抗生物污損型海水提鈾材料研究進展

李璐琰，文 君，胡 勝，汪小琳

中國工程物理研究院 核物理與化學研究所，四川 綿陽 621900

核能是一種高能量密度的綠色能源。隨著“碳達峰”和“碳中和”的發展目標的提出，我國能源結構必須向清潔能源轉型，因此核能在我國能源結構中的比例將會不斷提升。鈾作為最重要的核能資源，是核能發展的必要保障。然而按照目前鈾資源的消耗速度，世界鈾礦資源儲量僅可以支撐核電發展80～120年[1]。特別是我國，目前大量鈾資源需要通過進口解決，隨著我國核能的進一步發展，鈾資源短缺的問題將會越來越凸顯。所幸的是，經估算全球海水中含鈾資源總量可達45億噸，是陸地鈾礦資源的1 000倍[2]，足以滿足核電可持續發展數千年。因此，海水提鈾對于保障我國清潔能源的可持續發展、促進海洋資源的綜合利用具有重大而長遠的戰略意義。

由于海洋環境的復雜性，海水提鈾已成為一項有廣闊前景但難度極大的核燃料資源開發項目[3-5]，制備高吸附容量、高選擇性、耐用的吸附材料是實現海水提鈾產業化的關鍵。然而要保障提鈾材料在真實海洋環境中的應用，海洋環境與提鈾材料之間的相互影響不可忽視。海洋具有非常苛刻的腐蝕環境，與其他腐蝕環境相比，其主要特點是海水的腐蝕行為由高的生物活性引起，每升海水中含有109數量級微生物[6]，包括細菌和微藻等，這些微生物及其無機和有機代謝產物均會對材料產生影響。并且海水提鈾是一個相對漫長的吸附過程，在提鈾過程中，通常需要將材料浸泡在海洋環境中數十天，海水中存在的大量海洋微生物會在材料表面富集對材料造成生物污損，進而造成材料被腐蝕并影響鈾吸附性能[7-8]。Hu等[9]制備了偕胺肟化超高分子量聚乙烯纖維，投放于廈門島東海海洋環境進行鈾吸附試驗。在真實海域中，吸附材料表面附著大量生物污垢(圖1)，導致海洋中的生物污損，影響吸附材料的吸附性能，吸附容量明顯降低。

圖1 海洋生物對吸附材料污損示意圖[9]Fig.1 Fouling of adsorption materials by marine organisms[9]

生物污損的過程通常被分為四個關鍵的階段(圖2)[10-12]：1) 材料浸入水中一段時間，有機物初始積累在材料表面并形成一層薄的生物膜；2) 細菌、硅藻等生物在材料表面沉降、黏附和定殖；3) 微生物膜進一步發展形成粗糙的表面，捕獲黏附更多的顆粒和有機物；4) 藤壺、貽貝或藻類等微生物在污染的表面上生長。Gill 等[13]將提鈾材料放在有光和無光條件下的海水中吸附42 d，結果表明，有光條件下的材料表面腐蝕更嚴重，吸附性能下降30%，吸附后期總吸附容量和吸附速率也大大降低。盡管可以采取部署在透光區以下等多種方式降低生物污損對材料吸附性能的影響[14]，但這些操作會導致提鈾成本大幅提高，并且也不能完全避免微生物對提鈾材料的影響。因此，制備抗生物污損型海水提鈾材料是現階段最有希望解決生物污損對海水提鈾影響的方案。本文主要介紹了目前已報道的抗生物污損型提鈾材料的發展以及不同抗生物污損型提鈾材料的作用機制，并對海水提鈾材料的未來發展進行了展望。

圖2 海洋污垢對吸附材料的污染過程示意圖[12]Fig.2 Pollution processes of marine fouling on adsorbent material[12]

1 無機顆粒抗生物污損吸附材料

無機抗菌劑的開發和應用始于20世紀60年代，目前技術成熟、應用廣泛的無機抗菌劑主要有：Ag系抗菌劑[15-19]、TiO2系抗菌劑[20]、Zn系列抗菌劑[21-22]和其它無機納米抗菌劑[23-24]等。無機抗菌劑大多利用金屬離子的抗菌能力，通過緩釋作用達到長效抑菌的目的，少部分在光照下產生活性氧以抗菌。無機抗菌劑具有不易產生耐藥性、高耐熱性等優點，通常采用物理方法將其附載于材料表面，賦予材料抗生物污損性能。

Das等[16]通過紫外線引發誘導的光聚合將Ag納米顆粒嵌入到聚甲基丙烯酸磷酸乙二醇酯(PEGMP)中(圖3)，材料在含預生長的大腸桿菌細胞瓊脂平板上放置24 h后，細菌完全沒有生長。然而從鈾吸附性能的結果來看，與PEGMP相比，Ag@PEGMP的吸附性能和吸附速率略有下降。Wen等[20]采用輻照接枝法在羊毛纖維上化學沉積TiO2納米顆粒，制備得到吸附材料Wool-AO@TiO2，該材料對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌率分別為90%和95.2%。把Wool-AO@TiO2和細菌溶液連續培養四個循環，材料的抗菌活性隨著循環次數的增加而略有下降，但是對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌率依然可以達到88.4%和89%。Wool-AO@TiO2的飽和吸附容量為113.12 mg/g，而在含大腸桿菌的鈾溶液(鈾質量分數為50×10-6)中吸附容量為87.5 mg/g，相比下降了22.6%。從上述結果可以看出，雖然無機抗菌納米粒子的加入對細菌的生長有抑制作用，但細菌對材料的吸附性能仍然有一定影響。

圖3 Ag@PEGMP納米復合材料合成示意圖[16]Fig.3 Synthesis of Ag@PEGMP nano-composite[16]

Ao等[21]通過在偕胺肟功能化的超高分子量聚乙烯纖維中加載微量鋅離子，合成了一種具有防生物污損性能的Zn@AO纖維。1.8 mg/g鋅加載量的纖維對大腸桿菌的抗菌率超過80%，對枯草芽孢桿菌和溶藻弧菌的抗菌率分別為73.6%和25.0%，在模擬海水中，Zn@AO纖維的吸附容量相比AO纖維的10.0 mg/g提高到13.7 mg/g。Yuan等[23]將黑磷納米片(BP)添加到聚偕胺肟溶液中，并通過吹紡法制造BP-PAO纖維。由于BP光誘導的光熱、光電和光催化作用產生活性氧，使材料對海洋細菌群落的抑制率達到96.67%。在模擬的陽光照射下，BP-PAO纖維在天然海水中具有11.76 mg/g的鈾提取能力。

綜上，無機抗生物污損吸附材料對海水中的細菌具有抑制作用，但是無機抗菌劑與吸附材料的非共價鍵作用并不穩定，抗菌劑易從吸附劑上脫離，從而在長期海洋作業中可能喪失防污能力。此外，這些無機納米顆粒的降解非常困難，可能會對海洋生態造成一定的影響。

2 聚合物基抗生物污損吸附材料

聚合物基吸附劑是目前為止唯一被大規模應用于海水提鈾海試試驗的材料[25-28]。與其他吸附劑相比，聚合物基吸附劑具有出色的機械強度、易投放回收等優點，這對于它們在海水環境中的耐受性和提鈾過程中的可重復使用性都非常有利。聚合物基吸附材料通常由基體材料和配體基團組成，可利用接枝法將抗生物污損配體基團接枝到基體材料上，共同組成高性能的鈾吸附材料[29-38]。抗生物污損官能團有氨基、季胺鹽和胍基等。

Wang課題組[31]以聚丙烯腈纖維為基體材料，通過水熱法用超支化聚酰胺胺(h-PAMAM)功能化聚丙烯腈纖維，然后再與鹽酸羥胺反應形成材料PAO-h-PAMAM(圖4)。PAO-h-PAMAM表面上充足的多氨基結構有助于破壞細菌的細胞壁或細胞膜，在濃度為 108CFU/mL(CFU/mL，細菌濃度單位，表示每毫升菌液形成的菌落數)的海洋細菌溶液體系中，材料的抗菌率達到96.5%。在pH=8.0的鈾溶液中，PAO-h-PAMAM的吸附容量為465.33 mg/g。該課題組[32]還將聚六亞甲基胍鹽酸鹽接枝到聚丙烯腈纖維上，制備成聚胍基抗生物污損提鈾材料。該材料對海洋細菌的抑制率高達99.46%，連續進行五個循環的抗菌實驗后，對海洋細菌的抑制率仍達到99%以上。該材料的鈾飽和吸附容量為684.3 mg/g，公斤級該吸附劑在中國南海進行了海試試驗，試驗后通過掃描電子顯微鏡觀察纖維表面，發現沒有任何海洋微生物附著，并且材料對鈾酰離子的吸附容量達到3.63 mg/g[1]，是目前規模化海試吸附容量最高值。

圖4 PAO-h-PAMAM提鈾材料的合成及抗菌作用示意圖[31]Fig.4 Synthesis and antibacterial effect of PAO-h-PAMAM [31]

Zhang等[35]以聚丙烯無紡布為基體材料，通過輻射誘導和化學法先后分別接枝聚甲基丙烯酸甘油單酯和雙氰胺，最后進行胺肟化制備得到抗生物污損吸附材料。材料中胍基的抗菌功能和超親水性可以有效防止細菌黏附，在大腸桿菌菌液中培養一段時間后，通過掃描電子顯微鏡觀察纖維表面，與對照組相比，細菌在該材料表面黏附程度大幅降低。材料在5 h內達到吸附平衡，吸附容量為112 mg/g。

綜上，聚合物基抗生物污損吸附材料由于拉伸強度高、化學穩定性好、適合大規模生產等優點成為現階段海水提鈾吸附材料的主流，但是鈾吸附性能仍需進一步提高，同時需要在真實海洋環境中開展大量的試驗以驗證聚合物基抗生物污損吸附材料的海洋耐受能力。

3 納米結構抗生物污損吸附材料

隨著納米尺度的合成、改性和功能化技術的不斷成熟，納米結構材料作為吸附劑用于提取鈾也引起廣泛關注，同時可通過設計具有優異光催化活性的納米骨架或將納米結構材料功能化賦予材料抗生物污損能力。納米材料有許多優秀的性能，包括高比表面積、高結合位點密度和快傳質速度等，這些性質使材料在吸附動力學、吸附容量和選擇性方面具有優勢。

3.1 金屬有機骨架材料(MOFs)

金屬有機骨架材料(MOFs)是由有機配體和過渡金屬離子組裝而成的規則多孔晶體材料[39-40]。與沸石分子篩、活性炭等傳統多孔材料相比，MOFs具有永久性孔隙率高、孔結構可調、比表面積大、化學功能可調等優點。此外，MOFs的另一個獨特優勢是它們可以通過原位合成或后修飾對其結構進行改善，賦予 MOFs 特殊的化學性質，例如抗生物污損特性[15,24,41-43]等。Yu等[42]通過羧基與氨基的共價交聯反應，將具有廣譜抗菌活性的新霉素接枝到UiO-66材料表面(圖5)，材料對海洋細菌的抑制率為87.03%，且材料在pH=8.0的鈾溶液中吸附容量為100 mg/g，在過濾后的真實海水中吸附30 d后，鈾吸附容量為4.62 mg/g。

圖5 新霉素修飾UiO-66提鈾材料的合成及抗菌作用示意圖[42]Fig.5 Synthesis and antibacterial effect of UiO-66 modified by neomycin[42]

為解決傳統粉末類型吸附劑在海水中投放回收的難題，Yu等[41]通過原位生長將ZIF-8型MOF納米顆粒嵌入到溶液吹塑法制備的聚丙烯腈納米纖維上，為防止MOF納米顆粒在材料后處理過程中脫落，作者引入了單寧酸交聯涂層。在天然海水中放置50 d，該材料表面只有很少的死菌和藻類附著，在天然海水中最大鈾吸附容量為11.17 mg/g。Guo等[43]將Ag離子和Zn離子負載在殼聚糖-氧化石墨烯泡沫基質上，通過原位生長ZIF-8，制備了具有防污性能的泡沫吸附劑。該吸附劑致藻類細胞死亡率超過70%，并極大地抑制了藻類細胞的黏附。在模擬海水中，該材料的鈾吸附容量達到361.01 mg/g。

3.2 共價有機骨架材料(COFs)

共價有機骨架材料(COFs)是一類具有二維或三維結構的有序多孔晶體材料，該骨架由輕質元素(C、H、N、O和B等)構成，并通過牢固的共價鍵連接[44]，這賦予材料優異的特征，包括低質量密度、高比表面積、可調節大小的孔結構、高熱穩定性等。Qiu課題組[45-51]開展了一系列工作，并制備了一種新型的半導體共價有機骨架材料BD-TN-AO[46]。基于高度共軛結構，BD-TN-AO表現出優異的光電和光催化性能。在光照條件下，該材料產生具有生物毒性的活性氧，對大多數菌株(溶藻弧菌、銅綠假單胞菌、蠟狀芽孢桿菌和枯草芽孢桿菌)的抑制率高達90%以上，并在天然海水中獲得了5.9 mg/g的鈾吸附容量。

為進一步提高抗生物污損性能，Qiu課題組[48]研制了含苯并惡唑結構的吸附劑。該吸附劑對受試菌株具有很高的抗菌活性(抗菌率>95%)，并且在天然海水中表現出不錯的吸附速率，吸附容量達到10.31 mg/g。然而，在海洋環境中粉末材料易流失的缺點阻礙了COFs材料的實際應用。最近，該課題組將具有優異光催化活性的COFs引入到多孔聚合物支架海綿[49]和水凝膠聚合物網絡[50]中，COFs材料回收困難和親水性差等問題得到了改善。

3.3 共軛微孔聚合物 (CMPs)

共軛微孔聚合物(CMPs)是一種非常規有機多孔聚合物[52]，擴展的π共軛體系與永久的微孔骨架(直徑<2 nm)相結合，使其具有牢固的共價連接、完美的光學性能、方便的后功能化、可調節的孔隙率和電子結構以及高度的靈活性等優點。Yang等[53]通過1,3-二溴-5,5-二甲基乙內酰脲和 1,3,5-三乙苯的偶聯反應合成CMPs材料，然后利用肟基和羧基進行改性。帶正電荷的酰脲基團賦予該材料抗生物污損的性能，通過掃描電子顯微鏡觀察其材料表面，發現該材料對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有顯著的抗生物污損性能。此外，由于多孔結構和出色的配體親和力的協同作用，該吸附劑在真實海水中表現出較快的吸附速率(0.46 mg/(g·d))，5 d后，鈾飽和吸附容量為2.3 mg/g。

Yu等[54]通過磺化反應將氯磺酸接枝到CMP骨架上，制備了磺化苝基共軛微孔聚合物吸附劑(圖6)，在光照條件下顯著降低了海洋細菌對于提鈾材料吸附性能的影響，該材料在鈾質量分數為500×10-6的模擬海水中鈾吸附容量為1 989 mg/g。

圖6 磺化苝基CMPs提鈾材料的合成及抗菌作用示意圖[54]Fig.6 Synthesis and antibacterial effect of sulfonated perylene-based CMPs[54]

綜上, 雖然納米結構抗生物污損吸附材料具有比表面積大、后功能化簡單、孔結構可調等優點, 但是現有的大多數納米結構抗生物污損吸附材料必須在光照下才有抗菌能力，這很大程度上限制了實際應用，并且粉體材料還存在投放和回收困難等不足，因此要想使納米結構抗生物污損吸附材料在海水提鈾領域廣泛應用，還有較多問題需要解決。

4 天然生物質抗污損吸附材料

天然生物質抗菌劑包括植物源、動物源、微生物源抗菌劑等[55]，這些材料具有廉價、無毒、易得、高親水性和可再生等特點，使生物質抗污損吸附材料在海水提鈾領域有著廣闊應用前景[56-62]。

植物源抗菌劑以植物為原料，利用植物自身的殺菌活性物質達到抗菌目的。Wang等[57]通過蝕刻方法合成了具有多孔結構、抗菌和超親水性能的偕胺肟改性竹炭 AOOBCH。該材料的超親水特性不僅加速了材料對鈾的吸附，還促進了竹炭中的抗菌物質竹醌對細菌的抑制作用。AOOBCH分別在含金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的培養液中放置培養24 h后，與對照組相比，培養皿中的細菌數量明顯減少，這歸因于天然竹醌對細菌生長的抑制。

動物源殺菌劑主要是指從動物中直接分離提取的、具有殺菌作用的一類物質，有氨基酸類、天然肽類、高分子糖類等。由于動物源殺菌物質是生物體提取物，這些物質更容易進入微生物細胞，導致膜通透性增加和能量代謝系統破壞，因而能迅速抑制微生物的活動、生長和繁殖。Shi等[58]通過聚偕胺肟分子和殼聚糖的一步共價交聯，構建了具有抗生物污損性能的氣凝膠(圖7)，在含菌海水中的鈾吸附量達到滅菌海水的90.67%～94.82%，在天然海水中放置30 d，對鈾酰離子的吸附容量達到9.29 mg/g。Yuan等[59]用戊二醛作為交聯劑，將具有廣泛抗菌活性的奧米加南肽共價交聯成聚合物肽水凝膠。該材料對海水中的海洋微生物的抑制率達到99.1%。在未過濾的含有海洋微生物的天然海水中，使用柱循環吸附系統吸附，該材料在3周內達到了7.12 mg/g的鈾吸附容量。

圖7 殼聚糖/聚偕胺肟氣凝膠材料合成示意圖[58]Fig.7 Synthesis of chitosan/polyamidoxime aerogel material[58]

微生物源抗菌劑主要來源于某些微生物自身和其代謝產物。Gao等[60]通過紫外線聚合法將聚偕胺肟固定在共聚物水凝膠網絡中，并滲透到由纖維素纖維制成的餐巾紙中，形成復合水凝膠膜。材料中的纖維素對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌和溶藻弧菌的抑制率分別達到74.2%、84.1%和69.2%，在沒有過濾細菌的天然海水中放置6周后，該水凝膠的鈾吸附容量達到6.21 mg/g。Yuan等[61]從真實海水中分離出了具有超快和高鈾固定能力的微生物——維氏芽孢桿菌菌株UUS-1，UUS-1通過產生多種抗菌代謝物而具有廣泛抗菌活性。在海水肉湯中將海水與體積分數為2%的UUS-1 發酵液共培養，UUS-1發酵液抑制了99.01%的海洋細菌生長。

綜上，生物質抗菌劑具有優異的抗菌活性，同時其與提鈾材料有著很好的兼容性，因此生物質抗污損型提鈾材料在海水提鈾領域亦是一種可行且具有巨大潛力的材料。

5 抗生物污損材料機理

海洋中有超過4 000種海洋污損生物，制備在海洋環境下性能優良的抗生物污損型提鈾材料是一項具有很大挑戰性的研究工作。目前基于對抗污損機理的認識，設計抗生物污損型提鈾材料主要有兩種思路：(1) 殺死細菌/藻類，防止在材料表面形成微生物膜；(2) 抗微生物在材料表面附著。

5.1 抗菌/抗藻

抗菌/抗藻型提鈾材料通過修飾不同的抗菌/抗藻物質殺死海洋微生物，抗菌/抗藻物質包括無機納米顆粒[15-24]、抗菌官能團[29-33,53]、光致活性氧抗菌劑[41,45-50,54]和生物質抗菌劑[42-43,51,56-61]等。這些抗菌劑可以通過裂解微生物細胞導致其死亡來控制海洋生物污染。

無機納米顆粒具有廣譜、長效的抗菌能力，將其負載到吸附基材上即可制備獲得抗菌/抗藻型提鈾材料。Guo等[15]制備了氧化石墨烯和銀離子雙功能化ZIF-67的抗藻吸附劑。銀離子可破壞細菌細胞的代謝，并對三角褐指藻展現出優異的防污性能，該吸附劑對三角褐指藻的致死率達到約82%，在真實海水中對鈾酰離子的吸附率達到73.27%。

抗菌官能團具有殺菌力強、即效性好等優點，通過偶聯接枝等方法引入到提鈾材料上，可以賦予提鈾材料抗生物污損的能力。Li等[30]通過開環聚合和胍基反應的兩步法合成了含胍基的二嵌段共聚物，然后采用溶液氣噴紡絲法制備了一種含偕胺肟基團的復合納米纖維吸附劑AP15。該材料中的陽離子胍基可以在很寬的pH范圍內質子化，陽離子胍基通過與細菌表面陰離子基團的靜電相互作用來抑制細菌增殖。對于附著在材料上的細菌，胍基會使細菌細胞膜損傷和功能代謝紊亂從而導致細菌死亡。50 L未過濾的天然海水流動35 d后，AP15對鈾的飽和吸附容量為10.31 mg/g，并且AP15纖維表面相對整潔干凈，只有很少量死細菌黏附。

光致活性氧抗菌劑在可見光照射的作用下可以生成活性氧自由基，其具有很強的氧化性，能破壞細菌的繁殖和再生能力，同時還能破壞細菌的細胞膜結構，從而徹底殺滅細菌。光致活性氧抗菌劑具有殺菌能力強、無二次污染等優點。值得注意的是，光催化作用還可以將吸附的U(Ⅵ)還原為不溶性U(Ⅳ)，從而提高材料的鈾提取能力。Cui等[45]采用縮合反應將(苯-1,3,5-三酰基)三乙腈和2,6-萘二羧醛縮合，然后與鹽酸羥胺反應合成含偕胺肟基團的抗菌吸附材料NDA-TN-AO。萘環具有π共軛體系，可大大增強NDA-TN-AO的光催化活性。在模擬陽光的照射下，NDA-TN-AO產生的活性氧對枯草芽孢桿菌、溶藻弧菌、蠟樣芽胞桿菌和綠膿桿菌的生長均有一定程度的抑制作用(圖8)，不僅如此，在天然海水中，NDA-TN-AO的鈾吸附容量達到6.07 mg/g，是黑暗條件下的1.33倍。證明光催化不僅賦予材料抗菌能力，其催化還原作用還提高了材料對鈾的吸附。

圖8 空白組和NDA-TN-AO在黑暗和光照條件下對指示菌的抗菌效果圖[45]Fig.8 Antibacterial activity of control and NDA-TN-AO under dark and light conditions toward indicator bacteria[45]

生物質抗菌劑提取于天然物質，是一種最早為人們所用的天然抗菌劑。Guo等[56]制備了磷酸鹽和酰胺雙功能化磁性復合材料FCCP。磁性納米粒子作為底物，賦予鈾吸附材料優異的穩定性和再生性；生物質抗菌劑殼聚糖的正電荷可以與微生物細胞膜表面的負電荷結合，改變微生物細胞膜的通透性，導致微生物細胞死亡；磷酸鹽提高其親水性，增強吸附能力。FCCP放置在含三角褐指藻的培養液中7 d后，細胞死亡率超過50%。

綜上，各類抗菌物質可使細菌細胞功能代謝紊亂并破壞細胞膜結構導致細菌死亡，所以將抗菌物質接枝或負載在吸附材料上可以賦予提鈾材料抗菌/抗藻性能，并且通過一定的功能化組合還可以達到提高材料鈾吸附能力的目的。

5.2 抗附著

抗附著型提鈾材料是在生物污損發生的第一階段就防止微生物黏附在材料表面、并對鈾酰離子具有一定的吸附或富集作用的材料[34-38,62]，其通常可以通過調節材料表面電荷平衡或在材料表面引入超親水性官能團制得。

聚偕胺肟基吸附劑在天然海水中顯示出負電荷，可能會吸引海水中正電荷污染物的黏附。Yuan等[34]將帶正電荷的四亞乙基五胺引入到帶負電荷的聚偕胺肟中制備得到表面呈電中性的水凝膠吸附劑。在天然海水中浸泡1周后，水凝膠吸附劑上僅觀察到少量污染物，抗黏能力耐久性分析表明，重復使用5次，該材料對細菌的抗黏著能力降低了18.41%，因此構建電荷平衡吸附材料是一種有效抑制海洋生物污損的策略。

Huang等[37]采用原子轉移自由基聚合策略將高親水性基團2-甲基丙烯酰氧基乙基磷酰膽堿(PC)接枝到PVC-CPVC纖維上。PC基團通過與水的強靜電相互作用在材料表面形成致密的水合層，可有效限制細菌附著以及隨后生物膜的形成。該材料浸入天然海水中10 d，在材料表面沒有發現明顯的細菌黏附。Mei等[62]用多孔生物質絲瓜海綿(LS)作為支撐材料，水楊醛肟作為吸附配體，透明質酸(HA)作為防污配體，通過簡單的一步法構建了提鈾材料Anti-LS/SA。HA具有優異的親水性和潤滑性，可以抵抗有機雜質的非特異性黏附。將Anti-LS/SA分別放置在含有大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和溶藻弧菌的菌液中培育8 h，通過掃描電子顯微鏡觀察到，Anti-LS/SA的表面只有很少的細菌黏附(圖9)。在含有海洋微生物的模擬海水中，Anti-LS/SA的鈾飽和吸附容量達到497 mg/g，和材料在無微生物的模擬海水中的吸附容量接近，說明了Anti-LS/SA的抗黏附能力可以實現抗生物污損的目的。

圖9 LS和Anti-LS/SA對指示菌的抗黏附效果圖(圈中物質為細菌)[62]Fig.9 Anti-adhesion activity of LS and Anti-LS/SA toward indicator bacteria[62]

6 總結與展望

海洋生物污損對海水提鈾材料造成的影響嚴重，不僅會對提鈾材料造成破壞，還降低了材料在海水中的鈾吸附容量，而且為后續的洗脫分離和重復利用工作帶來了許多麻煩。因此制備環境友好的抗生物污損吸附材料是海水提鈾領域重要的發展方向。本綜述總結了各種類型的抗生物污損型海水提鈾材料的研究進展(表1)，海水提鈾所面臨的海洋生物污損問題正在逐步得到解決，然而仍有一些問題需要注意：(1) 被抗菌物質殺死的生物附著在吸附材料表面，在海水中長期部署仍然會形成阻礙層，從而影響對鈾的吸附；(2) 海洋環境是復雜的緩沖體系，不止海洋生物污損，鹽度、pH值、共存離子等都影響著材料的實際應用，如何制備綜合性能優異的抗污損吸附材料，提高吸附容量一直都是工程上的難題；(3) 大多數研究僅限于在實驗室條件下測試材料的抗菌和吸附性能，真實海域條件下的抗生物污損研究相對較少；(4) 抗生物污損型海水提鈾材料的制備方法和成本控制等方面對于實現市場競爭力還有一定的距離，在現階段距離工程應用還有較大的差距。

針對以上問題, 未來可就以下幾點進行研究。 (1) 篩選抗菌譜廣、有效抗菌期長、抗菌活性高并具有優異親水性的抗菌物質，將抗菌和抗附著有效結合，制備高抗菌和抗黏附活性的吸附材料，從而實現更為徹底的抗生物污損。通過分別接入抗菌物質和親水性基團可實現雙重抗生物污損，未來也可以探索既能高效抗菌又能抗附著的單一物質。(2) 吸附容量是評價抗生物污損型海水提鈾材料性能優劣最重要的指標。因此后續應深入理解海水提鈾的過程機理，優化吸附材料的結構、鏈段構象等，以提高吸附能力。新的合成方法的設計也可能提高材料在海水中的應用。(3) 海試試驗是真正檢驗提鈾性能的關鍵，能夠發現很多項目運行的實際問題，因此，后續需加強海試試驗的研究，重視海試技術的開發，搭建海水提鈾公共測試平臺。(4) 成本是海水提鈾材料能否工業化應用的核心，未來抗生物污損型海水提鈾材料的研究應聚焦于簡化材料制備過程，開發經濟成本低、可大規模生產的高性能新型吸附材料。通過使用成本低廉的原料、提高材料重復使用性和單次鈾吸附容量可有效降低海水提鈾的成本。

隨著海水提鈾研究的迅速發展，在短短5年內，吸附劑在真實海水中的吸附容量較過去半個世紀已經提高了4倍以上。相信在研究人員的共同努力下，將制備出越來越高效的下一代抗生物污損型海水提鈾材料，將海水提鈾發展成為一項具有市場競爭力的鈾開采技術。