Biofouling (porastanie biologiczne podwodnych części jednostek pływających) – zjawisko niepożądanego zasiedlania zanurzonych powierzchni konstrukcji technicznych (m.in. kadłubów statków, konstrukcji hydrotechnicznych, urządzeń podwodnych, wewnętrznych instalacji wody morskiej) przez mikroorganizmy, glony, bezkręgowce i inne organizmy wodne, prowadzące do wzrostu chropowatości, zmian własności powierzchni oraz strat technicznych, ekonomicznych i ekologicznych.
mały|alt=Przykład biofoulingu na elemencie infrastruktury wodnej|Przykład biofoulingu na elemencie infrastruktury wodnej
Charakterystyka zjawiska
Do powstania warstwy porostowej dochodzi etapowo: najpierw na gładkiej powierzchni zanurzonej w wodzie osadzają się mikroorganizmy, tworząc biofilm bogaty w zewnątrzkomórkowe substancje polimerowe (EPS), który następnie stanowi podłoże dla osiedlania się glonów, wąsonogów, małży, wieloszczetów oraz innych bezkręgowców wodnych (tzw. makroporosty).
Intensywność porastania zależy od typu środowiska (wody morskie, słonawe, śródlądowe), temperatury i zasolenia wody, natężenia światła, prędkości przepływu (prędkości statku), czasu zanurzenia oraz rodzaju materiału i stanu chropowatości powierzchni. W praktyce na kadłubach statków obserwuje się zarówno cienkie, śluzowe biofilmy i porosty glonowe, jak i grube warstwy skorupiaków oraz małży, przy czym skład zespołów poroślowych zmienia się z głębokością zanurzenia i lokalnymi warunkami środowiskowymi.
Porastanie występuje nie tylko na zewnętrznych powierzchniach kadłuba i urządzeń okrętowych, lecz także wewnątrz systemów wody morskiej (np. chłodzenia, klimatyzacji, instalacji przeciwpożarowych), gdzie rozwijająca się warstwa organizmów może zmniejszać przekrój przepływu, sprzyjać korozji i zwiększać ryzyko awarii instalacji.
Klasyfikacja porostów biologicznych
W literaturze dotyczącej biofoulingu wyróżnia się zazwyczaj microfouling (mikroporastanie) oraz macrofouling (makroporastanie). Mikroporastanie obejmuje przede wszystkim bakterie, grzyby, pierwotniaki i okrzemki tworzące wielowarstwowy biofilm, natomiast makroporastanie dotyczy większych organizmów, takich jak wąsonogi, małże, mszywioły, gąbki i makroglony. Ze względu na charakter osadzających się organizmów porosty dzieli się również na tzw. formy „twarde” (np. organizmy wapienne, budujące twarde szkielety) i „miękkie” (glony, gąbki, organizmy galaretowate), które różnią się m.in. wpływem na chropowatość i opory ruchu jednostki.
Zjawisko kolonizowania powierzchni żywych organizmów przez inne gatunki (np. porastanie muszli małży przez glony lub drobne bezkręgowce) określa się jako epibioza, która z punktu widzenia ekologii jest zbliżona do biofoulingu, choć dotyczy substratów biologicznych, a nie konstrukcji technicznych.
Etapy rozwoju porostu
Rozwój zespołu poroślowego opisuje się często jako proces wieloetapowy. W pierwszym etapie, trwającym od minut do kilku godzin po zanurzeniu, na powierzchni tworzy się tzw. film kondycjonujący złożony z adsorbowanych cząsteczek organicznych rozpuszczonych w wodzie (białek, polisacharydów, kwasów huminowych), który zmienia właściwości fizykochemiczne podłoża. W kolejnym etapie powierzchnię zasiedlają bakterie i inne mikroorganizmy tworzące dojrzały biofilm; proces ten może zachodzić w ciągu pierwszej doby od zanurzenia i decyduje o tym, jakie gatunki będą mogły się osiedlić w dalszej kolejności.
W następnym stadium, po upływie od kilku dni do kilku tygodni, w biofilmie osadzają się zarodniki glonów, larwy bezkręgowców osiadłych i inne propagule, które w sprzyjających warunkach rozwijają się w dojrzałe formy makroporostu. Ostatecznie powstaje wielogatunkowa wspólnota organizmów, której skład, grubość i struktura zależy od warunków środowiskowych, czasu zanurzenia i właściwości powierzchni (rodzaju materiału, energii powierzchniowej, obecności powłok przeciwporostowych).
Biofouling w różnych typach instalacji i urządzeń
Poza żeglugą i konstrukcjami morskimi biofouling stanowi istotny problem w szeregu innych systemów technicznych. Należą do nich m.in. instalacje chłodzenia w elektrowniach i zakładach przemysłowych, rurociągi doprowadzające wodę morską lub słodką, zbiorniki i urządzenia w oczyszczalniach ścieków, stacjach odsalania, zakładach przemysłu spożywczego czy papierniczego, a także elementy infrastruktury hydrotechnicznej (śluzy, kratownice, przepusty). W tych zastosowaniach porastanie prowadzi do zmniejszenia przekroju przepływu, wzrostu strat ciśnienia, zaburzeń wymiany ciepła oraz przyspieszonej korozji materiałów konstrukcyjnych.
Biofouling dotyczy również powierzchni membran stosowanych w odwróconej osmozie i innych procesach separacji membranowej oraz membranowych bioreaktorów, gdzie rozwój biofilmu na powierzchni rozdzielającej prowadzi do spadku strumienia permeatu, konieczności częstszego czyszczenia chemicznego i skrócenia trwałości membran. W literaturze zwraca się też uwagę na rolę biofoulingu w systemach wody pitnej i instalacjach klimatyzacyjnych, gdzie biofilmy mogą stanowić rezerwuar mikroorganizmów i utrudniać kontrolę jakości mikrobiologicznej wody.
Skutki hydrodynamiczne i ekonomiczne
Porastanie kadłuba prowadzi do zwiększenia chropowatości powierzchni i oporu tarcia, co przekłada się na spadek prędkości przy stałej mocy lub wzrost zapotrzebowania na moc (i zużycia paliwa) przy utrzymaniu tej samej prędkości. Analizy eksperymentalne wskazują, że nawet stosunkowo niewielkie pokrycie skorupiakami (np. 10% powierzchni płaskiej płyty pąklami o wysokości 5 mm) może powodować przyrost wymaganej mocy na poziomie porównywalnym z sytuacją, gdy 50% powierzchni pokrywają mniejsze osobniki (1,25 mm), co ilustruje znaczenie zarówno stopnia pokrycia, jak i wielkości organizmów.
Na poziomie całej floty dodatkowy opór związany z biofoulingiem przekłada się na znaczące koszty paliwa. Studium dotyczące niszczycieli typu Arleigh Burke (klasa DDG-51) wykazało, że głównym składnikiem całkowitych kosztów związanych z porastaniem kadłuba jest zwiększone zużycie paliwa, a koszty czyszczenia i odnawiania powłok są relatywnie niewielkie. Dla analizowanej klasy okrętów roczny koszt biofoulingu oszacowano na ok. 56 mln dolarów amerykańskich, co w horyzoncie 15 lat odpowiada około 1 miliardowi dolarów, przy czym wartości te zależą od przyjętego poziomu porastania i strategii zarządzania powłokami.
Skutki środowiskowe
Porastanie jest jednym z głównych wektorów przenoszenia obcych gatunków wodnych między akwenami, obok wód balastowych. Organizmy osiedlające się na kadłubach, w niszach konstrukcyjnych i wewnętrznych systemach wody morskiej mogą być transportowane na duże odległości, a po wprowadzeniu do nowego ekosystemu konkurować z gatunkami rodzimymi, zmieniać strukturę biocenoz i wpływać na funkcjonowanie lokalnych ekosystemów, co stanowi istotne zagrożenie dla globalnej bioróżnorodności.
Stosowanie farb przeciwporostowych z biocydami, zwłaszcza związków cyny organicznej, wprowadziło z kolei poważne obciążenie chemiczne środowiska morskiego – tributylocyna (TBT) powodowała m.in. zaburzenia rozrodu i zjawisko maskulinizacji u niektórych mięczaków, a ze względu na trwałość i zdolność do bioakumulacji występowała w osadach dennych i biocenozach długo po zaprzestaniu stosowania klasycznych farb TBT.
Przeciwdziałanie porastaniu kadłubów statków
Rys historyczny
Historia metod ograniczania inwazji organizmów na drewniane części kadłubów statków oraz porastania ich powierzchni zewnętrznych jest dobrze udokumentowana i bywa dzielona na trzy zasadnicze okresy: epokę smołowania oraz kolejnych prób stosowania metalowych pokryć (z kulminacją w postaci miedziowania drewnianych kadłubów), następnie okres rezygnacji z miedzianych okładzin na żelaznych i stalowych kadłubach z powodu korozji galwanicznej i poszukiwania innych materiałów, wreszcie erę nowoczesnych farb przeciwporostowych przeznaczonych dla kadłubów stalowych..
Okres drewnianych kadłubów i pokryć smołowych
We wczesnych dziejach żeglugi kadłuby statków wykonywano z drewna, a główne zagrożenie dla ich trwałości stanowiły drobnoustroje oraz organizmy wiercące się w drewnie, z których największe szkody powodował świdrak okrętowiec (Teredo navalis). Aby ograniczyć gnicie i penetrację drewna, stosowano twarde gatunki drewna oraz impregnację smołą drzewną, która jednocześnie pełniła funkcję uszczelniacza poszycia i prymitywnego środka przeciwporostowego.
W basenie Morza Śródziemnego Fenicjanie i Kartagińczycy (ok. 1500–300 p.n.e.) używali smoły do uszczelniania i ochrony den statków, podczas gdy inne kultury stosowały wosk i żywice naturalne. Źródła pisane przywoływane w literaturze technicznej wskazują, że już w VII wieku p.n.e. wręgi fenickich galer pokrywano warstwą ołowiu, a na aramejskim papirusie datowanym na ok. 412 r. p.n.e. odnotowano użycie mieszaniny arszeniku i siarki z olejem jako powłoki ochronnej. W III w. p.n.e. Grecy stosowali dziegieć, wosk i blachy ołowiane, a Plutarch w Moralia zauważał, że zeskrobywanie z burty wodorostów i osadów poprawia własności ruchowe statku. W Sadze o Eryku Rudym wspomina się z kolei o malowaniu den wikińskich statków tzw. „smołą foczą” (prawdopodobnie na bazie tłuszczu z fok) w celu walki ze świdrakami.
Między XIII a XV wiekiem upowszechniło się mieszanie smoły z olejem, żywicą lub łojem, a w XIV wieku kadłuby niekiedy obijano dodatkowo skórą. Flota chińskiego admirała Zheng He (wyprawy z lat 1405–1433) miała kadłuby pokrywane wapnem z dodatkiem trującego oleju, natomiast Krzysztof Kolumb odnotował w dziennikach, że statki jego wypraw były pokryte mieszaniną smoły i łoju, a co kilka miesięcy należało je wysztrandować i przeciągnąć po piaszczystym dnie, aby usunąć narosty porostów. Przykładem zaawansowanych zabiegów ochronnych są karaki São Gabriel i São Rafael Vasco da Gammy, zaprojektowane pod koniec XV wieku przez Bartolomeu Diasa – ich poszycie uszczelniano pakułami z tłuszczem i wapnem, od wewnątrz styki desek zabezpieczano listwami, na zewnątrz stosowano blachę ołowianą, a dno i burty pokrywano mieszaniną smoły, łoju i tranu, aby utrudnić porastanie i działalność świdraków.
Ołów i miedź jako pokrycia przeciwporostowe
W XVI wieku typowym rozwiązaniem było nakładanie na dno dodatkowych drewnianych planek na warstwie smoły zmieszanej z sierścią zwierzęcą, lecz coraz częściej zaczęto stosować blachę ołowianą, która okazała się skuteczna przeciwko organizmom wiercącym w drewnie i przez mocarstwa morskie takie jak Hiszpania, Francja i Anglia została oficjalnie uznana za efektywną ochronę przeciwporostową. Jednocześnie szybko ujawniła się jej wada: ołów silnie przyspieszał korozję żelaznych elementów podwodnej części statku (sterów, śrub, nitów), co doprowadziło w 1682 roku do zakazu stosowania ołowianego poszycia przez Admiralicję Brytyjską.
Po odejściu od blachy ołowianej powrócono do dodatkowych planek drewnianych, pokrywanych mieszaninami dziegciu, tłuszczu, różnych związków siarki i smoły, mocowanych gęsto żelaznymi lub miedzianymi gwoździami o dużych łbach. Gwoździe tworzyły na poszyciu rodzaj metalicznej „łuski”, która po pokryciu rdzą obejmowała coraz większą powierzchnię kadłuba i w pewnym stopniu utrudniała zasiedlanie przez organizmy poroślowe.
Kolejnym etapem było wprowadzenie pasów z blachy miedzianej, która ograniczała porastanie wodorostami i umożliwiała osiąganie większych prędkości. Miedź jako materiał okuciowy była prawdopodobnie stosowana już przez Fenicjan, a w czasach nowożytnych używano jej m.in. do łączenia elementów poszycia. Część statków Kolumba miała poniżej linii wodnej pokrycie z blachy miedzianej, chroniące drewniany kadłub przed skorupiakami i innymi organizmami morskimi, a jednym z pierwszych udokumentowanych zastosowań miedzi w podwodnej części kadłuba było obłożenie stępki w rejonie steru na okręcie z czasów panowania króla Danii Chrystiana IV Oldenburga.