Могат ли малките хищници да помогнат за прогонването на кражбите?

Докато моряците слизат до морето с кораби, те се връщат с корпусите на корабите си, покрити с варвари, водорасли и лигави гарнитури.

океанографска

И точно толкова дълго моряците търсеха начини да отблъснат и премахнат адхезивните организми. Решенията варираха от остъргване на корпусите с тежки вериги до по-шантави подходи като електрифициране на водата около плавателни съдове, покриване на корпусите със стъкло и превръщане на цели кораби в магнити.

И все пак „биообрастването“, както го наричат, продължава да измъчва океански кораби.

„В продължение на повече от две хилядолетия моряците търсят начини за предотвратяване на биообрастването“, казва Бен Ван Муй, биохимик от океанографския институт Woods Hole (WHOI). - Това ви казва някои неща. Едното е, че това е наистина, наистина труден проблем. "

Също така е много, много скъпо. Изследване от 2011 г. изчислява, че биообрастването увеличава съпротивлението на триене на корабите толкова много, че струва на американския флот между 180 и 260 милиона долара годишно при добавена употреба на гориво.

След това има разходи за изваждане от експлоатация на всеки кораб за няколко седмици и поставянето му в сух док, така че закачалките да могат да бъдат изстъргани или изхвърлени с струи вода под високо налягане; и разходите за превантивни мерки, които позволяват на корабите да се справят с изстъргване само на всеки две години, а не на всеки няколко месеца.

Добавете военни кораби, риболовни и развлекателни лодки на други държави и хиляди търговски кораби, а глобалните разходи за биообрастване са астрономически.

За да се пребори с този вековен бич, Ван Муй се е опитал да разгадае сложните биологични фактори, които поставят началото на морските организми да се заселят и да се прикрепят на повърхността на първо място, а след това да оцелее и да процъфтява върху тях. С този нов подход той разкрива стратегически точки, където хората могат да се застъпят за ограничаване на процеса на биообрастване.

Малки начала

Огромният проблем започва на микроскопично ниво - с хлъзгав слой морски бактерии, към които по-големите организми се прикрепят (и понякога ядат).

„Ако почистите кораб или пуснете нов кораб в морето, той е покрит с микроби в рамките на един ден“, каза Ван Муй. „Не е достатъчно, за да се види, но първите микроби започват да лежат. И тогава слузът започва да расте в продължение на седмици. Това по същество е портал към общността и други неща. "

„Слузът“ е биофилм, тънък лист бактерии, които се придържат една към друга и към матрица от молекули, които отделят, за да комуникират помежду си и да осигурят гостоприемна среда за себе си. След като се образува слуз, приливът продължава, тъй като водораслите и ларвите на същества като баракули се прикрепват и започват да растат.

Рутинното изстъргване на търговски кораб със среден размер може да даде до 200 тона организми. И това е само замърсяването на корпуса. Еднакво безпокойство представляват и тръбите с диаметър до около метър, които движат студената морска вода през механичните системи, генериращи топлина на кораба.

„Ние изпомпваме тонове морска вода чрез тръбопроводи на кораба“, каза пристанищният инженер на СЗОИ, холандски Вегман, който се занимава с биообрастване на изследователските кораби на институцията. „Получавате замърсяване вътре в тръбопровода, което намалява потока. Тогава може да не успеем да охладим добре двигателите си и така губим скорост, защото не можем да отидем на пълна мощност. Може да е истински проблем. "

Отблъсквайки замърсяването

С високите разходи за отстраняване на организмите от корабите и дори с по-високите разходи за неотстраняването им, изобретателите и корабните оператори са измислили стотици методи за намаляване на биообрастването. Почти всички възможни решения са вариации на две теми: предотвратяване на придържането на организмите към корпуса или отравяне, ако го направят.

В ерата на дървените корпуси основната заплаха идваше не от уши, прикрепени към външната страна на корабите, а от морски червеи - всъщност дълги, тънки, меки тела - миди, които тунелираха през дървото. Римляните използвали оловни листове за защита срещу корабни червеи, давайки предимство на своите кораби в търговията и във войните. (Той добави значително тегло, но беше върху дъното на корабите, допринасяйки за стабилността на корабите.) Покритите с олово корпуси все още бяха домакини на барнакли, които трябваше да се остъргват, но поне дървесината оставаше здрава.

В средата на 1700 г. британците започват да обшиват дъното на кораби с мед, която отблъсква живицата и други организми и предпазва от пропиляващи дърво червеи.

„Това беше радикален технически напредък“, каза Ван Муй. „Това вероятно беше едно от нещата, допринесли за появата на Англия като морска суперсила през 18 век.“

В продължение на няколко десетилетия медната обвивка беше най-яростната; но когато стоманените корпуси влязоха в употреба през 1800 г., медта вече не можеше да се използва, защото ускори корозията на стоманата. Самата стомана не пропуска червеи, но е податлива на слуз, водорасли и зъби.

За пореден път се търсеше начин за борба с биообрастването. Най-популярното решение и това, което се използва и до днес: Paint.

Превантивни бои

Успехът на медната обвивка накара корабособствениците да опитат да покрият корпуса си с боя, съдържаща мед. Идеята беше, че малки количества мед ще се извлекат във водата непосредствено до кораба, като отровят всички малки същества, които се приближат. Изпробвани са и няколко други токсични съставки, включително арсен, живак, стрихнин, цианид и радиоактивни материали. Преглед от 1952 г. на тяхното изпълнение от учени на СЗОИ показва, че някои от съставите са работили добре срещу уши. Не се споменава какви ефекти те са имали върху хората, които са ги прилагали.

Уегман припомни, че преди много години корабът на СЗО Oceanus е бил сред първите, които са използвали бои против замърсяване на основата на калай. Той беше толкова ефективен, че корабът не се нуждаеше от остъргване и пребоядисване дори пет години след първоначалното му покритие с боята. „Калай беше прекрасен“, каза той. „Но това е погребение на смъртта - навсякъде, където е отишло, убива до известна степен всичко около него.“

Така че боите на основата на калай бяха забранени. Американският флот и WHOI вече използват старата резервна боя на основата на мед, която не позволява образуването на замърсявания. Но подобно на калаените бои, самата причина, поради която тя работи, е обект на безпокойство.

„Причината, поради която тази боя е толкова добра, е, че това е наистина, наистина, наистина ефективен токсин“, каза Ван Муй. „Сега медта е забранена, тъй като корабите влизат в пристанището и след това отнемат цялата тази мед и тя замърсява пристанището. Така че ВМС има проблем. "

Хлъзгав разтвор

Разпознавайки опасностите от токсичните покрития, разработчиците на бои са измислили хлъзгави бои за „замърсяване“, които побеждават биообрастването не като убиват организмите, а като правят невъзможно те да се придържат към кораба. Когато кораб е на пристанище или се движи бавно, към него могат да се прикрепят микроби и по-големи организми; но когато корабът се движи бързо, силата на водата, движеща се покрай корпуса, ги събаря.

Това е ефективен подход за кораби, като търговски кораби, които се движат бързо и прекарват по-голямата част от времето си в движение. Но е много по-малко полезно за онези, които прекарват много време в пристанището или стоят неподвижно на едно място.

„Много от тези кораби, които плават с 25 до 30 възела, го обичат“, каза Вегман. „Но с океанографски изследователски кораб, на първо място, ние бавно излизаме“ - максималната скорост за корабите на WHOI е 11 възела - „и след това спираме на мястото на изследването. Някои от любимите места на нашите учени за спиране са тези чудесно продуктивни места като морето на Кортес. Учените го обичат, а ние го мразим, защото растежът, който продължава върху нашите витла и тръбопроводите вътре в кораба е значителен. Така че хлъзгавите неща изобщо не са работили за океанографията. " И това не е решение за ВМС, чиито кораби са в пристанището около 80 процента от времето.

Нови цели

Ван Муй изучава микробната екология в океана и тъй като формирането на биофилми е основен начин на живот за морските микроби, той се интересува от процеса от няколко години. Но той не беше осъществил връзката с замърсяването на корабните корпуси, докато ръководителят на програмата на ВМС за изследване на биообрастанията не го покани да представи предложение за изследване, за да разбере процеса по-подробно и да определи стъпки, които може да са добри цели за мерки срещу обрастването.

„Всъщност не работя върху решаването на проблема, а върху разбирането му“, каза Ван Муй. „Материалистите и дизайнерите на бои измислят нови технологии за предотвратяване на биообрастването. Но те няма да работят, освен ако не знаят към какви процеси да се насочат с новите технологии . "

Биофилмите растат, когато клетките се утаят на повърхността и се размножават, след като са прикрепени. Това са стъпките, които са привлекли най-голямо внимание в усилията за предотвратяване на замърсяване.

Но микробните биофилми не само стават все по-плътни и плътни, каза Ван Муй. Някои от бактериите се отделят от биофилма и се връщат към свободно плаващо съществуване, може би в търсене на по-малко пренаселена повърхност, която да се колонизира. Много бактерии, които остават привързани, се събират чрез паша на протестисти или друг зоопланктон.

„Това е много основна информация, която, изненадващо, все още е напълно непозната“ в контекста на замърсяването на корабите, каза Ван Муй. И това повдигна интригуващи възможности: Може ли засилването на откъсването или хищничеството да предотврати биообрастването?

Подход от четири стъпки

За да измери всичките четири ключови аспекта на производството на биофилми - уреждане, закрепване, отлепване и хищничество - Ван Муй използва метални плочи с размерите на стандартната хартия за бележници. Той оставя някои части от плочите голи, а други покрива с обработки против замърсяване. След това той прикрепи плочите към пилони точно под морската повърхност във Vineyard Sound.

„Излагам ги в околната среда и оставям реалните общности да си свършат работата“, каза Ван Муй. „Деветдесет процента от изследванията в тази област са фокусирани върху извършването на културна работа - взимате такава чиния и влизате в лабораторията и я хвърляте с любимите си бактерии“ - отгледани в лаборатория клетки, които са микробните еквиваленти на бялата лаборатория плъхове. Този вид експеримент има малка връзка с реалната ситуация, пред която са изправени корабите в морето. Той беше решен да работи с местни микроби.

„Хората тестват покритията си срещу тези моделни организми и се представят блестящо“, каза Ван Муй. „Тогава ги пускат в океана и БАМ! Те са ужасни.“

Той остави плочите в морската вода достатъчно дълго, за да се развие здрав естествен биофилм. През зимата това отне около два месеца, а през лятото - само няколко дни.

След това той внесе лигавите плочи в лабораторията и постави всяка в тесни резервоари, направени от техника Джъстин Осолински, всеки окъпан от непрекъснат поток от 200 милилитра (малко повече от ¾ чаша) морска вода. След това остави биофилмите да продължат да растат в продължение на 24 часа, за да може да ги наблюдава в рамките на един пълен дневен слънчев цикъл.

Някои резервоари получават прясна вода от Vineyard Sound, която съдържа други бактерии (които могат да се утаят върху плочата) и протести (които могат да ядат биофилмови клетки).

Други резервоари са получили вода, която е била филтрирана, за да се отстранят бактериите, които могат да се утаят върху плочите, а други резервоари са получили вода, филтрирана, за да премахнат протестистите и по този начин да премахнат хищничеството върху бактериите. Тези експерименти позволиха на Van Mooy да прецени как заселването, привързването, отлепването и хищничеството допринасят за натрупването на биофилми - или в някои случаи го възпрепятстват.

Ван Муй беше доволен да установи, че неговият подход потвърждава, че съдържащите мед медни бои не спират микробите да се утаяват, но микробите умират скоро след като се прикрепят към плочата. Експериментите също така показаха, че натрупването на бактерии върху покритие с „замърсяване“, което не е токсично, е почти 100 пъти по-бързо, отколкото върху медната боя. Бактериите се утаяват, размножават се и образуват здравословен биофилм върху хлъзгавото покритие, тъй като водата, течаща покрай него, не се движи достатъчно бързо, за да ги измести.

Нулиране

Тези резултати потвърдиха, че експерименталната му настройка работи, но истинското изплащане идва от разглеждането на процесите, които не са били изследвани подробно преди. Ван Муй установява, че през лятото биофилмите се формират бързо, но след това достигат плато. "Въпреки че имате много растеж и много заселване, тези темпове се противопоставят от паша и откъсване", каза той. "Така получавате нетно почти стабилно състояние."

През зимата, за разлика от тях, „процентите са доста по-ниски, но все пак се случва известно натрупване“. Пашата от зоопланктон беше толкова по-ниска през зимата, че биофилмът продължи да расте, но бавно.

Най-вълнуващо от всичко беше колко голям фактор беше хищничеството. И през двата сезона около две трети от загубата на клетки се дължи на отлепване и една трета на хищничество.

„Докато не бяхме направили този експеримент, наистина не знаехме колко голям е процентът на хищничеството“, каза Ван Муй. „Някои хора смятаха, че това може да е наистина малко в сравнение с откъсването. Това, което ми казва този експеримент, е, че един от начините за разработване на ново покритие може да бъде насърчаване на паша. Има ли нещо, което бихте могли да сложите в боя, което да привлече микроскопичните пасища да дойдат и да „косят тревата“ вместо вас? “

Той настоява това предложение върху общността на биообработващите, подтиква инженери и дизайнери на бои да обмислят нови подходи за поддържане на кораби без организъм. „Това е терена, който продължавам да казвам на тези момчета:„ Не можете да прекарате целия си живот, като се фокусирате върху спирането на сетълмента. Изоставили сте борбата с разпространението, защото не искате токсични покрития. Изглежда, че ъгълът на откъсване не се разширява за морски кораби. Така че трябва да започнете да работите върху паша. “

Наследство на WHOI

Експериментите на Van Mooy разширяват дългата традиция в изследванията на биообрастването в WHOI. В годините, предхождащи и по време на Втората световна война, военноморските сили предоставят на учените от СЗОИ богато финансиране за работа по биообработване. Това беше първата спонсорирана от федерацията изследователска програма в WHOI и първото усилие навсякъде да се интегрират основни изследвания по физика, химия и биология на биообрастването и неговото предотвратяване. След войната военноморският флот похвали учените от СЗОИ за значително напредък в научните познания за процеса на замърсяване и мерките за предотвратяване на замърсяването и спестяването на милиони долари.

Вегман, който се е занимавал с практическите аспекти на биообрастването през цялата си 35-годишна кариера в СЗО, едва наскоро научи за работата на Ван Муй. Той е особено заинтригуван от възможността малки хищници да станат съюзници в безкрайната битка срещу замърсяващите организми.

„Това не е ли радостта от работата в„ Уудс Хоул Океанографик “?“ той каза. „Ето ни, удряме глави в тази стена и имаме един човек тук, който казва:„ Защо не го погледнем от друга посока? “

Това изследване е спонсорирано от Службата за военноморски изследвания.