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砂海星表面微结构的防污性能

关键词：仿生；海星；表面微结构；硅藻；污损生物；防污。

1.介绍

海洋生物污损一般是指在海洋环境中，材料表面上的污损生物繁殖附着的过程。人造固体表面浸没在海水中将迅速发生这一过程。在最初的几天，固体表面附着有硅藻类生物，并且在硅藻的基础上形成胞外聚合物，再进一步演化成微生物膜^[1]。然后，微生物膜发展成一个更复杂、由大型海洋无脊椎动物和海藻等不同生物组成的基体。但是，与人工表面相反的是：在相同环境下，许多海洋动物的表面保持着无污染的状态，因为它们已经发展出自己的防污方式。海星是一种常见的表面无污损的生物，不会被藻类、藤壶、苔藓虫和海鞘这些常见污损生物附着^[2]。有关海星的防污机制，有两种观点。一种观点是化学防御，在这方面，研究重点放在海星的代谢物上。从海星的代谢物中提取出具有抑制细菌的生长作用的物质^{[3 4]}，抑制藤壶和苔藓虫的附着^[5]，并改变褐藻孢子游泳行为^[6]。然而，目前还没有测试方法对海星表面这类生物活性化合物进行确认。另一种观点是物理防御。研究重点在于海星的表面微观形貌^[7]。基于棘皮动物的角质层结构和组成的研究，已表明角质层是由一个高度扩展的多糖和硫酸软骨素蛋白多糖分子共同组成的，通过调节表面的粘接性能来达到防污目的^[8]。然而，对海星表面微观结构的模拟研究还尚未开展。仿生学是复制天然的防污机理研究。近年来，材料科学和微加工技术的突破性进展，允许人们对那些复杂表面细节进行复制。已经有几种与防污相关的表面微观结构被发现^[9]。本文的目的是以海星为天然仿生模型，开发一种仿生微观结构表面。

2 材料和方法

2.1 标本采集

2010年7月，在中国青岛的黄海海域，从太平角礁采集（36.04°N，120.36°E）砂海星活体标本（n=10），在自然海水中运输，然后暂时存放在水箱中。这些砂海星上没有任何污损生物附着。取海星反口面样品，将其切成约1cm2的片状大小，如图1所示，分成6个不同的微地形区域：近、中、远出、侧、中央和手臂交叉位置。

图1

2.2 表面微观形貌特征

通过三维数字视频显微镜（kh-3000v，Questar），在100倍放大焦距下，对样品表面微观结构进行观察和拍摄。测量了每个表面位置上的柱体（n=10）高度和直径。

高分辨率的检测采用的是环境扫描电子显微镜（ESEM型，FEI）。在表面嵌入经过碳漆和溅射镀膜处理的颗粒后，利用扫描电子显微镜对人造仿生表面微结构进行测量。

2.3 制备仿生微观形貌

二维图案是根据海星表面微结构进行设计的，通过光刻系统（MEBES 4700s，应用材料）生产光掩模。利用光刻技术，在直径10厘米的硅晶片上，雕刻出所需的团。然后，通过深反应离子刻蚀机（ase-hrm ICP，STS），将硅晶片蚀刻到所需的高度。再利用等离子氧的清洗作业，除去硅晶片上的光抗蚀剂。为了防止铸件材料附着力的产生，把硅晶片置于气相六甲基二硅氮烷（HMDS）中沉积24h。聚二甲基硅氧烷橡胶（PDMSe）是由混合树脂和固化剂在10:1的比例下制备而来的，将混合物倒入模具和脱气晶片，在由真空泵产生的170 Pa的压力环境下放置30分钟。在大约25℃的环境里，放入试样模具中48小时，以完成PDMSe的固化阶段。然后将PDMSe样本从模具中拿出，并在空气中存放，即得到模仿海星特征表面样品（ISFS）。

2.4 舟型硅藻的附着和分离实验

各取三份ISFS样品和光滑PDMSe样品，分别浸入200ml硅藻混悬浮液（1times;105细胞ml-1）。将样品在约20℃的温度下，光照强度9000lux暴露12h，黑暗中暴露12h。使用荧光显微镜（dm1000，莱卡）和莱卡图像分析系统，对附着硅藻进行可视化和量化统计。每面采集30项计数，用平均值法和95%置信区间得出附着硅藻数量。为了测量附着硅藻的粘附强度，在曝光实验后，把样品安装到湍流通道的流动装置中，进行分离实验。将样品暴露在3.3m/s的水流中冲刷 4min，然后对残留的硅藻的进行量化。通过水流冲刷前后硅藻数量的变化，计算出每个表面的硅藻去除率。

2.5 统计分析

统计分析采用SPSS软件，小柱体的高度和直径采用Turkey法（n=10）比较，使用平均值和标准偏差为每一个表面（n= 30）进行了表面的硅藻计数。

3．结果和讨论

3.1．砂海星表面微观形貌

为了复制海星的防污性能，对其表面微观形貌进行分析。以下是光学显微镜下六个分区的形貌。

图2

砂海星的表面形貌具有很明显的圆柱体突出，每十个圆柱体作为一组，形成群聚结构。反口面的不同位置上，圆柱体的平均直径通常不同。远端位置的圆柱体（A）具有最小的直径（100.5micro;m），两臂交叉处位置（E）具有最大直径（233.1micro;m）。

表1

利用扫描电子显微镜观察了六位置上的圆柱体形貌。如图3所示，圆柱体的顶部不是光滑的，而是由微穹顶组成的结构。

图3

如表2所示，微穹顶结构的平均直径在24micro;m（中间位置）从10micro;M（远端位置）间变化。同样地，中间位置的圆顶高度最大，为35micro;m；侧位的高度最小，仅有10micro;m。

表2

对口的微观结构图片还显示，砂海星的表面微观形貌是多级结构。它由几十个圆顶组成的柱体规则排列而成，这种自然表面微结构启发了我们设计的多级结构的仿生微结构形貌。

3.2．仿生微结构

据砂海星的微观地貌结构，我们设计的模式如图4所示。基本单元是由19个圆组成的六边形，圆的直径为2.5micro;m，相邻两圆之间的距离为6micro;m。六边形的边长约为15micro;m，形成了一个几微米到几十微米尺度的二级结构。基本单元等距横向排布，构成的仿生微地形。

图4

采用光刻和深反应离子刻蚀技术，在硅晶片上蚀刻出设计的微地形。再通过成型工艺，形成了PDMSe仿生微地形表面，名叫ISFS，如图5所示。

图5

3.3．污损硅藻的附着和脱离

将样品单元浸泡在硅藻悬浮24h后，统计附着硅藻的数量，记作Q₀，经水流冲刷实验后的残余硅藻数量，记作Q₂。按照公式1进行计算，得出硅藻去除率。

公式1

对比两种试验样品上的附着硅藻数量后发现（图6）：两者间的硅藻附着明显不同，单位面积内硅藻数量差异较大，在ISFS表面上为111cells mm^-2，在光滑的PDMSe表面上为269cells mm^-2。光滑PDMSe表面上单位面积硅藻附着量比ISFS表面多出一倍。这一结果表明，仿生微结构在避免硅藻附着上要比光滑表面更有效。

在对两种表面的附着硅藻进行短时间内暴露冲刷的实验中发现：这两种不同表面类型的样品，对于硅藻的去除率是不同的。如图6所示，ISFS表面的硅藻去除率是59%，高于光滑PDMSe表面的36%，这表明仿生微结构降低了硅藻的附着强度，使附着在ISFS表面的硅藻比附着在光滑PDMSe的硅藻更易分离。

图6

4．结论

本文的主要发现是，基于海星的仿生微地形具备有效阻止污损硅藻的附着和沉降的作用。进一步对其它常见海洋污损生物的研究，将有助于阐明微结构对生物污损的影响。目前，仿生表面微结构的防污方法已成为一个研究热点^[10]。已经确定微结构具有潜在的污损防治作用，这不仅是一种非消耗性，并且无毒的防污方法，并有可能成为行业防污的一个替代或改良的方法^[11]。研究生物物理防污机理将有利于海洋防污技术的发展。

污损释放涂料：无毒替代的生物防污涂料

1．介绍

任何浸入海水的表面都受到海洋生物（细菌、藻类、软体动物结算）的影响，称之为污染或生物污损。这种不必要的繁殖有严重的影响，特别是对船舶行业，随着表面的性质变化，粗糙度增大，并加剧燃料消耗，降低船舶的可操作性。海洋生物通过船舶运输，也能够被带到非本地环境中，造成污染。海洋污损是一个世界性的问题，每年用在这方面防治上要花费数十亿美元。防污涂料已经发展出防止污损生物沉降的技术。最早的技术提出了采用沥青、焦油、蜡、重金属（铅）或毒性（砷基）涂料作为防污涂料。上世纪60年代中期，自抛光涂料与三丁基锡（TBT类化合物）结合的新型涂料展示出耐用、高效和低成本的特性。TBT作为一种广谱杀菌剂，可融入涂料中，这样毒性可以从涂层中缓慢释放出，可在五年内有效抑制污损生物对船体的附着。然而，上世纪70年代末，随着对TBT实验的深入，多项研究表明含锡化合物因其高持久性和剧毒性，对水生物有着不利影响，具体表现为对非目标生物（例如：牡蛎）具有杀伤作用。这种TBT对海洋生物的不良影响促使许多国家开始限制TBT的使用。1982年，法国禁止了在船长不足25m的船舶上使用TBT防污涂料，是首个颁布这类禁令的国家。2001年10月，国际海事组织考虑到TBT对海洋生物的不利影响，决定截止2003年1月份，停止这类生物杀灭剂的生产制造，并从2008年1月起，禁止使用TBT涂料作为船舶防污涂层材料。对TBT的限制导致了铜基涂料和高浓度铜的新型涂料的再次发展。但是，铜（或者其他金属）也可能引发环境问题。

2．海洋污损

2.1．繁殖的过程

2.1.2．海洋污损形成的主要过程

浸入海水中的生物无毒材料，在成千上万的海洋生物的努力繁殖下，表面被其覆盖包围。生物污损的形成通常分为以下几步关键步骤：

• 调节膜的形成：通过物理吸附、积聚有机分子（蛋白质、糖蛋白、多糖的初步积累），形成调节膜。
• 早期繁殖：与最初附着和生长的开拓细菌结合，形成生物膜的基础。首先，孤立的浮游细菌开始沉积堆落在表面上，这种粘附是可逆的，只形成了微弱键能的共价键，例如，范德瓦尔、静电荷、酸基等形式。紧接着，细菌通过产生胞外聚合物和细胞附加物形成了不可逆粘附。当生物膜成熟后，它可以通过液流来获取营养，在良好的环境下可生长至数米的长度。
• 第二阶段繁殖：微生物膜的存在提供了充足的食物给多细胞生物进行繁殖固定，造成生物污损。
• 第三阶段繁殖：孢子和微生物不断增加，附着在生物膜上，例如，海洋生物的幼虫（包括海藻、海绵、腔肠动物、环节动物、软体动物、藤壶、苔藓虫和被囊动物等）。

但是，在实际中，这一系列步骤只对某一些生物体符合。由于有机体基底的不同，造成了污损生物的附着顺序是不可预测。生物膜的形成，往往是微观污损形成的前兆。然而，生物膜的形成并不是必要的，海洋生物也可能在生物膜形成的同时定居在物体表面。例如，绿藻石莼和安菲特里特藤壶，都可以在原始表面定居。

2.1.2．主要污损生物

世界范围内，已知超过4000种污损生物。在船体的生物污损中，细菌、硅藻和藻类孢子是主要的小型污损生物。藤壶、管虫、苔藓虫和贝类是最常见的大型污损生物。

在船底最常见的节肢动物是藤壶。所有成功的防污涂料都必须抑制藤壶造成的污损。藤壶发育成熟后，将自己包裹在坚硬的钙质壳中，完全封闭或者定期湿润，与船体形成永久连接。藤壶的无节幼体以浮游生物为生，经过一系列的蜕皮后，不断发育成熟。最后的幼虫阶段称为“介虫”，大约是500微米肠，不需要进食且已具备在水中自由游动的能力。为了完成发育到成体的阶段，这些幼虫必须附着在坚硬的基底。幼虫利用它的一双附着器官（触角）进行移动，能够分泌一种临时粘合剂来保持不脱落。并且这种粘合是可脱离的，在移动的路途中留下临时粘合剂的痕迹。这种临时粘附剂在水中不分散，具有抗生物降解性，并且可以作为一种信号分子诱导其它幼虫聚集。青年藤壶随后就发育成具有坚硬钙质外壳的成年藤壶。研究表面，成年藤壶的粘附与复杂的疏水蛋白交联相关。绿藻石莼（原名浒苔）是最常见的大型海藻，被广泛用于微生物粘连的实验，通过产生大量的微观游动孢子（5minus;8微米长），模拟系统生物石莼殖民的新表面，来进行生物污损的研究。一旦检测孢子在合适的表面定居，坚持不断分泌亲水性粘性糖蛋白，孢子将在几个小时内萌发，开始细胞分裂和生长。产生孢子的植物也能够通过分泌粘性剂牢固的附着在底层。硅藻生物膜也引起了科学家的兴趣，因为硅藻生物膜具有很强的耐防污性，可抵御生物防污涂料对其附着的影响，尤其是对无毒防污涂料来说。因为大多数硅藻没有鞭毛，它们不能主动接触表面，但它们在完全被动的情况下，通过表面电流和重力的作用，在表面上移动。与细菌类似，硅藻的附着也是通过分泌大量由多糖组成的胞外聚合物粘液。这些物质也是硅藻进行“滑移”的基础。然后，这些附着硅藻的细胞迅速进行分裂繁殖，最终聚集形成一个紧凑致密的生物膜，厚度可达500微米。硅藻的生物污损适合是一定种类的生物共同作用的。舟型硅藻和双眉藻是最常见的组合。

2.1.3．环境对污损形成的影响

许多因素影响着污损生物在表面的附着，例如盐含量、pH值、温度、营养水平，海水流速和太阳辐射强度。这些因素随着季节、空间和海深的不同而变化。海洋的表层海水温度随纬度的不同而变化，从极地的minus;2°C到赤道的28°C，有时局部温度可高达35°C。只有在远离沿海河流、高蒸发区和冰川融化的开阔海域，海水盐度是恒定，很少脱离3.3%到3.8%的含量范围。海水通常是碱性的，海洋表层的pH值在大气二氧化碳的平衡的状态下，维持在8到8.3之间，在开阔海域中，它也是一个很稳定的属性。在极地区域（温度低于5摄氏度），污损生物仅仅在短暂的夏季有一个非常小的数量增长。在温带地区，污损生物的附着和群落演替受到季节性的高度影响，冬季海水温度的降低和太阳辐射强度的减弱，孢子和幼虫的数量较少，

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