海洋污损生物生态研究综述

综述1、生物污损的形成生物污损根据其在基体上的附着形式可分为两类：第一类污损是由各种细菌和微型动植物等微观有机体吸附在材料表面并繁殖引起的，称之为微生物污损；第二类污损是各类大型藻类及原生动物个体附着在基体表面并逐渐繁殖而形成的，称为大型生物污损[7]，是肉眼可见、最为常见也是最为广泛的一类污损。海下固体表面上生物污损层的形成历经三个阶段，即修整膜、生物膜和生物污损层。任何侵入海水的物体在数分钟内表面就会吸附一层有机物，形成修整膜；然后细菌和硅藻等相继在修整膜上附着并分泌胞外代谢产物形成微生物膜或黏膜；随后其他原核生物、真菌、藻类孢子以及大型污损生物幼虫在膜中发育生长，最后形成复杂的大型污损生物层[9]。作为海洋污损的必经阶段，生物膜[6]厚度可达微米级，是由微小生物及其代谢物连同海洋中的一些有机物、颗粒物相互粘连一起形成的厚度小于1mm的膜状生物群落，研究表明水、细菌及其胞外高聚物是生物膜的主要成分。生物膜的形态及结构在很大程度上决定大型污损生物的附着，并最终影响整个生物污损层的形成[2]。海洋生物污损过程大体可分成三个阶段：初期阶段、发展阶段、稳定阶段。污损过程初期阶段为细菌和硅藻分泌粘液在海中洁净物体表面形成微生物粘膜；发展阶段为大型污损生物的幼体开始附着，种类和个体数不断增多，群落体积和质量不断增大，演替现象明显，一些个体密度大，生长迅速的种类成为群落的主导种；稳定阶段为生长期长、个体大的种类充分生长，排挤或覆盖了一些已经附着的中、小型种类，群落种类组成比较复杂和质量较大，随着时间的推移，其结构不会发生很显著的变化[16]。2、生物污损的危害海洋污损生物是指固有或栖息在船舶和各种人工设施水下固体表面上，对人类经济活动产生不利影响的动物、植物和微生物[1]。是影响海洋设施安全与使用寿命的重要因素之一，它的附着会增加船舶航行阻力，增大燃料消耗，降低舰船在航率；污损生物死亡后脱落，容易被吸入设备的管道内，堵塞海水管道系统，影响供水或冷却效果；污损生物的繁殖会引起船舶或海上建筑防腐蚀保护层的损坏，加速金属构件的腐蚀过程，引发局部腐蚀或穿孔腐蚀；降低水中设备、仪表及转动部件的灵敏度，干扰海洋声学仪器正常工作；增加航标和网箱等设施的额外重量，减少浮力甚至导致漂移和磨损，大大缩短其工作时间[1-3]。污损生物的附着同样影响水产养殖业的产量和质量，例如附着会影响牡蛎等养殖贝类的正常生长，使其产量下降。而污损生物在藻类表面的附着，会降低藻类养殖产品的质量[8]。对大型海洋结构而言，污损生物的附着不仅会妨碍水下检测、保养和维修等工作的进行，而且增加海洋结构物的自重，提高其重心，增大导管架构件的直径和表面粗糙度，加大对波浪和海流的阻力，从而造成动力载荷效应显著增加，在强风暴的恶劣天气状况下可能导致失衡以致颠覆[3]。早在很久以前，人们就已意识到生物污损的危害并采用各种方法试图解决这一难题。为避免和减轻污损生物造成的危害，有效地控制海洋生物的附着，及时进行污损生物的防除才能减少其带来的损失。3、海洋防污3.1、海洋防污技术发展现状海洋防污涂料有着悠久的历史，最初的防污涂料技术可以追溯到1625年WillianBeale的发明，但是直到1860年代，才有可实用的防污涂料出现。传统的海洋防污方法是涂装毒性防污涂料，这类防污涂料是以毒料缓慢地释放到船体表面的层流水层中，以杀死在船体表面自由活动的附着生物幼体来达到防除的效果[4]。20世纪70年底以来，国内外大部分国家的船舶都采用自抛光TBT共聚物涂料来防治海洋生物污损。这种生物毒素涂料可以阻止污损生物的累积、降低动力拖曳而减少燃油损耗、降低船舶进干坞和清洗时间。由于传统的船舶防污涂料会向海水释放有毒的颜料，分解难以控制，防污有效期短，随着防污技术的进步，这类防污技术已经基本淘汰[10]。而后取而代之的是含金属离子（铜、锌）和杀虫剂的低毒防污涂料，由于不易降解的金属离子在海洋中的沉积和杀虫剂对非目标性海洋生物的毒杀，仍然会对海洋环境造成污染和影响[11]，于是技术逐渐转向新型无毒防污技术。新型无毒防污技术的发展非常活跃，包括低表面能防污、高吸水树脂为基础的防污、电解海水防污、表面植绒防污、硅酸盐高碱性表面防污、纳米防污及生物防污方法[2,4]。3.2、低表面能防污技术表面能是指某一表面与另一表面的连接能力，表面能低可以阻止海洋生物最初的附着。经研究得知如果能使船体或人工设施表面的自由能降低，利用涂层的疏水结构和低表面能等物理特性防污的完全无毒防污涂料，可使海洋污损生物难以在上面附着，即使附着也不牢固，在水流或其他外力作用下就容易脱落，因此，该类涂料又称之为不粘性涂料或污损物脱落型涂料[11]。低表面能防污涂料通过对机体树脂进行改性，降低漆膜面自由能的方法来抑制海洋生物附着的目的。涂料的表面能只有在低于20mN/m，即涂料与液体的接触角大于98°时才具有防污效果。基于其设计思想，研究人员选择具有低表面能特性的含氟高聚物和有机硅材料进行海洋防污涂料应用研究。聚四氟乙烯具有很低的表面能（18.5mJ/m2），与水的接触角为114°，理论上应具有优异的防污性，但研究发现防污能力很差，美国海军实验室Schmidt等人研究其原因为：第一，涂层致密性较差，海洋微生物易于深入涂膜内并牢固粘附在涂料孔洞内；第二，涂层表面绝大部分是CF2基团，其耐生物附着性能较差；第三，海洋微生物接触涂层表面时，诱导表层聚合物发生重排，使涂层表面能变大[2,12]。有机硅防污涂料经历了从有机硅橡胶到改性有机硅树脂的研发过程，Brady[17]等研究了有机硅和氟碳树脂两种涂层上生物的脱落剥离，认为污损生物从涂层表面的剥落可分为剥离、平面剪切、非平面剪切三种方式。其中剥离脱落所需的能量最小，污损生物不容易粘附或粘附后最容易脱落。为使污损生物以剥离方式从涂层表面脱落、低表面能防污涂料的涂膜除了必须具有低的表面能外，还应具有足够低的弹性模量。涂膜的弹性模量越低，防污效果越好污损生物的附着量与弹性模量和表面能乘积的平方根成正比。此外防污效果还与涂膜厚度有关，涂膜越厚，污损生物越容易从涂膜表面剥离[12]。低表面能海洋防污涂料研发至今，所合成材料的表面能已经很低（约为6mJ/m2），然而即使具有最低表面能的光滑表面，其与水接触角也仅有120°，难以在高。近年来，人们相继发展了许多对材料表面进行纳米尺度粗糙化的技术，从而实现大大提高材料表面疏水性能的目的。应用技术制备的表面与水的接触角都达到150°以上，具有超疏水性能和优异的耐粘污性能[15]。3.3、仿生防污涂料生活在海洋中的生物大多具有抵制附着海洋生物的能力：大型哺乳动物海豚的表皮能分泌出特殊的黏液，形成亲水低表面能表面，使海洋生物难以附着；海蟹可以分泌出一种酶，这种酶能抑制附着生物产生的生物胶的凝固，从而防止生物附着，海藻含有对附着生物有避忌或抑制作用的化学物质；珊瑚、海绵的代谢物能强烈抑制纹藤壶幼虫的附着，致死率低于5%，远远低于常用防污剂中的CuSO4[10]。仿生防污涂料利用的是仿生学原理，主要有两个方向：一个是提取海洋中的天然活性物质作为防污剂；另一个是模拟大型海洋动物的表皮结构来实现防污。受海豚表面光滑粘膜的启发，研究人员开发出一种可生物降解以乳酸为基础的树脂成膜物。将这种成膜物涂覆在船体表面，形成一层光滑粘膜，随着船舶航行不断降解，始终保持船体表面光滑，达到防污的目的[13]。德国、美国的科学家已表征了大型海洋动物的表皮结构，这些表皮的表面存在微米级沟槽，同时能分泌黏液，这样的特殊结构能阻止海生物的附着，通过仿生方法，利用化学手段模拟这些表层结构，这一技术一旦取得成功，仿生防污涂料将成为真正的无毒防污涂料[14]。海洋防污涂料的发展呈现多品种趋势，在众多环保型海洋防污涂料中，对低表面能高分子型的海洋防污涂层的研究与开发仍然是目前环保型海洋防污层研究的热点，随着人们海洋环境保护意识的增强，研究与开发稳定性好、效率高的环境友好型防污涂料是海洋防污涂料技术的最终目标。4、实验内容研究方法[1]严涛,刘永宏,程志强.海洋生物防污作用机制及应用前景'[J].JournalofEcology,2009,28(1):146r151.[2]李燕,高亚辉,李雪松,等.海洋硅藻附着研究进展[J].2008.[3]李静,严涛,曹文浩,等.近海污损生物生态研究进展[J].海洋通报,2010(1):113-119.[4]金晓鸿.海洋污损生物防除技术和发展(Ⅲ)——世界防污技术的历史和发展[J].材料开发与应用,2006,21(1):44-46.[5]何腾云,罗正鸿,蔺存国,等.海洋防污涂料的研究进展[J].2007.[6]苏艳.海洋生物附着过程与防污评价技术的研究[D].上海海洋大学,2012.[7]段东霞.污损生物附着机理及酶在生物防污中的应用[J].海洋科学,2011,35(7):107-112.[8]许凤玲,刘升发,侯保荣.海洋生物污损研究进展[J].海洋湖沼通报,2008(1):146-152.[9]周文木.生物表面海洋防污性能研究[D][D].国防科学技术大学,2010.[10]戴宇均,汪鹏程,孙巨福.船舶防污涂料的研究进展[J].安徽化工,2013,39(5):10-12.[11]陈美玲,张力明,杨莉,等.低表面能船舶防污涂料的疏水结构及防污性能[J].船舶工程,2011,32(6):64-67.[12]康永,柴秀娟.低表面能防污涂料[J].涂装与电镀,2010(006):13-15.[13]程宇锋,蔡文俊,孙国亮.船舶低表面能防污涂料研究进展[J].化学工程师,2010(9):36-37.[14]桂泰江.海洋防污涂料的现状及发展趋势[J].现代涂料与涂装,2005,5:28-29.[15]李永清,郑淑贞.有机硅低表面能海洋防污涂料的合成及应用研究[J].化工新型材料,2003,31(7):1-4.[16]冯万亮,桂赤斌,周建奇.生物污损对舰船的危害及防污新技术[J].四川兵工学报,2009,30(11):129-132.[17]BradyRF.Fouling-releasecoatingsforwarships[J].DefenceScienceJournal,2005,55(1):75-81.