超声波防海生物技术试验研究

郑晓涛，王丹，陈景峰



超声波防海生物技术试验研究

郑晓涛，王丹，陈景峰

(中海油能源发展采油服务公司技术中心，天津 300457)

阐述了海洋污损生物存在的危害及海生物的特点，对比了传统的污损生物防除技术与方法，其中有物理法、化学法，但传统方法存在劳动强度大，成本代价高，污染环境等缺陷。引入新型超声波防海生物技术，利用大功率超声波的空化效应，研究超声波技术在防除海洋污损生物中的应用。但目前关于超声波对海生物杀死效果方面的研究很少，通过设计一套完整的试验方案，分别对海生物的幼虫和卵进行静态试验、动态试验，验证了超声波对海生物的杀死作用效果明显，该项技术具有操作简单、经济环保、高效等优点，具有广阔的应用前景。

防海生物；超声波；静态和动态试验

0 引言

海洋污损生物栖息、附着及生长在船底、码头、浮标和各类人工设施上，对人类经济活动产生不利的影响。海洋污损生物可以分为以下三类：一类是细菌和单细胞有机质，如各类细菌及藻类；一类是柔软的生长物如海绵体等；第三类是硬质海洋动物，如藤壶、双壳类软体动物等。其中危害较大的种类主要是硬性污损生物，一方面会破坏金属结构表层，进而产生局部腐蚀；另一方面较大型的污损生物会堵塞给排水管道、换热器等，如下图1所示，其严重影响了海洋设施的安全及其使用寿命[1]。

1 污损生物特点

污损生物群落类型繁多，不同地区、不同海域不尽相同，这与当地的水文及地貌类型有关。其中渤海海域污损生物群落中的具石灰质外壳或骨架的种类主要为紫贻贝、牡蛎(包括密鳞牡蛎、褶牡蛎、大连湾牡蛎等)及藤壶类。

牡蛎多为雌雄异体，受精卵经卵裂等过程后依次发育为可以游动的担轮幼虫，面盘幼虫(如图2所示)，最后变态固着，正常条件下，从胚胎发育至固着变态一般需2~3个星期，渤海海域牡蛎繁殖季节在5月中旬至9月份。紫贻贝的发育过程与牡蛎类似，从胚胎发育至变态附着一般需25天左右，繁殖季节在辽宁为5~6月份，山东为4~5月份和9~10月份[2]。

藤壶属节肢动物门蔓足类，受精卵经卵裂等过程发育为可以自由游动的无节幼体，2~3周后发育为腺介幼体，寻找合适的基质进行附着，最后经变态发育成为幼藤壶。其在渤海湾地区夏秋季节为繁殖附着盛季[3]。

2 超声波防海生物技术

鉴于海洋污损生物造成的严重危害，可采用多种方法来防治和消除污损生物，主要分为物理和化学两类方法。传统的物理机械清除方法存在着劳动强度大、工作效率低等缺陷，甚至会对海洋设施产生机械损伤；在化学防污方面，现有涂料存在着生产成本高、有效时间不长及污染环境的风险。近年来，中海油能源发展采油服务公司经过探索研究，成功研制了超声波防海生物技术，并进行了实践应用，取得了良好的效果。该技术具有简单、经济、有效、环保等优点，既可以清除海生物在海水管线内壁和滤网上的附着，还可以杀死海生物幼体，因此，运用该技术开展海生物的防除实验研究具有重要意义。

超声波防海生物是应用超声波的“空化效应”，即当在液体中施加一定频率和强度的超声波时，会产生大量的微小气泡，这些微小气泡在其形成振荡生长收缩至崩溃的过程中，会引发一系列的物理化学变化，在局部产生瞬时的高温高压，将海生物震碎杀死[4-10]。

3 试验方案

本实验目的首先是验证超声波对海生物卵和幼虫的杀死作用，二是检测超声波对海生物的杀死效果，通过设计一套试验设备，制订超声波防海生物装置检测试验方案，在实验室进行超声波对海生物的杀死率检测。

本实验主要分为两部分，静态试验和动态试验，动态试验是模拟现场海水在流动情况下超声波对海生物的杀死率。静态试验研究在超声波作用时间不同时，幼虫和卵的杀死率情况；动态试验在静态试验基础上，增加了水流速参数，对比两组试验的杀死效果。

超声波设备选用杭州成功超声设备有限公司的振棒式超声波声化学设备，额定功率为2 kW，工作频率为20 kHz，实验中超声波的输出功率为额定功率的75%。

试验所需的相关检测仪器设备有BMM-200 生物显微镜、筛绢(300目、400目)、仿海洋条件培养桶等。

3.1 静态试验

静态试验所用的试验设备原理图如图3所示。在盛水的容器中盛满海水，固定并连接好超声波装置。试验前对原海水中的海生物进行取样，分幼虫和卵两种情况进行超声波处理。

3.1.1 幼虫杀死率检测

对幼虫杀死率的检测，共分为四组，一组为空白对照组，其他三组分别用超声波对幼虫进行5、15、30 s作用，活的幼虫能在水里自由游动，死亡的幼虫则处于静止状态，沉在水体底部，可用吸管将底部的死亡幼虫吸出，抽样后在显微镜下进行观察计数。

图4为在显微镜下观察到的空白对照组与其他三组幼虫试验后的情况。

由图4可以明显地看出，在进行超声处理后，活的幼虫数量明显减少，超声处理5 s后幼虫仅有少数存活，而超声处理15 s和30 s后仅有1个幼虫存活。

(a) 幼虫空白对照照片   (b) 幼虫超声处理5 s结果照片

(c) 幼虫超声处理15 s结果照片 (d) 幼虫超声处理30 s结果照片

图4 幼虫杀死率试验照片

Fig.4 Photos of larvae killing rate test

该组试验中，超声波对幼虫具体的杀死率情况如表1所示。

表1 超声波对幼虫杀死率结果

通过表1看出，超声波震碎幼虫的数量远大于幼虫死亡的数量，超声波作用15 s和30 s的震碎率比作用5 s提高15%左右。随着超声波作用的时间越长，对幼虫的杀死率也越高，效果更好。

3.1.2 卵的杀死率检测

对海生物卵细胞的杀死率检测，同样分为四组，一组为空白对照组，其他三组分别用超声波对幼虫进行5、15、30 s作用，卵细胞在死亡后会变黑，抽样后在显微镜下进行观察计数。图5为在显微镜下观察到的空白对照组与其他三组幼虫试验后的情况。

由图5可以看出，空白对照组的卵细胞数量多、密集，进行超声处理后，在显微镜下几乎看不到存活的卵细胞，能观察到若干个死亡的卵细胞。

该组试验中，超声波对卵的具体杀死率情况如表2所示。

通过表2看出，超声波震碎卵细胞的数量远大于卵细胞死亡的数量，三组试验的震碎率均在95%以上，成活率在2%以下。三组试验的杀死率均在98%以上，因此超声波在作用5 s后，随着时间的增长，杀死率并没有显著提高。

(a) 卵空白对照照片   (b) 卵超声处理5 s 结果照片

(c) 卵超声处理15 s 结果照片   (d) 卵超声处理30 s 结果照片

图5 卵的杀死率试验照片

Fig.5 Photos of ova killing rate test

表2 超声波对卵杀死率结果

3.2 动态试验

动态试验的目的是模拟海上海水系统实际工况，验证海水在流动情况下超声波防海生物装置的有效性。动态试验所需的装置由水箱、超声波发生装置、控制电源、水管组成，由水箱提供流动的海水，海水流经超声波发生装置进行海生物杀死试验。试验装置的示意图如图6所示。

动态试验的步骤与静态试验一致，先取样，设置空白对照组，分别进行海生物幼虫和卵的超声波处理。处理后的结果如图7所示。

图片中幼虫虽未震碎，但在显微镜下观察幼虫细胞发黑，培养2天后继续观察，未见发育，判断幼虫已死亡。显微镜下观察到两个卵细胞发黑，推断细胞内结构已被超声波破坏，卵细胞已死亡。

在动态试验中，超声波对幼虫和卵的具体杀死率情况如表3所示。

由表3可以看出，在动态试验中，超声波对海生物幼虫及卵的杀死率在75%~80%之间，较静态试验有所降低，但能够实现防海生物的目的；超声波对幼虫和卵的震碎率降低，而死亡率增加，证明超声波在海水流动时空化效果要差。

表3 超声波对幼虫和卵动态杀死率结果

4 结论

本文介绍了海洋污损生物的类型、特点及产生的危害，引出了使用超声波防海生物的方法，通过设计一套完整的静态和动态试验来验证超声波对海生物幼虫及卵的杀死效果，通过试验得出如下结论：

(1) 本试验方案的设计能够满足超声波防海生物杀死率检测的试验要求；

(2) 超声波对海生物的幼虫和卵都有杀死作用；

(3) 静态试验中，超声波作用5 s后对海生物幼虫的杀死率能够达到90%以上，作用时间越长，杀死率越高，超声波震碎幼虫的数量远大于幼虫死亡的数量；

(4) 静态试验中，超声波作用5 s后对海生物卵细胞的杀死率能够达到98%以上，作用时间的延长对杀死率影响很小，超声波作用5 s后卵细胞的震碎率即达到95%以上；

(5) 动态试验中，超声波对海生物幼虫及卵的杀死率在75%~80%之间，相对静态试验结果有一定程度降低，这是由于海水流动导致超声作用时间短，对幼虫和卵的作用效果差。

如何通过延长超声波的作用时间，以更好地实现超声波空化作用杀死海生物，提高杀死率，今后需要继续深入地研究。

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Experimental study of ultrasonic marine anti-biofouling technique

ZHENG Xiao-tao, WANGDan, CHEN Jing-feng

(China National Offshore Oil Corporation Energy Technology & Services-Oil Production Services Co.,Tianjin 300457, China)

The article illustrates the harm of marine biofouling and the characteristics of marine organism. Also, comparisons between traditional anti-fouling techniques and methods are made in this paper, including physical methods and chemical methods. But, there are some defects in these traditional methods, such as high strength labor, high cost and environmental pollution. This article introduces the new ultrasonic anti-fouling technique. However, up to now very few researches on using ultrasonic to treat marine biofouling have been reported. In this article, a set of experimental scheme is designed for separately doing the static and dynamic tests to kill the larvae and ova of marine organism. The test results show that the effect of ultrasonic wave on killing marine biofouling is obvious, and this technique has several advantages in solving biofouling problem, such as easy operation, low cost, high efficiency and environmental protection. Thus the ultrasonic anti-biofouling technique has a broad application prospect in marine anti-biofouling.

anti-biofouling; ultrasonic; static and dynamic tests

TB533

A

1000-3630(2015)-06-0525-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2015.06.011

2014-12-03;

2015-03-12

郑晓涛(1973－), 男, 天津塘沽人, 工程师, 研究方向为海洋石油装备和超声波技术。

王丹, E-mail: wangdanbulls2008@126.com