抗生物污损型海水提铀材料研究进展

李璐琰，文 君，胡 胜，汪小琳

中国工程物理研究院 核物理与化学研究所，四川 绵阳 621900

核能是一种高能量密度的绿色能源。随着“碳达峰”和“碳中和”的发展目标的提出，我国能源结构必须向清洁能源转型，因此核能在我国能源结构中的比例将会不断提升。铀作为最重要的核能资源，是核能发展的必要保障。然而按照目前铀资源的消耗速度，世界铀矿资源储量仅可以支撑核电发展80～120年[1]。特别是我国，目前大量铀资源需要通过进口解决，随着我国核能的进一步发展，铀资源短缺的问题将会越来越凸显。所幸的是，经估算全球海水中含铀资源总量可达45亿吨，是陆地铀矿资源的1 000倍[2]，足以满足核电可持续发展数千年。因此，海水提铀对于保障我国清洁能源的可持续发展、促进海洋资源的综合利用具有重大而长远的战略意义。

由于海洋环境的复杂性，海水提铀已成为一项有广阔前景但难度极大的核燃料资源开发项目[3-5]，制备高吸附容量、高选择性、耐用的吸附材料是实现海水提铀产业化的关键。然而要保障提铀材料在真实海洋环境中的应用，海洋环境与提铀材料之间的相互影响不可忽视。海洋具有非常苛刻的腐蚀环境，与其他腐蚀环境相比，其主要特点是海水的腐蚀行为由高的生物活性引起，每升海水中含有109数量级微生物[6]，包括细菌和微藻等，这些微生物及其无机和有机代谢产物均会对材料产生影响。并且海水提铀是一个相对漫长的吸附过程，在提铀过程中，通常需要将材料浸泡在海洋环境中数十天，海水中存在的大量海洋微生物会在材料表面富集对材料造成生物污损，进而造成材料被腐蚀并影响铀吸附性能[7-8]。Hu等[9]制备了偕胺肟化超高分子量聚乙烯纤维，投放于厦门岛东海海洋环境进行铀吸附试验。在真实海域中，吸附材料表面附着大量生物污垢(图1)，导致海洋中的生物污损，影响吸附材料的吸附性能，吸附容量明显降低。

图1 海洋生物对吸附材料污损示意图[9]Fig.1 Fouling of adsorption materials by marine organisms[9]

生物污损的过程通常被分为四个关键的阶段(图2)[10-12]：1) 材料浸入水中一段时间，有机物初始积累在材料表面并形成一层薄的生物膜；2) 细菌、硅藻等生物在材料表面沉降、黏附和定殖；3) 微生物膜进一步发展形成粗糙的表面，捕获黏附更多的颗粒和有机物；4) 藤壶、贻贝或藻类等微生物在污染的表面上生长。Gill 等[13]将提铀材料放在有光和无光条件下的海水中吸附42 d，结果表明，有光条件下的材料表面腐蚀更严重，吸附性能下降30%，吸附后期总吸附容量和吸附速率也大大降低。尽管可以采取部署在透光区以下等多种方式降低生物污损对材料吸附性能的影响[14]，但这些操作会导致提铀成本大幅提高，并且也不能完全避免微生物对提铀材料的影响。因此，制备抗生物污损型海水提铀材料是现阶段最有希望解决生物污损对海水提铀影响的方案。本文主要介绍了目前已报道的抗生物污损型提铀材料的发展以及不同抗生物污损型提铀材料的作用机制，并对海水提铀材料的未来发展进行了展望。

图2 海洋污垢对吸附材料的污染过程示意图[12]Fig.2 Pollution processes of marine fouling on adsorbent material[12]

1 无机颗粒抗生物污损吸附材料

无机抗菌剂的开发和应用始于20世纪60年代，目前技术成熟、应用广泛的无机抗菌剂主要有：Ag系抗菌剂[15-19]、TiO2系抗菌剂[20]、Zn系列抗菌剂[21-22]和其它无机纳米抗菌剂[23-24]等。无机抗菌剂大多利用金属离子的抗菌能力，通过缓释作用达到长效抑菌的目的，少部分在光照下产生活性氧以抗菌。无机抗菌剂具有不易产生耐药性、高耐热性等优点，通常采用物理方法将其附载于材料表面，赋予材料抗生物污损性能。

Das等[16]通过紫外线引发诱导的光聚合将Ag纳米颗粒嵌入到聚甲基丙烯酸磷酸乙二醇酯(PEGMP)中(图3)，材料在含预生长的大肠杆菌细胞琼脂平板上放置24 h后，细菌完全没有生长。然而从铀吸附性能的结果来看，与PEGMP相比，Ag@PEGMP的吸附性能和吸附速率略有下降。Wen等[20]采用辐照接枝法在羊毛纤维上化学沉积TiO2纳米颗粒，制备得到吸附材料Wool-AO@TiO2，该材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率分别为90%和95.2%。把Wool-AO@TiO2和细菌溶液连续培养四个循环，材料的抗菌活性随着循环次数的增加而略有下降，但是对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率依然可以达到88.4%和89%。Wool-AO@TiO2的饱和吸附容量为113.12 mg/g，而在含大肠杆菌的铀溶液(铀质量分数为50×10-6)中吸附容量为87.5 mg/g，相比下降了22.6%。从上述结果可以看出，虽然无机抗菌纳米粒子的加入对细菌的生长有抑制作用，但细菌对材料的吸附性能仍然有一定影响。

图3 Ag@PEGMP纳米复合材料合成示意图[16]Fig.3 Synthesis of Ag@PEGMP nano-composite[16]

Ao等[21]通过在偕胺肟功能化的超高分子量聚乙烯纤维中加载微量锌离子，合成了一种具有防生物污损性能的Zn@AO纤维。1.8 mg/g锌加载量的纤维对大肠杆菌的抗菌率超过80%，对枯草芽孢杆菌和溶藻弧菌的抗菌率分别为73.6%和25.0%，在模拟海水中，Zn@AO纤维的吸附容量相比AO纤维的10.0 mg/g提高到13.7 mg/g。Yuan等[23]将黑磷纳米片(BP)添加到聚偕胺肟溶液中，并通过吹纺法制造BP-PAO纤维。由于BP光诱导的光热、光电和光催化作用产生活性氧，使材料对海洋细菌群落的抑制率达到96.67%。在模拟的阳光照射下，BP-PAO纤维在天然海水中具有11.76 mg/g的铀提取能力。

综上，无机抗生物污损吸附材料对海水中的细菌具有抑制作用，但是无机抗菌剂与吸附材料的非共价键作用并不稳定，抗菌剂易从吸附剂上脱离，从而在长期海洋作业中可能丧失防污能力。此外，这些无机纳米颗粒的降解非常困难，可能会对海洋生态造成一定的影响。

2 聚合物基抗生物污损吸附材料

聚合物基吸附剂是目前为止唯一被大规模应用于海水提铀海试试验的材料[25-28]。与其他吸附剂相比，聚合物基吸附剂具有出色的机械强度、易投放回收等优点，这对于它们在海水环境中的耐受性和提铀过程中的可重复使用性都非常有利。聚合物基吸附材料通常由基体材料和配体基团组成，可利用接枝法将抗生物污损配体基团接枝到基体材料上，共同组成高性能的铀吸附材料[29-38]。抗生物污损官能团有氨基、季胺盐和胍基等。

Wang课题组[31]以聚丙烯腈纤维为基体材料，通过水热法用超支化聚酰胺胺(h-PAMAM)功能化聚丙烯腈纤维，然后再与盐酸羟胺反应形成材料PAO-h-PAMAM(图4)。PAO-h-PAMAM表面上充足的多氨基结构有助于破坏细菌的细胞壁或细胞膜，在浓度为 108CFU/mL(CFU/mL，细菌浓度单位，表示每毫升菌液形成的菌落数)的海洋细菌溶液体系中，材料的抗菌率达到96.5%。在pH=8.0的铀溶液中，PAO-h-PAMAM的吸附容量为465.33 mg/g。该课题组[32]还将聚六亚甲基胍盐酸盐接枝到聚丙烯腈纤维上，制备成聚胍基抗生物污损提铀材料。该材料对海洋细菌的抑制率高达99.46%，连续进行五个循环的抗菌实验后，对海洋细菌的抑制率仍达到99%以上。该材料的铀饱和吸附容量为684.3 mg/g，公斤级该吸附剂在中国南海进行了海试试验，试验后通过扫描电子显微镜观察纤维表面，发现没有任何海洋微生物附着，并且材料对铀酰离子的吸附容量达到3.63 mg/g[1]，是目前规模化海试吸附容量最高值。

图4 PAO-h-PAMAM提铀材料的合成及抗菌作用示意图[31]Fig.4 Synthesis and antibacterial effect of PAO-h-PAMAM [31]

Zhang等[35]以聚丙烯无纺布为基体材料，通过辐射诱导和化学法先后分别接枝聚甲基丙烯酸甘油单酯和双氰胺，最后进行胺肟化制备得到抗生物污损吸附材料。材料中胍基的抗菌功能和超亲水性可以有效防止细菌黏附，在大肠杆菌菌液中培养一段时间后，通过扫描电子显微镜观察纤维表面，与对照组相比，细菌在该材料表面黏附程度大幅降低。材料在5 h内达到吸附平衡，吸附容量为112 mg/g。

综上，聚合物基抗生物污损吸附材料由于拉伸强度高、化学稳定性好、适合大规模生产等优点成为现阶段海水提铀吸附材料的主流，但是铀吸附性能仍需进一步提高，同时需要在真实海洋环境中开展大量的试验以验证聚合物基抗生物污损吸附材料的海洋耐受能力。

3 纳米结构抗生物污损吸附材料

随着纳米尺度的合成、改性和功能化技术的不断成熟，纳米结构材料作为吸附剂用于提取铀也引起广泛关注，同时可通过设计具有优异光催化活性的纳米骨架或将纳米结构材料功能化赋予材料抗生物污损能力。纳米材料有许多优秀的性能，包括高比表面积、高结合位点密度和快传质速度等，这些性质使材料在吸附动力学、吸附容量和选择性方面具有优势。

3.1 金属有机骨架材料(MOFs)

金属有机骨架材料(MOFs)是由有机配体和过渡金属离子组装而成的规则多孔晶体材料[39-40]。与沸石分子筛、活性炭等传统多孔材料相比，MOFs具有永久性孔隙率高、孔结构可调、比表面积大、化学功能可调等优点。此外，MOFs的另一个独特优势是它们可以通过原位合成或后修饰对其结构进行改善，赋予 MOFs 特殊的化学性质，例如抗生物污损特性[15,24,41-43]等。Yu等[42]通过羧基与氨基的共价交联反应，将具有广谱抗菌活性的新霉素接枝到UiO-66材料表面(图5)，材料对海洋细菌的抑制率为87.03%，且材料在pH=8.0的铀溶液中吸附容量为100 mg/g，在过滤后的真实海水中吸附30 d后，铀吸附容量为4.62 mg/g。

图5 新霉素修饰UiO-66提铀材料的合成及抗菌作用示意图[42]Fig.5 Synthesis and antibacterial effect of UiO-66 modified by neomycin[42]

为解决传统粉末类型吸附剂在海水中投放回收的难题，Yu等[41]通过原位生长将ZIF-8型MOF纳米颗粒嵌入到溶液吹塑法制备的聚丙烯腈纳米纤维上，为防止MOF纳米颗粒在材料后处理过程中脱落，作者引入了单宁酸交联涂层。在天然海水中放置50 d，该材料表面只有很少的死菌和藻类附着，在天然海水中最大铀吸附容量为11.17 mg/g。Guo等[43]将Ag离子和Zn离子负载在壳聚糖-氧化石墨烯泡沫基质上，通过原位生长ZIF-8，制备了具有防污性能的泡沫吸附剂。该吸附剂致藻类细胞死亡率超过70%，并极大地抑制了藻类细胞的黏附。在模拟海水中，该材料的铀吸附容量达到361.01 mg/g。

3.2 共价有机骨架材料(COFs)

共价有机骨架材料(COFs)是一类具有二维或三维结构的有序多孔晶体材料，该骨架由轻质元素(C、H、N、O和B等)构成，并通过牢固的共价键连接[44]，这赋予材料优异的特征，包括低质量密度、高比表面积、可调节大小的孔结构、高热稳定性等。Qiu课题组[45-51]开展了一系列工作，并制备了一种新型的半导体共价有机骨架材料BD-TN-AO[46]。基于高度共轭结构，BD-TN-AO表现出优异的光电和光催化性能。在光照条件下，该材料产生具有生物毒性的活性氧，对大多数菌株(溶藻弧菌、铜绿假单胞菌、蜡状芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌)的抑制率高达90%以上，并在天然海水中获得了5.9 mg/g的铀吸附容量。

为进一步提高抗生物污损性能，Qiu课题组[48]研制了含苯并恶唑结构的吸附剂。该吸附剂对受试菌株具有很高的抗菌活性(抗菌率>95%)，并且在天然海水中表现出不错的吸附速率，吸附容量达到10.31 mg/g。然而，在海洋环境中粉末材料易流失的缺点阻碍了COFs材料的实际应用。最近，该课题组将具有优异光催化活性的COFs引入到多孔聚合物支架海绵[49]和水凝胶聚合物网络[50]中，COFs材料回收困难和亲水性差等问题得到了改善。

3.3 共轭微孔聚合物 (CMPs)

共轭微孔聚合物(CMPs)是一种非常规有机多孔聚合物[52]，扩展的π共轭体系与永久的微孔骨架(直径<2 nm)相结合，使其具有牢固的共价连接、完美的光学性能、方便的后功能化、可调节的孔隙率和电子结构以及高度的灵活性等优点。Yang等[53]通过1,3-二溴-5,5-二甲基乙内酰脲和 1,3,5-三乙苯的偶联反应合成CMPs材料，然后利用肟基和羧基进行改性。带正电荷的酰脲基团赋予该材料抗生物污损的性能，通过扫描电子显微镜观察其材料表面，发现该材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有显著的抗生物污损性能。此外，由于多孔结构和出色的配体亲和力的协同作用，该吸附剂在真实海水中表现出较快的吸附速率(0.46 mg/(g·d))，5 d后，铀饱和吸附容量为2.3 mg/g。

Yu等[54]通过磺化反应将氯磺酸接枝到CMP骨架上，制备了磺化苝基共轭微孔聚合物吸附剂(图6)，在光照条件下显著降低了海洋细菌对于提铀材料吸附性能的影响，该材料在铀质量分数为500×10-6的模拟海水中铀吸附容量为1 989 mg/g。

图6 磺化苝基CMPs提铀材料的合成及抗菌作用示意图[54]Fig.6 Synthesis and antibacterial effect of sulfonated perylene-based CMPs[54]

综上, 虽然纳米结构抗生物污损吸附材料具有比表面积大、后功能化简单、孔结构可调等优点, 但是现有的大多数纳米结构抗生物污损吸附材料必须在光照下才有抗菌能力，这很大程度上限制了实际应用，并且粉体材料还存在投放和回收困难等不足，因此要想使纳米结构抗生物污损吸附材料在海水提铀领域广泛应用，还有较多问题需要解决。

4 天然生物质抗污损吸附材料

天然生物质抗菌剂包括植物源、动物源、微生物源抗菌剂等[55]，这些材料具有廉价、无毒、易得、高亲水性和可再生等特点，使生物质抗污损吸附材料在海水提铀领域有着广阔应用前景[56-62]。

植物源抗菌剂以植物为原料，利用植物自身的杀菌活性物质达到抗菌目的。Wang等[57]通过蚀刻方法合成了具有多孔结构、抗菌和超亲水性能的偕胺肟改性竹炭 AOOBCH。该材料的超亲水特性不仅加速了材料对铀的吸附，还促进了竹炭中的抗菌物质竹醌对细菌的抑制作用。AOOBCH分别在含金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的培养液中放置培养24 h后，与对照组相比，培养皿中的细菌数量明显减少，这归因于天然竹醌对细菌生长的抑制。

动物源杀菌剂主要是指从动物中直接分离提取的、具有杀菌作用的一类物质，有氨基酸类、天然肽类、高分子糖类等。由于动物源杀菌物质是生物体提取物，这些物质更容易进入微生物细胞，导致膜通透性增加和能量代谢系统破坏，因而能迅速抑制微生物的活动、生长和繁殖。Shi等[58]通过聚偕胺肟分子和壳聚糖的一步共价交联，构建了具有抗生物污损性能的气凝胶(图7)，在含菌海水中的铀吸附量达到灭菌海水的90.67%～94.82%，在天然海水中放置30 d，对铀酰离子的吸附容量达到9.29 mg/g。Yuan等[59]用戊二醛作为交联剂，将具有广泛抗菌活性的奥米加南肽共价交联成聚合物肽水凝胶。该材料对海水中的海洋微生物的抑制率达到99.1%。在未过滤的含有海洋微生物的天然海水中，使用柱循环吸附系统吸附，该材料在3周内达到了7.12 mg/g的铀吸附容量。

图7 壳聚糖/聚偕胺肟气凝胶材料合成示意图[58]Fig.7 Synthesis of chitosan/polyamidoxime aerogel material[58]

微生物源抗菌剂主要来源于某些微生物自身和其代谢产物。Gao等[60]通过紫外线聚合法将聚偕胺肟固定在共聚物水凝胶网络中，并渗透到由纤维素纤维制成的餐巾纸中，形成复合水凝胶膜。材料中的纤维素对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和溶藻弧菌的抑制率分别达到74.2%、84.1%和69.2%，在没有过滤细菌的天然海水中放置6周后，该水凝胶的铀吸附容量达到6.21 mg/g。Yuan等[61]从真实海水中分离出了具有超快和高铀固定能力的微生物——维氏芽孢杆菌菌株UUS-1，UUS-1通过产生多种抗菌代谢物而具有广泛抗菌活性。在海水肉汤中将海水与体积分数为2%的UUS-1 发酵液共培养，UUS-1发酵液抑制了99.01%的海洋细菌生长。

综上，生物质抗菌剂具有优异的抗菌活性，同时其与提铀材料有着很好的兼容性，因此生物质抗污损型提铀材料在海水提铀领域亦是一种可行且具有巨大潜力的材料。

5 抗生物污损材料机理

海洋中有超过4 000种海洋污损生物，制备在海洋环境下性能优良的抗生物污损型提铀材料是一项具有很大挑战性的研究工作。目前基于对抗污损机理的认识，设计抗生物污损型提铀材料主要有两种思路：(1) 杀死细菌/藻类，防止在材料表面形成微生物膜；(2) 抗微生物在材料表面附着。

5.1 抗菌/抗藻

抗菌/抗藻型提铀材料通过修饰不同的抗菌/抗藻物质杀死海洋微生物，抗菌/抗藻物质包括无机纳米颗粒[15-24]、抗菌官能团[29-33,53]、光致活性氧抗菌剂[41,45-50,54]和生物质抗菌剂[42-43,51,56-61]等。这些抗菌剂可以通过裂解微生物细胞导致其死亡来控制海洋生物污染。

无机纳米颗粒具有广谱、长效的抗菌能力，将其负载到吸附基材上即可制备获得抗菌/抗藻型提铀材料。Guo等[15]制备了氧化石墨烯和银离子双功能化ZIF-67的抗藻吸附剂。银离子可破坏细菌细胞的代谢，并对三角褐指藻展现出优异的防污性能，该吸附剂对三角褐指藻的致死率达到约82%，在真实海水中对铀酰离子的吸附率达到73.27%。

抗菌官能团具有杀菌力强、即效性好等优点，通过偶联接枝等方法引入到提铀材料上，可以赋予提铀材料抗生物污损的能力。Li等[30]通过开环聚合和胍基反应的两步法合成了含胍基的二嵌段共聚物，然后采用溶液气喷纺丝法制备了一种含偕胺肟基团的复合纳米纤维吸附剂AP15。该材料中的阳离子胍基可以在很宽的pH范围内质子化，阳离子胍基通过与细菌表面阴离子基团的静电相互作用来抑制细菌增殖。对于附着在材料上的细菌，胍基会使细菌细胞膜损伤和功能代谢紊乱从而导致细菌死亡。50 L未过滤的天然海水流动35 d后，AP15对铀的饱和吸附容量为10.31 mg/g，并且AP15纤维表面相对整洁干净，只有很少量死细菌黏附。

光致活性氧抗菌剂在可见光照射的作用下可以生成活性氧自由基，其具有很强的氧化性，能破坏细菌的繁殖和再生能力，同时还能破坏细菌的细胞膜结构，从而彻底杀灭细菌。光致活性氧抗菌剂具有杀菌能力强、无二次污染等优点。值得注意的是，光催化作用还可以将吸附的U(Ⅵ)还原为不溶性U(Ⅳ)，从而提高材料的铀提取能力。Cui等[45]采用缩合反应将(苯-1,3,5-三酰基)三乙腈和2,6-萘二羧醛缩合，然后与盐酸羟胺反应合成含偕胺肟基团的抗菌吸附材料NDA-TN-AO。萘环具有π共轭体系，可大大增强NDA-TN-AO的光催化活性。在模拟阳光的照射下，NDA-TN-AO产生的活性氧对枯草芽孢杆菌、溶藻弧菌、蜡样芽胞杆菌和绿脓杆菌的生长均有一定程度的抑制作用(图8)，不仅如此，在天然海水中，NDA-TN-AO的铀吸附容量达到6.07 mg/g，是黑暗条件下的1.33倍。证明光催化不仅赋予材料抗菌能力，其催化还原作用还提高了材料对铀的吸附。

图8 空白组和NDA-TN-AO在黑暗和光照条件下对指示菌的抗菌效果图[45]Fig.8 Antibacterial activity of control and NDA-TN-AO under dark and light conditions toward indicator bacteria[45]

生物质抗菌剂提取于天然物质，是一种最早为人们所用的天然抗菌剂。Guo等[56]制备了磷酸盐和酰胺双功能化磁性复合材料FCCP。磁性纳米粒子作为底物，赋予铀吸附材料优异的稳定性和再生性；生物质抗菌剂壳聚糖的正电荷可以与微生物细胞膜表面的负电荷结合，改变微生物细胞膜的通透性，导致微生物细胞死亡；磷酸盐提高其亲水性，增强吸附能力。FCCP放置在含三角褐指藻的培养液中7 d后，细胞死亡率超过50%。

综上，各类抗菌物质可使细菌细胞功能代谢紊乱并破坏细胞膜结构导致细菌死亡，所以将抗菌物质接枝或负载在吸附材料上可以赋予提铀材料抗菌/抗藻性能，并且通过一定的功能化组合还可以达到提高材料铀吸附能力的目的。

5.2 抗附着

抗附着型提铀材料是在生物污损发生的第一阶段就防止微生物黏附在材料表面、并对铀酰离子具有一定的吸附或富集作用的材料[34-38,62]，其通常可以通过调节材料表面电荷平衡或在材料表面引入超亲水性官能团制得。

聚偕胺肟基吸附剂在天然海水中显示出负电荷，可能会吸引海水中正电荷污染物的黏附。Yuan等[34]将带正电荷的四亚乙基五胺引入到带负电荷的聚偕胺肟中制备得到表面呈电中性的水凝胶吸附剂。在天然海水中浸泡1周后，水凝胶吸附剂上仅观察到少量污染物，抗黏能力耐久性分析表明，重复使用5次，该材料对细菌的抗黏着能力降低了18.41%，因此构建电荷平衡吸附材料是一种有效抑制海洋生物污损的策略。

Huang等[37]采用原子转移自由基聚合策略将高亲水性基团2-甲基丙烯酰氧基乙基磷酰胆碱(PC)接枝到PVC-CPVC纤维上。PC基团通过与水的强静电相互作用在材料表面形成致密的水合层，可有效限制细菌附着以及随后生物膜的形成。该材料浸入天然海水中10 d，在材料表面没有发现明显的细菌黏附。Mei等[62]用多孔生物质丝瓜海绵(LS)作为支撑材料，水杨醛肟作为吸附配体，透明质酸(HA)作为防污配体，通过简单的一步法构建了提铀材料Anti-LS/SA。HA具有优异的亲水性和润滑性，可以抵抗有机杂质的非特异性黏附。将Anti-LS/SA分别放置在含有大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和溶藻弧菌的菌液中培育8 h，通过扫描电子显微镜观察到，Anti-LS/SA的表面只有很少的细菌黏附(图9)。在含有海洋微生物的模拟海水中，Anti-LS/SA的铀饱和吸附容量达到497 mg/g，和材料在无微生物的模拟海水中的吸附容量接近，说明了Anti-LS/SA的抗黏附能力可以实现抗生物污损的目的。

图9 LS和Anti-LS/SA对指示菌的抗黏附效果图(圈中物质为细菌)[62]Fig.9 Anti-adhesion activity of LS and Anti-LS/SA toward indicator bacteria[62]

6 总结与展望

海洋生物污损对海水提铀材料造成的影响严重，不仅会对提铀材料造成破坏，还降低了材料在海水中的铀吸附容量，而且为后续的洗脱分离和重复利用工作带来了许多麻烦。因此制备环境友好的抗生物污损吸附材料是海水提铀领域重要的发展方向。本综述总结了各种类型的抗生物污损型海水提铀材料的研究进展(表1)，海水提铀所面临的海洋生物污损问题正在逐步得到解决，然而仍有一些问题需要注意：(1) 被抗菌物质杀死的生物附着在吸附材料表面，在海水中长期部署仍然会形成阻碍层，从而影响对铀的吸附；(2) 海洋环境是复杂的缓冲体系，不止海洋生物污损，盐度、pH值、共存离子等都影响着材料的实际应用，如何制备综合性能优异的抗污损吸附材料，提高吸附容量一直都是工程上的难题；(3) 大多数研究仅限于在实验室条件下测试材料的抗菌和吸附性能，真实海域条件下的抗生物污损研究相对较少；(4) 抗生物污损型海水提铀材料的制备方法和成本控制等方面对于实现市场竞争力还有一定的距离，在现阶段距离工程应用还有较大的差距。

针对以上问题, 未来可就以下几点进行研究。 (1) 筛选抗菌谱广、有效抗菌期长、抗菌活性高并具有优异亲水性的抗菌物质，将抗菌和抗附着有效结合，制备高抗菌和抗黏附活性的吸附材料，从而实现更为彻底的抗生物污损。通过分别接入抗菌物质和亲水性基团可实现双重抗生物污损，未来也可以探索既能高效抗菌又能抗附着的单一物质。(2) 吸附容量是评价抗生物污损型海水提铀材料性能优劣最重要的指标。因此后续应深入理解海水提铀的过程机理，优化吸附材料的结构、链段构象等，以提高吸附能力。新的合成方法的设计也可能提高材料在海水中的应用。(3) 海试试验是真正检验提铀性能的关键，能够发现很多项目运行的实际问题，因此，后续需加强海试试验的研究，重视海试技术的开发，搭建海水提铀公共测试平台。(4) 成本是海水提铀材料能否工业化应用的核心，未来抗生物污损型海水提铀材料的研究应聚焦于简化材料制备过程，开发经济成本低、可大规模生产的高性能新型吸附材料。通过使用成本低廉的原料、提高材料重复使用性和单次铀吸附容量可有效降低海水提铀的成本。

随着海水提铀研究的迅速发展，在短短5年内，吸附剂在真实海水中的吸附容量较过去半个世纪已经提高了4倍以上。相信在研究人员的共同努力下，将制备出越来越高效的下一代抗生物污损型海水提铀材料，将海水提铀发展成为一项具有市场竞争力的铀开采技术。