超声波在驱赶灯浮标海洋附着生物方面的应用探析

刘华顺 何荣坤

摘要：超声波技术目前已在全球医学、军事、测绘、工业等各领域广泛应用，但在灯浮标维护保养和驱赶海洋附着生物方面应用甚少。文中笔者通过对灯浮标在海生物附着方面的保养现状、海生物附着灯浮标机理、超声波的特点以及对海洋附着生物的影响等进行了分析探讨，并且结合超声波技术应用情况，提出了利用超声波驱赶灯浮标海洋附着生物的建议。

关键词：超声波;驱赶;海洋附着生物

引言

海洋附着生物又称为海洋污损生物，一般是指附着生长在码头、船底、海上构筑物、浮标甚至海洋动物身上，对人类经济活动有害的微生物、植物、动物等的总称。自人类从事海洋活动以来，海洋附着生物的污损问题就成为限制人类对海洋资源开发利用的一个重要障碍。在灯浮标维护保养方面也不例外，当新标体投放入水使用后，水下部分表面在一定时间后就会被多种类型的海洋附着生物附着生长，随着时间的推移，水下部分的标体就会有越来越多的海洋附着生物，这对灯浮标浮鼓和锚链表面的保护漆产生破坏，从而导致金属材料腐蚀而严重影响灯浮标及锚链的使用寿命。另外，海洋附着生物也会加大灯浮标的重量，影响灯浮标的显形效果，而且一旦浮鼓破损，海洋附着生物会加快灯浮标下沉的速度，最终降低灯浮标的使用寿命。

目前，国内的灯浮标在防止海洋附着生物污损的方法，主要是采用定期清除和使用防污漆保护两种方法。采用定期清除的方法成本高、劳动强度大，收效甚微;而使用防污漆保护的方法，特别是因防污漆的使用具有一定的毒性，容易对海洋环境造成污染，而且效果差强人意，有时候如果灯浮标保养不及时，标体上附着的海洋生物很快腐烂发臭，异味较重，经常遭到周边居民的投诉，带来不好的社会负面影响。

海生物附着灯浮标机理

目前，灯浮标上附着的海生物主要包括甲壳类、贝类、藻类、菌膜、端足类等多种类型，这些海生物的附着会随着海域、港湾、洋流、季节等的不同而明显不同。以海口航标处为例，每年回收保养的灯浮标中，都长满了大量的海洋附着生物，其中以海蛎、藤壶、青口贝和浒苔为主。为能够充分认识海生物生长环境和不同的生长阶段的特点，我国已有多项关于此类的研究，其中以中国科学院南海海洋研究所曹文浩团队最具代表性。他们认为，海生物的附着机理，是从浮游生物的孢子和贝壳类幼虫分泌出一种酸性粘结性物质，此类物质与灯浮标的水下表面部分接触后，海生物就开始附着。海生物的附着分三个方面，一是细胞与细胞的粘附，这为多细胞生物体的形成与生长提供了条件;二是生物体有生命组织和无生命部分之间的粘附;三是生物体与外部表面的粘附。同时研究证明，海生物附着灯浮标的过程可分为形成条件膜、形成微生物膜、形成大型污损生物层三个阶段，具体如下：

形成条件膜

条件膜是一种带有负电荷、黏着力强的有机膜，厚度在10～20nm之间，平整且紧紧粘附在浮鼓和锚链表面。条件膜主要含有多聚糖、蛋白质、蛋白多糖等，也可能包含一些无机物，这些物质主要来自生命有机体的排泄物或死亡生物的自溶物和分解產物。条件膜改变了浮鼓和锚链表面的物理化学性质，同时为微生物的附着提供营养物质，是海生物附着的基础。

形成微生物膜

有了条件膜的基础，细菌和硅藻等微生物会相继在上面附着生长，形成一层由水、有机物、微生物及其EPS （Extracellular polymeric substances，EPS胞外聚合物）组成的微生物膜或黏膜;

形成大型污损生物层

微生物膜的形成为甲壳类、贝类、藻类、菌膜、端足类等海洋附着生物提供了充足的营养和良好的生长环境，使其不断地在微生物膜上大量附着繁殖，逐渐地由微生物发展成为多细胞动植物的污损生物层。随着时间的推移，水下浮鼓和锚链上的污损面积越积越大，越积越厚，最终形成大型污损生物层。

超声波特点以及对海洋生物的影响

超声波的特点

声波的分类是按照频率来划分的，包括次声波、正常声波、超声波等。其中次声波是指频率低于20Hz的机械波，正常声波是指人耳所能听到的，频率在20Hz～20kHz的机械波，超声波是指频率高于20kHz的机械波，如下表：

超声波的频率高，波长短，能量大、方向性好，几乎沿直线传播，穿透能力强，甚至能透过几米厚的金属，易于获得较集中的声能。虽然人耳感受不到，但很多动物都有完善的发射和接受超声波的器官，如蚊子、蝙蝠、猫和狗等家禽就能听到超声波，西方一种叫做犬笛的口哨用于呼唤爱犬，发出的就是超声波，还有海豚的“声纳”、蝙蝠的“飞行导航”都也是超声波，此外在人类医学超声波诊断仪，超声波吸脂美容、超声波手术以及工业上探测金属内部缺陷，探伤仪、超声波清洗器、超声波焊接器等领域都有广泛的应用。

超声波对海洋生物的影响

长期以来，全球有很多的学者在研究超声波对海洋生物的影响，其中美国加利福尼亚大学曾研究成功一种新法除船体附着物，由发电机、电缆、音响器和安装物体组成的一套发声设备，安装在船体上，可以有效防止软体动物和藻类附着在船底，随后专家们曾作类似试验在一条长10米的铝快艇上运用上述方法，结果船体上果然没有附一只软体动物，更无藻类。由此可以证明，超声波对海洋生物的生长是有显著影响的。

我国厦门大学也曾做过关于声波对海洋生物的影响实验，实验采用一定频率和强度的超声波对大弹涂鱼的鱼卵进行辐照，由于受精卵吸收了超声波的高频振动能量，并将其转化为促进胚胎发育的能力，从而达到了提高受精卵孵化率的效果。实验过程中，当超声波的强度增强，在水中当超声波辐射面上的强度达0.3W/cm2时就会出现超声空化气泡，超声处理后，用显微镜观察会看到受精卵内原来清晰的胚体消失，卵膜内呈现为一团絮状物，即受精卵死亡。实验结果表明，适当的声波剂量对海洋生物的作用所产生的声学生物效应是积极的，可促使生物体向有利的方向产生变异，达到增产的目的，而强度较大的超声波，在20～200 kHz范围内的超声波对海洋附着生物进行驱赶，其效果明显，可防止海生物附着，对海洋生物有致伤甚至致死的影响。

利用超声波驱赶灯浮标海洋附着生物的设想

国内超声波驱赶海生物附着的应用，在船舶、核电站取水口、海上平台等海洋附着生物防治方面都已经有了比较成熟的技术，但在灯浮标方面却是鲜有尝试。

（一）超声波驱赶海洋附着物的原理

超声波驱赶灯浮标海生物附着主要是利用超声波的“空化效应”，即在灯浮标周围的海水里存在的微小气泡核在超声波作用下产生振动，当声压达到一定值时，气泡将迅速膨胀，然后突然爆破，在气泡闭合时产生冲击波，这种膨胀、闭合、振荡等一系列动力学过程被称为超声波空化效应，可以利用这一效应驱赶灯浮标周围的海洋微生物卵、幼虫等靠近浮鼓，防止产生粘滑的层状物生物膜，以达到让海洋附着物无法附着的目的。

（二）超声波设备的构成和技术参数要求

截止到目前为止，超声波防海生物技术已分别应用在海洋石油113FPSO、QHD32-6FPSO（渤海世纪号）、海洋石油161平台、QK17-2平台、BZ28-2SCEP平台，有效防止了海生物带来的该类影响，并且具有投入少、操作维护简单、防护效率高等优点，结合以上案例中超声波应用情况，超声波驱赶海洋生物在灯浮标方面应大有可为，具体可设计一款如下的设备：该设备共有六部分组成，分别是太阳能电源、超声波发生器、电源线缆、超声波换能器、换能器线缆以及遥测遥控模块等，其中直流电源输入：DC12V或DC24V，功率不能太大：1W--5W之间，分成3组不同频率间歇性发射，连续发出频率为58000Hz的超声波300ms后停止500ms，然后发射频率为25000Hz超声波400ms后停止500ms，再以频率为46000Hz超聲波800ms后停止500ms，所有频率组运行完毕后重复以上步骤;主机尺寸最好偏小一些，宽和长在10cm-20cm之间，能够实现岸基人员随时监控的功能。具体技术参数要求如下：

利用超声波驱赶灯浮标海生物附着，因超声波的传递不受空间形状限制，只要在超声波的作用范围内，都能在超声波空化效应下起到防护作用，而且目前超声波产生装置有比较成熟的技术，成本低、操作维护简单、节能环保、高效等优势，使得超声波在驱赶灯浮标海洋附着生物方面有着非常光明的应用前景。

结束语

目前，因超声波在驱赶灯浮标海洋附着生物还停留在理论阶段，如何把理论应用在实际工作中还有待进一步深入研究。虽然该技术在理论上是可行的，并且笔者通过研究也提出了相应的超声波设备要求和相关的技术参数，但是在具体的实施工作中必然会遇到更多的复杂问题，甚至需要较长时间的实验和尝试，在此抛砖引玉，希望能有更多感兴趣的航保朋友一起参与研究和探讨，争取能够早日实现，为我国航海保障事业贡献力量。

参考文献

曹文浩，严涛，刘永宏等. 海洋生物防污作用机制及应用前景[J]. 生态学杂志，2009，28（1）： 146-151.

周时强，王清池等. 声波对海洋生物的影响与作用的研究. 海洋技术，2001（02）.

作者简介：

刘华顺，男，汉，1988年10月生，河南驻马店人，本科，工程师，海口航标处，研究方向：航标管理

作者简介：

何荣坤，男，汉，1990年4月生，广东省信宜市人，本科，助理工程师，海口航标处，研究方向：航标管理。