海洋污損生物黏附機(jī)制與酶防污技術(shù)研究進(jìn)展

李躍瑞，藺存國，王 利

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所 海洋腐蝕與防護(hù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266101)

海洋污損生物黏附機(jī)制與酶防污技術(shù)研究進(jìn)展

李躍瑞，藺存國，王 利

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所 海洋腐蝕與防護(hù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266101)

本文綜述海洋污損生物黏附機(jī)制與酶防污技術(shù)研究進(jìn)展。海洋污損生物具有顯著的生物多樣性，附著過程差異顯著，但其附著基礎(chǔ)大抵相同，均通過由蛋白質(zhì)、多糖、脂質(zhì)等組成的黏附物質(zhì)的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)牢固附著。針對(duì)污損生物黏附物質(zhì)的組成及黏附機(jī)制，基于酶的生物催化作用和環(huán)境友好特性，酶基防污技術(shù)成為新型環(huán)境友好型防污材料重要發(fā)展方向之一，具有廣闊的應(yīng)用前景。

污損生物；酶基防污技術(shù)；黏附物質(zhì)；胞外聚合物

0 引 言

海洋生物污損是指海水環(huán)境中污損生物在結(jié)構(gòu)物表面的聚集與附著，以及由此帶來的不良影響。海生物污損給海洋船舶與人工設(shè)施造成極大的危害，例如海生物污損會(huì)增加船體自重和船體摩擦阻力，從而增加燃油消耗，增加溫室氣體排放和維護(hù)費(fèi)用；海生物污損會(huì)堵塞濱海電廠和船舶海水冷卻管道，影響設(shè)備正常運(yùn)行；海生物污損會(huì)加快金屬腐蝕，從而大大降低海洋環(huán)境下零部件的使用壽命并影響安全性；另外海生物污損對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖也有嚴(yán)重影響。因此必須采取必要的措施防除海生物污損。防除海生物污損的方法多種多樣，其中涂刷防污涂料是海洋船舶、海洋養(yǎng)殖等行業(yè)最為經(jīng)濟(jì)有效的方法。有機(jī)錫（TBT）由于嚴(yán)重危害海洋生態(tài)環(huán)境，世界各國紛紛立法禁止有機(jī)錫防污涂料的使用。聯(lián)合國所屬的國際海事組織為加強(qiáng)海洋環(huán)境保護(hù)，通過了《國際控制船舶有害防污涂料系統(tǒng)公約》，自 2008 年 1 月 1 日起所有船舶上完全廢除 TBT 涂料[1]。氧化亞銅作為目前無錫防污涂料的主要防污劑，同樣存在嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。研究發(fā)現(xiàn)銅對(duì)一些海藻有毒，并在甲殼類動(dòng)物中積累，這引起人們對(duì)銅基漆的關(guān)注[2]。加拿大、瑞典已經(jīng)對(duì)氧化亞銅在防污涂料中的使用作了限制，美國按照統(tǒng)一國家排放標(biāo)準(zhǔn)限制其在特定區(qū)域使用。因此氧化亞銅作為防污劑最終也會(huì)面臨禁用，發(fā)展低毒/無毒、對(duì)環(huán)境友好的防污技術(shù)勢在必行。酶是具有生物催化功能的生物大分子，與化學(xué)作用相比，具有反應(yīng)條件溫和、效率高、專一性強(qiáng)、副反應(yīng)少、對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、化工、食品等多種行業(yè)，酶在海生物污損防除中的巨大應(yīng)用潛力也已引起世界各國廣泛關(guān)注和深入研究，成為新型環(huán)境友好防污材料發(fā)展的重要方向之一[3]。由于污損生物的附著均是從幼蟲階段分泌黏附物質(zhì)開始的，因此研究、探討污損生物黏附物質(zhì)的組成與黏附機(jī)制，對(duì)于針對(duì)性發(fā)展酶基防污技術(shù)具有重要意義。

1 污損生物黏附機(jī)制

一般來說，生物污損過程大致如下：首先，一些有機(jī)物和無機(jī)物被吸附在材料表面，形成條件膜。條件膜的形成改變了材料表面的特征，如所帶電荷的電性、親水憎水性等，這些改變很大影響了細(xì)菌、微藻的附著[4]。微生物附著后，不斷生長繁殖，其分泌的粘液可黏附物質(zhì)顆粒及微生物，最終形成一層具有一定厚度的微生物膜。微生物膜為大型污損生物提供了豐富的營養(yǎng)物質(zhì)和良好的生長環(huán)境，它們的幼蟲或孢子黏附在生物膜上，并不斷地發(fā)育生長，分泌各種高強(qiáng)度黏附膠附著在物體表面，最終發(fā)展形成大型生物污損層。

1.1 污損微生物

微生物通過胞外聚合物（EPS）黏附在材料表面，形成微生物膜。微生物膜又可以分為細(xì)菌層和微藻層，微藻層的形成受細(xì)菌的影響[5]，且細(xì)菌的存在影響硅藻的生長[6]。

EPS 是形成微生物膜的重要物質(zhì)，細(xì)菌的胞外聚合物由多聚糖、蛋白質(zhì)、核酸、糖蛋白、磷脂等成分構(gòu)成。不同種類的細(xì)菌胞外聚合物各組成成分含量不一樣，同種細(xì)菌在隨環(huán)境改變時(shí)，其胞外聚合物各組成成分含量也有變化[7]。多聚糖和蛋白質(zhì)是細(xì)菌胞外聚合物的重要組成成分。其中多聚糖具有高度異構(gòu)性，包含不同的單糖單位和無機(jī)取代基。不同細(xì)菌胞外聚合物的多糖組分差異很大，既可是簡單的均聚糖也可是較為復(fù)雜的雜聚糖，它們分子量在 103～108kDa之間。均聚糖是單一的鏈接類型，其重復(fù)單元是一種單糖，雜聚糖是由 2～8 單糖長度的重復(fù)單元構(gòu)成，其重復(fù)單元是由多種單糖組成。此外，不同細(xì)菌的胞外聚合物中蛋白質(zhì)的組分差異也很大，但胞外蛋白質(zhì)的作用很大，它可調(diào)節(jié)胞外多糖的分泌，影響生物膜結(jié)構(gòu)，促進(jìn)微生物在材料表面附著[8]。細(xì)菌形成生物膜過程中，膜內(nèi)的細(xì)菌之間不是孤立的，它們是通過群體感應(yīng)（QS）進(jìn)行溝通交流，群體感應(yīng)涉及一些信號(hào)分子，而高絲氨酸內(nèi)酯（AHL）[9]就是其中一類。生物膜的形成，群體感應(yīng)起到基礎(chǔ)性作用，且群體感應(yīng)還控制著細(xì)菌的群集、毒素及二次產(chǎn)物的產(chǎn)生。

微藻種類繁多，其中硅藻是最為重要的一種。海洋環(huán)境下，硅藻是形成生物膜主要參與者。硅藻的胞外聚合物主要由羧化或硫酸鹽化的酸性多糖組成，也含有少量蛋白質(zhì)。不同種類硅藻的胞外聚合物有很大差異，主要表現(xiàn)在蛋白質(zhì)片段以及復(fù)雜結(jié)合的單糖、硫酸酯或糖醛酸上。但也有研究通過二級(jí)粒子飛行時(shí)間質(zhì)譜發(fā)現(xiàn)，有些硅藻的胞外聚合物中多糖有相同的結(jié)構(gòu)片段[10]。此外，同種硅藻在不同條件下胞外聚合物成分組成可能不相同。有些硅藻胞外聚合物成分會(huì)隨季節(jié)的變化而變化[11]，有些硅藻會(huì)隨黏附壁面性質(zhì)的改變而改變分泌液的成分[12]，因此硅藻的胞外聚合物成分十分復(fù)雜。

1.2 大型污損生物

隨著微生物膜的生成，一些大型污損生物的幼蟲或孢子開始在材料表面附著，進(jìn)而生長，發(fā)育成生物群落，造成嚴(yán)重的生物污損。大型污損生物中最為典型的生物為藤壺、貽貝及大型藻類。

藤壺幼蟲選擇合適的材料表面進(jìn)行附著、發(fā)育，在這過程中其向外分泌膠質(zhì)—藤壺膠，進(jìn)行牢固黏附。研究發(fā)現(xiàn)，藤壺膠的化學(xué)組成（如碳、氫、氮等）會(huì)隨基底不同而有較大差異[13]。同時(shí)，藤壺膠的交聯(lián)微結(jié)構(gòu)隨基底的改變也有很大變化[13-14]，如當(dāng)藤壺膠在聚二甲基硅氧烷（PDMS）粘結(jié)時(shí)，其結(jié)構(gòu)為比較松亂的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；當(dāng)藤壺在金屬表面黏附時(shí)，其分泌出呈球狀，纖維狀的膠液，最終形成的結(jié)構(gòu)比較致密。Kamino 從藤壺膠中分離出 Mrcp-100k、Mrcp-68k、Mrcp-52k、Mrcp-20k、Mrcp-19k 等蛋白質(zhì)，前 3種蛋白質(zhì)的分子量較大，表現(xiàn)為不溶性及疏水性[15]。其中 Mrcp-100k 和 Mrcp-52k 這 2 種蛋白占據(jù)藤壺膠比重較大，它們分子間主要通過二硫鍵相互作用。Mrcp-68k 蛋白在藤壺膠中含量很高，但其對(duì)藤壺的附著影響較小。而另 2 種蛋白質(zhì) Mrcp-20k 和 Mrcp-19k 含量很少，但它們?cè)谔賶馗街^程中作用很大。Mrcp-19k 蛋白質(zhì)含有絲氨酸、蘇氨酸、丙氨酸、甘氨酸、纈氨酸和賴氨酸等固定的氨基酸殘基，它在藤壺膠黏附表面過程中起到功能性作用[16]。Mrcp-20k 蛋白含有大量的半胱氨酸、甘氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、組氨酸等氨基酸殘基，該蛋白分子間不存在二硫鍵，但分子內(nèi)部存在大量的二硫鍵。Mrcp-20k 蛋白使藤壺更好地黏附在鈣質(zhì)基底上，尤其是貽貝外殼[17]。另外，最近研究結(jié)果表明藤壺膠不僅僅是由多種黏附蛋白組成，還含有一定量的脂肪，幼蟲附著時(shí)首先分泌出脂肪，取代附著基底表面的水分，為黏附蛋白的引入創(chuàng)造有利的環(huán)境，脂肪和蛋白協(xié)同作用，附著強(qiáng)度達(dá)到最強(qiáng)[18]。

貽貝附著在物體表面是通過足絲腺分泌具有黏附性能的膠液實(shí)現(xiàn)的，這種膠液固化后形成足絲。足絲由膠原前體、黏附蛋白等組成，其中黏附蛋白是足絲的主要成分，主導(dǎo)著貽貝的附著。貽貝之所以可以在水中具有良好的附著效果，黏附蛋白中的 3, 4-二羥基苯丙氨酸（多巴，DOPA）起著關(guān)鍵作用，DOPA 的存在使得貽貝黏附在性質(zhì)各異的基底表面上[19]。貽貝足絲中主要含有 Mefp1、Mefp2、Mefp 3、Mefp 4、Mefp 5這 5 種蛋白，其中 Mefp1 是最大的蛋白，由 75～80 個(gè)多肽重復(fù)片段組成，其分子量為 108 kDa，DOPA 含量約 10 mol%～15 mol%[20]。Mefp3 和 Mefp5 是足絲與外界表面粘合的主要黏附蛋白，這 2 種蛋白中 DOPA 含量很高。Mefp3 為最小的蛋白，分子量為 5 kDa，其序列中氨基酸含量由多到少依次是多巴（DOPA）、甘氨酸、賴氨酸、谷氨酰胺，其中 DOPA含量約 28 mol%。Mefp5 分子量約為 9.5 kDa，DOPA 含量最高，達(dá)30 mol%。

大型藻類黏附在基材表面經(jīng)歷以下階段：1）孢子初始附著；2）孢子分泌黏附劑，粘結(jié)附著；3）孢子產(chǎn)生附著假根。在藻類孢子附著的初始階段，材料表面的菌類胞外聚合物起著重要作用，能夠促進(jìn)孢子的附著[21]。藻類孢子分泌的黏附劑本質(zhì)就是多糖蛋白。這種黏附劑中酚的含量較高，酚的存在使得黏附劑交聯(lián)固化[22]，從而增強(qiáng)了粘結(jié)強(qiáng)度，同時(shí)阻隔了粘結(jié)表面與外界，進(jìn)一步加強(qiáng)藻與基體間的粘結(jié)強(qiáng)度。

2 酶防污技術(shù)研究進(jìn)展

海洋污損生物黏附機(jī)制研究發(fā)現(xiàn)海洋污損生物附著基礎(chǔ)大抵相同，其黏附物質(zhì)包含了蛋白質(zhì)類、多糖類和脂質(zhì)類等物質(zhì)。生物酶，由于其生物催化作用，可以對(duì)污損生物的附著產(chǎn)生有效的抑制作用?；诿傅姆纸庾饔弥苯臃纸馕蹞p生物黏附物質(zhì)，例如蛋白酶分解蛋白類黏附物質(zhì)、淀粉酶分解多糖類黏附物質(zhì)、脂肪酶分解脂質(zhì)類黏附物質(zhì)等，可歸為酶的直接防污；通過酶作用于環(huán)境中的其他底物產(chǎn)生具有生物殺滅作用的活性劑進(jìn)行防污可歸為酶的間接防污。在防污酶應(yīng)用過程中，需要將酶進(jìn)行固定化來改善其性質(zhì)，如熱穩(wěn)定性、抗酸堿性等，從而滿足防污要求。

2.1 酶直接防污技術(shù)

由于生物膜及污損生物黏附物質(zhì)的主要成分為多糖、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)等物質(zhì)，因此作用于該物質(zhì)的水解酶可以更好地防止生物污損。

Leroy等[23-24]研究幾種商業(yè)化水解酶（糖酶、蛋白酶和脂肪酶）對(duì)細(xì)菌附著形成生物膜的影響。研究表明蛋白酶（枯草桿菌蛋白酶）是預(yù)防細(xì)菌附著和清除已附著細(xì)菌效果最好的水解酶，其他水解酶效果一般，有些水解酶甚至?xí)黾蛹?xì)菌的附著。Zanaroli等[25]人研究發(fā)現(xiàn)幾種水解酶混合使用能有效防止生物膜的形成，防污效果比單一種類水解酶要好。此外，有研究分別測定枯草桿菌蛋白酶、纖維素蛋白酶對(duì)綠膿桿菌和表皮葡萄球菌附著的影響，結(jié)果顯示纖維素蛋白酶有效減少了表皮葡萄球菌的附著，但對(duì)綠膿桿菌沒有影響，而枯草桿菌蛋白酶作用效果相反[26]。這表明了有些酶催化具有針對(duì)性，多種酶聯(lián)合作用才能起到廣泛的防污效果。Mariana等[27]發(fā)現(xiàn)固定化枯草桿蛋白酶可以減少石莼孢子和硅藻的附著，有效降低硅藻的黏附強(qiáng)度。Peres等[28]用含有木瓜蛋白酶涂層在地中海做了為期 7 個(gè)月的測試，發(fā)現(xiàn)木瓜蛋白酶具有優(yōu)良的防污作用。另外一種防污效果比較好的蛋白酶是絲氨酸蛋白酶，它不僅可以降解生物膜，而且對(duì)大型生物黏附物質(zhì)有分解作用。絲氨酸蛋白酶可降解生物膜，其生物膜可以是單一菌種生物膜也可以是多種細(xì)菌生物膜[29-30]，這充分體現(xiàn)了絲氨酸蛋白酶對(duì)生物膜的降解具有普遍性。Pettitt[31]研究絲氨酸蛋白酶對(duì)藤壺附著的影響，結(jié)果表明在絲氨酸蛋白酶的作用下，藤壺幼蟲附著足跡明顯減少，這說明絲氨酸蛋白酶可以降解藤壺所分泌的膠液，減少了藤壺幼蟲在材料表面的附著。Nick Aldred 利用原子力顯微鏡研究了絲氨酸蛋白酶對(duì)藤壺膠質(zhì)的降解作用，數(shù)據(jù)顯示蛋白酶作用600～1 400 s 后，膠質(zhì)的附著力從 340 pN 降為 150 pN，隨后直線降至 0，絲氨酸蛋白酶作用 26 min 后藤壺幼蟲分泌的膠質(zhì)完全被分解。

另外，一些酶如細(xì)胞壁溶解酶、幾丁質(zhì)酶、玻璃酸梅、溶解酵素酶可以直接影響生物體的生存。幾丁質(zhì)酶可以溶解甲殼素，而甲殼素是藤壺殼的組成成分，此酶對(duì)藤壺的防污效果比較顯著。玻璃酸酶可以分解細(xì)胞組織組成玻璃酸，從而增加細(xì)胞組織滲透性，影響生物的生存。

前文提到了群體感應(yīng)信號(hào)分子在生物膜形成中有著重要的作用，文獻(xiàn)[32]結(jié)合最近研究進(jìn)展詳細(xì)講述了群體感應(yīng)對(duì)生物膜的影響及如何通過阻止群體感應(yīng)來抑制生物膜的生成。革蘭氏陰性菌的群感效應(yīng)分子 N-酰化高絲氨酸內(nèi)酯類物質(zhì)（AHL）是快速形成生物膜的基礎(chǔ)。研究發(fā)現(xiàn)通過酰基轉(zhuǎn)移酶降解 AHL，生物膜的形成明顯受到了抑制[33]。

2.2 酶間接防污技術(shù)

酶可以作用于環(huán)境中其他底物產(chǎn)生具有生物殺滅作用的活性物質(zhì)，常見的活性物質(zhì)為過氧化氫、水鹵酸等。有關(guān)研究表明，從涂層中或海水中獲得的底物與涂層內(nèi)的氧化酶反應(yīng)可以生成過氧化氫，從而起到一定防污效果[34]。過氧化氫可以從海水中的蛋白質(zhì)或多糖產(chǎn)生，其涉及一系列酶促反應(yīng)，首先是前驅(qū)酶（蛋白酶或者糖酶）將蛋白質(zhì)或多糖轉(zhuǎn)化為氧化酶催化反應(yīng)所需的底物，繼而轉(zhuǎn)化為過氧化氫。Biolocus公司申請(qǐng)的美國一項(xiàng)專利公開了一種用酶催化產(chǎn)生過氧化物作為防污劑的防污涂料[35]。Kristensen[36]等利用淀粉酶和己糖酶構(gòu)成的涂層可穩(wěn)定釋放過氧化氫，具有高效防污性能，含酶涂層相對(duì)于不含酶涂層，附著藤壺?cái)?shù)量及微生物覆蓋面積明顯減少。然而酶防污涂層要想真正實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用，酶的催化活性必須在一定的時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定[37]。Wang H等[38]在實(shí)驗(yàn)室條件下，把淀粉酶和葡萄糖氧化酶封裝在二氧化硅防污涂料中，涂層可以以較高的速率穩(wěn)定釋放過氧化氫，持續(xù)時(shí)間長達(dá) 3 個(gè)月。此外，酶催化生成過氧化氫的持續(xù)時(shí)間很大程度上受溫度的影響，Olsen等[37]用含淀粉酶和葡萄糖氧化酶涂層在不同海域測試，發(fā)現(xiàn)在溫度比較低的海域，涂層持續(xù)釋放過氧化氫時(shí)間較長，該涂層在低溫區(qū)域應(yīng)用效果更加明顯。基于溫度對(duì)防污酶控制釋放的影響，可將防污酶經(jīng)過適當(dāng)方法進(jìn)行固定化來改善酶的熱穩(wěn)定性，從而實(shí)現(xiàn)酶在特定溫度范圍內(nèi)的應(yīng)用。丹麥酶制劑公司 GENECOR 公司與涂料生產(chǎn)廠商 HEMPEL 公司合作研發(fā)基于葡萄糖化酶和己糖氧化酶聯(lián)合作用生產(chǎn)雙氧水的防污技術(shù)，目前該技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用到防污涂料中，并已開始實(shí)船應(yīng)用。此外，工業(yè)上常用次氯酸殺死生物，從而起到防污效果，這種強(qiáng)氧化性水鹵酸活性劑也可以通過酶催化反應(yīng)得到。將鹵過氧化酶加到涂層表面，鹵過氧化酶會(huì)把含有過氧化氫和含鹵離子的海水轉(zhuǎn)化為水鹵酸，如次氯酸，這種酸具有比過氧化氫更強(qiáng)的防污效果。但是自然海水中的過氧化氫含量很低，過氧化氫的供應(yīng)不足成為這種防污方法的主要缺點(diǎn)。

2.3 防污酶的固定化技術(shù)

對(duì)基于防污酶的新型防污涂層材料來說，加入涂料體系中的每一種酶，必須保證其在涂料當(dāng)中的活性和穩(wěn)定性。酶的活性及其穩(wěn)定性受到諸如溫度、pH 值和鹽度等環(huán)境參數(shù)的影響，游離的酶在水溶液中的穩(wěn)定性也很差，容易發(fā)生自消化反應(yīng)，使酶催化反應(yīng)難以控制，催化效率大大下降，另外防污酶中的蛋白酶除了能催化降解污損生物黏附蛋白質(zhì)，也能催化降解其他的酶。因此，防污酶在應(yīng)用過程中必須通過載體材料包封以使之彼此隔離，即進(jìn)行酶的固定化處理。

針對(duì)防污酶的固定化，各國學(xué)者開展了大量工作并取得了一定成效。酶常用固定方法可根據(jù)作用力分為：物理吸附法、包埋法、交聯(lián)法和共價(jià)結(jié)合法。酶固定化載體主要分為無機(jī)載體和有機(jī)載體兩大類，前者主要有硅藻土、硅膠、多孔玻璃、介孔分子篩等多孔無機(jī)材料，后者主要包括天然高分子載體（如海藻酸鈉、纖維素、殼聚糖等）和合成有機(jī)高分子載體（如大孔樹脂、合成纖維等）[39-41]。物理吸附法是指利用各種固體吸附劑通過非極性力，如范德華力、疏水作用力、氫鍵等弱相互作用將酶或酶菌體吸附在其表面上而使酶固定化的方法，屬于可逆固定法[42]，酶可在溫和的條件下從載體表面移除。包埋法是指將酶或含酶菌體包埋在纖維、框架結(jié)構(gòu)材料或聚合物薄膜等多孔載體中使酶固定化的方法，是不可逆物理固定法[43]。包埋法可提高酶的機(jī)械穩(wěn)定性，減少酶的濾出。由于酶與載體間沒有化學(xué)作用，通?？杀苊饷傅淖冃訹44]。該方法可通過優(yōu)化、改性包埋材料，為酶創(chuàng)造合適的微環(huán)境。包埋材料一般包括聚合物、溶膠凝膠和其他無機(jī)材料，常用的包括硅藻酸鹽、交叉膠、膠原蛋白、聚丙烯酰胺、明膠、硅橡膠、聚亞胺酯和聚乙烯醇等。然而，該方法在實(shí)際應(yīng)用過程中受到諸多限制：待固定酶受包埋載體空隙大小影響顯著，包埋載體空隙太大易導(dǎo)致酶大量泄漏，空隙太小則負(fù)載或吸附能力較低；固定化過程中酶易被鈍化；包埋載體容易團(tuán)聚，阻礙酶的活性位點(diǎn)面向底物。交聯(lián)法也是酶固定化方法中的不可逆法之一，也稱作無載體固定法[45]。交聯(lián)法通過多功能基團(tuán)反應(yīng)物在酶分子間形成交聯(lián)作用，最常用的交聯(lián)劑為戊二醛。酶固定化方法中應(yīng)用最為廣泛的是共價(jià)結(jié)合法，通過共價(jià)鍵將酶與載體結(jié)合在一起。參與共價(jià)結(jié)合的酶側(cè)鏈功能基團(tuán)包括賴氨酸（ε-氨基酸基團(tuán)）、半胱氨酸（硫醇基團(tuán)）、天門冬氨酸和谷氨酸（羧酸基團(tuán)、咪唑、酚基）。共價(jià)結(jié)合酶的活性受到載體材料尺寸、結(jié)合方法、載體材料組成以及結(jié)合過程中特殊條件等因素的影響。共價(jià)結(jié)合法使酶與載體間形成了強(qiáng)有力的結(jié)合，阻止酶過快的釋放到反應(yīng)環(huán)境中，提高酶的再用性。另外通過與多孔硅膠、殼聚糖等共價(jià)結(jié)合，還能增強(qiáng)酶的穩(wěn)定性，延長酶的半衰期[46]。Dandavate[47]、Ma[48]將假絲酵母脂肪酶共價(jià)固定在改性硅納米粒子上，Yilmaz[49]將假絲酵母脂肪酶共價(jià)固定在經(jīng)戊二醛活化的玻璃微珠表面上，Vendittia[50]將假絲酵母脂肪酶共價(jià)固定在改性的金納米顆粒上，Yuce-Dursun[51]則將假絲酵母脂肪酶共價(jià)固定在溶膠-凝膠法制備的環(huán)氧樹脂聚合物薄膜上，通過這些方法獲得的固定酶具有高的重復(fù)利用率及較好熱穩(wěn)定性。Balistreri等[52]將葡糖糖氧化酶共價(jià)固定在介孔硅材料上，有效提高了酶的抵抗高溫及有機(jī)溶劑的穩(wěn)定性。Huijs等[53]通過聚合物中的環(huán)氧基、乙酰乙酸基、醛基、氯甲基等進(jìn)行酶的共價(jià)固定，將蛋白酶、葡萄糖氧化酶、α-淀粉酶、脂肪酶作為防污涂料的首選酶，防污測試結(jié)果表明，這些共價(jià)固定酶可以產(chǎn)生有效的防污效果。杜克大學(xué)申請(qǐng)的美國專利 US5998200 中公開了一種用酶做主要防污劑的防污涂料，同樣采用共價(jià)固定法，將絲氨酸蛋白酶、巰基蛋白酶、金屬蛋白酶、幾丁質(zhì)酶、番木瓜蛋白酶、鏈霉菌蛋白酶、β-淀粉酶、糖苷酶、纖維素酶、果膠酶、膠原酶、透明質(zhì)酸酶、β-葡（萄）糖苷酸酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、枯草桿菌蛋白酶、木瓜凝乳蛋白酶、羧基肽酶、嗜熱菌蛋白酶等多種酶進(jìn)行固定化[54]。

總之，固定化酶即保持了酶的催化特性，又克服了酶的不足之處，可在很大程度上提高酶的環(huán)境穩(wěn)定性并保持酶的活性。因此防污酶的固定化成為酶在海洋防污應(yīng)用過程中必須克服的關(guān)鍵技術(shù)之一。

3 酶防污技術(shù)面臨的問題與發(fā)展前景

開發(fā)酶基防污涂料時(shí)，需要滿足 4 個(gè)要求：1）防污酶要具有廣譜性；2）防污酶加入到涂料中后要保持活性；3）酶在涂層中及在海水中，其活性保持長期穩(wěn)定；4）酶的加入不得降低涂料的使用性能。從這些要求可以看出，要設(shè)計(jì)出一個(gè)可行的酶基防污涂料體系，需要解決酶與酶、酶與涂料之間的問題。這給設(shè)計(jì)出合適的酶防污涂料帶來更多的困難。雖然目前已通過一些技術(shù)手段在一定程度上解決了以上問題，但要把酶基防污涂料廣泛應(yīng)用到工業(yè)中的路途仍艱難遙遠(yuǎn)。

總體來說，針對(duì)污損生物黏附物質(zhì)組成及黏附特點(diǎn)開發(fā)酶基防污技術(shù)，通過酶的固定化提高酶在涂料體系中的穩(wěn)定性，通過包覆技術(shù)消除各種酶之間的相互影響，是目前酶基防污技術(shù)的主要研究方向。酶基防污技術(shù)作為一種可行性較高的新型環(huán)保防污技術(shù)，目前已取得了顯著的研究進(jìn)展，部分國際大型涂料公司均有研究開發(fā)計(jì)劃，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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廈門市是現(xiàn)代化的國際性海港風(fēng)景旅游城市，具有“東方夏威夷”的美稱.廈門旅游產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，每年吸引千萬游客到來.2016年，廈門市共接待國內(nèi)外游客6 770.16萬人次，旅游總收入968.26億元人民幣，占全市地區(qū)生產(chǎn)總值(3 784.25億元)的25.6%.廈門在民宿行業(yè)起步早，體量大，發(fā)展勢頭強(qiáng)勁.近年來從各大旅游OTA網(wǎng)站公布的數(shù)據(jù)來看，民宿一直是人們來廈旅游熱衷的住宿方式之一.

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Attachment mechanisms of marine fouling organisms and progress of enzyme based antifouling technology

LI Yue-rui, LIN Cun-guo, WANG Li
(State Key Laboratory for Marine Corrosion and Protection, The 725 Research Institufe of CSIC, Qingdao 266101, China)

In this paper, the attachment mechanisms of marine fouling organisms and the progress of enzyme based antifouling technology were reviewed. Although marine fouling organisms have significant biological diversity and their attachment processes vary from each other remarkably, their attachment mechanisms are the same in some extent. Marine fouling organisms would achieve firm attachment through the synergistic effect of adhesive materials composed of proteins, polysaccharides and lipids, etc. Aiming at the components of biofouling adhesive materials and attachment mechanisms, enzyme based antifouling technology, one of the important development directions of new environment-friendly antifouling materials, has a broad application prospect due to its biocatalytic effect and environment-friendly characteristic.

fouling organisms；enzyme based antifouling technology；adhesive material；extracellular polymeric substances

TQ637

A

1672 - 7619(2017)04 - 0001 - 07

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2017.04.001

2016 - 09 - 08；

2016 - 11 - 24

李躍瑞(1990 - )，男，碩士研究生，研究方向?yàn)楹Ｑ笊镂蹞p及其防治。