防除海洋污损生物附着的技术研究进展

王海涛，张东兴，郑岩

（1.中国水产科学研究院黑龙江水产研究所，黑龙江 哈尔滨 150070；2.哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001；3.哈尔滨玻璃钢研究院，黑龙江 哈尔滨 150029）

地球表面海洋总面积约为3.6×109km2，约占地球表面积的71%，海洋在军事、政治和经济上的意义非常重要。21世纪以来，随着海洋资源的逐步发现和航海技术的发展，人类越来越重视海洋的开发和利用。初步核算，2016年中国海洋生产总值达到了70 507亿元，比上年增长6.8%，海洋生产总值占国内生产总值的9.5%[1,2]。

1 海洋污损生物附着的危害

长期在海洋中作业的机器设备，像这些海域的礁石表面一样，常常附着一些海洋动物、植物、微生物等通常被称为海洋污损生物，这些海洋污损生物（Marine Fouling Organism）、分泌物和死后的遗留物对海洋机器和设备的性能影响很大[3-5]。海洋污损生物对设备的危害主要包括：（1）船舶等设备表面粗糙度和摩擦力增加，使船舶航行燃料消耗增加高达40%，航行总费用高达77%；（2）生物分泌物腐蚀涂层使设备材料变色、腐蚀甚至穿孔；电导率的变化也会加速海水对设备的破坏作用；（3）使设备表面即使在保养和整修期间也很难处于干燥的状态而影响设备的使用寿命；（4）复杂的生物作用降低了部分精密设备的精度和效率[6-8]。

海洋生物污损多指海洋固着生物，如藤壶、贻贝、盘管虫及海藻等，其中藤壶最具代表性。藤壶隶属于节肢动物门Arthropoda、甲壳纲Crustacea、围胸目Thoracica，通常附着在潮间带的礁石以及船只等设施的表面[7]。藤壶的幼虫在海水中漂浮15～20d，逐渐成熟附着在船体、建筑物和礁石表面，分泌出有强吸附作用的藤壶胶，渗入到附着物的表面缝隙及微孔结构里，形成十分强大的吸附力，破坏这些表面[9-11]。

2 海洋污损生物的防除方法

影响海洋污损生物吸附强度的因素主要有：附着表面的粗糙程度和颜色、海水盐度和温度等。人们根据藤壶的吸附机理和特性研究出很多去除方法，按所使用方法的性质可分为物理防除法、化学防除法和生物防除法[12]。本文通过综述这些方法的特点，为防除污损生物提供参考。

2.1 物理防除法

物理防除法包括用力、热、声、光、电等物理手段去除藤壶等海洋污损生物的方法。物理法使用历史悠久，从人类开始使用船只便使用简单的力学手段去除这些污损生物，经历了大航海时代一直持续到现在。随着科技的发展，去除污损生物的物理方法越来越多，如空化水射流法和超声波法等。这些方法需要消耗热能和电能，成本较高。

藤壶等污损生物通过吸附渗透腐蚀设备表面。依据这一特点，通过改变设备表面的光滑程度、表面能、微观形貌和颜色等方式来减少污损生物的附着。王瑞刚[13]通过静态沉浸实验、计数实验和冲刷实验等一系列手段研究了设备表面各个参数对生物附着程度的影响，建立了表面吸附数学模型。结果显示，接触角是决定污损生物附着设备表面程度的关键因素，认为V型槽表面防污效果良好。

设备表面水和空气的流动冲刷作用能减少污损生物幼体在设备表面的附着，具一定的防污作用。Subramanian等[7]开发了一种气动系统装置，防治海洋污损生物的效果见图1。实验用裸露的材料及涂有镀锌的管，用L形管、I形管和方管结构，在Mandapam沿海地区进行了为期3～6个月的试验。试验结束时，使用气动装置除污的样品上没有污垢（每幅图的左侧），而对照的同类表面上出现了大量的污损生物（右侧）。张丽婷等[14]研究了用空化水射流技术去除海洋污损生物方法的关键技术。该方法对应用表面无破坏作用，清除效果较好，具有较好的应用前景。

图1 气动冲击防除海洋生物污染的效果[7]Fig.1 Aerodynamic effects on prevention and control of marine fouling organisms[7]

孔亚广等[15]研究了利用超声波法去除海洋污损生物的效果。这种方法依据超声波“空化效应”产生的瞬间高温及微射流杀死、去除附着在船体及设备表面的海洋污损生物。方法的优点是操作简单、高效、经济环保。

在规则形状表面放置挂板来防止污损生物附着是网箱等规则形体表面防污损的主要方法之一。孙大鹏等[16]用环氧酚醛玻璃布层压挂板材料，从污损生物的优势种、附着周期、空间分布等方面模拟了附着生物的演替过程，结果表明挂板法能防止污损生物在养殖网箱上的附着。挂板法的优势是成本低，环境友好，缺点是难以应用在不规则的表面上。

2.2 化学防除法

化学防除法是指利用化学手段去除海洋污损生物的方法。这种方法使用有毒害作用的化学药品和试剂使污损生物的幼体或成体死亡、脱落。化学法一般分为两种方式：一种是在设备周围使用能杀死附着生物的毒性物质如熟石灰等；另一种是在涂料中添加氯化亚铜、有机锡、辣椒素等物质杀死污损生物或减少污损生物的吸附。

随着化工技术尤其是涂料化学的发展，21世纪60年代研发出了一系列有机锡涂料来防止舰船表面的生物腐蚀，其中有代表性的有机锡涂料为三丁基锡 （ributyltin，TBT） 和三苯基锡（triphenyltin，TPT）。这些涂料对船体有较好的防污作用，节约了航运业成本，但对海洋环境影响很大。李兴暖[17]从细胞和分子水平考察了TBT对牡蛎的毒性，结果显示在TBT污染水体中96h，牡蛎体内碱性磷酸酶和超氧化物歧化酶的活性明显降低，血细胞功能严重受损，甚至死亡。有机锡涂料防止污损生物附着效果较好，但同时也会毒杀其他生物，影响海洋环境和生物链。

胡煜峰等[18]研究了钾离子（K+）和六价铬离子（Cr6+）对华南沿海污损生物群落优势种网纹藤壶（Balanus reticulatus）存活的影响。结果显示，Cr6+组中藤壶幼虫的存活率明显低于对照组，而钾离子组中藤壶幼虫的死亡率和对照组无明显差别，表明Cr6+可杀死海水中的藤壶幼虫。近年来，环境问题逐渐引起重视，有机锡、氯化亚铜、Cr6+的盐溶液等传统药物和涂料毒杀去除污损生物法虽然效果明显，但是，它们通过海水冲刷、光照和盐析等一系列物理化学过程扩散到环境中，威胁其他海洋生物及人类安全。郝松松等[19]研究了一种有效成分为对环境影响几乎可以忽略的辣椒素新型防污涂料，大幅减小了防污对海洋环境的干扰作用，对海洋生态及原有的生物链也不会产生影响，建议推广使用这种方法减少污损生物对设备的腐蚀。

还有一种电化学方法去除污损生物。铁镝[20]考察了3～30℃下藤壶的生命活动，发现藤壶存活的最低和最高温度分别为6.0℃和23.0℃，21.0℃为最适温度。在常规阴极保护范围内适中的-0.400V（SCE）电位下，检测了藤壶幼体对阴极电流的生理生化效应，得出阴极电流对污损生物藤壶的抑制去除作用。

2.3 生物防除法

生物防除法是指利用生物的捕食和微生物的某些次级代谢产物诱导或抑制作用去除污损生物。生物去除法对海洋环境污染较小而备受推崇。

王祥[21]从石莼 Ulva lactuca L.、浒苔 Enteromorpha等海洋生物中提取了微生物，检测其在去除和防止海洋污损生物中的作用，筛选出去除和防止能力较强的菌株，分离防污活性化合物，检测其活性，并在海区进行了实验。结果从已获得的23种海洋微生物中选到9种具有防止海洋污损生物生长的菌株，其中溶藻弧菌Vibrio alginolyticus活性最高。这两种弧菌对藤壶幼体有明显的抑制作用。基因测序等鉴别表明，分离到两个防污活性化合物分别是吲哚和L-脯氨酸-D-亮氨酸。但溶藻弧菌也是水产养殖动物的病原菌，应慎重使用。

表1 不同防除海洋污损生物方法的特点Tab.1 Characteristics of prevention and removal methods of marine fouling organisms

胥震等[22]总结了生物防污剂和仿生涂料来控制污损生物附着的方法，发现一些藻类和珊瑚等生物的提取物或代谢产物对污损生物的幼虫有一定的抑制作用，可以提取这些防污物质，制备类似的防污涂料。人们还试图从仿生学角度，从鲸等难以被海洋污损生物附着的大型海洋生物表皮分泌的粘液中提取有效成分，以得到新的防污手段。美国海军研究部和技术部在20世纪90年代初制定了海洋分子生物计划，试图以生物的方法解决海洋生物污损问题。

3 小结

随着世界各国对领海权的重视、航运业的发展和石油等海洋资源的开发，海洋污损生物防除方法的研究也成为热点之一[23]。海洋污损生物的物理、化学和生物防除法的优、缺点及使用范围见表1。藤壶等海洋污损生物通过缝隙渗透、分泌物腐蚀等方式缩短海洋建筑和设备的使用寿命；海洋污损生物附着的行为增加了设备表面的粗糙度而大幅增加了设备的能耗[3,4]和运行成本；附着在管道内壁而影响管道发挥正常作用；附着在声呐等设备表面的生命活动产生的噪音会影响设备精度等。研究海洋污损生物的防除方法能保护海洋钻井平台及军事设施等战略设备，所以开发高效、环保用途广泛的污损生物防除方法势在必行。