.

Особенности обрастания водорослями и моллюсками корпусов судов

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.

Обрастание корабля
Обрастание корабля моллюсками

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.

Обрастание судов - развитие защиты
Рис. 1 Хронология развития технологий защиты судов от обрастания

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.

Упрощенная структура образования морских отложений
МикроотложенияМакроотложения
Первичная колонизацияВторичная колонизацияТретичная колонизация
Через 1 минЧерез 1-24 часаЧерез 1 неделюЧерез 2-3 недели
Адгезия органических частиц,
например протеина
Бактерии (например Pseudomonas
putrefaciens), диатомовые
водоросли (например Achnantes
brevipes, Amphora paludosa, Amphora
coffeaeformis, Licmophora abbreviate,
Nitzschia pusilla)
Споры макроводрослей
(например, Enteromorpha
interstinalis, Ulothrix zonata),
простейшие (например,
Vaginicola sp., Zoothamnium sp.)
Личинки макроотложений:
например, Balanus amphitrite,
Electra crustulenta (мшанки),
Laomedia flexuosa (кишечно-
полостные), Mytilus edulis
(моллюски), Spirorbis borealis
(черви), Styela coriacca
(оболочники).

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.

Наросты водорослей на катере
Обрастание катера водорослями
Водоросли на затонувшем судне
Нарастание водорослей на затонувшем судне

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.

Очистка корабля
Очистка корабля от обрастаний в доке

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.

Колонизация водорослей
Рис. 2 Схематическое изображение колонизации водорослей

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.

Микрофотографии морских отложений
Рис. 3 Микрофотографии морских отложений: а — диатомовые (кремниевые) водоросли; б — бактерии; в — зооспоры Ulva; г — киприд Balanus Amphitrite размером 300-500 мкм

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.

Циклы плотности образования водорослей
Рис. 4 Циклы плотности образования водорослей в зависимости от климатических зон

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.

Сноски
Sea-Man

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

Май, 27, 2020 105 0
Читайте также