海洋觀測儀器防生物附著技術(shù)

吳正偉，周懷陽，呂 楓

(同濟(jì)大學(xué) 海洋與地球科學(xué)學(xué)院，上海 200092)

海洋觀測儀器防生物附著技術(shù)

吳正偉，周懷陽，呂 楓

(同濟(jì)大學(xué) 海洋與地球科學(xué)學(xué)院，上海 200092)

幾乎任何固體構(gòu)件物放入水中，都會不同程度地發(fā)生生物附著現(xiàn)象，這極大地限制了海洋觀測設(shè)備的長期運(yùn)行。目前有多種防生物附著方法，但沒有一種方法是普遍適用的，其效果受到環(huán)境因素及被保護(hù)對象本身特點的影響。本文論述了生物附著的形成機(jī)制以及環(huán)境因素對生物附著程度的影響，并按照主動方式與被動方式的分類，介紹了幾種常用防生物附著技術(shù)的特點及局限性。最后根據(jù)各類防生物附著技術(shù)及被保護(hù)對象的特點，推薦了典型海洋觀測設(shè)備各部位的防生物附著策略，為實現(xiàn)海洋觀測設(shè)備長期運(yùn)行提供保障。

防生物附著技術(shù)；海洋觀測；主動方式；被動方式；環(huán)境因素

防生物附著技術(shù)是防止生物在水下構(gòu)件物表面生長堆積的技術(shù)，它的歷史可以追溯到古希臘時期[1]。很多傳統(tǒng)行業(yè)或者設(shè)備都需要用到防生物附著技術(shù)，比如造紙工業(yè)、食品加工業(yè)、冷卻塔、水下結(jié)構(gòu)、船舶、海洋牧場及淡水處理設(shè)備等。現(xiàn)有技術(shù)按照其作用原理可以分為物理去除方式、化學(xué)藥劑滅殺方式及降低表面能方式[4]，這些技術(shù)難以直接應(yīng)用到海洋觀測領(lǐng)域，所以海洋觀測設(shè)備的防生物附著技術(shù)是一個較新且復(fù)雜的課題。如圖1所示的典型海洋觀測平臺往往采用開放式結(jié)構(gòu)，其典型設(shè)備有觀測儀器適配器、傳感器、攝像系統(tǒng)、框架結(jié)構(gòu)及一些連接線纜等。這些觀測設(shè)備直接暴露在天然海水里，生物附著可以引起某些觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)生持續(xù)漂移，使得水下攝像機(jī)難以獲取清晰的影像資料，引起聲學(xué)通訊換能器前端阻抗錯配，從而影響通信可靠性[2-3]。此外，生物附著還能影響海洋觀測設(shè)備的散熱、水動力流場，以及對機(jī)械結(jié)構(gòu)帶來額外的腐蝕等。

圖1 典型海洋觀測平臺Fig.1 Typical ocean observation platform

防生物附著技術(shù)的分類方法有很多，Lehaitre等將其分為被動方式和主動方式，又按其作用于水體和被保護(hù)物表面分為體積作用與表面作用[6]。被動方式和主動方式是通過實現(xiàn)防生物附著的過程中是否需要消耗能量來區(qū)分的，其中前者不需要消耗能量，而后者則需要消耗能量。被動方式是傳統(tǒng)工業(yè)上使用較多的方法，主要以各種涂層方式來防止生物的附著[1]。主動方式的防生物附著策略較多，如物理去污技術(shù)、間隔浸泡消毒技術(shù)、局部電解氯技術(shù)、UV光線技術(shù)等。此外，也有學(xué)者將防生物附著技術(shù)分為物理法、化學(xué)法及生物法[7]。Manov等嘗試了幾種防生物附著技術(shù)[5]，這些技術(shù)所能起到的效果受到很多因素的限制，不同海域位置、深度、溫度、渾濁度、水流速度、被附著物材料類型等都可能影響其效用。為了確保防生物附著技術(shù)能取得預(yù)期的效果，除了了解各種防生物附著技術(shù)的特點和局限性之外，還需要對海域特點作預(yù)先的調(diào)查，并了解生物附著的類型，從而選取合適的防生物附著策略。

1 生物附著形成機(jī)制與影響因素

生物附著物的類型可以分為微型生物附著物和大型生物附著物。其中，微型生物附著物的存在形式是生物薄膜，它的組成是細(xì)菌膜矽藻等，微型生物附著物從構(gòu)件物一入水就開始發(fā)展，通常在1周之內(nèi)發(fā)展完成[8]。生物薄膜一般是生物附著在深海區(qū)域的存在形式，通常不是一個特別需要引起重視的問題，但其對于海洋觀測領(lǐng)域有些傳感器的影響是不容忽視的，比如基于光學(xué)原理的傳感器及水下攝像頭等[5]。大型生物附著一般是緊接著微型生物附著發(fā)生的[9-10]，但這個順序有時可能顛倒或同時發(fā)生[1，11]，所以生物附著的形成機(jī)制還存在一定疑問，這對防生物附著策略的選擇帶來一定的困難。大型生物附著物的影響必需引起重視，否則可能導(dǎo)致海洋觀測設(shè)備完全無法正常運(yùn)行。

深度是一個重要的影響因素，它在很大程度上決定了生物附著的烈度甚至附著物的類型。Kamel等使用玻璃取樣片采集到微型附著物，分析結(jié)果認(rèn)為在2 400 m深度放置14個月所采集到的微型附著物的量和淺水區(qū)放置1～2周所得到量是相當(dāng)?shù)腫12]。大型生物附著在淺海區(qū)域的發(fā)展更為快速和嚴(yán)重，尤其在40 m以淺區(qū)域[6]。但在200 m以深區(qū)域也需重視可能發(fā)生的大型生物附著現(xiàn)象，從大部分的研究結(jié)果來看在深海區(qū)域大型附著物不是個共性問題[13-17]，但在某些深海海域確實觀察到大型附著物附著的現(xiàn)象，Blanco等在3 690 m深度、Kemp在2 600 m左右深度都發(fā)現(xiàn)大型生物附著的發(fā)生，當(dāng)然這些附著發(fā)生所需花費的時間會大大增加[18-19]。溫度是另外一個重要的影響因素，一般而言，隨著溫度的升高，生物附著物的生長會更活躍。而水流速度的高程，將增加大型附著物的吸附難度。Jenner等認(rèn)為當(dāng)近壁面的流速超過1.4 m/s時，大部分大型附著物無法吸附[20]。

無論是微型附著物還是大型附著物，其形成及吸附除了受到環(huán)境因素的影響之外，還受到被吸附物本身材質(zhì)特性的影響[21]。Prakash等在水下1 m處做了鈦、PVC及木頭三種材料的水下浸泡實驗，在96小時內(nèi)，每12小時間隔測試各種材料上的細(xì)菌數(shù)量，獲得了基層上的細(xì)菌數(shù)量排序為鈦>木頭>PVC。對于鈦而言，吸附細(xì)菌的強(qiáng)度與pH值、硅酸鹽及無機(jī)磷含量呈正相關(guān)關(guān)系，而與溫度、鹽度、亞硝酸鹽濃度及氨含量等參數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[22]。

離岸距離、水中的營養(yǎng)物含量、人類活動的影響程度和海流潮汐等都是重要的影響因素，這些因素決定附著物幼蟲及孢子能否被運(yùn)移到吸附表面及其生長速度。離岸距離越近、營養(yǎng)物含量越高、人類活動影響越大，而海流潮汐會加速將近岸幼蟲及孢子帶向遠(yuǎn)岸布放點，將提高布放點爆發(fā)生物附著的幾率。

2 防生物附著技術(shù)

防生物附著技術(shù)的分類大致上有兩種，一種是按照技術(shù)的作用原理[7,23]，另一種是按照技術(shù)的作用方式[6]。本文采用按作用方式分類，將防生物附著技術(shù)分為被動方式和主動方式。這樣分類是站在技術(shù)應(yīng)用角度出發(fā)的，因為主動方式意味著額外能源的消耗但帶來效果可控的可能性，被動方式意味著無額外能源消耗但對于防生物附著的效果往往意味著不可控，這對選取具體的防生物附著策略是有益的。

2.1被動方式

2.1.1 金屬基涂層

采用金屬基涂層實現(xiàn)防生物附著的原理通常是利用其生物毒性。錫基涂料(TBT)是一種曾經(jīng)被廣泛使用的防生物附著涂層，在使用功效上受到一致肯定。然而因其對于海洋生物破壞力極大，現(xiàn)在已被明令禁止。

銅基涂層的毒性比TBT材料小很多，銅基涂層產(chǎn)生防生物附著效果的成分是二價銅離子，通常使用的是丙烯酸銅。丙烯酸銅涂層的有效期一般認(rèn)為3～5年[23-24]。Chambers等報道只需要5μg/L的銅離子濃度就足以殺死無脊椎動物，而對于人而言，美國環(huán)保局規(guī)定飲用水的銅離子安全濃度是1 000μg/L，所以銅基涂料的使用雖然對環(huán)境造成一定影響，但這種影響在現(xiàn)階段還是可接受的[25]。

鋅基涂層也能殺滅孢子及幼蟲，其中硫氧吡啶鋅的濃度達(dá)到0.3μg/L即可殺滅玻璃海鞘，達(dá)到0.17μg/L可殺滅海膽[25]。Chambers等給出鋅基涂裝的有效期是5年[24]。

2.1.2 低表面能涂層

不同于金屬基涂層，低表面能涂層不是利用生物毒性達(dá)到防生物附著的效果，而是通過降低基底表面能，從而提高生物吸附難度。

低表面能涂層材料種類不少，其在船舶淡水處理等傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用相對成熟，關(guān)于它的介紹在文獻(xiàn)[32]和[37]中做了比較詳細(xì)的論述,這類涂層材料一般以含氟聚合物和硅基聚合物為主，其中具體涂料的成份及性能是研究的熱點，但本文限于篇幅不予展開?，F(xiàn)階段在海洋觀測設(shè)備上的實證案例不多，很多只停留在研究階段。這主要有兩方面原因，一方面是傳感器探頭及攝像機(jī)鏡頭等需要加以重點保護(hù)的部位要求涂層是透明的以及不能對傳感器敏感元件的探測造成阻礙；另一方面原因是因其防附著效果受到環(huán)境流速的限制。本文挑選硅基涂層來說明低表面能涂層的效用，通常來說，低表面能涂層在水流速度較大的地方使用更為有效[1,27]。Vladkova在印度金奈漁港的一個硅基涂層實驗，盡管該地點水溫較高、生物附著十分活躍，但實驗結(jié)果顯示硅基涂層具有較好地防生物附著的效果。實驗中兩個樣品放置一年后有硅基涂層保護(hù)的區(qū)域并沒有大型生物附著物，只有少量片狀的矽藻，需要指出的是這樣的效果是在靜態(tài)條件下取得的[4]。

納米材料涂層是另一種低表面能涂層，據(jù)介紹YSI公司研制的“C-Spray”涂層可防止生物的吸附，但其實際效果尚未得到進(jìn)一步證實[3]。

2.1.3 海洋生物中提取物

某些海洋生物，如珊瑚、海綿及海洋植物等，并沒有生物附著的困擾。若能采用與它們類似的防生物附著方法，就能防止人造構(gòu)件物被附著，并可消除對海洋環(huán)境的影響，Omae列舉了一些海洋生物體中能提取的抗生物附著的元素[27]。根據(jù)Chambers等介紹，全世界海洋中已有超過160種生物被證實可提取抗生物附著劑[9]。

2.1.4 銅板與銅網(wǎng)

銅板與銅網(wǎng)防生物附著的原理同樣是利用二價銅離子對所附著生物的殺滅作用，但應(yīng)用方式不同。Manov等在光學(xué)探頭前面板上覆蓋白銅(cupronickel)，并使用聚四氟乙烯墊圈和尼龍螺栓將銅板與腔體隔離，將儀器放置在近岸水域近60天后，發(fā)現(xiàn)其污損程度很輕[5]，見圖2。圖2(a)是由銅板保護(hù)的光學(xué)反散射傳感器照片，其中銅板中央設(shè)置多個圓孔，圓孔內(nèi)是光學(xué)反散射傳感器探頭；圖2(b)三條曲線是光學(xué)反散射傳感器采用三種不同波長(442，510及620 nm)所探測到的反散射數(shù)據(jù)，在近60天內(nèi)沒有出現(xiàn)影響該傳感器數(shù)據(jù)探測的生物附著現(xiàn)象，布放地點水深25 m，傳感器布放深度5 m[5]。

2.1.5 其它被動方式

實驗證明銀離子對細(xì)菌細(xì)胞有很強(qiáng)的殺滅作用[28]，氧化鈦也被證實具有良好的防生物附著效果，但還缺少在海洋中實際應(yīng)用的案例[23]。此外，還有一種針對封閉系統(tǒng)用的防生物附著技術(shù)。通過在封閉系統(tǒng)內(nèi)放置緩釋殺菌劑，在系統(tǒng)運(yùn)行時將殺菌劑隨著流體帶到整個流路，可防止流路內(nèi)部生成生物附著物。比較典型的殺菌劑是氯。不過這種方式的效果難以控制，因為殺菌劑的釋放速度要與流路流速配合。

圖2 銅板保護(hù)的光學(xué)反散射傳感器照片F(xiàn)ig.2 Photograph of the cupronickel endplate mounted on a backscattering instrument

2.2主動方式

2.2.1 物理去污

圖3 水質(zhì)多參數(shù)傳感器上的防生物附著電刷(引自www.ysi.com)Fig.3 Multi-parameter water quality meter with a mechanical biofouling protection based on wipers

物理去污方式主要是采用刷子直接拭除被附著表面上的生物附著物，原理簡單明了，已應(yīng)用于很多商業(yè)化產(chǎn)品。圖3是一種水質(zhì)多參數(shù)傳感器，該傳感器由一個電刷刷除傳感器探頭表面的附著物。這種方式在電刷系統(tǒng)正常、組件配合精密時效果較好，但一旦刷毛變形、刷頭與傳感器探頭間隙變大時效果就變差了。此外，這種方式對電機(jī)旋轉(zhuǎn)密封的可靠性有較高的要求，且較難將其應(yīng)用于球面的保護(hù)。

2.2.2 間隔浸泡消毒

間隔浸泡消毒方式是通過機(jī)電裝置周期性地提高被保護(hù)物所處容腔內(nèi)的滅菌劑濃度，來達(dá)到去除生物附著物的目的。理論上，只要設(shè)定合適的消毒周期和持續(xù)時間，可使得生物附著物在生長初期就被滅殺[3]。圖4顯示的使用間隔浸泡消毒方式消除熒光度計上生物附著的工作過程，幾個光學(xué)探頭由一個銅腔體保護(hù)起來，這個腔體旁邊有一個電機(jī)來帶動大葉片。當(dāng)需要消除生物附著時，電機(jī)帶動葉片轉(zhuǎn)到合適的位置，使葉片與銅腔體形成一個密閉空間，通過殺菌劑消除附著在光學(xué)探頭上的生物。

圖4 間隔浸泡消毒技術(shù)示意[3]Fig.4 Biofouling protection with a copper shutter device

另外，與間隔浸泡消毒技術(shù)方式十分類似的方式是銅遮板方式，兩者的區(qū)別在于后者沒有容腔，后者消毒時旋轉(zhuǎn)銅板與傳感器探頭之間距離很近。Manov等做了銅遮板結(jié)構(gòu)的抗生物附著實驗，從實驗結(jié)果看，在490天的布放周期內(nèi)，被保護(hù)的傳感器都只是發(fā)生輕微地附著[5]。但與電刷方式類似，這種間隔浸泡消毒技術(shù)的實現(xiàn)方式增加了結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜性。另外，對于pH傳感器等需要很長穩(wěn)定時間的傳感器，還必須考慮滅菌劑對傳感器穩(wěn)定時間的影響。

2.2.3 局部電解氯

局部電解氯方式采用電解海水制氯原理，這種技術(shù)在冷卻水系統(tǒng)中經(jīng)常被用到。局部電解氯方式對微型生物膜及大型附著物都有效，因此使用最為廣泛。這種防生物附著裝置一般以鈦為電極，通過電解作用產(chǎn)生滅菌劑殺滅附著物。

圖5所示的應(yīng)用中，電極被做成網(wǎng)狀緊貼在被保護(hù)的傳感器探頭附近，通過外接的電池倉對該傳感器附近的電極通電產(chǎn)生電解反應(yīng)。圖6所示的應(yīng)用中，該裝置的電極網(wǎng)被做成圓柱形，其能保護(hù)的區(qū)域是放置于其中的部件。

圖5 局部電解氯技術(shù)在熒光度計上的應(yīng)用[2]Fig.5 Biofouling protection of a fluorometer by localized seawater electro-chlorination

圖6 局部電解氯裝置的結(jié)構(gòu)及其在光學(xué)傳感器上的應(yīng)用[2]Fig.6 Structure of localized seawater electro-chlorination and the application on optical sensors

Delauney 和 Compère挑選了鹽度傳感器、溶解氧傳感器及熒光度計來驗證該技術(shù)，實驗表明效果非常好[2]。在裝置正常運(yùn)行時，傳感器采集的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度很高。

對于敏感傳感器如溶解氧和熒光計等，采用局部電解氯方式防生物附著時還應(yīng)考慮減少對數(shù)據(jù)采集的影響。

2.2.4 紫外光(UV)照射

紫外光(波長小于253.7 nm)能殺死大多數(shù)循環(huán)水系統(tǒng)里的細(xì)菌[30]，廣泛應(yīng)用在醫(yī)院及食物消毒領(lǐng)域。在海洋探測領(lǐng)域，2014年AML公司推出了基于紫外光(UV)原理的防生物附著產(chǎn)品，并在加拿大海洋觀測網(wǎng)的Folger Pinnacle科學(xué)平臺上得到應(yīng)用。這個科學(xué)平臺所在位置的生物附著非常嚴(yán)重。

圖7展示了UV照射的效果。從外觀上看，儀器平臺在海底放置12個月后，未做保護(hù)的傳感器已被嚴(yán)重附著，包括探頭部分，而通過UV照射的傳感器探頭部分則是干凈的，其余部分的污損程度也要好于未保護(hù)的傳感器。同時，基于UV照射的防生物附著方法能提高科學(xué)數(shù)據(jù)的可靠性，延長維護(hù)間隔時間。如圖7所示，綠線曲線代表使用了有毒滅菌劑保護(hù)的鹽度數(shù)據(jù)，可認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)值。通過對比可看出，未采用UV照射的傳感器采集的鹽度數(shù)據(jù)在1個月后開始偏離標(biāo)準(zhǔn)值，而采用UV照射時，UV1傳感器在12個月內(nèi)都很好地跟隨標(biāo)準(zhǔn)值，而UV2傳感器在UV正常工作時能很好地跟隨標(biāo)準(zhǔn)值。

圖7 UV射線防生物附著試驗(左中保護(hù)，右未保護(hù))(引自www.oceannetworks.ca)Fig.7 Antibiofouling test of sensors protected by UV ray(left and middle protected，right unprotected)

不過，紫外光保護(hù)裝置的一個缺點是能耗較大。以上述裝置為例，其能耗是230mA@12VDC，這對于自容式系統(tǒng)來說通常難以接受。當(dāng)然，對于纜系海底觀測網(wǎng)來說，此類能耗不是制約因素。通過UV照射防生物附著的方法也有其局限性，如其對水質(zhì)的要求比較高，水中的顆粒物等會大大降低UV射線的滅菌效率，因此該方法在高濁度海水里的防生物附著效果是令人擔(dān)憂的。事實上，決定UV射線保護(hù)效果的參數(shù)是單位被照射面的能量及時間，如殺死幼蟲的照射劑量為672 mWs/cm2[30-31]。

圖8 有無采用UV照射的鹽度數(shù)據(jù)對比(引自www.oceannetworks.ca)Fig.8 Conductivity data comparison of CTD sensors with or without UV-protection

2.2.5 其它主動方式

其它主動防生物附著技術(shù)主要有加熱方式、超聲波方式、震動方式及電場方式等，這些技術(shù)在理論上可行，但尚無實際應(yīng)用。加熱方式是采用高溫對附著生物進(jìn)行滅殺[32]。Whelan等提到用激光防生物附著的方法，這種方法的效果與激光的強(qiáng)度成正比。Whelan等還提到了超聲波控制微型附著物的方法，但低頻的聲音和震動對能量的要求較高[33-34]。電場方式是在采用高電壓殺滅附著物[35]，其余防生物附著技術(shù)，包括基于磁場的方法，可參考文獻(xiàn)[36]。

3 結(jié) 語

無論是在淺海還是深海區(qū)域，觀測設(shè)備的長期運(yùn)行均需要考慮采用適當(dāng)?shù)姆郎锔街侄??？傮w上，淺海區(qū)域發(fā)生生物附著的程度要比深海區(qū)域嚴(yán)重，要求在淺海觀測的應(yīng)用中采用更為可靠的防生物附著方法。

目前在海洋觀測領(lǐng)域使用較多的被動方式是銅板銅網(wǎng)，使用較多的主動方式是物理去污。被動方式中的涂層方式更多的是使用在傳統(tǒng)行業(yè)上，在海洋觀測領(lǐng)域的實際使用案例很少，但有很好的應(yīng)用前景。主動方式中的間隔浸泡消毒、局部電解氯、紫外光(UV)照射等方法在海底觀測設(shè)備上都有相應(yīng)的應(yīng)用案例。

對于海洋傳感器探頭、水下攝像機(jī)鏡頭及海底聲學(xué)換能設(shè)備等需要重點防護(hù)的部位，推薦采用主動方式，如采用電刷、間隔浸泡消毒、局部電解氯及UV射線方式都能取得不錯的效果。對于特別關(guān)鍵的海底長期觀測設(shè)備，可以考慮同時運(yùn)用多種防生物附著技術(shù)。

對于水下連接器、耐壓密封腔體和框架結(jié)構(gòu)等部位，發(fā)生生物附著后通常不影響水下設(shè)備的運(yùn)行，但可能增加水下作業(yè)難度、熱阻和維護(hù)難度。對于這些部位可考慮涂層、銅板銅網(wǎng)、UV射線等適當(dāng)?shù)姆郎锔街椒ā?/p>

此外，防生物附著的裝置本身可能會對所保護(hù)的傳感器采集的數(shù)據(jù)產(chǎn)生不利的影響，所以選定某種防護(hù)策略后，必須要在實驗室做好相應(yīng)的試驗和分析，補(bǔ)償或消除防護(hù)裝置對傳感器本身及所探測對象的影響，從而盡可能保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

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Bio-fouling prevention techniques for ocean observing instruments

WU Zhengwei,ZHOU Huaiyang,LYU Feng

(School of Ocean and Earth Science,Tongji University,Shanghai 200092,China)

Almost all materials are affected by an unavoidable phenomenon in seawater condition,called biofouling.Biofouling has long been considered as a limiting factor in ocean observations.Many potential methods to fight against this problem have been proposed but none of them seems to be universally applicable.The effect is affected by environmental factors and the characteristics of the object being protected.This paper presents bio-fouling formation mechanism and the influences of various environment factors.Emphasis is put on the introductions of various anti-biofouling methods，including the characteristics and limitations.These methods usually can be summarized as two kinds：active and passive ways.At last,according to the characteristics of various anti-biofouling methods and the protected objects,this paper recommends anti-biofouling strategies for some parts of the typical ocean observation equipments,which provides the guarantee for the long-term ocean observing.

anti-biofouling technologies; ocean observation; active methods; passive methods; environment factors

P715.5；P756

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.05.013

1005-9865(2017)05-0110-08

2016-12-30

上海市科委資助項目(10DZ1210501)；國家863計劃資助項目(2012AA09A401)

吳正偉(1981-)，男，碩士，工程師，主要研究方向為深海機(jī)電裝備技術(shù)。E-mail：zhwwu@#edu.cn