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沉入海底 2 年的微軟數據中心浮出水面：故障率只有陸地上的 1/8，除了長點貝類和藻類完全沒問題

2022-03-28 17:15:45 作者：本網整理來源：網絡資料綜合整理分享至：

2020有可能成為數據中心行業一個新的里程牌，回首過去的這一年還真有件事有可能顛覆我們行業的未來，那就是微軟的水下數據中心實驗ProjectNatic。這個數據中心有 864 臺服務器、27.6 PB存儲，可靠性比普通數據中心高 8 倍。

2018年微軟把一個數據中心沉入蘇格蘭北部冰冷的海底，經過兩年試運行，2020年微軟把它取回了。這一個長達數年的項目的最后階段，證明了水下數據中心這個概念不僅在運作、環境和經濟等方面具有實用性，也是切實可行的。日前微軟將部分數據中心撈出進行維護順便評估其可靠性等。

微軟將整個數據中心淹沒在海浪之下意義非凡

肖恩詹姆斯（Sean James）在微軟的數據中心從事技術工作，當他向公司提出將服務器群組完全放到水下時，他的同事有點半信半疑。但對于之前在美國海軍潛艇服役過的詹姆斯來說，將整個數據中心淹沒在海浪之下意義非凡。●他認為，這種策略不僅能降低冷卻機器所需的成本（對許多數據中心運營商來說這是一筆巨大的開銷），還能降低建設成本，而且可以更方便地使用可再生能源運行這些設施，甚至提高數據中心的性能。

微軟表示盡管這些數據中心也存在損壞問題但幾率比陸地上的低十倍，就可靠性來說完全可以秒殺陸地數據中心。撈上來的數據中心從外觀上看有些慘不忍睹，但其實完全沒問題，只是外殼上長滿了貝類以及藻類需要進行清潔。

下水前這個樣子的：

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現在是這個樣子的：

部署兩年后，數據中心外面長出了一層海藻、藤壺和海葵。

金屬艙體腐蝕和生物污損是需要解決的重點問題

微軟表示，目前微軟研究的重點是如何解決金屬艙體腐蝕和生物污損問題，畢竟長期放在海水里金屬會被慢慢腐蝕從而影響數據安全。

首先，當然是保持數據中心大型鋼容器內部的干燥；其次是找出利用周圍海水冷卻內部服務器的最佳方法；最后還有一個問題是，如何處理會不可避免地粘在水下容器上的藤壺及其他海洋附著生物。

雖然不需要現場工作人員，所以數據中心無需電燈、空氣、停車場以及針對緊急情況的紅色按鈕，數據中心吊艙中也沒有氧氣。（工作人員在舒適的微軟辦公室控制內蒂克吊艙原型。）此外，這里也沒有水蒸氣和灰塵。這為電子產品提供了很好的環境，最大限度地減少了散熱和連接器腐蝕的問題。不過生物污損仍然是一個需要積極研究的領域。

延伸閱讀：

海洋水下設施生物污損及其控制技術研究進展

海洋水下設施，包括部分或全部與海水接觸的移動或固定式設施設備及構筑物等，諸如海洋船舶、海上平臺、濱海電站、海水管路，以及碼頭鋼樁、海上風電、海水養殖網箱和海洋浮標等海洋觀測與探測設施等，是海洋經濟發展和海洋資源開發利用的重要基礎設施設備。海洋環境中，海洋腐蝕和生物污損是這些設施設備普遍存在的問題。其中，水下設施生物污損不僅可能引起設施材料腐蝕，還會造成諸如船舶航行阻力增加，濱海電站冷源系統管路堵塞等而影響重要設施設備的正常功能，造成重要經濟損失和生態環境影響。

生物污損因其影響的廣泛性和防治復雜性而成為廣為關注的世界性難題。特別是近年來，隨著海洋經濟社會發展，各類新型水下海洋設施設備不斷投入使用，生物污損正成為制約許多水下設施設備安全有效運行的限制條件甚至瓶頸因素。進一步研究和認識生物污損現象，研究發展合理、有效的措施抑制或減輕海洋生物污損，實現海洋水下設施的長期安全運行，具有重要的經濟和社會意義。

本文概述了海洋生物污損的危害，簡要綜述了生物污損形成過程、目前微生物群落和污損生物群落附著和污損機制的研究進展，概述了目前所采用的生物污損控制技術及解決方案，并討論了近年來新型防污策略的發展，對生物污損控制技術未來發展進行了展望。

一、海洋生物污損的危害

海洋生物污損（biofouling）可以定義為海洋污損生物在各類人造構筑物設施上發生附著聚集，并對人們的生產活動產生不利影響的現象。海洋生物污損是自人類從事海事活動以來一直要面對的問題，也是目前海洋開發所面臨的難題之一。

公元前四世紀的文獻里就有藤壺附著令船舶減速的報道。在過去的幾十年中，經常有船殼、航行浮標、水下設備、海水管道系統、工業或濱海市政進水口、石油鉆井平臺以及相關海洋水下結構物發生生物污損的報道。

艦船上附著的污損生物會增加表面粗糙度，增加航行阻力，增加燃料消耗。據估計，與新涂刷的防污涂層相比，生物污損可導致艦船額外的軸功率增大9%（薄的黏液污損，下同）至84%（藤壺等重鈣質污損，下同）。相對于無任何污損的船體表面，生物污損會導致全球航運業燃料消耗增加值為44百萬～408百萬噸，CO2排放量增加值為134百萬～1238百萬噸，由此造成的航行成本增加220億～2040億美元。

生物污損還會降低管道有效內徑，甚至堵塞管道，降低冷卻水流量。對于濱海電廠海工構筑物，特別是長距離輸水隧道，生物污損會增加廠用耗電量，降低機組微增出力，影響安全級設備的取水，導致金屬材料的腐蝕。附著的污損生物會堵塞電廠的過濾系統設施，造成海水過濾系統失效，甚至影響機組的正常運行。

海洋生物污損會增加海洋水下設施的維護成本。如清除固著在進水管道或涵洞壁上的海洋污損生物通常需要停機，清除費用和停機造成的損失都非常昂貴。1971年，Dunkerque電站對生物污損的涵洞進行維護，清理耗時4000個工時，清理出了360m3的海洋生物。

海水養殖網箱上附著的海生物會堵塞網眼，限制海水交換，增加養殖水產患病幾率，導致養殖網箱結構變形甚至損壞。因此，生物污損會給海水養殖業造成巨大經濟損失。據估算，由生物污損導致的經濟損失約占海水養殖業總生產成本的5%～10%（約合15億～30億美元/年）。

生物污損還會對海洋觀測設施造成損壞，導致儀器傳動機構失靈、信號失真、可靠性降低，甚至帶來安全隱患。很多在線監測儀器維護周期一般在10～60天，即使使用銅網防護，也需要每5個月維護一次。頻繁的維護增加巨大的生產成本，而對于深、遠海的監測儀器，無法進行定期維護，極大地限制其在實際中的應用。

此外，生物污損帶來的物種入侵問題，也越來越受到關注。特別是國際航運帶來的生物入侵，被認為是對世界海洋和生物多樣性保護的主要威脅。國際海事組織（IMO）繼2004年發布船舶壓載水和沉積物控制和管理指導準則之后，2011年又發布了船舶生物污損控制與管理指導準則。新西蘭、澳大利亞、美國加利福尼亞州等國家或地區制定了新的有關規則，要求商業船舶入港前需要清除船殼及水下附屬設施表面附著的污損生物。生物污損及其影響的環境與生態安全問題正在得到廣泛重視。

二、海洋生物污損形成過程與影響因素

海洋生物污損是一個復雜的自然現象，海水中營附著或固著生活的海洋生物會在材料表面定殖生長，從而完成其生命周期，形成適應環境的污損生物群落。通常包括以下幾個主要的生長步驟，即條件膜、生物膜、微型生物污損和大型生物污損等階段，可以分為初期、中期和后期附著階段。

⑴條件膜的形成：

浸水材料表面在很短的時間內（數秒到數分鐘）通過物理吸附、靜電相互作用等吸附海水中溶解的蛋白質、多糖、糖蛋白等有機分子，形成條件膜。

⑵微生物膜的初步形成：

海水中的細菌、單細胞藻類等在幾小時內在條件膜表面形成的多物種初期生物膜。這種初期的細菌附著被認為是一種可逆附著，主要與微生物與材料間的弱相互作用（如范德華力和靜電力）相關。初期微生物膜可進一步發展為成熟的微生物群落。

⑶微型污損群落的形成：

在浸海幾天的時間內，微生物膜內的細菌進一步生長繁殖，會分泌形成胞外聚合物質（EPS），并通過分泌化學物質等進一步吸引有關微生物、藻類孢子甚至原生動物幼蟲的進一步附著，同時吸附海水中的有機顆粒等，在某些材料表面會形成黏液層，它們不斷生長繁殖，形成微型污損生物群落，通常稱為微型生物污損（microfouling），或軟污損（softfouling），也稱為污損黏膜（slime）。

⑷宏觀污損生物群落的形成：

在微生物膜及或微型污損群落基礎上，在幾周的時間內，處于浮游期的大型污損生物幼蟲（如藤壺、貽貝、多毛綱動物等）選擇固著在微污損群落生物膜上，經進一步變態發育，形成以硬殼鈣質生物為主的宏觀（大型）生物污損（marofouling），或稱為硬污損（hardfouling）。

實際上，海洋污損生物群落并不完全按照上述的順序形成，因為海洋生物的多樣性及復雜性，污損生物附著的順序可能是隨機的。此外，大型污損生物也未必一定要在微生物膜表面附著及生長，其也可以直接固著在浸水材料表面，導致生物污損。

從初期、中期到后期的生物污損發展過程，污損生物群落存在附著演替現象，最終通常微型和大型污損生物共同形成生物污損，也經常表現為某一種優勢污損生物如藤壺、貽貝等聚集附著現象。

然而，在實際環境中，污損生物群落的形成過程和表觀現象是十分復雜多樣的，會受到環境以及物種間競爭等多種因素的影響，與海域、季節、溫度等環境條件及材料表面特征等有復雜關系。

海洋污損生物受環境條件的影響明顯，通常決定了海洋附著生物的種類和數量。一般地，海洋污損生物的種類和數量隨緯度的升高而降低。我國溫帶、亞熱帶和熱帶海域的污損生物類型具有顯著差異，近海和遠海的污損生物類型也具有顯著差別。季節交替也會改變污損的程度。Want等人調查了英國蘇格蘭Orkney島沿海主要污損生物在一年中不同月份的附著情況。同一地點，秋冬季的污損程度要顯著低于春夏季。每個月都存在附著的優勢物種。此外，海水深度也會影響生物污損，如船舶水線部位以進行光合作用的藻類為主，而水線下則以藤壺等硬殼生物為主。此外，江河的入海口位置與遠海的污損程度也顯著不同。

其實，海水的溫度、鹽度、營養物的濃度、溶解氧、光照、pH值等是影響污損生物的種類和數量的本質因素，因為其直接影響生物的生長及繁殖。雖然海洋的這些因素總體上是穩定的，但隨著日夜的交替和季節的更迭會發生值得關注的變化，從而影響附著生物的生長及繁殖。值得注意的是，隨著全球氣候變暖和海洋環境的污染，將會在一定程度上影響海洋生物的生長，導致某種或幾種海洋生物的“暴發”，導致嚴重的生物污損事件。此外，水流速度也會影響海洋生物的附著。一般地，海洋生物不容易在水流速度高的情況下附著。

海洋水下設施材料本身的性質（如材料的組成、結構以及表面狀態等）均可影響海洋生物的附著，材料不同，附著種類和數量會有顯著差別，比如硅基材料表面，藻類的附著通常占有優勢。如未經采取任何防護措施的低碳鋼和混凝土表面在浸水后不久均可發現有生物附著。研究發現，材料的表面性能（如表面浸潤性、表面光滑程度、表面親疏水性、表面能、表面帶電性等）也會影響海洋生物在材料表面的生長及繁殖。一般地，表面能低的光滑表面或帶電表面或有毒物釋放的表面不利于海洋生物的附著。此外，生物物種間的相互作用（如捕食、寄生、競爭、互利共生）也會影響附著的種類和數量。

三、海洋污損生物群落

如上文所述，海洋生物污損可以分為微型生物污損和大型生物污損，微型生物污損進一步分為微生物膜群落和微型生物群落，通常是多物種的共生生長，而大型污損生物更常見的是某一種或兩種污損生物的聚集性生長。

⒈微生物膜群落

各種環境中，微生物90%以上是以生物膜的形式存在的，海洋環境也是類似的。附著微生物群落的組成很可能是由生物膜的調節和材料表面的相互作用決定的。在材料表面生物膜群落中，微生物-材料基體、微生物之間、以及微生物種群之間的合作、競爭、交流構成了微生物群落的組成、結構、時空動態和功能。微生物能夠感知和響應表面環境信號，并通過改變基因表達來改變其細胞表面化學、生理和附著行為，不同的微生物也可能具有不同的表面黏附機制。

材料表面微生物群落除了與浸海時間、海域、深度等環境參數密切有關外，其附著種類還與材料基體成分等有密切關系。比如在高分子材料和玻璃表面，優勢微生物是海洋紅桿菌（Rhodobacter）和單胞菌屬（Alteromonas）；在鋼鐵材料表面，在浸泡初期主要是陸丹氏菌（Loktanella）和假單胞菌（Pseudoalteromonas），也可能存在鐵氧化菌（FeOB）。但材料長期浸泡后，厭氧硫酸鹽還原菌成為主要的優勢微生物。

在金屬材料表面的微生物群落，會對金屬的腐蝕產生重要影響，可以稱其為腐蝕微生物群落。材料在海洋水下環境腐蝕的典型特征是微生物的附著和膜下微生物腐蝕，這與單純的氯化鈉鹽水腐蝕或人工海水腐蝕有很大的區別。

我們最近的研究發現，天然海水中銅合金、鋁合金和碳鋼等不同金屬材料表面生物膜微生物群落結構組成差異顯著。銅合金生物膜樣品細菌豐度低，優勢菌為產酸菌屬（Lactobacillus）；鋁合金表面細菌豐度最高，優勢菌為芽孢桿菌屬（Bacillus），碳鋼外表面為可產生胞外多聚物（EPS）的假單胞菌屬（Pseudomonas），而銹層內則以硫酸鹽細菌（SRB）為主，且具有不同的優勢SRB物種。同時也發現，在材料表面都發現有較高多樣性的古菌群落，其中在銅表面生長有較高的氨氧化古菌，而鋼鐵銹層中則主要存在甲烷嗜熱球菌屬（Methanothermococcus）和甲烷球菌屬（Methanococcus）等古菌。

海洋腐蝕微生物群落與金屬材料基體密切相關，海洋腐蝕微生物群落引起的微生物腐蝕通常可以采用陰極保護、殺菌劑、防腐涂鍍層等進行控制，在本文中不作重點論述。

當材料浸入到海水中，微生物在材料表面會形成條件膜。形成條件膜后，細菌和硅藻等微生物會相繼在這層“土壤”上附著生長，形成一層由水、無機物、有機物、微生物及其胞外聚合物質（EPS）組成的微生物膜或黏膜。EPS主要包括蛋白質、多糖、糖醛酸、丙酮酸鹽、醋酸鹽、硫酸鹽、酯類以及少量的核酸、脂質等，整體具有負電性。

⒉微型污損生物群落

細菌、單胞藻（硅藻等）和原生動物組成了微型生物膜，污損生物分為3類：體型大于1mm為大型污損生物；體型在0.5～1.0mm為小型污損生物；體型小于0.5mm為微型污損生物。在生物繁殖季節，海洋工程材料表面海洋細菌首先附著，緊接著海洋單胞藻在材料表面附著，隨著時間延長，它們會組成聚合體；海洋原生動物在浸海15天左右開始出現，海洋后生污損生物幼體依不同大型污損生物繁殖季節先后出現，此后材料表面大型污損生物大量生長。

材料表面海洋細菌的附著以球菌和桿菌為主，附著海洋細菌已被描述的有幾萬種，大多數細菌是污損生物的最小個體，是污損生物食物鏈的第一提供者，即初級生產力。材料浸泡2周后單胞藻開始附著，以硅藻為主，是微型污損生物膜骨干，其體內能分泌出膠狀物使硅藻大量聚集，硅藻殼壁上膠質孔位控制其群體形狀，硅藻集中繁殖可構成各式型體，不管組成體多大，它們是單細胞的微型生物。硅藻被稱為“海洋牧草”，為原生動物和后生污損生物提供餌料，但海域渾濁，它的優勢地位也可能被蘭藻取代。

原生動物是海洋微食物網的重要組成部分，在海洋初-次級能量流動和碳循環過程中起著重要的樞紐作用。通常它們依群體存在，已報道的世界整體環境中發現6萬多種，在海洋工程表面的研究報道較少，作為污損生物報道的主要有尖觸蟲（Ephelotasp.）、鐘蟲（Voroticellasp.）、聚縮蟲（Zoothamniumsp.）和球長蟲（Anthophysasp.）、有孔蟲（Foraminifera）。原生動物也是最原始的低等單細胞動物同時也是最復雜的生命單體。因為在同一個細胞中要兼營運動、營養、呼吸、排泄、生殖等通常動物的所有功能。

在微型污損生物群落中，小型動物群落和原生動物對細菌、硅藻的攝食作用存在明顯的時空差異，在冬季和春季，盡管細菌生物量很高，但捕食關系不明顯，而在夏末和整個秋季，小型動物和原生動物可利用53%的細菌，其中鞭毛蟲、纖毛蟲及小型動物對細菌攝食的貢獻率分別為：51%、21%及28%。

⒊宏觀污損生物

海洋污損生物的附著過程通常都有從其浮游態（藻類孢子或生物幼蟲）到附著態（變態成體）的附著轉變過程。海藻（圖1）、貽貝（圖2）、藤壺（圖3）等是典型的污損生物，經常在材料設施表面觀察到其污損附著現象。也是實驗室最經常應用到的污損生物研究對象和模式污損生物。下面簡要介紹上述三種典型污損生物的附著和分布情況，同時也對其他污損生物（圖4）做簡要介紹。

圖1 海藻

圖2 貽貝

圖3 藤壺

圖4 其他的污損生物

海藻生長在海水中，可以進行光合作用并釋放氧氣。我們通常所說的海藻一般指大型藻類。常見的海藻主要有：紅藻（如海頭紅、石花菜）、褐藻（如裙帶菜、海蒿子）和綠藻（如孔石莼）等。

大型藻類的黏附機理研究較多的是石莼。石莼的黏附主要經歷兩個階段：浮游階段（自由游動的孢子）和底棲階段。其中，底棲階段在海藻附著中起重要作用。底棲階段是由游動孢子到基體表面定植進行永久黏附的過程，主要包括三個步驟：①表面著陸與探索，這是一個選擇性過程，與孢子本身的生物學性質（比如是否具有鞭毛）以及基體材料的表面物理化學性質有關。②黏附過程，分為初級黏附與次級永久性黏附。游動孢子探尋到合適的基體表面，很快就會分泌膠黏劑，完成初級黏附（約1min）。此后孢子不斷分泌膠黏劑，在孢子周圍擴散，在基體材料表面形成一層薄薄的“膠墊”，牢牢地固著在基體材料表面。并且鞭毛逐漸消失，產生新的細胞壁，完成次級永久黏附（約20min）。此后，細胞不斷分裂，逐漸長成大型藻類植株。

通常認為孢子在水中的運動是隨機的、無選擇性的。但是近來的研究顯示，一些游動孢子是具有趨光性、趨觸性和趨化學性的。Wheeler等研究發現石莼（Ulvaintestinalis）的游動孢子會利用附著細菌產生的一種群體感應化合物[酰化高絲氨酸內酯AHL（Acyl-HomoserineLactone）]在細菌生物膜表面進行探索。一旦游動孢子在合適的基體表面著陸并探索到AHL時，游動孢子就會降低游動速度，逐漸完成附著。

貽貝是許多污損生物群落的優勢組成之一，其種類繁多，廣泛分布于世界海洋。在我國沿海，受到關注的污損貽貝類主要是紫貽貝（Mytilusgalloprovincialis）和翡翠貽貝（Pernaviridis）。貽貝通常采用足的前端探尋附著位點，找到合適的位點后，貽貝會分泌黏附蛋白將自身用蛋白質足絲固定在基體材料上，通常以密集集群形式生活。足絲由從貝殼間分泌的眾多足絲線（thread）構成，它一端連接著貽貝自身，另一端則通過具有高界面結合強度、耐久性和韌性的斑塊（plaque）黏附在基體材料表面。足絲中存在著多種具有不同功能的黏附蛋白，分布在足絲線的不同部位，統稱為貽貝足絲蛋白（Musselfootprotein，Mfps）。它以液體形式分泌，然后在體外固化形成足絲線和斑塊。

藤壺是節肢動物門甲殼亞門顎足綱鞘甲亞綱蔓足下綱的一類動物，根據柄部的有無分為有柄目和無柄目2個組群。其中，造成水下設施危害的主要是無柄目藤壺亞目藤壺科的一些種類，它們常常形成密集的集群。另外，有柄目的鵝茗荷（Lepasanserifera）也是常見的污損物種。

藤壺在全球的海洋中普遍存在，從北冰洋到南大洋中均可生存，從潮間帶直到數千米的深海都有分布。值得注意的是，藤壺可以在低鹽的河口區域生存，卻不能在淡水中生存。全世界約有500多種藤壺，其中我國約有110種。其中，紋藤壺（Amphibalanusamphitrite）在黃、渤海為優勢種，網紋藤壺（Amphibalanusreticulatus）則在熱帶和亞熱帶海區占優勢；泥管藤壺（Fistulobalanuskondakovi）多出現在沿海河口的咸淡水交匯處；三角藤壺（Balanustrigonus）、紅巨藤壺（Megabalanusrosa）和鐘巨藤壺（Megabalanustintinnabulum）等種類分布于鹽度較高的海域。環境因子可對藤壺類的生長發育、繁殖附著、分布狀況及形態特征等產生顯著影響，這些環境因子可包括鹽度、水溫、波浪、潮位、營養元素等。

藤壺在材料表面的固著過程主要由3個階段構成：浮游的無節幼蟲階段；浮游向永久固著過渡的腺介幼蟲的表面探索階段；腺介幼蟲變態發育成成蟲的永久黏附階段。其中，后兩個階段對藤壺附著作用最大。

目前國內外學者對幼蟲對表面的探索行為、幼蟲分泌的膠黏劑與永久黏附行為及藤壺膠進行了廣泛的研究，試圖破解各種膠黏劑的成分及理解藤壺附著的機理。目前普遍認為幼蟲的黏附分為非永久性黏附和永久性黏附兩個階段。腺介幼蟲會利用成對的觸角以踩高蹺的方式在表面移動，并分泌由單個納米蛋白絲或纖維聚集束組成的臨時黏結物質[足跡蛋白（footprint proteins）]，以搜尋合適的附著位置，一旦表面合適，腺介幼蟲就會分泌永久性的黏結物質，在表面完成腺介幼蟲-金星幼蟲-藤壺幼體-藤壺成蟲的變態發育及成長過程，在成長過程中還會分泌黏附性更強的藤壺膠，牢牢地黏在材料表面。藤壺附著后將不能移動，通常喜歡在潮間帶營群居性生活，這一現象的最新解釋是已經附著的藤壺會不斷釋放出化學信息素，從而促進了其他藤壺幼體前來附著。

海洋中能夠導致生物附著的海洋生物眾多，除了上述的海洋污損生物外，在海洋水下人工設施表面還會附著其他生物，這些生物有地域特性和時空特性，在某些地域或某個時間點上會大量繁殖，造成危害，有時還會大規模暴發，嚴重影響海洋水下設施的正常運行。

一般地，經濟性生物牡蠣的附著量通常要少于貽貝和藤壺，但是也會存在個例，尤其是位于內灣內的濱海水下設備，這是由于灣口位置水流往往比較通暢，更適合牡蠣的附著、生長和繁殖。

海鞘生長快，繁殖迅速，能在短時間內產生大量附著的幼蟲，是海洋污損生物群落中的重要成員，對海洋水下人工設施會產生嚴重危害。如濱海電廠取水系統里流速較慢的取水槽等經常會發現有海鞘大量附著。海鞘附著污損具有明顯的地域性和季節特點，并與深度有關。

在海洋水下設施中，經常會發現水螅蟲的附著。很多水螅蟲呈現草狀或樹枝狀，且成群附著生長。如果大量附著的水螅蟲群體死亡、脫落，很容易就會發生堆積而導致取水管路細管的堵塞。如果水螅蟲類在取水口處的過濾設備上大量附著生長，最終會將過濾設備的格柵包圍起來，就會導致取水阻力增加，壓差增大。

除了附著污損生物外，浮游性生物經常也會引起管路設施的堵塞現象。近十年來在我國沿岸海域經常會發生赤潮現象（浮游植物暴發產生）；以及某些濱海電廠附近海域也時常會發生水母暴發現象，這都會導致取水系統過濾設備的嚴重堵塞，引發生產安全等問題。

對海洋水下設施或濱海電站造成危害的海洋生物主要有海綿類如白枝海綿（Leucosoleniavariabilis）、管棲蠕蟲如華美盤管蟲（Hydroideselegans）、苔蘚動物如頸鏈血苔蟲（Watersiporasubtorquata）、鉤蝦類如擬鉤蝦（Gammaropsissp.）、水母類如海月水母（Aureliaaurita）、紐鰓樽類（如梭形紐鰓樽）、浮游植物如夜光藻（Noctilucascintillans）和浮游動物如橈足類的擬長腹劍水蚤（Oithonasimilis）等。

四、海洋生物污損控制技術

海洋生物污損的控制技術可以分為基于物理、化學和生物原理的技術，物理防污包括機械清除、紫外線抗菌防污技術等，化學防污包括防污涂料、電解防污、殺生劑防污技術等，以及污損生物幼蟲預報觀測的生物學技術等。

其中，防污涂料可以應用于艦船等各類移動和固定水下設施，應用最廣泛；電解防污及殺生劑防污主要用于冷卻水管路、壓載水艙等密閉或半密閉體系；機械清除技術特別是水下自動化污損清除技術得到快速發展。

目前所采取的生物污損控制技術主要是抑制污損生物的附著以控制污損生物特別是大型污損生物在表面的聚集性生長，降低對水下設施的影響。

目前，盡管有些防污技術對大型污損生物有效，但是大多數防污技術主要還是抑制污損生物的幼蟲或幼體。由于海洋污損生物的多樣性及復雜性，目前尚沒有一種技術能夠解決所有的生物污損問題。在實際的生產中，防污措施的選擇往往要考慮幾種影響因素，這些影響因素主要包括：生產效率、成本、環保法規等。在實際生產實踐中，某些物理方法、殺生劑、防污涂層等已經廣泛用于預防和控制生物污損。

⒈物理防污方法

物理防污方法，一般是指采用物理措施來消除生物污損。目前針對船體外表面或大型海水隧洞等海水冷源系統設施，可以采用的物理措施主要有機械清除技術（包括水下機器人），其他物理方法如海水過濾、水流速度控制、熱處理、超聲波技術、紫外殺菌防污、滲透壓控制、降低氧氣濃度等。

下面重點對水下機械清除特別是近年來發展的水下軟清除（Grooming）技術作簡要介紹。

1 人們對水下污損清除的認識也在不斷發展。嚴重的生物污損會降低船舶航速，增加油耗，由此船舶水下軟清除（Grooming）的概念被提出，即在發生硬殼污損前就對水下船體進行污損清除，從而減小硬殼污損的形成，降低船舶油耗。近年來，新西蘭、澳大利亞等國家制定了新的有關規則，要求船舶入港前需要視船體污損情況進行必要的清除，減小物種入侵，也促進了水下軟清除技術的發展。

最初的水下自動化軟清除裝置比較簡易，將人工清除用的海綿橡膠球、復合摩擦材料等直接搭載在可行駛的小型活動裝置上。美國海軍DDG51護衛艦上曾經使用過這種簡易技術，他們設計的水下清除裝置總質量約為25kg，功率約為300W，擦除速率達3.8m2/min，污損生物清除速率達70%，全船清除一次大約需要13小時，這是水下污損清除機器人的雛形，其擦除效果有限，僅適用于污損生物附著的初期。最近的試驗研究表明，水下軟清除技術可以將污損生物附著面積由100%最低降低到6.3%左右。

水下清除技術的發展也對防污涂層技術的發展提出了進一步挑戰。水下清除技術會在一定程度上加速原有防污涂料中有效成分和黏接劑微塑料成分向海水中的釋放，被刷洗掉的活體生物，同樣會進入到海水中帶來可能的物種入侵問題。無毒低表面能防污技術更適合水下軟清除技術的需求。清除不徹底、機器人的操作靈活性及應用成本較高是目前水下機器人清除技術存在的主要問題。

在水下清除的自動化革新方面，近年來眾多從事水下機器人開發的公司研發了各種類型的水下污損清除機器人，總的說來，機器人的兩個關鍵核心技術是緊密吸附和有效清除。一種綜合利用了電磁力、反向波輪和浮力材料的合力，控制機器人在被清除表面運行，可以達到精準控制的效果。我們與有關單位合作，開展了水下自動化生物污損機械清除的研發和示范工作，該水下機器人具有良好的可操作性、智能化和可視性，清除能力300m2/h，工作深度可達20m，行進速度5.6m/min，污損清除效率可達到95%以上（圖5），負重能力約650N。提高自動化程度和深水作業性能及可視性與集成信息技術成為未來發展的趨勢。

圖5 水下自動化污損清除機器人清除前后的船體表面照片

⒉化學防污方法

化學防污一般是指利用特定的化學措施或藥劑對海洋生物及其孢子、幼蟲等進行趨避、活性抑制或殺滅，達到抑制海洋生物在水下設施表面附著或聚集的目的。根據采用化學手段的不同，化學防污主要分為化學藥劑法、電解防污法、涂裝防污涂料法等。

化學方法的優點是施工簡便、抗污高效、適用范圍廣泛、經濟性好，也是目前船舶、濱海電廠等工業上通常采用的方法。化學防污方法會直接或間接使用殺生劑，所有應用的技術都需要得到生物安全風險評估和認證。理想的殺生劑技術是趨避污損生物而不是殺滅；或具有短的半衰期，可以快速降解為無毒物質。

⑴化學藥劑法

是向待處理體系中投加一定量具有防污生物活性的化學藥劑，而達到抑制污損生物附著的效果。化學藥劑最大的優點是見效快，對以海水為介質的封閉系統有效，如船舶壓載艙，濱海電廠的冷卻水循環系統等。加藥法的缺點是每種化學藥劑僅對某一種或幾種生物有效，易導致金屬腐蝕，有較大的環境風險。一般地，加藥法采用的化學物質按殺生機理分為氧化型和非氧化型殺生劑。其中氧化型殺生劑一般是鹵素及其化合物（如次氯酸鈉）、臭氧、雙氧水等。非氧化型殺生劑常見的有季銨鹽、金屬鹽溶液（如銅離子鹽溶液）、烷芳基胺等。目前，工程實踐中往往交替使用非氧化型殺生劑和氧化型殺生劑，不僅可以降低維護成本，也可以避免生物產生耐藥性。

來自天然物質（如細菌、植物、動物或某些礦物質）的殺生劑被稱為生物基殺生劑（或稱生物農藥，biopesticides）。目前發現的具有防污活性的天然產物主要有：無機酸、有機酸、大環內酯類、萜類、酚類、甾醇類和吲哚類化合物等。關于天然防污劑，已經有詳細的綜述。另一個比較成功的例子是，基于熒光假單胞細菌的配方Zequanox?（主要有效成分PseudomonasfluorescensstrainCL145Acells）對貽貝附著具有很好的抑制效果，已經于2011年在美國EPA注冊。Zequanox?由死去的熒光假單胞細胞組成，該細胞中含有對貽貝有毒的天然化合物。

盡管基于在生物中天然提取的天然產物防污劑應用潛力巨大，但是由于其在生物體內含量較低且提取工藝非常復雜，大大限制了其在海洋防污方面的大量使用。所以通過人工合成的方法合成與天然產物防污劑化學結構相似的化合物，可以進一步促進環境友好型防污劑的大量使用。如香港科技大學從細菌中發現了有機溴類新型防污劑，具有良好的防污效果和應用前景，正在開展有關防污應用的研究。Takamura等人工合成了8種丁烯酸內酯和香葉醇的雜化分子，防污測試結果表明這8種雜化分子都對藤壺幼蟲具有優異的防污能力。此外，通過有機合成方法對化合物的化學結構進行精確設計，也可以避免天然防污劑中某些毒性基團或結構，從而制備低毒/無毒的人工合成型生物基殺生劑。

總的來說，生物基殺生劑通常比常規殺生劑毒性低，僅影響目標生物，少量有效，并可在環境中迅速降解，環保性好，是未來殺生劑的發展方向之一。若干生物基殺生劑已在美國EPA注冊。但大部分生物基殺生劑仍處于實驗室的研究階段，其中大批量生產問題和成本問題尚沒有得到很好解決。

⑵電解防污法

電解防污屬于電化學防污技術，通過將直流電施加于特定的電極體系發生電化學反應，利用反應生成的化學物質來抑制或殺死污損生物，達到防污目的。電解防污裝置通常操作比較簡便，也可以進行自動化控制，因減少了人員直接接觸，較直接化學加藥法更加安全，還可應用于不易進行涂裝的部位。

在海洋平臺、船舶管路以及其他以海水為介質的冷卻循環水系統中已廣泛使用。傳統的電解防污方法主要有電解海水制氯法和電解重金屬法。

電解海水制氯主要是依賴海水電解產生的含氯物質（如HClO、ClO–、Cl2）來抑制或殺死生物，達到防污目的，其原理見圖6所示。電解海水使用的是特制的電極（如釕鈦金屬氧化物陽極）來產生有效氯（HClO、ClO–、Cl2）。

圖6 電解海水制氯示意圖

電解重金屬防污主要是利用電解產生的有毒重金屬離子來抑制及毒殺污損生物。目前，應用最多的是電解銅-鋁防污技術。其基本原理是：在電解槽中，電解由銅-鋁組成的陽極時，銅陽極發生電化學反應生成有毒的銅離子，起到殺滅海洋生物的目的；而鋁陽極發生電化學反應生成的三價鋁離子可在海水中形成絮凝物，可以充當銅離子的載體，對銅離子起到緩釋作用。

電解海水制氯和電解重金屬雖然目前在工程實踐中得到了廣泛應用，但也存在一些缺陷。對于電解海水制氯而言，隨著電解的進行，電極材料表面會不斷積累鈣質沉淀物，增加維護成本；電解海水產生的氫氣存在較大安全隱患；此外，電解海水生成的氯類化合物具有較大環境風險。電解重金屬的缺點是電解產生的重金屬離子（如銅離子）對水環境影響較大。

我們近年來開展了新型電解和電催化用防污電極材料的研究工作，該類電極在發生電催化電化學反應時生成的是無毒的活性氧類化合物（如活性氧自由基、過氧化氫等）。Wang等采用簡單的共沉淀法/原位包覆法制備了不同GO和MnCO3配比的氧化石墨烯氣凝膠負載立方碳酸錳復合材料（GOx/MnCO3）。該材料具有較高的電導率和豐富的2電子氧還原反應（ORR）催化中心，并且產生H2O2的選擇性高，穩定性好并具有良好的ORR催化性能。

在此基礎上，GOx/MnCO3作為氧還原電催化劑，在0.55VRHE值下對不銹鋼具有良好的抗菌效果。這為抗菌和防污應用提供了一種有效的和環境友好的電化學方法。

⑶防污涂料技術

一百多年來，防污涂料是最廣泛應用的防污技術，特別在各類海洋船舶設施上獲得了廣泛的應用。防污涂料目前主要包括含殺生劑的自拋光防污涂料（Self-polishingCoating，SPC）和不含殺生劑的污損釋放涂料（FoulingreleaseCoating，FRC）。SPC防污涂料是一種典型的仿生防污技術，其作用機理主要是在海水沖刷條件下，涂層中的樹脂發生緩慢水解，水解過程中會在表面暴露和緩慢釋放殺生劑，從而抑制附著生物膜和幼蟲的附著。這是其優點和應用廣泛性所在，目前約占防污涂料市場90%份額。

具有水解功能的樹脂是SPC涂料的關鍵技術之一。當前主要的防污樹脂主要包括丙烯酸銅、丙烯酸鋅和丙烯酸硅類水解樹脂。在新型防污樹脂領域，我國華南理工大學研發了可側鏈水解的丙烯酸硅類樹脂，突破了國外專利的限制。中國海洋大學在接枝殺生劑辣椒素及其衍生物的新型防污樹脂領域取得了突破進展。

除了防污樹脂外，殺生劑也是自拋光防污涂料中的主要成分。主要包括無機殺生劑（如氧化亞銅、硫氰酸亞銅等）和有機殺生劑如異噻唑啉酮類化合物（DCOIT）、吡啶硫銅酮等。隨著人們環保意識的提高，防污涂料中殺生劑的使用受到嚴格限制，必須經過注冊認證，滿足相關法律法規的要求才能夠進入防污涂料市場。一種具有潛在防污活性化合物的注冊極其嚴格，需要提供大量的實驗數據證明其安全性，因此，新型防污劑的開發時間長，成本高。近來的研究主要集中在無毒和低毒殺生劑方面，主要包括三類：從微生物代謝產物提取天然活性化合物；篩選具有防污活性的生物酶；現有殺生劑的微膠囊緩釋控制技術。

盡管自拋光防污涂料有其優點，應用廣泛，但有其無法逾越的固有缺陷。在防污期效方面，對于許多固定設施，如濱海電廠海水冷源管路或涵道，防污需達10年或更長時間，SPC防污技術仍無法滿足其長效防污需求。另外，SPC防污技術是具水解功能的復合殺生劑技術，其樹脂會水解和降解釋放到海水中，形成微塑料成分，其包含的殺生劑最終也會釋放到水體環境中，對環境仍有一定的潛在危害。

污損釋放涂料（FRC），顧名思義，主要是基于其表面的低表面能等物理特性，附著生物不容易在其表面附著，或附著不牢固，經水流沖刷等即可被“釋放”。目前主要的樹脂材料包括有機氟型（氟碳樹脂）、有機硅型（硅橡膠、硅樹脂）、氟硅改性型和無溶劑環氧型等類型。如國際油漆的Intersleek型號FRC涂料已在商用船舶中獲得應用。雖然FRC類涂料目前市場應用低（10%份額），但具有較好的環保效果。當前，基于低表面能、水化層等物理結構仿生防污的理念，國內外許多實驗室都在開展新型防污材料的創新研究，但目前的許多研究仍處于實驗室階段。

FRC類涂料也存在限制和缺陷。如靜態防污效果較差，無法脫除細菌、硅藻等微生物形成的黏膜層，對于許多其他水下設施不適宜應用。另外，其價格昂貴，且施工、重涂和維護都比較困難，且有機硅基防污涂料機械強度不高，易被水中雜物損傷，因此，其總體應用范圍仍十分受限。因此，提高防污涂料的經濟性、耐久性和環保性仍然是未來海洋水下設施防污涂料的發展方向。

目前，防污涂料主要應用于船舶水下船殼的保護，也應用于海洋水下設施如海洋平臺鋼樁的防污。在濱海電廠中，防污涂料主要應用于與海水接觸的取水隧洞、攔污柵、復水器（水室）、閘門、海水冷卻器等。

近年來，我們圍繞濱海設施，尤其是濱海電廠中涉及海水設備的生物污損問題，開展了海洋污損生物調查以及海洋防污涂料等技術的研發工作，取得了一定的研究成果。

我們圍繞濱海電廠生物污損開展了初步研究，有針對性地對我國濱海核電站所處海域的污損生物進行了較為系統的摸底和調研；開展了濱海電廠抗海洋生物附著的對策研究，重點對化學處理法和釋放殺生劑的防污涂料進行了較為系統的研究；提出了濱海電廠防海洋生物污損的化學組合處理方案；成功開發了一種濱海電廠用環保長效無錫自拋光防污涂料技術。

我們圍繞海水抽水蓄能電站防污技術需求，開發耐沖刷長效自拋光防污涂料技術，在實海掛板中取得了優良的防污效果（圖7），并探索研究了低表面能海洋防污涂料以及電解協同防污技術，積累了一定的研究經驗，取得了初步的研究成果。

圖7 綠色環保長效無錫自拋光防污涂層實海掛片

⑷銅或銅合金法

1 一種方法是直接利用銅及銅合金充當水下結構材料。另外一種可行的方法是將銅或銅合金加工成幾毫米的片層材料或篩網。在現代防污涂料出現之前，人們已經利用銅皮來包覆木船底部來防止海洋生物附著，后來也發展到用鎳白銅包覆金屬船舶。

實際應用時，將銅或銅合金的片層材料或篩網包覆在被保護的海洋水下設施表面，達到防止海洋生物附著的目的。值得注意的是，若要用銅或銅合金包覆其它金屬材料，需要注意電偶腐蝕的發生，避免傷及被保護材料。

此外，利用電偶腐蝕的原理，將銅及其合金與要保護的陰極材料連接，利用兩者間的電位差加速銅離子的溶出，達到防污目的。銅及銅合金可以應用在諸如濱海電廠或船舶等的某些管路系統或攔污柵等應用防污涂料不方便的部位。

⒊海洋防污技術發展展望

海洋防污技術總的發展趨勢是向綠色、無毒、長效、功能化防污技術發展。向自然學習，向海洋學習，從自然防污中獲取靈感。海洋防污技術的創新還要基于新材料、新技術的進一步創新發展。仿生防污技術、新型能源的光、電防污材料與技術都在進一步發展中。

⑴仿生防污技術

自然界中，許多生物通常具有完美的抵抗附著和污損的能力，它們通常不僅具有特殊的結構，還常常具有特別功能。自然界中大多數動植物表面都具有特殊的微觀粗糙結構，如荷葉、海豚等。

人們制備了表面具有微觀粗糙度結構的柔軟高分子材料，其具有自清潔和減阻效應，在船舶表面的實驗獲得了較好的防污效果。此外，研究表明，很多海洋生物表面會分泌黏液，如鯊魚和盲鰻表面都有一層黏液，可以形成親水性的表面，從而阻止污損生物的附著。自拋光防污涂層也是一種功能仿生設計，其主要是模仿了動物的“蛻皮”現象。仿生防污技術在進行結構仿生研究的同時，需要更多從功能仿生防污獲得靈感，開展進一步研究。

水凝膠（Hydrogel）是一類極為親水的三維網絡結構凝膠，它在水中迅速溶脹并在此溶脹狀態可以保持大量體積的水而不溶解。研究表明，由于水凝膠獨特的含水能力和柔軟高彈的特性使其與生物表皮的黏液層高度相似，故近年來被越來越多的開發并應用到防污涂層當中，其防污機理主要是水凝膠表面可以形成一層水化層，從而迷惑污損生物的判斷而抑制其在涂層表面的附著。水凝膠防污涂層主要包括高度親水中性PEG水凝膠、兩性離子水凝膠、季銨鹽水凝膠、負載銀納米離子水凝膠等。具有自修復的仿生防污材料也在研究中。

仿生防污技術的發展對海洋生態系統的保護有十分重要的意義，是無毒防污領域的研究熱點之一，但該技術往往需要很高的成本，且壽命較短，實現該類防污涂料規模化生產應用還有很大的困難。

⑵其他新型防污技術

某些特定波長的光（如紫外光）具有趨避甚至殺滅生物的作用。紫外光防污機理是其可破壞細胞組織中的DNA和RNA，從而阻止細胞的再生并抑制生物的生長發育。紫外光防污具有應用安全，穩定性好，受環境影響小，抗菌譜廣，可應用于任何材料表面，對周圍環境影響小的特點。隨著全球環境保護標準的提高及對化學防污劑使用的限制，紫外光防污成為了研究熱點。2018年，IP公司與Philip公司合作開發了一種基于紫外發光二極管（UV-LED）的革命性技術，創新性的將紫外光輻射和有機硅基防污涂層融為一體，使涂層表面發射紫外光，從而防止海洋生物造成的污損。這比通用的紫外光抗菌技術更進了一步。此體系完全不含殺蟲劑，環保安全。

模擬酶催化防污技術是指通過生物污損的仿生機制，即模擬生物酶催化，將H2O2轉化成具有殺菌活性的HOBr或鹵化代謝物，通過這種模擬自然防御系統，以防止細菌定植或生物膜形成。如在海洋污損生物防護中，將鹵化過氧化物酶添加到涂層中，鹵化過氧化物酶會將H2O2和含鹵離子的海水轉化為鹵酸，如次氯酸，進而達到更強的防污效果。由于在防污酶的應用過程中，天然酶具有不穩定性和易變性（易受溫度和pH影響）的特點，故不能被廣泛應用。而模擬酶材料一般不受溫度和pH的影響，所以發展一種具有天然酶活性的無機材料模擬酶代替天然酶是十分必要的。因此，模擬酶防污技術是一種可行性較高的新型環保防污技術。

近十多年來，柔性電子和柔性智能材料獲得廣泛研究，并在柔性智能穿戴、柔性電子器件、仿生皮膚、生物醫學等領域獲得廣泛應用。海洋中蘊藏有豐富的能源，基于海洋波浪能、潮汐能、鹽差能等海洋藍色能源的新技術不斷得到發展。中國科學院北京納米能源與系統研究所等在2017年首次提出了基于摩擦納米發電機（TENG）的海洋能收集技術。TENG主要基于摩擦起電與靜電感應的耦合效應，可將機械能轉化為電能。該團隊報道了利用TENG將海洋波浪能轉換為電能，并探索了其在抗菌防污方面的應用。將海洋能源與光、電功能化防污器件材料結合，形成新型防污功能材料技術，有望在海洋防污、環境保護和節約能源方面取得重要進步。

五、結語

海洋環境復雜，海水中生長的生物物種多樣，數量龐大，涉及海水的海洋工程及設施等很容易遭受海洋生物附著的影響。生物污損通常會降低水下設施工作效率，降低水下儀器的靈敏度，影響水下結構設施的穩定性，甚至導致不易察覺的安全隱患，帶來經濟損失甚至人員傷害的嚴重問題。因此，生物污損控制也是保證海洋水下設施日常運轉的重要工作內容之一。目前，雖然開發了諸多控制生物污損的方法，但都存在各自的缺點，尚沒有一種方法可以應對所有的生物污損問題。因此，對于海洋水下設施的設計者來說，有必要在設計之初就采用一種或幾種切實可行的控制方法，滿足在經濟上可行且環境上可接受。此外，生物污損的有效控制策略也要充分考慮生物污損的季節性和區域性特點以及每一種污損生物的獨特生物學特性。

未來，不僅要開發新的防污材料或技術，還要有針對性地對海洋水下設施所在海域進行污損生物普查，充分了解該海域污損生物的種類組成、群落結構、優勢種等，以及其隨時間或空間的變化規律及附著特點，研究污損生物的附著規律及機理，建立暴發性物種的預警機制，有針對性地采取生物污損控制技術。另外，生物污損涉及生物、物理、化學、材料、環境、工程、氣象等多種學科，是一個多學科交叉、滲透的研究領域，因此，開發高效環保的防污技術還需要多種學科之間的交叉融合，協同創新。

金屬材料及水下設備在海水中腐蝕與防護

小心這兩種腐蝕給數據中心帶來無法挽回的損失

數據中心里最多的都是各種各樣的電子設備，這些設備內部包含很多電子元器件。很多器件對腐蝕比較敏感，如果數據中心里環境不良，設備長期暴露在腐蝕環境中，必然造成器件短路或斷路，引起設備故障，所以腐蝕是數據中心無法回避的話題。腐蝕是指物質與環境相互作用而失去它原有的性質的變化，腐蝕的類型多達十幾種。比如：大氣腐蝕、土壤腐蝕、氣體腐蝕、接觸腐蝕、電流腐蝕、生物腐蝕等。這些腐蝕在數據中心都可能存在，對運行中的設備造成嚴重影響。不過還有兩類腐蝕，很容易被人忽略，這兩類腐蝕在潛移默化地對設備造成了損害，如果不加以重視，往往會造成批量的設備故障，給數據中心帶來嚴重損失。下面就讓我們來學習下這兩類腐蝕：蠕變腐蝕和鍍銀腐蝕。

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