天然活性物質(zhì)在海洋防污中的研究進(jìn)展

劉俊，鄭恒，高子涵，胡丹妮，張?zhí)?,,*

天然活性物質(zhì)在海洋防污中的研究進(jìn)展

劉俊1a，鄭恒1b，高子涵2，胡丹妮3，張?zhí)?,2,3*

（1.武漢理工大學(xué) a.化學(xué)化工與生命科學(xué)學(xué)院 b.資源與環(huán)境工程學(xué)院，武漢 430063；2.武漢理工大學(xué)三亞科教創(chuàng)新園，海南 三亞 572024；3.武漢理工大學(xué)紹興高等研究所，浙江 紹興 312300）

天然活性物質(zhì)在海洋防污領(lǐng)域表現(xiàn)出優(yōu)越的性能，并且滿足可持續(xù)發(fā)展要求，一般來自陸生植物和海洋真菌等。細(xì)菌、藻類等是主要的前期污損生物，對其進(jìn)行有效防除是海洋防污必須解決的問題之一。主要對酚醇類、酯類、生物堿、萜類、肽類天然產(chǎn)物及其衍生物的防污性能進(jìn)行了對比和總結(jié)，發(fā)現(xiàn)很多天然活性物質(zhì)對前期污損生物顯示出良好的殺滅活性。另外，將天然產(chǎn)物與一些官能團(tuán)或特殊基團(tuán)進(jìn)行接枝可以大幅提升防污性能。許多活性物質(zhì)的防污周期較短，無法滿足實(shí)際需求，對此可以通過工藝手段改良噴涂技術(shù)，以延長活性物質(zhì)的防污周期。目前，許多天然活性物質(zhì)的獲取及其衍生物的合成面臨著效率低、周期長、缺乏實(shí)海防污數(shù)據(jù)等諸多問題，這是阻礙其應(yīng)用的主要因素。提出通過合成生物學(xué)對結(jié)構(gòu)-活性尋找目標(biāo)活性物質(zhì)的設(shè)想，發(fā)現(xiàn)了污損生物的黏附機(jī)制，例如沉降繁殖體如何感知化學(xué)信號，如何與表面相互作用，以及在黏附和完成附著前經(jīng)歷了何種形態(tài)和行為的變化。對一些天然活性物質(zhì)的特點(diǎn)、作用方式及防污效果進(jìn)行了歸納和總結(jié)，分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，并對未來天然活性物質(zhì)防污的前景進(jìn)行了展望，提出了可行性解決方案。

海洋污損；前期污損；天然活性物質(zhì)；防污

污損生物在海洋設(shè)施表面的附著嚴(yán)重影響了海洋事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，每年造成約7億美元的經(jīng)濟(jì)損失[1]。在蛋白質(zhì)、多糖短時(shí)間形成基膜[2-3]后，肉眼不易發(fā)現(xiàn)的微型生物（如細(xì)菌、硅藻、原生動(dòng)物，以及輪蟲和線蟲等）在各類海洋設(shè)施表面附著[4]，形成了污損生物膜，稱為前期污損。微生物群落被包裹在一個(gè)自我分泌的細(xì)胞外基質(zhì)中，微型生物附著到一定程度會(huì)導(dǎo)致吸附聚集，從而滋生繁殖[5]，其分泌物會(huì)使這類微型生物更加牢固地吸附在設(shè)施外表面[6]。緊接著發(fā)生第2階段大型污損附著過程，許多以微型生物為食或者有密切聯(lián)系的生物（如海綿、牡蠣、藤壺、水螅等）會(huì)在設(shè)施表面聚集[7]。這些大型污損生物的附著會(huì)導(dǎo)致船舶的行駛速度減慢30%～40%[8]，同時(shí)增加了燃油的消耗。另外，網(wǎng)箱在養(yǎng)殖中承擔(dān)著重要的角色，污損生物的附著會(huì)堵塞網(wǎng)眼，造成養(yǎng)殖產(chǎn)品嚴(yán)重缺氧，且出現(xiàn)競爭食源。由此可見，防污方案的設(shè)計(jì)可從前期微生物附著入手，針對微型生物（如細(xì)菌、硅藻、原生動(dòng)物、輪蟲和線蟲等），通過減少黏附和限制生物膜的發(fā)育來達(dá)到防污目的。

隨著人們對環(huán)境保護(hù)的日益重視，有毒防污劑已不再適用于現(xiàn)代海洋防污的要求。例如，三丁基錫和砷類已被明令禁止使用[9-10]，氧化亞銅、氧化汞、敵草胺、敵草隆、Irgarol 1051、Sea-Nine 211[11]、吡啶硫酮鋅，以及一些醛類因?qū)Νh(huán)境有害且會(huì)影響人類健康，從而受到限制[12]。世界范圍內(nèi)的海洋生物污損問題愈發(fā)嚴(yán)重，造成的經(jīng)濟(jì)損失逐年增加，預(yù)計(jì)未來10年，總損失將達(dá)到每年10億美元[13]。由此可見，制定海洋污損生物的綜合管理策略愈發(fā)重要，這依賴于特定的環(huán)境、可持續(xù)的管理方法、防污劑的合理選用等。低表面能涂層、自拋光涂料、電化學(xué)防污、仿生防污涂料等策略[14]常用于污損生物的管理，但其效果不如防污涂料。發(fā)掘或合成新型、長效、低毒的防污劑是當(dāng)前海洋污損所面臨的難題。天然產(chǎn)物特定的化學(xué)結(jié)構(gòu)可用于構(gòu)建新型合成防污劑，為現(xiàn)代海洋事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供創(chuàng)新性和可行性的解決方案。

據(jù)了解，尚無相關(guān)研究總結(jié)天然活性物質(zhì)對前期污損微生物的防污作用的進(jìn)展。天然活性物質(zhì)廣泛存在于動(dòng)植物和微生物中[15]，并且一些活性物質(zhì)會(huì)同時(shí)對多種海洋污損生物產(chǎn)生抗性作用，例如辣椒素、單寧、紫羅蘭素、喜樹堿、魚藤酮和蛇床子素等，有效成分主要有脂肪酸、酯、萜類、生物堿、酮類和肽[16-19]等。由于天然產(chǎn)物具有獨(dú)特的化學(xué)結(jié)構(gòu)、良好的指向性和生物活性，因此可以在其基礎(chǔ)上開發(fā)性能優(yōu)越的防污劑。這里綜述了天然防污活性物質(zhì)的研究進(jìn)展，以前期污損生物為對象，研究其結(jié)構(gòu)、作用方式和機(jī)理，并對天然產(chǎn)物在海洋防污領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)行了展望，以期為新型防污劑的開發(fā)提供新的思路。

1 醇酚類

在脂肪族天然活性物質(zhì)中，醇類或酚類化合物廣泛存在于植物和微生物中，具有廣譜抗菌活性。某些烷基醇、烯醇及其衍生物都具有較好的防污效果，鏈長和雙鍵的位置與防污性能密切相關(guān)。如圖1a所示，紫杉醇（Terpiodiene）是從沖繩海綿中分離出來的一種無色油狀新型三環(huán)醇物質(zhì)[20]，具有2個(gè)C==C，且無羰基碳，對P388珊瑚蟲細(xì)胞的生長具有抑制活性，半抑制濃度（IC50）為18 mg/L。以Terpiodiene為中間體，合成了新的防污活性物質(zhì)——紫杉醇衍生物（Nakitriol，圖1b），通過細(xì)胞活性抑制試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，其IC50值為0.47 mg/L，且該化合物對紅螺菌有著較強(qiáng)的抑制效果。

Balansa等[21]從印度尼西亞海綿中分離出一種新的細(xì)胞毒性物質(zhì)——聚乙炔醇，在5 mg/L下48 h內(nèi)可致細(xì)胞死亡，其作用時(shí)間與致死濃度存在定量關(guān)系，當(dāng)質(zhì)量濃度升至10 mg/L時(shí)，24 h內(nèi)就可致細(xì)胞死亡。香芹酚、百里酚和丁香酚是天然植物精油的主要成分，其中香芹酚與其他植物精油相比，具有更高的抗菌活性[22]，主要原因是酚環(huán)中羥基的相對位置存在差異。這類化合物會(huì)影響細(xì)菌膜磷脂雙分子層的滲透機(jī)制，其次二羥基化的酚類化合物會(huì)破壞一些細(xì)菌的外膜。香芹酚和百里酚是最有效的真菌抑制劑[23]，通過阻斷微生物表面配體或使宿主細(xì)胞受體失活而發(fā)揮作用。目前，還無研究者將酚類化合物作為防污劑，因此亟需關(guān)鍵的實(shí)海測試數(shù)據(jù)及毒理性評估來驗(yàn)證其性能。

單寧化合物在生物試驗(yàn)和海洋環(huán)境中對眾多前期污損生物（如硅藻、海綿、腔腸動(dòng)物等）都有著較強(qiáng)的抑制活性[24]，經(jīng)過4個(gè)月的海洋掛板試驗(yàn)，含有單寧化合物的樣品表面生物附著不明顯，而空白組的覆蓋率達(dá)到50%。這可能是因單寧類化合物對海洋污損生物產(chǎn)生了神經(jīng)毒性，從而達(dá)到了麻痹和驅(qū)離的效果，尤其是對褐藻的無節(jié)段有著較強(qiáng)的麻醉作用[25]。由于該試驗(yàn)在10 cm×16 cm丙烯酸瓷磚表面進(jìn)行，不能排除污損生物與其表面本身的結(jié)合力較低，從而發(fā)生低污損現(xiàn)象，因此需要增加試驗(yàn)對象的種類，以獲得各種浸沒表面的防污數(shù)據(jù)。來自植物豆莢的塔拉單寧（圖2）由沒食子酸基本單元組成[26]，這些基本單元通過酯與奎寧酸相連[27-29]，能夠有效防止海鞘、硅藻、蛇足類和苔蘚蟲的附著生長，相較于空白組，具有90%的防污率。由于天然單寧物質(zhì)在水中的溶解度較高，且易分解為單寧酸（TA），因此TA可能是預(yù)示污損生物聚集的一種化學(xué)信號，可以利用此特點(diǎn)使污損生物遠(yuǎn)離附著部位，阻止污損生物擴(kuò)大附著區(qū)域，從而延遲或阻止污損生物的附著和生長。將TA作為防污劑添加到涂料中時(shí)，TA很容易擴(kuò)散流失[30]，無法達(dá)到長效防污的目的，為此可以考慮與金屬離子（如Cu2+、Mg2+、Zn2+等）進(jìn)行螯合，通過改變化合物體積和表面電荷來降低其溶解度。加入Cu2+螯合，形成了單寧酸銅TA-Cu，基于TA-Cu的刺激響應(yīng)性，會(huì)發(fā)生局部腐蝕反應(yīng)，從而誘導(dǎo)TA-Cu分解釋放TA分子，可有效抑制腐蝕的擴(kuò)展，具有積極的防腐作用[31]。若加入極少量的Zn2+，形成單寧酸鋅[32]，則所形成的絡(luò)合物在水中的溶解度將大大降低。需要指出的是，這里的金屬離子只起螯合作用，并不會(huì)直接參與防污殺菌作用。通過實(shí)海測試發(fā)現(xiàn)，單寧酸鋅對鹵蟲幼蟲有很好的防污效果，對前期污損生物具有很好的抑制作用，海洋掛板的有效期長達(dá)8個(gè)月。值得一提的是，單寧酸和肉桂醛表現(xiàn)出協(xié)同作用[33]，可見多種天然產(chǎn)物的有效組合也是一種可行性方案。

圖2 單寧及奎寧酸結(jié)構(gòu)式[26]

2 酯類

天然酯活性物質(zhì)的結(jié)構(gòu)較簡單，一些市售酯類殺蟲產(chǎn)品具有較好的防污活性，擬除蟲菊酯類的半數(shù)效應(yīng)濃度（EC50）為0.031 6～87 mg/L。其中，氯氰菊酯（圖3a）和高活性氯氰菊酯（圖3b）具有較好的防污效果。值得一提的是，后者的性能與TBTCl相當(dāng)[34]，且不會(huì)污染環(huán)境。擬除蟲菊酯的防污活性可能與α-碳位的氰基表達(dá)密切相關(guān)[35]，因此擬除蟲菊酯作為防污劑具有較大的潛力。除此之外，還需考慮擬除蟲菊酯是否符合緩慢釋放的要求，以及防污時(shí)效等因素。

內(nèi)酯是一類疏水化合物，可變的側(cè)鏈和基團(tuán)是其最顯著的特點(diǎn)。常見的海洋細(xì)菌、海綿[36]等會(huì)產(chǎn)生內(nèi)酯毒素。海洋細(xì)菌衍生物丁烯內(nèi)酯可有效阻止假單胞菌類的黏附[37]，采用3D示蹤技術(shù)觀察活細(xì)菌的運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)發(fā)現(xiàn)，丁烯內(nèi)酯能加快目標(biāo)生物游動(dòng)速度，影響能量代謝相關(guān)蛋白的活動(dòng)和表達(dá)[38]。隨著丁烯內(nèi)酯含量的增加，靠近設(shè)施表面的浮游細(xì)菌（假單胞菌）的密度降低，引起假單胞菌的適應(yīng)性反應(yīng)，從而導(dǎo)致黏附力降低，將其驅(qū)離，以達(dá)到防污的效果，且不會(huì)對該污損菌造成不可逆的毒害作用。由此可見，針對典型的前期污損生物開展防污模擬試驗(yàn)顯得尤為必要，控制表面防污活性物質(zhì)的釋放劑量將是此方案的研究重點(diǎn)。近年來，將丁烯內(nèi)酯引入可降解聚合物中，開發(fā)出一系列環(huán)保防污產(chǎn)品[39-42]，可降解聚合物表面的更新能力強(qiáng)，是丁烯內(nèi)酯的理想載體，它能控制釋放速率。特別是聚乳酸（PLA），通常來源于玉米、小麥和甘蔗等農(nóng)作物，可以完全降解為無毒的二氧化碳和水[37]，最終返回環(huán)境中。從夾竹桃中分離的2種卡烯內(nèi)酯（圖3c—d）對鹽藻表現(xiàn)出中等毒性[43]，其半數(shù)致死濃度（LC50）分別為17.23和28.07 mg/L，它對于非目標(biāo)物種基本無毒，很可能是因活性物質(zhì)抑制了生物酶Na+?K+-ATPase而發(fā)揮作用[44]，其苷元的骨架結(jié)構(gòu)對于防污活性至關(guān)重要，C-17上五元或六元不飽和內(nèi)酯環(huán)是化合物具有防污活性的因素。

圖3 2種氯氰菊酯及卡烯內(nèi)酯結(jié)構(gòu)式

一些內(nèi)酯毒素充當(dāng)天然肌動(dòng)蛋白結(jié)合的仿生分子，從而影響肌動(dòng)蛋白的合成[45]，還有的作用于不同的細(xì)胞骨架成分。細(xì)胞骨架的破壞會(huì)影響細(xì)胞運(yùn)動(dòng)和胞質(zhì)分裂，甚至導(dǎo)致細(xì)胞死亡。盡管許多內(nèi)酯化合物表現(xiàn)出抗病毒、抗寄生蟲和抗真菌[46]的活性，但其本質(zhì)上有毒，因此將內(nèi)酯用作防污劑必須建立在其毒理性評估基礎(chǔ)之上。大環(huán)內(nèi)酯具有廣譜抗菌活性，其中的阿維菌素和伊維菌素主要作用于氯離子通道受體，通過影響離子通道控制氯離子進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部[47]，引起細(xì)胞膜超極化，從而達(dá)到抑制或毒殺污損生物的目的。由于此種防污劑的價(jià)格高昂，因此不適于實(shí)際防污涂料的生產(chǎn)。從深海真菌DFFSCS021中分離出的trichobotryside活性物質(zhì)[48-49]能高效抑制和幼蟲的附著，它是含4個(gè)不飽和雙鍵的化合物（圖4a）。針對上述2種污損生物，其半數(shù)效應(yīng)劑量（EC50）分別為7.3、2.5 mg/L，LC50與EC50的比值（物質(zhì)對環(huán)境生物產(chǎn)生毒性的值）分別為40.5和37.4。另外一種18元大環(huán)二內(nèi)酯（圖4b）能抑制幼蟲的附著[50]，其EC50值為9.2 mg/L，同時(shí)LC50與EC50的比值>100，上述化合物的防污活性可能與其不飽和鍵的位置，以及1個(gè)甲基雙峰、3個(gè)亞甲基雙峰密切相關(guān)，其中羥基、順式烯酮片段、丙酮叉片段可能是起到防污作用的關(guān)鍵基團(tuán)[51]。適合商業(yè)用途的天然防污劑的EC50值應(yīng)該大于25 mg/L[52]，而LC50與EC50的比值>15的防污化合物通常被認(rèn)為無毒，因此從深海真菌中獲得的防污活性物質(zhì)有著良好的應(yīng)用前景。

圖4 2種大環(huán)內(nèi)酯結(jié)構(gòu)式[49-50]

3 生物堿類

作為海洋防污活性物質(zhì)的生物堿是一類含氮堿性有機(jī)物，以植物居多，一般具有復(fù)雜的化學(xué)結(jié)構(gòu)[53]。例如，辣椒堿、蘆竹堿、2-溴蘆竹堿等都具有較好的防污活性，它們存在一些復(fù)雜的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，使其可供修飾、引入官能團(tuán)和側(cè)鏈。楊保平等[54]在蘆竹堿（圖5a）的基礎(chǔ)上合成了新型二羥基蘆竹堿（圖5b），掛板試驗(yàn)結(jié)果表明，新型二羥基蘆竹堿對前期污損生物藻類的效果顯著。蘆竹堿類化合物主要影響前期污損設(shè)施表面生物黏膜的形成，化合物中的羥基官能團(tuán)促使Ca2+釋放，還有一種可能是它限制了Ca2+向細(xì)胞內(nèi)的流動(dòng)，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)Ca2+的濃度降低。細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度的變化控制著肌肉的收縮，故該濃度的變化極有可能是活性物質(zhì)起到防污效果的關(guān)鍵因素。辣椒素（圖5c）是從辣椒中分離出的香草基胺的酰胺衍生物植物堿[55]，其結(jié)構(gòu)中的芐酰胺結(jié)構(gòu)片段（如圖5c中標(biāo)注框所示）是起到防污效果的關(guān)鍵，辣椒素具有高效、廣譜、低毒、綠色等特點(diǎn)，可以有效驅(qū)離污損生物，從而阻止污垢的附著，而不是直接毒殺目標(biāo)生物[56]，是一種典型的綠色天然防污活性物質(zhì)。由于辣椒素的防污有效期較短且無法緩慢釋放，所以未能真正用于實(shí)際。對此，有人設(shè)計(jì)了火焰噴涂高密度聚乙烯?辣椒素復(fù)合涂層[57]，辣椒素粉末被聚合物基質(zhì)固定并均勻分布，辣椒素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)被控制在2.0%（或體積分?jǐn)?shù)為1.6%）以內(nèi)，從而達(dá)到長效防污的目的。另外，辣椒素對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、三角褐指藻的抑制效果良好，但還需對其他前期污損生物進(jìn)行活性抑制試驗(yàn)。如果滿足廣譜抗菌要求，那么這種防污方案將是不錯(cuò)的選擇。夾竹桃科可產(chǎn)生吲哚類生物堿（圖5d），而蕓香科可產(chǎn)生呋喃喹啉類生物堿（圖5e），它們均對硅藻類具有較好的防污效果[58]，其EC50值分別為1.78、3.86 nmol/cm2，實(shí)際防污效果優(yōu)異。目前，關(guān)于生物堿的活性作用機(jī)制的報(bào)道相對較少，但因它具有可嵌入平面結(jié)構(gòu)及可供修飾開發(fā)等特點(diǎn)，從而備受關(guān)注。為此還需進(jìn)一步對其防污機(jī)制進(jìn)行研究，為未來指導(dǎo)開發(fā)更加高效低毒的防污活性物質(zhì)提供參考。作為典型的呋喃喹啉堿[59]，具有良好的防污活性，與其結(jié)構(gòu)相似的也表現(xiàn)出防污特點(diǎn)，由此可在天然活性物質(zhì)的基礎(chǔ)上根據(jù)結(jié)構(gòu)?活性關(guān)系，開發(fā)滿足實(shí)際應(yīng)用的功能化合物。從紅海海鞘附生細(xì)菌菌株UST4-50中分離出的8種二甲烷家族的雙吲哚產(chǎn)物（1H-indol-3-yl）[60]均能抑制幼蟲的沉降，其EC50值為0.63～5.68 mg/L，且毒性較低。根據(jù)這些天然代謝物和乙?；苌锏姆牢刍钚詳?shù)據(jù)，猜測其共同部分（圖5f）可能是保證可逆防污性能的重要官能團(tuán)[61]。值得一提的是，酚羥基的存在顯著增強(qiáng)了防污活性。另外，從海洋衍生真菌中分離的二酮哌嗪生物堿（圖5g）同樣具有抑制幼蟲附著的特性[62]，其EC50值為14.99 mg/L，可以利用海洋生物膜和Microtox測定法評估其防污活性和毒性。值得注意的是，與商業(yè)防污劑相比，此種生物堿對細(xì)菌菌株表現(xiàn)出顯著的抗黏附活性，且無毒。由此可見，天然生物堿作為防污活性物質(zhì)，在海洋防污領(lǐng)域有著巨大的潛力。

圖5 生物堿類防污活性物質(zhì)結(jié)構(gòu)式

4 萜類

萜類包括所有的異戊二烯及其衍生物，它們廣泛存在于植物界及海洋生物體內(nèi)。多烯紫杉醇是一類三環(huán)二萜化合物[63]，將其作用于對數(shù)生長期的目標(biāo)生物，能抑制細(xì)胞周期，并使微管蛋白和蛋白二聚體失去動(dòng)態(tài)平衡，從而影響微管的穩(wěn)定性，并抑制細(xì)胞的有絲分裂，促使細(xì)胞凋亡[64]。紫杉醇具有突出的抗癌效果，但是它在植物中的含量相當(dāng)?shù)蚚65]，這就要求通過生物合成來提高其產(chǎn)率。目前，生物合成紫杉醇的初步框架已經(jīng)基本成熟，但其反應(yīng)過程中的羥化酶（如環(huán)氧化物酶等）尚未被研究透徹。來自植物角果木中的二萜類及三萜類化合物抑制污損生物附著的效果顯著，二萜類化合物和的活性高于三萜類化合物和這有可能是因型二萜的特殊結(jié)構(gòu)——第1、2位為烯醇式，以及第4、18位為雙鍵，這會(huì)影響目標(biāo)生物的活性氧含量。喜樹堿是一種細(xì)胞毒性喹啉類生物堿，它能抑制DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶，從而進(jìn)一步抑制DNA拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的構(gòu)象變化，具有較強(qiáng)的細(xì)胞毒性。實(shí)海掛板試驗(yàn)結(jié)果表明，其防污有效期高達(dá)9個(gè)月，并且在塑料材質(zhì)上的防污效果優(yōu)于金屬表面[56]。從大型海洋藻類中分離的萜類[66]活性物質(zhì)主要通過干擾細(xì)胞膜的滲透性和蛋白質(zhì)的合成來抑制菌絲生長發(fā)育，以及孢子的形成和萌發(fā)，從而達(dá)到防污效果。另外，許多萜類化合物可作為阻食劑和毒性物質(zhì)對污損生物產(chǎn)生阻食和毒害作用，且不會(huì)對環(huán)境產(chǎn)生不良影響。從海洋放線菌PK209中分離的Lobocompactol（圖6a）對和藻類[61]表現(xiàn)出顯著的防污效果，其EC50值分別為0.18、0.43 mg/L，其LC50與EC50的比值分別為46.2、71.6，因此該萜類化合物有望成為治理海洋污損藻類的特效活性物質(zhì)。同時(shí)，該化合物對污損細(xì)菌銅綠假單胞菌KNP-5及KNP-8的生長也有抑制作用[67]，其最低抑菌濃度（MIC）分別達(dá)到6、12 mg/L。此外，從紅藻附生絲狀細(xì)菌中獲取的2種甾醇（圖6b～c）化合物[68]也具有突出的防污效果，它們極大可能通過抑制目標(biāo)污損生物U.pertusa游動(dòng)孢子的沉降來達(dá)到防污效果，其EC50值分別為1.2、2.1 mg/L，對于，其EC50值分別為5.2、7.5 mg/L。從軟珊瑚中分離得到的活性物質(zhì)對苔蘚幼蟲沉降的抑制作用較明顯[69]，然而C-13處羥基的存在大大影響了其防污效果，因此可通過人工手段接枝或者去除該官能團(tuán)來增強(qiáng)目標(biāo)化合物的防污活性。從南海柳珊瑚[70]中分離的2種萜類（圖6d～e），其EC50值分別為5.6、10 mg/L，LC50與EC50的比值分別為33.3、20，出現(xiàn)這種差異的原因在于官能團(tuán)—OH和—OAc的位置，前者第2位C上是—Oac，而后者為—OH。不可否認(rèn)的是，從海洋微生物中分離的防污活性物質(zhì)具有化學(xué)結(jié)構(gòu)多樣性和獨(dú)特性。如果從海洋環(huán)境中大量采集無脊椎動(dòng)物或藻類，則會(huì)影響海洋生態(tài)環(huán)境的平衡，并造成潛在危害，甚至降低生物多樣性。相反，如果通過培養(yǎng)微生物或基因工程手段來獲取有效防污活性物質(zhì)，則能有效避免該問題。

圖6 萜類防污活性物質(zhì)結(jié)構(gòu)式

5 肽類

D-氨基酸是肽類天然物質(zhì)中主要的防污活性物質(zhì)[71]，能夠抑制前期污損生物膜的形成，而抗菌肽的抑菌機(jī)制主要分為膜損傷和胞內(nèi)物質(zhì)損傷。Doiron等[72]從雪蟹殼水解液中提取出抗菌肽SCAMPs，此類抗菌肽會(huì)影響污損生物膜與天然有機(jī)物（NOM）的相互作用，形成一種調(diào)節(jié)膜SCAMPs-NOM，從而改變浸水材料表面的理化性質(zhì)，導(dǎo)致細(xì)胞的活性降低、細(xì)胞結(jié)構(gòu)改變，進(jìn)而抑制生物膜的形成和發(fā)育。值得一提的是，D-酪氨酸、D-亮氨酸、D-色氨酸和D-蛋氨酸[73]的存在可以抑制液體介質(zhì)及固體表面上生物膜的形成，但其最低抑制濃度還未確定，對海洋環(huán)境是否有負(fù)面影響還需進(jìn)一步驗(yàn)證。此外，末端甲殼類雪藍(lán)蛋白產(chǎn)生的多肽片段[74]也被證實(shí)具有防污活性，肽類活性物質(zhì)可能與前期污損生物膜相互作用，選擇性地破壞膜內(nèi)某些物質(zhì)或結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響生物膜的整體結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性，從而達(dá)到防污效果。與從陸地來源分離的肽相比，從海洋環(huán)境中提取的肽具有不同的功能和結(jié)構(gòu)，大多數(shù)從海洋環(huán)境中分離的生物活性化合物是從共生微生物[75]中獲得的，所以細(xì)菌是生物活性肽的重要來源。海洋底棲絲狀藻類的4種次級代謝產(chǎn)物屬于混合結(jié)構(gòu)型多肽，能顯著抑制藻類的生長，其EC50值分別為0.003、0.54、2.6、10.6 mg/L，其中效果最佳的化合物dolastatin16表現(xiàn)出低毒性，其LC50與EC50的比值大于6 000。dolastatin16是一種大環(huán)二肽[76]，通過延長肽鏈，能高效且可拓展地合成偶聯(lián)并環(huán)化的大環(huán)框架，合成的中間體1、2（圖7a～b）和dolastatin 16（圖7c）都具有較好的防污效果。此外，將防污活性物質(zhì)與低表面能材料結(jié)合也是當(dāng)下研究的熱點(diǎn)，來自中藥紫花地丁的大環(huán)寡肽與不銹鋼表面結(jié)合[77]形成的表面層的防污效果良好。目前，針對天然肽類的防污活性、機(jī)制和毒理學(xué)的研究相對較少，未來還需要進(jìn)一步探索。

圖7 3種多肽類防污活性物質(zhì)結(jié)構(gòu)式

6 結(jié)語

在尋找可作為防污產(chǎn)品的候選化合物時(shí)，EC50和LC50/EC50經(jīng)常被用作評價(jià)其活性和毒性的標(biāo)準(zhǔn)，EC50值低于25 mg/L，或LC50與EC50的比值大于15的化合物通常被定義為低毒防污劑，更低的EC50值和更高的LC50/EC50值是篩選合適海洋防污活性物質(zhì)時(shí)需遵循的一個(gè)重要原則。另外，一種有前景的防污活性物質(zhì)還需具有廣譜抗生活性，其溶解度和穩(wěn)定性也必須符合緩慢釋放原則，以期達(dá)到長效防污的目的。綜述了多種性能優(yōu)異的天然防污活性物質(zhì)及其衍生物，例如從紅藻中提取的生物堿，從蟹殼中分離純化得到的肽類化合物，以及一些萜類化合物等，均表現(xiàn)出優(yōu)異的防污活性，它們對于具有代表性的污損微生物（如海洋細(xì)菌、藻類和藤壺幼蟲等）均具有良好的防污性能。這類污損生物也是前期污損發(fā)生時(shí)需要預(yù)防和治理的對象，如果能有效控制前期污損的形成和發(fā)展，防止污損生物膜的形成，則會(huì)大大減緩海洋污損帶來的損失。

雖然天然防污劑具有高效、綠色、低毒等優(yōu)點(diǎn)，但大規(guī)模生產(chǎn)天然防污劑面臨著諸多困難。例如，從陸生植物中提取天然活性物質(zhì)的周期較長且效率較低。若大量采集海洋無脊椎動(dòng)物或藻類，則會(huì)破壞海洋的生態(tài)平衡，減少生物多樣性。如果能夠選擇培養(yǎng)海洋微生物，并從中獲取防污活性物質(zhì)，則會(huì)有效避免該問題。另外，利用合成生物學(xué)方法來獲取目標(biāo)化合物，可以大規(guī)模生產(chǎn)，且周期短、成本較低，在未來開發(fā)天然防污劑方面有著巨大潛力。需要在分子和生理水平上深刻了解污染生物的幼蟲和孢子的沉降和黏附機(jī)制，如沉降繁殖體如何感知化學(xué)信號，如何與表面相互作用，以及在黏附和完成附著前經(jīng)歷了何種形態(tài)和行為變化。在找出具有較高LC50/EC50比值、化學(xué)結(jié)構(gòu)相對簡單的有效化合物（如辣椒素、蘆竹堿、喜樹堿、塔拉單寧和丁烯內(nèi)酯等）后，可從結(jié)構(gòu)?活性關(guān)系出發(fā)尋找類似物，借此可能會(huì)發(fā)現(xiàn)活性更高、更易于化學(xué)合成的天然防污活性物質(zhì)。烷基異氰化類物質(zhì)是將天然產(chǎn)物衍生用于防污涂料的一個(gè)例子。找尋綠色防污劑的方式將會(huì)更加便捷，且會(huì)極大提高滿足預(yù)期效果的可能性。

目前，針對天然防污化合物的研究還處于初級階段，未來需要解決以下問題：如何有效構(gòu)建并合成一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的活性物質(zhì)，需要結(jié)合微生物遺傳技術(shù)、代謝組學(xué)、合成生物學(xué)等策略來生產(chǎn)足夠多的目標(biāo)化合物；截至目前報(bào)道的很多對海洋污損生物有著高效防污性能的化合物，大多都停留在實(shí)驗(yàn)室測試階段，因此需要將這些具有前景的化合物應(yīng)用于實(shí)際海洋環(huán)境，在實(shí)海數(shù)據(jù)的支撐下開發(fā)滿足實(shí)際應(yīng)用的活性物質(zhì)；目前對于篩選出的眾多有效活性物質(zhì)在海洋環(huán)境中是否易降解，以及是否會(huì)在生物體內(nèi)積累等問題還不清楚，因此需要進(jìn)一步完善化合物的毒理評價(jià)。相信在不久的將來，更加廣譜、綠色、低毒性的天然活性物質(zhì)防污劑會(huì)得到進(jìn)一步開發(fā)和應(yīng)用。

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Research Progress of Natural Active Substances in Marine Antifouling

1a,1b,2,3,1,2,3*

(1. a. School of Chemistry, Chemical Engineering and Life Science, b. School of Resources and Environmental Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China; 2. Sanya Science and Education Innovation Park, Wuhan University of Technology, Hainan Sanya 572024, China; 3. Shaoxing Advanced Research Institute, Wuhan University of Technology, Zhejiang Shaoxing 312300, China)

The attachment of marine fouling organisms on the surface of marine facilities poses great difficulties and challenges to the marine business. Low surface energy, electrochemical antifouling and biocide-releasing coatings are common antifouling methods, which mainly prevent marine organisms from fouling by gradual leaching of antifouling agents (poisons) in the paint film.

However, the long-term use of cuprous oxide, tin-containing compounds or other highly toxic biocides will damage the marine ecological environment and make some fouling organisms resistant. On the contrary, natural active substances have outstanding performance in the field of marine AF and meet the requirements of sustainable development of the marine environment. Microorganisms such as bacteria, diatoms, rotifers and nematodes are the main pre-fouling organisms and their effective control is one of the problems that must be solved in marine AF.

The work aims to summarize and classify the AF properties of various natural products including their derivatives. Many natural active substances show good killing activity against pre-fouling organisms, such as aliphatics, esters, alkaloids, terpenes and peptides, etc. The structures and functional groups that mainly play an AF role are drawn and elucidated. Some active substances and their derivatives take effect by driving away and anesthetizing the fouling organisms. Others directly poison the target organisms to achieve the purpose of prevention and control. Grafting these natural products with some functional groups or special structures can greatly improve the AF activity. In addition, the spraying technology can be changed by technological means so that the active substances can better meet the characteristics of long-term AF. Environmental risks, economic practicality and practical operability should also be taken into consideration. Generally speaking, natural active substances that have EC50<25 mg/L and LC50/EC50>15 are suitable to be used as green and low toxicity biocides. The combination of a stable carrier with an efficient, low-toxicity and biodegradable AF agent allows for better management of the fouling population. A major difficulty in the commercialization of these active compounds for the marine coatings industry is the problem of abundant supply. Marine microbes have recently attracted more attention due to many benefits to industry, including the potential to provide large amounts of AF compounds through fermentation and genetic modification of source organisms which have the ability to regenerate resources. For the pre-fouling organisms, it is of great practical significance to study the metabolic mechanism, mode of action and target of action of biocides. Specific molecular structures can serve as hubs for structurally efficient natural products and synthetic substances.

At present, the discovery or synthesis of new, high-efficiency and low-toxicity AF agents is a difficult project facing the current integrated management of marine fouling. The acquisition of natural active substances and the synthesis of their derivatives are faced with many problems, such as low efficiency, long cycle and lack of support from actual marine pollution prevention data, which have become a major obstacle to their application. This review has summarized the characteristics, modes of action and AF effects of some natural active substances and analyzed their advantages and disadvantages. Finally, the development trend of natural active substances AF is prospected and feasible solutions are proposed.

marine fouling; pre-fouling; natural active substances; antifouling

2022-08-09；

2022-11-22

TG174.4

A

1001-3660(2023)10-0064-11

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.10.005

2022-08-09；

2022-11-22

國家中組部“青年千人計(jì)劃”（40127002）；三亞崖州灣科技城管理局重點(diǎn)項(xiàng)目（SKJC202001004）

"Young Thousand Talents Program" of the Organization Department of the CPC Central Committee (40127002); Key Project of Sanya Yazhou Bay Science and Technology City Administration (SKJC202001004)

劉俊, 鄭恒, 高子涵, 等. 天然活性物質(zhì)在海洋防污中的研究進(jìn)展[J]. 表面技術(shù), 2023, 52(10): 64-74.

LIU Jun, ZHENG Heng, GAO Zi-han, et al. Research Progress of Natural Active Substances in Marine Antifouling[J]. Surface Technology, 2023, 52(10): 64-74.

通信作者（Corresponding author）

責(zé)任編輯：彭颋