Обрастание судов различными микроорганизмами приводит к ухудшению скоростных характеристик. Поэтому регулярно проводится очищение корпуса судна. В материале представлена история борьбы с обрастанием и ее особенности.
История создания противообрастающих покрытий
С самого начала судоходства рост водных организмов на подводной масти кораблей рассматривался как серьезная проблема, тормозящая развитие судостроения. Ранние средиземноморские культуры, средневековые викинги, трансокеанские европейские империи, начиная с периода новой истории, а также современные торговые и военные корабли сталкиваются с этой проблемой, и никто не может найти ее удовлетворительного решения.
Известно, что в битве при Трафальгаре в 1805 г. все корабли королевского флота с медными днищами развивали скорость на 20% выше благодаря уменьшенному обрастанию. Победа Нельсона при Трафальгаре частично объясняется превосходством в скорости его кораблей, имевших чистый корпус. В Дании еще в 1560 г. был издан указ, по которому матросы должны были спускаться под киль судна и осматривать и очищать подводную часть корпуса. Наблюдение и контроль за обрастанием подводных частей корабля существуют в течение всей истории судоходства.
Убытки, вызванные этим явлением, стали очевидными, и борьба с обрастанием началась более 2 000 лет назад. Первые судна были сделаны из древесины, и уже тогда люди столкнулись с морскими организмами — морскими древоточцами, наносящими немало ущерба. К ним относятся моллюски Teredo, Bankia, Lyrodus и ракообразные Limnoria и Sphaeroma. В 1950-х гг. выявили роль грибов в разрушении древесины при эксплуатации в морских условиях. Защитой деревянных судов от морских древоточцев и биоотложений на корпусе люди начали заниматься еще до 200-х гг. до н.э. В качестве антиобрастающих покрытий применяли горячую смолу, деготь, смазки и некоторые другие материалы. Например, во времена римской империи судна защищали листами свинца и меди.
Деревянные суднаДеревянные исполины очень сильно разрушались морскими организмами, а кроме того, имели небольшие размеры (предельная длина около 80 м) и ограниченную силу, поэтому в начале XIX в. судостроение переходит на применение другого материала — железа. Во второй половине XIX в. корабли стали строить из стали. Первый стальной корабль Британского королевского флота был спущен на воду в 1860 г. Защищать от коррозии стальные поверхности медными листами, как суда из древесины, было нельзя, так как в этом случае, напротив, создаются условия для усиленной коррозии. В поисках альтернативных методов защиты пришли к применению лакокрасочных покрытий. Исследования проводились очень интенсивно, и только за 1865 г. было зарегистрировано не менее 300 патентов.
Предлагается к прочтению: История судоходства
После Второй мировой войны произошли важные изменения в лакокрасочной промышленности: появились новые синтетические смолы, позволяющие улучшить механические характеристики покрытий, повысилась безопасность при получении и эксплуатации покрытий (отказ от мышьяк- и ртутьорганических соединений) и др. В это время были созданы краски с растворимой основой, содержащие токсичный оловоорганический компонент, что явилось важным этапом в разработке новых антиобрастающих покрытий (рис. 1). Дальнейшим усовершенствованием стало введение контроля скорости высвобождения токсина — оловоорганического соединения — благодаря разработке и применению так называемых самополирующихся покрытий, содержащих трибутилолово.
Под обрастанием понимают нежелательную аккумуляцию микроорганизмов, водорослей и животных организмов на конструкциях, погруженных в морскую воду, причем это касается не только объектов, сделанных руками человека, но также живых морских организмов (эпибиоз). Биоотложения подразделяют на микроотложения или микрозагрязнения (бактериальные биопленки и слои диатомовых или кремниевых водорослей) и макроотложения (например, макроводоросли и животные организмы — морские уточки, желуди, гуси, мидии, трубчатые черви, мшанки, асцидии), которые существуют вместе, образуя общий слой загрязнения. Общая схема таких слоев приведена в таблице.
Любая поверхность, погруженная в морскую воду, покрывается слоем адсорбированных органических соединений: полисахаридов, липидов и протеинов. Менее чем через сутки после образования такого слоя начинается процесс обрастания. Первоначальный слой состоит в основном из бактерий и кремниевых (диатомовых) водорослей, которые встраиваются внутрь биопленочных структур.
Вторичная колонизация — оседание макроводорослей, грибов и простейших одноклеточных организмов, которые, согласно литературным данным, попадают на поверхность примерно в течение недели после погружения, если этому способствуют условия окружающей среды. Оседание беспозвоночных личинок часто рассматривают как последнюю стадию процесса образования морских биоотложений: их появление на поверхности происходит через две-три недели после погружения. Следует отметить, что, несмотря на существование определенного представления ученых о процессе образования отложений, в природе часто все происходит гораздо сложнее.
Колонизация — один из наиболее фундаментальных и опасных процессов в жизни морских водорослей. Она регулирует распределение и количество организмов, определяя структуру сообщества. Образование биоотложений изучается с давних пор, этому посвящено большое число публикаций, среди которых следует выделить монографию А. И. Раилкина о процессах колонизации.
Некоторые виды водорослей могут резервировать от 4 до 50% своей годовой биомассы для репродуктивных действий. Морские водоросли очень хорошо осаждаются на больших поверхностях субстрата, таких, как нефтяные и газовые платформы, корабли, буи, понтоны, обломки крушения. Колонизация водорослей может приводить к значительным повреждениям конструкций: коррозии стали, снижению скорости корабли в результате увеличения торможения, техническим проблемам в водных системах, снижению мощности охлаждающих систем.
Подсчитано, что сопротивление движению возрастало на 11, 20 и 34% в присутствии легкого шлама, тяжелого шлама и морских водорослей соответственно. «Шуба» из микро- и макроводорослей, образовавшаяся в процессе обрастания на корпусе судна, тормозит его движение, при и этом скорость может падать на 40% и более. При очистке корпуса корабля в доке с одного судна снимают до 400 т биомассы. Более всего на торможение судна влияют макроводоросли, поверхность корпуса при их нарастании становится очень шероховатой и бугристой. Для получения эффективных антиобрастающих покрытий необходимо тщательно изучить основные свойства многочисленных биоорганизмов, образующих отложения, и процесс их адгезии.
Факторы, влияющие на обрастание
Обрастание судов, а именно образование биологических отложений зависит от следующих факторов: концентрации соли, температуры, содержания питательных веществ в морской воде, скорости течения и интенсивности солнечного излучения. Эти факторы меняются в зависимости от сезона, конкретного места и глубины. Прежде всего необходимо учитывать географическое местонахождение судна или других объектов обрастания и тесно связанную с этим морскую флору.
Процесс образования биоотложений или обрастания твердой поверхности имеет несколько этапов. На первом этапе происходит адгезия микроорганизмов: это обратимая фаза, контролируемая физическими механизмами. На втором этапе, который является необратимым, микроорганизмы выделяют внеклеточные полимеры, обеспечивающие прочное прикрепление к поверхности. На этой стадии ведущее место занимает биологический процесс. Третий этап — рост микроорганизмов, увеличение численности и биомассы осевших и прикрепившихся микроорганизмов. Питательные вещества, растворенные в воде, для растущих организмов поступают по системе микроканалов, расположенных внутри матрицы бактериальной пленки.
Одним из удивительных свойств сообщества морских водорослей, образующих обрастающий слой на поверхности, например, корпуса корабля, является их способность к самосборке. Самосборка — свойство исключительно сообщества микроорганизмов, обитающих на твердой поверхности. По отдельности эти организмы не обладают таким свойством, оно присуще сообществу в целом. Для образования сообщества характерны высокая скорость изменения состава и количества микроорганизмов.
Разные виды водорослей имеют индивидуальную репродуктивность, некоторые из них размножаются круглый год, а другие только в соответствующий сезон. Репродуктивные циклы зависят, в свою очередь, от многих параметров: температуры воды, физиологической толерантности и содержания питательных веществ, а также световых характеристик. Сезонные изменения солености также являются важным фактором.
При образовании колонии (рис. 2) на ее состав значительно влияют первые «колонизаторы». В этот период происходит своего рода соревнование за завоевание свободного пространства на субстрате, в результате которого определяется путь развития сообщества. Природа этой соревновательной организации является единственным важным фактором в структурировании сообщества, к которому постепенно присоединяются новые виды, и равновесие достигается через полгода, а иногда за один или два года.
Развитие продолжается до тех пор, пока скопление не приобретает определенные характеристики, устойчивые для каждого вида. В колонии присутствует сравнительная иерархия, но отсутствует прямой порядок колонизации, ее конечная точка. Развитие колонии претерпевает сезонные флуктуации, но в основном ее состав меняется незначительно: виды, составляющие колонию, находятся в равновесии. Это равновесие и степень беспорядка колонии определяются свойствами отдельных видов и их взаимодействием, которые обеспечивают стабильность сообщества.
На колонизацию и успешное образование сосуществующих организмов очень влияет сезонное изменение температуры: в зимние периоды образование отложений замедляется из-за снижения интенсивности света, температуры воды и количества спор и личинок. В тропических и субтропических регионах образование биоотложений меньше зависит от сезона из-за более постоянной температуры и освещенности; в этих широтах условия способствуют постоянному бридингу и образованию макроотложений. Но и в этих благоприятных условиях образование осажденного слоя является сложным и изменчивым процессом. На рис. 3 приведены микрофотографии некоторых составных частей организмов морских отложений.
Процесс образования биоотложений наиболее интенсивно проходит в тропической и субтропической зонах по сравнению с умеренными, холодными и полярными областями (рис. 4).
В то время как температурные условия сильно воздействуют на развитие морских водорослей, они не влияют на скорость их отмирания.
В основном, за процесс отложения ответственны одни и те же группы организмов, но существуют определенные виды, доминирующие в данном месте, что приводит к вариациям в составе отложений. Так, Balanus Amphitrite является доминирующим организмом в Средиземном море, а Semibalanus balanoides распространен на севере Франции и юге Великобритании.
Совершенно естественно, что на процесс обрастания влияет скорость течения воды. Хотя споры морских водорослей способны оседать при скорости до 10 узлов, обрастание интенсивно происходит в относительно статичных условиях: на офшорных конструкциях и кораблях, стоящих на якоре или пришвартованных у причала. Чем меньше время стоянки корабля, тем меньше обрастание корпуса.
Однако споры могут оседать и при движении корабля в море, а животные организмы прилипают недостаточно крепко и смываются при повышении скорости судна. Биомасса обрастания достигает максимума при критической скорости течения 0,2-0,5 м/с, выше которой она резко снижается. Споры развиваются и создают нарост водорослей в основном в освещенных местах, т. е. около ватерлинии, в то время как животные организмы размещаются в более глубоких частях корпуса судна.
Влияние глубины на процесс образования морских биоотложений до сих пор точно не установлено. Это связано с тем, что существует определенный предел воздействия этого фактора. Тем не менее интерес к этому вопросу растет. Глубоководные области ранее считались практически необитаемыми. Однако в результате исследований было обнаружено, что глубоководные организмы развили механизмы адаптации и к малой освещенности, температуре и количеству питательных веществ, а также очень высокому гидростатическому давлению. При образовании биоотложений в условиях низкой скорости и большой глубины недостаток твердых субстратов в этой зоне делает части судна очень притягательными для колонизирующихся организмов, что в перспективе может вызывать значительные проблемы. Таким образом, образование биоотложений является реальной проблемой во всех областях их, связанных с судоходством и эксплуатацией в морях различных конструкций.
