廣袤的海洋占了地球表面積的 70%以上，蘊含著難以估量的資源。然而，在開發利用海洋資源的過程中，船舶、采油平臺等設施卻不可避免地遭遇到海洋生物污損問題。海洋生物污損嚴重阻礙海洋經濟的發展，全世界每年由于生物污損造成的損失難以估算，海洋防污已逐漸引起世界各國的關注和重視。

    我國擁有近 300 萬平方公里海域和32000 公里海岸線，90% 的進出口貨運總量都是通過海上運輸來完成；我國的海水網箱養殖業蓬勃發展；核電行業發展迅猛，并超越美國成為世界第一。因此，發展有效的海洋防污體系具有重大的經濟意義和戰略意義。

    為了全面了解海洋防污科技發展前沿及研究進展，把脈海洋防污體系的未來發展方向，記者特邀請到華南理工大學張廣照教授做相關方面的精彩解讀。

    張廣照，海洋防污研究領域的權威專家、華南理工大學材料科學與工程學院副院長，他在國際上最早提出“動態表面防污”和“降解防污”的理論，開辟了海洋防污的新路徑。

    記者：您是海洋防污研究方面的權威專家，主要從事環境友好海洋防污材料、自修復海洋防污涂料、海洋防腐材料等方面的相關研究。請您談談這一研究方向在國家經濟建設中的重要作用和意義？

    張教授：海洋是人類資源和能源的寶庫，也是國家安全重地。開發和利用海洋資源成為許多國家的發展戰略。我國是海洋大國，擁有漫長的海岸線和廣闊的領海。發展海洋經濟，建設海洋強國已上升為國家的重要戰略方向。然而，在海洋工業和海事活動中，海洋裝備和海洋工程設施均不可避免地遇到海洋生物污損的問題。它是指海洋微生物、動物和植物在海洋設施表面吸附、生長和繁殖，形成的生物垢。據了解，全球海洋中有超過 4000 種污損生物，這其中，有細菌、硅藻和藻類孢子等常見的微生物；也有藤壺、管蟲、苔蘚蟲、貽貝和藻類等常見的大型污損生物。通常認為海洋生物污損的產生會經歷以下幾個關鍵階段，首先是蛋白質和多糖等營養物質的吸附形成基膜，隨后單細胞生物在其上附著形成生物膜，接著硅藻孢子等多細胞生物附著繁殖成粘液層，最后藤壺等大型生物附著形成復雜的污損層，整個過程只需要數天就可初步完成，一般未經保護的設施表面在幾個月內便會被海生物完全覆蓋。

    海洋生物污損會導致航行阻力增大，使船舶燃油消耗大大增加，造成巨大經濟損失。海洋生物在設備表面的分泌物，會加速金屬表面的腐蝕，縮短設備服役期，它們還會堵塞輸送海水的管道，嚴重影響核電站、潮汐發電機組和海水蓄能電站等大型設施的正常運行。據不完全統計，每年全世界因海洋污損造成的經濟損失達到上百億美元。隨著航運事業的發展和海洋資源開發步伐的加快，海洋防污越來越重要。實際上，海洋生物污損是一個全球性的問題，涉及能源、環境、國防等重大國家需求，與海洋強國、一帶一路、軍民融合等國家重大戰略相關。研究開發具有自主知識產權的高效海洋防污體系，對于我國海洋裝備工程材料的產業發展和維護國家的海防安全具有重大的工程意義和學術價值。

    記者：請介紹您所在的團隊做過哪些重要項目、科研成果，發揮了哪些社會效益和經濟效益？并分享在您科研歷程中印象深刻的科研攻關故事。

    張教授：華南理工大學“海洋工程材料”團隊在過去的工作中，面向國家海洋經濟戰略需要，針對海洋工程裝備材料在海洋環境下的腐蝕和生物污損問題，長期從事海洋防護高分子材料的基礎及應用研究， 具體包括海洋防污、防腐材料，海岸、島礁加固防護材料等，它們主要用于艦船、水下武器裝備、核電站、潮汐發電、海上油氣、海水養殖、海防島礁建設等工程，與國土安全、能源、環境、海洋開發等國家重大戰略需求相關。研究團隊先后承擔科技部重大研究計劃、國家自然科學基金、海軍裝備預研等多個項目。已發表論文 240 多篇，授權美國專利1項，中國發明專利16項。

    代表性科研成果：1）在國際上最早提出了“動態表面防污”的理論，研制出系列生物降解高分子基海洋防污材料， 其中所發展的主鏈降解側鏈水解型防污減阻一體化樹脂，具有環境生態友好、動靜態防污性能優異等優勢，克服了現有自拋光防污涂料拋光速率調控性差，靜態防污效果不理想等局限，因而能夠滿足“長效防污”和“靜態防污”的需求。2）發展了高性能滲入 - 固結型環氧和聚氨酯基巖土工程材料，并成功應用于海洋工程的加固、防腐、防滲等。相關海洋防污材料和海岸島礁加固材料取得了自主知識產權，一些材料已開始應用。

    在科研歷程中，印象深刻的就是“動態表面防污”或“降解防污”概念的提出。概念或者理念對做好一個事業十分關鍵，因為它是方向性的。概念錯了，花再多的時間和精力事情也不會做好。海洋防污是一個國際性的難題，特別是生態友好海洋防污。各個國家的學者都在努力想辦法、想破解之招。在我們進入這個領域之前，基礎性的探索工作已經報道了很多。坦白地講，我們最初想走捷徑，跟蹤國外有關抗蛋白吸附材料方面的工作。我們知道海洋生物污損物是由蛋白質、糖蛋白等構成的，能抗蛋白的材料應該可以抗污，這在理論上是行得通的。然而，當我們進行實海實驗時發現，抗蛋白吸附材料不具有長效性，特別是在一些污損嚴重的海域兩個月就失去防污能力。經過反復觀察研究，我們發現抗蛋白吸附材料本身的確具有抗污損生物粘附的能力，然而它們不能有效防止海洋內的一些無機物、死亡的海洋生物等物質的吸附和粘附。而一旦它們粘附到涂層表面，該表面性質徹底改變，由原來的抗污變為不抗污。痛定思痛，我們只能另辟蹊徑。我們注意到輪船上的污損主要是在停泊或靜態條件下形成的，航行或動態條下形成的污損少很多，聯想到中國的成語“流水不腐 ,戶樞不蠹”，我們認為必須走“動態表面”的路子，才能有效應對靜態防污。這就是“動態表面防污”概念最初的萌芽。如何實現呢？我一直從事高分子化學與物理的工作，很自然就想到生物降解高分子，其降解可以導致動態表面。當然，降解同時會降低涂料的壽命。我們通過對材料的優化設計，解決了防污效能與服役期之間的矛盾。另外，我們生物醫學工程領域中的藥物釋放的相關策略也用于防污，使其防污性能進一步提高。最終使“動態表面防污”或“降解防污”由概念變為現實。

    記者：您和您的團隊圍繞“環境友好海洋防污材料”這一與國家重大戰略需求相關的課題開展了系列工作。在國際上提出“動態表面防污”的新路徑，發展了一系列生物降解高分子基防污材料并最早在海洋實驗中獲得成功。請您大概介紹一下這一系列的工作，并談談您的感想和看法。

    張教授：使用生物降解高分子材料進行海洋防污是由我們團隊在國際上最先研制成功的。其基本原理是生物降解高分子在海洋環境下通過酯鍵的水解和酶解作用發生主鏈斷裂，形成動態表面，從而抑制污損生物在其表面著陸、粘附和生長。同時其還可以作為防污劑的控釋載體，通過材料的降解 / 水解，將防污劑釋放出來，達到協同防污效果。然而，未經改性的可降解聚酯通常為高度結晶的高分子，在海水中的降解緩慢且不可控，另外，其成膜性能也較差，容易從基材上脫落。為了解決這些問題，我們團隊做了大量探索，發展了一系列生物降解高分子基防污材料并最早在海洋實驗中獲得成功。先后設計并制備了具有優異力學性能和可控降解速率的生物降解型聚氨酯、主鏈降解 - 側鏈水解型聚氨酯以及具有防污官能團的生物降解高分子材料等。有關成果被 EuropeanCoatings（歐洲涂料）作為亮點報道。該系列材料可通過主鏈的降解使表面不斷自更新，即形成不斷變化的動態表面，因而即便在靜態條件下也能實現防污。生物降解高分子材料的來源廣泛，成本較低，改性方法簡單，適合大規模工業化生產。改性后的材料在海洋環境中有優異的降解自更新性能，能穩定、可控地釋放環境友好防污劑。更重要的是，生物降解高分子材料得益于其主鏈降解性可在海水中降解成無毒的小分子，不會對海洋生態產生影響。這些優勢都是傳統自拋光防污樹脂所不具備的，主鏈降解高分子已成為新一代海洋防污材料。

    針對現有自拋光防污涂料存在的系列問題，如自拋光性能的發揮依賴于航期和航速，靜態防污能力弱；服役期前后涂層無法保持線性拋光，可預測性差；樹脂主鏈不可降解，造成微塑料污染，對海洋生態不利等問題，生物降解還可用于改性傳統自拋光防污材料。我們團隊在國際上首次開發出主鏈降解型自拋光樹脂（DSPC），并根據各類應用場景實現該樹脂的系列化，該系列樹脂具有環境生態友好、動靜態防污性能優異等優勢，成功突破現有自拋光樹脂技術拋光速率調控性差，靜態防污效果不理想等局限，是對傳統自拋光樹脂的重要革新。

    有關海洋防污材料，我們已申請中國發明專利 12 項（授權 6 項），PCT國際專利 4 項，近期獲得美國專利授權（US 9701794 B2），打破了美國、歐盟、日本等對該領域的長期技術壟斷。目前已成功完成噸級中試，并在多艘船舶進行實船實驗，防污效果優異。

    我們團隊從事海洋防污工作已超過10 年，積累了一些經驗和教訓。下面是一些感想和看法：

    （1） 海洋環境極其復雜，生物多樣性十分豐富，而且污損生物就像投機主義者一樣，一旦遇到機會粘附上海洋設備便絕不“放手”，這是對海洋防污的一個巨大挑戰。目前看來，海洋防污不能僅依靠單一途徑，綜合防污才是未來研究的重點。例如將生物降解高分子和天然防污劑結合，構筑多功能協同海洋防污體系等。

    （2） 從目前防污材料的發展來看，完全摒棄防污劑是不現實的。由于傳統防污劑對附著生物有毒殺作用，破壞海洋生態平衡，使用環境友好的天然和人工合成有機防污劑已成必然。然而，如何解決新型防污劑與高分子樹脂的相容性和可控釋放性，實現低含量有效是關鍵點。未來發展的重點應該關注在新型高分子樹脂的設計和控釋系統的構建。

    （3） 目前對海洋防污性能的評價主要基于室內試驗和實海實驗，室內實驗評價快速、高效，但由于海洋環境的復雜性和海洋污損生物的多樣性，往往不夠全面。實海實驗評價準確，但其周期長、耗費高。因此，發展高通量、快速的防污性能評價技術以及服役壽命預測模型至關重要。

    記者：您曾是國際海洋防腐防污大會唯一一位來自中國大陸的主題報告人，也是目前國際海洋材料保護研究常設委員會 （COIPM）唯一的中國委員，在國際學術界享有較高的知名度。請您談談國內外在海洋防污技術方面有何差異？如何取長補短？

    張教授：海洋生物污損不僅僅是中國面臨的問題，還是一個全球性的問題。它對海洋航運和海洋資源的勘探、開發、利用帶來諸多不利影響，已成為制約海洋經濟發展和維護海防安全的技術瓶頸之一。使用防污涂料是目前最方便、有效和經濟的方法，它作為船舶涂料中最為重要的品種之一，是各船舶涂料生產商產品核心競爭力之所在。盡管我國在海洋防污涂料研發方面有一定的投入和支持，但在防污涂料技術性能和產業化的產品開發上，與國外差距卻逐漸增大。

    高性能防污涂料市場基本上被國外大涂料公司或其在國內的合資公司的產品壟斷，導致整個船舶涂料市場由外資公司長期控制。發達國家對于國際先進的海洋防污涂料的核心技術嚴格保密，而且已經形成了完整的知識產權保護體系。目前國產船舶涂料產品結構偏于低端，所占市場份額很小， 缺乏核心競爭力。更為重要的是，隨著《國際控制船舶有害防污系統公約》、《關于持久性有機污染物的斯德哥爾摩公約》對我國生效，以及國際海事組織《船舶壓載艙保護涂層性能標準》、歐盟《殺菌劑產品指南》和 REACH 法規的實施，海洋涂料技術發生了根本性變化，國內涂料企業在技術上還達不到這些標準的要求。例如，無毒、環保是海洋防污涂料發展的趨勢，要求涂料中少含或不含破壞環境的物質，但是國內迄今還沒有無毒的環保型防污涂料產品問世，而國外涂料大公司目前都已開發出這類產品。

    在過去，我國海洋防污技術主要以跟蹤國外研究動向，通過模仿等方法進行相關研究。因此，國內防污技術要想獲得突破，必須在新概念、新理論、新材料、新工藝的源頭上取得創新。特別是，在防污涂料關鍵基礎材料方面尋找突破口。目前自拋光防污涂料效果最好，發展速度最快，而我國在這一領域卻發展較為緩慢，其主要原因是不能掌握海洋防污涂料中的關鍵成分即樹脂的合成和應用技術。樹脂作為涂層的基體以及防污劑的載體，可直接影響涂層的性能并控制防污劑的釋放，是海洋防污涂料的重要原材料。另外，國外大的防污涂料企業均有上百年的相關涂料開發歷史，擁有全球化的服務網絡，在涂料生產、質量監督、施工過程管理等方面有一整套十分嚴格和嚴密的體系。這是我們國內防污涂料企業需要加強和學習的。

    記者：解決海洋生物污損可以說比防腐更具挑戰性，請您談談海洋防污材料、技術的發展現狀及未來趨勢。

    張教授：當前海洋防污的方法主要是依靠物理或化學處理的途徑去除粘附物質，例如機械清洗法、電化學方法和涂裝防污涂料。涂裝防污涂料是目前最方便、有效和經濟的方法。傳統的防污涂層是利用材料中釋放出的銅、錫、汞、鉛等毒料來殺死海洋生物。最初使用的是含汞、鉛等劇毒性材料。20 世紀 50年代出現了以氧化亞銅為毒料，松香、乙烯樹脂和氯化橡膠為基料的防污涂料；70 年代人們發現有機錫在低濃度下可以達到廣譜、高效的防污效果，因而有機錫化合物迅速取代了汞、砷等毒性大的防污劑，其中使用最普遍的是有機錫丙烯酸酯自拋光防污涂料。然而，后來人們發現錫會在魚類、貝類體內及海洋植物內累積，導致遺傳變異，并進入食物鏈，產生不可估量的生態問題。因此，國際海事組織（IMO）已在 2008 年全面禁止有機錫防污涂料的使用。

    目前實際使用的防污涂料主要是基于聚丙烯酸硅烷酯、聚丙烯酸銅或聚丙烯酸鋅樹脂的自拋光涂料，它們依靠側基的水解使涂層表面變得親水而溶解于海水中，從而釋放防污劑，以抑制海洋生物污損的形成和生長。此類材料依靠海水沖刷以實現表面自更新，因而其靜態防污能力較弱。另外，由于聚合物主鏈不能降解，它們在海洋環境長期存在，造成海洋環境問題。尤其是，該類防污涂料需要加入氧化亞銅等重金屬防污劑，盡管目前尚允許使用，但長期使用將對海洋生態產生較大影響。我國已把含氧化亞銅防污涂料列入“高污染，高環境風險”名單，規定氧化亞銅做防污劑僅是過渡性措施。

    當前環境友好防污體系的研究主要從兩個方面進行：

    其一是防污材料，包括低表面能材料、抗蛋白吸附材料、仿生表面微結構材料以及生物降解高分子材料等。低表面能材料不含殺生劑，環境友好性突出，但其性能受涂層表面能、厚度、彈性模量、表面光潔度等因素的影響。目前該類材料雖已應用，但其應用范圍僅限于一些特殊場合。抗蛋白吸附材料主要基于海洋生物污損是由蛋白質、糖蛋白等在基體表面吸附開始的這一原理發展的。該類材料中研究最多的是聚乙二醇和兩性離子聚合物，它們在實驗室內能有效抑制細菌、綠藻孢子、硅藻細胞以及藤壺幼蟲的附著。但在復雜多樣性的海洋環境中能否有效尚待海洋實驗。表面微結構材料主要是基于仿生的原理發展起來的。我們知道，許多海洋生物（鯊魚、海豚和部分軟體動物等）的皮膚表面幾乎沒有污損物，有人發現這些生物體皮膚表面是由微納結構構成的，因而推斷其防污能力由微結構決定。因此，他們在聚二甲基硅氧烷、聚氯乙烯和聚碳酸酯等基底上制備了凹凸或菱形凸起微納結構，期望通過微納結構表面進行防污。然而，微結構制備工藝復雜、構建面積有限，而且在海水中很難長期保持穩定。特別是， 最新研究表明長期靜止或已經死亡的海洋生物體身上仍然會附著大量的污損生物。可見，單靠微結構表面不能實現防污。實際上，活的海洋生物之所以能夠防污與其分泌生物活性分子，表層自脫落、分泌粘液和水解酶等有更大的關系，仿生防污從這一點考慮也許更加合理。生物降解高分子基防污材料是由我們團隊在國際上最先研制成功的。其基本原理是生物降解高分子在海洋環境下通過酯鍵的水解和酶解作用發生主鏈斷裂，形成動態表面，從而抑制污損生物在其表面著陸、粘附和生長。海洋實驗表明，生物降解高分子具有優異的防污能力。對于該防污體系，其防污能力由降解速度決定。降解速度比較快時，材料甚至僅憑降解就能實現防污。但降解是雙刃劍，它同時使材料服役期縮短。將生物降解高分子與環境友好防污劑結合，形成一種多功能的海洋防污材料是目前的最佳途徑。除了以上材料外，近年來還出現了一些新型仿生防污材料，如受豬籠草啟發在具有納米微結構的透氣性材料中注入潤滑液形成的“超滑”表面；在涂料中加入納米五氧化二釩（V 2 O 5 ），以仿造自然界中已存在的植物（藻類）的天然防御機制。在涂料中加入酶或蛋白質等形成耗氧表面，從而不利于污損生物粘附。但相關材料還處于實驗室研究階段，其海洋環境下的防污性能有待進一步研究。

    其二是防污劑，即尋找合適的高效無毒、環境友好的防污劑，在不破壞環境的前提下防止生物附著。其中，從海洋微生物或海藻類植物中提取具有防污活性的天然產物作為防污劑，受到極大的關注。這些物質往往為無毒或低毒物質，防污機理主要是對海洋生物產生麻醉性、生長阻滯性、阻礙附著性、變態障礙性等。由于這些化合物不直接殺滅污損生物，可望替代對環境有害的防污劑，成為環境友好的新一代抗污劑。例如英國研究人員從大型褐藻 - 鹿角菜（Fucus）表面附生細菌中分離出具有抑菌活性的物質，經甲醇溶解并與樹脂混合試制成防污涂料，針對海洋細菌表現防污效果。另外，從紅藻中提取的生物堿，海綿中分離純化得到的肽類化合物等均表現出優異的防污活性。然而天然產物防污劑在生物體中含量較低、存在提取工藝復雜、低產率等問題，限制了其進一步的應用。通過從自然界的生物中提取具有較好防污活性的物質，然后研究這些防污活性物質的結構與防污效果的關系，找到防污活性官能團，再進一步通過人工合成此類防污活性化合物或其結構類似物，是環境友好防污劑研究中的一條重要途徑。目前該類防污劑有 2-（對 - 氯苯基）-3- 氰基 -4- 溴基 -5- 三氟甲基 - 吡咯、異噻唑啉酮類、吲哚類、呋喃酮類化合物等。它們在海洋中半衰期短、易降解，釋放于海水后能很快分解為無毒化合物，不在生物體內產生積累。需要說明的是，該類防污劑在海洋工程化應用之前，還有很多技術難題需要克服。例如：如何解決該防污劑與涂料樹脂的相容性和可控釋放性，實現低含量有效等等。

    發展高效、環境友好、多功能性材料是海洋防污材料的未來發展方向，使用無毒、環境友好防污劑也是其未來發展的重要方向。將環境友好高分子（如生物降解高分子）與環境友好防污劑結合，形成一種多功能的海洋防污體系是最佳途徑。另外，未來發展的重點是對海洋防污體系服役與失效行為的研究。雖然通過室內等效加速模擬實驗結合海洋實驗可快速、有效地篩選材料。然而，目前的方法仍然是定性的、低效的。更加有效和可靠的方法將依賴于大數據和相關理論模型的建立。從而對防污材料的服役壽命進行預測，實現海洋防污新材料研發由“經驗指導實驗”的傳統模式向“理論預測、實驗驗證”的新模式轉變，以實現防污材料“研發周期縮短一半、研發成本降低一半”的目標，極大地推動更高效、環境友好的防污材料的發展。

    后記：

    “行棋當善弈，落子謀全局”，中國人民在習近平總書記“經略海洋”的戰略思想指引下，點燃了“海洋強國”引擎，將以無比的勇氣、智慧和膽識讓祖國旗幟高高地飄揚在世界桅桿中！科技興則國家興，科技強則國強。沒有強大的海洋科技事業作支撐，就不可能成為真正的海洋強國，沒有高效的海洋防污體系為裝備保駕護航，也同樣就不可能成為真正的海洋強國。因此，全面開發具有自主知識產權的高效海洋防污體系勢在必行。

    ●  人物簡介

     張廣照，華南理工大學材料科學與工程學院副院長、博士生導師，教育部“長江學者”特聘教授，國家杰出青年基金獲得者，科技部重大研究計劃項目首席科學家，海洋涂料國家重點實驗室學術委員會委員，國際海洋材料保護研究常設委員會（COIPM）委員，中國材料研究學會高分子材料與工程分會副主任，廣東省化學會高分子化學專業委員會主任。他的研究領域主要包括海洋防污高分子材料、巖土工程材料、高分子溶液與界面物理化學。他在海洋防污方面研究涵蓋環境友好海洋防污材料、自修復海洋防污涂料、海洋防污防腐一體化材料等。他先后承擔科技部重大研究計劃、國家自然科學基金、海軍裝備預研等多個項目。曾獲馮新德高分子獎（2011）， 中國化學會高分子科學創新論文獎（2009），中國分析測試協會（CAIA 獎）科學技術二等獎（2009 和 2011）等。ScienceAdvances,PNAS,Nature?Communications,PRL,JACS,Macromolecules,J.Phys.Chem.,Langmuir,Adv.Mater. 等期刊上發表論文240 多篇，授權美國專利 1 項，中國發明專利 16 項。