隨著全球經濟的迅速發展，陸地資源的日益匱乏，海洋資源作為自然資源的重要組成部分成為緩解能源危機的重要保障。海洋面積約占全球面積的 70%，其中蘊藏著豐富的礦產資源和生物資源。隨著我國海洋經濟發展戰略的提出和不斷拓展，海洋材料的大量使用，對于海洋微生物腐蝕的研究也日益深入。微生物的附著是高度自發過程，海水中的微生物以各種形式被運送到固體材料的表面，它幾乎可以導致所有材料的腐蝕。在海洋資源開發與利用過程中，海洋微生物引起的腐蝕約占海洋材料的 70-80%，每年因該類腐蝕而造成的損失高達上千億美元。為了全面科普微生物腐蝕及生物污損的危害和應對措施，引起廣大民眾對該類腐蝕的足夠重視，推動我國海洋事業的發展。記者特邀請到中國科學院海洋研究所張盾研究員做相關方面的精彩解讀。

    張盾， 中國科學院 “百人計劃” 學者，中國科學院海洋研究所研究員、博士生導師，中國科學院海洋環境腐蝕與生物污損重點實驗室主任，“中國腐蝕與防護學會” 副理事長， “中國海洋湖沼學會”理事及“中國海洋湖沼學會海洋腐蝕與污損專業委員會”主任。從事海洋環境微生物腐蝕機理與控制的研究多年。

    發展藍色經濟 實現海洋強國夢

    21 世紀被稱之為“海洋的世紀”，這意味著海洋的地位在人類生存和發展將愈加重要。因此，海洋開發已經成為當前任何一個擁有海洋資源的民族國家在確立國家發展戰略上的重中之重。張研究員表示隨著海洋資源開發的日益被重視，中國要實現海洋強國，也須將海洋開發放到國家發展戰略的高度來考慮。為了緩解人類社會發展所面臨的日益嚴重的資源、環境等壓力，海洋已成為人們賴以生存和社會可持續發展的有力保證，相應地，海洋經濟已成為世界經濟發展新的增長點。幅員遼闊的海洋蘊含著豐富的資源，這些資源是發展海洋經濟的基礎。海洋資源主要包括海洋生物資源、海洋化學資源、海洋礦產資源、海洋能源資源、海洋空間資源等，這些資源的開發使得諸多行業受益。

    海洋生物資源的開發不僅助力食品產業，而且在藥品、生物能源等方面具有重要推動作用。海洋化學資源的開發，通過提供食用鹽、工業用冷卻水源、淡水、溴、鉀等影響人們的日常生活和工農業生產。海洋礦產資源包括石油、天然氣、深海錳結核等，其開發可為化工、金屬等行業的發展提供有力的物質支撐。基于海洋能源資源開發的潮汐發電、波浪發電等新能源技術，可作為傳統發電技術的有效補充。海洋空間資源的開發，可為人們提供交通運輸、海上生產、通訊電力輸送、儲藏、文化娛樂設施等空間，進而影響運輸、工農業生產、服務等行業。總之，海洋資源的開發及以其為基礎的海洋經濟正不斷的影響世界經濟，而海洋再度成為世界關注的焦點。

    在此形勢下，我國“海洋強國”戰略的提出、“21 世紀海上絲綢之路”愿景與行動的發布也充分彰顯了國家對海洋經濟的高度重視，海洋藍色經濟必將對我國的國民經濟產生重要影響。

    抓住四大關鍵體系 力控微生物腐蝕危害

    隨著海洋資源的不斷開發，海工裝備的腐蝕防護愈加受到重視，海洋環境腐蝕與生物污損是海工裝備面臨的難題，由于微生物的多樣性和復雜性，很難完全消除微生物腐蝕。

    張研究員談到，微生物腐蝕是指有微生物參與的腐蝕，微生物在水、能量來源、碳源、電子供體、電子受體等存在的條件下影響材料腐蝕的程度和過程。生物污損是指生物在材料表面的附著、聚集和生長，可造成海洋平臺載荷增加、管線堵塞、船舶設施航速下降等問題，不僅降低了設備的使用性能，還會顯著減低設施和材料的安全有效運行。微生物腐蝕與生物污損在本質上為生物膜問題，有效控制生物膜在材料表面的形成與發展是解決這兩大難題的關鍵。然而，生物膜是地球上最古老而成功的生命生活方式，其出現可追溯到 35億年前。生物在經過數十億年應對重金屬、輻射、生物殺滅劑等壓力的過程中已形成有效的、多樣化的防御系統，這就注定人們對抗生物膜的戰斗不會那么容易。

    除了生物膜自身的頑強性以外，人們對微生物腐蝕與生物污損的認識不深刻也是制約這兩大難題得以有效解決的重要原因。在實際過程中，人們往往待管線堵塞、船舶設施航速下降等之后才關注微生物腐蝕與生物污損，在此之前缺少早期預警系統。在微生物腐蝕與生物污損發生后，人們通常取水樣進行分析，而非對目標表面進行分析；在對表面附著生物的測定中，較多采用平板計數等方法來確定可培養微生物的種類與數量，而這些微生物只是表面附著微生物中的冰山一角，因為僅有不足 1% 的微生物可被培養。當表面附著微生物的量進一步增大時，生物殺滅劑往往被使用，一方面，氧化型生物殺滅劑可將難以利用的物質轉化為可降解物質，這些物質可作為微生物的營養源，反而促進微生物膜的發展；另一方面，生物殺滅劑的劑量等選擇不合適，也會使得微生物膜死灰復燃。

    諸如這類的認識盲區使得人們在防治微生物腐蝕與生物污損的過程中陷入惡性循環，為了終止這種惡性循環，使這兩大難題能夠得到有效解決，必須建立一套科學、合理、完整的防護體系。該體系包括：

    （1）附著微生物的合理取樣與分析。采用高通量測序、熒光顯微鏡等方法對取自材料表面的微生物樣品進行種類、數量的測定分析，獲取有關附著微生物的科學而全面的信息，為后續的防護措施提供指導。

    （2）低污損表面的構筑。低污損表面的構筑主要通過固體表面改性實現，其中涂層是一有效手段。涂層根據作用機理可劃分為化學型和物理型，前者的典型代表為含生物殺滅劑的無錫自拋光涂層， 后者主要指不含生物殺滅劑的低表面能涂層。

    （3）生物膜清除技術的利用。人們對微生物腐蝕與生物污損的防治往往效仿醫學模式，即認為只要將微生物殺滅就可解決。而實際上，相較于游離態，生物膜的特殊結構使得其內部的微生物難以被有效殺滅，當生物殺滅劑壓力減弱或消失后， 生物膜可再次發展起來。 而清除技術可將生物膜移除，因而更有效。生物膜清除技術包括機械清除和化學或生物化學清除，前者比較傳統；后者主要通過酶、D- 氨基酸、群體感應信號分子等起作用，吸引了諸多研究者的注意力。

    （4）早期預警系統的建立。通過對表面進行實時監測，獲取附著微生物的附著點、數量、厚度、特征與組成、發展動力學等信息，可對微生物腐蝕與生物污損過程有清晰的認識，在早期采取有效措施可事半功倍。

    通過對上述四個組分的合理選取與組合，有望將微生物腐蝕與生物污損控制在可接受的范圍內。

    團結協作共拼搏 奮進創新結碩果

    張研究員從事海洋環境腐蝕與生物污損的科研工作多年，研發了一系列基于腐蝕微生物的抗體、代謝過程和遺傳片段的生物傳感器，開發了具有防腐抗污性能的仿生超疏水和超滑材料、綠色光催化殺菌劑和分子容器防污緩蝕劑等許多重要成果。談及近三十年的科研生涯，張研究員平靜地說：“我只是廣大科研工作者中的一員，做我應做的科研工作……”

    據張研究員介紹，她及她的科研團隊主要科研領域是微生物腐蝕機理、防生物污損腐蝕材料開發、腐蝕污損微生物檢測等。談及科研生涯中一些印象深刻的研發案例，張研究員回憶有五個方面令她記憶猶新。

    （1）海洋微生物腐蝕機理研究

    針對海洋環境中微生物所致腐蝕問題，我們在我國典型海域（三亞、青島等）進行了實海掛片，分離出近百種典型腐蝕污損微生物， 并實現了實驗室培養， 以及菌種鑒定和保存。

    在基礎上，研究了單一菌種和混合菌種存在條件下典型金屬材料的腐蝕行為，并結合局部電化學測試和表面分析等測試手段，研究了微生物代謝活動對材料表面電流分布演化的影響規律，并對比分析了陰、陽極區腐蝕產物層形貌、組成差異，揭示了海洋腐蝕微生物所致材料局部腐蝕機制；探究了微生物體外信號分子（包括群體感應信號分子、D 型氨基酸等）對海洋微生物代謝調節、生物膜形成及腐蝕行為的影響，證實可以通過體外信號分子實現對微生物膜的調控以及微生物腐蝕的控制。上述研究的開展對深入理解微生物腐蝕機理及研發腐蝕防護手段有著重要的科學價值和理論指導意義。

圖1.Q235碳鋼浸泡在SRB介質中不同時間的電流分布圖(上圖)，SRB所致Q235碳鋼
局部腐蝕機理(下圖)

    （2）環境友好分子容器型緩釋防污材料開發

    天然產物防污劑具有生物可降解性，有利于保持海洋生態平衡，可望代替對環境有害的防污劑。但是，其存在釋放速率快、光熱穩定性差、制成涂層后活性難以保持的問題，這限制了其的實際應用。針對以上問題，依據分子設計思想，選用層狀無機功能材料層狀雙羥基復合金屬氫氧化物（LayeredDouble Hydroxides，簡稱 LDHs）作為分子容器，采用插層組裝技術制備出系列天然產物防污劑插層 LDHs 材料。系統研究了LDHs 層板結構和電荷密度及分布，NPAs 種類和結構等對插層組裝反應的影響，并采用動力學擬合方法研究了緩釋機理。

    研究發現，層板 Mg/Al 比為 2 的 LDHs 分子容器載藥量最大，調變其粒徑大小可調控其在海洋環境中的釋放行為，對于粒徑大于 3μm 的 LDHs 分子容器，其釋放行為均符合一級動力學方程，類似于溶解機制；而對于粒徑小于 2μm 的 LDHs 分子容器，其釋放行為符合 Bhaskar 方程，受粒內擴散控制。組裝在層間的 NPAs 在海洋環境中可可控釋放，有效殺滅海洋污損微生物。該類材料可有效解決天然產物防污劑分子光熱穩定性差、釋放速率快、易失活等缺點，在環境友好海洋防污涂料領域有潛在應用價值。

圖2.青霉素陰離子插層鎂鋁水滑石的(A)SEM照片和超分子結構模型；(B)在3.5%
 NaCl溶液中的釋放曲線和動力學擬合結果；(C)在3.5%NaCl溶液中不同釋放時間和
對硫酸鹽還原菌抑菌率關系曲線

    （3）環境友好型鉍系半導體復合材料光催化防污材料開發

    光催化型防污材料因具有高效、環保和廣譜殺菌的性能在生物污損防護中表現出良好的效果，為設計和開發環境友好、高效、穩定的新型防污材料提供新的思路。基于鉍系納米材料良好的可見光吸收性能、環境友好特性、良好的穩定性和高效的催化活性，我們研究組以鎢酸鉍、釩酸鉍、碘氧化鉍等鉍系半導體材料為基礎，通過半導體復合等方法設計和開發了系列具有異質結構的二維 / 三維復合材料，有效降低了光催化反應中光生電子 - 空穴復合幾率，極大提高了材料的光催化性能。不僅可以將多種海洋典型污損微生物高效、快速殺滅，還能同時降解微生物細胞釋放出的有毒化合物，不會造成二次污染，該材料可涂覆于海洋工程材料表面或與傳統防污涂料共用，在海洋生物污損防護中具有很好的應用前景。

圖3.鉍系復合材料掃描電鏡照片，Bi2WO6/BiVO4(A)，三維結構Bi2WO6/BiOI(B)，二
維結構Bi2WO6/BiOI(C)，Bi2WO6/Ag3PO4(D)，BiVO4/BiOI(E)，Ag@AgVO3/BiVO4(F)；圖
II：Bi2WO6/BiVO4對細菌的殺滅率；圖III：Bi2WO6/BiVO4與細菌光催化反應前后細
菌形貌變化的透射電鏡照片。

    （4）基于表面超滑特性的生物腐蝕污損防護技術的開發

    受到昆蟲難以在自然界豬籠草囊表面滯留這一現象的啟發，基于對豬籠草囊表面微觀結構及超滑特性的分析，開發了基于陽極氧化、化學氣相沉積的一系列仿生超滑表面制備技術，實現了在海洋工程材料表面制備仿生超滑表面。通過微生物及藻類附著實驗，證實仿生超滑表面可以有效抑制典型腐蝕污損生物在材料表面的附著，該特征主要歸因于超滑表面類液體性質。超滑表面可以看做為一種“流體”表面，腐蝕污損生物難以“錨定”在該表面上。電化學測試結果證實，仿生超滑表面所呈現的疏水特性可有效阻止腐蝕性介質對基體的滲透，進而避免了腐蝕性介質對基體的侵蝕。所獲得的表面具有優異的耐久性，在海洋工程、船體防護中具有廣闊的應用前景。

圖4.空白金屬及表面覆蓋仿生超滑表面試樣在含綠藻海水中浸泡后熒光顯微鏡照片

    （5）新型海洋腐蝕微生物傳感器的開發

    針對典型海洋腐蝕微生物檢測技術檢測周期長、操作復雜等缺點，我們在腐蝕微生物快速檢測傳感器開發的方向做了一些原創性工作，構建了基于細胞特異性識別的海洋腐蝕微生物傳感器，基于微生物特征代謝過程的海洋腐蝕微生物傳感器，以及基于特征遺傳片段的海洋腐蝕微生物傳感器。基于細胞特異性識別的腐蝕微生物傳感器是通過抗體等特異性識別材料選擇性的捕獲并作用于腐蝕微生物細胞，該類傳感器的微生物識別特異性高，識別速度快，檢測手段豐富；基于微生物特征代謝過程的腐蝕微生物傳感器是通過腐蝕微生物的特征代謝活動與代謝產物對其進行特異性識別，該類傳感器的檢測穩定性高，檢測手段豐富，價格低廉，操作簡單，適合于復雜樣品的測試分析；基于特征遺傳片段的腐蝕微生物傳感器則是利用核苷酸分子的堿基互配原則設計信號探針以識別目標微生物的特征基因片段，該類傳感器的檢測特異性極高，對檢測環境要求較低，能在復雜的環境體系下進行檢測。

    例如，基于電化學阻抗譜技術的腐蝕微生物傳感器能夠將檢測時間縮短至 2 小時以內，將檢測限降低至 50cfumL-1；基于磁性顆粒 - 熒光聚合物復合材料的傳感器能夠實現 8 種以上微生物的區分與鑒定。

殷殷真情系科研 搭建平臺鑄人才

    張研究員是中國科學院“百人計劃”入選者，中國科學院海洋環境腐蝕與生物污損重點實驗室主任。當記者問及如果打造一支精良的科研團隊時，張研究員感慨地說，中國科學院海洋研究所從上個世紀五十年代末就開始開展了海洋環境腐蝕與污損的研究，歷經六十多年為團隊建設打下了良好的基礎，侯保榮院士從大學畢業開始就一直在所里從事海洋腐蝕研究是我們的學科帶頭人。

    海洋環境腐蝕與生物污損研究涉及多學科和多層面的研究，形成了研究團隊具有開放包容的特點。為了打造精良的科研團隊，一方面積極從國內外引進人才，以帶來新的研究方向與視角；另一方面注重所內人才的培養，實現對原有研究方向的傳承發展。通過吸納人才，形成在年齡、研究經驗、學科背景以及水平不同的科研梯隊，梯隊成員充分發揮自己的優勢，實現團隊在新理論、新方法、新技術上的突破。除吸納培養人才外，良好的科研氛圍也是一精良優秀團隊的必需，營造一個寬松、開放的學術和人際環境，激發每個成員的工作積極性。此外，不斷學習創新是一個科研團隊富有生命力的重要保證，實驗室通過多舉措來為大家提供學習交流的平臺，如邀請國內外名家學者進行學術報告、舉辦實驗室內青年研究人員報告會和研究生學術論壇等。希望通過這種人才 + 氛圍 + 平臺支撐模式實現實驗室的持續健康發展。

    把握三大研發方向 開創嶄新科研未來

    談及海洋環境微生物腐蝕與生物污損研究領域未來的科研方向，張研究員表示雖然人們對海洋環境腐蝕與生物污損已進行了長期的研究，也獲得了一些重要成果。但由于其復雜性，該領域的研究還有很長的路要走，主要體現在：

    （一）腐蝕污損機理的細化與深化。就目前的微生物腐蝕與生物污損機理研究來講，還存在諸多不解與矛盾之處，如生物膜中不可培養微生物對微生物腐蝕的貢獻如何、條件膜是否是細菌等微生物附著的前提等，這就需要更多的實驗數據來解答。

    （二）研究方法的規范化與標準化。在微生物腐蝕與生物污損的研究報道中，經常出現結果相矛盾的現象，如都是硫酸鹽還原菌，大多數報道其加速金屬材料的腐蝕，而亦有其抑制腐蝕的報道，除菌株差異外，實驗條件的差異被認為是主要原因。因此，為了實現數據的有效性和可比性，研究方法的規范化與標準化就成為研究者不可回避的問題。

    （三）控制技術的高效化經濟化與環境友好化。微生物腐蝕與生物污損的控制技術可劃分為化學法、物理法和生物法，有關的天然產物生物殺滅劑的篩選、超疏水表面的長效性、群體感應信號分子分散生物膜的有效性等研究也還將是人們未來關注和發展的方向。

    后記：

    在人類向海洋進軍的過程中，海洋耐微生物腐蝕材料的研發也十分重要的，唯有經久耐用的材料才能經得起在開發海洋過程中所以面臨的各種復雜環境的挑戰。為此需要廣大的科研工作者付出更為艱辛的工作，大家行動起來，共同拼搏、繼往開來，為開發海洋、保護環境、造福人類的美好事業而努力吧！

    人物簡介

    張盾，理學博士，中國科學院“百人計劃”學者，中國科學院海洋研究所研究員、博士生導師，中國科學院海洋環境腐蝕與生物污損重點實驗室主任，“中國腐蝕與防護學會”副理事長，“中國海洋湖沼學會”理事及“中國海洋湖沼學會海洋腐蝕與污損專業委員會”主任。現從事海洋環境微生物腐蝕機理與控制的研究，發表學術論文300余篇，申請及授權國家發明專利60余項。主持和參與了國家自然科學基金項目、國家科技支撐計劃項目、國家973項目、國家海洋公益性項目等。