海洋生物在船底安家，每年給運(yùn)輸業(yè)帶來巨大損失！直到這個(gè)辦法…

一塊光禿禿的礁石，斗轉(zhuǎn)星移之間，不斷有生物前來定居，最終被多種生物覆蓋。這樣的情景會(huì)讓人感嘆這大自然的小小奇跡。

可對(duì)運(yùn)輸行業(yè)的朋友來說，這種現(xiàn)象讓他們頭痛無比。因?yàn)槿绻@些小小的生物選錯(cuò)了住處，就成了“海洋生物污損”。海洋生物污損是指船舶、海上平臺(tái)、養(yǎng)殖網(wǎng)箱等海洋結(jié)構(gòu)物表面定殖微生物、藻類及藤壺等水生生物的現(xiàn)象。

這些船底生長(zhǎng)的藤壺、貽貝、海藻等生物會(huì)顯著增加船舶的摩擦力，即便是船底生物污損形成初期生長(zhǎng)的黏液膜，也能使船體保持原有速度所需的動(dòng)力增加 11%，并導(dǎo)致溫室氣體排放增加 25%-30%。而藤壺、貽貝等形成的硬質(zhì)污損極端情況下甚至可能導(dǎo)致高達(dá) 86%的動(dòng)力損失[1,2]。

全球產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟統(tǒng)計(jì)，生物污損每年使船舶的燃料消耗增加 30%-50%[3]。可想而知，放任海洋生物污損的蔓延將嚴(yán)重制約世界和我國(guó)的海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)。

圖1 海洋生物污損的發(fā)展過程[5]

然而我們看到一些船舶在海里航行，表面總是光滑干凈，不會(huì)長(zhǎng)滿藤壺和貝類，這其實(shí)得益于一種防污漆。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研報(bào)告（ Grand View Research ），2023 年銅基防污漆在全球市場(chǎng)中的份額占比 45.8%，而亞太地區(qū)對(duì)防污漆的支出占據(jù)了全球的 70.3%[6]。

目前防污漆是最為常用且有效的方法，但是防污漆在帶給我們便利的同時(shí)也會(huì)存在一些生態(tài)安全隱患。越來越多的證據(jù)表明，銅基防污涂層對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的慢性毒性和累積效應(yīng)。

圖2 工人將含銅的防污漆噴涂在船體上以防止海洋生物附著[7]

銅與海洋生物的微妙關(guān)系

銅是海洋生物必需的微量元素，在許多生物學(xué)過程中發(fā)揮著重要作用。它是多種酶的組成部分，如細(xì)胞色素 C 氧化酶和超氧化物歧化酶，參與氧化還原反應(yīng)、能量代謝和細(xì)胞呼吸等關(guān)鍵生理過程。對(duì)不少無脊椎動(dòng)物如部分甲殼類、軟體動(dòng)物而言，銅還與血藍(lán)蛋白相關(guān)；但對(duì)魚類，主要載氧體系仍以鐵—血紅蛋白為核心，銅更多體現(xiàn)為酶學(xué)與代謝層面的必需元素。此外，銅有助于增強(qiáng)免疫系統(tǒng)功能，幫助海洋生物抵御感染。

然而，盡管銅對(duì)生物體至關(guān)重要，過量的銅會(huì)對(duì)海洋生物產(chǎn)生毒性。當(dāng)?shù)械你~濃度達(dá)到 13 μg/L 時(shí)，可能導(dǎo)致科霍鮭的感官能力喪失超過 50%[8]；在銅濃度為 0.5 mg/L 時(shí)，暴露于此濃度的梭子蟹孵化的幼體數(shù)量顯著減少，同時(shí)低色素眼睛的發(fā)生率明顯上升[9]。甚至銅吡啶硫酮（CuPT）也能在低于溶解銅安全濃度的情況下，導(dǎo)致虹鱒魚幼體的死亡[10]。

在海洋環(huán)境中，銅離子會(huì)通過物理、化學(xué)和生物多重機(jī)制在沉積物中積累。銅離子可以與沉積物中的礦物或有機(jī)物發(fā)生相互作用，形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，從而使銅能夠在沉積物中保持較長(zhǎng)時(shí)間。同時(shí)某些浮游生物、貝類和其他海洋生物可能會(huì)吸收銅，隨后通過排泄或死亡釋放到沉積物中，進(jìn)一步增加了銅在沉積物中的積累。

當(dāng)環(huán)境變化時(shí)，比如船只航行產(chǎn)生的水流或錨定作業(yè)、漁業(yè)活動(dòng)等干擾，均會(huì)引起海底沉積物的波動(dòng)，進(jìn)而促使沉積物中銅的釋放，引起海洋局部環(huán)境銅含量急速增加，產(chǎn)生生物中毒事件。因此雖然大海廣袤，但在相對(duì)封閉的海域中，“防污漆”釋放的銅不只是短期毒性，而是帶來了持久且長(zhǎng)期的生態(tài)威脅。

自工業(yè)革命以來，表層海洋已吸收了人為排放二氧化碳的四分之一，導(dǎo)致表面 pH 值平均下降了約 0.1 個(gè)單位，這相當(dāng)于氫離子濃度增加了大約 30%[11]。傳統(tǒng)層面認(rèn)為海洋酸化會(huì)減緩珊瑚、浮游軟體動(dòng)物、有孔蟲、鈣藻和貝類的鈣化過程，增加溶解風(fēng)險(xiǎn)，削弱它們的殼體和骨架等。除此之外，海洋酸化還會(huì)顯著加劇銅的毒性，放大銅暴露的生態(tài)影響。

預(yù)計(jì)到 2099 年，敏感海洋生物的毒性閾值將下降約 50%，這意味著現(xiàn)有銅污染所帶來的生態(tài)影響將翻倍[12]。氣候驅(qū)動(dòng)因素與銅的生物地球化學(xué)相互作用，構(gòu)成了一個(gè)顯著但尚未充分認(rèn)識(shí)的機(jī)制，可能會(huì)加劇人類活動(dòng)對(duì)沿海生態(tài)系統(tǒng)的壓力，尤其是那些已經(jīng)受到銅污染的工業(yè)化港口和河口地區(qū)。

法規(guī)與替代方案

在 20 世紀(jì) 50 年代，荷蘭科學(xué)家發(fā)現(xiàn)三丁基錫（Tributyltin，TBT）的防污特性，這種化合物是當(dāng)時(shí)最有效的防污殺生劑，這使得它在全球范圍內(nèi)受到歡迎。

然而在 1970 年代末和 1980 年代初，法國(guó)阿爾卡雄灣的牡蠣養(yǎng)殖遭遇了嚴(yán)重的殼體變形、生長(zhǎng)障礙和繁殖失敗。這不僅導(dǎo)致了牡蠣市場(chǎng)價(jià)值的大幅下降，還導(dǎo)致了牡蠣幼蟲的完全喪失。同樣在英國(guó)進(jìn)行的多項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn)，TBT 的使用與海洋腹足類動(dòng)物雄性性器官的發(fā)育障礙之間存在強(qiáng)烈的相關(guān)性，這被歸因于 TBT 會(huì)干擾軟體動(dòng)物內(nèi)分泌系統(tǒng)。

2008 年，國(guó)際海事組織在全球范圍內(nèi)禁止使用 TBT 防污涂料。這一變化最終導(dǎo)致以銅為基礎(chǔ)的防污體系的復(fù)興，其中銅基涂料主要包含亞銅氧化物（Cu2O）、亞銅硫氰酸鹽（CuSCN）或金屬銅作為殺生劑。然而，隨著含銅防污漆的廣泛應(yīng)用，部分碼頭海水中的銅含量超標(biāo)，引發(fā)了人們對(duì)防污替代品潛在風(fēng)險(xiǎn)的日益擔(dān)憂。美國(guó)華盛頓州正考慮在 2026 年禁止銅含量超過 0.5%的防污涂料用于休閑船艇。隨著綠色海洋經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，銅基“防污漆”的命運(yùn)具有較大的不確定性。

在“雙碳”戰(zhàn)略的指引下，綠色防污研究已成為未來發(fā)展的主流方向，中國(guó)科學(xué)院海洋研究所海洋關(guān)鍵材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究者們就正在積極探索無毒、低污染的替代材料和技術(shù)。

例如，利用植物和動(dòng)物來源的天然殺生劑替代傳統(tǒng)的有毒防污劑（圖 3）；模仿荷葉、鯊魚皮等具有微納米結(jié)構(gòu)的表面設(shè)計(jì)，來減少生物附著；通過整合微觀尺度的兩親性表面、表面潤(rùn)滑和靜電排斥等多重作用，設(shè)計(jì)具有較大應(yīng)用潛力的防污涂層。此外，基于光催化和電催化技術(shù)的防污方法也成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。這些創(chuàng)新推動(dòng)了防污技術(shù)的綠色轉(zhuǎn)型，為實(shí)現(xiàn)環(huán)保目標(biāo)提供了新的技術(shù)路徑。

圖3 咖啡渣提取物調(diào)控CeO2光催化殺菌防污活性[13]

對(duì)綠色防污技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的持續(xù)投入，高校和科研院所的優(yōu)勢(shì)資源的整合攻堅(jiān)，不同國(guó)家間的技術(shù)交流與資源共享等，將加速創(chuàng)新成果的全球推廣與應(yīng)用。這些舉措將有助于打造更加綠色、環(huán)保的防污技術(shù)體系。

總結(jié)

總體而言，雖然銅基防污漆在保護(hù)船舶航行性能方面發(fā)揮了重要作用，但其對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境和人類健康的潛在威脅不容忽視。隨著銅污染的積累和氣候變化的疊加效應(yīng)，我們亟需探索更為環(huán)保的替代方案，以減少銅對(duì)海洋生物的毒害以及對(duì)食物鏈的影響。

未來，政府、科研機(jī)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)界的共同努力，推動(dòng)綠色、安全防污技術(shù)的實(shí)施落地，在保護(hù)海洋生態(tài)的同時(shí)，也保障人類的食品安全與健康。

參考文獻(xiàn)

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[9]Z. Valeria et al., Environ. Toxicol. Chem. 20, 7 (2001).https://doi.org/10.1002/etc.5620200723

[10]C. Bourdon et al., Peer Community J. 4, e6 (2024).https://doi.org/10.24072/pcjournal.358

[11]https://sciencenotes.org/ocean-acidification-definition-causes-effects

[12]https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.172145

[13] S. J. Zhang et al., Sep. Purif. Technol. 361, 131310 (2025)https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.131310

策劃制作

作者丨張瑞永 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所研究員、中國(guó)科普作家協(xié)會(huì)會(huì)員

楊超 深圳理工大學(xué)科普主管、中國(guó)科普作家協(xié)會(huì)會(huì)員

審核丨劉宏偉 中山大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院副教授 博士生導(dǎo)師

策劃丨丁崝

責(zé)編丨丁崝

審校丨徐來、張林林