天然活性物質在海洋防污中的研究進展

劉俊，鄭恒，高子涵，胡丹妮，張甜1,,*

天然活性物質在海洋防污中的研究進展

劉俊1a，鄭恒1b，高子涵2，胡丹妮3，張甜1,2,3*

（1.武漢理工大學 a.化學化工與生命科學學院 b.資源與環境工程學院，武漢 430063；2.武漢理工大學三亞科教創新園，海南 三亞 572024；3.武漢理工大學紹興高等研究所，浙江 紹興 312300）

天然活性物質在海洋防污領域表現出優越的性能，并且滿足可持續發展要求，一般來自陸生植物和海洋真菌等。細菌、藻類等是主要的前期污損生物，對其進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、肽類天然產物及其衍生物的防污性能進行了對比和總結，發現很多天然活性物質對前期污損生物顯示出良好的殺滅活性。另外，將天然產物與一些官能團或特殊基團進行接枝可以大幅提升防污性能。許多活性物質的防污周期較短，無法滿足實際需求，對此可以通過工藝手段改良噴涂技術，以延長活性物質的防污周期。目前，許多天然活性物質的獲取及其衍生物的合成面臨著效率低、周期長、缺乏實海防污數據等諸多問題，這是阻礙其應用的主要因素。提出通過合成生物學對結構-活性尋找目標活性物質的設想，發現了污損生物的黏附機制，例如沉降繁殖體如何感知化學信號，如何與表面相互作用，以及在黏附和完成附著前經歷了何種形態和行為的變化。對一些天然活性物質的特點、作用方式及防污效果進行了歸納和總結，分析了各自的優缺點，并對未來天然活性物質防污的前景進行了展望，提出了可行性解決方案。

海洋污損；前期污損；天然活性物質；防污

污損生物在海洋設施表面的附著嚴重影響了海洋事業的可持續發展，每年造成約7億美元的經濟損失[1]。在蛋白質、多糖短時間形成基膜[2-3]后，肉眼不易發現的微型生物（如細菌、硅藻、原生動物，以及輪蟲和線蟲等）在各類海洋設施表面附著[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自我分泌的細胞外基質中，微型生物附著到一定程度會導致吸附聚集，從而滋生繁殖[5]，其分泌物會使這類微型生物更加牢固地吸附在設施外表面[6]。緊接著發生第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系的生物（如海綿、牡蠣、藤壺、水螅等）會在設施表面聚集[7]。這些大型污損生物的附著會導致船舶的行駛速度減慢30%～40%[8]，同時增加了燃油的消耗。另外，網箱在養殖中承擔著重要的角色，污損生物的附著會堵塞網眼，造成養殖產品嚴重缺氧，且出現競爭食源。由此可見，防污方案的設計可從前期微生物附著入手，針對微型生物（如細菌、硅藻、原生動物、輪蟲和線蟲等），通過減少黏附和限制生物膜的發育來達到防污目的。

隨著人們對環境保護的日益重視，有毒防污劑已不再適用于現代海洋防污的要求。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，以及一些醛類因對環境有害且會影響人類健康，從而受到限制[12]。世界范圍內的海洋生物污損問題愈發嚴重，造成的經濟損失逐年增加，預計未來10年，總損失將達到每年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重要，這依賴于特定的環境、可持續的管理方法、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。發掘或合成新型、長效、低毒的防污劑是當前海洋污損所面臨的難題。天然產物特定的化學結構可用于構建新型合成防污劑，為現代海洋事業的可持續發展提供創新性和可行性的解決方案。

據了解，尚無相關研究總結天然活性物質對前期污損微生物的防污作用的進展。天然活性物質廣泛存在于動植物和微生物中[15]，并且一些活性物質會同時對多種海洋污損生物產生抗性作用，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。由于天然產物具有獨特的化學結構、良好的指向性和生物活性，因此可以在其基礎上開發性能優越的防污劑。這里綜述了天然防污活性物質的研究進展，以前期污損生物為對象，研究其結構、作用方式和機理，并對天然產物在海洋防污領域的發展進行了展望，以期為新型防污劑的開發提供新的思路。

1 醇酚類

在脂肪族天然活性物質中，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。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醇物質[20]，具有2個C==C，且無羰基碳，對P388珊瑚蟲細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——紫杉醇衍生物（Nakitriol，圖1b），通過細胞活性抑制試驗發現，其IC50值為0.47 mg/L，且該化合物對紅螺菌有著較強的抑制效果。

Balansa等[21]從印度尼西亞海綿中分離出一種新的細胞毒性物質——聚乙炔醇，在5 mg/L下48 h內可致細胞死亡，其作用時間與致死濃度存在定量關系，當質量濃度升至10 mg/L時，24 h內就可致細胞死亡。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]，主要原因是酚環中羥基的相對位置存在差異。這類化合物會影響細菌膜磷脂雙分子層的滲透機制，其次二羥基化的酚類化合物會破壞一些細菌的外膜。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胞受體失活而發揮作用。目前，還無研究者將酚類化合物作為防污劑，因此亟需關鍵的實海測試數據及毒理性評估來驗證其性能。

單寧化合物在生物試驗和海洋環境中對眾多前期污損生物（如硅藻、海綿、腔腸動物等）都有著較強的抑制活性[24]，經過4個月的海洋掛板試驗，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到50%。這可能是因單寧類化合物對海洋污損生物產生了神經毒性，從而達到了麻痹和驅離的效果，尤其是對褐藻的無節段有著較強的麻醉作用[25]。由于該試驗在10 cm×16 cm丙烯酸瓷磚表面進行，不能排除污損生物與其表面本身的結合力較低，從而發生低污損現象，因此需要增加試驗對象的種類，以獲得各種浸沒表面的防污數據。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可能是預示污損生物聚集的一種化學信號，可以利用此特點使污損生物遠離附著部位，阻止污損生物擴大附著區域，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，TA很容易擴散流失[30]，無法達到長效防污的目的，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的刺激響應性，會發生局部腐蝕反應，從而誘導TA-Cu分解釋放TA分子，可有效抑制腐蝕的擴展，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，并不會直接參與防污殺菌作用。通過實海測試發現，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8個月。值得一提的是，單寧酸和肉桂醛表現出協同作用[33]，可見多種天然產物的有效組合也是一種可行性方案。

圖2 單寧及奎寧酸結構式[26]

2 酯類

天然酯活性物質的結構較簡單，一些市售酯類殺蟲產品具有較好的防污活性，擬除蟲菊酯類的半數效應濃度（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[34]，且不會污染環境。擬除蟲菊酯的防污活性可能與α-碳位的氰基表達密切相關[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，以及防污時效等因素。

內酯是一類疏水化合物，可變的側鏈和基團是其最顯著的特點。常見的海洋細菌、海綿[36]等會產生內酯毒素。海洋細菌衍生物丁烯內酯可有效阻止假單胞菌類的黏附[37]，采用3D示蹤技術觀察活細菌的運動軌跡時發現，丁烯內酯能加快目標生物游動速度，影響能量代謝相關蛋白的活動和表達[38]。隨著丁烯內酯含量的增加，靠近設施表面的浮游細菌（假單胞菌）的密度降低，引起假單胞菌的適應性反應，從而導致黏附力降低，將其驅離，以達到防污的效果，且不會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顯得尤為必要，控制表面防污活性物質的釋放劑量將是此方案的研究重點。近年來，將丁烯內酯引入可降解聚合物中，開發出一系列環保防污產品[39-42]，可降解聚合物表面的更新能力強，是丁烯內酯的理想載體，它能控制釋放速率。特別是聚乳酸（PLA），通常來源于玉米、小麥和甘蔗等農作物，可以完全降解為無毒的二氧化碳和水[37]，最終返回環境中。從夾竹桃中分離的2種卡烯內酯（圖3c—d）對鹽藻表現出中等毒性[43]，其半數致死濃度（LC50）分別為17.23和28.07 mg/L，它對于非目標物種基本無毒，很可能是因活性物質抑制了生物酶Na+?K+-ATPase而發揮作用[44]，其苷元的骨架結構對于防污活性至關重要，C-17上五元或六元不飽和內酯環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酯結構式

一些內酯毒素充當天然肌動蛋白結合的仿生分子，從而影響肌動蛋白的合成[45]，還有的作用于不同的細胞骨架成分。細胞骨架的破壞會影響細胞運動和胞質分裂，甚至導致細胞死亡。盡管許多內酯化合物表現出抗病毒、抗寄生蟲和抗真菌[46]的活性，但其本質上有毒，因此將內酯用作防污劑必須建立在其毒理性評估基礎之上。大環內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入細胞內部[47]，引起細胞膜超極化，從而達到抑制或毒殺污損生物的目的。由于此種防污劑的價格高昂，因此不適于實際防污涂料的生產。從深海真菌DFFSCS021中分離出的trichobotryside活性物質[48-49]能高效抑制和幼蟲的附著，它是含4個不飽和雙鍵的化合物（圖4a）。針對上述2種污損生物，其半數效應劑量（EC50）分別為7.3、2.5 mg/L，LC50與EC50的比值（物質對環境生物產生毒性的值）分別為40.5和37.4。另外一種18元大環二內酯（圖4b）能抑制幼蟲的附著[50]，其EC50值為9.2 mg/L，同時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個甲基雙峰、3個亞甲基雙峰密切相關，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鍵基團[51]。適合商業用途的天然防污劑的EC50值應該大于25 mg/L[52]，而LC50與EC50的比值>15的防污化合物通常被認為無毒，因此從深海真菌中獲得的防污活性物質有著良好的應用前景。

圖4 2種大環內酯結構式[49-50]

3 生物堿類

作為海洋防污活性物質的生物堿是一類含氮堿性有機物，以植物居多，一般具有復雜的化學結構[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，它們存在一些復雜的環狀結構，使其可供修飾、引入官能團和側鏈。楊保平等[54]在蘆竹堿（圖5a）的基礎上合成了新型二羥基蘆竹堿（圖5b），掛板試驗結果表明，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施表面生物黏膜的形成，化合物中的羥基官能團促使Ca2+釋放，還有一種可能是它限制了Ca2+向細胞內的流動，導致細胞內Ca2+的濃度降低。細胞內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起到防污效果的關鍵因素。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]，其結構中的芐酰胺結構片段（如圖5c中標注框所示）是起到防污效果的關鍵，辣椒素具有高效、廣譜、低毒、綠色等特點，可以有效驅離污損生物，從而阻止污垢的附著，而不是直接毒殺目標生物[56]，是一種典型的綠色天然防污活性物質。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際。對此，有人設計了火焰噴涂高密度聚乙烯?辣椒素復合涂層[57]，辣椒素粉末被聚合物基質固定并均勻分布，辣椒素的質量分數被控制在2.0%（或體積分數為1.6%）以內，從而達到長效防污的目的。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行活性抑制試驗。如果滿足廣譜抗菌要求，那么這種防污方案將是不錯的選擇。夾竹桃科可產生吲哚類生物堿（圖5d），而蕓香科可產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，實際防污效果優異。目前，關于生物堿的活性作用機制的報道相對較少，但因它具有可嵌入平面結構及可供修飾開發等特點，從而備受關注。為此還需進一步對其防污機制進行研究，為未來指導開發更加高效低毒的防污活性物質提供參考。作為典型的呋喃喹啉堿[59]，具有良好的防污活性，與其結構相似的也表現出防污特點，由此可在天然活性物質的基礎上根據結構?活性關系，開發滿足實際應用的功能化合物。從紅海海鞘附生細菌菌株UST4-50中分離出的8種二甲烷家族的雙吲哚產物（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。根據這些天然代謝物和乙?；苌锏姆牢刍钚詳祿?，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[61]。值得一提的是，酚羥基的存在顯著增強了防污活性。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，與商業防污劑相比，此種生物堿對細菌菌株表現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，在海洋防污領域有著巨大的潛力。

圖5 生物堿類防污活性物質結構式

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。多烯紫杉醇是一類三環二萜化合物[63]，將其作用于對數生長期的目標生物，能抑制細胞周期，并使微管蛋白和蛋白二聚體失去動態平衡，從而影響微管的穩定性，并抑制細胞的有絲分裂，促使細胞凋亡[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低[65]，這就要求通過生物合成來提高其產率。目前，生物合成紫杉醇的初步框架已經基本成熟，但其反應過程中的羥化酶（如環氧化物酶等）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構——第1、2位為烯醇式，以及第4、18位為雙鍵，這會影響目標生物的活性氧含量。喜樹堿是一種細胞毒性喹啉類生物堿，它能抑制DNA拓撲異構酶，從而進一步抑制DNA拓撲結構中的構象變化，具有較強的細胞毒性。實海掛板試驗結果表明，其防污有效期高達9個月，并且在塑料材質上的防污效果優于金屬表面[56]。從大型海洋藻類中分離的萜類[66]活性物質主要通過干擾細胞膜的滲透性和蛋白質的合成來抑制菌絲生長發育，以及孢子的形成和萌發，從而達到防污效果。另外，許多萜類化合物可作為阻食劑和毒性物質對污損生物產生阻食和毒害作用，且不會對環境產生不良影響。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。同時，該化合物對污損細菌銅綠假單胞菌KNP-5及KNP-8的生長也有抑制作用[67]，其最低抑菌濃度（MIC）分別達到6、12 mg/L。此外，從紅藻附生絲狀細菌中獲取的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污損生物U.pertusa游動孢子的沉降來達到防污效果，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來增強目標化合物的防污活性。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，出現這種差異的原因在于官能團—OH和—OAc的位置，前者第2位C上是—Oac，而后者為—OH。不可否認的是，從海洋微生物中分離的防污活性物質具有化學結構多樣性和獨特性。如果從海洋環境中大量采集無脊椎動物或藻類，則會影響海洋生態環境的平衡，并造成潛在危害，甚至降低生物多樣性。相反，如果通過培養微生物或基因工程手段來獲取有效防污活性物質，則能有效避免該問題。

圖6 萜類防污活性物質結構式

5 肽類

D-氨基酸是肽類天然物質中主要的防污活性物質[71]，能夠抑制前期污損生物膜的形成，而抗菌肽的抑菌機制主要分為膜損傷和胞內物質損傷。Doiron等[72]從雪蟹殼水解液中提取出抗菌肽SCAMPs，此類抗菌肽會影響污損生物膜與天然有機物（NOM）的相互作用，形成一種調節膜SCAMPs-NOM，從而改變浸水材料表面的理化性質，導致細胞的活性降低、細胞結構改變，進而抑制生物膜的形成和發育。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，對海洋環境是否有負面影響還需進一步驗證。此外，末端甲殼類雪藍蛋白產生的多肽片段[74]也被證實具有防污活性，肽類活性物質可能與前期污損生物膜相互作用，選擇性地破壞膜內某些物質或結構，進而影響生物膜的整體結構和穩定性，從而達到防污效果。與從陸地來源分離的肽相比，從海洋環境中提取的肽具有不同的功能和結構，大多數從海洋環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種次級代謝產物屬于混合結構型多肽，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表現出低毒性，其LC50與EC50的比值大于6 000。dolastatin16是一種大環二肽[76]，通過延長肽鏈，能高效且可拓展地合成偶聯并環化的大環框架，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，將防污活性物質與低表面能材料結合也是當下研究的熱點，來自中藥紫花地丁的大環寡肽與不銹鋼表面結合[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、機制和毒理學的研究相對較少，未來還需要進一步探索。

圖7 3種多肽類防污活性物質結構式

6 結語

在尋找可作為防污產品的候選化合物時，EC50和LC50/EC50經常被用作評價其活性和毒性的標準，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時需遵循的一個重要原則。另外，一種有前景的防污活性物質還需具有廣譜抗生活性，其溶解度和穩定性也必須符合緩慢釋放原則，以期達到長效防污的目的。綜述了多種性能優異的天然防污活性物質及其衍生物，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，均表現出優異的防污活性，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生時需要預防和治理的對象，如果能有效控制前期污損的形成和發展，防止污損生物膜的形成，則會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、低毒等優點，但大規模生產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的周期較長且效率較低。若大量采集海洋無脊椎動物或藻類，則會破壞海洋的生態平衡，減少生物多樣性。如果能夠選擇培養海洋微生物，并從中獲取防污活性物質，則會有效避免該問題。另外，利用合成生物學方法來獲取目標化合物，可以大規模生產，且周期短、成本較低，在未來開發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制，如沉降繁殖體如何感知化學信號，如何與表面相互作用，以及在黏附和完成附著前經歷了何種形態和行為變化。在找出具有較高LC50/EC50比值、化學結構相對簡單的有效化合物（如辣椒素、蘆竹堿、喜樹堿、塔拉單寧和丁烯內酯等）后，可從結構?活性關系出發尋找類似物，借此可能會發現活性更高、更易于化學合成的天然防污活性物質。烷基異氰化類物質是將天然產物衍生用于防污涂料的一個例子。找尋綠色防污劑的方式將會更加便捷，且會極大提高滿足預期效果的可能性。

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：如何有效構建并合成一些結構復雜的活性物質，需要結合微生物遺傳技術、代謝組學、合成生物學等策略來生產足夠多的目標化合物；截至目前報道的很多對海洋污損生物有著高效防污性能的化合物，大多都停留在實驗室測試階段，因此需要將這些具有前景的化合物應用于實際海洋環境，在實海數據的支撐下開發滿足實際應用的活性物質；目前對于篩選出的眾多有效活性物質在海洋環境中是否易降解，以及是否會在生物體內積累等問題還不清楚，因此需要進一步完善化合物的毒理評價。相信在不久的將來，更加廣譜、綠色、低毒性的天然活性物質防污劑會得到進一步開發和應用。

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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“青年千人計劃”（40127002）；三亞崖州灣科技城管理局重點項目（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. 天然活性物質在海洋防污中的研究進展[J]. 表面技術, 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）

責任編輯：彭颋