了解海洋生物污损

海洋生物污损是指微生物、植物、藻类和动物在水下表面的不想要的积累,这种自然过程几乎立即开始,当一个干净的表面被置于海水中时,几分钟内,有机分子的调节膜就形成,然后是细菌和二亚原子的附着物,这种生物膜在数天至数周内成熟并吸引了更大的生物,如谷仓、贻贝、管虫和大型藻类。污染的速度和程度取决于水温、盐度、营养供应、光度和流速等因素。在温暖、营养丰富的沿海水域中,严重的污染可能在一个月之内发生,而在寒冷、寡食性海洋环境中,这种变化可能要花几个月的时间。了解这些动态对于预测和管理敏感的水文设备的污损至关重要。对于生物污损耗过程的全面概述,可参考 海洋生物污染问题指南。

生物污损如何影响水文设备

用于海洋学研究、航行安全和海底测绘的水文设备特别容易受到生物污损的影响,其影响是多方面的,可以显著降低数据质量,增加运行成本,并缩短仪器使用寿命。

感官退化和博客

许多水文传感器依赖光学、声学或化学原理. 生物污层物理阻断光学窗口,减少光传播在涡轮传感器、叶绿素氟米计和溶解氧选质器中的光传播. 多波束回声器和侧扫描声纳的声导器(例如,多波束回声器和侧扫描声纳)可以与谷仓相撞,改变阻力,阻力,阻力,震荡,以及减弱信号. 导电-温度深度(CTD)传感器特别敏感:干扰导电细胞改变细胞几何,导致盐分差,pH、硝酸或pCO2的化学传感器可以使膜或电极低沉,造成漂移或故障. 极端情况下,重生物污可以完全堵塞水采器和营养分析器的摄入端,使其无法操作.

拖拉和处理问题增加

生物污损会给仪器、锚固和剖面器增加大量重量和表面粗糙度,增加流体动力拖曳,需要更大的浮力包或更强大的绞盘。 对于自主的水下飞行器和滑翔机,污损会降低速度、耐力和任务效率。 此外,在部署和回收过程中,污损设备更难操作,安全风险和潜在损坏也增加。 增加的重量还可能导致锚固线导致设备的沉积或断裂。

信号干扰和数据腐败

生物污损可以干扰声学信号和电磁信号. 细小的生物膜会减弱声波,降低声纳和声调调器的有效范围. 对于使用水下光学通信(如Li-Fi)的仪器来说,扰动严重限制了数据速率. 磁强计和电流计等电磁传感器可能受到某些扰动生物(如产生铁氧化物的细菌)的磁性或导电性的影响. 在时间序列测量中,逐渐的扰动引入了难以追溯修正的非线性漂移,腐蚀了长期的数据集.

校准程序的后果

校准是建立传感器输出与已知标准之间关系的过程,生物污损通过引入时间依赖的,不受控制的变量来破坏这种关系。 适当的校准要求传感器在整个部署过程中保持稳定的特性,但防污会导致持续变化。

改变传感器反应和漂流

清洁传感器具有特定的反应功能。随着生物污损的积累,它实际上会形成一个膜或涂层,从而改变传感器的敏感性、抵消和时间常数。例如,一个带有生物膜覆盖感应装置的氧选取器的反应时间会比清洁传感器慢,读数(因为生物膜内部的呼吸)会更低,这种漂移可能错认为是真正的环境变化。在部署前进行的实验室校准在几天或几周内失效,特别是在有生产力的水域。

调整和维修频率增加

为了保持数据质量,仪器通常需要中途清洗或检索才能重新校准,对于固定平台或长期停泊来说,费用高昂且具有后勤挑战性,可能需要专门的研究船时间或潜水员操作,对于自主仪器(如Argo浮点),生物污损是提前结束任务的主要原因,更频繁的重新校准需要根据部署环境将操作成本增加20-50%,对于实时监测网络,校准外传感器可产生假警报或错过重大事件。

数据不一致和质量保证

生物污损引起的校正漂移导致不同时间和仪器之间的数据不一致,对于覆盖大空间区的水文测量,不同的仪器可能有不同的扰动历史,引入系统抵消. 质量保证规程必须说明生物污损影响,通常需要根据与清洁参考仪器的比较情况,在部署后进行校正模型,这些校正本质上不确定,并可能带来更多的错误,在许多情况下,必须放弃因生物污损而被标为"可质疑的"的数据,从而降低研究的总体统计力. NOA综合海洋观测系统(IOS)公布了在观测网络中管理生物污损的最佳做法。

减轻和预防战略

采取了一系列战略以减少水文设备的生物污损,选择取决于仪器类型、部署期限、环境条件和成本限制,有效的缓解计划结合了几种方法。

防污涂料

这些是最常用的被动方法。传统的铜色涂料释放生物杀灭离子,阻遏溶解,但在非金属表面效果较差,在应用铝或钛仪器时可引起伽拉瓦尼腐蚀。 较新型硅酮制成的污释涂料产生低粘合表面,防止强附着;污损很容易通过水流或温和的擦拭去除。对于光学窗口,透明防污涂层或自清洁玻璃(使用TiO2光催化层)是可以使用的,但在海洋条件下仍有必要定期重新施用。

机械修补和清洁

许多仪器现在都装有集成的擦拭器或刷子,定期清洁传感器表面。例如,海点涡轮传感器和RBR CTD有可选的擦拭机机制。这些系统需要额外的功率和移动部件,这些部件可能失效,但会大大延长部署时间。对于更大的设备,潜水员或ROV可以使用软刷和轻度洗涤剂进行人工清洗。常规的擦拭时间表应当基于以往部署的观察到的擦拭率。

设计改进和材料选择

平滑、精致的形状减少了机体附着的机会。 冲压板后面的或使用大孔径的保护笼的处理传感器可以有所帮助。 使用铜合金(如C70600杯镍)、钛和某些硅等防生物污物材料是常见的。 对于导电细胞,使用环氧或玻璃纤维强化塑料加防污添加剂(如三丁锡或铜纳米粒子)是有效的,但必须与环境规范相平衡。 一个有希望的方向是使用生物仪表,模仿鲨鱼皮肤或海豚皮肤,自然抵抗粘附。

活生物污管理系统

新兴技术包括超声波防污(使用高频振动抑制溶液),传感器窗户上的紫外光辐照和电解氯化(在表面附近产生低浓度氯),这些系统比较复杂和昂贵,但可以提供不间断的保护而不进行化学浸漏。 例如,海鸟科学局批准的防污泵系统[定期用氯溶液冲压导感应器。 然而,动力要求往往限制其使用,使其只能使用具有足够容量的海底观测台或电池动力仪器。

生物污损的经济和业务影响

除了技术挑战外,生物污损还具有重大的经济影响。 对于典型的水文测量船来说,在船体上安装生物污损声纳,除了清理的勘测时间损失外,还可以增加5-10%的燃料消耗。 在长期监测方案(例如] 沿海海洋自动网络站[[ ) 中,由于生物污损而导致的不成熟传感器故障可造成双重重置成本。 美国海军的一项研究估计,生物污损每年在全球的海洋工业成本超过200亿美元。 具体来说,用于更换生物污损记录的数据重新获取,可以为项目预算增加10-30%。 此外,受损的数据可能会延迟重要图表更新或错误地形成海上航行,并可能造成安全后果。

生物污损管理的未来方向

研究的重点是无害环境的防污解决办法,海洋生物(如海绵和珊瑚提取物)产生的天然抗污剂正在被定性,正在研制智能涂层,以适应生物膜的变化表面化学,实时生物污损监测传感器(如电阻探测器)的整合可以在需要清洁时提醒操作人员,机器学习算法还可以探测水文数据流中的污染引起的异常,允许纠正或触发维护警报,海洋最佳做法系统等组下的国际合作正在标准化生物污损评估和缓解协议。

结论

海洋生物污损对水文设备的准确性和可靠性构成长期和昂贵的挑战,从传感器退化和校准漂移到经济损失和安全风险,其影响是深远的,有效的管理需要防污涂层、机械清洁、改进仪器设计和新兴活性系统相结合。 随着水文技术变得更加自主和长期耐用,减轻生物污损仍将是一个关键的优先事项。 继续投资于研究和采用最佳做法将有助于确保海洋数据收集工作保持强劲、一致和对导航、科学和政策具有公信力。