Теңіз организмдерінің беттерде өсуі

Кіріспе

Теңіз организмдерінің беттерде өсуі

Биоқоқыс немесе биологиялық қоқыс – микроорганизмдердің, өсімдіктердің, балдырлардың немесе ұсақ жануарлардың кемелер мен су асты кемелерінің корпустары, су кіреберіс құрылғылары, құбырлар, торлар, тоғандар және өзендер сияқты беттерде қажетсіз жиналуы, бұл нысанның негізгі қызметін нашарлатады. Егер жазылған бет басқа организм болса және бұл қарым-қатынас паразиттік болмаса, мұндай жиналу эпибиоз деп аталады. Биоқоқыс судың барлық жерінде пайда бола алатындықтан, қайықтар мен жабдықтар, медициналық құрылғылар мен мембраналар және қағаз өндіру, тамақ өңдеу, су асты құрылысы және тұзсыздандыру өсімдіктері сияқты толыққанды салалар үшін қауіп тудырады. Биоқоқысқа қарсы шара – арнайы жасалған материалдардың (мысалы, уытты биоцид бояулары немесе уытсыз бояулар) қабілеті. Биоқоқыстардың корпуста жиналуы кеменің гидродинамикалық көлемін және гидродинамикалық үйкелісін арттырады, нәтижесінде кедергі 60%-ға дейін жетеді. Кедергінің артуы жылдамдықты 10%-ға дейін төмендетуі мүмкін, бұл үшін отынды 40%-ға дейін арттыру қажет болуы мүмкін. Теңіз тасымалының шығындарының жартысына дейін отын құрайтындықтан, биоқоқысқа қарсы шаралар кеме жүргізу саласына үлкен үнем әкеледі. Сонымен қатар, биоқоқыс салдарынан отынның артуы қоршаған ортаға зиян келтіреді және 2020 жылға қарай көмірқышқыл газы мен күкірт диоксидінің шығарындыларын тиісінше 38% және 72% дейін арттыруы күтілуде.

Биология

Биоқоқыс тудыратын организмдер өте алуан түрлі, олар балықшалар мен теңіз балдырларының жабысуынан әлдеқайда артық. Кейбір есептеулерге сәйкес, 1700-нен астам түр, 4000-нан астам организм биологиялық қоқыстың пайда болуына жауапты. Биоқоқыс микроқоқысқа – биофильмнің қалыптасуы мен бактериялардың жабысуына, және макроқоқысқа – ірі организмдердің жабысуына бөлінеді. Оларды бекінуден тоқтатуға әсер ететін ерекше химиялық және биологиялық қасиеттеріне байланысты организмдер қатты немесе жұмсақ қоқыс түрлеріне де жіктеледі. Кальцийлі (қатты) қоқыс тудыратын организмдерге балықшалар, қабықшалы бриозойлар, зебра мидиясы сияқты моллюскалар, полихеталар және басқа түтік құрттар жатады. Кальцийсіз (жұмсақ) қоқыс тудыратын организмдердің мысалдары – теңіз шөптері, гидроидтар, балдырлар және биофильмді "қоқыс". Бұл организмдердің барлығы бірге қоқыс қауымдастығын құрайды.

Экожүйелердің қалыптасуы

Теңіздік залалдану әдетте экожүйенің дамуының төрт кезеңінен тұрады. Алғашқы минутта Ван дер Ваальс әсері су астындағы беткейдің органикалық полимерлердің жабын қабатымен жабылуына себеп болады. Келесі 24 сағат ішінде бұл қабат бактериялардың жабысу процесін қамтамасыз етеді, диатомдар мен бактериялар (мысалы, Vibrio alginolyticus, Pseudomonas putrefaciens) жабысып, биожұқа қабықшаның қалыптасуын бастайды. Бірінші аптаның соңына қарай, биожұқа қабықшадағы бай қоректік заттар мен оңай жабысу мүмкіндігі макробалдырлардың спораларының (мысалы, Enteromorpha intestinalis, Ulothrix) және протозоалардың (мысалы, Vorticella, Zoothamnium sp.) екіншілік отарлаушыларына жабысуға жағдай жасайды. Екі-үш апта ішінде үшінші деңгейдегі отарлаушылар – макрозалданушылар – жабысады. Оларға туникалылар, моллюскалар және бекініп тіршілік ететін кенелділер жатады.

Әсері

Үкіметтер мен өнеркәсіп теңіздегі биоқаптаманың алдын алу және бақылауға жыл сайын 5,7 миллиардтан астам АҚШ доллары жұмсайды. Биоқаптама барлық жерде кездеседі, бірақ кеме жүргізу саласы үшін экономикалық тұрғыдан ең маңызды, себебі кеме корпусындағы биоқаптама кедергіні күрт арттырады, кеменің жалпы гидродинамикалық тиімділігін төмендетеді және отын тұтынуды жоғарылатады. Биоқаптама су негізді сұйықтықтардың басқа материалдармен жанасқан кез келген жағдайда кездеседі. Өнеркәсіптік маңызы бар әсерлері – марикультура, мембраналық жүйелер (мысалы, мембраналық биореакторлар және кері осмосты спиральді жарақат мембраналары) және ірі өнеркәсіптік жабдықтар мен электр станцияларының салқындату су айналымы. Биоқаптама мұнай құбырларында, әсіресе сумен араласқан майларды, қолданылған майларды, эмульсия арқылы суға ерітілген майларды және гидравликалық майларды тасымалдаған құбырларда кездеседі. Биоқаптаманың әсеріне ұшырайтын басқа механизмдерге микроэлектрохимиялық дәрі-дәрмек жеткізу құрылғылары, қағаз және целлюлоза өнеркәсібі машиналары, су асты аспаптары, өрттен қорғау жүйесінің құбырлары және сепкіш жүйелерінің саптамалары жатады. Операциялық бөлмелерде қолданылатын құрылғыларда желдеткіштер сирек қолданылады, инфекцияға ұғу мүмкіндігін азайту үшін. Сондай-ақ, медициналық жабдықтар, HVAC жүйелері, жоғары деңгейдегі компьютерлер, жүзу бассейндері, ішу суы жүйелері және сұйық желілерін пайдаланатын басқа да өнімдерде биологиялық өсім пайда болу қаупі бар. Тарихи тұрғыдан алғанда, назар теңіз кемелерінің жылдамдығына биоқаптаманың тигізетін ауыр әсеріне аударылған. Кейбір жағдайларда кеме корпусының құрылымы мен қозғалтқыш жүйелері зақымдануы мүмкін. Биоқаптама құрамындағы қоғамдық организмдер моллюскалармен тікелей азық-түлік ресурстары үшін бәсекелесе алады, моллюскалардың айналасындағы су ағынын азайту арқылы азық-түлік пен оттегі алуын қиындатады немесе олардың қақпақтарының ашылуына кедергі келтіреді. Осының салдарынан биоқаптамадан зардап шеккен қора-малдың өсуі, жағдайы және тіршілік етуі төмендеп, шаруашылық өнімділігіне кері әсер етеді. Көптеген жою әдістері болғанымен, олар көбінесе өсірілетін түрлерге, кейде тіпті биоқаптама тудыратын организмдерге қарағанда күштірек әсер етеді.

Governments and industry spend more than US$5.7 billion annually to prevent and control marine biofouling. Biofouling occurs everywhere but is most significant economically to the shipping industries, since fouling on a ship's hull significantly increases drag, reducing the overall hydrodynamic performance of the vessel, and increases the fuel consumption. Biofouling is also found in almost all circumstances where water based liquids are in contact with other materials. Industrially important impacts are on the maintenance of mariculture, membrane systems (e. g., membrane bioreactors and reverse osmosis spiral wound membranes) and cooling water cycles of large industrial equipment and power stations. Biofouling can occur in oil pipelines carrying oils with entrained water, especially those carrying used oils, cutting oils, oils rendered water soluble through emulsification, and hydraulic oils. Other mechanisms impacted by biofouling include microelectrochemical drug delivery devices, papermaking and pulp industry machines, underwater instruments, fire protection system piping, and sprinkler system nozzles. Devices used in operating rooms rarely include fans, so as to minimize the chance of transmission. Also, medical equipment, HVAC units, high end computers, swimming pools, drinking water systems and other products that utilize liquid lines run the risk of biofouling as biological growth occurs inside them. Historically, the focus of attention has been the severe impact due to biofouling on the speed of marine vessels. In some instances the hull structure and propulsion systems can become damaged. Fouling communities may compete with shellfish directly for food resources, impede the procurement of food and oxygen by reducing water flow around shellfish, or interfere with the operational opening of their valves. Consequently, stock affected by biofouling can experience reduced growth, condition and survival, with subsequent negative impacts on farm productivity. Although many methods of removal exist, they often impact the cultured species, sometimes more so than the fouling organisms themselves.

Анықтау

Кеме жүргізу компаниялары мұндай жабысудың деңгейін басқару үшін биологиялық қоқысты жоспарлы түрде алып тастауға сеніп келген. Дегенмен, жабысу жылдамдығы кемелер мен жұмыс жағдайларына байланысты кең ауқымда өзгеруі мүмкін, сондықтан тазалау аралықтарының қалыпты мерзімін болжау қиын. Жарықдиодты (LED) өндірушілер биожабығудың пайда болуын анықтап, тіпті оның алдын алатын UVC (250–280 нм) жабдықтарын жасады. Жабығуды анықтау биомассаның флуоресценция қасиетіне негізделеді. Барлық микроорганизмдерде табиғи жасушаішілік флуорофорлар бар, олар қоздырылғанда ультракөк сәуле диапазонында сәуле шығарады. Ультракөк сәуле ұзындығында мұндай флуоресценция үш ароматты аминқышқылынан – тирозин, фенилаланин және триптофаннан пайда болады. Триптофанды анықтау оңай, себебі ол 280 нм сәулемен сәулеленгенде 350 нм сәуле шығарады.

Құрғақ емес

Антифолинг – жинақталудың алдын алу процесі. Өнеркәсіптік процестерде биодиспеспергенттерді биоқоқысты бақылау үшін қолдануға болады. Аз бақыланатын ортада организмдер өлтіріледі немесе биоцидтер, жылулық өңдеулер немесе энергия импульстерін қолдана отырып, қаптамалармен ығыстырылады. Организмдердің жабысуына жол бермейтін уытты емес механикалық стратегияларға материалды немесе сыртқы бетін тайғақ таңдау, звиттериондарды пайдалану арқылы өте аз ластанушы бет жасау немесе акулалар мен дельфиндердің терісіне ұқсас наноөлшемді бет топологиясын жасау жатады, олар тек нашар бекіну нүктелерін ұсынады. Токсикалық емес антифолингтік қаптамалардың екі класы бар. Ең көп таралған класы төмен үйкеліске және төмен беткі энергияға негізделген. Төмен беткі энергия гидрофобты беттерді тудырады. Бұл қаптамалар тегіс бетті жасайды, бұл үлкен микроорганизмдердің жабысуына кедерес жасайды. Мысалы, фторполимерлер мен силикон қаптамалары жиі қолданылады. Бұл қаптамалар экологиялық тұрғыдан инертті, бірақ механикалық беріктігі мен ұзақ мерзімді тұрақтылығымен байланысты мәселелер бар. Атап айтқанда, бірнеше күннен кейін биофильмдер (қоқыс) беттерді жауып, химиялық белсенділікті жасырып, микроорганизмдерге жабысуға мүмкіндік береді. PDMS-тің полюстігі биомолекулалардың беткі энергияны төмендету үшін оның бетіне оңай сіңірілуіне мүмкіндік береді. Алайда, PDMS-тің икемділік модулі де төмен, бұл 20 түйінден жоғары жылдамдықпен ластанушы организмдердің босатылуын қамтамасыз етеді. Тиімділіктің кеме жылдамдығына тәуелділігі PDMS-ті баяу қозғалатын немесе портода көп уақыт өткізетін кемелерде қолдануға шектеу қояды. Бұл қаптамалар әлі коммерциялық қолжетімді емес және Теңіз зерттеулер басқармасының экологиялық қауіпсіз биомиметикалық кеме қаптамаларын әзірлеуге бағытталған үлкен жобасының бөлігі ретінде әзірленуде. Халықаралық теңіз қауымдастығы органотин негізіндегі қаптамаларды қолдануды тоқтатты. Органотин қосылыстарын дихлорооктилизотиазолинонмен алмастыру қарастырылуда. Алайда, бұл қосылыс та теңіз организмдеріне кең ауқымды уытты әсер етеді.

Antifouling is the process of preventing accumulations from forming. In industrial processes, biodispersants can be used to control biofouling. In less controlled environments, organisms are killed or repelled with coatings using biocides, thermal treatments, or pulses of energy. Nontoxic mechanical strategies that prevent organisms from attaching include choosing a material or coating with a slippery surface, creating an ultra low fouling surface with the use of zwitterions, or creating nanoscale surface topologies similar to the skin of sharks and dolphins, which only offer poor anchor points. There are two classes of non toxic anti fouling coatings. The most common class relies on low friction and low surface energies. Low surface energies result in hydrophobic surfaces. These coatings create a smooth surface, which can prevent attachment of larger microorganisms. For example, fluoropolymers and silicone coatings are commonly used. These coatings are ecologically inert but have problems with mechanical strength and long term stability. Specifically, after days biofilms (slime) can coat the surfaces, which buries the chemical activity and allows microorganisms to attach. The non polarity of PDMS allows for biomolecules to readily adsorb to its surface in order to lower interfacial energy. However, PDMS also has a low modulus of elasticity that allows for the release of fouling organisms at speeds of greater than 20 knots. The dependence of effectiveness on vessel speed prevents use of PDMS on slow moving ships or those that spend significant amounts of time in port. These coatings are not yet commercially available and are being designed as part of a larger effort by the Office of Naval Research to develop environmentally safe biomimetic ship coatings. The international maritime community has phased out the use of organotin based coatings. Replacing organotin compounds is dichlorooctylisothiazolinone. This compound, however, also suffers from broad toxicity to marine organisms.

Ультрадыбыстық ластануға қарсы

Ультрадыбыстық түрлендіргіштер шағын және орта өлшемді қайықтардың корпусына немесе оның маңына орнатылуы мүмкін. Зерттеулер көрсеткендей, бұл жүйелер корпустың материалы арқылы қоршаған суға ультрадыбыстық толқындардың қысқа импульстарын жіберіп, фоулдық процестің бастамасы болып табылатын балдырлар мен басқа микроорганизмдерді өлтіруге немесе олардың құрылымын бұзуға көмектеседі. Бұл жүйелер ағаш корпусты қайықтарда немесе ағаш немесе көбік сияқты жұмсақ ядролы композиттік материалдан жасалған қайықтарда жұмыс істемейді. Жүйелер алғашқыда балдырлардың өрбуін бақылау технологиясының негізінде жасалған.

Энергиялық әдістер

Диатомдарға қарсы импульсті лазерлік сәулелендіру кеңінен қолданылады. Плазмалық импульс технологиясы зебра мидияларына қарсы тиімді және организмдерді есеңгітіп не өлтіру үшін суды микросекундтық ұзақтықтағы жоғары кернеулі электр энергиясымен қуаттандыру арқылы жұмыс істейді.

Басқа әдістер

Электр станциясының салқындату жүйелерінен мидияларды жою үшін 30 минут бойы 105 °F (40 °C) температурадағы суды пайдалану арқылы алмастырғыш жабдықтар мен құбырларды мерзімді түрде жылумен өңдеу әдістері сәтті қолданылды. Медициналық сала биологиялық ластанумен байланысты биологиялық ауыртпалық мәселелерін шешу үшін әртүрлі энергия әдістерін пайдаланады. Автоклавтау әдетте медициналық құрылғыны 121 °C-қа (249 °F) 15–20 минутқа дейін қыздыруды қамтиды. Сондай-ақ, әртүрлі типтегі құрылғылар үшін ультрадыбыстық тазалау, ультракүлгін сәуле, химиялық сүрту немесе суға батыру қолданылуы мүмкін. Операциялық бөлмелерде, жансақтау бөлімшелерінде, изоляциялық бөлмелерде, биологиялық талдау зертханаларында және басқа да жоғары ластану қаупі бар жерлерде қолданылатын медициналық құрылғылар бөлмелерде теріс қысымда (тұрақты шығару) болады, қатаң тазалау ережелерін сақтайды, желдеткіші жоқ жабдықты талап етеді және көбінесе құрылғыларды қорғаныш пластмассамен жабады. УФК сәулелендіру – бұл көптеген құралдарда қолдануға болатын, тікелей жанасусыз және химиялық емес шешім. УФ-С диапазонындағы сәуле бактериялардың, вирустардың және басқа да микроорганизмдердің ДНК-сын белсенділігін жойып, биофильмнің қалыптасуына кедергі келтіреді. Биофильмнің қалыптасуына жол бермеу арқылы ірі организмдердің құралға жабысып, оны жұмысқа жарамсыз етуіне бөгет жасайды.

Тарих

Биологиялық ластану, әсіресе кемелерде, адамзат теңіздерде жүзіп жүргеннен бері мәселе болып келген. 412 ж. жазылған арамейлік жазбада кеме түбінің мырыш, май және күкірт қоспасымен жабық екені айтылған. Афиней «Деипнософистада» Сиракузалық Иеронның (б.з.д. 467 ж. қайтыс болған) ұлы кемесін салу кезіндегі ластануға қарсы күш-жігерді сипаттаған. Плутархтың кеме жылдамдығына ластанудың әсері туралы түсіндірмесі былай делінген: «Егер су өсімдіктері, лай және қоқыс кеменің қабырғаларына жабысып қалса, оның жылдамдығы баяулап, әлсірейді; ал су осы жабысқақ заттарға түсіп, олардан оңай ажырамайды; сондықтан олар кемелерін қаптауды әдетке айналдырған». 18 ғасырға дейін әртүрлі ластануға қарсы техникалар қолданылды, үш негізгі зат пайдаланылды: «Ақ зат» – кит майы, канифоль және күкірт қоспасы; «Қара зат» – шайыр және біту қоспасы; және «Қоңыр зат», ол қара затқа күкірт қосу арқылы жасалған. Көп жағдайда осы емдердің мақсаты белгісіз. Осы емдердің көптегені шын мәнінде ластануға қарсы техникалар ма, әлде қорғасынмен және ағаш қаптамасымен бірге қолданылғанда, олар ағашқа зиян келтіретін тесік ашушылармен күресуге ғана бағытталған ба, деген дау бар. 1708 ж. Чарльз Перри мыс қаптаманы ластануға қарсы құрылғы ретінде ұсынды, бірақ алғашқы тәжірибелер 1761 жылға дейін HMS Alarm кемесін қаптаумен жүзеге асырылмады, содан кейін бірнеше кемелердің түбі мен қабырғалары мыс тақталармен қапталды. 1960 жылдарда жаңа үлкен жетістік болды – баяу гидролизделiп, уларды баяу шығаратын өздігінен жылтыратылатын бояулар. Бұл бояулар трибутил қалайы оксиді (ТБҚО) сияқты органотин химиясы («қалайы негізіндегі») биотоксиндерін қолданды және төрт жылға дейін тиімді болды. Кейін Халықаралық теңіз ұйымы осы биотоксиндерді әртүрлі организмдерге өте зиянды екені анықталғаннан кейін тыйым салды. Әсіресе ТБҚО мұхитқа әдейі жіберілген ең зиянды ластаушы зат ретінде сипатталды. Биологиялық ластануды зерттеу 19 ғасырдың басында Дэвидің мыстың тиімділігін оның еру жылдамдығымен байланыстырған тәжірибелерімен басталды. Зерттеулердің бір бағыты – ылғалдану және ластануға қарсы тиімділік арасындағы байланысты зерттеу. Тағы бір бағыт – жаңа функционалдық материалдарды жасауға шабыттандыратын тірі организмдерді зерттеу. Мысалы, теңіз жануарларының терідегі биологиялық ластануды болдырмау үшін қолданатын механизмдері. Сұйық қабатты реакторлар үшін жоғары ластануға қарсы беттерді зерттеу материалдары поливинилхлорид (ПВХ), жоғары тығыздықтағы полиэтилен және полиметилметакрилат («плексиглас») сияқты ылғалға төзімді пластиктердің бактериялық жабысуға қарсы тұру қабілеті мен гидрофобтылығы арасындағы жоғары корреляцияны көрсетеді. Биотоксиндерді зерттеу нәтижесінде бірнеше тиімді қоспалар анықталды, олардың кейбіреулері синтетикалық қоспалардан күштірек. Буфалин, буфотоксин, ТБҚО-дан 100 есе күшті және балықшаларға қарсы орындық белсенділігі 6000 есе тиімді болды. Ластануға қарсы емдеудің бір тәсілі – беттерді полиэтиленгликольмен (ПЭГ) жабу. ПЭГ тізбектерін беттерге өсіру қиындық тудырады. Бұл мәселені шешу үшін теңіз ортасындағы қатты беттерге жабысатын мидиялардың механизмдерін түсіну қажет. Мидиялар жабысқақ ақуыздарды немесе ЖАҚ-ты пайдаланады. ПЭГ қаптамаларының қызмет ету мерзімі де күмәнді.

Biofouling, especially of ships, has been a problem for as long as humans have been sailing the oceans. An Aramaic record dating from 412 BC tells of a ship's bottom being coated with a mixture of arsenic, oil and sulphur. In Deipnosophistae, Athenaeus described the anti fouling efforts taken in the construction of the great ship of Hieron of Syracuse (died 467 BC). A recorded explanation by Plutarch of the impact fouling had on ship speed goes as follows: "when weeds, ooze, and filth stick upon its sides, the stroke of the ship is more obtuse and weak; and the water, coming upon this clammy matter, doth not so easily part from it; and this is the reason why they usually calk their ships." Before the 18th century, various anti fouling techniques were used, with three main substances employed: "White stuff", a mixture of train oil (whale oil), rosin and sulfur; "Black stuff", a mixture of tar and pitch; and "Brown stuff", which was simply sulfur added to Black stuff. In many of these cases, the purpose of these treatments is ambiguous. There is dispute whether many of these treatments were actual anti fouling techniques, or whether, when they were used in conjunction with lead and wood sheathing, they were simply intended to combat wood boring shipworms. In 1708, Charles Perry suggested copper sheathing explicitly as an anti fouling device but the first experiments were not made until 1761 with the sheathing of HMS Alarm, after which the bottoms and sides of several ships' keels and false keels were sheathed with copper plates. The 1960s brought a breakthrough, with self polishing paints that slowly hydrolyze, slowly releasing toxins. These paints employed organotin chemistry ("tin based") biotoxins such as tributyltin oxide (TBT) and were effective for up to four years. These biotoxins were subsequently banned by the International Maritime Organization when they were found to be very toxic to diverse organisms. TBT in particular has been described as the most toxic pollutant ever deliberately released in the ocean. Study of biofouling began in the early 19th century with Davy's experiments linking the effectiveness of copper to its solute rate. One trend of research is the study of the relationship between wettability and anti fouling effectiveness. Another trend is the study of living organisms as the inspiration for new functional materials. For example, the mechanisms used by marine animals to inhibit biofouling on their skin. Materials research into superior antifouling surfaces for fluidized bed reactors suggest that low wettability plastics such as polyvinyl chloride (PVC), high density polyethylene and polymethylmethacrylate ("plexiglas") demonstrate a high correlation between their resistance to bacterial adhesion and their hydrophobicity. A study of the biotoxins used by organisms has revealed several effective compounds, some of which are more powerful than synthetic compounds. Bufalin, a bufotoxin, was found to be over 100 times as potent as TBT, and over 6,000 times more effective in anti settlement activity against barnacles. One approach to antifouling entails coating surfaces with polyethylene glycol (PEG). Growing chains of PEG on surfaces is challenging. The resolution to this problem may come from understanding the mechanisms by which mussels adhere to solid surfaces in marine environments. Mussels utilize adhesive proteins, or MAPs. The service life of PEG coatings is also doubtful.