CC BY
33УДК 574.21+620.19:629.5.023
Д.П. Ястребов1, Л.А. Позолотина1' 2, А.В. Климова1, О.А. Белов1
1 Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003;
2 Камчатский филиал Всероссийского научно-исследовательского института рыбного хозяйства и океанографии, Петропавловск-Камчатский, 683000 e-mail: restart1101@mail.ru
БИООБРАСТАНИЕ ЭЛЕКТРОДОВ СРАВНЕНИЯ ПРОТЕКТОРНОЙ ЗАЩИТЫ ПРИ ДЛИТЕЛЬНОМ СТОЯНОЧНОМ РЕЖИМЕ СУДНА: ХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И ВЛИЯНИЕ НА ЭКСПЛУАТАЦИЮ
В работе представлены результаты измерений электрохимического потенциала корпуса судна с помощью медных электродов сравнения, подвергшихся биообрастанию. При их продолжительном экспонировании в морской воде, с 1 января по 17 июля 2020 г., уже к началу лета на поверхности электродов начиналось активное развитие нитчатых эктокарповых водорослей. Однако существенного влияния на показатели потенциала корпуса судна они не оказывали.
Ключевые слова: биообрастание, коррозия стальных корпусов судов и кораблей, контрольные электроды, потенциал корпуса судна.
D.P. Yastrebov1, L.A. Pozolotina1' 2, A.V. Klimova1, O.A. Belov1
1 Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003;
2 Kamchatka Branch of Russian Federal Research Institute of Fisheries and Oceanography,
Petropavlovsk-Kamchatskу, 683000 e-mail: restart1101@mail.ru
BIOFOULING OF COMPARISON ELECTRODES USED IN THE CONTROL OF THE SACRIFICIAL PROTECTION OF SHIPS DURING A LONG-TERM STANDING MODE: CHEMICAL ANALYSIS AND IMPACT ON OPERATION
The paper presents the results of measurements of the electrochemical potential of the ship's hull using copper reference electrodes subjected to biofouling. Being exposed in seawater for a long time, from January 1 till July 17, 2020, the electrodes were actively overgrown with ectocarpacean algae by the beginning of summer. However, they did not have a significant impact on the indicators of the ship's hull potential.
Key words: biofouling, corrosion of steel hulls of ships and vessels, control electrodes, hull potential.
Массовое развитие растительных и животных организмов на поверхности судов и морских гидротехнических сооружений при их длительной эксплуатации наносит им значительный вред. К одним из наиболее негативных эффектов биообрастания относятся ускорение коррозии материалов и увеличение гидродинамической нагрузки на такие объекты [1, 2]. Поэтому защите корпусов судов, свай, причальных сооружений и других металлоконструкций в водной среде от воздействия видов-обрастателей уделяется все больше внимание [3]. В настоящее время разрабатываются и внедряются новые противообрастающие покрытия, повышающие срок эксплуатации металлических изделий и отвечающие требованиям экологической безопасности [4].
Особую актуальность для решения этих вопросов представляют работы, направленные на разработку методов контроля протекторной защиты корпусов судов, характеризующихся высокой надежностью технических приспособлений, отличающихся стабильностью работы в течение продолжительного периода времени. Влияние на их работу биообрастания в холодоумеренных морских водах до сих пор никем не исследовалось. В связи с этим целью настоящей работы являлась оценка влияния биообрастания на эксплуатационные показатели электродов сравнения при долговременном стояночном режиме судна.
В рамках тестирования автоматизированной системы контроля протекторной защиты корпусов рыбопромысловых судов определяли уровень их коррозии. Ниже обсуждаются результаты исследований, проведенных на судне ПМ-15 (плавучая мастерская; заводской номер № 3, год постройки 1982; проект или тип судна 304/Ш; материал корпуса сталь СТ4). Судно эксплуатировалось в длительном стояночном режиме у причала № 1 морского торгового порта г. Петропав-ловска-Камчатского (рис. 1, 1-2).
Рис. 1. Место якорной стоянки судна (1, 2) и внешний вид электрода сравнения после длительного нахождения в морской воде (3)
Измерения выполнены в соответствии с рекомендациями [5, 6] в период времени с 01.01.2020 по 14.08.2020. При этом потенциал корпуса контролировали в трех контрольных точках. Измерения потенциала (мВ) в контрольных точках выполняли каждый час с помощью трех параллельных измерений. Интервал времени между параллельными измерениями потенциала составлял 5 с. В качестве контрольных электродов использовали нестандартные электроды (рис. 1, 3). Они были выполнены из медных электротехнических изделий (содержание меди не менее 99%), их изоляция и оболочка из поливинилхлоридного пластиката. Данные электроды эксплуатировались около восьми месяцев.
Камеральная обработка проб биообрастания, собранных на указанных выше медных электродах после восьми месяцев работы, была проведена в секторе коллективного использования научного оборудования КамчатГТУ. Для микроскопирования и фотодокументирования биооб-растателей использовали биологический микроскоп Olympus BX53 с цифровой фотокамерой DP73. Определение содержания минеральных компонентов в пробах биообрастателей выполняли на атомно-эмиссионном спектрометре с микроволновой плазмой Agilent MP-AES 4200.
За период экспонирования электрода сравнения № 4 в морской воде с января по июнь 2020 г. среднее значение разности потенциала судна составляло 392 мВ (среднее значение для зимних месяцев - 375 мВ, для весенних - 403 мВ). С начала июня оно стало планомерно возрастать и к середине месяца превысило 500 мВ (рис. 2, 1). Результаты натурных коррозионных испытаний электрода № 4 в летний период приведены на рис. 2; 1, 2.
Максимальное значение разности потенциала судна, 543 мВ, было зарегистрировано 02.07.2020. Период с «завышенными» показаниями электрода соответствовал массовому развитию макроводорослей-обрастателей. Выполненные в летние месяцы измерения потенциала судна с помощью электрода № 5 (без обрастания) показали, что его значения варьировали от 375 до 453 мВ, при среднем значении 406 мВ (рис. 2; 3, 4). Отмеченное отклонение показаний электрода сравнения № 4 при продолжительном экспонировании в водной среде является незначительным, т. е. биообрастание существенного влияния на его эксплуатацию при долговременном контроле протекторной защиты корпусов судов не оказывало.
Рис. 2. Динамика изменений потенциала судна ПМ-15:1, 2 - данные, полученные с помощью электрода № 4 в период с 01.06.2020 по 16.07.2020; 3, 4 - данные, полученные с помощью электрода № 5 в период с 19.07.2020 по 14.08.2020
Таксономическая обработка проб биообрастания электрода сравнения № 4 показала, что основу ее видового состава составляла бурая нитчатая водоросль порядка Ес1осагра1е8 -Ectocarpus 8р. (рис. 3, 1-3). Длина ее кустиков не превышала 5 см. Равномерное развитие водоросли отмечено только в нижней части электрода, выше колонизация происходила мозаично. Общая длина электрода с непрерывным развитием Ectocarpus 8р. составила 23 см. Изученные образцы находились в стерильном состоянии, клетки их боковых ветвей находились в стадии активного роста и деления. Кустики Ectocarpus 8р. имели обильную диатомовую микрофлору (рис. 3, 4-7). С учетом того, что эктокарпус относится к числу короткоцикловых сезонных эфемеров и разные его генерации могут завершать развитие любой их стадии развития, спорофит-ной или гаметофитной, в течение 4-6 недель, можно полагать, что возраст нитчатой водоросли, покрывавшей электрод, не превышал двух недель.
Рис. 3. Сообщество биообрастания электродов сравнения: 1 - разветвленные кустики Ectocarpus sp.; 2 - обильная диатомовая микрофлора; 3 - боковая ветвь Ectocarpus sp.; 4 - диатомовая водоросль Licmophora sp.; 5 - Tabularia sp.; 6 - диатомовая водоросль Melosira sp.; 7 - Rhabdonema sp. Масштабная линейка: 1 - 200 мкм, 2-7 - 50 мкм
Эктокарповые водоросли широко распространены в Авачинской губе, довольно часто развиваются на антропогенном субстрате, на естественном субстрате они формируют монодоминантные ассоциации, главным образом в эвторофированных водах. Их активному расселению здесь, как было сказано выше, способствует короткий жизненный цикл и частая смена генераций [7]. Кроме того, представители порядка Ectocarpales, произрастающие во внутренней части Авачинской губы, относятся к гиперсапробным видам, чрезвычайно приспособленным к металлическому и нефтяному загрязнению среды.
Для выявления особенностей накопления металлов в водорослях из биообрастания электродов было проведено количественное определение в них содержания Al, Mn, Zn, Ba, Pb, & и Cd. Выполненный анализ выявил у ЕеШеатрш sp. высокую аккумулирующую способность в отношении алюминия, марганца, цинка, меди и свинца (рис. 4, 1). В общем виде концентрация металлов в исследованных водорослях убывала в следующей последовательности: Al > Mn > > Zn > Pb > ^ > Ba > & > Cd. Необходимо отметить, что накопление свинца бурыми водорослями из ненарушенных прибрежных экосистем не превышает накопление меди [8]. Высокое содержание тяжелых металлов в исследованных образцах эктокарповых водорослей ^п - 125,9 мкг/г, ^ - 21,9 мкг/г, Pb - 23,8 мкг/г и Cd - 1,5 мкг/г) позволяет говорить о крайне неблагополучной экологической обстановке бух. Петропавловская.
Рис. 4. Содержание металлов в эктокарповых водорослях из биообрастания электродов сравнения (1) и в макроводорослях, произраставших на естественном субстрате у северо-восточного побережья Авачинской губы в июле 2020 г. (2-6)
Для оценки видоспецифичности в накоплении металлов ЕеШеагрш sp. было определено содержание металлов в других видах водорослей, произраставших на естественных субстратах в прилегающих к бух. Петропавловская районах Авачинской губы (бух. Сероглазка, побережье
у сопки Никольская, мыс Санникова, бух. Раковая и бух. Завойко). Уровни накопления металлов у других представителей порядка Ectocarpales (Scytosiphon lomentaria и Petalonia fascia) в июле были существенно ниже (рис. 4; 3, J). Исключение отмечено только в отношении Al, так, у S. lomentaria его содержание также превышало 3000 мкг/г.
Уровни накопления металлов у ламинариевых и фукусовых водорослей, произраставших у городского побережья Авачинской губы, также характеризовались более низкими, чем у Ectocarpus sp., значениями (рис. 4; 2, 4, 6). Повышенное содержание металлов в водорослях из биообрастания может быть обусловлено не только специфичными условиями произрастания, но и их видоспецифическими биологическими особенностями. В частности, тем, что эктокарповые водоросли характеризуются нитчатой организацией таллома, в отличие от многолетних представителей порядков Laminariales и Fucales со сложной тканевой структурой слоевищ, они не имеют кутикулы, обильной альгиновой слизи или других особенностей строения, препятствующих проникновению в их клетки ионов тяжелых металлов. В связи с этим представители этой группы бурых водорослей, формирующие биообрастание корпусов судов и гидротехнических сооружений, могут выступать в качестве видов, пригодных для мониторинга металлического загрязнения морских акваторий в районах, где многолетние виды макрофитов отсутствуют.
В целом следует отметить, что длительное экспонирование электродов сравнения в морской воде привело к их активному обрастанию макро- и микроводорослями, особенно в летние месяцы. Основу сообщества обрастания составляла нитчатая эктокарповая водоросль Ectocarpus sp., имеющая обильную диатомовую микрофлору. Массовое развитие водорослей на электроде сравнения № 4 в период с 16 июня по 6 июля привело к завышению значений разности потенциала. Исследования содержания металлов биообрастания электродов сравнения выявило значительное превышение цинка, меди и свинца по сравнению с их содержанием в водорослях, произраставших на естественных субстратах в близлежащих районах в этот же период времени.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Федерального агентства по рыболовству в рамках выполнения госзадания по темам НИР № госрегистрации АААА-А20-120031790005-8 и АААА-А20-120031790004-1.
Литература
1. Звягинцев AM. Морское обрастание в северо-западной части Тихого океана. - Владивосток: Дальнаука, 2005. - 432 с.
2. Комплексный подход к защите от морского обрастания и коррозии / B.A. Карпов, Ю.Л. Ковальчук, О.П. Полтаруха, И.Н. Ильин. - М.: Товарищество научных изданий КМК, 2007. - 155 с.
3. Research strategies to develop environmentally friendly marine antifouling coatings / Y. Gu, L. Yu, J. Mou, D. Wu, M. Xu, P. Zhou, Y. Ren // Mar Drugs. - 2020. - № 18(7). - P. 371. DOI: 10.3390/md18070371.
4. The progress on antifouling organic coating: from biocide to biomimetic surface / X. Han, J. Wu, X. Zhang, J. Shi, J. Wei, Y. Yang, B. Wu, Y. Feng // Journal of Materials Science and Technology. - 2021. - № 61. - P. 46-62. DOI: https://doi.org/10.1016Zj.jmst.2020.07.002.
5. Белов O.A., Швецов B.A., Ястребов Д.П. Обоснование оптимальной периодичности контроля работы протекторной защиты стальных корпусов судов // Эксплуатация морского транспорта. - 2017. - № 1 (82). - С. 41-48.
6. Внедрение усовершенствованного способа контроля систем протекторной защиты стальных корпусов судов камчатского флота / O.A. Белов, B.A. Швецов, Д.П. Ястребов, O.A. Белавина, Д.В. Шунькин // Вестник Камчатского государственного технического университета. - 2017. -№ 39. - С. 6-11.
7. Клочкова Н.Г., Березовская B.A. Макрофитобентос Авачинской губы и его антропогенная деструкция. - Владивосток: Дальнаука, 2001. - 208 с.
8. Benthic macroalgae as biological indicators of heavy metal pollution in the marine environments: A biomonitoring approach for pollution assessment / S. Chakraborty, T. Bhattacharya, G. Singh, J.P. Maity // Ecotoxicology and Environmental Safety. - 2014. - № 100. - P. 61-68. DOI: 10.1016/j.ecoenv.2013.12.003.
