바이오폴링

Biofouling
얼룩말 홍합으로 덮인 전류 측정기
식물 생물, 박테리아 및 동물(민물 스폰지)이 운하(프랑스 북부 릴의 미드델레)의 전기 케이블 피복을 덮었다(접합).

생물 오염 또는 생물학적 오염은 미생물, 식물, 조류 또는 작은 동물이 축적되어 선박 및 해저 선체와 같은 표면, 급수구, 관로, 격자, 연못, 하천과 같은 장치에 필요하지 않은 경우 해당 품목의 주요 목적에 대한 열화를 야기하는 것입니다.숙주 표면이 다른 유기체이고 관계가 기생하지 않을 때 이러한 축적을 상피증이라고 한다.바이오 파울링은 물이 존재하는 거의 모든 곳에서 발생할 수 있기 때문에 바이오 파울링은 선체 및 장비, 의료기기 및 막과 같은 광범위한 물체뿐만 아니라 제지, 식품 가공, 수중 건설 및 담수화 플랜트와 같은 전체 산업에도 위험을 초래합니다.

오염 방지란 바이오 오염을 [2]제거하거나 방지하기 위해 특별히 설계된 물질(독성 바이오사이드 페인트 또는 무독성 [1]페인트 등)을 말합니다.

해양 선박에 대한 생물 오염의 증가는 심각한 문제를 야기한다.경우에 따라서는 선체 구조와 추진 시스템이 [3]손상될 수 있습니다.선체에 바이오 필터가 축적되면 용기의 유체 역학적 부피와 유체 역학적 마찰이 모두 증가하여 최대 60%[4]까지 항력이 증가할 수 있습니다.드래그 증가는 속도를 최대 10% 감소시키는 것으로 확인되었으며,[5] 이를 보상하려면 최대 40%의 연료 증가가 필요할 수 있습니다.연료는 통상 해상 운송 비용의 절반까지 차지하기 때문에 오염 방지 방법을 사용하면 해운업계가 상당한 비용을 절약할 수 있습니다.또한 바이오푸어링으로 인한 연료사용 증가는 환경악화에 기여하며 2020년까지 이산화탄소와 아황산가스 배출량이 각각 [6]38%에서 72%까지 증가할 것으로 예측된다.

생물학

생물 정련 생물들의 다양성은 매우 다양하며, 따개비와 해조류의 부착을 훨씬 넘어선다.몇몇 추정에 따르면, 4,000개 이상의 유기체로 구성된 1,700종 이상의 생물들이 생물 [7]오염의 원인이다.바이오 필터는 미세 필터(바이오 필름 형성 및 세균 접착)와 더 큰 유기체의 매크로 필터 부착(macrofuling)으로 나뉩니다.무엇이 그들의 정착을 방해하는지를 결정하는 뚜렷한 화학과 생물학 때문에, 유기체들은 또한 단단한 또는 부드러운 털갈이 유형으로 분류된다.석회질(경질) 오염 생물로는 따개비, 덮개질 브리오조아, 연체동물, 폴리케테 및 기타 관충류, 얼룩말 홍합 등이 있습니다.비석회질(연질) 오염 유기체의 예로는 해초, 하이드로이드, 조류 및 바이오 필름 "슬림"[8]이 있습니다.이 유기체들은 함께 더러운 공동체를 형성한다.

생태계 형성

바이오 폴링 초기 공정: (왼쪽) 물에 잠긴 "하층"에 폴리머를 코팅합니다.(오른쪽으로 이동) 세균 부착 및 세포외 고분자 물질(EPS) 매트릭스 형성.

해양 오염은 일반적으로 생태계 개발의 4단계를 따르는 것으로 묘사된다.1분 이내에 판데르발스 상호작용으로 인해 침수된 표면이 유기 고분자의 컨디셔닝 필름으로 덮입니다.다음 24시간 내에 이 층은 디아톰과 박테리아(예: Vibrio alginoyticus, Pseudomonas putrefaciens)가 모두 부착되어 생물막 형성을 시작하는 박테리아 접착 과정을 가능하게 한다.첫 주 말까지 풍부한 영양소와 생체막 부착의 용이성은 대조류(예: 장내포자, 울로트릭스)와 원생동물(예: 보르티셀라, 조탐늄 스파)의 2차 콜로나이저를 부착할 수 있게 한다.2-3주 안에 제3의 식민지인 매크로풀러가 부착되었다.이것은 튜넛류, 연체동물,[1] 세실카니다리아류를 포함한다.

영향

죽은 바이오 폴링, 목선 아래 (상세)

정부와 업계는 해양 생물 오염을 [9]방지하고 통제하기 위해 연간 57억 달러 이상을 지출하고 있습니다.바이오 파울링은 어디에서나 발생하지만 선체에 오염되면 항력이 크게 증가하고 선박의 전체적인 유체역학 성능이 저하되며 연료 [10]소비량이 증가하므로 해운업계에 가장 경제적으로 중요하다.

생물 오염은 또한 수성 액체가 다른 물질과 접촉하는 거의 모든 환경에서 발견됩니다.산업적으로 중요한 영향은 대형 산업 장비와 발전소의 마리큐레이션, 막 시스템(막 생물 반응기 및 역삼투 나선형 권상막) 및 냉각수 사이클의 유지에 있다.바이오푸어링은 물이 섞인 오일을 운반하는 송유관, 특히 사용이 끝난 오일, 절삭유, 유화를 통해 수용성화된 오일 및 유압 [citation needed][11]오일을 운반하는 송유관에서 발생할 수 있습니다.

바이오 파울링의 영향을 받는 다른 메커니즘에는 미세 전기 화학 약품 공급 장치, 제지 및 펄프 산업 기계, 수중 기기, 방화 시스템 배관 및 스프링클러 시스템 노즐이 [2][8]포함됩니다.지하수 우물에서 바이오 오염 축적은 튜브 세척 프로세스를 통해 오염이 제거되는 해양층 파이프의 외부 및 내부와 마찬가지로 회수 유량을 제한할 수 있다.생체 오염은 메커니즘에 간섭하는 것 외에도,[12][citation needed] 에피바오시스라고 알려진 살아있는 해양 생물들의 표면에서도 일어난다.

의료기기에는 전자 부품을 냉각하기 위해 팬 냉각식 히트 싱크가 포함되어 있는 경우가 많습니다.이러한 시스템에는 미생물을 수집하기 위한 HEPA 필터가 포함되기도 하지만, 일부 병원균은 이러한 필터를 통과하여 장치 내부에 수집되고 결국 폭발하여 다른 환자를 감염시킵니다.수술실에서 사용되는 장치는 팬을 포함하는 경우가 드물기 때문에 전염 가능성을 최소화합니다.또한 의료 장비, HVAC 장치, 고급 컴퓨터, 수영장, 식수 시스템 및 액체 라인을 사용하는 다른 제품들은 그 [13]안에서 생물학적 성장이 일어나면 생물 오염의 위험을 무릅쓴다.

역사적으로 해양 선박의 속도에 대한 바이오 폴링으로 인한 심각한 충격에 관심이 집중되어 왔다.경우에 따라서는 선체 구조와 추진 시스템이 [3]손상될 수 있습니다.시간이 지남에 따라, 선체에 생물 여과기가 축적되면 용기의 유체 역학적 부피와 마찰 효과가 모두 증가하며, [5]최대 60%의 항력을 증가시킵니다. 추가 항력은 속도를 최대 10%까지 감소시킬 수 있으며,[5] 이를 보상하기 위해 최대 40%의 연료 증가가 필요할 수 있습니다.연료는 통상 해상 수송 비용의 절반까지 구성되기 때문에, 미 해군은 연료 사용량 증가, 유지관리 및 바이오 오염 관리 [5]조치에서 연간 약 10억 달러의 비용을 지출할 것으로 추산된다.바이오푸어링으로 인한 연료 사용 증가는 환경에 악영향을 미치며 [6]2020년까지 이산화탄소와 아황산가스 배출량이 3872% 증가할 것으로 예상된다.

생물 양식은 양식업에 영향을 미쳐 생산 및 관리 비용을 증가시키고 제품 [14]가치는 감소시킵니다.오염지역은 조개류와 식량자원을 [15]놓고 직접 경쟁하거나 조개류 주변의 수분 흐름을 줄임으로써 식량과 산소 공급을 방해하거나 [16]밸브의 작동 개방을 방해할 수 있다.그 결과, 생물 정련의 영향을 받는 가축은 성장, 조건, 생존율이 저하되어 농업 [17]생산성에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.비록 많은 제거 방법이 존재하지만, 그것들은 종종 배양된 종에 영향을 미치며, 때로는 더러운 유기체 [18]자체보다 더 영향을 끼친다.

검출

해운회사들은 역사적으로 이러한 증설을 관리 가능한 수준으로 유지하기 위해 예정된 바이오 필터 제거에 의존해 왔다.그러나 강착률은 용기와 작동 조건에 따라 크게 다를 수 있으므로 세척 간격의 허용 간격을 예측하는 것은 어렵습니다.

발광다이오드(LED) 제조사는 바이오 폴링 축적을 감지하고 예방할 수 있는 다양한 UVC(250~280nm) 장비를 개발했다.

오염 탐지는 바이오매스의 형광 특성에 의존합니다.모든 미생물은 흥분할 때 UV 범위 내에서 방사되는 천연 세포 내 불소 포자를 포함합니다.UV 범위 파장에서 이러한 형광은 티로신, 페닐알라닌, 트립토판의 세 가지 방향족 아미노산에서 발생한다.가장 쉽게 검출할 수 있는 것은 트립토판이며, 280 [19]nm에서 조사했을 때 350 nm에서 방사된다.

방법들

오염 방지

오염 방지는 축적을 방지하는 과정이다.산업 공정에서 생물 분산제는 생물 오염을 제어하기 위해 사용될 수 있다.제어가 덜 된 환경에서는 생물체, 열처리 또는 에너지 펄스를 이용한 코팅으로 생물이 죽거나 격퇴됩니다.유기체의 부착을 막는 무독성 기계적 전략으로는 미끄러운 표면을 가진 물질이나 코팅, zwitterion을 사용하여 초저오염 표면을 만들거나, 상어나 돌고래의 피부와 유사한 나노 크기의 표면 토폴로지를 만드는 것 등이 있는데, 이들은 고정점이 [1]좋지 않을 뿐이다.

코팅

무독성 코팅
무독성 코팅에 대한 일반적인 개념입니다.(여기서는 옅은 완두콩 녹색 층으로 표현됩니다.단백질과 미생물이 달라붙는 것을 막아 따개비 같은 대형 유기체가 달라붙는 것을 막아준다.더 큰 유기체는 부착하기 위해 단백질, 다당류, 그리고 미생물로 구성된 생체막을 필요로 한다.

무독성 접착 코팅은 미생물의 부착을 방지하여 생물체의 사용을 금지합니다.이러한 코팅은 보통 유기 [20]고분자를 기반으로 합니다.

무독성 오염 방지 코팅에는 두 가지 등급이 있습니다.가장 일반적인 클래스는 낮은 마찰력과 낮은 표면 에너지에 의존합니다.표면 에너지가 낮으면 표면에 소수성이 생깁니다.이러한 코팅은 표면을 매끄럽게 만들어 더 큰 미생물의 부착을 방지할 수 있습니다.예를 들어, 불소 고분자 및 실리콘 코팅이 [21]일반적으로 사용됩니다.이러한 코팅은 생태학적으로 비활성이지만 기계적 강도와 장기적인 안정성에 문제가 있습니다.특히 며칠 후 바이오필름(슬림)은 표면을 코팅할 수 있으며, 이로 인해 화학작용이 묻어나 미생물이 [1]부착될 수 있습니다.이러한 코팅의 현재 표준은 폴리디메틸실록산(PDMS)으로, 실리콘과 산소 [22]원자의 반복 단위로 구성된 비극성 백본으로 구성되어 있습니다.PDMS의 비극성은 생체 분자가 계면 에너지를 낮추기 위해 표면에 쉽게 흡착되도록 합니다.그러나 PDMS는 탄성계수가 낮아 20노트 이상의 속도로 오염생물을 방출할 수 있다.선박 속도에 대한 효과의 의존으로 인해 느리게 움직이는 선박이나 [2]항구에서 상당한 시간을 보내는 선박에서 PDMS를 사용할 수 없습니다.

두 번째 등급의 무독성 오염 코팅은 친수성 코팅입니다.그들은 단백질과 미생물이 부착할 수 있는 물을 제거하는 강력한 처벌을 증가시키기 위해 많은 양의 수화물에 의존합니다.이러한 코팅의 가장 일반적인 예는 글리신 베타인 및 술포베타인과 같이 고도로 수화된 zwiterion을 기반으로 합니다.또한 이러한 코팅은 저마찰성이지만 세균 부착을 방지하여 생물막 [23]형성을 방해하기 때문에 소수성 표면보다 우수하다고 일부에서 간주됩니다.이러한 코팅은 아직 상업적으로 제공되지 않으며 환경적으로 안전한 생체 모방 선박 [4]코팅 개발을 위한 해군 연구소의 대규모 노력의 일환으로 설계되고 있습니다.

살충제
주요 기사:바이오시드 및 바이오모티브 오염방지 코팅

바이오시드는 생물 오염을 일으키는 미생물을 죽이거나 억제하는 화학 물질이다.바이오시드는 일반적으로 물리적 흡착을 통해 도료로 도포됩니다.바이오시드는 생체막 [1]형성을 막는다.다른 생물 살충제들은 균류와 조류와 같은 생물 여과에서 더 큰 유기체들에게 독성이 있다.이전에는 이른바 트리부틸틴(TBT) 화합물이 바이오시드로 사용되었습니다(따라서 오염 방지제).TBT는 미생물과 더 큰 수생 [24]생물에게 모두 독성이 있다.국제 해양 공동체는 유기 물질 기반 [25]코팅의 사용을 단계적으로 중단했다.오르가노틴 화합물을 치환하는 것은 디클로로옥틸이소티아졸리논이다.그러나 이 화합물은 해양 생물에 대한 광범위한 독성으로 고통받고 있다.

초음파 오염 방지

주요 기사:초음파 오염 방지

초음파 변환기는 중소형 보트의 선체 내부 또는 주변에 장착할 수 있습니다.연구에 따르면 이러한 시스템은 선체 매체를 통해 주변 물로 초음파의 폭발을 일으켜 오염 시퀀스의 시작을 이루는 조류 및 기타 미생물을 죽이거나 변성시킴으로써 오염을 줄이는 데 도움이 되는 것으로 나타났습니다.이 시스템은 목재나 폼과 같이 심이 부드러운 복합 재료를 사용하는 보트나 목제 보트에서는 작동할 수 없습니다.그 시스템은 조류의 [26]번식을 억제하는 것으로 증명된 기술에 근거하고 있다.

에너지 방식

펄스 레이저 조사는 일반적으로 규조류에 대해 사용됩니다.플라즈마 펄스 기술은 얼룩말 홍합에 효과적이며 고압전기로 물을 [8]통전시키는 마이크로초 지속시간으로 생물을 깜짝 놀라게 하거나 죽이는 방식으로 작동합니다.

마찬가지로 조류 증식에 효과적인 또 다른 방법은 짧은 고에너지 음향 펄스를 파이프 아래로 [27]튕겨 내려갔다.

기타 방법

주기적으로 열을 사용하여 교환기 장비와 파이프를 처리하는 요법은 30분 [28]동안 105°F(40°C)의 물을 사용하여 발전소 냉각 시스템에서 홍합을 제거하는 데 성공했습니다.

의료 업계는 바이오 폴링과 관련된 바이오 부담 문제를 해결하기 위해 다양한 에너지 방법을 사용합니다.자동 멸균은 일반적으로 의료기기를 121°C(249°F)로 15-20분 동안 가열해야 합니다.초음파 세척, 자외선, 화학 물질 닦아내기와 침지 등도 다양한 종류의 장치에 사용할 수 있습니다.

수술실, ICU, 격리실, 생물학적 분석실 및 기타 오염 위험이 높은 지역에서 사용되는 의료기기는 실내에서 음압(일정적인 배기)을 가지며, 엄격한 청소 프로토콜을 유지하고, 팬이 없는 장비가 필요하며,[29] 종종 보호 플라스틱으로 장비를 덮습니다.

UVC 조사는 다양한 기기에서 사용할 수 있는 비접촉 비화학적인 용액입니다.UVC 범위의 방사선은 박테리아, 바이러스 및 기타 미생물의 DNA를 비활성화시킴으로써 바이오필름 형성을 방지한다.생체막 형성을 방지하면 더 큰 유기체가 기기에 달라붙어 결국 작동하지 [30]않게 되는 것을 방지할 수 있다.

역사

인간이 바다를 [31]항해하는 동안 바이오푸어링, 특히 선박은 문제가 되어왔다.오염에 대한 가장 먼저 쓰여진 언급은 플루타르크에 의해 배의 속도에 대한 영향에 대한 이 설명을 기록한 것입니다: "잡초, 삼출물, 오물이 그 측면에 붙을 때, 배의 스트로크는 더 둔하고 약합니다; 그리고 이 끈적끈적한 문제에 부딪히는 물은, 그것으로부터 그렇게 쉽게 갈라지지 않습니다; 그리고 이것이 그들이 보통 배를 멈추는 이유입니다.s."[32]

피치 도금과 구리 도금 기술은 페니키아인과 카르타고인 (기원전 1500-300년)과 같은 고대 선원 국가들에 기인한다.왁스, 타르, 아스팔트는 [31]옛날부터 사용되어 왔다.기원전 412년의 아람어 기록은 배의 바닥이 비소, 기름, [33]유황의 혼합물로 코팅되었다고 말한다.Deipnosophistae에서, 아테네우스는 시라쿠사의 히에론(기원전 [34]467년 사망)의 거대한 배의 건조에서 취해진 반(反)공포 노력을 묘사했다.

18세기 이전에는 다양한 오염 방지 기술이 사용되었는데, 세 가지 주요 물질인 "흰색 물질" (고래 기름), 로진, 유황을 혼합한 "검은색 물질"[35] 그리고 단순히 검은 물질에 유황을 첨가한 "갈색 물질"이 사용되었다.대부분의 경우, 이러한 치료의 목적이 모호합니다.이 치료법들 중 많은 것들이 실제 오염 방지 기술이었는지, 혹은 그것들이 납과 나무 덮개와 함께 사용되었을 때 단순히 나무를 심는 배벌레와 싸우기 위한 것이었는지에 대해서는 논란이 있다.

배는 토레스 해협에 상륙하여 선체 청소 준비를 위해 정박했다.

1708년, 찰스 페리는 오염 방지 장치로 구리 피복을 명시적으로 제안했지만, 1761년 HMS 경보 피복과 함께 첫 번째 실험이 이루어지지 않았고, 그 후 여러 배의 용골과 가짜 용골의 바닥과 옆면을 구리 [31]판으로 피복했다.

구리는 벌레의 침입으로부터 선체를 보호하고 잡초의 생장을 막는 데 좋은 역할을 했다. 왜냐하면 구리는 물과 접촉하면 주로 옥시염산염으로 이루어진 독성막을 만들어 이러한 해양 생물을 억제했다.게다가, 이 필름은 약간 녹기 때문에, 점차 씻겨나가서 해양 [citation needed]생물이 배에 붙을 방법이 없었다.1770년경부터, 영국 해군은 전체 함대의 바닥을 샅샅이 훑기 시작했고 목선 사용이 끝날 때까지 계속되었다.이 과정은 매우 성공적이어서 구리 바닥이라는 용어는 신뢰성이 높거나 위험이 없는 것을 의미하게 되었습니다.

19세기 철의 선체가 부상하면서 구리 피복재는 철과 갈바닉 부식 작용으로 인해 더 이상 사용할 수 없게 되었다.오염 방지 페인트가 시도되었고, 1860년에 리버풀에 널리 사용된 최초의 실용적인 페인트가 도입되었고 "McIness" 핫 플라스틱 [31]페인트로 언급되었습니다.이러한 치료법은 사용 수명이 짧았고, 비용이 많이 들었으며, 현대 [1]표준으로 볼 때 상대적으로 효과적이지 않았습니다.

20세기 중반까지, 산화동 기반 페인트는 18개월 혹은 열대 [31]해역에서는 12개월 정도 배를 건조장에서 끌어낼 수 있었다.사용 수명이 짧아진 것은 독성 물질의 빠른 침출과 [36]덜 독성이 있는 소금으로의 화학적 전환으로 인해, 지각 아래 층에서 활성 아산화물 침출이 더 이상 억제될 수 있는 지각으로 축적되었기 때문입니다.

1960년대는 천천히 가수분해되면서 독소를 천천히 배출하는 자기 연마 페인트로 획기적인 발전을 가져왔다.이들 페인트는 트리부틸틴 산화물(TBT)과 같은 유기질 화학("주석 기반") 비오톡신을 사용했으며 최대 4년간 유효했습니다.이 바이오톡신들은 다양한 [37][38]유기체에 매우 독성이 있는 것으로 밝혀졌을 때 국제해사기구에 의해 금지되었다.특히 TBT는 고의로 [24]바다에 방출된 오염 물질 중 가장 유독성이 높은 것으로 알려져 있다.

유기소 독소에 대한 대안으로, 구리에 대한 관심이 쇄도 또는 자가 연마 도료의 활성제로 새롭게 제기되었으며, 사용 기간은 최대 5년이며, 코팅이 포함되지 않은 다른 방법들도 보고되었습니다.최신 접착제는 갈바닉 부식을 일으키지 않고 강철 선체에 구리 합금을 도포할 수 있습니다.그러나 구리만으로는 규조 및 조류 오염에 영향을 받지 않습니다.일부 연구에 따르면 구리는 환경에 허용할 수 [39]없는 영향을 미칠 수 있습니다.

생물 정련 연구는 19세기 초에 데이비의 실험으로 구리의 효능과 [31]용질량을 연결하면서 시작되었다.1930년대에 미생물학자 Claude ZoBell은 유기체의 부착은 현재 세포외 고분자 [40][41]물질로 불리는 유기 화합물의 흡착에 선행한다는 것을 보여주었다.

한 가지 연구 경향은 습윤성과 오염 방지 효과 사이의 관계에 대한 연구입니다.또 다른 경향은 새로운 기능성 소재의 영감으로서 생물에 대한 연구이다.예를 들어, 해양 동물들이 그들의 피부에 [42]생물 오염을 억제하기 위해 사용하는 메커니즘들.

유동층 원자로의 우수한 오염 방지 표면에 대한 재료 연구는 폴리염화비닐(PVC), 고밀도 폴리에틸렌 및 폴리메틸메타크릴레이트(Plexiglas)와 같은 저습성 플라스틱이 세균 부착에 대한 저항성과 소수성 [43]사이에 높은 상관관계를 나타낸다는 것을 시사한다.

유기체에 의해 사용되는 바이오톡신에 대한 연구는 몇몇 효과적인 화합물을 밝혀냈는데, 그 중 일부는 합성 화합물보다 더 강력하다.부포톡신인 부팔린은 TBT의 100배 이상 효능이 있고 [44]따개비 퇴치 작용에 6000배 이상 효과가 있는 것으로 밝혀졌다.

오염 방지에 대한 한 가지 방법은 표면에 폴리에틸렌 글리콜 또는 [45]PEG를 코팅하는 것입니다.표면에서 PEG 체인을 늘리는 것은 어려운 일입니다.이 문제에 대한 해결책은 홍합이 해양 환경에서 단단한 표면에 달라붙는 메커니즘을 이해하는 데서 올 수 있습니다.홍합은 접착성 단백질,[46] 즉 MAP을 이용한다.PEG 코팅의 수명 또한 의심스럽다.

「 」를 참조해 주세요.

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