程佳威，李世國*，李茜，戰(zhàn)愛斌*

(1.中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心，北京 100085；2.中國科學院大學 資源與環(huán)境學院，北京 100049)

生物污損是水生生物黏附于水下工程結(jié)構(gòu)表面并進行不斷生長和繁殖，從而造成水生生態(tài)系統(tǒng)群落改變和工程結(jié)構(gòu)表面損傷的現(xiàn)象。海洋生態(tài)系統(tǒng)是生物污損發(fā)生的主要場所之一，據(jù)統(tǒng)計，可造成生物污損的海洋生物數(shù)量高達4 000種以上，主要包括軟體動物、被囊動物、腔腸動物、節(jié)肢動物、藻類和一些微生物等。這些海洋污損生物不但嚴重影響海洋生態(tài)系統(tǒng)的健康和穩(wěn)定，而且也對海運業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)和海洋工程設施等造成了巨大的經(jīng)濟損失。據(jù)報道，生物污損嚴重的船體在航行中的動力消耗會增加86%，每年給全球航運業(yè)額外增加至少600億美元的燃料費用[1]；在水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)，由于污損生物會與養(yǎng)殖經(jīng)濟物種間產(chǎn)生空間和營養(yǎng)物質(zhì)等的激烈競爭，造成養(yǎng)殖產(chǎn)量下降比例高達50%以上[2]；此外，由于污損生物具有高密度聚集等特點，一旦大量死亡會造成所在水體的水質(zhì)惡化，引發(fā)環(huán)境污染問題[3]。污損生物的潛在生態(tài)威脅在海洋生態(tài)系統(tǒng)中已廣泛存在，其經(jīng)濟影響也十分顯著。目前，如何科學高效地治理海洋生物污損(又稱抗污損，antifouling)已經(jīng)成為國際生態(tài)學、環(huán)境科學和材料科學等多學科領(lǐng)域關(guān)注的重點和熱點。

海鞘是最典型的海洋污損生物之一，海鞘污損對海洋生態(tài)系統(tǒng)和國民經(jīng)濟重要行業(yè)存在巨大的威脅，但其黏附的結(jié)構(gòu)特征和機制至今尚未完全闡明。為此，本研究中綜述了污損性海鞘幼體和成體兩個階段生物黏附主要組織/器官的結(jié)構(gòu)特征和黏附機制，以及目前采取的污損防控措施與仿生應用方面的研究進展，同時總結(jié)了相關(guān)研究領(lǐng)域面臨的關(guān)鍵科學問題，并提出了未來發(fā)展的主要方向，以期為更加深入地開展海洋生物黏附機制研究、抗污損與仿生材料研發(fā)工作提供科學參考。

1 海鞘

海鞘隸屬于脊索動物門尾索動物亞門，在發(fā)育過程中存在逆行變態(tài)現(xiàn)象，生長周期主要包括游動幼蟲與固著成體兩個階段。海鞘是典型的雌雄同體生物，除有性生殖外，群體(compound/colonial)海鞘還可進行無性出芽生殖[4]。除此之外，海鞘種類眾多，目前已發(fā)現(xiàn)的物種數(shù)超過3 000種，在全球各大海域廣泛分布，常附著于海洋中的各種基底表面營固著生活，除巖石、藻體、淺海泥沙等自然基底外，海鞘還會黏附在船底、碼頭等人工設施上，因此，海鞘是典型的污損生物。

常見的污損性海鞘包括玻璃海鞘屬Ciona、柄海鞘屬Styela、菊海鞘屬Botryloides和擬菊海鞘屬Botrylus等。海鞘中的大部分物種均可黏附于船底、螺旋槳等船體表面，在加速船體腐蝕、減慢航行速度的同時也會產(chǎn)生嚴重的安全隱患[5]。盡管當前船舶表面都涂敷有防污涂層，但是仍不能有效阻止海鞘的污損[6-7]。此外，海鞘也是一些重要水產(chǎn)經(jīng)濟養(yǎng)殖種類的主要威脅，可以與養(yǎng)殖物種競爭氧氣、營養(yǎng)物質(zhì)等，造成養(yǎng)殖產(chǎn)量下降[2]，給水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)帶來嚴重負面影響。近年來，海鞘已經(jīng)成為貝類養(yǎng)殖的頭號敵害生物[8-9]，高密度的海鞘附著在網(wǎng)箱、繩索上難以去除(圖1)，每年投入到海鞘防治上的費用能夠占到養(yǎng)殖總成本的14.7%[10]。更嚴重的是，海鞘具有易遷移的特點，往往隨著船舶運輸進入新的生境而成為入侵物種[11-12]。污損性海鞘大多已經(jīng)成為威脅海洋生態(tài)系統(tǒng)的入侵生物，尤其是玻璃海鞘屬的玻璃海鞘Cionarobusta[13]、柄海鞘屬的柄海鞘Styelaclava[14]、菊海鞘屬的史氏菊海鞘Botryllusschlosseri、擬菊海鞘屬的紫擬菊海鞘Botrylloidesviolaceus[15]等。污損性海鞘的生物入侵會造成更廣泛的損失，對入侵地區(qū)的經(jīng)濟與生態(tài)環(huán)境會造成較大危害[12,16]。

圖1 水產(chǎn)養(yǎng)殖設施表面的海鞘生物污損

2 黏附機制

2.1 污損生物黏附特征

海洋生物的污損過程主要經(jīng)歷3個階段，即修整膜時期、生物膜時期和生物污損層時期。首先，浸入到海水中的物體，其表面在數(shù)十分鐘甚至幾分鐘內(nèi)就會吸納一層有機物，形成修整膜(conditioning film)；而后，細菌和單細胞藻類等生物開始在修整膜上附著并分泌胞外代謝產(chǎn)物，形成生物膜(microbial biofilm)；最后，其他海洋原核生物、真菌、藻類及大型海洋污損生物會在生物膜上黏附并發(fā)育生長，形成復雜的大型污損生物層(macrofoulers)[17]。一些大型海洋生物依靠其特有的組織或器官分泌黏性物質(zhì)，永久或暫時性地黏附于各種水下基質(zhì)表面(如礁石、船體、水下人工設施及其他生物表面等)，從而造成嚴重的生物污損問題。可見，黏附是海洋生物污損事件發(fā)生的重要生物學基礎(chǔ)。

從海洋生物的發(fā)育階段來看，幼體和成體階段均有黏附行為發(fā)生，而成體黏附階段往往是污損行為最為嚴重的時期。目前，有關(guān)海洋生物黏附研究主要集中在幾個代表性污損物種的成體階段，包括軟體動物貽貝、甲殼動物藤壺、棘皮動物海星、扁形動物扁蟲等，研究人員對其黏附結(jié)構(gòu)特征、過程和機制等進行了探究，明確了生物大分子特別是蛋白質(zhì)在黏附過程中發(fā)揮的重要功能(表1)，發(fā)現(xiàn)不同海洋污損生物演化出的黏附組織或器官截然不同，這些生物大多依賴于蛋白質(zhì)組分實現(xiàn)生物黏附，但實現(xiàn)黏附的機理、方式和生物學過程卻截然不同。目前，雖然對海鞘黏附機制的研究未深入到分子層面，但與其他海洋污損物種相似，海鞘發(fā)育過程中的幼體和成體階段都有鮮明的發(fā)育階段性黏附特征。海鞘幼體依靠其軀干前端的乳突結(jié)構(gòu)分泌的蛋白質(zhì)組分實現(xiàn)快速附著，而污損性最強的成體階段，則由壺腹表皮通過形變分化出特異的匍匐枝結(jié)構(gòu)實現(xiàn)與基底的強力黏附。

表1 典型海洋污損生物黏附蛋白質(zhì)特征

2.2 海鞘幼體黏附

2.2.1 幼體黏附結(jié)構(gòu) 海鞘幼體為桿狀，整體呈蝌蚪形，尾巴長且細，中間有一根脊索，頭部近橢圓形，前端較窄，內(nèi)有眼點。蝌蚪形的海鞘幼體經(jīng)間歇性自由游動后，其頭部與基底接觸可實現(xiàn)快速附著。幼體的頭部分布有3個杯狀的半透明乳頭突起(papillae)，分別位于軀干前端的腹側(cè)(1個)與背側(cè)(2個)，它們以三角形排列在頭部并向外延伸(圖2(a))，是幼體階段特有的黏附器官。每一個黏附乳突均由表皮外胚層的內(nèi)陷所形成。在變態(tài)發(fā)育開始時，這些乳突通過被膜表皮層的開窗迅速外露，暴露出最前端的透明膠蓋(hyaline caps)[18]。透明膠蓋中含有幼蟲黏附所需的黏附物質(zhì)，與基底接觸后能夠快速釋放到乳突表面，實現(xiàn)成功黏附。由于乳突結(jié)構(gòu)尺寸較小，其細胞組成與功能一直是該研究領(lǐng)域的難點。最新研究表明，每個乳突通常由至少3種不同的細胞類型構(gòu)成：4個軸向柱狀細胞、4個外側(cè)初級感覺神經(jīng)元和12個中央膠質(zhì)細胞(圖2(b))。乳突的中間位置分布著中央膠質(zhì)細胞，這些膠質(zhì)細胞圍繞著軸向柱狀細胞，且都延伸到透明質(zhì)蓋中。位于最外圍的是外側(cè)初級感覺神經(jīng)元，其朝向透明質(zhì)蓋的一端延伸有微纖毛，另一端與神經(jīng)結(jié)構(gòu)相連。這3種類型的細胞規(guī)律排列、協(xié)同作用，從而發(fā)揮不同的生物學功能，對于海鞘幼體乳突結(jié)構(gòu)黏附過程是十分重要的[36]。因此，乳突是海鞘幼體特有的結(jié)構(gòu)，屬于感覺和黏附器官，它既可以分泌黏性物質(zhì)實現(xiàn)附著，又可以借助黏附時產(chǎn)生的神經(jīng)興奮傳遞到軀干開啟后繼變態(tài)過程。

2.2.2 黏附物質(zhì)的合成與分泌 海鞘幼體依賴于乳突結(jié)構(gòu)中的黏附物質(zhì)實現(xiàn)快速黏附。顯微觀察顯示，乳突中的中央膠質(zhì)細胞內(nèi)含有較多小囊泡和大量的黏附顆粒，推測這類細胞可能承擔黏附物質(zhì)合成與分泌功能。而黏附顆粒又可分為“光滑”和“粗糙”兩種類型，利用碳水化合物特異性凝集素進行特異性標記分析，可同時標記乳突頂端、中央膠質(zhì)細胞的內(nèi)部顆粒及黏附斑3個區(qū)域，證實了上述結(jié)論[36]。同時，乳突間的表皮區(qū)域也是黏附物質(zhì)合成與分泌的場所。許多分泌細胞聚集在3個乳突間的三角形區(qū)域，特化成腺器官(glandular organ)(圖2(b))。此區(qū)域細胞的特化始自尾芽期后期，乳突間區(qū)的柱狀細胞開始參與蛋白質(zhì)合成與被膜組分的分泌。隨著發(fā)育的進行，乳突間區(qū)的蛋白質(zhì)合成與分泌能力顯著增強，可以觀察到大量內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體的活性顯著增加，柱狀細胞向被膜的頂端分泌增強，頂端囊泡有大量物質(zhì)排出[37]。

2.2.3 神經(jīng)系統(tǒng)輔助 由于乳突結(jié)構(gòu)的雙重功能，海鞘幼體快速黏附與其神經(jīng)系統(tǒng)的輔助密切相關(guān)。海鞘在幼體階段尾部長有明顯的脊索，幼體乳突神經(jīng)結(jié)構(gòu)發(fā)育始自尾芽期。在尾芽期的初期，乳突神經(jīng)元細胞開始區(qū)別于周圍的表皮細胞，軸突朝向軀干一端延伸。到了游泳幼蟲期，乳突神經(jīng)元細胞朝向透明質(zhì)蓋伸出明顯的束狀末端感受器，同時乳突邊緣區(qū)域特化出樹狀表皮神經(jīng)元。樹狀表皮神經(jīng)元細胞的軸突與乳突神經(jīng)元細胞在朝向軀干一端共同匯聚成束，與體內(nèi)脊索相連，這兩種神經(jīng)元細胞的末端感受器都深入透明質(zhì)蓋中(圖2(b))。乳突神經(jīng)元是機械感受器，樹狀表皮神經(jīng)元是化學感受器，分別介導海鞘幼蟲與基底的黏附及后續(xù)變態(tài)的啟動過程[37]。另一項研究也得出相似的結(jié)論，即乳突中的軸向柱狀細胞包含內(nèi)吞小泡，具有神經(jīng)活性，而外側(cè)初級感覺神經(jīng)元是明顯的神經(jīng)結(jié)構(gòu)[36]。綜合來看，乳突是一個集機械感覺、化學感覺和分泌等功能為一體的頭部感覺器官，它首先利用其機械感覺功能探尋適合附著的海洋基質(zhì)表面，一旦尋找成功便啟動黏合劑分泌，將黏合劑分泌到基質(zhì)表面進而成功實現(xiàn)水下黏附過程。

圖2 幼體階段的黏附器官

2.2.4 黏附物質(zhì)成分 現(xiàn)有的證據(jù)表明，糖殘基與3,4-二羥基苯丙氨酸(DOPA)可能是海鞘幼體黏附物質(zhì)的主要功能單元。海鞘乳突分泌的黏附物質(zhì)中富含糖殘基，這也是大多數(shù)海洋黏附生物分泌物的共同特征。含有糖殘基的黏附分泌物位于乳突的頂端，可以被花生凝集素(peanut agglutinin，PNA)、菜豆紅細胞凝集素(phaseolus vulgaris erythroagglutini，PHA-E)和西非單葉豆同工凝集素Ⅱ[griffonia (bandeiraea) simplicifoliaⅡ，GSLⅡ]等物質(zhì)標記。PHA-E與GSLⅡ也可以標記基底上的黏附斑，進一步證明糖殘基在海鞘乳突黏附中的關(guān)鍵作用[38]。除此之外，DOPA也在乳突和黏附斑中被特異性標記，顯示其與乳突黏附間的密切關(guān)系。DOPA參與調(diào)控黏附物質(zhì)的黏合力與內(nèi)聚力[38]，這與其他海洋生物的黏附特性是一致的[39-40]。海洋生物幼蟲階段黏附物質(zhì)的化學組成極為復雜，如藤壺幼體黏合劑中含有幾丁質(zhì)、脂質(zhì)、磷蛋白等多種功能成分。其中，天然幾丁質(zhì)以糖基化形式結(jié)合于蛋白質(zhì)上，待蛋白質(zhì)分泌后在黏附斑中以固定位置存在；而率先分泌的脂質(zhì)可以將黏附表面的水分從界面進行置換，為磷蛋白的引入創(chuàng)造適宜的疏水條件，并保護黏合劑不被微生物降解[41]。海鞘乳突分泌的黏附物質(zhì)中是否也含有幾丁質(zhì)、脂質(zhì)等成分，是否也依賴于不同的化學成分協(xié)同作用最終實現(xiàn)黏附過程，目前尚不清楚，這也是海鞘黏附研究領(lǐng)域亟待解決的重要問題之一。應用多組學的方法(包括蛋白質(zhì)組、基因組、轉(zhuǎn)錄組等)進行研究是當前海洋生物黏附領(lǐng)域的熱點，目前，作為模式生物，多種海鞘基因組測序已經(jīng)完成[42-44]，但仍然缺乏從基因及其調(diào)控網(wǎng)絡等層面對乳突發(fā)育與快速黏附的機制進行分析。

2.3 海鞘成體黏附

海鞘幼蟲借助乳突附著在基質(zhì)上約4 h后，神經(jīng)系統(tǒng)傳遞發(fā)育信號，開始啟動變態(tài)發(fā)育過程[45]。在變態(tài)過程中，海鞘幼體尾部連同脊索逐漸萎縮并被重吸收，神經(jīng)管及感覺器官退化[46]；與此同時，海鞘黏附器官也發(fā)生了變化。變態(tài)發(fā)育開始后，幼體海鞘腹側(cè)表皮處形成血管狀壺腹(ampulla)。壺腹發(fā)生“形變”，進而與基質(zhì)表面緩慢接觸并發(fā)生黏附作用(圖3(a))。對于群體(compound/colonial)海鞘，壺腹直接作為成體的最終黏附器官，而單體(solitary)海鞘通過壺腹實現(xiàn)緩慢黏附后，壺腹結(jié)構(gòu)便被吸收縮回到被膜中，剩余被膜突出體外形成突起結(jié)構(gòu)(adhesive projection)，發(fā)揮黏附作用。黏附突起會隨著機體的成熟最終特化為匍匐枝(stolon)，發(fā)揮長期牢固黏附功能。

2.3.1 黏附突起 黏附突起由海鞘被膜特化而來，分布在被膜腹側(cè)的外周區(qū)域，用以擴大海鞘與基底間的黏合面積(圖3(b))。與壺腹的“形變黏附”相比，這些突起的黏附活性更高。研究發(fā)現(xiàn)，雖然形態(tài)上都是突起，但被膜突起的黏附速度與乳突的快速黏附相比卻慢得多(約48 h)，這說明兩種結(jié)構(gòu)的黏附機理或黏附物質(zhì)的性能可能不同[47]。在被膜上，這些突起的內(nèi)腔通過被膜血管系統(tǒng)彼此相連。被膜血管中富含血細胞，血細胞中存在大量含釩物質(zhì)和嗜酸性物質(zhì)，這些物質(zhì)與黏附功能間有著密切的聯(lián)系[48]。此外，富釩的血細胞會在突起的末端積聚，進一步表明其參與了海鞘突起結(jié)構(gòu)的黏附過程。這些血細胞中的嗜酸性物質(zhì)是海洋黏附蛋白質(zhì)的共同特征，推測由血管尖端的上皮細胞或者被膜細胞合成分泌，同樣在突起末端富集并發(fā)揮黏附功能[47]。

2.3.2 匍匐枝結(jié)構(gòu) 對于海鞘來說，被膜突起的黏附時間也是短暫的，長期的牢固黏附依賴于特殊的黏附結(jié)構(gòu)——匍匐枝。匍匐枝被認為是被膜突起的進一步特化，在海鞘發(fā)育的成熟階段起到黏附作用(圖3(c))。匍匐枝的表皮由側(cè)壁的立方細胞和末端的柱狀細胞組成，立方細胞利用微絨毛固定在被膜上，而柱狀細胞內(nèi)含圓形顆粒，具有一定的分泌功能[49]。對于有些群體海鞘物種如Diplosomavirens，匍匐枝在靠近基底的一端膨脹成壺腹狀末端，其頂端便是含有許多圓形顆粒的柱狀細胞，柱狀細胞內(nèi)可觀察到有分泌功能的囊泡。與被膜突起相似，匍匐枝借助血管結(jié)構(gòu)彼此相連，管腔內(nèi)有稀疏的血細胞分布，但這些血細胞的功能還未被完全揭示[49]。

圖3 成體階段的黏附器官

2.3.3 黏附物質(zhì)成分 由于海鞘被膜分化的匍匐枝比幼體的乳突結(jié)構(gòu)黏附速度慢，研究者推測海鞘成體分泌的黏合劑或許與幼體存在較大差別。Saad等[50]對皺瘤海鞘Styelaplicata匍匐枝的分泌黏液進行了分析，其中，含量最多的有機物是蛋白質(zhì)，其次是脂肪和碳水化合物。應用SDS-PAGE技術(shù)對這種海鞘生物黏液進行分離，獲得的蛋白質(zhì)相對分子質(zhì)量為30 000～250 000。進一步用胰蛋白酶進行消化處理，分析得出黏液中含量最高的3種氨基酸分別是纈氨酸、甘氨酸和苯丙氨酸。此外，研究者從單體海鞘Ascidiasydneiensissamea的被膜突起中分離獲得了8種小分子量蛋白質(zhì)，推測其中幾種蛋白質(zhì)可能參與了海鞘成體黏附過程，但未進行功能驗證[47]。由于技術(shù)的限制，該研究無法對質(zhì)荷比大于500的生物大分子進行識別，對黏附相關(guān)蛋白質(zhì)的分析還存在缺陷。在最近的研究中，Li等[51]對污損性較強的玻璃海鞘進行蛋白質(zhì)組學分析，鑒定出一種含有vWFA結(jié)構(gòu)域的海鞘匍匐枝蛋白ASP-1。NBT染色試驗表明，此蛋白質(zhì)含有DOPA，且酪氨酸酶修飾后的ASP-1黏附性能顯著提升。該研究表明，部分海鞘黏附蛋白質(zhì)功能的實現(xiàn)也像大多數(shù)海洋黏附生物一樣可能依賴于DOPA組分，但這一結(jié)論還需進一步驗證，因為ASP-1只是匍匐枝蛋白中的一種，并不是直接參與基質(zhì)表面界面黏附的蛋白質(zhì)?；谝褕蟮赖慕Y(jié)果，至今尚無一種與海鞘成體黏附直接相關(guān)的蛋白質(zhì)組分被分離鑒定，因此，成體海鞘的黏附機制亟待深入解析。

2.3.4 纖維素功能 除蛋白質(zhì)組分外，纖維素(cellulose)也被認為是海鞘維持穩(wěn)定黏附能力的關(guān)鍵。成熟的海鞘身體表面覆有一層粗糙堅實的被膜(tunic)，被膜由體壁分泌的被囊素形成，從而維持身體形態(tài)并起到一定的保護作用。研究發(fā)現(xiàn)，被囊素的化學成分是動物纖維素，其與多糖、蛋白質(zhì)等一起構(gòu)成被膜的主要成分。過去人們一直以為纖維素成分只是為海鞘被膜提供韌性，起到保護內(nèi)部機體的作用。但最近的研究發(fā)現(xiàn)，海鞘纖維素合成酶(Ces-A)的突變不僅導致幼體變態(tài)異常，使幼體不經(jīng)乳突黏附沉降便開始變態(tài)[52]；同時還影響其被膜功能，突變體海鞘的被膜脆弱易破，呈膠凍狀，易被微生物附著。更為重要的是，突變體無論是在幼體階段還是成體階段，黏附能力均顯著降低，極易從基質(zhì)表面脫落[53]。由此可見，海鞘被膜中的纖維素成分對黏附至關(guān)重要。通過系統(tǒng)發(fā)育分析，推測海鞘的纖維素系列基因(GH-6 cellulase、Ces-A等)均是同時通過基因水平轉(zhuǎn)移的方式從放線菌處獲取并得到表達[53]。

基于當前的研究結(jié)果，海鞘成體的黏附結(jié)構(gòu)特征和機制仍不清楚。研究人員觀察到海鞘的壺腹形成、被膜突起和匍匐枝結(jié)構(gòu)都參與了成體海鞘黏附，它們之間有著功能與發(fā)育上的承接關(guān)系，即使彼此存在明顯的結(jié)構(gòu)差異，黏附機制也可能不同。

3 海鞘生物污損的科學防控

科學高效防止海鞘生物污損是深入開展海鞘黏附特征、過程和機制研究的主要目標之一。針對這一海洋生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的難題，近些年科研工作者圍繞生物與材料間的相互作用關(guān)系進行了深入研究與實踐[38,54]。這些研究大多是從海鞘生長發(fā)育的不同階段特征出發(fā)，利用海鞘對基質(zhì)選擇的傾向性、海鞘黏液物質(zhì)與基底的黏附機制、海鞘變態(tài)發(fā)育過程特征等，對海鞘群體進行清除或殺滅，以達到生物污損防治的目的?？傮w上可以將這些抗污損策略劃分為物理法、化學法和生物法，便于清晰理解。

3.1 物理法

物理防海鞘污損方法主要利用海鞘對黏附基質(zhì)材料的選擇性這一特點。決定材料表面防污性能的因素很多，包括表面能、彈性模量、電荷性、極性、疏水性和表面光滑性等。目前，關(guān)于抗海鞘黏附材料的設計也是基于這些影響因素，即海鞘對黏附基質(zhì)選擇的傾向性來進行。

當前，該領(lǐng)域中研究最多、前景最廣的策略是基于低表面能原理進行抗海鞘黏附涂層設計。此種涂層表面具有低表面能與低彈性模量的特點，使生物難以在其表面產(chǎn)生黏附，即便是成功黏附，洋流或者船舶航行中產(chǎn)生的水動力作用也足以將其洗脫。研究表明，一般當防污涂層的表面能低于25 mJ/m2或與液體的表面接觸角大于98°時，防污損效果明顯，典型的低表面能涂層包括有機硅涂層和有機氟涂層[55]。當涂層含有一定量的有機硅氧烷時，玻璃海鞘的附著率顯著降低。有機硅氧烷除了具有較低的表面能，還可以與水體產(chǎn)生較高的相互作用力，使涂層表面吸水并排斥鹽分，形成淡水液膜，進一步減弱海鞘的附著能力[56]。對不同聚合物抗污損試驗的結(jié)果也顯示，聚合物材料表面的污損程度與表面自由能間有一定的相關(guān)性。玻璃海鞘的黏附一般發(fā)生在浸海后期，且均位于基底已產(chǎn)生污損的地方，其中，聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚氯丁二烯(PCP)、株狀聚苯乙烯(PS)等材料能顯著抑制玻璃海鞘的黏附[57]。除此之外，納米材料涂層也屬于低表面能涂層[58]，納米表面亦能抑制生物附著[59]。例如，與普通的平板膜相比，通過模仿后生動物(被囊動物、棘皮動物、環(huán)節(jié)動物)體表的蛾眼陣列(moth-eye structure)設計的基膜MOSMITETM能夠顯著地抑制海鞘幼體的附著能力[54]。這種仿生基膜屬于納米結(jié)構(gòu)陣列，“高度”一般不大于100 nm，且親水不親油。此外，含銀納米復合材料的超支化聚氨酯也表現(xiàn)出優(yōu)異的抗海鞘污損性能，這種材料還能產(chǎn)生活性氧，對細胞造成損傷[60]。另有研究表明，水凝膠納米復合涂層也可以有效抑制海鞘生物污損事件的發(fā)生[61]。

基質(zhì)材料的電荷性、極性和疏水性等特征也能明顯影響海鞘的黏附，因此，通過涂層改變基底材料的電荷性、疏水性等特性，可以達到抗海鞘污損的效果。研究表明，疏水與否顯著影響海鞘幼蟲的附著能力，即海鞘幼蟲傾向于附著到疏水性較強的材料表面[38]。產(chǎn)生這一差異的機理在于聚乙二醇與兩性離子聚合物等材料因為其具有親水性而抑制蛋白質(zhì)的吸附與細胞的黏附，但往往疏水性的材料如聚二甲基硅氧烷(PDMS)和含氟聚合物由于具有非極性的特點也可以抑制蛋白質(zhì)的吸附[59]。

3.2 化學法

與物理法相比，化學法的使用更加關(guān)注對污損生物的生理抑制或有效滅殺。典型的例子是化學防污涂料，區(qū)別于利用物理性質(zhì)進行防污的涂層，這些涂料中包含緩慢釋放的可抑制或殺死海鞘的防污成分，如有機錫、汞化合物、銅化合物等[58]，可通過防污涂料中有毒物質(zhì)的釋放有效阻止海洋生物污損。這些有毒物質(zhì)是非針對性的，可以應用于包括海鞘在內(nèi)的所有污損生物。針對玻璃海鞘的試驗表明，單磺酸鉀鹽(potassium monopersulphonate triple salt)可明顯降低其在基質(zhì)表面的黏附量。試驗處理組，將已黏附的海鞘置于質(zhì)量分數(shù)3%的單磺酸鉀鹽試劑中浸泡30 s，可以使其生物量減少89%，且對藥物的易感性存在明顯的年齡差異。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可能與被膜性質(zhì)有關(guān)，幼年海鞘的被膜較薄且比表面積較大，易受到毒物的侵害[62]。也有研究顯示，長時間的低鹽度條件能抑制冠瘤海鞘Styelacanopus幼體的附著，低鹽度(鹽度為10)處理93 h時，試驗組的附著率減少近65%[63]。由此可見，利用化學原理進行防污是有效的，但是大多數(shù)化學物質(zhì)由于其毒性會危害整個生態(tài)系統(tǒng)的安全，所以化學抗污往往不像物理法那樣得到廣泛認可與實際應用，即使是曾經(jīng)在全球范圍內(nèi)廣泛使用的有機錫防污涂料也在2008年被全面禁止。因此，目前化學防污的目標是研究低毒或無毒的新型涂料。

3.3 生物法

有些生物的表面及附近不易有其他生物黏附，這種自然的抗污損現(xiàn)象不僅依托于生物表面的特殊物理結(jié)構(gòu)，很大程度還依靠其分泌的生物活性物質(zhì)。某些生物活性物質(zhì)對于抗生物黏附具有積極作用，如有機酸、萜類、醇類、胺類、吲哚類等[64]。這一特征被利用到海鞘污損防治，Cahill等[65]測試驗證了從生物中提取的根赤殼菌素(radicicol)、蓼二醛(polygodial)和泛醌-10(ubiquinone-10)等物質(zhì)可以通過抑制海鞘幼蟲的變態(tài)起到抗海鞘黏附的作用。研究發(fā)現(xiàn)，相對于對照組來說，在培養(yǎng)基中添加質(zhì)量分數(shù)2.5%的肝素能使幾乎所有的海鞘幼體不附著，且肝素的抑制作用隨著濃度的降低逐漸減弱[38]。一定濃度的乙酰膽堿(>10-7mol/L)對冠瘤海鞘的附著與變態(tài)均能表現(xiàn)出抑制作用，與之具有相似效果的生物活性物質(zhì)還有γ-氨基丁酸(GABA)和印防己毒素(picrotoxin)[66]。同時，有些活性細菌的胞外代謝產(chǎn)物可以抑制玻璃海鞘的沉降，其活性物質(zhì)可能是相對分子質(zhì)量低于3 500的蛋白質(zhì)或肽類物質(zhì)，且具有一定的熱穩(wěn)定性[67]。越來越多的研究發(fā)現(xiàn)，有些酶類也可以對附著生物起到阻止和抑制作用，其靶點可能是黏附物質(zhì)或者被膜組分，通過分析活性酶的官能團特征，也可設計出新型無毒的海鞘防污劑[68]。

從研究進展來看，目前普遍采用的抗海鞘污損舉措并不十分理想，針對海鞘的抗污損研究與技術(shù)大多還停留在實驗室階段(表2)，究其根本是海鞘生物黏附物質(zhì)與海底基質(zhì)材料間黏附的生物學過程和機理未被徹底闡明，無法針對海鞘的黏附機制進行特異性的防污工藝設計。

表2 海鞘污損防控方法

4 海鞘黏附的仿生應用

雖然從生態(tài)系統(tǒng)角度看，海洋污損生物產(chǎn)生了顯著的生態(tài)危害，但從仿生材料角度，這些污損生物的黏附特征也是高性能水下黏合劑的重要仿生對象。海鞘所分泌的黏附物質(zhì)具有強黏附、生物相容、可降解和自修復等優(yōu)越的生物學性能，可以應用于醫(yī)學和材料科學等多個領(lǐng)域。在生物醫(yī)學、工業(yè)涂料、包裝作業(yè)等領(lǐng)域，傳統(tǒng)材料的應用往往受到效率低、難降解、具有毒性和不防水等各方面因素的限制。因此，研發(fā)環(huán)境友好的高性能水下黏合材料就成為相關(guān)應用領(lǐng)域的當務之急。隨著合成化學和生物工程技術(shù)的發(fā)展，從仿生層面研發(fā)制備的一些黏合材料在各方面都具有優(yōu)良的性能，特別是在生物醫(yī)學與材料領(lǐng)域具有巨大的應用價值[70]。

根據(jù)海鞘黏附物質(zhì)的作用機制可以設計自愈合水凝膠。自愈合水凝膠是一種在受到損傷后自動恢復其完整性和自身功能的一類新型水凝膠。目前，使用的大部分水凝膠具有獨特的基于化學鍵或物理作用的親水性交聯(lián)三維體系[71]，在受到外部機械刺激或生理侵蝕時，若完整性遭到破壞，功能便會喪失；因此，具有自我修復功能的水凝膠受到了研究人員的廣泛關(guān)注。海鞘黏附物質(zhì)具有較強的水下附著力與快速再生性,這一特性與海鞘黏附機制可能密切相關(guān)。與貽貝膠相似，海鞘黏液中也被證明存在DOPA組分，海鞘血細胞中還含有特異性TOPA結(jié)構(gòu)。TOPA中的鄰苯三酚(PG)可與透明質(zhì)酸(HA)結(jié)合，而PG基團被認為是海鞘具有再生能力的關(guān)鍵成分，可以通過氧化過程實現(xiàn)自我再生。同時利用氧化劑誘導和pH控制的方法可以實現(xiàn)HA-PG體系的快速交聯(lián)，形成具有生物相容性的水凝膠[72]。HA-PG水凝膠還具有細胞毒性低、無生物免疫反應等特點，在生物醫(yī)學領(lǐng)域具有廣泛的應用前景，在定向運載藥物、組織細胞移植、創(chuàng)口縫合等方面都有應用價值[72]。這種水凝膠體系是對海鞘黏附機制的成功仿生，顯示了海鞘黏附在仿生領(lǐng)域的潛力。

基于海鞘黏附特性也可以設計新型仿生功能材料。海鞘具有特有的黏附機制，一些獨特的黏附蛋白質(zhì)與結(jié)構(gòu)域也在海鞘黏液中被發(fā)現(xiàn)[51]。根據(jù)海鞘的黏附機制，可以據(jù)此設計新型功能材料與低生物黏附性的表面材料。纖維素是海鞘被膜中的結(jié)構(gòu)組分，不僅起到保護機體的作用，還參與海鞘的生物黏附過程。海鞘纖維素是區(qū)別于植物和細菌的Iβ晶型[73]，其具有潛在的研究價值。如今有許多研究模仿海鞘纖維素制備納米晶體(TCNCs)并將其用于功能材料制備。有研究發(fā)現(xiàn)，添加少許的TCNCs便可使海鞘纖維素仿生復合材料的儲能模量提高千倍以上[74]。此外，TCNCs還可用于生物醫(yī)學領(lǐng)域，利用TCNCs、環(huán)氧乙烷和環(huán)氧氯丙烷合成的仿生材料具有可逆的化學反應能力，可設計為微電極，應用到帕金森綜合征、中風等神經(jīng)疾病的治療中[75]。

目前，針對海鞘黏附機制的仿生研究已經(jīng)有了重要研究進展，可以預見其仿生潛力。但有關(guān)海鞘生物黏附物質(zhì)與黏附器官的仿生研究卻較少。根據(jù)海鞘獨特的黏附機制與蛋白質(zhì)特性進行新型水凝膠的研制，模仿乳突、匍匐枝等結(jié)構(gòu)進行特定功能元件的設計，這些思路都有潛在的開發(fā)價值。隨著海鞘黏附機制的進一步明晰，相信其在仿生應用領(lǐng)域也將會有較大拓展，特別是基于海鞘分子特性的仿生應用將成為可能。

5 存在問題及展望

5.1 海鞘黏附機制與仿生研究中存在的問題

海鞘作為典型的海洋污損生物，在水產(chǎn)養(yǎng)殖、船舶運輸?shù)戎匾袠I(yè)能夠造成巨大的經(jīng)濟損失，但它也是高性能水下黏合劑研發(fā)的重要仿生對象，具有較好的開發(fā)前景，深入開展海鞘黏附機制研究是解決高性能水下黏合劑不可或缺的重要環(huán)節(jié)。在過去十年中，海鞘黏附機制研究已經(jīng)取得一定的進展，但還存在以下幾方面的問題。

1) 海鞘不同黏附組織器官間的發(fā)育關(guān)系不清晰。目前，雖然已經(jīng)存在部分針對乳突、壺腹、黏附突起、匍匐枝等的研究，但這些研究多集中于對黏附器官的結(jié)構(gòu)與細胞類型進行表征，卻忽視了不同黏附器官間的發(fā)育關(guān)系。特別是針對海鞘成體黏附階段，不同發(fā)育階段的黏附器官間無明確界限，相互間的功能承接方式還未被闡明。

2) 海鞘黏附分子層面的機制未被揭示。相對于其他典型海洋黏附生物如貽貝、藤壺等，海鞘的黏附機制尚不清楚，其中一個重要原因是缺乏分子層面的深入研究。當前海洋生物黏附機制研究最透徹的物種是貽貝，究其原因是因為貽貝關(guān)鍵的黏附蛋白質(zhì)得到了有效分離與鑒定，而目前針對海鞘黏附蛋白質(zhì)的研究則十分有限。盡管已從海鞘的體內(nèi)分離鑒定出了幾種與黏附相關(guān)的蛋白質(zhì)，但是大多數(shù)的黏附成分仍然不明晰。

3) 缺乏高效的抗海鞘污損基質(zhì)材料。對于海鞘來講，雖然當前采用的普適性抗污損涂層材料被證明是部分有效的，但仍然不能完全阻止海鞘污損事件的發(fā)生。特別是在水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)，海鞘作為主要的敵害生物，利用水流剪切力去除附著生物的低表面能材料的使用受到了限制，為抗海鞘污損工作增加了難度。

4) 基于海鞘黏附機制的深度生物仿生工作尚不深入。海鞘作為典型的黏附生物，具有與其他海洋生物不同的黏附機制，是進行生物仿生的理想試驗對象。然而，目前鮮有針對海鞘黏附機制的仿生研究，已有的研究也不夠深入。

5.2 未來重點研究方向

針對所提及的海鞘生物黏附研究領(lǐng)域存在的問題，今后的工作可從以下方面展開。

1) 黏附組織器官的研究拓展。針對黏附器官間的發(fā)育關(guān)系、黏附器官的種間差異應進行更加清晰地研究與界定，以便更加系統(tǒng)地解析海鞘生物黏附的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和分子機制。

2) 黏附蛋白質(zhì)的鑒定與分析。明確海鞘黏附相關(guān)的關(guān)鍵蛋白質(zhì)組分，探討其結(jié)構(gòu)與黏附功能，是未來海鞘黏附研究領(lǐng)域的重點方向。如今多個海鞘物種的基因組測序已經(jīng)完成，應用基因組學、轉(zhuǎn)錄組學或蛋白質(zhì)組學等多組學方法進行分子層面研究將是十分有效的。

3) 設計特異性抗海鞘黏附材料。海鞘黏附有其自身的特點，根據(jù)海鞘的黏附機制設計的特異性抗污損材料或許會更加高效。海鞘特異的變態(tài)發(fā)育過程也可能是一個切入點，可通過抑制海鞘幼體的變態(tài)發(fā)育從而有效阻止海鞘黏附過程，實現(xiàn)海鞘生物污損的有效控制。

4) 基于分子層面的海鞘黏附仿生研究。海鞘的特殊黏附機制能夠啟發(fā)更多的新型水下黏合劑與復合材料的研制。通過模仿海鞘黏附蛋白質(zhì)的功能特征、蛋白質(zhì)間的交聯(lián)作用等特點，可以生產(chǎn)自修復的水凝膠等仿生材料，而海鞘獨特的黏附器官與黏附模式也為黏性力學元件設計提供了新的思路，具有更加廣闊的應用前景。