海洋微生物腐蝕主要是指海水海泥等環(huán)境中由于微生物的直接或間接作用所引起的海洋工程材料的腐蝕破壞行為與破壞現(xiàn)象。海洋環(huán)境中微生物作用下材料的腐蝕問(wèn)題是海洋腐蝕的重要特征之一,海洋微生物對(duì)材料腐蝕的影響顯著而復(fù)雜,呈現(xiàn)出不同于常規(guī)的腐蝕新問(wèn)題。海洋微生物腐蝕是影響海洋工程設(shè)施腐蝕和性能下降的重要因素,是材料海洋腐蝕研究迫切需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。
一、海洋腐蝕的主要特征
海洋是最為苛刻的腐蝕環(huán)境,物理因素如溫度、流速、泥沙沖擊等 ; 化學(xué)因素如海水鹽度、溶解氧濃度和 pH 值;生物因素如微生物和污損生物都對(duì)材料的腐蝕產(chǎn)生重要影響。與其他腐蝕環(huán)境相比,海洋腐蝕特別是海水腐蝕的顯著特征是高的鹽含量和高的生物活性。海水鹽度通常為 30-35g/L,其中,海水中氯離子含量約 19.0g/L,硫酸鹽含量約 2.6g/L,其它陽(yáng)離子如 Na 離子的含量約為 10.0g/L, 還包括較高含量的 Mg離子和 Ca 離子等。但是,海水決不是簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)鹽的組合,海水中還含有大量的微生物,浮游和污損(在海洋分類(lèi)學(xué)中又泛稱(chēng)底棲生物)生物以及含碳、氮、磷等的有機(jī)物質(zhì),每升海水中含有109 數(shù)量級(jí)微生物,這些微生物包括細(xì)菌,古細(xì)菌和微藻等,這些微生物及其無(wú)機(jī)和有機(jī)代謝產(chǎn)物都會(huì)對(duì)材料腐蝕產(chǎn)生影響。
人們常常發(fā)現(xiàn),材料在人工海水中的腐蝕與材料在天然海水中的腐蝕現(xiàn)象和規(guī)律十分不同。這其中,微生物因素對(duì)腐蝕起著至關(guān)重要的作用。可以說(shuō),海洋微生物腐蝕是海洋腐蝕的關(guān)鍵特征之一。但由于微生物腐蝕的復(fù)雜性,相比于氯鹽腐蝕等其他腐蝕形式,人們對(duì)微生物腐蝕的理解和認(rèn)識(shí),從基本現(xiàn)象到腐蝕機(jī)理研究,仍是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。僅從海區(qū)來(lái)講,南海和黃海、東海的海洋腐蝕微生物可能是不同的;從所處腐蝕環(huán)境來(lái)講,海洋潮差區(qū)和海水全浸區(qū)、海洋沉積物區(qū)的腐蝕微生物也可能是不同的。
二、生物膜與微生物群落
無(wú)論何種材料,一旦浸入到海水中,海水中的有機(jī)分子、某些附著微生物就會(huì)在其表面相繼附著,在 24 小時(shí)內(nèi)會(huì)形成初期生物膜,在污損生物豐富的海域,如果沒(méi)有合適的防護(hù)手段,會(huì)進(jìn)一步形成生物污損。其中,生物膜是海洋微生物生存發(fā)展的重要場(chǎng)所,對(duì)于金屬材料而言,生物膜是腐蝕微生物對(duì)材料發(fā)生作用的主要場(chǎng)所。在形成初期生物膜后,隨著時(shí)間推移,還會(huì)進(jìn)一步與材料表面相互作用,生物膜內(nèi)好氧微生物群落會(huì)向厭氧微生物群落發(fā)展,并依所附著材料不同,最終形成較為復(fù)雜的微生物群落。目前針對(duì)鋼鐵銹層腐蝕微生物群落的有關(guān)研究表明,微生物群落中可能含有硫酸鹽還原細(xì)菌、鐵氧化細(xì)菌、鐵還原細(xì)菌等。在微生物腐蝕研究中,人們對(duì)鋼鐵等材料表面的腐蝕微生物群落組成的了解仍是極其有限的,必須借助于微生物學(xué)、分子生物學(xué)的有關(guān)現(xiàn)代研究工具開(kāi)展深入研究。
生物膜內(nèi)外的環(huán)境與海水本體環(huán)境顯著不同。生物膜作為一種活性膜層,會(huì)代謝產(chǎn)生胞外聚合物質(zhì),這種胞外聚合物質(zhì)含有胞外多糖、微生物的含碳、氮、磷等的代謝有機(jī)物質(zhì)和無(wú)機(jī)物質(zhì)等等,它們?cè)诮饘俚母g中起著重要作用。
它們產(chǎn)生的酸性代謝物質(zhì)可能改變金屬界面的pH值, 并阻隔與外界的物質(zhì)傳輸,如溶解氧的輸入。有測(cè)量表明,鋼鐵表面生物膜內(nèi)外的溶解氧差別顯著,從本體溶解氧濃度迅速降至幾個(gè) ppm。了解生物膜內(nèi)的理化參數(shù)指標(biāo)對(duì)理解微生物腐蝕具有重要作用。
三、腐蝕微生物及其腐蝕破壞機(jī)制
雖然海洋微生物的種類(lèi)繁多,但人們目前認(rèn)知的腐蝕微生物的種類(lèi),仍是極其有限的,對(duì)腐蝕微生物群落的研究,也是處于起步階段。和腐蝕相關(guān)的微生物,通常的分類(lèi)有產(chǎn)酸細(xì)菌,金屬氧化細(xì)菌、鐵還原細(xì)菌、硫酸鹽還原細(xì)菌和產(chǎn)甲烷古菌等,而實(shí)際腐蝕微生物群落中存在的細(xì)菌遠(yuǎn)比此復(fù)雜。已知的腐蝕微生物最廣為人知的當(dāng)屬硫酸鹽還原細(xì)菌,最早發(fā)現(xiàn)在埋地鑄鐵管線環(huán)境中,后來(lái)發(fā)現(xiàn)廣泛存在于海泥、海水、工業(yè)水等環(huán)境中,能夠?qū)е录铀俚母g破壞,至今仍是微生物腐蝕研究的典型模式微生物。
經(jīng)過(guò)幾十年對(duì) SRB 腐蝕機(jī)理的不斷研究,人們對(duì)其腐蝕作用機(jī)制有了新的認(rèn)識(shí)。1934 年 Kuhr 最早提出了 SRB 陰極去極化作用的經(jīng)典腐蝕機(jī)理,SRB 可通過(guò)自身產(chǎn)生的酶氧化吸附在金屬表面的氫,起到陰極去極化作用。最近的研究表明,SRB 更可能是一種電活性微生物,SRB 在與鋼鐵發(fā)生腐蝕時(shí),實(shí)際是通過(guò)氫化酶等催化產(chǎn)生氫氣而不是消耗氫氣,SRB 可以直接或間接從鐵中獲得電子來(lái)加速陽(yáng)極反應(yīng)過(guò)程,而非依靠消耗陰極氫。微生物作為一種活的生物體,其自身的代謝過(guò)程可能與金屬的腐蝕有著更為直接的關(guān)系,研究微生物本身及其活性代謝物質(zhì)與金屬腐蝕的電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程是今后一段時(shí)期內(nèi)微生物腐蝕研究的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容。
四、材料的海洋微生物腐蝕破壞現(xiàn)象與類(lèi)型
對(duì)于金屬材料,通常認(rèn)為,幾乎所有材料如碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、銅合金、鋁合金甚至鈦合金等,都會(huì)遭受微生物腐蝕的影響。對(duì)于海洋微生物腐蝕,有兩種典型的腐蝕現(xiàn)象,一種是所謂的電位正移現(xiàn)象,一種是腐蝕產(chǎn)物的硫化現(xiàn)象。電位正移現(xiàn)象主要是指不銹鋼等鈍性金屬,在天然海水中短期浸泡(幾星期到幾個(gè)月),出現(xiàn)開(kāi)路電位正移現(xiàn)象, 正移幅度在+200-400mV之間,而在滅菌海水中則不會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象。
在開(kāi)路電位正移的同時(shí),還觀察到加速的陰極氧還原現(xiàn)象。有的研究者認(rèn)為電位正移加速縫隙腐蝕,而相反的研究結(jié)果則認(rèn)為電位正移對(duì)腐蝕具有抑制作用。雖然人們認(rèn)識(shí)到是微生物引起該現(xiàn)象,但對(duì)該現(xiàn)象機(jī)理的解釋仍未有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。對(duì)于腐蝕產(chǎn)物的硫化現(xiàn)象,則有較統(tǒng)一的認(rèn)識(shí),即硫酸鹽還原菌的厭氧微生物腐蝕是其原因,硫酸鹽被還原產(chǎn)生硫化氫,導(dǎo)致腐蝕產(chǎn)生的硫化。但細(xì)節(jié)的腐蝕作用過(guò)程仍是待深入研究的。
微生物腐蝕之所以受到廣泛關(guān)注,主要是微生物誘導(dǎo)加速材料的腐蝕破壞。今后,海洋金屬材料特別是海洋高強(qiáng)鋼等材料將在海洋資源開(kāi)發(fā)中得到更廣泛應(yīng)用,關(guān)注和分析這些材料在海洋環(huán)境中的腐蝕破壞因素是十分必要的,其中,微生物將是其中的一個(gè)重要因素。
黃、渤海污損生物生態(tài)特點(diǎn)及研究
污損生物群落在海洋環(huán)境中人工設(shè)施上的形成和發(fā)展中經(jīng)歷了從無(wú)到有、從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的過(guò)程 , 而且大量的實(shí)驗(yàn)和調(diào)查結(jié)果表明 , 不同類(lèi)型的海洋人工設(shè)施上的污損生物群落具有獨(dú)特的附著作用機(jī)制和演替變化規(guī)律。地理位置的不同和環(huán)境因素的差異 , 各海域污損生物狀況會(huì)有所變化,黃海域與渤海海域的污損生物的生態(tài)特點(diǎn)有哪些?本文綜合分析了黃、渤海海域污損生物群落的種類(lèi)組成、數(shù)量大小、分布狀況、季節(jié)變化等特點(diǎn)。
渤海是我國(guó)的內(nèi)海,由遼東灣、渤海灣、萊州灣和中央?yún)^(qū) 4 部分組成,總面積約為 717 萬(wàn) km 2 ,平均水深為18m, 其東面通過(guò)渤海海峽與黃海相連。黃海是一個(gè)半封閉的大陸架淺海,其東瀕朝鮮半島,西臨山東半島和蘇北平原,北面遼東半島,南接?xùn)|海,總面積約為40 萬(wàn) km 2 ,平均水深約為 44m。黃、渤海的自然資源極其豐富,不僅分布著一些著名的大漁場(chǎng) , 而且還是我國(guó)重要的水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)域,并蘊(yùn)藏著豐富的海洋油氣資源,近年來(lái)渤海海區(qū)的海洋油氣資源開(kāi)發(fā)已漸具規(guī)模,成為我國(guó)目前最大的海洋石油生產(chǎn)基地。
為適應(yīng)海洋經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展的需要,目前人們已對(duì)黃、渤海污損生物群落研究做了大量工作。本文綜合分析了黃、渤海海域污損生物群落的種類(lèi)組成、數(shù)量大小、分布狀況、季節(jié)變化等特點(diǎn),并與鄰近海區(qū)污損生物群落進(jìn)行了比較,初步探討了下一階段的研究重點(diǎn),以期為生物污損的進(jìn)一步基礎(chǔ)研究和防除應(yīng)用提供參考和依據(jù)。
渤海污損生物組成和分布
遼東灣海域
在東北部的金州灣附近 , 沒(méi)有大的河流注入,污損生物優(yōu)勢(shì)種多為溫水種類(lèi),如海筒螅、內(nèi)刺盤(pán)管蟲(chóng)、柄瘤海鞘、紫貽貝等 , 其它常見(jiàn)污損生物種類(lèi)還有長(zhǎng)鰓麥桿蟲(chóng)、角突麥桿蟲(chóng)、葡莖草苔蟲(chóng)、多室草苔蟲(chóng)、西方三胞苔蟲(chóng)、大室膜孔苔蟲(chóng)、 紋藤壺、 華美盤(pán)管蟲(chóng)、 史氏菊海鞘、玻璃海鞘、曲膝藪枝螅、滸苔等。
位于遼東灣西南的秦皇島港,港內(nèi)風(fēng)浪不大,海水鹽度較低,透明度小。
污損生物種類(lèi)貧乏,以苔蘚動(dòng)物、軟體動(dòng)物和管棲多毛類(lèi)為主,優(yōu)勢(shì)種是西方三胞苔蟲(chóng)、獨(dú)角裂孔苔蟲(chóng)、美麗琥珀苔蟲(chóng)、密鱗牡蠣和褶牡蠣及螺旋蟲(chóng);海藻的種類(lèi)和數(shù)量均不多。
離岸約 40km 的海洋石油平臺(tái),其上的污損生物群落主要由軟體動(dòng)物和腔腸動(dòng)物組成,其中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的是紫貽貝,其余污損生物種類(lèi)主要是東方縫棲蛤、云石肌蛤、曲膝藪枝螅和鮑枝螅。
渤海灣海域
在渤海灣內(nèi)的塘沽新港,致密藤壺、大連灣牡蠣、長(zhǎng)牡蠣、曼哈頓皮海鞘和柄瘤海鞘是污損生物群落中最主要的優(yōu)勢(shì)種,其它常見(jiàn)污損生物種類(lèi)為腸滸苔、滸苔、環(huán)口線螅、大室膜孔苔蟲(chóng)、相似膜孔苔蟲(chóng)、泥藤壺和蜾蠃蜚等。
位于渤海灣西部、離岸約 20km 的石油平臺(tái)試板上的污損生物以鮑枝螅占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),其它常見(jiàn)污損生物種類(lèi)為蜾蠃蜚、泥藤壺、雙花假膜孔苔蟲(chóng)、曲膝藪枝螅、銳足全刺沙蠶和鐮形葉鉤蝦等。
鄰近的石油平臺(tái),分布著污損生物群落的主要日本巨牡蠣 , 其它污損生物重要種類(lèi)為玫瑰紅綠???、黃側(cè)花??蛯掗煼搴>d。在黃河口附近、距岸約40km 的石油平臺(tái),則以大室膜孔苔蟲(chóng)為污損生物優(yōu)勢(shì)種,密鱗牡蠣、褶牡蠣、玫瑰紅綠??⒛嗵賶氐葹槲蹞p生物群落的重要組成種類(lèi)。
萊州灣海域
萊州灣位于山東半島西北的渤海南部,入海徑流豐富,營(yíng)養(yǎng)鹽充足,三山島至龍口近海鹽度最高,黃河口附近次之,南部沿岸海域最低。該灣海域是我國(guó)海灣扇貝養(yǎng)殖相對(duì)集中的區(qū)域之一,污損生物優(yōu)勢(shì)種主要為長(zhǎng)牡蠣、褶牡蠣、紫貽貝、 泥藤壺、 紋藤壺、 闊口隱槽苔蟲(chóng)、西方三胞苔蟲(chóng)等種類(lèi)。
渤海中部海域
渤海中部海域開(kāi)闊,人工設(shè)施主要是海洋石油平臺(tái)。污損生物群落中的紫貽貝占優(yōu)勢(shì),且污損生物附著量特別大,還有大量的密鱗牡蠣、褶牡蠣、東方縫棲蛤、玫瑰紅綠??投喾N苔蘚蟲(chóng)等出現(xiàn);東方縫棲蛤和玫瑰紅綠???。
渤海海峽
位于渤海海峽的砣磯島,水域開(kāi)闊,鹽度較高,污損生物群落中大量出現(xiàn)個(gè)體小、重量輕的水螅、苔蘚蟲(chóng)和端足類(lèi),而個(gè)體大或具石灰質(zhì)外殼的污損生物種類(lèi)如柄瘤海鞘、致密滕壺、紋藤壺等的數(shù)量很少。污損生物優(yōu)勢(shì)種為半球美螅水母、中胚花筒螅、漂亮管孔苔蟲(chóng)、四方三胞苔蟲(chóng)、紫貽貝、東方縫棲蛤、多棘麥稈蟲(chóng)、厚角蜾蠃蜚和鐮形葉鉤蝦等。另外,該水域冬、春兩季滸苔占優(yōu)勢(shì),夏季則以水云為主,秋季污損生物優(yōu)勢(shì)種為多管藻。
黃海污損生物組成和分布
遼東半島東南部海域
位于黃海北部的長(zhǎng)山群島海域,水流通暢,鹽度較高,污損生物優(yōu)勢(shì)種為紫貽貝、柄瘤海鞘、埃氏蟄龍介蟲(chóng) , 其它污損生物重要種類(lèi)為海帶、裙帶菜、鼠尾藻、鹿角藻、萱藻、囊藻、沙海螂、皮海綿、藪枝螅、須毛高領(lǐng)細(xì)指海葵、才女蟲(chóng)、多棘麥桿蟲(chóng)、玻璃海鞘等。
位于遼東半島的大連灣,水域開(kāi)闊,污損生物種類(lèi)組成也較為豐富,群落中同時(shí)有暖溫帶和寒溫帶的種類(lèi),污損生物優(yōu)勢(shì)種主要有紋藤壺、缺刻藤壺、東方小藤壺、 紫貽貝、 褶牡蠣、 葡莖草苔蟲(chóng)、美螅、 海筒螅、 曲膝藪枝螅、 內(nèi)刺盤(pán)管蟲(chóng)、史氏菊海鞘、玻璃海鞘、紫擬菊海鞘、多棘麥稈蟲(chóng)、石莼、軟絲藻和滸苔等。
黑石礁海區(qū)的水質(zhì)優(yōu)于大連灣 , 透明度較大 , 污損生物群落中藻類(lèi)所占的百分比大于大連灣 ; 污損生物群落種類(lèi)組成以紫貽貝、東方小藤壺、內(nèi)刺盤(pán)管蟲(chóng)、西方三胞苔蟲(chóng)、頸鏈血苔蟲(chóng)、邁氏軟苔蟲(chóng)、柄瘤海鞘、紫擬菊海鞘、鐮形葉鉤蝦和石莼為優(yōu)勢(shì)種。
位于遼東半島南端的旅順港水質(zhì)清澈通暢 , 鹽度較高 , 透明度較大 , 污損生物種類(lèi)比較豐富 , 且以溫帶種為主。污損生物優(yōu)勢(shì)種為柄瘤海鞘、葡莖草苔蟲(chóng)、闊口隱槽苔蟲(chóng)和紫貽貝 , 較為常見(jiàn)的污損生物有曼哈頓皮海鞘、史氏菊海鞘和龍介蟲(chóng)類(lèi)等種類(lèi) , 而腸滸苔和滸苔等藻類(lèi)的附著僅在 5-8 月出現(xiàn)。
山東半島東北部海域
煙臺(tái)港水色清澈、透明度大 , 鹽度高且穩(wěn)定 , 污損生物的種類(lèi)組成比較復(fù)雜,既有溫帶種,也有暖水的廣分布種,污損生物優(yōu)勢(shì)種主要為腸滸苔、海筒螅、葡莖草苔蟲(chóng)、華美盤(pán)管蟲(chóng)、紫貽貝、致密藤壺、蜾蠃蜚、鐮形葉鉤蝦、紋藤壺、柄瘤海鞘和曼哈頓皮海鞘。
煙臺(tái)四十里灣為耳狀半封閉海灣 ,是重要的淺海養(yǎng)殖海區(qū) , 主要養(yǎng)殖雙殼貝類(lèi) ( 扇貝、貽貝和牡蠣等 ) 和海帶。
該海灣污損生物主要有紋斑棱蛤、柄瘤海鞘、玻璃海鞘、中國(guó)豆海鞘、曼哈頓皮海鞘、紫擬菊海鞘和孔石莼。
分別位于蓬萊和長(zhǎng)島的兩個(gè)扇貝養(yǎng)殖場(chǎng)相距雖不很遠(yuǎn) , 但兩地污損生物優(yōu)勢(shì)種卻不盡相同 , 蓬萊養(yǎng)殖場(chǎng)污損生物優(yōu)勢(shì)種為紫貽貝和葡莖草苔蟲(chóng) , 污損生物重要種類(lèi)以海筒螅和滸苔為主 ; 長(zhǎng)島養(yǎng)殖場(chǎng)污損生物優(yōu)勢(shì)種則是柄瘤海鞘和半球美螅水母 , 其它污損生物種類(lèi)主要為紫貽貝、葡莖草苔蟲(chóng)和滸苔。位于山東半島東端的威海市桑溝灣 , 為 半 封 閉 型 海 灣 , 總 面 積 約 為l3313km 2 , 平均水深為 7-8m,最大水深 為 l5-17m, 屬 不 規(guī) 則 半 日 潮。 年平均水溫為 13e 左右 ,2 月水溫最低 ,月平均僅為 018e;8 月水溫最高 , 為2419e。扇貝養(yǎng)成籠上的污損生物種類(lèi)主要為玻璃海鞘、柄瘤海鞘、史氏菊海鞘、紫擬菊海鞘、帶偏頂蛤、鮑枝螅、多管藻和海綿。
膠州灣海域
位于山東半島南岸、膠州灣內(nèi)的青島港 , 其潮汐類(lèi)型為規(guī)則半日潮 , 污損生物群落種類(lèi)組成比較復(fù)雜 , 包括暖溫帶和寒溫帶的種類(lèi) , 且以柄瘤海鞘和紋藤壺組成污損生物群落的優(yōu)勢(shì)種。其它污損生物重要種類(lèi)為泥藤壺、糊斑藤壺、史氏菊海鞘、紫擬菊海鞘、葡莖草苔蟲(chóng)、褶牡蠣和滸苔等。
連云港海域
連云港位于黃海西岸 , 港內(nèi)污損生物種類(lèi)不多 , 主要有海鞘、苔蘚蟲(chóng)、雙殼類(lèi)軟體動(dòng)物和藻類(lèi) , 其中污損生物優(yōu)勢(shì)種為曼哈頓皮海鞘、紫擬菊海鞘、闊口隱槽苔蟲(chóng)、葡莖草苔蟲(chóng)、美麗琥珀苔蟲(chóng)、密鱗牡蠣和腸滸苔等。另外 , 腔腸動(dòng)物中的環(huán)口線螅和克氏殖口螅及多毛類(lèi)的內(nèi)刺盤(pán)管蟲(chóng)均是比較常見(jiàn)的污損生物種類(lèi)。
呂四洋海域
位于黃海南端的呂四洋 , 是我國(guó)的主要漁場(chǎng)之一。該海區(qū)污損生物種類(lèi)不多 , 但優(yōu)勢(shì)種比較突出 , 附著量大 , 主要有泥藤壺、長(zhǎng)牡蠣、褶牡蠣、中胚花筒螅、管棲端足類(lèi)、凸殼肌蛤和太平洋側(cè)花??取?/span>
黃、渤海地處溫帶 , 所出現(xiàn)的污損生物為廣鹽和低鹽的溫帶種和廣溫種 ,主要有軟體動(dòng)物、苔蘚動(dòng)物、甲殼類(lèi)、多毛類(lèi)、腔腸動(dòng)物、海鞘和藻類(lèi) , 其中雙殼類(lèi)軟體動(dòng)物的優(yōu)勢(shì)種是紫貽貝和褶牡蠣 ; 苔蘚動(dòng)物的種類(lèi)主要為葡莖草苔蟲(chóng)和西方三胞苔蟲(chóng) ; 甲殼類(lèi)的優(yōu)勢(shì)種主要是紋藤壺、致密藤壺和泥藤壺 ; 多毛類(lèi)則以華美盤(pán)管蟲(chóng)、內(nèi)刺盤(pán)管蟲(chóng)、龍介蟲(chóng)和覆瓦哈鱗蟲(chóng)為主 ; 腔腸動(dòng)物則主要為鮑枝螅、半球美螅水母、海筒螅和曲膝藪枝螅 , 且受季節(jié)變化影響極其明顯 ; 被囊動(dòng)物的優(yōu)勢(shì)種是柄瘤海鞘和曼哈頓皮海鞘 ; 藻類(lèi)則以石莼、腸滸苔、萱藻和多管藻為主。
由于地理位置的不同和環(huán)境因素的差異 , 各海域污損生物狀況會(huì)有所變化 : 在水流不暢如秦皇島港和連云港 ,污損生物的種類(lèi)不多 , 附著量較低 , 且主要是密鱗牡蠣、 苔蘚蟲(chóng)和海鞘等種類(lèi),藤壺較少出現(xiàn) ; 而在入海徑流豐富、鹽度較低的海域如渤海灣、萊州灣和呂四洋海域 , 優(yōu)勢(shì)種中會(huì)出現(xiàn)泥藤壺和長(zhǎng)牡蠣等種類(lèi)。在水流通暢 , 鹽度較高的近岸海域如遼東半島東南部海域和山東半島東北部海域 , 污損生物種類(lèi)豐富 , 優(yōu)勢(shì)種組成比較復(fù)雜 , 生物附著量也比較大 ; 遠(yuǎn)岸的開(kāi)闊海域如渤海中部海域 ,紫貽貝則在污損生物群落中占優(yōu)勢(shì)地位 , 類(lèi)似情況也出現(xiàn)在英國(guó)北海離岸海洋油氣設(shè)施上。
另外 , 黃、渤海污損生物的種類(lèi)組成和數(shù)量大小還隨季節(jié)發(fā)生明顯變化 ,一般夏、秋季污損生物的種類(lèi)最多和數(shù)量最大,春季次之,冬季由于水溫太低,很少有污損生物附著 ; 而且南部海區(qū)的污損生物附著期會(huì)有所延長(zhǎng) : 如連云港和呂四洋海域僅在 12 月至翌年 2 月未見(jiàn)污損生物附著 , 而煙臺(tái)港、渤海灣、旅順港等則從 12 月至翌年 3 月均無(wú)污損生物附著。此外 , 人工設(shè)施浸海時(shí)間也對(duì)污損生物群落產(chǎn)生影響 , 如牡蠣和貽貝等雙殼類(lèi)軟體動(dòng)物常在浸海時(shí)間較長(zhǎng)的生物群落中占優(yōu)勢(shì),這是因?yàn)槟迪牎①O貝等個(gè)體大、生長(zhǎng)周期較長(zhǎng) , 得以充分生長(zhǎng)而排斥了其它生物。類(lèi)似現(xiàn)象在高溫高鹽的南海也可觀察到。
在與黃海南部相接的東海 , 污損生物優(yōu)勢(shì)種主要是網(wǎng)紋藤壺、三角藤壺、紅巨藤壺、鐘巨藤壺、翡翠貽貝等 ; 而致密藤壺這類(lèi)北方海區(qū)的污損生物優(yōu)勢(shì)種未在東海出現(xiàn) , 這可能因受長(zhǎng)江徑流的影響 , 導(dǎo)致東海的污損生物優(yōu)勢(shì)種與黃、渤海明顯不同 ; 另外 , 東海污損生物附著狀況的變化類(lèi)似于黃、渤海 , 即由北往南污損生物附著期隨水溫上升得以進(jìn)一步延長(zhǎng)。
東海污損生物附著量大于黃、渤海和南海 , 可能與東海污損生物優(yōu)勢(shì)種個(gè)體較大、其它海區(qū)污損生物優(yōu)勢(shì)種個(gè)體相對(duì)較小有關(guān)。處于高溫高鹽環(huán)境中的南海 , 其沿岸港口和海灣的污損生物優(yōu)勢(shì)種雖仍為無(wú)柄蔓足類(lèi)和雙殼類(lèi)軟體動(dòng)物 , 但主要是網(wǎng)紋藤壺和翡翠貽貝 , 而不是出現(xiàn)在黃、渤海的致密藤壺和紫貽貝等種類(lèi) ; 且污損生物附著量也表現(xiàn)出夏、秋多于冬、春季的狀況。處在南海北部大陸架、遠(yuǎn)離陸地和島嶼的固定式近海設(shè)施 , 其污損生物優(yōu)勢(shì)種主要是齒緣牡蠣和覆瓦牡蠣 , 而渤海中部海域海洋石油平臺(tái)上的污損生物則以紫貽貝為絕對(duì)優(yōu)勢(shì)種。
韓國(guó)南部的馬山附近海域 , 浮筒上所附著的污損生物優(yōu)勢(shì)種為紫貽貝 , 馬山港和鄰近鎮(zhèn)海港的掛板調(diào)查結(jié)果也表明污損生物的優(yōu)勢(shì)種為紫貽貝、紋藤壺、內(nèi)刺盤(pán)管蟲(chóng)和分胞苔蟲(chóng) ; 位于全羅南道的光陽(yáng)港 , 污損生物主要有白脊藤壺、滸苔和萱藻等種類(lèi)。由此可見(jiàn) , 韓國(guó)南部海域污損生物的優(yōu)勢(shì)種組成和鄰近的黃、渤?;疽恢?。
日本長(zhǎng)崎港最主要的污損生物為紋藤壺 ; 位于九州西南的富岡灣 , 污損生物優(yōu)勢(shì)種則為海鞘和高襟擬分胞苔蟲(chóng)。
本州伊豆半島東部的相模灘 , 其污損生物優(yōu)勢(shì)種主要為中胚花筒螅、紅巨藤壺和紫貽貝 ; 而鄰近的 Nabeta 灣 , 污損生物優(yōu)勢(shì)種則為日本巨牡蠣、三角藤壺、海鞘和有孔右旋蟲(chóng)??梢?jiàn) , 日本海域某些污損生物優(yōu)勢(shì)種 ( 如紋藤壺和紫貽貝 ) 也是黃、渤海海域的污損生物優(yōu)勢(shì)種 , 且中胚花筒螅和日本巨牡蠣等種類(lèi)在黃、渤海也較為常見(jiàn)。至于熱帶、亞熱帶海域污損生物優(yōu)勢(shì)種之一的翡翠貽貝 , 雖可在東京灣內(nèi)出現(xiàn) , 但冬季會(huì)大量死亡 , 只有少數(shù)個(gè)體存活于工廠循環(huán)冷卻水排放的海區(qū)。
瀕臨日本海的俄羅斯沿岸 , 污損生物種類(lèi)主要有多毛類(lèi)的華美盤(pán)管蟲(chóng)和才女蟲(chóng)、無(wú)柄蔓足類(lèi)的致密藤壺和尖吻藤壺及雙殼類(lèi)軟體動(dòng)物中的長(zhǎng)牡蠣和貽貝,其中優(yōu)勢(shì)種為長(zhǎng)牡蠣、 貽貝和致密藤壺。
在黃、渤海海域 , 致密藤壺附著高峰期一般都在夏、秋季 , 而在該海域污損生物的年附著高峰期一般出現(xiàn)在 11 月。
總的來(lái)看 , 黃、渤海污損生物群落結(jié)構(gòu)與緯度相近的韓國(guó)南部海域以及日本鄰近海域較為相似 , 而與東海和南海則存在明顯的差別。
為了更好了解和掌握污損生物群落動(dòng)態(tài)變化規(guī)律及發(fā)展趨勢(shì) , 需把不同營(yíng)養(yǎng)水平的海洋生物群落的分布和生存變化與食物條件、捕食關(guān)系等生物條件及其它如物理環(huán)境等非生物條件相聯(lián)系起來(lái)進(jìn)行綜合分析探討 , 揭示存在于其間的相互關(guān)系,建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)生態(tài)模型。
基于數(shù)學(xué)生態(tài)模型的建立必須以大量的實(shí)驗(yàn)和調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ) , 確定影響該模型的主要參數(shù) , 因此 , 下一階段應(yīng)在補(bǔ)充調(diào)查污損生物群落資料和所處環(huán)境參數(shù)的基礎(chǔ)上 , 開(kāi)展多變量分析在污損生物群落研究中的應(yīng)用 , 為最終建立污損生物數(shù)學(xué)生態(tài)模型、準(zhǔn)確預(yù)測(cè)污損生物群落演替發(fā)展趨勢(shì)、有效地為生產(chǎn)和科研活動(dòng)提供科學(xué)依據(jù)奠定基礎(chǔ)。
另外 , 污損生物群落在海洋環(huán)境中人工設(shè)施上的形成和發(fā)展經(jīng)歷了從無(wú)到有、從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的過(guò)程 , 而且大量的實(shí)驗(yàn)和調(diào)查結(jié)果表明 , 不同類(lèi)型的海洋人工設(shè)施上的污損生物群落具有獨(dú)特的附著作用機(jī)制和演替變化規(guī)律 , 如在悉尼港內(nèi) , 浮筒、樁柱和人工礁石三種不同生態(tài)環(huán)境中的污損生物群落演替過(guò)程各有其特點(diǎn)。了解和掌握特定海區(qū)污損生物群落演替發(fā)展規(guī)律和作用機(jī)制 , 不僅能為退化海洋生態(tài)系統(tǒng)物種多樣性的恢復(fù)提供依據(jù) , 而且能夠豐富和發(fā)展海洋恢復(fù)生態(tài)學(xué)這一新興學(xué)科 , 為合理開(kāi)發(fā)利用海洋生物資源、保護(hù)海洋環(huán)境、促進(jìn)海洋經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)活動(dòng)的持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。
海洋生物污損防治
生物污損是一個(gè)老生常談的問(wèn)題了,自打人們開(kāi)始造船,這種固著的水生生物就沒(méi)有少過(guò),它們隨時(shí)會(huì)附著在船體上并把船體當(dāng)成安家的理想場(chǎng)所。
全世界的海軍和航運(yùn)業(yè)都清楚,帶著這些附著在船體上的五花八門(mén)的水下野生生物航行會(huì)給船的性能、速度和燃料消耗帶來(lái)巨大的不利影響。
一、生物污損的形成
生物污損根據(jù)其在基體上的附著形式可分為兩類(lèi):第一類(lèi)污損是由各種細(xì)菌和微型動(dòng)植物等微觀有機(jī)體吸附在材料表面并繁殖引起的,稱(chēng)之為微生物污損;第二類(lèi)污損是各類(lèi)大型藻類(lèi)及原生動(dòng)物個(gè)體附著在基體表面并逐漸繁殖而形成的,稱(chēng)為大型生物污損,是肉眼可見(jiàn)、最為常見(jiàn)也是最為廣泛的一類(lèi)污損。
海下固體表面上生物污損層的形成歷經(jīng)三個(gè)階段,即修整膜、生物膜和生物污損層。任何侵入海水的物體在數(shù)分鐘內(nèi)表面就會(huì)吸附一層有機(jī)物,形成修整膜;然后細(xì)菌和硅藻等相繼在修整膜上附著并分泌胞外代謝產(chǎn)物形成微生物膜或黏膜;隨后其他原核生物、真菌、藻類(lèi)孢子以及大型污損生物幼蟲(chóng)在膜中發(fā)育生長(zhǎng),最后形成復(fù)雜的大型污損生物層。作為海洋污損的必經(jīng)階段,生物膜厚度可達(dá)微米級(jí),是由微小生物及其代謝物連同海洋中的一些有機(jī)物、顆粒物相互粘連一起形成的厚度小于 1mm的膜狀生物群落,研究表明水、細(xì)菌及其胞外高聚物是生物膜的主要成分。生物膜的形態(tài)及結(jié)構(gòu)在很大程度上決定大型污損生物的附著,并最終影響整個(gè)生物污損層的形成。
海洋生物污損過(guò)程大體可分成三個(gè)階段:初期階段、發(fā)展階段、穩(wěn)定階段。
污損過(guò)程初期階段為細(xì)菌和硅藻分泌粘液在海中潔凈物體表面形成微生物粘膜;發(fā)展階段為大型污損生物的幼體開(kāi)始附著,種類(lèi)和個(gè)體數(shù)不斷增多,群落體積和質(zhì)量不斷增大,演替現(xiàn)象明顯,一些個(gè)體密度大,生長(zhǎng)迅速的種類(lèi)成為群落的主導(dǎo)種;穩(wěn)定階段為生長(zhǎng)期長(zhǎng)、個(gè)體大的種類(lèi)充分生長(zhǎng),排擠或覆蓋了一些已經(jīng)附著的中、小型種類(lèi),群落種類(lèi)組成比較復(fù)雜和質(zhì)量較大,隨著時(shí)間的推移,其結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生很顯著的變化。
二、生物污損的危害
污損生物的種類(lèi)和污損的影響程度隨海域、海水深度、溫度和使用海水的設(shè)施的不同而不同。海洋生物污損的危害可以歸納為三大類(lèi):
加速金屬的腐蝕污損生物在鋼板上附著,由于硫酸鹽還原細(xì)菌、鐵細(xì)菌的作用,使金屬的腐蝕加劇;一些污損生物會(huì)破壞金屬表面的涂層,使金屬裸露而導(dǎo)致金屬的腐蝕;有石灰外殼的污損生物覆蓋在金屬表面,改變了金屬表面的局部供氧,形成氧濃差電池而加速腐蝕;一些藻類(lèi)由于光合作用產(chǎn)生氧氣,增加水中的溶解氧的濃度,從而加速金屬的腐蝕。影響設(shè)施的正常使用對(duì)船舶來(lái)說(shuō),污損生物的附著增加了行進(jìn)的阻力,使航行速度下降,油耗增加;對(duì)海水輸送管道和冷卻設(shè)施來(lái)說(shuō),污損生物的附著會(huì)造成管道的阻塞、換熱效率降低;同時(shí)污損生物的附著可以造成海中的儀表及轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)失靈,影響聲學(xué)儀器、浮標(biāo)、網(wǎng)具、閥門(mén)等設(shè)施的正常使用。
影響水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的產(chǎn)量和質(zhì)量污損生物的附著影響牡蠣等養(yǎng)殖貝類(lèi)的正常生長(zhǎng),使其產(chǎn)量下降。而污損生物在藻類(lèi)表面的附著,影響了藻類(lèi)養(yǎng)殖產(chǎn)品質(zhì)量。
三、生物污損的防治方法
海洋生物污損的防治方法多種多樣,目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)統(tǒng)一的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。按防污技術(shù)所采用的原理,將其分為以下幾種:
物理防污法指采用物理手段如提高流速、過(guò)濾、超聲波等來(lái)達(dá)到防污的目的。物理防污法主要有人工或機(jī)械清除法、過(guò)濾法、加熱法等。人工或機(jī)械清除法:主要用于對(duì)已經(jīng)附著污損生物的設(shè)施進(jìn)行人工或機(jī)械清除。這種方法是應(yīng)用最早的防污方法,也是發(fā)展比較成熟的方法,目前已有各種用于清理管道、設(shè)備內(nèi)污垢的機(jī)械用于實(shí)際生產(chǎn)中。這種方法的主要缺點(diǎn)是不能預(yù)防污損的發(fā)生,只能在污損發(fā)生后進(jìn)行清理。
過(guò)濾法一般和別的防污方法聯(lián)合使用,作為對(duì)海水的初級(jí)處理。加熱法:向附著了污損生物的海水系統(tǒng)中通入熱水,用熱水殺死污損生物,然后用大量海水清除殘骸。
超聲波法利用電子裝置產(chǎn)生超聲波來(lái)破壞污損生物的生存環(huán)境。紫外線防污法,利用紫外光殺死污損生物,從而達(dá)到防污的效果。物理防污的方法中,目前最先進(jìn)的是低表面能涂料防污法。這種防污涂料的主要材料有氟聚合物和以二甲基硅氧烷為基料的硅樹(shù)脂材料兩種。利用這類(lèi)材料的表面自由能低、污損生物難以附著的特性,從而達(dá)到防污的目的。這種防污涂料的最大優(yōu)點(diǎn)是其環(huán)保無(wú)毒,不含生物殺生劑,它代表了新型防污技術(shù)的發(fā)展方向。低表面能涂料在船舶上已有超過(guò)60個(gè)月的運(yùn)行紀(jì)錄。
化學(xué)防污法 指采用化學(xué)物質(zhì)對(duì)海洋污損生物進(jìn)行毒殺,阻止其附著?;瘜W(xué)防污法是目前使用最廣的方法。根據(jù)化學(xué)物質(zhì)的加入方式,又可以將化學(xué)防污法分為直接加入法、電解法和化學(xué)防污涂料法。
直接加入法 直接將一些有防污效果的化學(xué)物質(zhì)加入到海水中,抑制或者殺死海洋污損生物。一般加入的化學(xué)物質(zhì)有液氯、次氯酸鈉溶液、二氧化氯和臭氧等。由于液氯在貯存、運(yùn)輸和使用中存在安全問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題,而次氯酸鈉溶液貯存時(shí)間短易分解,故目前加入液氯或次氯酸鈉溶液的方法正在逐漸被其它方法所取代。加入臭氧的方法是一種比較新穎的防污方法。目前國(guó)內(nèi)已有相關(guān)的研究報(bào)道。與加入氯相比,臭氧具有更強(qiáng)更廣譜的殺生作用,而且殺生速度快無(wú)污染。臭氧防污技術(shù)有著良好的發(fā)展前景,但這項(xiàng)技術(shù)還有待于進(jìn)一步完善。
四、海洋防污
海洋防污涂料
海洋防污涂料有著悠久的歷史,最初的防污涂料技術(shù)可以追溯到 1625 年Willian Beale 的發(fā)明,但是直到 1860 年代,才有可實(shí)用的防污涂料出現(xiàn)。傳統(tǒng)的海洋防污方法是涂裝毒性防污涂料,這類(lèi)防污涂料是以毒料緩慢地釋放到船體表面的層流水層中,以殺死在船體表面自由活動(dòng)的附著生物幼體來(lái)達(dá)到防除的效果。20 世紀(jì) 70 年底以來(lái),國(guó)內(nèi)外大部分國(guó)家的船舶都采用自?huà)伖?TBT 共聚物涂料來(lái)防治海洋生物污損。這種生物毒素涂料可以阻止污損生物的累積、降低動(dòng)力拖曳而減少燃油損耗、降低船舶進(jìn)干塢和清洗時(shí)間。由于傳統(tǒng)的船舶防污涂料會(huì)向海水釋放有毒的顏料,分解難以控制,防污有效期短,隨著防污技術(shù)的進(jìn)步,這類(lèi)防污技術(shù)已經(jīng)基本淘汰。而后取而代之的是含金屬離子(銅、鋅)和殺蟲(chóng)劑的低毒防污涂料,由于不易降解的金屬離子在海洋中的沉積和殺蟲(chóng)劑對(duì)非目標(biāo)性海洋生物的毒殺,仍然會(huì)對(duì)海洋環(huán)境造成污染和影響,于是技術(shù)逐漸轉(zhuǎn)向新型無(wú)毒防污技術(shù)。新型無(wú)毒防污技術(shù)的發(fā)展非?;钴S,包括低表面能防污、高吸水樹(shù)脂為基礎(chǔ)的防污、電解海水防污、表面植絨防污、硅酸鹽高堿性表面防污、納米防污及生物防污方法。
低表面能防污技術(shù)
表面能是指某一表面與另一表面的連接能力,表面能低可以阻止海洋生物最初的附著。經(jīng)研究得知如果能使船體或人工設(shè)施表面的自由能降低,利用涂層的疏水結(jié)構(gòu)和低表面能等物理特性防污的完全無(wú)毒防污涂料,可使海洋污損生物難以在上面附著,即使附著也不牢固,在水流或其他外力作用下就容易脫落,因此,該類(lèi)涂料又稱(chēng)之為不粘性涂料或污損物脫落型涂料。低表面能防污涂料通過(guò)對(duì)機(jī)體樹(shù)脂進(jìn)行改性,降低漆膜面自由能的方法來(lái)抑制海洋生物附著的目的。涂料的表面能只有在低于20mN/m,即涂料與液體的接觸角大于98°時(shí)才具有防污效果。基于其設(shè)計(jì)思想,研究人員選擇具有低表面能特性的含氟高聚物和有機(jī)硅材料進(jìn)行海洋防污涂料應(yīng)用研究。聚四氟乙烯具有很低的表面能(18.5mJ/m 2 ),與水的接觸角為114°, 理論上應(yīng)具有優(yōu)異的防污性,但研究發(fā)現(xiàn)防污能力很差,美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室Schmidt等人研究其原因?yàn)椋旱谝唬繉又旅苄暂^差,海洋微生物易于深入涂膜內(nèi)并牢固粘附在涂料孔洞內(nèi);第二,涂層表面絕大部分是 CF2 基團(tuán),其耐生物附著性能較差;第三,海洋微生物接觸涂層表面時(shí),誘導(dǎo)表層聚合物發(fā)生重排,使涂層表面能變大。有機(jī)硅防污涂料經(jīng)歷了從有機(jī)硅橡膠到改性有機(jī)硅樹(shù)脂的研發(fā)過(guò)程,Brady 等研究了有機(jī)硅和氟碳樹(shù)脂兩種涂層上生物的脫落剝離,認(rèn)為污損生物從涂層表面的剝落可分為剝離、平面剪切、非平面剪切三種方式。
其中剝離脫落所需的能量最小,污損生物不容易粘附或粘附后最容易脫落。為使污損生物以剝離方式從涂層表面脫落、低表面能防污涂料的涂膜除了必須具有低的表面能外,還應(yīng)具有足夠低的彈性模量。涂膜的彈性模量越低,防污效果越好污損生物的附著量與彈性模量和表面能乘積的平方根成正比。此外防污效果還與涂膜厚度有關(guān),涂膜越厚,污損生物越容易從涂膜表面剝離。低表面能海洋防污涂料研發(fā)至今,所合成材料的表面能已經(jīng)很低(約為 6mJ/m 2 ),然而即使具有最低表面能的光滑表面,其與水接觸角也僅有120°, 難以在高。
近年來(lái),人們相繼發(fā)展了許多對(duì)材料表面進(jìn)行納米尺度粗糙化的技術(shù),從而實(shí)現(xiàn)大大提高材料表面疏水性能的目的。
應(yīng)用技術(shù)制備的表面與水的接觸角都達(dá)到 150°以上,具有超疏水性能和優(yōu)異的耐粘污性能。
仿生防污涂料
生活在海洋中的生物大多具有抵制附著海洋生物的能力:大型哺乳動(dòng)物海豚的表皮能分泌出特殊的黏液,形成親水低表面能表面, 使海洋生物難以附著;海蟹可以分泌出一種酶,這種酶能抑制附著生物產(chǎn)生的生物膠的凝固,從而防止生物附著,海藻含有對(duì)附著生物有避忌或抑制作用的化學(xué)物質(zhì);珊瑚、海綿的代謝物能強(qiáng)烈抑制紋藤壺幼蟲(chóng)的附著,致死率低于 5%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常用防污劑中的 CuSO 4 。仿生防污涂料利用的是仿生學(xué)原理,主要有兩個(gè)方向:一個(gè)是提取海洋中的天然活性物質(zhì)作為防污劑;另一個(gè)是模擬大型海洋動(dòng)物的表皮結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)防污。受海豚表面光滑粘膜的啟發(fā),研究人員開(kāi)發(fā)出一種可生物降解以乳酸為基礎(chǔ)的樹(shù)脂成膜物。將這種成膜物涂覆在船體表面,形成一層光滑粘膜,隨著船舶航行不斷降解,始終保持船體表面光滑,達(dá)到防污的目的。德國(guó)、美國(guó)的科學(xué)家已表征了大型海洋動(dòng)物的表皮結(jié)構(gòu),這些表皮的表面存在微米級(jí)溝槽,同時(shí)能分泌黏液,這樣的特殊結(jié)構(gòu)能阻止海生物的附著,通過(guò)仿生方法,利用化學(xué)手段模擬這些表層結(jié)構(gòu),這一技術(shù)一旦取得成功,仿生防污涂料將成為真正的無(wú)毒防污涂料。
海洋防污涂料的發(fā)展呈現(xiàn)多品種趨勢(shì),在眾多環(huán)保型海洋防污涂料中,對(duì)低表面能高分子型的海洋防污涂層的研究與開(kāi)發(fā)仍然是目前環(huán)保型海洋防污層研究的熱點(diǎn),隨著人們海洋環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng),研究與開(kāi)發(fā)穩(wěn)定性好、效率高的環(huán)境友好型防污涂料是海洋防污涂料技術(shù)的最終目標(biāo)。
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