仿生海洋防污的研究现状

粟毅

中国积极发展海洋产业，但海洋生物污染是限制海洋开发的主要因素之一，对船舶、船坞等水下设施的生活和服务性能有很大的负面影响。海洋污损是海洋污损生物造成的损失。海洋生物的污染防止技术被称为公害防止技术[1]。根据调查报告书，世界上栖息着4000多种海洋生物，在中国沿海地区发现并记录有614种海洋生物，其中最重要的是藻类、水蛇、外肛门动物、贝壳、藤壶、海苔等[2]。海洋污损生物的附着显著地限制了海洋资源的开发和利用，船体底部生长的牡蛎、紫色贻贝和大型海藻，将会腐蚀船的船体，缩短船的使用年限。而海洋钻井动物则会损伤木船和船坞。切断机器和设备的海水管道。

目前海洋防污中一个主流的研究方向是光催化增强海洋防污性能，基于此，各个研究团队对不同种类物质展开研究。比如由哈尔滨工程大学教育部超光材料与表面技术重点实验室带领研究的Bi5O7I与氟化聚合物（Zfp）组成的新型复合膜[1]，可以达到99%以上的杀菌率。中国科学院大学（中国科学院海洋研究所）的张鑫以InVO4为单体，结合Ag VO3和Bi VO4材料形成性能优良的异质结，对海水中典型的微生物以及塔玛亚历山大藻有着一定的抑制作用[2]。但是光催化有着诸多限制，首先是光腐蚀，光催化剂分解有机物没有选择性，负载催化剂的材料本身也会遭到分解，比如含有部分有机物的木制结构，一旦催化粒子脱落，材料就失效了[3].其次是光催化反应对光源的选择性很强，只能在紫外光作用下反应，在没有光照或光照很弱的深海区域没有办法使用，这也在一定程度上限制了催化效率[4]。

同时为了避免防污涂料对海洋生态系统的破坏影响，当前生态友好海洋防污体系的研究主要聚焦在防污材料和防污剂上[5].主要有以下几种防污材料：

1.有机硅基污损脱附型防污材料。如大连海事大学的邱武高团队进行了有机硅海洋防污涂层研究[6].该材料优点是不含杀生剂，有较高的环境友好性。缺点是该材料机械强度低、基底粘附力弱，对防污性能的发挥需要船只高航速，在静态条件下防污效果较差[7]。对硅藻的脱附能力较弱，在强水流冲刷下也难以去除。目前该类材料仅应用于一些特殊场合。

2.两亲性聚合物防污材料，如上海大学材料研究所微结构重点实验室的田澍团队进行了含氟两亲性聚合物刷构筑及防污应用研究进展[7].该材料防污机理尚未完全明确[7]。如何使得两亲性聚合物材料在海水中具有广泛的抗污性和维持长久的稳定性，不因溶解膨胀丧失力学性能，是仍需解决的一大技术难点[8]。

3.抗蛋白吸附材料.如海洋腐蚀与防护重点实验室的张金伟团队研究了抗蛋白吸附材料及其在海洋防污领域的应用前景[8].针对这类材料，目前主要研究的是PEG和两性离子聚合物，虽然这两种材料实验中展现出优异的抗污性能。但目前尚无成功的海洋实验报道，在复杂多变的海洋环境中是否依然长期有效仍有待检验。

4.表面微结构材料.比如哈尔滨工业大学的刘雅薇团队研究了PES膜表面纳微结构构筑及抗污染作用[9].这样的微观结构表面的制造是复杂的，成本高，大规模的应用是困难的，难以维持长期海水的稳定性，完全依赖于表面微观结构的防止污垢的实用性。实际上，污染生物也是静止的，或者长时间接触到海洋生物的表面。为了防止生物污染，表面的自我释放和分泌活性物质的生物学特性的组合具有广泛的前景。

总的来说，海洋防污的研究方向已经从原来采用化学物质对微生物进行毒杀，转变到现在的采用无毒无害的仿生结构，附着在船体基体表面，对微生物的附着生长产生抑制作用。由于海洋中的藻类和微生物多种多样，单一的防污手段难以进行全面的抑制，今后的研究方向会更加注重多元防污结构之间的协同工作，探究多种手段之间的联合防污。

参考文献：

[1]Zhang Linlin，Sha Jianang，Chen Rongrong，Liu Qi，Liu Jingyuan，Yu Jing，Zhang Hongsen，Lin Cunguo，Wang Jun. Three-dimensional flower-like shaped Bi₅O₇I particles incorporation zwitterionic fluorinated polymers with synergistic hydration-photocatalytic for enhanced marine antifouling performance.[J]. Journal of hazardous materials，2020，389.

[2]张鑫.InVO_4的可控制备及其光催化防污活性的研究[D].中国科学院大学（中国科学院海洋研究所），2018.

[3]李科.海洋冲刷腐蚀及生物污损环境下的锌基复合镀层的改性研究[D].中国科学院大学（中国科学院海洋研究所），2018.

[4]Z-机制WO_3（H_2O）_（0.333）/Ag_3PO_4复合材料的制备及其增强光催化活性和稳定性（英文）[J].催化学报， 2019， 40（03）：99-107.

[5]叶章基，陈珊珊，马春风，等.新型环保海洋防污材料 研究进展[J].表面技术， 2017， 46（12）： 62-70.

[6]邱武高.有机硅海洋防污涂层研究[D].大连海事大学，2011.

[7]田澍，刘文慶，刘志雄，等.含氟两亲性聚合物刷构筑及防污应用研究进展[J].表面技术，2017， 046（011）：110-115.

[8]张金伟，蔺存国，许风玲，et al.抗蛋白吸附材料及其在海洋防污领域的应用前景[J].材料开发与应用， 2013， 028（003）：123-126.

[9]刘雅薇.PES膜表面纳微结构构筑及抗污染作用研究[D].2015.