Обрастание морских поверхностей организмами

Введение

Нарост морских организмов на поверхностях

Биообрастание, или биологическое обрастание, – это накопление микроорганизмов, растений, водорослей или мелких животных на поверхностях, где это нежелательно, таких как корпуса судов и подводных лодок, устройства вроде водозаборников, трубопроводов, решеток, прудов и рек, что приводит к ухудшению их основного назначения. Такое накопление называется эпибиозом, когда поверхность-носитель является другим организмом, и отношения между ними не являются паразитическими. Поскольку биообрастание может происходить практически везде, где присутствует вода, оно представляет опасность для широкого спектра объектов, таких как корпуса и оборудование лодок, медицинские устройства и мембраны, а также для целых отраслей промышленности, включая бумажную промышленность, пищевую промышленность, подводное строительство и опреснительные установки. Способность материалов препятствовать биообрастанию (например, токсичные биоцидные краски или нетоксичные покрытия) называется антиобрастающей. Накопление обрастающих организмов на корпусах может увеличить как гидродинамический объем судна, так и гидродинамическое трение, что приводит к увеличению сопротивления до 60%. Увеличение сопротивления может снизить скорость до 10%, что может потребовать увеличения расхода топлива до 40% для компенсации. Поскольку топливо обычно составляет до половины затрат на морские перевозки, методы борьбы с биообрастанием позволяют судоходной отрасли сэкономить значительные средства. Более того, увеличение расхода топлива из-за биообрастания способствует негативному воздействию на окружающую среду и, по прогнозам, к 2020 году увеличит выбросы углекислого газа и диоксида серы на 38% и 72% соответственно.

Биология

Биообрастающие организмы чрезвычайно разнообразны и не ограничиваются прикреплением ракушек и водорослей. По некоторым оценкам, более 1700 видов, включающих свыше 4000 организмов, ответственны за биообрастание. Биообрастание подразделяется на микрообрастание – образование биопленки и бактериальную адгезию – и макрообрастание – прикрепление более крупных организмов. В зависимости от различных химических и биологических особенностей, определяющих факторы, препятствующие их оседанию, организмы также классифицируются как организмы, образующие твердые или мягкие обрастания. К известковым (твердым) обрастающим организмам относятся ракушки, инкрустирующие бриозои, моллюски, такие как зебра-моллюск, полихеты и другие трубчатые черви. Примерами не известковых (мягких) обрастающих организмов являются морские водоросли, гидроиды, водоросли и биопленочный "слизь". Вместе эти организмы формируют сообщество обрастателей.

Формирование экосистемы

Морское обрастание обычно описывается как последовательность из четырех стадий развития экосистемы. В течение первой минуты взаимодействие сил Ван-дер-Ваальса приводит к покрытию погруженной поверхности кондиционирующей пленкой органических полимеров. В течение следующих 24 часов этот слой способствует процессу адгезии бактерий, при котором прикрепляются как диатомовые водоросли, так и бактерии (например, Vibrio alginolyticus, Pseudomonas putrefaciens), инициируя формирование биопленки. К концу первой недели обилие питательных веществ и легкость прикрепления к биопленке позволяют вторичным колонизаторам – спорам макроводорослей (например, Enteromorpha intestinalis, Ulothrix) и протозоям (например, Vorticella, Zoothamnium sp.) – прикрепляться. В течение двух-трех недель прикрепляются третичные колонизаторы – макрообрастатели. К ним относятся туникаты, моллюски и сидячие кишечнополостные.

Влияние

Правительства и промышленность тратят более 5,7 миллиардов долларов США ежегодно на предотвращение и борьбу с морским обрастанием. Обрастание происходит повсеместно, но наиболее значимо с экономической точки зрения для судоходной отрасли, поскольку обрастание на корпусе судна значительно увеличивает сопротивление, снижая общую гидродинамическую эффективность судна и повышая расход топлива. Обрастание также встречается почти во всех случаях, когда жидкости на водной основе контактируют с другими материалами. Важные промышленные последствия наблюдаются в поддержании марикультуры, мембранных систем (например, мембранных биореакторов и спиральных мембран обратного осмоса) и циклах охлаждения воды крупного промышленного оборудования и электростанций. Обрастание может возникать в нефтепроводах, транспортирующих масла с содержащейся водой, особенно в тех, которые транспортируют отработанные масла, смазочно-охлаждающие жидкости, масла, сделанные водорастворимыми путем эмульгирования, и гидравлические масла. Другие механизмы, подверженные воздействию обрастания, включают микроэлектрохимические устройства доставки лекарств, машины для производства бумаги и целлюлозы, подводные приборы, трубопроводы противопожарных систем и форсунки спринклерных систем. Устройства, используемые в операционных, редко включают вентиляторы, чтобы минимизировать риск передачи инфекций. Кроме того, медицинское оборудование, системы ОВКВ, высокопроизводительные компьютеры, бассейны, системы питьевой воды и другие продукты, использующие жидкостные линии, подвергаются риску обрастания, поскольку внутри них происходит биологический рост. Исторически основное внимание уделялось серьезному влиянию обрастания на скорость морских судов. В некоторых случаях может быть повреждена конструкция корпуса и движительные системы. Обрастающие сообщества могут напрямую конкурировать с моллюсками за пищевые ресурсы, препятствовать получению ими пищи и кислорода, уменьшая поток воды вокруг моллюсков, или мешать нормальному открыванию раковин. В результате популяции, пострадавшие от обрастания, могут испытывать замедление роста, ухудшение состояния и снижение выживаемости, что негативно сказывается на продуктивности ферм. Хотя существует множество методов удаления, они часто оказывают воздействие на культивируемые виды, иногда даже больше, чем на сами организмы-обрастатели.

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.

Обнаружение

Судоходные компании традиционно полагались на плановое удаление обрастаний для поддержания их на управляемом уровне. Однако скорость обрастания может значительно различаться в зависимости от судна и условий эксплуатации, что затрудняет прогнозирование допустимых интервалов между очистками. Производители светодиодов разработали ряд оборудования УФ-С (250–280 нм), которое способно обнаруживать и даже предотвращать обрастание. Обнаружение обрастания основано на свойстве биомассы к флуоресценции. Все микроорганизмы содержат естественные внутриклеточные флюорофоры, которые излучают в УФ-диапазоне при возбуждении. В УФ-диапазоне такая флуоресценция возникает благодаря трем ароматическим аминокислотам — тирозину, фенилаланину и триптофану. Наиболее легко обнаруживается триптофан, который излучает на длине волны 350 нм при облучении на 280 нм.

Противозагрязнение

Антифолирование – это процесс предотвращения образования отложений. В промышленных процессах биодисперсанты могут использоваться для контроля обрастания. В менее контролируемых условиях организмы уничтожаются или отталкиваются покрытиями с использованием биоцидов, термической обработки или импульсов энергии. Нетоксичные механические стратегии, препятствующие прикреплению организмов, включают выбор материала или покрытия со скользкой поверхностью, создание ультранизкообрастающей поверхности с использованием цвиттерионов или создание наноструктурированных поверхностей, подобных коже акул и дельфинов, которые обеспечивают лишь слабые точки для закрепления. Существует два класса нетоксичных антиобрастающих покрытий. Наиболее распространенный класс основан на низком трении и низкой поверхностной энергии. Низкая поверхностная энергия приводит к образованию гидрофобных поверхностей. Эти покрытия создают гладкую поверхность, которая может предотвратить прикрепление крупных микроорганизмов. Например, широко используются фторполимеры и силиконовые покрытия. Эти покрытия экологически инертны, но имеют проблемы с механической прочностью и долгосрочной стабильностью. В частности, через несколько дней на поверхности могут образовываться биопленки (слизь), которые маскируют химическую активность и позволяют микроорганизмам прикрепляться. Неполярность PDMS способствует легкому адсорбированию биомолекул на его поверхности для снижения поверхностной энергии. Однако PDMS также обладает низким модулем упругости, что позволяет отсоединять обрастающие организмы при скорости более 20 узлов. Зависимость эффективности от скорости судна ограничивает использование PDMS на медленно движущихся судах или тех, которые проводят значительное время в порту. Эти покрытия пока не поступили в коммерческую продажу и разрабатываются в рамках более масштабной программы Управления военно-морских исследований по созданию экологически безопасных биомиметических покрытий для кораблей. Международное морское сообщество отказалось от использования покрытий на основе органотина. Дихлорооктилизотиазолинон заменяет соединения органотина. Однако это соединение также обладает широкой токсичностью для морских организмов.

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.

Ультразвуковой антиокислитель

Ультразвуковые преобразователи могут быть установлены внутри или снаружи корпуса небольших и судов среднего размера. Исследования показали, что эти системы могут помочь снизить обрастание, генерируя импульсы ультразвуковых волн через материал корпуса в окружающую воду, уничтожая или денатурируя водоросли и другие микроорганизмы, которые являются началом процесса обрастания. Системы не могут использоваться на лодках с деревянным корпусом или лодках, корпус которых изготовлен из мягких композитных материалов, таких как дерево или пена. В основе этих систем лежит технология, доказавшая свою эффективность в борьбе с цветением водорослей.

Энергетические методы

Импульсное лазерное облучение обычно используется для борьбы с диатомовыми водорослями. Плазменная импульсная технология эффективна против мидий-зебр и действует путем оглушения или уничтожения организмов за счет микросекундного насыщения воды энергией высоковольтным электричеством.

Другие методы

Режимы периодического использования тепла для обработки оборудования и труб теплообменников успешно применялись для удаления мидий из систем охлаждения электростанций с использованием воды при температуре 40 °C в течение 30 минут. Медицинская промышленность использует различные энергетические методы для решения проблем, связанных с биологическим загрязнением и биообрастанием. Автоклавирование обычно включает нагрев медицинского изделия до 121 °C (249 °F) в течение 15–20 минут. Также могут применяться ультразвуковая очистка, ультрафиолетовое облучение, а также химическая протирка или погружение для различных типов изделий. Медицинские изделия, используемые в операционных, отделениях интенсивной терапии, изоляторах, лабораториях биологического анализа и других зонах с высоким риском контаминации, поддерживают отрицательное давление (постоянную вытяжку) в помещениях, соблюдают строгие протоколы очистки, требуют оборудования без вентиляторов и часто покрываются защитной пленкой. УФС-излучение – бесконтактное, нехимическое решение, которое может использоваться для широкого спектра инструментов. Излучение в диапазоне УФС предотвращает образование биопленки, деактивируя ДНК бактерий, вирусов и других микроорганизмов. Предотвращение образования биопленки препятствует прикреплению к инструменту крупных организмов и его последующей неработоспособности.

История

Биообрастание, особенно судов, было проблемой столько же, сколько человечество бороздит океаны. В арамейской записи, датируемой 412 годом до н.э., упоминается покрытие дна корабля смесью мышьяка, масла и серы. В труде «Деипнософисты» Афиней описал усилия по борьбе с обрастанием, предпринятые при строительстве великого корабля Иерона Сиракузского (умер в 467 году до н.э.). Плутарх в своем объяснении влияния обрастания на скорость корабля писал: «Когда на его боках прилипают водоросли, ил и грязь, ход корабля становится более тупым и слабым; и вода, натыкаясь на эту липкую массу, не так легко от нее отделяется; и поэтому они обычно конопатят свои корабли». До XVIII века использовались различные методы борьбы с обрастанием, основанные на трех основных веществах: «белое вещество» – смесь котельного масла (китового жира), канифоли и серы; «черное вещество» – смесь дегтя и смолы; и «коричневое вещество», представлявшее собой просто серу, добавленную к «черному веществу». Цель этих обработок во многих случаях остается неясной. Существуют споры о том, были ли многие из этих методов действительно направлены на борьбу с обрастанием, или же, при использовании в сочетании со свинцовой и деревянной обшивкой, они предназначались лишь для борьбы с древоточными корабельными червями. В 1708 году Чарльз Перри предложил использовать медную обшивку как средство против обрастания, но первые эксперименты были проведены только в 1761 году на HMS Alarm, после чего днища и борта килей и фальш-килей нескольких судов были обшиты медными листами. 1960-е годы принесли прорыв – самополирующиеся краски, которые медленно гидролизуются, постепенно высвобождая токсины. Эти краски использовали органометаллические биотоксины, такие как трибутилоксид олова (ТБО), и были эффективны до четырех лет. Впоследствии эти биотоксины были запрещены Международной морской организацией после того, как было установлено, что они чрезвычайно токсичны для различных организмов. ТБО, в частности, был назван самым токсичным загрязнителем, когда-либо намеренно выпущенным в океан. Изучение биообрастания началось в начале XIX века с экспериментов Дэви, установивших связь между эффективностью меди и скоростью ее растворения. Одной из тенденций в исследованиях является изучение взаимосвязи между смачиваемостью и эффективностью борьбы с обрастанием. Другая тенденция – изучение живых организмов в качестве источника вдохновения для новых функциональных материалов, например, механизмов, используемых морскими животными для предотвращения биообрастания на их коже. Материаловедческие исследования превосходных противообрастающих поверхностей для реакторов с псевдоожиженным слоем показывают, что пластики с низкой смачиваемостью, такие как поливинилхлорид (ПВХ), полиэтилен высокой плотности и полиметилметакрилат («плексиглас»), демонстрируют высокую корреляцию между их устойчивостью к бактериальной адгезии и их гидрофобностью. Изучение биотоксинов, используемых организмами, выявило несколько эффективных соединений, некоторые из которых более мощные, чем синтетические. Буфалин, буфотоксин, оказался более чем в 100 раз сильнее ТБО и более чем в 6000 раз эффективнее в подавлении прикрепления ракушек. Один из подходов к борьбе с обрастанием заключается в покрытии поверхностей полиэтиленгликолем (ПЭГ). Выращивание цепей ПЭГ на поверхностях является сложной задачей. Решение этой проблемы может прийти с пониманием механизмов, с помощью которых мидии прикрепляются к твердым поверхностям в морской среде. Мидии используют адгезивные белки, или MAP. Срок службы покрытий из ПЭГ также вызывает сомнения.

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.