Páva és biofilm

Az apró ragadozók segíthetnének a pajta elűzésében?

Amíg a matrózok hajókkal mentek le a tengerre, hajóiknak a hajótestét barnával, algával és nyálkás préssel borították vissza.

A tengerészek ugyanannyi ideig keresték a ragasztó organizmusok taszításának és eltávolításának módjait. A megoldások a hajótestek nehéz láncokkal történő összekaparásától az olyan furcsa megközelítésekig terjedtek, mint a hajók körüli víz villamosítása, a hajótestek üveggel való bevonása és az egész hajók mágnessé alakítása.

A „biológiai szennyeződés” azonban, ahogy nevezik, továbbra is sújtja az óceánjáró hajókat.

"A tengerészek több mint két évezreden át keresték a biológiai szennyeződés megelőzésének módját" - mondta Ben Van Mooy, a Woods Hole Oceanográfiai Intézet (WHOI) biokémikusa. - Ez elmond néhány dolgot. Az egyik az, hogy nagyon-nagyon nehéz probléma. ”

Ez is nagyon-nagyon drága. Egy 2011-es tanulmány becslése szerint a biológiai szennyeződés annyira megnöveli a hajók súrlódási ellenállását, hogy az Egyesült Államok haditengerészetének évente 180 és 260 millió dollár közötti költséget jelent az üzemanyag hozzáadása.

Ezután felmerül annak a költsége, hogy az egyes hajókat néhány hétig üzemen kívül helyezik, és száraz dokkba helyezik, hogy az akasztókat nagynyomású vízsugarakkal lehúzzák vagy lerakják; valamint azoknak a megelőző intézkedéseknek a költségei, amelyek lehetővé teszik a hajók számára, hogy kaparással csak kétévente, nem pedig havonta.

Hozzáadva más nemzetek katonai hajóit, halász- és szabadidős csónakjaikat, valamint több ezer kereskedelmi hajót, és a biológiai szennyeződés globális költségei csillagászati szempontból.

Ennek az ókori csapásnak a leküzdésére Van Mooy megpróbálta feltárni azokat a bonyolult biológiai tényezőket, amelyek megalapozzák a tengeri élőlények megtelepedését és a felületeken való rögzülését, majd a túlélést és a velük való boldogulást. Ezzel az új megközelítéssel olyan stratégiai pontokat tár fel, ahol az emberek közbenjárhatnak a biológiai szennyeződések folyamatának korlátozása érdekében.

Apró kezdetek

A hatalmas probléma mikroszkopikus szinten kezdődik - egy csúszós tengeri baktériumréteggel, amelyhez nagyobb organizmusok kötődnek (és néha esznek is).

"Ha megtisztít egy hajót, vagy új hajót vezet a tengerbe, akkor azt egy napon belül mikrobák borítják" - mondta Van Mooy. - Nem elég a látáshoz, de az első mikrobák kezdenek feküdni. És akkor a nyálka hetek alatt növekszik. Ez lényegében egy átjáró közösség a pajta és más dolgok számára.

A „nyálka” egy biofilm, egy vékony baktériumlap, amely egymáshoz és az általuk kibocsátott molekulák mátrixához tapad, hogy egymással kommunikáljanak és vendégszerető környezetet biztosítsanak maguknak. Miután a nyálka kialakul, a rohanás folytatódik, mivel az algák és az olyan lények lárvái, mint a pajta, megkezdődnek és növekedni kezdenek.

Egy átlagos méretű kereskedelmi hajó rutinszerű kaparása akár 200 tonna organizmust is hozhat. És ez csak a hajótestek szennyeződése. Ugyanolyan aggodalomra adnak okot egy körülbelül egy láb átmérőjű csövek, amelyek hideg tengervizet mozgatnak a hajó hőtermelő mechanikai rendszerében.

"Tonna tengervizet pumpálunk a hajón lévő csöveken keresztül" - mondta a WHOI holland Wegman kikötőmérnöke, aki az intézmény kutatóhajóinak biológiai szennyeződésével foglalkozik. „A csővezeték belsejében szennyeződés keletkezik, ami csökkenti az áramlást. Akkor előfordulhat, hogy nem tudjuk jól lehűteni a motorjainkat, ezért elveszítjük a sebességet, mert nem tudunk teljes erőre menni. Valódi probléma lehet. ”

A szabálytalanság elhárítása

Az organizmusoknak a hajókról történő eltávolításának magas költségei és az eltávolításuk még magasabb költségei miatt a feltalálók és a hajó üzemeltetői több száz módszert találtak ki a biológiai szennyeződések csökkentésére. A leendő megoldások szinte mindegyike két téma variációja volt: megakadályozza az organizmusok tapadását a hajótesten, vagy megmérgezi őket, ha mégis.

A fatestek korszakában az elsődleges veszélyt nem a hajók külsejéhez csatlakozó csövek jelentették, hanem a fán alagútt tengeri férgek - valójában hosszú, vékony, puha testű kagylók -. A rómaiak ólomlemezt használtak a hajóférgek elleni védelemre, előnyt biztosítva hajóiknak a kereskedelemben és a háborúban. (Jelentős súlyt adott, de a hajók fenekén volt, hozzájárulva a hajók stabilitásához.) Az ólommal borított hajótestekben még mindig voltak barnák, amelyeket fel kellett kaparni, de legalább a fa erős maradt.

Az 1700-as évek közepén a britek rézzel kezdték el burkolni a hajó fenekét, amely taszította a barnákat és más organizmusokat, és elhárította a fapusztító férgeket.

"Ez radikális technikai előrelépés volt" - mondta Van Mooy. "Valószínűleg az egyik dolog járult hozzá Anglia tengeri nagyhatalomként való megjelenéséhez a 18. században."

Néhány évtizedig a rézburkolat volt a düh; de amikor az 1800-as években az acélhéjak használatba kerültek, a réz már nem volt alkalmazható, mert ez meggyorsította az acél korrózióját. Az acél önmagában nem volt áthatolhatatlan a férgekkel szemben, de érzékeny volt a nyálkára, az algákra és a csövekre.

A vadászat ismét a biológiai szennyeződés leküzdésére irányult. A legnépszerűbb, és a ma is használt megoldás: Paint.

Megelőző festékek

A rézburkolat sikere arra ösztönözte a hajótulajdonosokat, hogy próbálják meg bevonni a hajótestet réz tartalmú festékkel. Az elképzelés az volt, hogy kis mennyiségű réz csapódik ki a vízbe közvetlenül a hajó mellett, és megmérgezi a közeledő kis lényeket. Számos más mérgező összetevőt is kipróbáltak, köztük arzént, higanyot, sztrichnint, cianidot és radioaktív anyagokat. A WHOI tudósai 1952-ben áttekintették teljesítményüket, és jelezték, hogy egyes készítmények jól működtek a csövek ellen. Nem említette, hogy milyen hatásuk volt az őket alkalmazó emberekre.

Wegman emlékeztetett arra, hogy sok évvel ezelőtt a WHOI Oceanus hajója az elsők között használta ónalapú, lerakódásgátló festékeket. Olyan hatékony volt, hogy a hajót még öt évvel a festékkel való első bevonása után sem kellett kaparni és újrafesteni. - Ón csodálatos volt - mondta. "De ez egy halál temetése - bárhová ment, bizonyos mértékig megölte mindazt, ami körülötte volt."

Tehát az ón alapú festékeket betiltották. Az amerikai haditengerészet és a WHOI most a régi készenléti, réz alapú „lerakódásgátló” festéket használja. De mint az ónfestékek, már maga az oka is aggodalomra ad okot.

"Ez a festék annyira jó, hogy ez egy nagyon-nagyon-nagyon hatékony toxin" - mondta Van Mooy. - Most a réz törvényen kívül esik, mert a hajók a kikötőbe érkeznek, majd lekapják ezt a rézet, és ez szennyezi a kikötőt. Tehát a haditengerészetnek van egy problémája. ”

Sima megoldás

Felismerve a mérgező bevonatok veszélyeit, a festékfejlesztők olyan csúszós, „szennyeződésmentes felszabadulású” festékekkel álltak elő, amelyek nem a szervezetek elpusztításával, hanem azáltal, hogy lehetetlenné teszik a hajóhoz való ragaszkodást, legyőzik a biológiai szennyeződést. Ha egy hajó dokkban van, vagy lassan mozog, akkor mikrobák és nagyobb élőlények kapcsolódhatnak hozzá; de amikor a hajó gyorsan mozog, a hajótest mellett elmozduló víz ereje leüti őket.

Ez hatékony megközelítés azoknak a hajóknak, mint például a kereskedelmi hajók, amelyek gyorsan haladnak és idejük nagy részét mozgásban töltik. De sokkal kevésbé hasznos azok számára, akik sok időt töltenek kikötőben, vagy egy helyben mozdulatlanul tartanak.

"Sok ilyen hajó, amely 25-30 csomóponton cirkál, imádja" - mondta Wegman. „De egy okeanográfiai kutatóhajóval mindenekelőtt lassan megyünk ki” - a WHOI hajók végsebessége 11 csomó -, majd megállunk a tanulmány helyszínén. Tudósaink közül néhány kedvenc megállóhely ezek a csodálatosan produktív helyek, mint például a Cortez-tenger. A tudósok imádják, és utáljuk, mert a hajócsavarjainkon és a hajó belsejében lévő csővezetékeken tapasztalható növekedés jelentős. Tehát a csúszós dolgok egyáltalán nem működtek az okeanográfia szempontjából. ” És ez nem jelent megoldást a haditengerészet számára, amelynek hajói az esetek körülbelül 80 százalékában kikötőben vannak.

Új célok

Van Mooy az óceán mikrobiológiai ökológiáját tanulmányozza, és mivel a biofilmek kialakítása a tengeri mikrobák alapvető életmódja, évek óta érdekli a folyamat. De addig nem kapcsolódott a hajótestek szennyeződéséhez, amíg a haditengerészet biológiai szennyeződés-kutatási programjának vezetője felkérte, hogy nyújtson be kutatási javaslatot a folyamat részletesebb megértése érdekében, és azonosítsa azokat a lépéseket, amelyek jó célpontok lehetnek a lerakódásgátló intézkedések számára.

"Nem igazán a probléma megoldásán, hanem a probléma megértésén dolgozom" - mondta Van Mooy. „Az anyagtudósok és a festéktervezők új technológiákkal állnak elő a biológiai szennyeződés megakadályozása érdekében. De ezek nem fognak működni, hacsak nem tudják, milyen folyamatokat céloznak meg az új technológiákkal . "

A biofilmek akkor nőnek, amikor a sejtek a felszínre telepednek, és a csatlakozásuk után szaporodnak. Ezekre a lépésekre hívták fel a legtöbb figyelmet a megelőzési erőfeszítések megsértésében.

De a mikrobiális filmek nem csak egyre vastagabbak és sűrűbbek - mondta Van Mooy. A baktériumok egy része leválik a biofilmről, és visszatér egy szabadon lebegő létbe, talán egy kevésbé zsúfolt felületet keresve, hogy gyarmatosítsa. Sok olyan baktériumot, amely kötődik, legelő protiszták vagy más zooplankton gyűjti be.

"Ez egy nagyon alapvető információ, amely meglepő módon még mindig csak teljesen ismeretlen" a hajó elrontásának összefüggésében - mondta Van Mooy. És ez érdekes lehetőségeket vetett fel: A leválás vagy a ragadozás fellendítése megakadályozhatja a biológiai szennyeződést?

Négy lépésből álló megközelítés

A biofilm-gyártás mind a négy kulcsfontosságú aspektusának - az elszámolás, a rögzítés, a leválás és a ragadozás - mérésére Van Mooy körülbelül szabványos notebook papír méretű fémlemezeket használt. A lemezek egyes részeit csupaszon hagyta, míg másokat korróziógátló kezelésekkel vonták be. Aztán a lemezeket a Vineyard Soundban, közvetlenül a tenger felszíne alatt lévő oszlopokhoz erősítette.

"Kihelyezem őket a környezetbe, és hagyom, hogy a valódi közösségek tegyék a dolgukat" - mondta Van Mooy. „Az ezen a területen végzett kutatások kilencven százaléka a kulturális munka elvégzésére összpontosul - vesz egy ilyen lemezt, bemegy a laboratóriumba, és bedobja kedvenc baktériumaival együtt.” patkányok. Ez a fajta kísérlet kevés kapcsolatban áll a tengeren tartózkodó hajók tényleges helyzetével. Elhatározta, hogy natív mikrobákkal dolgozik.

"Az emberek tesztelik a bevonatukat ezekkel a modellszervezetekkel szemben, és remekül teljesítenek" - mondta Van Mooy. "Aztán beteszik őket az óceánba, és a BAM! -Et, szörnyűek."

Elég hosszú ideig hagyta a lemezeket a tengervízben ahhoz, hogy robusztus természetes biofilm fejlődhessen. Télen ez körülbelül két hónapot vett igénybe, nyáron pedig csak néhány napot.

Aztán bevitte a nyálkás tányérokat a laborba, és mindegyiket Justin Ossolinski technikus által készített keskeny tartályokba helyezte, mindegyiket 200 milliliter (valamivel több mint ¾ csésze) tengervíz folyamatos áramlása folytatta. Ezután hagyta, hogy a biofilmek 24 órán keresztül tovább növekedjenek, hogy naponta egy teljes napciklus alatt megfigyelhesse őket.

Néhány tartály friss vizet kapott a Vineyard Sound-tól, amely más baktériumokat (amelyek a tányérra telepedhettek) és protisztákat (amelyek biofilm sejteket tudtak enni) tartalmaztak.

Más tartályok vizet kaptak, amelyet leszűrtek, hogy eltávolítsák a lemezekre leülepedő baktériumokat, és más tartályok szűrt vizet kaptak a protiszták eltávolítására és így a baktériumok ragadozásának kiküszöbölésére. Ezek a kísérletek lehetővé tették Van Mooy számára annak megbecsülését, hogy a megtelepedés, a kötődés, a leválás és a ragadozás hogyan járul hozzá a biofilm felhalmozódásához - vagy bizonyos esetekben akadályozza -.

Van Mooy örömmel tapasztalta, hogy megközelítése igazolta, hogy a réztartalmú festékek nem akadályozzák meg a mikrobák megtelepedését, de a mikrobák hamarosan meghalnak, miután a lemezhez tapadtak. A kísérletek azt is kimutatták, hogy a baktériumok felhalmozódása egy „szennyeződés-leadó” bevonaton, amely nem mérgező, majdnem százszor gyorsabb volt, mint a rézfestéknél. A baktériumok megtelepedtek, elszaporodtak, és egészséges biofilmet képeztek a sima bevonaton, mert a mellette folyó víz nem elég gyorsan mozgott ahhoz, hogy kiszabadítsa őket.

Be nullázás

Ezek az eredmények megerősítették, hogy kísérleti felépítése működött, de a valódi kifizetés abból adódott, hogy megnézték azokat a folyamatokat, amelyeket korábban nem vizsgáltak részletesen. Van Mooy megállapította, hogy nyáron a biofilmek gyorsan kialakultak, de aztán egy fennsíkra értek. "Annak ellenére, hogy sok a növekedése és sok a települése, ezeknek az arányoknak a legeltetés és az elszakadás áll szemben" - mondta. - Tehát nettó majdnem stabil állapotot kap.

Télen ezzel szemben "az arányok kissé alacsonyabbak, de még mindig történik némi felhalmozódás". A zooplankton általi legeltetés télen annyira alacsonyabb volt, hogy a biofilm tovább növekedett, de lassan.

A legizgalmasabb az volt, hogy mekkora tényező volt a predáció. Mindkét évszakban a sejtvesztés körülbelül kétharmada leválásnak, egyharmada pedig ragadozásnak volt köszönhető.

"Amíg nem hajtottuk végre ezt a kísérletet, valóban nem tudtuk, hogy mekkora a ragadozási arány" - mondta Van Mooy. „Egyesek úgy gondolták, hogy ez valóban kicsi lehet a leváláshoz képest. Ez a kísérlet azt mondja nekem, hogy az új bevonat kifejlesztésének egyik módja lehet a legeltetés ösztönzése. Van valami, amit festékbe tehetne, ami vonzaná a mikroszkopikus legelőket, hogy jöjjenek és „nyírják a gyepet” az Ön számára? ”

Sürgeti ezt a javaslatot a biológiai szennyeződések közösségében, mérnököket és festéktervezőket bátorít, hogy új megközelítéseket vegyenek fontolóra a hajók organizmusmentességének megőrzésére. „Ez az a pálya, amelyet folyamatosan mondok ezeknek a srácoknak:„ Nem töltheti egész életét arra, hogy a letelepedés megállítására koncentráljon. Feladta a tömegpusztítás elleni küzdelmet, mert nem akar mérgező bevonatokat. Úgy tűnik, hogy a leválasztási szög nem merül ki a haditengerészeti hajók számára. Tehát el kellene kezdenie a legeltetést. ”

WHOI örökség

Van Mooy kísérletei a WHOI biológiai szennyeződés-kutatásának hosszú hagyományait terjesztik elő. A második világháború előtti években és a haditengerészet a WHOI tudósainak rengeteg forrást biztosított a biológiai szennyeződések kezelésére. Ez volt az első szövetségi szponzor által támogatott kutatási program a WHOI-ban, és ez volt az első erőfeszítés a biológiai szennyeződés fizikájával, kémiajával és biológiájával, valamint annak megelőzésével kapcsolatos alapkutatások integrálására. A háború után a haditengerészet elismeréssel szólt a WHOI tudósairól, hogy nagy mértékben előmozdították a szennyeződések folyamatának és a szennyeződésgátló intézkedésekkel kapcsolatos tudományos ismereteket, és dollármilliókat spóroltak.

Wegman, aki 35 éves WHOI-karrierje során a biológiai szennyeződés gyakorlati szempontjaival foglalkozott, csak nemrégiben értesült Van Mooy munkájáról. Különösen érdekli őt az a lehetőség, hogy apró ragadozók szövetségesekké válhatnak a fertőző szervezetek elleni véget nem érő harcban.

"Nem ez az öröm, hogy a Woods Hole Oceanographic-nál dolgoztam?" ő mondta. "Itt vagyunk, és nekicsapjuk a fejünket annak a falnak, és itt van ez a srác, aki azt mondja:" Miért nem nézzük meg más irányból? "

Ezt a kutatást a Tengerészeti Kutatási Hivatal szponzorálja.