天然产物基海洋防污涂料的研究进展
艾孝青，谢庆宜，潘健森，马春风*，张广照（华南理工大学材料科学与工程学院，广州510640)
除了生物碱外，研究人员也发现了其他陆生天然产物基防污剂，如单宁酸及其衍生物对藤壶幼虫具有麻醉作用，与铜或锌络合形成单宁酸铜或单宁酸锌防污剂也被应用于防污涂料中，但是单宁酸的毒性较大，可能危害到海洋生态环境，因此必须寻找其他活性物质。从茶树油中提取的松油-4-醇能对生物膜的形成有显著抑制效果。Liu等从夹竹桃Nerium oleander L. 中分离出4种卡多内酯和8种类似物（如图2），发现4种化合物表现出对藤壶附着明显的抑制作用（EC50=0. 58~230. 67 ng/mL），并且对盐水虾具有中毒或低毒性（LC50=17. 23~100 μg/mL）
1. 1. 3 人工仿生合成天然防污剂
天然产物防污剂在海洋防污领域潜力巨大，但其在生物体中含量较低，提取工艺复杂、产率低，这限制了它们的应用。通过人工合成此类防污活性化合物或其结构类似物，对开发环境友好防污剂而言更便捷有效。例如，了解天然防污剂的结构-活性关系，探索天然产物防污剂的防污机理，并以此指导天然防污剂的筛选和人工合成。通过人工合成结构相似的化合物（如：吲哚类、呋喃酮类、异噻唑啉酮类等）不仅具有天然防污剂的优点，而且能够被大量生产。因此，人工仿生合成天然防污剂成为近年来研究的热点。例如，香港科技大学钱培元教授团队通过总结了内酯结构与防污活性的关系，基于结构-活性关系分析，合成了具有简单结构但具备优异防污活性的化合物丁烯酸内酯（如图3），该类化合物对藤壶幼虫表现出强烈的抑制作用（EC50=0. 6 μg/mL），对苔藓虫（EC50=0. 2 μg / mL）和多毛类管虫（EC50=0. 02 μg/mL）也有较强的抑制作用。该防污剂与传统防污剂杀生原理不同，它通过阻断污损生物附着相关信号和代谢通路实现防污损目的。更重要的是，该防污剂结构简单、易于合成；防污活性高、低毒；易降解，无环境蓄积风险等优势，是一种潜力巨大的新型绿色防污剂。
此外，Moodie等结合具有防污功能的结构，肟和二氢芪，制备了9种二氢芪-肟化合物，对微藻和藤壶有较好的抗粘附效果。Takamura等结合丁烯酸内酯和香叶醇的结构，制备出的8种杂化分子对藤壶幼虫都具有优异的防污能力（EC50=0. 30~1. 31μg/mL）。通过人工合成技术对化合物结构进行设计，也可以避免天然化合物中某些毒性基团或结构，制备低毒/无毒的天然防污剂。
2 天然产物基防污涂料
尽管目前已从天然产物中分离出超过1 000种潜在的防污化合物，但是将其作为有效防污剂应用于防污涂料的进展仍然比较缓慢。一方面，天然防污剂的防污机理、长效广谱性、风险评估都需要经过长时间的验证，根据欧盟制定的生物杀灭剂产品法规的严格要求，新型杀生剂产品必须提供有关它们可能对水生环境造成的潜在危害的全面信息才能寻求市场。另一方面，如何解决天然防污剂在防污体系中的相容性、活性以及可控释放，是天然产物基防污涂料实现应用的关键之一。为此，研究人员进行了大量的尝试，将天然产物防污剂应用于海洋防污涂料体系。
Norcy 等 将一种从海绵代谢产物中提取的Bastadin 衍生物Dibromohemibastadin-1（DBHB）与可降解的聚（ε-己内酯-δ-戊内酯）[P（CL-VL）]树脂制备天然产物基防污涂料，发现仅含0. 02%（质量分数）DBHB的涂层能明显降低细菌（Paracoccus，Bacillus 和Pseudoalteromonas）和硅藻（C. closterium）的粘附，12 d后分别减少99%和71%，据称拥有较长的防污期效。
为了减少海洋污损的危害，各国大力发展防污技术，其中使用防污涂料是方便、有效和经济的方法。防污涂料是由高分子树脂、防污剂、颜填料、溶剂等组成，高分子树脂和防污剂是其中为关键的成分，防污剂能抑制或防止污损生物的附着，高分子树脂是涂层的基体材料和防污剂的载体，决定了涂层的力学性能并控制防污剂的释放。基于有机锡自抛光共聚物的涂料是高效、广谱、长效的防污涂料，然而该类涂料产生的有机锡会导致生物畸变，对海洋生态造成严重破坏。因此，2008年有机锡类防污涂料被全球禁止使用。目前使用多的是含氧化亚铜的防污涂料，但是铜离子也会在海洋环境富集，危及非目标生物的生存。此外氧化亚铜对藻类和软体动物效果不佳，仍需复配其他防污剂使用，如吡啶硫酮铜、代森锌等。因此，不含有机锡，低氧化亚铜含量，基于有机防污剂和天然防污剂的环境友好型防污涂料逐渐受到研究者的青睐。其中，寻找新型、高效、广谱、对水生生物低毒/无毒、生物降解性好的天然防污剂是重要的发展方向之一，本文将主要介绍目前天然防污剂以及由此制备防污涂料的进展。
1 天然防污剂
在海洋环境中，许多海洋生物（如藻类植物）表面可以通过分泌活性物质，避免或抑制污损生物吸附生长。通过提取这些具有防污活性的天然产物作为防污剂，与合适的高分子树脂复合制备防污涂料，可防止海洋生物附着。目前，通过从生物体内提取的防污活性物质已有数千种，其来源包括海洋生物（细菌、真菌、藻类、海绵、海鞘、珊瑚等）以及陆生植物（生姜、辣椒、喜树等）。它们“源于自然，用于自然”，可有效避免传统防污剂对海洋环境污染的问题，已成为海洋防污研究的热点之一。
然而，任何一种天然产物防污剂的发现都需要经过提取分离到评价防污活性的过程，从成千上万种次生代谢产物中提取出具有防污活性的化合物是一个浩大的工程。其中，对其防污活性的评价是快速、高通量筛选天然产物防污剂的有效途径。铜绿细菌、硅藻、藤壶幼虫等是使用多的模型污损生物，通过测定抑制50%污损生物生长繁殖的有效浓度即EC50，来确定天然防污剂对目标污损生物的防污活性。然而，复杂的海洋环境中污损生物多达4 000多种，其终防污活性的评价还要依赖于海洋实验，通过实时跟踪，统计阳性对照组中污损生物数量来判断天然防污剂的活性，这也是评价海洋防污涂料的有效方法之一。
1. 1 天然防污剂的来源
1. 1. 1 海洋来源天然防污剂
在研究海洋生物行为的过程中，人们发现，海洋中一些长期不动的动植物表面能保持干净，不被海洋污损所覆盖，因此认为这些海洋动植物或其表面细菌能够释放具有抑制其他生物附着的活性物质，主要包括酯类、萜类、多酚类、吲哚类、甾族和含氮化合物等，目前已发现100多种具有防污功能的海洋天然产品，分别来自于海洋的植物、海洋动物和海洋微生物。从褐藻中提取的褐藻多酚是首批具有防污功能的天然产物之一，Lau等证明褐藻多酚类化合物对藤壶幼虫表现出较强的抑制作用，其半数效应浓度EC50约为0. 02 μg/mL，并且毒性较低，半数致死浓度LC50为235. 12~368. 28 μg/mL。海洋海绵能通过不同的代谢途径产生多种具有独特生物活性的次生代谢产物，受到各领域研究人员的关注。据统计，每年大约有200种新发现海绵生物活性物质，部分物质可防止微生物污染和抑制海洋生物生长，是海洋天然防污产物重要来源之一。Piona vastifica和Callyspongia crassa 是从沙特海岸获取的2种海绵提取物，它们对海洋细菌菌株均表现出较高的抑制活性。海洋珊瑚也是天然防污产物的来源之一，从软珊瑚Sinularia rigida 中提取的Cembranoids对藤壶有较高的防污活性。
在所有海洋来源的天然防污剂中，海洋微生物来源受到极大关注，其数量庞大、种类丰富、繁殖快，从其中提取的天然产物被广泛报道，同时易培养的特性给研究人员研究天然防污剂活性与结构关系提供了大量原料。研究表明具有防污潜能的有Bacillus、Micrococcus、Paracoccus、Pseudobacter、Pseudovibrio、Psychrobacter、Staphylocuccus 和Terribacillus等海洋细菌或真菌。例如，Xu 等 从海洋链酶菌（UST040711-291）属物种中分离提取的9 种内酯类化合物（如图1）均能有效抑制藤壶幼虫、苔藓虫和管虫等的生长与附着，并总结内酯结构与防污活性的关系，合成了简单结构、防污活性优异的化合物丁烯酸内酯（Butenolide），该类化合物对藤壶幼虫、苔藓虫和多毛类管虫均表现出强烈的抑制作用。并且其课题组将丁烯酸内酯掺入涂料中，发现其对海洋生物污损层具有明显的抑制效果。
1. 1. 2 陆生来源天然防污剂
一些陆地生物在相互竞争中会释放某种对附近其他生物产生负面影响的活性物质，被称为化感物质（Allelochemical），主要包括生物碱、黄酮类化合物、木酯素、萜类、酚酸和芪等。这类化感物质种类丰富，数量庞大，从其中筛选出高效、广谱、低毒/无毒的防污活性物质是开发天然防污剂的重要途径。
生物碱是一种常见的化感物质，它大量存在于植物体内，具有抗菌、抗肿瘤等功能，被用于制备药物或杀虫剂。目前已经发现多种从海洋生物体内提取具有防污活性的生物碱化合物，但是有关从陆地生物体内提取的生物碱的文献很少。厦门大学Feng 等对提取于陆地植物的18 种已知生物碱进行防污活性评价，结果表明：有4种能有效抑制B. neritina幼虫的附着（EC50 为6. 18~43. 11 μmol/L），有15 种可抑制B. albicostatus 幼虫的附着（EC50 为1. 18~67. 58 μmol/L）。其中有效的化合物是从喜树中提取的喜树碱（Camptothecin，CPT），具有很好的防污活性。1 天然防污剂
在海洋环境中，许多海洋生物（如藻类植物）表面可以通过分泌活性物质，避免或抑制污损生物吸附生长。通过提取这些具有防污活性的天然产物作为防污剂，与合适的高分子树脂复合制备防污涂料，可防止海洋生物附着。目前，通过从生物体内提取的防污活性物质已有数千种，其来源包括海洋生物（细菌、真菌、藻类、海绵、海鞘、珊瑚等）以及陆生植物（生姜、辣椒、喜树等）。它们“源于自然，用于自然”，可有效避免传统防污剂对海洋环境污染的问题，已成为海洋防污研究的热点之一。
然而，任何一种天然产物防污剂的发现都需要经过提取分离到评价防污活性的过程，从成千上万种次生代谢产物中提取出具有防污活性的化合物是一个浩大的工程。其中，对其防污活性的评价是快速、高通量筛选天然产物防污剂的有效途径。铜绿细菌、硅藻、藤壶幼虫等是使用多的模型污损生物，通过测定抑制50%污损生物生长繁殖的有效浓度即EC50，来确定天然防污剂对目标污损生物的防污活性。然而，复杂的海洋环境中污损生物多达4 000多种，其终防污活性的评价还要依赖于海洋实验，通过实时跟踪，统计阳性对照组中污损生物数量来判断天然防污剂的活性，这也是评价海洋防污涂料的有效方法之一。
1. 1 天然防污剂的来源
1. 1. 1 海洋来源天然防污剂
在研究海洋生物行为的过程中，人们发现，海洋中一些长期不动的动植物表面能保持干净，不被海洋污损所覆盖，因此认为这些海洋动植物或其表面细菌能够释放具有抑制其他生物附着的活性物质，主要包括酯类、萜类、多酚类、吲哚类、甾族和含氮化合物等，目前已发现100多种具有防污功能的海洋天然产品，分别来自于海洋的植物、海洋动物和海洋微生物。从褐藻中提取的褐藻多酚是首批具有防污功能的天然产物之一，Lau等证明褐藻多酚类化合物对藤壶幼虫表现出较强的抑制作用，其半数效应浓度EC50约为0. 02 μg/mL，并且毒性较低，半数致死浓度LC50为235. 12~368. 28 μg/mL。海洋海绵能通过不同的代谢途径产生多种具有独特生物活性的次生代谢产物，受到各领域研究人员的关注。据统计，每年大约有200种新发现海绵生物活性物质，部分物质可防止微生物污染和抑制海洋生物生长，是海洋天然防污产物重要来源之一。Piona vastifica和Callyspongia crassa 是从沙特海岸获取的2种海绵提取物，它们对海洋细菌菌株均表现出较高的抑制活性。海洋珊瑚也是天然防污产物的来源之一，从软珊瑚Sinularia rigida 中提取的Cembranoids对藤壶有较高的防污活性。
在所有海洋来源的天然防污剂中，海洋微生物来源受到极大关注，其数量庞大、种类丰富、繁殖快，从其中提取的天然产物被广泛报道，同时易培养的特性给研究人员研究天然防污剂活性与结构关系提供了大量原料。研究表明具有防污潜能的有Bacillus、Micrococcus、Paracoccus、Pseudobacter、Pseudovibrio、Psychrobacter、Staphylocuccus 和Terribacillus等海洋细菌或真菌。例如，Xu 等 从海洋链酶菌（UST040711-291）属物种中分离提取的9 种内酯类化合物（如图1）均能有效抑制藤壶幼虫、苔藓虫和管虫等的生长与附着，并总结内酯结构与防污活性的关系，合成了简单结构、防污活性优异的化合物丁烯酸内酯（Butenolide），该类化合物对藤壶幼虫、苔藓虫和多毛类管虫均表现出强烈的抑制作用。并且其课题组将丁烯酸内酯掺入涂料中，发现其对海洋生物污损层具有明显的抑制效果。
1. 1. 2 陆生来源天然防污剂
一些陆地生物在相互竞争中会释放某种对附近其他生物产生负面影响的活性物质，被称为化感物质（Allelochemical），主要包括生物碱、黄酮类化合物、木酯素、萜类、酚酸和芪等。这类化感物质种类丰富，数量庞大，从其中筛选出高效、广谱、低毒/无毒的防污活性物质是开发天然防污剂的重要途径。
除了生物碱外，研究人员也发现了其他陆生天然产物基防污剂，如单宁酸及其衍生物对藤壶幼虫具有麻醉作用，与铜或锌络合形成单宁酸铜或单宁酸锌防污剂也被应用于防污涂料中，但是单宁酸的毒性较大，可能危害到海洋生态环境，因此必须寻找其他活性物质。从茶树油中提取的松油-4-醇能对生物膜的形成有显著抑制效果。Liu等从夹竹桃Nerium oleander L. 中分离出4种卡多内酯和8种类似物（如图2），发现4种化合物表现出对藤壶附着明显的抑制作用（EC50=0. 58~230. 67 ng/mL），并且对盐水虾具有中毒或低毒性（LC50=17. 23~100 μg/mL）
1. 1. 3 人工仿生合成天然防污剂
天然产物防污剂在海洋防污领域潜力巨大，但其在生物体中含量较低，提取工艺复杂、产率低，这限制了它们的应用。通过人工合成此类防污活性化合物或其结构类似物，对开发环境友好防污剂而言更便捷有效。例如，了解天然防污剂的结构-活性关系，探索天然产物防污剂的防污机理，并以此指导天然防污剂的筛选和人工合成。通过人工合成结构相似的化合物（如：吲哚类、呋喃酮类、异噻唑啉酮类等）不仅具有天然防污剂的优点，而且能够被大量生产。因此，人工仿生合成天然防污剂成为近年来研究的热点。例如，香港科技大学钱培元教授团队通过总结了内酯结构与防污活性的关系，基于结构-活性关系分析，合成了具有简单结构但具备优异防污活性的化合物丁烯酸内酯（如图3），该类化合物对藤壶幼虫表现出强烈的抑制作用（EC50=0. 6 μg/mL），对苔藓虫（EC50=0. 2 μg / mL）和多毛类管虫（EC50=0. 02 μg/mL）也有较强的抑制作用。该防污剂与传统防污剂杀生原理不同，它通过阻断污损生物附着相关信号和代谢通路实现防污损目的。更重要的是，该防污剂结构简单、易于合成；防污活性高、低毒；易降解，无环境蓄积风险等优势，是一种潜力巨大的新型绿色防污剂。
此外，Moodie等结合具有防污功能的结构，肟和二氢芪，制备了9种二氢芪-肟化合物，对微藻和藤壶有较好的抗粘附效果。Takamura等结合丁烯酸内酯和香叶醇的结构，制备出的8种杂化分子对藤壶幼虫都具有优异的防污能力（EC50=0. 30~1. 31μg/mL）。通过人工合成技术对化合物结构进行设计，也可以避免天然化合物中某些毒性基团或结构，制备低毒/无毒的天然防污剂。
2 天然产物基防污涂料
尽管目前已从天然产物中分离出超过1 000种潜在的防污化合物，但是将其作为有效防污剂应用于防污涂料的进展仍然比较缓慢。一方面，天然防污剂的防污机理、长效广谱性、风险评估都需要经过长时间的验证，根据欧盟制定的生物杀灭剂产品法规的严格要求，新型杀生剂产品必须提供有关它们可能对水生环境造成的潜在危害的全面信息才能寻求市场。另一方面，如何解决天然防污剂在防污体系中的相容性、活性以及可控释放，是天然产物基防污涂料实现应用的关键之一。为此，研究人员进行了大量的尝试，将天然产物防污剂应用于海洋防污涂料体系。
Sjögren等从海绵（Geodia barretti）中提取出2种尿嘧啶衍生物Barettin和8，9-dihydrobarettin，将其作为防污剂添加到商业防污涂料中，海洋挂板实验表明0. 01%的加入量就能对藤壶和紫贻贝有很好的抑制效果。Wang等从与红海海鞘相关的脱氮假单细胞菌UST4-50中分离出8种二吲哚甲烷类的天然产物，在实验室内和实海测试中都能有效抑制藤壶幼虫和苔藓虫的附着，其中二吲哚甲烷（结构式如图4）在实海实验中表现出具有与Sea-Nine 211相当的防污活性和防污期限。此外，Feng等[23]将从喜树中提取的喜树碱（结构式如图4）掺入涂料中，发现0. 5%含量（质量分数）就能持续防污2个月。然而上述天然产物基防污剂均面临低产率和提取工艺复杂等问题。同时，对于防污剂的载体高分子树脂的选择也是至关重要的方面。
实际上，高分子树脂作为防污涂料的另一重要组成部分，不仅提供涂层所需的力学性能，更重要的是作为防污剂的载体，决定着防污剂的释放行为。因此合适的高分子树脂是长期发挥天然产物防污剂作用的关键。目前所使用的高分子树脂包括3类：基体不可溶型树脂（如丙烯酸树脂、氯化橡胶、乙烯基树脂或环氧基树脂等）、基体可溶型树脂（如松香类树脂等）和自抛光聚合物。基体不可溶型树脂和降解速度难以控制的可溶消蚀型树脂，会造成防污剂很难均匀释放，即使是性能更优异的自抛光树脂，由于其结构本身只有侧链可以发生水解作用，其表面自更新性很大程度上依赖于船的运动和周围海水的冲刷，很难有效协调聚合物水解后的溶解性，导致防污剂在静止阶段（停泊期）释放率下降，使其效能远远未能发挥。
近年来，本课题组研制了一系列生物降解高分子树脂，该类材料可在海水或生物酶的作用下降解为小分子并能被环境吸收，形成不断变化的动态表面，使海洋生物的粘附作用变弱。同时，防污剂可随着树脂表面的不断溶蚀而释放。将该生物降解树脂与来自于南海深海海域的真菌提取物进行复合，海洋实验表明在4 个月内涂层能保持强烈的防污活性。此外，还以可生物降解的聚（ε-己内酯）为软段，制备了软段含量为80% 的可降解聚氨酯（PCL-PU80），通过降解实验和QCM-D 测试验证其降解速率随着酶浓度增加而增加，表明当生物污损层越严重时，分泌的酶越多，使该聚合物表现出更高的表面更新速率。将这种聚合物作为上述天然防污剂丁烯酸内酯（Butenolide，BUT）的控释载体，如图5所示，通过调节聚己内酯软段的含量或添加松香来调节聚合物主链降解速率和溶蚀速率，实现了对丁烯酸内酯释放的有效控制，海洋挂板实验表明少量（5%，质量分数）防污剂的加入就能达到长效的防污效果。
