程佳威，李世國*，李茜，戰(zhàn)愛斌*

(1.中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，北京 100085；2.中國科學(xué)院大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100049)

生物污損是水生生物黏附于水下工程結(jié)構(gòu)表面并進(jìn)行不斷生長和繁殖，從而造成水生生態(tài)系統(tǒng)群落改變和工程結(jié)構(gòu)表面損傷的現(xiàn)象。海洋生態(tài)系統(tǒng)是生物污損發(fā)生的主要場所之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)，可造成生物污損的海洋生物數(shù)量高達(dá)4 000種以上，主要包括軟體動(dòng)物、被囊動(dòng)物、腔腸動(dòng)物、節(jié)肢動(dòng)物、藻類和一些微生物等。這些海洋污損生物不但嚴(yán)重影響海洋生態(tài)系統(tǒng)的健康和穩(wěn)定，而且也對海運(yùn)業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)和海洋工程設(shè)施等造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)報(bào)道，生物污損嚴(yán)重的船體在航行中的動(dòng)力消耗會(huì)增加86%，每年給全球航運(yùn)業(yè)額外增加至少600億美元的燃料費(fèi)用[1]；在水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)，由于污損生物會(huì)與養(yǎng)殖經(jīng)濟(jì)物種間產(chǎn)生空間和營養(yǎng)物質(zhì)等的激烈競爭，造成養(yǎng)殖產(chǎn)量下降比例高達(dá)50%以上[2]；此外，由于污損生物具有高密度聚集等特點(diǎn)，一旦大量死亡會(huì)造成所在水體的水質(zhì)惡化，引發(fā)環(huán)境污染問題[3]。污損生物的潛在生態(tài)威脅在海洋生態(tài)系統(tǒng)中已廣泛存在，其經(jīng)濟(jì)影響也十分顯著。目前，如何科學(xué)高效地治理海洋生物污損(又稱抗污損，antifouling)已經(jīng)成為國際生態(tài)學(xué)、環(huán)境科學(xué)和材料科學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。

海鞘是最典型的海洋污損生物之一，海鞘污損對海洋生態(tài)系統(tǒng)和國民經(jīng)濟(jì)重要行業(yè)存在巨大的威脅，但其黏附的結(jié)構(gòu)特征和機(jī)制至今尚未完全闡明。為此，本研究中綜述了污損性海鞘幼體和成體兩個(gè)階段生物黏附主要組織/器官的結(jié)構(gòu)特征和黏附機(jī)制，以及目前采取的污損防控措施與仿生應(yīng)用方面的研究進(jìn)展，同時(shí)總結(jié)了相關(guān)研究領(lǐng)域面臨的關(guān)鍵科學(xué)問題，并提出了未來發(fā)展的主要方向，以期為更加深入地開展海洋生物黏附機(jī)制研究、抗污損與仿生材料研發(fā)工作提供科學(xué)參考。

1 海鞘

海鞘隸屬于脊索動(dòng)物門尾索動(dòng)物亞門，在發(fā)育過程中存在逆行變態(tài)現(xiàn)象，生長周期主要包括游動(dòng)幼蟲與固著成體兩個(gè)階段。海鞘是典型的雌雄同體生物，除有性生殖外，群體(compound/colonial)海鞘還可進(jìn)行無性出芽生殖[4]。除此之外，海鞘種類眾多，目前已發(fā)現(xiàn)的物種數(shù)超過3 000種，在全球各大海域廣泛分布，常附著于海洋中的各種基底表面營固著生活，除巖石、藻體、淺海泥沙等自然基底外，海鞘還會(huì)黏附在船底、碼頭等人工設(shè)施上，因此，海鞘是典型的污損生物。

常見的污損性海鞘包括玻璃海鞘屬Ciona、柄海鞘屬Styela、菊海鞘屬Botryloides和擬菊海鞘屬Botrylus等。海鞘中的大部分物種均可黏附于船底、螺旋槳等船體表面，在加速船體腐蝕、減慢航行速度的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的安全隱患[5]。盡管當(dāng)前船舶表面都涂敷有防污涂層，但是仍不能有效阻止海鞘的污損[6-7]。此外，海鞘也是一些重要水產(chǎn)經(jīng)濟(jì)養(yǎng)殖種類的主要威脅，可以與養(yǎng)殖物種競爭氧氣、營養(yǎng)物質(zhì)等，造成養(yǎng)殖產(chǎn)量下降[2]，給水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)帶來嚴(yán)重負(fù)面影響。近年來，海鞘已經(jīng)成為貝類養(yǎng)殖的頭號(hào)敵害生物[8-9]，高密度的海鞘附著在網(wǎng)箱、繩索上難以去除(圖1)，每年投入到海鞘防治上的費(fèi)用能夠占到養(yǎng)殖總成本的14.7%[10]。更嚴(yán)重的是，海鞘具有易遷移的特點(diǎn)，往往隨著船舶運(yùn)輸進(jìn)入新的生境而成為入侵物種[11-12]。污損性海鞘大多已經(jīng)成為威脅海洋生態(tài)系統(tǒng)的入侵生物，尤其是玻璃海鞘屬的玻璃海鞘Cionarobusta[13]、柄海鞘屬的柄海鞘Styelaclava[14]、菊海鞘屬的史氏菊海鞘Botryllusschlosseri、擬菊海鞘屬的紫擬菊海鞘Botrylloidesviolaceus[15]等。污損性海鞘的生物入侵會(huì)造成更廣泛的損失，對入侵地區(qū)的經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境會(huì)造成較大危害[12,16]。

圖1 水產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)施表面的海鞘生物污損

2 黏附機(jī)制

2.1 污損生物黏附特征

海洋生物的污損過程主要經(jīng)歷3個(gè)階段，即修整膜時(shí)期、生物膜時(shí)期和生物污損層時(shí)期。首先，浸入到海水中的物體，其表面在數(shù)十分鐘甚至幾分鐘內(nèi)就會(huì)吸納一層有機(jī)物，形成修整膜(conditioning film)；而后，細(xì)菌和單細(xì)胞藻類等生物開始在修整膜上附著并分泌胞外代謝產(chǎn)物，形成生物膜(microbial biofilm)；最后，其他海洋原核生物、真菌、藻類及大型海洋污損生物會(huì)在生物膜上黏附并發(fā)育生長，形成復(fù)雜的大型污損生物層(macrofoulers)[17]。一些大型海洋生物依靠其特有的組織或器官分泌黏性物質(zhì)，永久或暫時(shí)性地黏附于各種水下基質(zhì)表面(如礁石、船體、水下人工設(shè)施及其他生物表面等)，從而造成嚴(yán)重的生物污損問題?？梢?，黏附是海洋生物污損事件發(fā)生的重要生物學(xué)基礎(chǔ)。

從海洋生物的發(fā)育階段來看，幼體和成體階段均有黏附行為發(fā)生，而成體黏附階段往往是污損行為最為嚴(yán)重的時(shí)期。目前，有關(guān)海洋生物黏附研究主要集中在幾個(gè)代表性污損物種的成體階段，包括軟體動(dòng)物貽貝、甲殼動(dòng)物藤壺、棘皮動(dòng)物海星、扁形動(dòng)物扁蟲等，研究人員對其黏附結(jié)構(gòu)特征、過程和機(jī)制等進(jìn)行了探究，明確了生物大分子特別是蛋白質(zhì)在黏附過程中發(fā)揮的重要功能(表1)，發(fā)現(xiàn)不同海洋污損生物演化出的黏附組織或器官截然不同，這些生物大多依賴于蛋白質(zhì)組分實(shí)現(xiàn)生物黏附，但實(shí)現(xiàn)黏附的機(jī)理、方式和生物學(xué)過程卻截然不同。目前，雖然對海鞘黏附機(jī)制的研究未深入到分子層面，但與其他海洋污損物種相似，海鞘發(fā)育過程中的幼體和成體階段都有鮮明的發(fā)育階段性黏附特征。海鞘幼體依靠其軀干前端的乳突結(jié)構(gòu)分泌的蛋白質(zhì)組分實(shí)現(xiàn)快速附著，而污損性最強(qiáng)的成體階段，則由壺腹表皮通過形變分化出特異的匍匐枝結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)與基底的強(qiáng)力黏附。

表1 典型海洋污損生物黏附蛋白質(zhì)特征

2.2 海鞘幼體黏附

2.2.1 幼體黏附結(jié)構(gòu) 海鞘幼體為桿狀，整體呈蝌蚪形，尾巴長且細(xì)，中間有一根脊索，頭部近橢圓形，前端較窄，內(nèi)有眼點(diǎn)。蝌蚪形的海鞘幼體經(jīng)間歇性自由游動(dòng)后，其頭部與基底接觸可實(shí)現(xiàn)快速附著。幼體的頭部分布有3個(gè)杯狀的半透明乳頭突起(papillae)，分別位于軀干前端的腹側(cè)(1個(gè))與背側(cè)(2個(gè))，它們以三角形排列在頭部并向外延伸(圖2(a))，是幼體階段特有的黏附器官。每一個(gè)黏附乳突均由表皮外胚層的內(nèi)陷所形成。在變態(tài)發(fā)育開始時(shí)，這些乳突通過被膜表皮層的開窗迅速外露，暴露出最前端的透明膠蓋(hyaline caps)[18]。透明膠蓋中含有幼蟲黏附所需的黏附物質(zhì)，與基底接觸后能夠快速釋放到乳突表面，實(shí)現(xiàn)成功黏附。由于乳突結(jié)構(gòu)尺寸較小，其細(xì)胞組成與功能一直是該研究領(lǐng)域的難點(diǎn)。最新研究表明，每個(gè)乳突通常由至少3種不同的細(xì)胞類型構(gòu)成：4個(gè)軸向柱狀細(xì)胞、4個(gè)外側(cè)初級感覺神經(jīng)元和12個(gè)中央膠質(zhì)細(xì)胞(圖2(b))。乳突的中間位置分布著中央膠質(zhì)細(xì)胞，這些膠質(zhì)細(xì)胞圍繞著軸向柱狀細(xì)胞，且都延伸到透明質(zhì)蓋中。位于最外圍的是外側(cè)初級感覺神經(jīng)元，其朝向透明質(zhì)蓋的一端延伸有微纖毛，另一端與神經(jīng)結(jié)構(gòu)相連。這3種類型的細(xì)胞規(guī)律排列、協(xié)同作用，從而發(fā)揮不同的生物學(xué)功能，對于海鞘幼體乳突結(jié)構(gòu)黏附過程是十分重要的[36]。因此，乳突是海鞘幼體特有的結(jié)構(gòu)，屬于感覺和黏附器官，它既可以分泌黏性物質(zhì)實(shí)現(xiàn)附著，又可以借助黏附時(shí)產(chǎn)生的神經(jīng)興奮傳遞到軀干開啟后繼變態(tài)過程。

2.2.2 黏附物質(zhì)的合成與分泌 海鞘幼體依賴于乳突結(jié)構(gòu)中的黏附物質(zhì)實(shí)現(xiàn)快速黏附。顯微觀察顯示，乳突中的中央膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)含有較多小囊泡和大量的黏附顆粒，推測這類細(xì)胞可能承擔(dān)黏附物質(zhì)合成與分泌功能。而黏附顆粒又可分為“光滑”和“粗糙”兩種類型，利用碳水化合物特異性凝集素進(jìn)行特異性標(biāo)記分析，可同時(shí)標(biāo)記乳突頂端、中央膠質(zhì)細(xì)胞的內(nèi)部顆粒及黏附斑3個(gè)區(qū)域，證實(shí)了上述結(jié)論[36]。同時(shí)，乳突間的表皮區(qū)域也是黏附物質(zhì)合成與分泌的場所。許多分泌細(xì)胞聚集在3個(gè)乳突間的三角形區(qū)域，特化成腺器官(glandular organ)(圖2(b))。此區(qū)域細(xì)胞的特化始自尾芽期后期，乳突間區(qū)的柱狀細(xì)胞開始參與蛋白質(zhì)合成與被膜組分的分泌。隨著發(fā)育的進(jìn)行，乳突間區(qū)的蛋白質(zhì)合成與分泌能力顯著增強(qiáng)，可以觀察到大量內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體的活性顯著增加，柱狀細(xì)胞向被膜的頂端分泌增強(qiáng)，頂端囊泡有大量物質(zhì)排出[37]。

2.2.3 神經(jīng)系統(tǒng)輔助 由于乳突結(jié)構(gòu)的雙重功能，海鞘幼體快速黏附與其神經(jīng)系統(tǒng)的輔助密切相關(guān)。海鞘在幼體階段尾部長有明顯的脊索，幼體乳突神經(jīng)結(jié)構(gòu)發(fā)育始自尾芽期。在尾芽期的初期，乳突神經(jīng)元細(xì)胞開始區(qū)別于周圍的表皮細(xì)胞，軸突朝向軀干一端延伸。到了游泳幼蟲期，乳突神經(jīng)元細(xì)胞朝向透明質(zhì)蓋伸出明顯的束狀末端感受器，同時(shí)乳突邊緣區(qū)域特化出樹狀表皮神經(jīng)元。樹狀表皮神經(jīng)元細(xì)胞的軸突與乳突神經(jīng)元細(xì)胞在朝向軀干一端共同匯聚成束，與體內(nèi)脊索相連，這兩種神經(jīng)元細(xì)胞的末端感受器都深入透明質(zhì)蓋中(圖2(b))。乳突神經(jīng)元是機(jī)械感受器，樹狀表皮神經(jīng)元是化學(xué)感受器，分別介導(dǎo)海鞘幼蟲與基底的黏附及后續(xù)變態(tài)的啟動(dòng)過程[37]。另一項(xiàng)研究也得出相似的結(jié)論，即乳突中的軸向柱狀細(xì)胞包含內(nèi)吞小泡，具有神經(jīng)活性，而外側(cè)初級感覺神經(jīng)元是明顯的神經(jīng)結(jié)構(gòu)[36]。綜合來看，乳突是一個(gè)集機(jī)械感覺、化學(xué)感覺和分泌等功能為一體的頭部感覺器官，它首先利用其機(jī)械感覺功能探尋適合附著的海洋基質(zhì)表面，一旦尋找成功便啟動(dòng)黏合劑分泌，將黏合劑分泌到基質(zhì)表面進(jìn)而成功實(shí)現(xiàn)水下黏附過程。

圖2 幼體階段的黏附器官

2.2.4 黏附物質(zhì)成分 現(xiàn)有的證據(jù)表明，糖殘基與3,4-二羥基苯丙氨酸(DOPA)可能是海鞘幼體黏附物質(zhì)的主要功能單元。海鞘乳突分泌的黏附物質(zhì)中富含糖殘基，這也是大多數(shù)海洋黏附生物分泌物的共同特征。含有糖殘基的黏附分泌物位于乳突的頂端，可以被花生凝集素(peanut agglutinin，PNA)、菜豆紅細(xì)胞凝集素(phaseolus vulgaris erythroagglutini，PHA-E)和西非單葉豆同工凝集素Ⅱ[griffonia (bandeiraea) simplicifoliaⅡ，GSLⅡ]等物質(zhì)標(biāo)記。PHA-E與GSLⅡ也可以標(biāo)記基底上的黏附斑，進(jìn)一步證明糖殘基在海鞘乳突黏附中的關(guān)鍵作用[38]。除此之外，DOPA也在乳突和黏附斑中被特異性標(biāo)記，顯示其與乳突黏附間的密切關(guān)系。DOPA參與調(diào)控黏附物質(zhì)的黏合力與內(nèi)聚力[38]，這與其他海洋生物的黏附特性是一致的[39-40]。海洋生物幼蟲階段黏附物質(zhì)的化學(xué)組成極為復(fù)雜，如藤壺幼體黏合劑中含有幾丁質(zhì)、脂質(zhì)、磷蛋白等多種功能成分。其中，天然幾丁質(zhì)以糖基化形式結(jié)合于蛋白質(zhì)上，待蛋白質(zhì)分泌后在黏附斑中以固定位置存在；而率先分泌的脂質(zhì)可以將黏附表面的水分從界面進(jìn)行置換，為磷蛋白的引入創(chuàng)造適宜的疏水條件，并保護(hù)黏合劑不被微生物降解[41]。海鞘乳突分泌的黏附物質(zhì)中是否也含有幾丁質(zhì)、脂質(zhì)等成分，是否也依賴于不同的化學(xué)成分協(xié)同作用最終實(shí)現(xiàn)黏附過程，目前尚不清楚，這也是海鞘黏附研究領(lǐng)域亟待解決的重要問題之一。應(yīng)用多組學(xué)的方法(包括蛋白質(zhì)組、基因組、轉(zhuǎn)錄組等)進(jìn)行研究是當(dāng)前海洋生物黏附領(lǐng)域的熱點(diǎn)，目前，作為模式生物，多種海鞘基因組測序已經(jīng)完成[42-44]，但仍然缺乏從基因及其調(diào)控網(wǎng)絡(luò)等層面對乳突發(fā)育與快速黏附的機(jī)制進(jìn)行分析。

2.3 海鞘成體黏附

海鞘幼蟲借助乳突附著在基質(zhì)上約4 h后，神經(jīng)系統(tǒng)傳遞發(fā)育信號(hào)，開始啟動(dòng)變態(tài)發(fā)育過程[45]。在變態(tài)過程中，海鞘幼體尾部連同脊索逐漸萎縮并被重吸收，神經(jīng)管及感覺器官退化[46]；與此同時(shí)，海鞘黏附器官也發(fā)生了變化。變態(tài)發(fā)育開始后，幼體海鞘腹側(cè)表皮處形成血管狀壺腹(ampulla)。壺腹發(fā)生“形變”，進(jìn)而與基質(zhì)表面緩慢接觸并發(fā)生黏附作用(圖3(a))。對于群體(compound/colonial)海鞘，壺腹直接作為成體的最終黏附器官，而單體(solitary)海鞘通過壺腹實(shí)現(xiàn)緩慢黏附后，壺腹結(jié)構(gòu)便被吸收縮回到被膜中，剩余被膜突出體外形成突起結(jié)構(gòu)(adhesive projection)，發(fā)揮黏附作用。黏附突起會(huì)隨著機(jī)體的成熟最終特化為匍匐枝(stolon)，發(fā)揮長期牢固黏附功能。

2.3.1 黏附突起 黏附突起由海鞘被膜特化而來，分布在被膜腹側(cè)的外周區(qū)域，用以擴(kuò)大海鞘與基底間的黏合面積(圖3(b))。與壺腹的“形變黏附”相比，這些突起的黏附活性更高。研究發(fā)現(xiàn)，雖然形態(tài)上都是突起，但被膜突起的黏附速度與乳突的快速黏附相比卻慢得多(約48 h)，這說明兩種結(jié)構(gòu)的黏附機(jī)理或黏附物質(zhì)的性能可能不同[47]。在被膜上，這些突起的內(nèi)腔通過被膜血管系統(tǒng)彼此相連。被膜血管中富含血細(xì)胞，血細(xì)胞中存在大量含釩物質(zhì)和嗜酸性物質(zhì)，這些物質(zhì)與黏附功能間有著密切的聯(lián)系[48]。此外，富釩的血細(xì)胞會(huì)在突起的末端積聚，進(jìn)一步表明其參與了海鞘突起結(jié)構(gòu)的黏附過程。這些血細(xì)胞中的嗜酸性物質(zhì)是海洋黏附蛋白質(zhì)的共同特征，推測由血管尖端的上皮細(xì)胞或者被膜細(xì)胞合成分泌，同樣在突起末端富集并發(fā)揮黏附功能[47]。

2.3.2 匍匐枝結(jié)構(gòu) 對于海鞘來說，被膜突起的黏附時(shí)間也是短暫的，長期的牢固黏附依賴于特殊的黏附結(jié)構(gòu)——匍匐枝。匍匐枝被認(rèn)為是被膜突起的進(jìn)一步特化，在海鞘發(fā)育的成熟階段起到黏附作用(圖3(c))。匍匐枝的表皮由側(cè)壁的立方細(xì)胞和末端的柱狀細(xì)胞組成，立方細(xì)胞利用微絨毛固定在被膜上，而柱狀細(xì)胞內(nèi)含圓形顆粒，具有一定的分泌功能[49]。對于有些群體海鞘物種如Diplosomavirens，匍匐枝在靠近基底的一端膨脹成壺腹?fàn)钅┒?，其頂端便是含有許多圓形顆粒的柱狀細(xì)胞，柱狀細(xì)胞內(nèi)可觀察到有分泌功能的囊泡。與被膜突起相似，匍匐枝借助血管結(jié)構(gòu)彼此相連，管腔內(nèi)有稀疏的血細(xì)胞分布，但這些血細(xì)胞的功能還未被完全揭示[49]。

圖3 成體階段的黏附器官

2.3.3 黏附物質(zhì)成分 由于海鞘被膜分化的匍匐枝比幼體的乳突結(jié)構(gòu)黏附速度慢，研究者推測海鞘成體分泌的黏合劑或許與幼體存在較大差別。Saad等[50]對皺瘤海鞘Styelaplicata匍匐枝的分泌黏液進(jìn)行了分析，其中，含量最多的有機(jī)物是蛋白質(zhì)，其次是脂肪和碳水化合物。應(yīng)用SDS-PAGE技術(shù)對這種海鞘生物黏液進(jìn)行分離，獲得的蛋白質(zhì)相對分子質(zhì)量為30 000～250 000。進(jìn)一步用胰蛋白酶進(jìn)行消化處理，分析得出黏液中含量最高的3種氨基酸分別是纈氨酸、甘氨酸和苯丙氨酸。此外，研究者從單體海鞘Ascidiasydneiensissamea的被膜突起中分離獲得了8種小分子量蛋白質(zhì)，推測其中幾種蛋白質(zhì)可能參與了海鞘成體黏附過程，但未進(jìn)行功能驗(yàn)證[47]。由于技術(shù)的限制，該研究無法對質(zhì)荷比大于500的生物大分子進(jìn)行識(shí)別，對黏附相關(guān)蛋白質(zhì)的分析還存在缺陷。在最近的研究中，Li等[51]對污損性較強(qiáng)的玻璃海鞘進(jìn)行蛋白質(zhì)組學(xué)分析，鑒定出一種含有vWFA結(jié)構(gòu)域的海鞘匍匐枝蛋白ASP-1。NBT染色試驗(yàn)表明，此蛋白質(zhì)含有DOPA，且酪氨酸酶修飾后的ASP-1黏附性能顯著提升。該研究表明，部分海鞘黏附蛋白質(zhì)功能的實(shí)現(xiàn)也像大多數(shù)海洋黏附生物一樣可能依賴于DOPA組分，但這一結(jié)論還需進(jìn)一步驗(yàn)證，因?yàn)锳SP-1只是匍匐枝蛋白中的一種，并不是直接參與基質(zhì)表面界面黏附的蛋白質(zhì)?；谝褕?bào)道的結(jié)果，至今尚無一種與海鞘成體黏附直接相關(guān)的蛋白質(zhì)組分被分離鑒定，因此，成體海鞘的黏附機(jī)制亟待深入解析。

2.3.4 纖維素功能 除蛋白質(zhì)組分外，纖維素(cellulose)也被認(rèn)為是海鞘維持穩(wěn)定黏附能力的關(guān)鍵。成熟的海鞘身體表面覆有一層粗糙堅(jiān)實(shí)的被膜(tunic)，被膜由體壁分泌的被囊素形成，從而維持身體形態(tài)并起到一定的保護(hù)作用。研究發(fā)現(xiàn)，被囊素的化學(xué)成分是動(dòng)物纖維素，其與多糖、蛋白質(zhì)等一起構(gòu)成被膜的主要成分。過去人們一直以為纖維素成分只是為海鞘被膜提供韌性，起到保護(hù)內(nèi)部機(jī)體的作用。但最近的研究發(fā)現(xiàn)，海鞘纖維素合成酶(Ces-A)的突變不僅導(dǎo)致幼體變態(tài)異常，使幼體不經(jīng)乳突黏附沉降便開始變態(tài)[52]；同時(shí)還影響其被膜功能，突變體海鞘的被膜脆弱易破，呈膠凍狀，易被微生物附著。更為重要的是，突變體無論是在幼體階段還是成體階段，黏附能力均顯著降低，極易從基質(zhì)表面脫落[53]。由此可見，海鞘被膜中的纖維素成分對黏附至關(guān)重要。通過系統(tǒng)發(fā)育分析，推測海鞘的纖維素系列基因(GH-6 cellulase、Ces-A等)均是同時(shí)通過基因水平轉(zhuǎn)移的方式從放線菌處獲取并得到表達(dá)[53]。

基于當(dāng)前的研究結(jié)果，海鞘成體的黏附結(jié)構(gòu)特征和機(jī)制仍不清楚。研究人員觀察到海鞘的壺腹形成、被膜突起和匍匐枝結(jié)構(gòu)都參與了成體海鞘黏附，它們之間有著功能與發(fā)育上的承接關(guān)系，即使彼此存在明顯的結(jié)構(gòu)差異，黏附機(jī)制也可能不同。

3 海鞘生物污損的科學(xué)防控

科學(xué)高效防止海鞘生物污損是深入開展海鞘黏附特征、過程和機(jī)制研究的主要目標(biāo)之一。針對這一海洋生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的難題，近些年科研工作者圍繞生物與材料間的相互作用關(guān)系進(jìn)行了深入研究與實(shí)踐[38,54]。這些研究大多是從海鞘生長發(fā)育的不同階段特征出發(fā)，利用海鞘對基質(zhì)選擇的傾向性、海鞘黏液物質(zhì)與基底的黏附機(jī)制、海鞘變態(tài)發(fā)育過程特征等，對海鞘群體進(jìn)行清除或殺滅，以達(dá)到生物污損防治的目的。總體上可以將這些抗污損策略劃分為物理法、化學(xué)法和生物法，便于清晰理解。

3.1 物理法

物理防海鞘污損方法主要利用海鞘對黏附基質(zhì)材料的選擇性這一特點(diǎn)。決定材料表面防污性能的因素很多，包括表面能、彈性模量、電荷性、極性、疏水性和表面光滑性等。目前，關(guān)于抗海鞘黏附材料的設(shè)計(jì)也是基于這些影響因素，即海鞘對黏附基質(zhì)選擇的傾向性來進(jìn)行。

當(dāng)前，該領(lǐng)域中研究最多、前景最廣的策略是基于低表面能原理進(jìn)行抗海鞘黏附涂層設(shè)計(jì)。此種涂層表面具有低表面能與低彈性模量的特點(diǎn)，使生物難以在其表面產(chǎn)生黏附，即便是成功黏附，洋流或者船舶航行中產(chǎn)生的水動(dòng)力作用也足以將其洗脫。研究表明，一般當(dāng)防污涂層的表面能低于25 mJ/m2或與液體的表面接觸角大于98°時(shí)，防污損效果明顯，典型的低表面能涂層包括有機(jī)硅涂層和有機(jī)氟涂層[55]。當(dāng)涂層含有一定量的有機(jī)硅氧烷時(shí)，玻璃海鞘的附著率顯著降低。有機(jī)硅氧烷除了具有較低的表面能，還可以與水體產(chǎn)生較高的相互作用力，使涂層表面吸水并排斥鹽分，形成淡水液膜，進(jìn)一步減弱海鞘的附著能力[56]。對不同聚合物抗污損試驗(yàn)的結(jié)果也顯示，聚合物材料表面的污損程度與表面自由能間有一定的相關(guān)性。玻璃海鞘的黏附一般發(fā)生在浸海后期，且均位于基底已產(chǎn)生污損的地方，其中，聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚氯丁二烯(PCP)、株?duì)罹郾揭蚁?PS)等材料能顯著抑制玻璃海鞘的黏附[57]。除此之外，納米材料涂層也屬于低表面能涂層[58]，納米表面亦能抑制生物附著[59]。例如，與普通的平板膜相比，通過模仿后生動(dòng)物(被囊動(dòng)物、棘皮動(dòng)物、環(huán)節(jié)動(dòng)物)體表的蛾眼陣列(moth-eye structure)設(shè)計(jì)的基膜MOSMITETM能夠顯著地抑制海鞘幼體的附著能力[54]。這種仿生基膜屬于納米結(jié)構(gòu)陣列，“高度”一般不大于100 nm，且親水不親油。此外，含銀納米復(fù)合材料的超支化聚氨酯也表現(xiàn)出優(yōu)異的抗海鞘污損性能，這種材料還能產(chǎn)生活性氧，對細(xì)胞造成損傷[60]。另有研究表明，水凝膠納米復(fù)合涂層也可以有效抑制海鞘生物污損事件的發(fā)生[61]。

基質(zhì)材料的電荷性、極性和疏水性等特征也能明顯影響海鞘的黏附，因此，通過涂層改變基底材料的電荷性、疏水性等特性，可以達(dá)到抗海鞘污損的效果。研究表明，疏水與否顯著影響海鞘幼蟲的附著能力，即海鞘幼蟲傾向于附著到疏水性較強(qiáng)的材料表面[38]。產(chǎn)生這一差異的機(jī)理在于聚乙二醇與兩性離子聚合物等材料因?yàn)槠渚哂杏H水性而抑制蛋白質(zhì)的吸附與細(xì)胞的黏附，但往往疏水性的材料如聚二甲基硅氧烷(PDMS)和含氟聚合物由于具有非極性的特點(diǎn)也可以抑制蛋白質(zhì)的吸附[59]。

3.2 化學(xué)法

與物理法相比，化學(xué)法的使用更加關(guān)注對污損生物的生理抑制或有效滅殺。典型的例子是化學(xué)防污涂料，區(qū)別于利用物理性質(zhì)進(jìn)行防污的涂層，這些涂料中包含緩慢釋放的可抑制或殺死海鞘的防污成分，如有機(jī)錫、汞化合物、銅化合物等[58]，可通過防污涂料中有毒物質(zhì)的釋放有效阻止海洋生物污損。這些有毒物質(zhì)是非針對性的，可以應(yīng)用于包括海鞘在內(nèi)的所有污損生物。針對玻璃海鞘的試驗(yàn)表明，單磺酸鉀鹽(potassium monopersulphonate triple salt)可明顯降低其在基質(zhì)表面的黏附量。試驗(yàn)處理組，將已黏附的海鞘置于質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%的單磺酸鉀鹽試劑中浸泡30 s，可以使其生物量減少89%，且對藥物的易感性存在明顯的年齡差異。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可能與被膜性質(zhì)有關(guān)，幼年海鞘的被膜較薄且比表面積較大，易受到毒物的侵害[62]。也有研究顯示，長時(shí)間的低鹽度條件能抑制冠瘤海鞘Styelacanopus幼體的附著，低鹽度(鹽度為10)處理93 h時(shí)，試驗(yàn)組的附著率減少近65%[63]。由此可見，利用化學(xué)原理進(jìn)行防污是有效的，但是大多數(shù)化學(xué)物質(zhì)由于其毒性會(huì)危害整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的安全，所以化學(xué)抗污往往不像物理法那樣得到廣泛認(rèn)可與實(shí)際應(yīng)用，即使是曾經(jīng)在全球范圍內(nèi)廣泛使用的有機(jī)錫防污涂料也在2008年被全面禁止。因此，目前化學(xué)防污的目標(biāo)是研究低毒或無毒的新型涂料。

3.3 生物法

有些生物的表面及附近不易有其他生物黏附，這種自然的抗污損現(xiàn)象不僅依托于生物表面的特殊物理結(jié)構(gòu)，很大程度還依靠其分泌的生物活性物質(zhì)。某些生物活性物質(zhì)對于抗生物黏附具有積極作用，如有機(jī)酸、萜類、醇類、胺類、吲哚類等[64]。這一特征被利用到海鞘污損防治，Cahill等[65]測試驗(yàn)證了從生物中提取的根赤殼菌素(radicicol)、蓼二醛(polygodial)和泛醌-10(ubiquinone-10)等物質(zhì)可以通過抑制海鞘幼蟲的變態(tài)起到抗海鞘黏附的作用。研究發(fā)現(xiàn)，相對于對照組來說，在培養(yǎng)基中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.5%的肝素能使幾乎所有的海鞘幼體不附著，且肝素的抑制作用隨著濃度的降低逐漸減弱[38]。一定濃度的乙酰膽堿(>10-7mol/L)對冠瘤海鞘的附著與變態(tài)均能表現(xiàn)出抑制作用，與之具有相似效果的生物活性物質(zhì)還有γ-氨基丁酸(GABA)和印防己毒素(picrotoxin)[66]。同時(shí)，有些活性細(xì)菌的胞外代謝產(chǎn)物可以抑制玻璃海鞘的沉降，其活性物質(zhì)可能是相對分子質(zhì)量低于3 500的蛋白質(zhì)或肽類物質(zhì)，且具有一定的熱穩(wěn)定性[67]。越來越多的研究發(fā)現(xiàn)，有些酶類也可以對附著生物起到阻止和抑制作用，其靶點(diǎn)可能是黏附物質(zhì)或者被膜組分，通過分析活性酶的官能團(tuán)特征，也可設(shè)計(jì)出新型無毒的海鞘防污劑[68]。

從研究進(jìn)展來看，目前普遍采用的抗海鞘污損舉措并不十分理想，針對海鞘的抗污損研究與技術(shù)大多還停留在實(shí)驗(yàn)室階段(表2)，究其根本是海鞘生物黏附物質(zhì)與海底基質(zhì)材料間黏附的生物學(xué)過程和機(jī)理未被徹底闡明，無法針對海鞘的黏附機(jī)制進(jìn)行特異性的防污工藝設(shè)計(jì)。

表2 海鞘污損防控方法

4 海鞘黏附的仿生應(yīng)用

雖然從生態(tài)系統(tǒng)角度看，海洋污損生物產(chǎn)生了顯著的生態(tài)危害，但從仿生材料角度，這些污損生物的黏附特征也是高性能水下黏合劑的重要仿生對象。海鞘所分泌的黏附物質(zhì)具有強(qiáng)黏附、生物相容、可降解和自修復(fù)等優(yōu)越的生物學(xué)性能，可以應(yīng)用于醫(yī)學(xué)和材料科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。在生物醫(yī)學(xué)、工業(yè)涂料、包裝作業(yè)等領(lǐng)域，傳統(tǒng)材料的應(yīng)用往往受到效率低、難降解、具有毒性和不防水等各方面因素的限制。因此，研發(fā)環(huán)境友好的高性能水下黏合材料就成為相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的當(dāng)務(wù)之急。隨著合成化學(xué)和生物工程技術(shù)的發(fā)展，從仿生層面研發(fā)制備的一些黏合材料在各方面都具有優(yōu)良的性能，特別是在生物醫(yī)學(xué)與材料領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用價(jià)值[70]。

根據(jù)海鞘黏附物質(zhì)的作用機(jī)制可以設(shè)計(jì)自愈合水凝膠。自愈合水凝膠是一種在受到損傷后自動(dòng)恢復(fù)其完整性和自身功能的一類新型水凝膠。目前，使用的大部分水凝膠具有獨(dú)特的基于化學(xué)鍵或物理作用的親水性交聯(lián)三維體系[71]，在受到外部機(jī)械刺激或生理侵蝕時(shí)，若完整性遭到破壞，功能便會(huì)喪失；因此，具有自我修復(fù)功能的水凝膠受到了研究人員的廣泛關(guān)注。海鞘黏附物質(zhì)具有較強(qiáng)的水下附著力與快速再生性,這一特性與海鞘黏附機(jī)制可能密切相關(guān)。與貽貝膠相似，海鞘黏液中也被證明存在DOPA組分，海鞘血細(xì)胞中還含有特異性TOPA結(jié)構(gòu)。TOPA中的鄰苯三酚(PG)可與透明質(zhì)酸(HA)結(jié)合，而PG基團(tuán)被認(rèn)為是海鞘具有再生能力的關(guān)鍵成分，可以通過氧化過程實(shí)現(xiàn)自我再生。同時(shí)利用氧化劑誘導(dǎo)和pH控制的方法可以實(shí)現(xiàn)HA-PG體系的快速交聯(lián)，形成具有生物相容性的水凝膠[72]。HA-PG水凝膠還具有細(xì)胞毒性低、無生物免疫反應(yīng)等特點(diǎn)，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，在定向運(yùn)載藥物、組織細(xì)胞移植、創(chuàng)口縫合等方面都有應(yīng)用價(jià)值[72]。這種水凝膠體系是對海鞘黏附機(jī)制的成功仿生，顯示了海鞘黏附在仿生領(lǐng)域的潛力。

基于海鞘黏附特性也可以設(shè)計(jì)新型仿生功能材料。海鞘具有特有的黏附機(jī)制，一些獨(dú)特的黏附蛋白質(zhì)與結(jié)構(gòu)域也在海鞘黏液中被發(fā)現(xiàn)[51]。根據(jù)海鞘的黏附機(jī)制，可以據(jù)此設(shè)計(jì)新型功能材料與低生物黏附性的表面材料。纖維素是海鞘被膜中的結(jié)構(gòu)組分，不僅起到保護(hù)機(jī)體的作用，還參與海鞘的生物黏附過程。海鞘纖維素是區(qū)別于植物和細(xì)菌的Iβ晶型[73]，其具有潛在的研究價(jià)值。如今有許多研究模仿海鞘纖維素制備納米晶體(TCNCs)并將其用于功能材料制備。有研究發(fā)現(xiàn)，添加少許的TCNCs便可使海鞘纖維素仿生復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量提高千倍以上[74]。此外，TCNCs還可用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，利用TCNCs、環(huán)氧乙烷和環(huán)氧氯丙烷合成的仿生材料具有可逆的化學(xué)反應(yīng)能力，可設(shè)計(jì)為微電極，應(yīng)用到帕金森綜合征、中風(fēng)等神經(jīng)疾病的治療中[75]。

目前，針對海鞘黏附機(jī)制的仿生研究已經(jīng)有了重要研究進(jìn)展，可以預(yù)見其仿生潛力。但有關(guān)海鞘生物黏附物質(zhì)與黏附器官的仿生研究卻較少。根據(jù)海鞘獨(dú)特的黏附機(jī)制與蛋白質(zhì)特性進(jìn)行新型水凝膠的研制，模仿乳突、匍匐枝等結(jié)構(gòu)進(jìn)行特定功能元件的設(shè)計(jì)，這些思路都有潛在的開發(fā)價(jià)值。隨著海鞘黏附機(jī)制的進(jìn)一步明晰，相信其在仿生應(yīng)用領(lǐng)域也將會(huì)有較大拓展，特別是基于海鞘分子特性的仿生應(yīng)用將成為可能。

5 存在問題及展望

5.1 海鞘黏附機(jī)制與仿生研究中存在的問題

海鞘作為典型的海洋污損生物，在水產(chǎn)養(yǎng)殖、船舶運(yùn)輸?shù)戎匾袠I(yè)能夠造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，但它也是高性能水下黏合劑研發(fā)的重要仿生對象，具有較好的開發(fā)前景，深入開展海鞘黏附機(jī)制研究是解決高性能水下黏合劑不可或缺的重要環(huán)節(jié)。在過去十年中，海鞘黏附機(jī)制研究已經(jīng)取得一定的進(jìn)展，但還存在以下幾方面的問題。

1) 海鞘不同黏附組織器官間的發(fā)育關(guān)系不清晰。目前，雖然已經(jīng)存在部分針對乳突、壺腹、黏附突起、匍匐枝等的研究，但這些研究多集中于對黏附器官的結(jié)構(gòu)與細(xì)胞類型進(jìn)行表征，卻忽視了不同黏附器官間的發(fā)育關(guān)系。特別是針對海鞘成體黏附階段，不同發(fā)育階段的黏附器官間無明確界限，相互間的功能承接方式還未被闡明。

2) 海鞘黏附分子層面的機(jī)制未被揭示。相對于其他典型海洋黏附生物如貽貝、藤壺等，海鞘的黏附機(jī)制尚不清楚，其中一個(gè)重要原因是缺乏分子層面的深入研究。當(dāng)前海洋生物黏附機(jī)制研究最透徹的物種是貽貝，究其原因是因?yàn)橘O貝關(guān)鍵的黏附蛋白質(zhì)得到了有效分離與鑒定，而目前針對海鞘黏附蛋白質(zhì)的研究則十分有限。盡管已從海鞘的體內(nèi)分離鑒定出了幾種與黏附相關(guān)的蛋白質(zhì)，但是大多數(shù)的黏附成分仍然不明晰。

3) 缺乏高效的抗海鞘污損基質(zhì)材料。對于海鞘來講，雖然當(dāng)前采用的普適性抗污損涂層材料被證明是部分有效的，但仍然不能完全阻止海鞘污損事件的發(fā)生。特別是在水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)，海鞘作為主要的敵害生物，利用水流剪切力去除附著生物的低表面能材料的使用受到了限制，為抗海鞘污損工作增加了難度。

4) 基于海鞘黏附機(jī)制的深度生物仿生工作尚不深入。海鞘作為典型的黏附生物，具有與其他海洋生物不同的黏附機(jī)制，是進(jìn)行生物仿生的理想試驗(yàn)對象。然而，目前鮮有針對海鞘黏附機(jī)制的仿生研究，已有的研究也不夠深入。

5.2 未來重點(diǎn)研究方向

針對所提及的海鞘生物黏附研究領(lǐng)域存在的問題，今后的工作可從以下方面展開。

1) 黏附組織器官的研究拓展。針對黏附器官間的發(fā)育關(guān)系、黏附器官的種間差異應(yīng)進(jìn)行更加清晰地研究與界定，以便更加系統(tǒng)地解析海鞘生物黏附的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和分子機(jī)制。

2) 黏附蛋白質(zhì)的鑒定與分析。明確海鞘黏附相關(guān)的關(guān)鍵蛋白質(zhì)組分，探討其結(jié)構(gòu)與黏附功能，是未來海鞘黏附研究領(lǐng)域的重點(diǎn)方向。如今多個(gè)海鞘物種的基因組測序已經(jīng)完成，應(yīng)用基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)或蛋白質(zhì)組學(xué)等多組學(xué)方法進(jìn)行分子層面研究將是十分有效的。

3) 設(shè)計(jì)特異性抗海鞘黏附材料。海鞘黏附有其自身的特點(diǎn)，根據(jù)海鞘的黏附機(jī)制設(shè)計(jì)的特異性抗污損材料或許會(huì)更加高效。海鞘特異的變態(tài)發(fā)育過程也可能是一個(gè)切入點(diǎn)，可通過抑制海鞘幼體的變態(tài)發(fā)育從而有效阻止海鞘黏附過程，實(shí)現(xiàn)海鞘生物污損的有效控制。

4) 基于分子層面的海鞘黏附仿生研究。海鞘的特殊黏附機(jī)制能夠啟發(fā)更多的新型水下黏合劑與復(fù)合材料的研制。通過模仿海鞘黏附蛋白質(zhì)的功能特征、蛋白質(zhì)間的交聯(lián)作用等特點(diǎn)，可以生產(chǎn)自修復(fù)的水凝膠等仿生材料，而海鞘獨(dú)特的黏附器官與黏附模式也為黏性力學(xué)元件設(shè)計(jì)提供了新的思路，具有更加廣闊的應(yīng)用前景。