生物基两亲性设计聚合物涂层的开发与测试作为海洋生物污损的更安全方法

《Marine Pollution Bulletin》：Development and testing of bio-based amphiphilic-designed polymer coatings as a safer approach to marine biofouling

　　

生物基两亲性聚合物由（甲基）丙烯酸酯类单体合成。该涂层对卤虫（Artemia sp.）无节幼体无急性毒性效应。疏水性涂层比两亲性涂层在抑制硅藻附着方面表现更好。两亲性设计涂层在静态现场暴露中未能抑制污损。细菌群落对涂层的响应比真菌更强。

**研究背景、问题与意义**
海洋覆盖地球表面超过三分之二，在海洋运输等全球经济和社会发展中发挥关键作用。然而，水下表面长期浸泡在海水中会引发材料腐蚀和海洋生物定殖，后者称为海洋生物污损（marine biofouling），指微生物、藻类和无脊椎动物在浸没表面上的不可控定居与积累。该过程始于数分钟内形成条件膜，随后数小时内发展为微生物生物膜（microfouling），最终形成复杂的大型污损（macrofouling）群落。污损的进展和组成受表面性质、水动力条件、营养盐可用性和生态相互作用影响。海洋生物污损的影响广泛，包括增加燃料消耗和运营成本、增加温室气体排放、传播非本地物种、结构退化及安全风险。有效控制污损每年可为海运业节省高达1500亿美元。传统防污涂料依赖有毒化合物（如三丁基锡TBT和铜基自抛光共聚物），但因其生态毒性已被全球限制或禁止，促使研究者转向基于绿色化学原理的环境更安全策略，强调利用可再生原料、非生物杀生作用模式及表面设计而非持续释放杀生剂。然而，依赖单一机制（如亲水性或疏水性）的涂层在复杂海洋环境中长期效果有限。两亲性聚合物涂层通过整合亲水和疏水基团，有望结合抗污和污损释放（AF-FR）机制，但需平衡两组分比例。本研究旨在开发基于（甲基）丙烯酸酯的生物基两亲性涂层，结合两性离子功能基团，评估其作为非生物杀生防污涂层的可行性，并考察亲-疏水平衡对涂层性能、绿色化学指标、实验室硅藻附着、急性毒性、长期静态现场暴露及微生物群落的影响。该研究有助于识别下一代防污涂层的潜力与局限，为环境友好型解决方案提供方向。论文发表在《Marine Pollution Bulletin》。

**主要技术方法**
研究人员采用自由基聚合方法，以[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]二甲基-(3-磺丙基)氢氧化铵（SBMA）、月桂基丙烯酸酯（LA）、月桂基甲基丙烯酸酯（LMA）、甲基丙烯酸缩水甘油酯（GMA）、甲基丙烯酸（MAA）和丙烯酸（AA）为单体，合成系列共聚物。通过调节单体投料比实现不同亲疏水平衡。采用¹H核磁共振（NMR）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）确认化学结构，热重分析（TGA）和差示扫描量热法（DSC）评估热稳定性，凝胶渗透色谱（GPC）测定分子量分布，静态水接触角（WCA）和铅笔硬度测试表征表面润湿性和机械性能。绿色化学指标评估包括过程质量强度（PMI）、E因子、潜在环境影响（PEI）和简化生命周期评价（LCA），并考虑溶剂回收效率的敏感性分析。急性毒性测试采用卤虫（Artemia sp.）无节幼体固定化实验（方法8060）。硅藻附着实验使用从意大利拉文纳码头（Marina di Ravenna）分离的底栖硅藻Achnanthes sp.，在摇动条件下培养7天后计数。现场暴露实验在亚得里亚海北部同一位点的旅游码头进行，将5种处理（对照、A-3、A-4及两种商用铜基涂层B-1和B-2）的PVC板（14×14 cm）在1米水深下静态暴露182天。微生物污损群落（真菌和细菌）在1、3、14、21天取样，提取DNA后分别对18S rRNA基因v7-v8区（真菌）和16S rRNA基因（细菌）进行扩增子测序（Illumina和Nanopore平台）。大型污损群落通过定期拍照，使用点计数法量化覆盖度，并鉴定至最低分类水平。统计分析采用双因素方差分析（ANOVA）、多元置换方差分析（PERMANOVA）和主响应曲线（PRC）。

**研究结果**
**3.1 初步调查（Preliminary survey）**
研究人员通过调查发现，多数商用船体涂层仍基于传统系统（如硬基质涂料和自抛光共聚物SPC），依赖石化聚合物和铜、锌等杀生剂，存在生态毒性风险。无杀生剂污损释放涂层（如硅酮）也常依赖非可再生材料。船主优先考虑稳定可靠的防污性能，但对可持续方案持开放态度。

**3.2 聚合物合成与表征（Polymer synthesis and characterization）**
所有共聚物通过自由基聚合成功合成，产率65–85%。单体投料比调节亲疏水平衡，影响溶解度、成膜性和表面性质。疏水主导型（H系列）和两亲型（A系列）被区分。光谱分析证实目标共聚物形成，但¹H NMR显示SBMA的实际掺入量低于预期。GPC显示数均分子量（M_n）约4×10⁴至1.2×10⁵ g mol^-1。TGA和DSC表明所有聚合物具有适合涂布的热稳定性。WCA和硬度呈成分依赖性：LA富集（H-1, H-2, H-3）具有最高WCA（103.5–110.7°）和硬度，LMA基（H-4–H-6）WCA较低（92.1–97.6°），T_g更低，表明更柔韧。SBMA增加降低WCA和硬度（如A-1, A-2）。含羧酸配方（A-3, A-4）WCA也降低。交联（GMA/DETA）对硬度影响不一，取决于配方。

**3.3 绿色化学指标评价（Evaluation of green chemistry metrics）**
在最佳溶剂回收情景下（水回收99%，乙醇、己烷、2-MeTHF、乙酸乙酯回收99%），PMI值介于1.4–1.8，E因子低，显示高材料效率。但基于影响的指标（PEI和LCA）显示配方间差异显著，主要由单体选择和溶剂能量需求驱动。A-3和A-4因配方复杂和成膜溶剂用量大，PEI和LCA较高。溶剂加热和蒸发主导能耗，成膜步骤是主要负担。2-MeTHF虽为生物基，但蒸发能耗高，PEI和LCA增加。水、乙醇和乙酸乙酯环境表现更优。敏感性分析显示，溶剂回收效率降低时环境负担显著增加，表明溶剂管理是扩大生产的关键。

**3.4 卤虫急性固定化实验与底栖硅藻附着抗性（Artemia acute immobilization assay and resistance to the benthic diatom settlement test）**
所有测试的H和A系列涂层对卤虫（Artemia sp.）无节幼体无急性毒性（24小时存活率9–10/10，与对照无显著差异）。硅藻附着实验显示，疏水涂层（H-1, H-3, H-4）表现出最低的硅藻附着密度，显著低于对照，且变异小，形成低附着簇。两亲涂层A-3和H-5中等程度降低附着，而A-4与对照聚类，附着密度高且变异大。丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯体系间无系统差异，成膜均匀性和表面疏水性是主导因素。A-4的表面不均匀性可能促进附着。

**3.5 海洋环境中的防污性能测试（Antifouling property tests in the marine environment）**
**3.5.1 早期微污损群落（Early microfouling recruitment）**
所有表面在早期被快速形成生物膜。DNA宏条形码鉴定出484个细菌科和110个真菌科。细菌科丰富度仅随时间显著变化（p<0.05），结构和处理显著相关（p<0.001）。主响应曲线（PRC）显示时间解释33.4%总方差，处理解释47.1%，第一典型轴捕获处理方差的50.3%（p=0.001）。商用涂层（B-1, B-2）的细菌群落与对照在多数时间点显著不同（p<0.05），而两亲涂层（A-3, A-4）仅在T2与对照显著不同。Alteromonadaceae在商用涂层中丰度最高，而Paracoccaceae和Roseobacteraceae在对照和两亲涂层中更高。真菌群落PRC显示时间解释7.7%总方差，处理解释28.9%，第一典型轴仅捕获处理方差的17.6%（p=0.019），且所有真菌科权重低（bk<0.3），表明处理效应弱。真菌可能作为次生定殖者，受涂层影响较小。

**3.5.2 大型污损群落发育（Macrofouling community development）**
182天暴露中，识别出17个分类单元，11个鉴定到种。大型污损分类单元丰富度在处理间、时间及交互作用上显著差异（p<0.001）。Tukey检验显示商用涂层（B-1, B-2）与对照及两亲涂层的差异持续至T7（B-1）或T8（B-2）（p<0.01），随后差异消失。覆盖度变化类似：早期（T1-T2）无大型污损；从T3起，两亲涂层（A-3, A-4）的覆盖度与对照无显著差异（p>0.01），而商用涂层保持低覆盖度直至T7（B-1）或整个实验（B-2）。B-2最强，最大覆盖度仅约56%（T10）。后期商用涂层覆盖度增加，表明杀生剂耗竭。PRC分析显示时间解释53.1%总方差，处理解释30.5%，第一典型轴捕获处理方差的76.3%（p=0.001）。商用涂层的大型污损群落结构与对照从T3起显著不同（p<0.05），而两亲涂层与对照无显著差异（p>0.05，除A-4在T4和T6）。生物膜在商用涂层上早期丰度高，随后被Bugula neritina、Hydroides spp.等替代。结果表明，两亲涂层在静态暴露下未能有效抑制大型污损，与实验室硅藻附着实验结果不一致，可能因静态条件缺乏水动力剪切和表面浸水后重排。

**总结讨论与结论**
研究人员在讨论中指出，本研究的多层次评估框架揭示了生物基两亲性涂层的潜力与局限。合成方法可行，涂层具有合适的理化性质、高产率、良好绿色化学指标且无急性毒性。疏水涂层在实验室硅藻附着实验中表现最佳，但两亲涂层A-3仅中等，A-4因表面不均匀而表现差。然而，在长期静态现场暴露中，两亲涂层未能阻止污损积累，细菌群落对涂层类型响应强于真菌，商用涂层则显著改变群落结构但随时间效力下降。静态测试可能不适合评估非生物杀生涂层的污损释放性能，后者需水动力剪切。未来需改进涂层均匀性、提高两性离子掺入、定量确定聚合物组成、评估交联稳定性并减少溶剂消耗。翻译研究结论部分如下：
**4. 结论**
本初步研究的发现强调了生物基两亲性设计聚合物涂层作为环境更安全防污策略的潜力与局限。该工作的主要贡献在于将生物基原料、绿色合成考虑、实验室硅藻附着实验、对卤虫的急性毒性测试、长期静态现场暴露下的微和大型污损群落分析以及用户感知评估整合在一个筛选框架内。合成方法有效，产生了具有合适理化性质、可控表面润湿性、高产率、良好绿色化学指标且对卤虫无急性毒性的涂层。需开展更多生态毒理学评估（如浸出液和慢性毒性测试及生物降解和环境归趋研究）。未来应着重改善涂层均匀性、增强两性离子掺入、定量确定聚合物组成、进一步评估交联稳定性并减少涂层制备中的溶剂消耗。选定的配方在控制非静态实验室条件下显示出有前景的硅藻附着抑制效果，尤其是疏水涂层，而两亲涂层A-3中效，A-4高变异且差。A-4的行为可能与表面不规则和有限成膜均匀性有关，但此观察为定性，需通过浸水前后定量表面表征确认。在长期静态现场暴露下，A-3和A-4均未能阻止污损积累，微和大型污损群落发育与未处理板相似。细菌群落对涂层类型响应强于真菌，表明细菌定殖对表面性质更敏感。更动态的现场暴露、污损去除或清洁程序以及商用非生物杀生污损释放涂层作为参考将更适合评估两亲涂层性能。未来工作还应探索替代配方（包括可生物降解生物基添加剂），以增强静态设置的防污性能同时降低环境足迹。总体而言，这些结果凸显了有效且环境更安全防污解决方案的实际相关性和社会需求，并强调评估下一代防污涂层时需要结合跨学科多层次评估。