第1章 绪论
　　1.1 海洋资源及其利用
　　海洋资源是指海洋中的生产资料和生活资料的天然来源，不仅是人类食物不可或缺的来源，也是人类生产资料的丰富资源，如海域具有丰富的油气及矿产资源，且比陆域丰富得多。海洋资源可分为水体资源和非水体资源，水体资源一般是指与海水有着直接关系的物质和能量资源，包括化学资源、生物（水产）资源和动力资源等。非水体资源一般是指水体之外的资源，如港湾、海洋交通运输、水产加工、海上风能、海底地热、海洋旅游、海洋空间等都被视为海洋资源。海洋生物材料基本来源于海洋中的水体资源。
　　海洋化学资源包括海水化学资源和海洋矿物资源。海水化学资源主要涉及氯、钠、镁、钾、硫、钙、溴、碳、锶、硼和氟等元素，占海水中溶解物质总量的99.8%以上，可提取的化学物质达50多种。海洋矿物资源是海滨、浅海、深海、盆地和洋中脊底部的各类矿产资源的总称。矿物资源包括主要来源于陆上的岩矿碎屑，经河流、海水海流与潮汐、冰川和风的搬运与分选，最后在海滨或陆架区沉积富集而成的砂矿资源，以及经化学、生物和热液作用等在海底自生矿产。还有一部分是海底固结岩中的矿产，大多属于陆上矿床向海下的延伸部分。
　　海洋生物（水产）资源主要是海洋中蕴藏的经济动物和植物，是有生命、能自行不断更新的海洋资源，主要分为软体动物资源、鱼类资源、甲壳动物资源、哺乳类动物、海洋植物等，是海洋药物与海洋生物材料的主要来源。中国近海海洋生物物种繁多，达21000种以上。海洋生物种类以暖温性种类为主，其次有暖水性和冷温性及少数冷水性种类。
　　海洋动力资源主要指海水运动过程中产生的潮汐能、波浪能、海流能以及海水由温差和盐度差而引起的温差能与盐差能等。
　　海洋约占地球表面积的71%，生物种类繁多，资源量大，具有为人类提供食物、药物和其他材料的巨大潜力。我国虽是海洋大国，但海洋资源的开发利用仍以传统海洋作业为主，80%以上是旅游、交通运输和海洋渔业（图1.1）。
　　图1.1 我国海洋资源利用现状示意图
　　因存在四舍五入，图中数据加和不为100%
　　人类为了满足生产和生活的需要，在海上、海中和海底空间发展交通、生产、军事和其他用途的活动，这些统称为人类对海洋空间的生产活动。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》提出，要拓展蓝色经济空间，发展海洋经济，科学开发海洋资源，建设海洋强国。海洋经济已成为拉动国民经济发展的有力引擎。依据国家海洋发展战略，海洋经济的重要领域之一是海洋医药，海洋生物材料及其制品是海洋医药的重点方向。随着海洋经济的发展，国际上有关海洋医药，尤其是海洋生物材料的研究日新月异，发展十分迅速。我国从事海洋生物材料研究与开发的人员和企业越来越多，研发内容大多应用了海洋物质作为基质材料、改性材料和生物活性物质，其中不少专家学者是以海洋物质作为主要研究方向。
　　本章简单介绍海洋资源及其利用现状，海洋材料的概念及其分类，重点介绍海洋生物材料的基本概念、分类以及海洋生物材料的生物活性及其安全性，为读者深入了解海洋生物材料奠定基础。
　　1.2 源自海洋的海洋材料
　　海洋材料是指从海洋中能提取的材料和专门用于海洋开发的各类特殊材料，前者属于天然材料，后者大多是人工合成材料。源自海洋的材料主要包括矿物质材料和生物质材料；而用于海洋开发的材料则主要有海洋环境材料、海洋安全材料、海洋防护材料和海洋监测材料等。
　　1.2.1 海洋矿物质材料
　　海洋中不仅蕴藏着丰富的人类生存必需的生物资源，而且存在着丰富的海洋材料的基本原料—矿产资源。海洋天然材料主要来自海洋矿产资源，包括海底矿产资源和海水中矿产资源，一般仅指海底矿产资源。近年来，随着陆地矿产资源的不断减少，矿产资源开发正逐步向海洋迈进。
　　海洋矿物是海底沉积物和海底岩层中矿产的统称。在滨海的表层沉积矿产中有各种金属砂矿和非金属材料；在陆架区有海绿石、磷灰石等矿产和建筑材料；在深海区有锰结核和多金属软泥。海底岩层中的矿产主要有铁、煤、硫等，主要分布在大陆架。迄今，在浅海区发现和开采的矿产已达数十种。
　　众所周知，随着世界工业和经济的高速发展，矿产资源消耗量急剧增加，陆地矿产资源在全球范围内日趋短缺、枯竭。随着陆地矿产资源逐渐减少，人类唯有把约占地球表面积71%的海洋作为未来的矿产来源。目前，在海洋矿产资源开发中，最有经济意义、最具发展前景和技术含量最高的是海洋油气资源与大洋锰结核矿物资源的开发。
　　海底矿产资源极为丰富，如海滩中的砂矿、磷钙石和海绿石，深海底的锰结核、多金属软泥以及基岩中的矿脉等。海底锰结核是著名的深海矿产，含锰、铁、镍、钴等20多种元素，经济价值很大。海底多金属软泥是在海底覆盖着的一层红棕色沉积物，含有硅、氧化铝、氧化铁、锰、镍、钴、铜、钒、铅、锌、银、金等，不仅具有潜在的经济意义，也具有重要的科学研究价值。世界上海底煤矿开采早在16世纪就开始了，滨海砂矿已进行了工业规模的开采，其他矿产尚处于勘查研究和试验性开采阶段。1982年通过的《联合国海洋法公约》中规定：国际海底区域（国家管辖范围以外的大洋底部）及其资源是人类共同继承的财产。目前，我国开发的海洋矿产资源主要包括海洋石油、天然气、滨海砂矿等，其中渤海油田的油气产量成为我国油气增长的主体。
　　滨海砂矿资源主要分为金属和非金属重矿物砂矿、砂砾石集料、工业砂、贝壳等几种类型。我国目前已探明具有工业储量的滨海砂矿矿种有钛铁矿、金红石、磷铁矿、独居石、磁铁矿、锡砂矿、铬铁矿、钽铁矿、砂金、贝壳等。经过多年的海洋调查，我国在南海海底发现了富钴结壳和锰结核矿，在东海发现了高品位的硫化热液矿床等。近年来，一种外形似冰却可燃烧的天然气水合物—“可燃冰”被认为有可能成为人类未来高效的新能源。可燃冰是天然气（主要成分是甲烷）被包进水分子中，在海底低温与高压下形成的透明结晶体。广州海洋地质调查局海洋资源调查结果显示，我国南海北部天然气水合物资源具有巨大的能源潜力。海底热液产物—热液硫化物，富含多种金属元素，是极具开发前景的潜在资源。热液活动区生物群奇异的生命表现，改变了人们对传统极端环境下无生命存在的认识，丰富了深海生物基因库，在工业、医药、环保等领域有广泛的应用前景。
　　海洋无机盐晶须材料具有优良的耐高温、耐腐蚀性能，良好的机械强度、电绝缘性，高弹性模量、硬度，作为塑料、金属和陶瓷的改性与增强材料时，显示出极佳的物理、化学性能和优异的机械性能，因此应积极面向海洋开发丰富的无机盐晶须材料。
　　锰结核是锰与铁的球状结核块，小如豌豆，大似马铃薯，尺寸一般小于20cm，个别的则达1m以上，是目前发现的最重要的潜在海底多金属矿产资源。锰结核属于自生矿物，每年还在不断增加，现已在很多地方进行勘探、试采和冶炼试验，力求发挥其巨大的经济效益。锰结核的资源储量巨大，估计全球的资源储量约为230亿吨，在太平洋的分布面积为1800万km2。如果每年从太平洋获取100万吨锰结核，便可提供世界所需锰矿的10%～12%以及钴矿的2%～15%。
　　石油和天然气是两种在成因和组成上都很相近的有机矿产，由复杂的碳氢化合物组成，化学成分主要是烷烃、环烷烃和芳香烃等。据不完全统计，世界陆架区含油气盆地面积达1500万km2，已发现800多个含油气盆地和1600多个油气田，石油地质储量达1450亿吨，天然气地质储量达140万亿m3。
　　1.2.2 海洋生物质材料
　　按照生物系统分类，海洋生物资源可以分为海洋植物资源、海洋动物资源和海洋细菌与真菌三大类，迄今发现的海洋生物已经有30多个门类、约21万种。按照利用类型不同可以将海洋生物资源划分为水产资源、药用资源、工业资源、观赏资源等。按照海洋生物的生活范围可以将海洋生物划分为海洋浮游生物、海洋游泳生物以及海洋底栖生物等。海洋动物现知有16万～20万种，分布广泛；海洋植物有10000多种，其中低等的海藻类以及高等的海洋种子植物只有100多种；海洋真菌不到500种，海洋细菌的种类较多。
　　海洋生物资源最大的特点就是通过生物个体和种下群的繁殖、发育、生长，种群不断补充，通过自我调节达到数量的相对稳定。预计海洋生物每年可以产生百亿吨以上的有机碳和3亿吨以上的水产品，可供人类享用五年左右，但目前海洋捕捞及养殖的面积只有大洋面积的10%，大部分海域还没有得到开发。
　　海洋动物是指海洋中能自行繁衍并不断更新的可利用动物，可分为海洋无脊椎动物和海洋脊椎动物两大类。海洋动物门类繁多，各门类的形态结构和生理特点有差异，形态微小的有单细胞原生动物，庞大的有体长可超过30m、体重可超过190吨的鲸类。从海面至海底，从岸边或潮间带至最深的海沟底，都有海洋动物分布。
　　海洋植物是指海洋中利用叶绿素进行光合作用以生产有机物的自养型生物，分为海藻和海洋种子植物两大类。海洋植物既有2μm大小的单细胞金藻，也有长达60多米的多细胞巨型褐藻；有简单的群体、丝状体，也有具有维管束和胚胎等体态构造复杂的乔木。
　　海藻是含有叶绿素和辅助色素的低等自养型植物，植物体为单细胞、单细胞群体或多细胞三种。海藻是海洋植物的主体，可用作食品的海洋藻类有100 多种，是人类可利用资源的巨大财富。
　　海洋种子植物可分为红树植物和海草两类，约有130种，都属于被子植物，组成了海洋沿岸的生物群落。红树植物是一类生长在热带海洋潮间带的木本植物，如红树、秋茄树、红茄苳、海莲和木榄等。当退潮以后，红树植物在海边形成一片绿油油的“海上林地”，也有人称其为“碧海绿洲”。它们对调节热带气候和防止海岸侵蚀起了重要作用。海草的经济价值很高，像我国浅海中的海带、紫菜和石花菜，都是很好的食品，有的还可以提炼碘、溴、氯化钾等工业原料和医药原料。海草也是海洋动物的食物，有些海洋动物是靠海草来存活的。
　　海洋细菌是指那些只能在海洋中生长与繁殖的细菌，无真核、细胞壁坚韧，是不含叶绿素和藻蓝素的原核单细胞生物，在海洋微生物中分布最广、数量最大，其个体直径常在1μm以下，呈球状、杆状、螺旋状和分枝丝状。海洋中有自养和异养、光能和化能、好氧和厌氧、寄生和腐生以及浮游和附着等类型的细菌。最常见的有假单胞菌属、弧菌属、无色杆菌属、黄杆菌属、螺菌属、微球菌属、八叠球菌属、芽孢杆菌属、棒杆菌属、枝动菌属、诺卡氏菌属和链霉菌属等十多个属。
　　海洋真菌是能形成孢子且有真核结构的微生物，通常栖于某种基体物质而生活，少数自由生活。海洋真菌可分成木生真菌、寄生藻体真菌、红树林真菌、海草真菌以及寄生动物体真菌五种基本的生态类型。
　　海洋真菌和海洋细菌都参与海洋有机物的分解和无机营养物的再生过程，不断为海洋植物提供有效营养。海洋真菌是海洋动物的寄生菌和致病菌，有的能使海洋植物致病，甚至使港湾设施中的木质结构腐烂；某些海洋真菌能破坏聚氨基甲酸酯等高分子合成材料。
　　1.3 用于海洋开发的海洋材料
　　面对未知的深海极端环境，海洋材料成为深海研究的基础载体。根据海洋环境的特点和开发利用海洋资源的实际需要，以及用途的不同，用于海洋开发的海洋材料大体分为四类：海洋环境材料、海洋安全材料、海洋防护材料、海洋监测材料等。
　　1.3.1 海洋环境材料
　　海洋环境包括海水、溶解和悬浮于海水中的物质、海底沉积物和海洋生物，是生命的摇篮和人类的资源宝库。随着人类开发海洋资源的规模日益扩大，海洋环境已受到人类活动的影响并产生了一定的污染。海洋环境材料主要是指海洋环境保护材料，保护是指对自然环境和自然资源的保护。海洋自身的特点决定了海洋环境的保护和陆地环境的保护有着相当大的差别，治理的难度要大得多。目前海洋环境材料就是以保护海洋环境为主要用途的材料，如使用方便、耐风浪、易回收的油污围栏材料；低成本、高强度、具有良好油污吸收性能的油污吸附材料。