在海洋环境中,船舶、海洋工程、海洋监测设备以及水产养殖设施等表面会被海洋生物附着,造成严重危害[1,2]。当前最为普遍采用的海洋污损生物防除技术(即海洋防污技术)是在设施表面涂装含防污剂的海洋防污涂料。有机锡化合物曾被作为防污剂广泛应用于防污涂料,但因其剧毒及降解缓慢而被禁用[1,3]。目前主要使用的海洋防污剂是氧化亚铜,并辅以一些有机合成的防污助剂(如Irgarol 1051、Diuron、百菌清等),但因它们也被陆续发现存在危害海洋生态环境的风险,在一些国家被限用甚至被禁用[4,5]。在此形势下,急需研发环境友好型海洋防污剂。
天然产物在环境中较易降解,有利于保持生态平衡,是获得环境友好型海洋防污剂的重要来源。近年来,人们已从海洋微生物、大型藻类、海洋无脊椎动物以及陆地植物中陆续发现了多种具防污活性的天然化合物,包括生物碱、萜类、脂肪酸、甾醇类、多酚类和杂环类等化合物,可抑制海洋污损生物的附着或生长,显示出天然防污产物在海洋环保防污领域的应用潜力[6,7,8]。虽然有少数天然防污产物被报道开展了海区挂板试验,但大部分相关研究仅于实验室采用污损生物模型(如藤壶)检测天然产物的防污活性,而未进一步验证天然产物在添加至涂料后的海区防污效能,这严重阻碍了天然防污产物的实际海区应用进程[7]。并且,鉴于不同海域的优势污损生物种类不同以及环境条件不同等原因,开展天然防污产物在不同海域的防污效能检验工作对于其推广使用是非常重要的。
1 实验部分
1.1 主要原料
喜树碱、鱼藤酮、齐墩果酸、蛇床子素:宝鸡国康生物科技有限公司;氧化亚铜、N-(2,4,6-三氯苯基)马来酰亚胺(TCPM)、吡啶硫酮锌(ZPT):无锡耀得信化工产品有限公司;松香、丙烯酸树脂、铁红、有机膨润土、煤焦溶剂、正丁醇、二甲苯:厦门双瑞船舶涂料有限公司。
1.2 主要仪器
高速分散机(SDF-400):上海微特电机有限公司;细度计(QXD):天津鸿聚利试验设备厂;黏度计(NDJ-9S):上海平轩科学仪器有限公司;天平(BSA224S和TE1502S):德国Sartorius公司。
1.3 天然产物基海洋防污涂料的制备
本文选取前期工作中已筛选出具抑制藤壶幼虫附着活性的天然产物齐墩果酸、蛇床子素和鱼藤酮作为防污剂,制备海洋防污涂料,同时将已报道具海区防污效能的喜树碱也制备为涂料进行比较。涂料包括天然产物(20%,质量分数,下同)和基料成分,基料中含松香、丙烯酸树脂、铁红、有机膨润土、煤焦溶剂及有机溶剂,具体配方设计见表1。以高速分散机对涂料成分进行分散混合,获得天然产物基防污涂料。
表1 涂料配方设计Table 1 Formulation design of paint |
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1.4 含复配防污剂海洋防污涂料的制备
将上述天然产物中防污活性较高的鱼藤酮和喜树碱进行复配,复配比例为1∶1(质量比)。同时将这2种天然产物与3种商业防污(助)剂分别进行复配,复配比例也为1∶1,其中商业防污(助)剂为氧化亚铜、TCPM和ZPT。如上共得7种复配型防污剂,分别为:喜树碱-氧化亚铜、鱼藤酮-氧化亚铜、喜树碱-TCPM、鱼藤酮-TCPM、喜树碱-ZPT、鱼藤酮-ZPT、喜树碱-鱼藤酮。按上述涂料制备方法,将各复配型防污剂以20%用量制备获得海洋防污涂料。以未添加任何防污剂的涂料基料为阴性对照,以相同方法制备含氧化亚铜(或TCPM、ZPT,均为20%)的涂料为阳性对照。
1.5 海区挂板试验
将上述涂料涂刷在环氧树脂板表面,每块板上每种涂料刷涂区域为25 cm×9 cm。每种试验涂料设置6个平行组。于2010年6月在福建省厦门湾大漓浦屿海区 (24°56'N, 118°16'E)进行挂板试验,挂板水深约为1 m。在挂板2个月、6个月及10个月后分别对挂板进行观察和拍照,以Adobe Photoshop 7.0计算各板上大型污损生物的覆盖率(即所占的表面积百分比)[11],用SPSS 22.0统计软件中的单因素方差分析(one way ANOVA)比较不同实验组间污损覆盖率的显著性差异。
1.6 涂料在不同海域的防污效能比较
选取上述防污效能最优的喜树碱基防污涂料,在2016年10月分别于福建东山岐下村海域(23°36'N, 117°20'E)和海南陵水新村港海域(18°24'N, 109°58'E)进行海区挂板实验。以未添加任何防污剂的涂料基料为对照。挂板方法同1.5。在挂板2个月、7个月及13个月后分别对挂板进行观察和拍照,计算各板上大型污损生物的覆盖率,用SPSS 22.0统计软件中的独立样本T检验比较对照组和试验组间污损覆盖率的显著性差异。
2 结果与讨论
2.1 天然产物基海洋防污涂料的海区防污效能
图1 天然产物基海洋防污涂料海区挂板不同月份后的照片Fig.1 Test panels coated with natural product-based antifouling paints after immersion in seawater for different months |
从图1和图2可知,在厦门大漓浦屿海区挂板2个月后,大型污损生物主要有牡蛎、藤壶、苔藓类、贻贝、海鞘及海藻。齐墩果酸试验组的大型污损生物覆盖率高达75.96%,与基料对照组(72.21%)无显著差异,表明该试验组没有明显的海区防污效能。蛇床子素和鱼藤酮的试验组虽然也有少量大型污损生物附着,但它们的污损覆盖率(分别为27.98%和24.10%)均显著低于基料对照组,显示出一定的海区防污效能。相较而言,喜树碱试验组在挂板2个月后未见有大型污损生物附着,表现出较高的防污效能。挂板6个月后,大型污损生物主要有牡蛎、藤壶、苔藓类、贻贝、海鞘、海绵、盘管虫。此时齐墩果酸、蛇床子素和鱼藤酮的试验板表面基本已被大型污损生物附着,其污损覆盖率均与基料对照组无显著差异,同时含氧化亚铜的阳性对照组也丧失了防污效能,仅喜树碱试验组保持了较高的防污效能,虽然该试验组有发现微生物黏膜,但没有大型污损生物的附着。挂板10个月后,大型污损生物主要有藤壶、苔藓类、贻贝、海鞘、盘管虫。此时喜树碱仍表现出良好的海区防污效能,其试验组的大型污损生物覆盖率为0,而其他试验组和对照组的污损覆盖率相互之间无显著差异,其板面已基本被大型污损生物覆盖。
2.2 含复配防污剂海洋防污涂料的海区防污效能
图3 含复配防污剂海洋防污涂料海区挂板不同月份后的照片Fig.3 Test panels coated with paints containing mixted antifoulants after immersion in seawater for different months |
由图3、图4可知,海区挂板2个月后,喜树碱-氧化亚铜、鱼藤酮-氧化亚铜这2种复配防污剂试验组的大型污损生物覆盖率均显著低于基料对照组,表现出防污效能,其中喜树碱-氧化亚铜试验组未见有大型污损生物附着;鱼藤酮-TCPM试验组的大型污损生物覆盖率虽然显著低于基料对照组,但与TCPM组无显著差异,而此时喜树碱-TCPM试验组的大型污损生物覆盖率为0,显著低于TCPM组,表明TCPM与喜树碱复配具较好的防污效能;喜树碱-ZPT、鱼藤酮-ZPT这2个实验组的大型污损生物覆盖率与ZPT组同样均显著低于基料对照组,显示出良好的防污效能;喜树碱-鱼藤酮这个天然产物的复配试验组在挂板2个月内未见有大型污损生物附着。海区挂板6个月后,喜树碱-氧化亚铜、鱼藤酮-氧化亚铜这2个试验组与氧化亚铜阳性对照组均丧失了防污效能;虽然鱼藤酮-TCPM组和TCPM阳性对照组在6个月后也丧失了防污效能,但喜树碱-TCPM组的大型污损生物覆盖率仍显著低于基料对照组,保持了较高的防污效能;类似地,鱼藤酮-ZPT组和ZPT阳性对照组在6个月后丧失了防污效能,但喜树碱-ZPT组仍具显著的防污效能;喜树碱-鱼藤酮组在6个月后其大型污损生物覆盖率仍显著低于基料对照组。海区挂板10个月后,各组的防污效能检验结果与6个月的挂板基本一致,即喜树碱-TCPM、喜树碱-ZPT和喜树碱-鱼藤酮这3个组的大型污损生物覆盖率均显著低于基料对照组,表现出一定的海区防污效能,而其他4个复配防污剂组和阳性对照组的污损覆盖率均与基料对照组无显著差异。总体上,对于防污剂复配来说,加入喜树碱提高了防污效能,这可能与该天然产物本身具较高的防污活性有关。本文是对天然产物与现有防污(助)剂复配的初步探索,进一步细分复配防污剂有待将来的深入研究。
2.3 含喜树碱防污涂料在不同海域的防污效能比较
图5 含喜树碱防污涂料在福建东山海域和海南陵水海域的挂板照片Fig.5 Test panels coated with the paint containing camptothecin after immersion in the sea of Dongshan, Fujian and the sea of Lingshui,Hainan |
如图5所示,海南陵水海域的生物污损强度要高于福建东山海域,基料对照组在福建东山海域挂板2个月后其大型污损生物覆盖率仅为2.27%,但在海南陵水海域挂板2个月后则高达96.53%。另外,这2个海域的污损生物种类也不同,在福建东山海域,试验板上的主要污损生物有牡蛎、藤壶、苔藓类等,而在海南陵水海域,试验板上的主要污损生物为盘管虫和藤壶。挂板试验结果显示,喜树碱试验组在这2个海域均显示出优异的防污效能,其大型污损生物覆盖率在不同挂板时间均显著低于基料对照组,防污期效可达13个月以上。该结果一方面表明喜树碱可防除不同种类大型污损生物的附着,具广谱防污性能,另一方面也表明喜树碱的海区防污效果在不同海区具有稳定性。当前喜树碱在海洋防污领域的推广应用由于其价格高而受到一定限制,但随着人工合成技术的发展、涂料体系及配方的优化,将来有可能降低喜树碱的使用成本及其在涂料中的有效含量,这需要多学科的交叉合作。
3 结 语
(1)天然产物鱼藤酮和蛇床子素在海区挂板2个月内显示出一定的防污效能,齐墩果酸没有呈现出防污效能,而喜树碱的海区防污效能明显优于上述3种天然产物。
(2)在天然产物与现有防污(助)剂的复配防污剂中,复配比例为1∶1时,筛选出的喜树碱-TCPM、喜树碱-ZPT以及喜树碱-鱼藤酮这3种复配防污剂具良好的防污效能,在海区挂板10个月后其大型污损生物覆盖率仍显著低于基料对照组。
(3)含喜树碱的防污涂料在福建和海南海域均表现出优异的海区防污活性,可抑制不同种类的污损生物附着。