超聲波在驅(qū)趕燈浮標(biāo)海洋附著生物方面的應(yīng)用探析

劉華順 何榮坤

摘要：超聲波技術(shù)目前已在全球醫(yī)學(xué)、軍事、測繪、工業(yè)等各領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但在燈浮標(biāo)維護(hù)保養(yǎng)和驅(qū)趕海洋附著生物方面應(yīng)用甚少。文中筆者通過對燈浮標(biāo)在海生物附著方面的保養(yǎng)現(xiàn)狀、海生物附著燈浮標(biāo)機(jī)理、超聲波的特點(diǎn)以及對海洋附著生物的影響等進(jìn)行了分析探討，并且結(jié)合超聲波技術(shù)應(yīng)用情況，提出了利用超聲波驅(qū)趕燈浮標(biāo)海洋附著生物的建議。

關(guān)鍵詞：超聲波;驅(qū)趕;海洋附著生物

引言

海洋附著生物又稱為海洋污損生物，一般是指附著生長在碼頭、船底、海上構(gòu)筑物、浮標(biāo)甚至海洋動(dòng)物身上，對人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)有害的微生物、植物、動(dòng)物等的總稱。自人類從事海洋活動(dòng)以來，海洋附著生物的污損問題就成為限制人類對海洋資源開發(fā)利用的一個(gè)重要障礙。在燈浮標(biāo)維護(hù)保養(yǎng)方面也不例外，當(dāng)新標(biāo)體投放入水使用后，水下部分表面在一定時(shí)間后就會被多種類型的海洋附著生物附著生長，隨著時(shí)間的推移，水下部分的標(biāo)體就會有越來越多的海洋附著生物，這對燈浮標(biāo)浮鼓和錨鏈表面的保護(hù)漆產(chǎn)生破壞，從而導(dǎo)致金屬材料腐蝕而嚴(yán)重影響燈浮標(biāo)及錨鏈的使用壽命。另外，海洋附著生物也會加大燈浮標(biāo)的重量，影響燈浮標(biāo)的顯形效果，而且一旦浮鼓破損，海洋附著生物會加快燈浮標(biāo)下沉的速度，最終降低燈浮標(biāo)的使用壽命。

目前，國內(nèi)的燈浮標(biāo)在防止海洋附著生物污損的方法，主要是采用定期清除和使用防污漆保護(hù)兩種方法。采用定期清除的方法成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大，收效甚微;而使用防污漆保護(hù)的方法，特別是因防污漆的使用具有一定的毒性，容易對海洋環(huán)境造成污染，而且效果差強(qiáng)人意，有時(shí)候如果燈浮標(biāo)保養(yǎng)不及時(shí)，標(biāo)體上附著的海洋生物很快腐爛發(fā)臭，異味較重，經(jīng)常遭到周邊居民的投訴，帶來不好的社會負(fù)面影響。

海生物附著燈浮標(biāo)機(jī)理

目前，燈浮標(biāo)上附著的海生物主要包括甲殼類、貝類、藻類、菌膜、端足類等多種類型，這些海生物的附著會隨著海域、港灣、洋流、季節(jié)等的不同而明顯不同。以?？诤綐?biāo)處為例，每年回收保養(yǎng)的燈浮標(biāo)中，都長滿了大量的海洋附著生物，其中以海蠣、藤壺、青口貝和滸苔為主。為能夠充分認(rèn)識海生物生長環(huán)境和不同的生長階段的特點(diǎn)，我國已有多項(xiàng)關(guān)于此類的研究，其中以中國科學(xué)院南海海洋研究所曹文浩團(tuán)隊(duì)最具代表性。他們認(rèn)為，海生物的附著機(jī)理，是從浮游生物的孢子和貝殼類幼蟲分泌出一種酸性粘結(jié)性物質(zhì)，此類物質(zhì)與燈浮標(biāo)的水下表面部分接觸后，海生物就開始附著。海生物的附著分三個(gè)方面，一是細(xì)胞與細(xì)胞的粘附，這為多細(xì)胞生物體的形成與生長提供了條件;二是生物體有生命組織和無生命部分之間的粘附;三是生物體與外部表面的粘附。同時(shí)研究證明，海生物附著燈浮標(biāo)的過程可分為形成條件膜、形成微生物膜、形成大型污損生物層三個(gè)階段，具體如下：

形成條件膜

條件膜是一種帶有負(fù)電荷、黏著力強(qiáng)的有機(jī)膜，厚度在10～20nm之間，平整且緊緊粘附在浮鼓和錨鏈表面。條件膜主要含有多聚糖、蛋白質(zhì)、蛋白多糖等，也可能包含一些無機(jī)物，這些物質(zhì)主要來自生命有機(jī)體的排泄物或死亡生物的自溶物和分解產(chǎn)物。條件膜改變了浮鼓和錨鏈表面的物理化學(xué)性質(zhì)，同時(shí)為微生物的附著提供營養(yǎng)物質(zhì)，是海生物附著的基礎(chǔ)。

形成微生物膜

有了條件膜的基礎(chǔ)，細(xì)菌和硅藻等微生物會相繼在上面附著生長，形成一層由水、有機(jī)物、微生物及其EPS （Extracellular polymeric substances，EPS胞外聚合物）組成的微生物膜或黏膜;

形成大型污損生物層

微生物膜的形成為甲殼類、貝類、藻類、菌膜、端足類等海洋附著生物提供了充足的營養(yǎng)和良好的生長環(huán)境，使其不斷地在微生物膜上大量附著繁殖，逐漸地由微生物發(fā)展成為多細(xì)胞動(dòng)植物的污損生物層。隨著時(shí)間的推移，水下浮鼓和錨鏈上的污損面積越積越大，越積越厚，最終形成大型污損生物層。

超聲波特點(diǎn)以及對海洋生物的影響

超聲波的特點(diǎn)

聲波的分類是按照頻率來劃分的，包括次聲波、正常聲波、超聲波等。其中次聲波是指頻率低于20Hz的機(jī)械波，正常聲波是指人耳所能聽到的，頻率在20Hz～20kHz的機(jī)械波，超聲波是指頻率高于20kHz的機(jī)械波，如下表：

超聲波的頻率高，波長短，能量大、方向性好，幾乎沿直線傳播，穿透能力強(qiáng)，甚至能透過幾米厚的金屬，易于獲得較集中的聲能。雖然人耳感受不到，但很多動(dòng)物都有完善的發(fā)射和接受超聲波的器官，如蚊子、蝙蝠、貓和狗等家禽就能聽到超聲波，西方一種叫做犬笛的口哨用于呼喚愛犬，發(fā)出的就是超聲波，還有海豚的“聲納”、蝙蝠的“飛行導(dǎo)航”都也是超聲波，此外在人類醫(yī)學(xué)超聲波診斷儀，超聲波吸脂美容、超聲波手術(shù)以及工業(yè)上探測金屬內(nèi)部缺陷，探傷儀、超聲波清洗器、超聲波焊接器等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。

超聲波對海洋生物的影響

長期以來，全球有很多的學(xué)者在研究超聲波對海洋生物的影響，其中美國加利福尼亞大學(xué)曾研究成功一種新法除船體附著物，由發(fā)電機(jī)、電纜、音響器和安裝物體組成的一套發(fā)聲設(shè)備，安裝在船體上，可以有效防止軟體動(dòng)物和藻類附著在船底，隨后專家們曾作類似試驗(yàn)在一條長10米的鋁快艇上運(yùn)用上述方法，結(jié)果船體上果然沒有附一只軟體動(dòng)物，更無藻類。由此可以證明，超聲波對海洋生物的生長是有顯著影響的。

我國廈門大學(xué)也曾做過關(guān)于聲波對海洋生物的影響實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)采用一定頻率和強(qiáng)度的超聲波對大彈涂魚的魚卵進(jìn)行輻照，由于受精卵吸收了超聲波的高頻振動(dòng)能量，并將其轉(zhuǎn)化為促進(jìn)胚胎發(fā)育的能力，從而達(dá)到了提高受精卵孵化率的效果。實(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)超聲波的強(qiáng)度增強(qiáng)，在水中當(dāng)超聲波輻射面上的強(qiáng)度達(dá)0.3W/cm2時(shí)就會出現(xiàn)超聲空化氣泡，超聲處理后，用顯微鏡觀察會看到受精卵內(nèi)原來清晰的胚體消失，卵膜內(nèi)呈現(xiàn)為一團(tuán)絮狀物，即受精卵死亡。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，適當(dāng)?shù)穆暡▌┝繉Ｑ笊锏淖饔盟a(chǎn)生的聲學(xué)生物效應(yīng)是積極的，可促使生物體向有利的方向產(chǎn)生變異，達(dá)到增產(chǎn)的目的，而強(qiáng)度較大的超聲波，在20～200 kHz范圍內(nèi)的超聲波對海洋附著生物進(jìn)行驅(qū)趕，其效果明顯，可防止海生物附著，對海洋生物有致傷甚至致死的影響。

利用超聲波驅(qū)趕燈浮標(biāo)海洋附著生物的設(shè)想

國內(nèi)超聲波驅(qū)趕海生物附著的應(yīng)用，在船舶、核電站取水口、海上平臺等海洋附著生物防治方面都已經(jīng)有了比較成熟的技術(shù)，但在燈浮標(biāo)方面卻是鮮有嘗試。

（一）超聲波驅(qū)趕海洋附著物的原理

超聲波驅(qū)趕燈浮標(biāo)海生物附著主要是利用超聲波的“空化效應(yīng)”，即在燈浮標(biāo)周圍的海水里存在的微小氣泡核在超聲波作用下產(chǎn)生振動(dòng)，當(dāng)聲壓達(dá)到一定值時(shí)，氣泡將迅速膨脹，然后突然爆破，在氣泡閉合時(shí)產(chǎn)生沖擊波，這種膨脹、閉合、振蕩等一系列動(dòng)力學(xué)過程被稱為超聲波空化效應(yīng)，可以利用這一效應(yīng)驅(qū)趕燈浮標(biāo)周圍的海洋微生物卵、幼蟲等靠近浮鼓，防止產(chǎn)生粘滑的層狀物生物膜，以達(dá)到讓海洋附著物無法附著的目的。

（二）超聲波設(shè)備的構(gòu)成和技術(shù)參數(shù)要求

截止到目前為止，超聲波防海生物技術(shù)已分別應(yīng)用在海洋石油113FPSO、QHD32-6FPSO（渤海世紀(jì)號）、海洋石油161平臺、QK17-2平臺、BZ28-2SCEP平臺，有效防止了海生物帶來的該類影響，并且具有投入少、操作維護(hù)簡單、防護(hù)效率高等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合以上案例中超聲波應(yīng)用情況，超聲波驅(qū)趕海洋生物在燈浮標(biāo)方面應(yīng)大有可為，具體可設(shè)計(jì)一款如下的設(shè)備：該設(shè)備共有六部分組成，分別是太陽能電源、超聲波發(fā)生器、電源線纜、超聲波換能器、換能器線纜以及遙測遙控模塊等，其中直流電源輸入：DC12V或DC24V，功率不能太大：1W--5W之間，分成3組不同頻率間歇性發(fā)射，連續(xù)發(fā)出頻率為58000Hz的超聲波300ms后停止500ms，然后發(fā)射頻率為25000Hz超聲波400ms后停止500ms，再以頻率為46000Hz超聲波800ms后停止500ms，所有頻率組運(yùn)行完畢后重復(fù)以上步驟;主機(jī)尺寸最好偏小一些，寬和長在10cm-20cm之間，能夠?qū)崿F(xiàn)岸基人員隨時(shí)監(jiān)控的功能。具體技術(shù)參數(shù)要求如下：

利用超聲波驅(qū)趕燈浮標(biāo)海生物附著，因超聲波的傳遞不受空間形狀限制，只要在超聲波的作用范圍內(nèi)，都能在超聲波空化效應(yīng)下起到防護(hù)作用，而且目前超聲波產(chǎn)生裝置有比較成熟的技術(shù)，成本低、操作維護(hù)簡單、節(jié)能環(huán)保、高效等優(yōu)勢，使得超聲波在驅(qū)趕燈浮標(biāo)海洋附著生物方面有著非常光明的應(yīng)用前景。

結(jié)束語

目前，因超聲波在驅(qū)趕燈浮標(biāo)海洋附著生物還停留在理論階段，如何把理論應(yīng)用在實(shí)際工作中還有待進(jìn)一步深入研究。雖然該技術(shù)在理論上是可行的，并且筆者通過研究也提出了相應(yīng)的超聲波設(shè)備要求和相關(guān)的技術(shù)參數(shù)，但是在具體的實(shí)施工作中必然會遇到更多的復(fù)雜問題，甚至需要較長時(shí)間的實(shí)驗(yàn)和嘗試，在此拋磚引玉，希望能有更多感興趣的航保朋友一起參與研究和探討，爭取能夠早日實(shí)現(xiàn)，為我國航海保障事業(yè)貢獻(xiàn)力量。

參考文獻(xiàn)

曹文浩，嚴(yán)濤，劉永宏等. 海洋生物防污作用機(jī)制及應(yīng)用前景[J]. 生態(tài)學(xué)雜志，2009，28（1）： 146-151.

周時(shí)強(qiáng)，王清池等. 聲波對海洋生物的影響與作用的研究. 海洋技術(shù)，2001（02）.

作者簡介：

劉華順，男，漢，1988年10月生，河南駐馬店人，本科，工程師，?？诤綐?biāo)處，研究方向：航標(biāo)管理

作者簡介：

何榮坤，男，漢，1990年4月生，廣東省信宜市人，本科，助理工程師，?？诤綐?biāo)處，研究方向：航標(biāo)管理。