一块光秃秃的礁石，斗转星移之间，不断有生物前来定居，最终被多种生物覆盖。这样的情景会让人感叹这大自然的小小奇迹。
可对运输行业的朋友来说，这种现象让他们头痛无比。因为如果这些小小的生物选错了住处，就成了"海洋生物污损"。海洋生物污损是指船舶、海上平台、养殖网箱等海洋结构物表面定殖微生物、藻类及藤壶等水生生物的现象。
这些船底生长的藤壶、贻贝、海藻等生物会显著增加船舶的摩擦力，即便是船底生物污损形成初期生长的黏液膜，也能使船体保持原有速度所需的动力增加 11%，并导致温室气体排放增加 25%-30%。而藤壶、贻贝等形成的硬质污损极端情况下甚至可能导致高达 86% 的动力损失 [ 1,2 ] 。
全球产业联盟统计，生物污损每年使船舶的燃料消耗增加 30%-50% [ 3 ] 。可想而知，放任海洋生物污损的蔓延将严重制约世界和我国的海洋经济发展和生态环境保护。
图 1 海洋生物污损的发展过程 [ 5 ]
然而我们看到一些船舶在海里航行，表面总是光滑干净，不会长满藤壶和贝类，这其实得益于一种防污漆。根据市场调研报告（ Grand View Research ），2023 年铜基防污漆在全球市场中的份额占比 45.8%，而亚太地区对防污漆的支出占据了全球的 70.3% [ 6 ] 。
目前防污漆是最为常用且有效的方法，但是防污漆在带给我们便利的同时也会存在一些生态安全隐患。越来越多的证据表明，铜基防污涂层对生态环境造成了严重的慢性毒性和累积效应。
图 2 工人将含铜的防污漆喷涂在船体上以防止海洋生物附着 [ 7 ]
铜与海洋生物的微妙关系
铜是海洋生物必需的微量元素，在许多生物学过程中发挥着重要作用。它是多种酶的组成部分，如细胞色素 C 氧化酶和超氧化物歧化酶，参与氧化还原反应、能量代谢和细胞呼吸等关键生理过程。对不少无脊椎动物如部分甲壳类、软体动物而言，铜还与血蓝蛋白相关；但对鱼类，主要载氧体系仍以铁—血红蛋白为核心，铜更多体现为酶学与代谢层面的必需元素。此外，铜有助于增强免疫系统功能，帮助海洋生物抵御感染。
然而，尽管铜对生物体至关重要，过量的铜会对海洋生物产生毒性。当淡水中的铜浓度达到 13 µ g/L 时，可能导致科霍鲑的感官能力丧失超过 50% [ 8 ] ；在铜浓度为 0.5 mg/L 时，暴露于此浓度的梭子蟹孵化的幼体数量显著减少，同时低色素眼睛的发生率明显上升 [ 9 ] 。甚至铜吡啶硫酮（CuPT）也能在低于溶解铜安全浓度的情况下，导致虹鳟鱼幼体的死亡 [ 10 ] 。
在海洋环境中，铜离子会通过物理、化学和生物多重机制在沉积物中积累。铜离子可以与沉积物中的矿物或有机物发生相互作用，形成稳定的络合物，从而使铜能够在沉积物中保持较长时间。同时某些浮游生物、贝类和其他海洋生物可能会吸收铜，随后通过排泄或死亡释放到沉积物中，进一步增加了铜在沉积物中的积累。
当环境变化时，比如船只航行产生的水流或锚定作业、渔业活动等干扰，均会引起海底沉积物的波动，进而促使沉积物中铜的释放，引起海洋局部环境铜含量急速增加，产生生物中毒事件。因此虽然大海广袤，但在相对封闭的海域中，"防污漆"释放的铜不只是短期毒性，而是带来了持久且长期的生态威胁。
自工业革命以来，表层海洋已吸收了人为排放二氧化碳的四分之一，导致表面 pH 值平均下降了约 0.1 个单位，这相当于氢离子浓度增加了大约 30% [ 11 ] 。传统层面认为海洋酸化会减缓珊瑚、浮游软体动物、有孔虫、钙藻和贝类的钙化过程，增加溶解风险，削弱它们的壳体和骨架等。除此之外，海洋酸化还会显著加剧铜的毒性，放大铜暴露的生态影响。
预计到 2099 年，敏感海洋生物的毒性阈值将下降约 50%，这意味着现有铜污染所带来的生态影响将翻倍 [ 12 ] 。气候驱动因素与铜的生物地球化学相互作用，构成了一个显著但尚未充分认识的机制，可能会加剧人类活动对沿海生态系统的压力，尤其是那些已经受到铜污染的工业化港口和河口地区。
法规与替代方案
在 20 世纪 50 年代，荷兰科学家发现三丁基锡（Tributyltin，TBT）的防污特性，这种化合物是当时最有效的防污杀生剂，这使得它在全球范围内受到欢迎。
然而在 1970 年代末和 1980 年代初，法国阿尔卡雄湾的牡蛎养殖遭遇了严重的壳体变形、生长障碍和繁殖失败。这不仅导致了牡蛎市场价值的大幅下降，还导致了牡蛎幼虫的完全丧失。同样在英国进行的多项研究中发现，TBT 的使用与海洋腹足类动物雄性性器官的发育障碍之间存在强烈的相关性，这被归因于 TBT 会干扰软体动物内分泌系统。
2008 年，国际海事组织在全球范围内禁止使用 TBT 防污涂料。这一变化最终导致以铜为基础的防污体系的复兴，其中铜基涂料主要包含亚铜氧化物（Cu2O）、亚铜硫氰酸盐（CuSCN）或金属铜作为杀生剂。然而，随着含铜防污漆的广泛应用，部分码头海水中的铜含量超标，引发了人们对防污替代品潜在风险的日益担忧。美国华盛顿州正考虑在 2026 年禁止铜含量超过 0.5% 的防污涂料用于休闲船艇。随着绿色海洋经济的不断发展，铜基"防污漆"的命运具有较大的不确定性。
在"双碳"战略的指引下，绿色防污研究已成为未来发展的主流方向，中国科学院海洋研究所海洋关键材料全国重点实验室的研究者们就正在积极探索无毒、低污染的替代材料和技术。
例如，利用植物和动物来源的天然杀生剂替代传统的有毒防污剂（图 3）；模仿荷叶、鲨鱼皮等具有微纳米结构的表面设计，来减少生物附着；通过整合微观尺度的两亲性表面、表面润滑和静电排斥等多重作用，设计具有较大应用潜力的防污涂层。此外，基于光催化和电催化技术的防污方法也成为当前的研究热点。这些创新推动了防污技术的绿色转型，为实现环保目标提供了新的技术路径。
图 3 咖啡渣提取物调控 CeO2 光催化杀菌防污活性 [ 13 ]
对绿色防污技术创新发展的持续投入，高校和科研院所的优势资源的整合攻坚，不同国家间的技术交流与资源共享等，将加速创新成果的全球推广与应用。这些举措将有助于打造更加绿色、环保的防污技术体系。
总结
总体而言，虽然铜基防污漆在保护船舶航行性能方面发挥了重要作用，但其对海洋生态环境和人类健康的潜在威胁不容忽视。随着铜污染的积累和气候变化的叠加效应，我们亟需探索更为环保的替代方案，以减少铜对海洋生物的毒害以及对食物链的影响。
未来，政府、科研机构和产业界的共同努力，推动绿色、安全防污技术的实施落地，在保护海洋生态的同时，也保障人类的食品安全与健康。
参考文献
[ 1 ] https://www.imo.org/en/mediacentre/pages/whatsnew-1652#:~:text=The preliminary findings of the study on the,on ship characteristics, speed and other prevailing conditions
[ 2 ] Schultz MP . Biofouling. 23, 331-41 ( 2007 ) .https://doi.org/10.1080/08927010701461974
[ 3 ] Volker Bertram, New developments in hull fouling management options. 5th Port In-Water Cleaning Conference, ( 2024 ) .
[ 4 ] https://english.www.gov.cn/news/202307/12/content_WS64adf8edc6d0868f4e8ddb43.html
[ 5 ] M. S. Selim, et al., Prog. Mater. Sci. 87, 1-32 ( 2017 ) https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2017.02.001
[ 6 ] https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/antifouling-coating-market
[ 7 ] L.Yang et al., Science 389,6763 ( 2025 ) . https://doi.org/10.1126/science.ady8442
[ 8 ] D. H. Baldwin et al., Environ. Toxicol. Chem. 22, 10 ( 2003 ) .https://doi.org/10.1897/02-428
[ 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
策划制作
作者丨张瑞永 中国科学院海洋研究所研究员、中国科普作家协会会员
杨超 深圳理工大学科普主管、中国科普作家协会会员
审核丨刘宏伟 中山大学化学工程与技术学院副教授 博士生导师
策划丨丁崝
责编丨丁崝
审校丨徐来、张林林
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