海洋污损生物粘附机制及防污涂层表面工程

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1、第27卷第9期应用化学Vol．27No．92010年9月CHINESEJOURNALOFAPPLIEDCHEMISTRYSep．2010殝檵檵檵檵殝檵檵殝综合评述檵檵檵檵殝海洋污损生物粘附机制及防污涂层表面工程*周文木王孝杰胡碧茹吴文健(国防科技大学航天与材料工程学院长沙410073)摘要任何浸入海水的结构物均会受到海洋污损生物的附着。在物体表面涂覆防污涂料是最广泛的防污方式，无毒污损脱附型防污涂料已成为当前的研究热点。分析了污损生物的粘附过程及界面粘结作用，探讨了表面能、涂层模量、表面化学成分、微观形貌、颜色等因素对

2、涂层防污效果的影响，并指出涂料工程化中必须解决的问题。关键词海洋生物污损，粘附机制，表面工程，防污中图分类号:O647;O631文献标识码:A文章编号:1000-0518(2010)09-0993-05DOI:10．3724/SP．J．1095．2010．90735浸入海水的物体表面，比如舰船、钻探设备、码头、养殖网笼等受到海洋污损生物附着，给人类带来了诸多不便和巨大的经济损失。污损生物粘附在舰船底部增大了流体动力学阻力、降低了舰船机动性、［1］增加了燃料消耗，同时，污损生物还抑制水产养殖、堵塞管道、加速金属腐蚀、破坏

3、海洋仪器仪表等。在物体表面涂覆防污涂料是目前应用最广泛的防污方式。含锡防污涂料曾在防污历史中起过重要的作用，但由于其中有毒的有机锡成分(TBT)不断向海水释放，造成生物富集，水产减产，部分物种绝迹、不育和性畸变等现象，2008年已被禁用。目前，含硅(如聚二甲基硅氧烷，PDMS)和含氟的污损脱附型防污涂料(foulingreleasecoatings)由于无毒、广谱、环境友好等优点已成为研究热点，但许多在研的涂料海洋挂板试验仍然无法取得与有机锡涂料同样的防污效果，所以，进一步深入研究海洋污损生物粘附机制以及分析涂层表面各

4、因素对涂层防污效果的影响非常重要。1海洋污损生物粘附过程任何浸入海水的物体在数分钟内表面就会吸附一层有机物，形成条件膜(conditioningfilm);然后细菌和硅藻等相继在条件膜上附着并分泌胞外代谢产物(extracellularpolymericsubstances，EPS)形成微生物膜(microbialbiofilm)或黏膜(slime);随后其它原核生物、真菌、藻类孢子以及大型污损动物幼虫在膜中发育生长，最后形成复杂的大型污损生物层(macrofoulers)。1．1条件膜的形成条件膜是一种带有负电荷、黏

5、着力强的有机膜，厚度在10～20nm之间，平整且紧紧粘附在物体表［2］面。条件膜主要含有多聚糖、蛋白质、蛋白多糖等，也可能包含一些无机物，这些物质主要来自生命有机体的排泄物或死亡生物的自溶物和分解产物。这个吸附过程是做布朗运动的有机物粒子在静电作［2］用、范德华力、氢键等物理作用力下不断向表面富集的过程。条件膜改变了固体表面的物理化学性质［3］(如亲水疏水性、化学官能团、电荷密度等)，同时为微生物的附着提供营养物质(如碳源、氮源)，是生物附着的“土壤”。1．2微生物膜的形成形成条件膜后，细菌和硅藻等微生物会相继在这层“

6、土壤”上附着生长，形成一层由水、有机物、微［4］生物及其EPS组成的微生物膜或黏膜。Horbund等将微生物膜分为细菌层和硅藻层，并认为细菌层的形成有利于硅藻的附着。细菌具有趋化性，会优先附着，初期是可逆的，随着时间的推移而变为不可2009-11-09收稿，2010-03-01修回武器装备预研基金(9140A12060209KG01)资助项目通讯联系人:王孝杰，男，博士，副教授;E-mail:yj605@126．com;研究方向:仿生材料与技术994应用化学第27卷逆。在可逆附着过程中，静电力、范德华力等起作用，细菌在

7、表面可自由移动，探索寻找合适附着基;一［5］旦附着基条件合适，细菌便会分泌EPS，桥连物体表面成为永久附着。与细菌不可逆附着的同时，海水中的硅藻也大量附着和繁殖，随着微生物的不断附着以及EPS的大量分泌，数天内在物体表面上即形成一层厚度不超过1000μm、具有网络交联结构和黏弹性的有机聚集体，在这个过程中EPS起着重要［6-7］作用，EPS主要由己糖和戊糖聚合成的多聚糖(10～30kDa)组成，不同生物代谢的EPS中这2种单体对多聚糖的贡献不一样，单体组成上的变化能改变EPS的性质。除了多聚糖，EPS中还含有蛋白质、［

8、8］糖醛酸、丙酮酸盐、醋酸盐、硫酸盐、酯类以及少量的核酸、脂质等。其中的糖醛酸、丙酮酸盐以及各种含酰基的成分使得EPS整体上具有负电荷，赋予了EPS对基体表面的粘着和吸附特性;硫酸盐和脱氧糖使得EPS像凝胶一样结合成絮状物，增强了微生物膜内各组分之间以及微生物膜与物体表面的粘结力。EPS填充了微生物细胞之间的空隙，形成了微生物聚集