜形成過程中發(fā)揮著重要的作用。Hung等[56]和Swanson等[57]的研究發(fā)現(xiàn)，海膽共生海藻中分離出的組胺和宿主中分離出的沉降誘導(dǎo)蛋白復(fù)合物(SIPC)可誘導(dǎo)底棲海洋無脊椎動(dòng)物的幼蟲附著。Sondermann等[58]及Romling等[59]研究發(fā)現(xiàn)c-di-GMP也具有調(diào)控生物膜形成和傳播的功能，在生物膜的衰敗期該信號(hào)分子可增強(qiáng)AHL分解酶的表達(dá)量，促使微生物完成從附著到脫落的循環(huán)。

除了化合物信號(hào)分子外，一些電子或離子信號(hào)在生物膜形成過程中也起著不可替代的作用[40]。例如生物膜通過鉀離子控制膜內(nèi)外離子濃度，產(chǎn)生電流信號(hào)后形成膜電位，用以完成生物膜的自我調(diào)節(jié)[60]。

表2 其他調(diào)節(jié)微生物被膜的化學(xué)物質(zhì)Table 2 Other chemical cues that regulate marine biofilms

3 海洋污損的動(dòng)力學(xué)過程與機(jī)制

3.1 海洋污損過程一——微生物腐蝕

微生物腐蝕是由于微生物在材料表面附著、定殖、生長，從而直接或間接的加速材料的老化、變形、失效的過程[73]。微生物被膜的形成是構(gòu)成腐蝕的前提，它主要由微生物、微生物分泌的EPS、無機(jī)鹽、有機(jī)物等構(gòu)成[74]，其內(nèi)部的pH、溶解氧、氧化還原電位等物理化學(xué)條件與海水有著本質(zhì)的差別，為微生物的生長繁殖及后續(xù)的腐蝕行為提供了條件。目前的研究證實(shí)微生物腐蝕結(jié)構(gòu)表面主要的機(jī)制有2種：

第一，化學(xué)腐蝕(圖3)?；瘜W(xué)腐蝕是指生物膜表面根據(jù)氧濃度的不同形成好氧區(qū)與厭氧區(qū)，從而造成氧化還原電位的不同，因此該區(qū)域與結(jié)構(gòu)物表面形成閉合環(huán)路，造成結(jié)構(gòu)物表面的腐蝕，這種理論也成為氧濃度電池理論[75-76]。當(dāng)材料表面形成的生物膜分布不均勻時(shí)，生物膜致密部位氧氣擴(kuò)散速率慢，導(dǎo)致該區(qū)域氧氣濃度較低，同時(shí)好氧細(xì)菌會(huì)消耗掉大部分氧氣，形成低氧區(qū)和陽極位點(diǎn)腐蝕材料表面。而細(xì)胞密度較低的區(qū)域或無生物膜區(qū)域氧氣含量較高，可作為氧化還原反應(yīng)的陰極部位腐蝕材料[75]，使得材料的機(jī)械強(qiáng)度和使用壽命大大降低。

圖3 化學(xué)腐蝕示意圖Fig.3 Diagram of chemical corrosion

第二，生物腐蝕(圖4)。生物腐蝕是指微生物直接腐蝕結(jié)構(gòu)物表面，海洋中具有腐蝕作用的微生物主要指硫酸鹽還原菌和鐵氧化細(xì)菌。這兩種菌的腐蝕行為分為兩種情形，一種是硫酸鹽還原菌的單獨(dú)作用，一種是其與鐵氧化菌的協(xié)同作用。在第一種情形下，硫酸鹽還原菌會(huì)直接利用結(jié)構(gòu)物表面的鐵作為其電子供體用于獲取能量(尤其是在碳源不足的條件下)，鐵作為電子來源被消耗，即產(chǎn)生了表面腐蝕。這種理論被成為生物催化陰極-硫酸鹽反應(yīng)(BCSR)[74,77-79]。在第二種情形下，好氧鐵氧化菌首先定殖于結(jié)構(gòu)物表面，消耗周圍的氧氣并分泌EPS形成厭氧環(huán)境，為厭氧硫酸鹽還原菌的附著提供前提條件。隨后鐵氧化細(xì)菌則與硫酸鹽還原菌協(xié)同作用，共同造成結(jié)構(gòu)物表面的腐蝕[80-81]。在上述兩種生物腐蝕菌株中，硫酸鹽還原菌研究的較多，它的兼性厭氧特征使它具有較強(qiáng)的生命力和腐蝕能力，船塢工業(yè)中經(jīng)常使用的304不銹鋼和316不銹鋼均不能有效阻止硫酸鹽還原菌的腐蝕[82-84]。

除了細(xì)菌本身，其分泌的EPS對(duì)腐蝕的形成也具有輔助作用，EPS由多糖、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)及少量核酸組成，這些復(fù)雜的成分、結(jié)構(gòu)和電荷分布與微生物的生長周期密切相關(guān)，從而間接影響結(jié)構(gòu)物的腐蝕過程。生物膜中的某些電活性EPS分子可以充當(dāng)電子載體，將電子從結(jié)構(gòu)物表面?zhèn)鬏數(shù)缴锬ね獠康碾娮邮荏w，從而加速腐蝕。

圖4 微生物腐蝕的機(jī)制[78]Fig.4 The mechanism of microbiologically influenced corrosion[78]

3.2 海洋污損過程二——生物淤積

生物淤積是一個(gè)復(fù)雜的生物過程，包括微生物、藻類和原生動(dòng)物在結(jié)構(gòu)物表面的定殖與積累[84]。微生物腐蝕主要對(duì)結(jié)構(gòu)物的微觀表面產(chǎn)生破壞，而海洋生物淤積則會(huì)造成整個(gè)固體表面變形、扭曲、衰變等后果，兩者是一個(gè)前后協(xié)同關(guān)系。微生物在結(jié)構(gòu)物表面分泌EPS并形成生物膜，對(duì)結(jié)構(gòu)物表面進(jìn)行腐蝕，形成一個(gè)微生物膜生態(tài)系統(tǒng)，從而為生物淤積提供較好的環(huán)境條件。當(dāng)條件適宜時(shí)浮游幼蟲、微藻、孢子等會(huì)積聚在生物膜表面生長發(fā)育，最后大型海洋生物藤壺、貽貝也相繼定殖。微生物附著后創(chuàng)造合適的條件吸引大型海洋生物的附著，這為后續(xù)混合膜的生長發(fā)育營造了條件，由此形成一個(gè)正反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，加速表面的腐蝕進(jìn)程。

混合膜上微型浮游生物的定殖過程是動(dòng)態(tài)變化的，以硅藻為例，Abed等[85]總結(jié)了生物膜中不同類型硅藻相對(duì)豐度隨時(shí)間的變化規(guī)律(圖5)。在整個(gè)研究過程中，可以檢測到附著型、運(yùn)動(dòng)型、塊狀和浮游型生長的硅藻。從圖5(a)可以得知，硅藻細(xì)胞總體密度隨時(shí)間的推移有著明顯的變化，在第14天時(shí)達(dá)到最大值，隨后緩速下降，顯示出浮游生物的定殖過程存在明顯的生態(tài)演替。從圖5(b)中可以觀察到屬于附著型、游泳型、瓶狀型和浮游型的硅藻，但是直立型和管式型的硅藻只有在浸泡3 d后才能檢測到，并且隨著時(shí)間的推移，附著型硅藻的相對(duì)豐度從19%增加到了50%，柱狀型硅藻的相對(duì)豐度從29%降至4%。由此我們得知在生物淤積過程中，不同類型或種類的生物豐度會(huì)隨著生物膜的發(fā)展而變化，最終附著型生物會(huì)成為主導(dǎo)性物種。從圖5(c)可以得知，浸泡的前7 d內(nèi)，大型淤積生物在整個(gè)生物群落中的占比不超過5%，而當(dāng)浸泡至28 d后，大型生物的占比便增加至21%，可見隨著生物膜的成熟，所創(chuàng)造的適宜條件將會(huì)吸引更多的大型淤積生物的定殖。

基于生物膜的形成與發(fā)展，生物淤積的開始到成熟是一個(gè)微型生態(tài)系統(tǒng)的演替過程，該過程中各類生物所扮演的角色將是后續(xù)研究的重點(diǎn)。

圖5 生物淤積的過程動(dòng)力學(xué)特征[85]Fig.5 The dynamic profiles of biofouling process[85]

4 海洋污損的防護(hù)方法

4.1 殺菌劑涂層

在結(jié)構(gòu)物表面涂刷殺菌劑是最直接的防污方法。通過殺菌劑直接殺死結(jié)構(gòu)物表面的微生物，不僅能降低微生物對(duì)結(jié)構(gòu)物腐蝕，還可破壞結(jié)構(gòu)物表面的微環(huán)境，從而抑制海洋生物的淤積。在二十世紀(jì)下半葉，三丁基錫曾被廣泛應(yīng)用于海洋生物的抑制[86-87]，但由于三丁基錫具有較高的生物毒性，會(huì)對(duì)海洋環(huán)境造成破壞，并引起海洋生物的畸變[88]，因此于2008年被國際海事組織禁用[89-90]。目前市場上所采用的主要?dú)⒕鷦┯腥悾汉铣蓺⒕鷦?、天然殺菌劑和氧化亞銅顆粒殺菌劑[91]。最近有研究發(fā)現(xiàn)以“單寧酸銅”為殺菌劑的基質(zhì)涂料具有良好的防污效果。含有“單寧酸銅”涂層的材料在自然條件下浸泡12個(gè)月后，沒有出現(xiàn)大型生物的淤積[92-93]。另有研究顯示，含“單寧酸鋁”、“單寧酸鋅”的涂層材料也具有類似的效果[92,94]。這些結(jié)果顯示單寧酸類合成殺菌劑具有良好的應(yīng)用前景。另一種研究較多的天然殺菌劑是辣椒素，它是從辣椒果實(shí)中提取的一種具有刺激性氣味的物質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)辣椒素類似物具有良好的抗菌效果和化學(xué)穩(wěn)定性而被廣泛應(yīng)用[95]。銅化物如氧化亞銅、硫氰酸亞銅等，作為一種有效的殺菌劑同樣被廣泛應(yīng)用于海洋防污過程中。殺菌劑的釋放需要載體，因此通常將其與載體通過物理或化學(xué)方式結(jié)合，作為防護(hù)層涂于結(jié)構(gòu)物表面。

防污效果不僅取決于防污劑對(duì)微生物的抑制，還取決于載體釋放防污劑的效率及穩(wěn)定性(圖6)。根據(jù)載體性質(zhì)的不同可分為不溶性粘合劑、可控?fù)p耗聚合物、自拋光共聚物三類[3]。對(duì)于不溶性粘合劑，殺菌劑的釋放是一個(gè)擴(kuò)散的過程，涂層表層殺菌劑釋放速率會(huì)隨著時(shí)間的推移而降低，最終表層殺菌劑釋放完，從而失去殺菌效果。而可控?fù)p耗聚合物涂層表層殺菌劑釋放的同時(shí)，涂層表面空洞化，在海水剪切力的作用下分解，從而會(huì)有持續(xù)的殺菌效果。自拋光共聚物的硅基、銅基、鋅基隨時(shí)間變化可以水解，且其分解速率跟溫度變化呈正相關(guān)，其作為殺菌劑的載體將具有更長效、更智能的殺菌效果[96-97]。

圖6 殺菌劑在載體上的釋放速率[3]Fig.6 The release rate of antifoulant with immersion time[3]

4.2 防污涂料

防污涂料是一種通過物理機(jī)制實(shí)現(xiàn)污染物去除的環(huán)保型材料，其研發(fā)受到越來越多的關(guān)注。低表面能與低彈性模量是評(píng)價(jià)防污涂料性能好壞的關(guān)鍵因素，硅基防污涂料因其彈性模量較低通常優(yōu)于氟化防污材料[3]。聚二甲基硅氧烷作為一款新型的防污涂料近年來得到較多的研究并在商業(yè)應(yīng)用上得到推廣。由于二甲基硅氧烷材料具有表面能低、彈性模量高的特點(diǎn)，在水動(dòng)力剪切作用下，許多海洋生物如牡蠣、藤壺等難以附著在其表面。但有關(guān)研究指出，基于二甲基硅氧烷的船舶設(shè)備或船舶涂層易受非特異性蛋白、細(xì)胞、細(xì)菌或微生物的腐蝕，這為更復(fù)雜的生物進(jìn)一步定植提供了初始污垢層，最終形成整體生物膜[98]。

防污材料因?yàn)槠浞€(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，在使用過程中幾乎不會(huì)受到侵蝕。因此，相較于殺菌劑涂層，防污材料的防污性能更加持久。防污涂層具有光滑的表面，能減少船舶的摩擦阻力，從而降低燃油消耗。然而，由于有機(jī)硅涂層的非極性硅氧烷鏈，其與基體的附著力較差，在實(shí)際應(yīng)用中為了提高粘接強(qiáng)度，需要增加一層含有硅基和極性基團(tuán)的連接涂層。此外，涂層的機(jī)械強(qiáng)度和應(yīng)對(duì)水流的剪切性能也是需要關(guān)注的重點(diǎn)。目前，人們對(duì)有機(jī)硅防污材料進(jìn)行了許多改性工作，如加入聚氨酯鍵[99]、兩性化合物[100-101]和兩性離子[102]，以增強(qiáng)有機(jī)硅防污材料的防污性能。

4.3 仿生材料

人們通過對(duì)自然界生物結(jié)構(gòu)的深入探究發(fā)現(xiàn)，一些特殊的材料與結(jié)構(gòu)可以有效防止生物污損。生物結(jié)構(gòu)和材料的重建，已經(jīng)在材料科學(xué)和設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了實(shí)際應(yīng)用[103]。

鯊魚皮膚具有微皮齒結(jié)構(gòu)，由微米級(jí)的矩形鱗片組成，被稱為類胎盤鱗片，上面有刺狀的突起和剛毛。這種結(jié)構(gòu)可以改變鯊魚游泳時(shí)靠近皮膚的湍流邊界層的流體動(dòng)力結(jié)構(gòu)和分布速度[104]，且其方向與水流方向平行，這些顯微結(jié)構(gòu)減少了渦流的形成，從而使水很容易流過鯊魚的皮膚，皮膚表層水層流速更快，增大水流的剪切力，減少微生物的沉淀時(shí)間，因此表現(xiàn)出有效的減阻性能及防污性能[105-106]，這種效果被成為“鯊魚皮膚效應(yīng)”[107]。另一種較為典型的防污材料是疏水荷葉，荷葉上的污染物會(huì)受雨水的沖刷而被帶走，從而避免污染物的長期腐蝕。受荷葉的啟發(fā)，許多人工超疏水表面被制作在瓷磚、紡織品和玻璃等表層上[108-110]。硅是一種被廣泛研究的納米粒子，它可以形成穩(wěn)定的納米結(jié)構(gòu)，而納米結(jié)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)超疏水性上起著至關(guān)重要的作用。有研究者在碳鋼表面制備了一種超疏水鋅鐵涂層，得到了鋅鐵涂層的超疏水表面，該材料具有良好的耐腐蝕性、機(jī)械穩(wěn)定性、防污性和自潔性[111]。

4.4 人工建膜

通過物理或化學(xué)方法抑制微生物的附著只是一個(gè)短期應(yīng)對(duì)方法，為了獲得長效的防護(hù)效果，需要探究一些新的工藝?；谠缙谖⑸锒ㄖ硹l件在未來微生物群落的組成方面起著重要作用[112-113]，因此可通過在金屬表面添加特定的細(xì)胞外基質(zhì)和細(xì)菌來控制腐蝕生物膜的自然發(fā)展。這一方法類似于人類腸道細(xì)菌的調(diào)節(jié)一樣，通過人為改變一些環(huán)境條件，影響微生物群落的結(jié)構(gòu)與功能，抑制生物膜中腐蝕生物的生長，從而達(dá)到防污的目的。在這一過程中還可輔以其他方式來進(jìn)行，如消耗O2[114]、產(chǎn)生細(xì)胞外聚合物[115]、產(chǎn)生抗腐蝕微生物的抗菌素[112,116]、生物競爭排斥[117]等方法改變生物膜初始環(huán)境，抑制腐蝕生物的附著。通過人工建膜的方法，有研究人員已成功讓非生物膜微生物定殖于生物膜中，構(gòu)建了人工生物膜系統(tǒng)[118]。

5 結(jié)論與展望

近年來，海洋防污是海洋微生物領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，本文中，筆者總結(jié)了生物污損的形成條件、影響因素、微生物學(xué)過程和防控技術(shù)的研究與發(fā)展?fàn)顩r，以期梳理海洋污損方面的最新進(jìn)展。目前，海洋防污主要利用物理清除、化學(xué)改性及生物抑制的方法減少海洋中的結(jié)構(gòu)物腐蝕，不同防污材料的開發(fā)及商業(yè)化也取得了較好的經(jīng)濟(jì)效果。但由于海洋生物的復(fù)雜性和多樣性，后續(xù)研究仍然需要更加深入地分析海洋污損的機(jī)制。

未來可以深入探究的方向包括：①精細(xì)分析生物膜內(nèi)部的信息調(diào)節(jié)機(jī)制，應(yīng)用穩(wěn)定同位素技術(shù)、納米飛行質(zhì)譜技術(shù)，研究生物污損與生物群落、群感信號(hào)之間的因果關(guān)系，為海洋污損的源頭控制提供理論基礎(chǔ)；②開發(fā)多功能復(fù)合材料，對(duì)生物污損不同階段所表現(xiàn)的不同特征進(jìn)行針對(duì)性的控制與防治；③拓寬天然化合物的尋求力度，借助高通量篩選方法和合成生物學(xué)手段，加速新型化合物的研發(fā)進(jìn)程，探究其防污效果及內(nèi)在機(jī)制。