Теоретические и экспериментальные основы защиты от морского биообрастания тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.08, доктор биологических наук в форме науч. докл. Раилкин, Александр Иванович

• Раилкин, Александр Иванович
• доктор биологических наук в форме науч. докл.
• 1999

Заключение диссертации по теме «Зоология», Раилкин, Александр Иванович

ВЫВОДЫ

1. Обобщение литературных и собственных данных позволило развить представления о колонизации гидробионтами твердых субстратов, ключевых процессах, механизмах и причинах биообрастания.

2. Построены математические модели колонизационных процессов: оседания, прикрепления и роста обрастателей. Следствия моделей согласуются с известными фактами.

Впервые сформулировано условие, необходимое и достаточное для обрастания любой поверхности расселительными формами:

Га > г + В. где - сила адгезии, т - сила сдвига, g - сила отрыва. Решающим в переходе к постоянной жизни на твердой поверхности является прикрепление к ней расселительных форм и последующих стадий развития.

3. Установлен закон градиентного распределения обилия биообрастания на продольно обтекаемых поверхностях: й/Б = ^ + К2/|/х~ (г = - 0,77-1,00), где й/Б - среднее обилие биообрастания в расчете на единицу площади обрастаемой поверхности, К4 и К2 - коэффииценты. зави-.сящие от условий обрастания, х - расстояние от более обросшего (переднего или заднего) края обтекаемой поверхности, г - коэффициент корреляции между теоретическими и эмпирическими распределениями обилий биообрастания.

4. Микроорганизмы, удаленные с твердой поверхности не разрушающими их способами в воду, оседают из образованной ими суспензии клеток на горизонтальную поверхность в общей последовательности, соответствующей сукцессионной: бактерии, диатомовые водоросли, жгутиконосцы, саркодовые, инфузории. Этот процесс, приводящий при определенных условиях к полному восстановлению топической, численной и видовой структуры микрообрастания в течение 12-24 ч, интерпретируется как его новое эмерджентное свойство - самосборка сообщества. Скорость самосборки не зависит от сукцессионной стадии сообщества.

5. Разработаны принципы, способы и устройство (гидрофлюгер) для проведения ускоренных биологических испытаний противо-обрастательных покрытий. На основе самосборки сообществ предложен новый подход к ускорению лабораторных испытаний. Разработанные способы позволяют ускорить биоиспытания в морских условиях в 8-24 раза, а в лабораторных - более чем в 100 раз и повысить прогностическую точность испытаний.

6. Развита хемобиологическая концепция экологически безопасной защиты от биообрастания, концентрирующая внимание на подавлении начальных процессов колонизации - оседания и прикрепления обрастателей нетоксичными репеллентами и противоадгезион-■ными веществами. Согласно концепции, защита должна быть направлена, в первую очередь, на подавление адгезии и прикрепления расселительных форм.

Впервые найдены универсально действующие на микро- и макроорганизмы репелленты и противоадгезионные вещества (бензойная кислота, N. N. N'N'-тетраметилэтилендиамин, барбитураты), которые при введении их в нетоксичных концентрациях в нетоксичный лак подавляли как микро-, так и макрообрастание в морских условиях.

7. Экологически безопасная защита от биообрастания может быть создана на основе высокотоксичных активных форм кислорода, которые быстро распадаются в воде до низкотоксичных и безвредных продуктов. Перспективной представляется разработка защиты 'супероксидным ион-радикалом и создание циклически работающих покрытий, активирующих растворенный в воде кислород.

8. Построение и анализ математической модели позволили выделить 15 стратегий предотвращения биообрастания, в пределах которых возможна разработка методов профилактики, защиты и борьбы с биообрастанием.

Заключение

Основные положения данной работы составляют концепцию биообрастания, которая описывает его в виде детерминированной последовательности колонизационных процессов: транспортировки рас-селительных форм течением, их оседания, адгезии, прикрепления, развития и роста обрастателей, поселившихся на твердой поверхности. Любые незащищенные объекты как естественного, так и искусственного происхождения неизбежно обрастают.

Поступление обрастателей на твердую поверхность можно представить как результирующую двух потоков их расселительных (ювенильных и взрослых) форм: потока, контролируемого течением и потока, определяемого двигательной (или седиментационной) активностью самих обрастателей.

В лабораторных условиях при отсутствии течения вертикальный поток микрообрастателей на твердую поверхность не является случайным. Он воспроизводит общую сукцессионную последовательность основных групп микрообрастания. В результате в течение суток на горизонтальной поверхности (дне сосуда) формируются сообщества, которые по топической, видовой и численной структуре не отличаются от природных. Такая самосборка сообществ из .суспензии микроорганизмов не зависит от стадии сукцессии донор-ных сообществ.

Анализ потоков расселительных форм на обтекаемые поверхности и их взаимодействий с ними позволил построить математические модели основных колонизационных процессов (оседания, адгезии и роста), общую модель защиты от биообрастания и предсказать градиентное распределение обилия биообрастания на продольно обтекаемых поверхностях.

Градиентное распределение обилия биообрастания, вероятно, широко распространено как на природных обтекаемых твердых телах, так и на технических объектах, что связано с градиентным характером распределения скорости течения в их пограничном .слое. Вполне вероятно, что количественные закономерности, подобные той, которая была установлена для продольно обтекаемых тел, обнаружатся в дальнейшем и для ряда других поверхностей.

Основными причинами биообрастания являются постоянный приток расселительных форм обрастателей (по крайней мере, микроорганизмов) и недостаточная защита поверхностей твердых тел от их колонизации гидробионтами. Дополнительной причиной обрастания технических объектов, как стационарных, так и подвижных, служит то, что многие из них находятся в зоне рискованной эксплуатации: вблизи побережий, на относительно небольших глубинах, где наиболее высока численность расселительных форм.

Структура цикла биообрастания определяет его детерминированность и неизбежность обрастания незащищенных объектов. Критическим для всего процесса колонизации следует признать переход расселительных форм макроорганизмов (и микроорганизмов) от планктонной к перифитонной жизни: адгезию и временное прикрепление.

Биообрастание твердых тел можно представить состоящим из двух периодов: аккумуляционного и ростового. После перехода к перифитонной жизни биомасса обрастателей быстро увеличивается. Поэтому защита технических объектов от биообрастания целесообразна до начала роста осевших организмов, т. е. она должна быть направлена, в первую очередь, на подавление адгезии и прикрепления к поверхности. Широко дискутируемая в литературе репел-лентная защита может быть эффективной только против обрастателей, подвижных на расселительной стадии и поэтому не может считаться универсальной. Математический анализ процессов колонизации и развитие концепции хемобиологической защиты позволяют выйти за пределы традиционных подходов и продолжить разработку экологически безопасной защиты в новых направлениях.;

На основе самосборки сообществ, т. е. процесса биообрастания, протекающего во много десятков раз быстрее, чем^ в море (вследствие высоких концентраций обрастателей и отсутствия течения), лабораторные испытания противообрастательных покрытий ускоряются в сотни раз. Использование динамических стендов и проведение испытаний в период оседания массовых видов макрооб-растателей позволяет многократно увеличить скорость испытаний в морских условиях.

Список литературы диссертационного исследования доктор биологических наук в форме науч. докл. Раилкин, Александр Иванович, 1999 год

1. Раилкин А. И., Гудков А. В. Устройство для экспонирования пластин обрастания // Патент N1066514, Россия, приор. 11.06.1982, регистр. 29.06.1993.

2. Раилкин А. И., Смирнов Б. Р. Онищенко В. А., Нечвало-дова Е. М. Аскаров К. А. Токсическое действие кобальтовых комплексов порфирина на инфузорий-туфелек, подавляемое суперок-сиддисмутазой // Докл. АН СССР. 1984. - Т. 274, N5. -С. 1257-1260.

3. Раилкин А. И. Устройство для экспонирования пластин обрастания // Патент N1242081, Россия, приор. 07.01.1985а, регистр. 29. 06.1993.

4. Раилкин А. И. Обрастание пластин по-разному ориентированных относительно стран света // Проблемы изучения, рационального использования и охраны природных ресурсов Белого моря. Тез. докл. конф. Архангельск, 19856. - С. 171-172.

5. Раилкин А. И., Войлоков А. В., Гудков А. В., Евдонин Л. А. Устройство для экспонирования пластин обрастания в условиях течения // Экология обрастания в Белом море. Л.: Изд-во Зоол. ин-та, 1985а. - С. 101-105.

6. Раилкин А. И., Макаров В. Н., Шошина Е. В. Влияние субстрата на оседание и прикрепление зооспор водоросли Laminaria saccharina // Биология моря. 19856. - N 1. - С. 37-45.

7. Серавин Л. Н. Миничев Ю. С., Раилкин А. И. Изучение обрастания и биоповреждений морских антропогенных объектов (некоторые итоги и перспективы) // Экология обрастания в Белом море. Л.: Изд-во Зоол. ин-та, 1985. - С. 5-28.

8. Раилкин А. И., Серавин Л. Н. Подавление подвижности и сократимости морских беспозвоночных ионами кобальта, никеля и лантана // Матер, симп. "Поведение водных беспозвоночных",1. Андропов. 1986. С. 22-28.

9. Раилкин А. И., Смирнов Б. Р., Онищенко В. А. Цой Г. Г. Симонова Л. Я., Аскаров К. А. Экзогенное супероксидное токсическое действие кобальтового комплекса порфирина на Paramecium caudatum // Докл. высш. шк. 1986. - N7. - С. 39-42.

10. Раилкин А. И., Смирнов Б. Р., Онищенко В. А. Защита от обрастания активными формами кислорода // Изучение процессов морского биообрастания и разработка методов борьбы с ним. Л.: Изд-во Зоол. ин-та, 1987. - С. 85-90.

11. Раилкин А. И., Бесядовский А. Р. Амфилохиев В. Б., .Бабков А. И. Влияние течения на краевой эффект перифитонных диатомовых водорослей // Вестник Ленингр. ун-та. Сер.З. 1988. -Вып. 3. С. 28-36.

12. Раилкин А. И. Модель начальной колонизации субстрата расселительными стадиями обрастателей // Актуальные проблемы биологических повреждений и защита материалов, изделий и сооружений. М. : Наука. 1989а. - С. 207-213.

13. Раилкин А. И. Общие закономерности градиентного распределения обрастания на поверхностях судов, трубопроводов и экспериментальных пластин // Защита судов от коррозии и обрастания. Тез. докл. 4-й Межотр. конф. Л., 19896. - С. 115-117.

14. Раилкин А: И., Евдонин Л. А. Ресничная локомоция и ее •подавление у ранних личинок мидии съедобной Mytilus edulis

15. Mollusca, Filibranchia) // Зоол. журн. 1989. - Т. 68. вып. 12. - С. 14-18.

16. Раилкин А. И!, Серавин Л. Н. Обратимое блокирование (наркоз) подвижности и сократимости у многоклеточных беспозвоночных животных ионами антагонистами кальция // Зоол. журн. -1989. - Т. 68, вып. 6. - С. 19-29.

17. Раилкин А. И. Способ определения средней биомассы и плотности обрастания вертикальной и горизонтальной поверхности в воде, образующей продольное обтекание // Патент N 1817852, Россия, приор. 03.01.1990а, регистр. 11.10.1992.

18. Раилкин А. И. Стандартизация биологических испытаний. ■3. Устройства для экспонирования пластин обрастания и методика их испытаний // Вестник Ленингр. ун-та. Сер.3. 19906. -Вып. 4. - С. 11-21.

19. Раилкин А. И., Бабков А. И. Стандартизация биологических испытаний. 2. Различия в обрастании пластин на гидрокарусели, гидрофлюгере и неподвижном устройстве // Вестник Ленингр. •ун-та. Сер.З. 1990. - Вып. 3. С. 19-28.

20. Раилкин А. И. Миничев Ю. С., Серавин Л. Н. Хемобиоло-гическая защита от морского обрастания // Защита судов и технических средств от обрастания. Докл. Всесоюз. н.-т. конф. Л.: Судостроение, 19906. - С. 66-75.

21. Раилкин А. И., Фатеев А. Э. Стандартизация биологических испытаний. 1. Гидрофлюгер устройство для экспонирования пластин обрастания // Вестник Ленингр. ун-та. Сер.З. - 1990. -Вып. 3. - С. 11-19.

22. Раилкин А. И. Стандартизация биологических испытаний. 4. Морские стендовые биологические испытания противообрастающих покрытий // Вестник Ленингр. ун-та. Сер.З. 1991а. - Вып. 1. -С. 20-24.

23. Раилкин А. И. Распределение' диатомовых водорослей на продольно обтекаемых плоских поверхностях // Бот. журн. -19916. Т. 76, N И. - С. 1522-1527.

24. Раилкин А. И., Добрецов С. В. Состав для противообрас-тающего покрытия холодной сушки // Патент N 1819276, Россия, приор. 11.01.1991, регистр. 11.10.1992.

25. Добрецов С. В., Раилкин А. И. Подавление морского обрастания бактериальными репеллентами и наркотизирующими веществами // Вестник Ленингр. ун-та. Сер.З. 1992. - Вып. 2. -С. 3-12.

26. Раилкин А. И., Серавин Л. Н., Голиков И. В., Могилевич М. М. Способ защиты поверхности погруженного объекта от обрастания // Патент N 2043256, Россия, приор. 28.08.1992, регистр. 10.09.1995.

27. Чикадзе С. 3., Раилкин А. И. Глюкоза подавляет оседание, прикрепление и метаморфоз гидроидного полипа ОЬеПа 1оуеп1

28. Вестник Ленингр. ун-та. Сер.3. 1992. - Вып. 3. - с. 29-32.

29. Раилкин А. И. Биологические испытания химических средств защиты от биоповреждений в водной среде // Биоповреждения в промышленности. Тез. конф. 4.1. Пенза, 1993а. С. 62-63.

30. Раилкин А. И. Методология, принципы и методы химической экологически безопасной защиты от биоповреждений // Биоповреждения в промышленности. Тез. конф. Ч. 1. Пенза, 19936.1. C. 61-62.

31. Раилкин А. И. Добрецов С. В., Рожков Ю. П., Пестов Д. В., Слесарев В.И. Действие бактериальных репеллентов и барбитуратов на микрообрастание // Биология моря. 1993а. - Т. 19, Ы 5-6. - С. 64-71.

32. Раилкин А. И., Павленко Г. В. Скугарова М. Г. Подавление адгезии бактерий первопоселенцев обрастания Белого моря // Микробиология. - 19936. - Т. 62, N 5. - С. 951-962.

33. Railkln A. I. Self-assemblage of marine microfouling communities // Abstr. IX Intern. Congr. Protozool. Berlin,1993. P. 102.

34. Railkin A. I., Dobretsov S. V., Rozkov Ju. P. Pestov

35. D. V., Slesarev V. I. Effect of bacterial repellents and barbiturates on microfouling // Russ. J. Mar. Biol. 1993. -Vol. 19, N 5-6. P. 325-328.

36. Добрецов С. В., Раилкин А. И. Корреляционные связи морского микрообрастания и макрообрастания // Биология моря.1994. Т. 20, N 2. - С. 115-119.

37. Раилкин А. И. Поведенческие и физиологические реакции гидроидных полипов и двустворчатых моллюсков на некоторые про-тивообрастательные вещества // Зоол. журн. 1994а. - Т. 73, вып. 7-8. С. 22-30.

38. Раилкин А. И. Самосборка сообществ морского микрообрастания // Докл. АН. 19946. - Т. 337, N 1. - С. 140-143.

39. Раилкин А. И., Добрецов С. В. Действие бактериальных репеллентов и наркотизирующих веществ на морское макрообрастание // Биология моря. 1994. - Т. 20, N 1. - С. 20-27.

40. Dobretsov S.V., Railkin A. I. Correlative relationships between marine microfouling and macrofouling // Russ. J. Mar. Biol. 1994. - Vol. 20, N 2. - P. 87-90.

41. Railkin- A. I. Mathematical model of biofouling and the defence against biofouling and biocorrosion // Abstr. 29th EMBS. Viena, 1994. - P. 84.

42. Railkin A. I., Dobretsov S. V. Effect of bacterial repellents and narcotizing substances on marine macrofouling // Russ. J. Mar. Biol. 1994a. - Vol. 20, N 1. P. 16-21.

43. Railkin A. I., Dobretsov S. V. Non-toxic defence against marine biofouling // Abstr. 29th EMBS. Viena, 1994b. -P. 41.

44. Railkin A. I., V.A.Zolotarev. Heterotrophic flagellates of artificial substrata: fauna, ecology, indicatory significance // Abstr. 2d Intern. Symp. on free-living heterotrophic flagellates. St. Petersburg, 1994. - P. 29.

45. Раилкин А. И. Отрицательный хемотаксис и подавление оседания гидроидных полипов под влиянием бактериального репеллента // Книдарии. Современное состояние и перспективы исследований. II. СПб., 1995. - С. 121-129.

46. Раилкин А. И., Серавин Л. Н. О книге Г. Б. Зевиной "Био-.логия морского обрастания" (йзд-во Московского ун-та, 1994,135 с.) // Биология моря. 1995. - Т. 21, N 5. - С. 348-349.

47. Railkin A. I. Behavioral and physiological response of hydroid polyps and bivalves to some antifouling compounds // Hydrobiol. J. 1995a. - Vol. 31. - N 6. - P. 66-75.

48. Railkin A. I. Behavioral reactions of hydroid larvae to some antifouling substances // 6th Intern. Conf. Coelenterate Biol. Progr. and Abstr. Amsterdam, 1995b. - P. 79-80.

49. Railkin A. I. Heterotrophic flagellates on artificial substrates in the White Sea // Cytology. 1995c. - Vol. 37, N 11. - P. 951-956.

50. Railkin A. I., Chikadze S. Z. The lectin-carbohydrate ■mechanism of the adhesion of larvae Obelia loveni to microfouling films // 6th Intern. Conf. Coelenterate Biol. Progr. and Abstr. Amsterdam, 1995. - P. 80.

51. Добрецов С. В., Раилкин А. И. Влияние характеристик поверхности на оседание и прикрепление личинок мидии съедобной Mytilus edulis (Mollusca, Filibranchia) // Зоол. журн. 1996. •- Т. 75, вып. 4. - С. 499-506.

52. Chikadze S. Z., Railkin A. I. Interactions between larvae Obelia loveni and macroalgae are mediated by bacterial-algal films // Progr. and Abstr. 31st Europ. Mar. Biol. Symp. -St. Petersburg, 1996. P. 98-99.

53. Dobretsov S. V., Railkin A. I., Zubacha M. A. Adaptations to the primary habitat choice in Mytilus edulis // Progr. and Abstr. 31st Europ. Mar. Biol. Symp. St. Petersburg, 1996. - P. 50.

54. Railkin A. I. Adaptation to the current: the distribution of sessile marine organisms on streamlined surfaces // Progr. and Abstr. 31st Europ. Mar. Biol. Symp. St. Petersburg, 1996. - P. 21.

55. Раилкин А. И. Общие закономерности развития морских сообществ на обтекаемых твердых поверхностях // Матер. Межд. конф. "Экологические исследования беломорских организмов". СПб, 1997. С. 63-64.

56. Раилкин А. И., Дысина Т.Ю. Выбор естественных субстратов личинками асцидии Molgula citrina (Pleurogona, Molguloidea) // Зоол. журн. 1997. - Т. 76, N 3. - С. 341-350.

57. Railkin A. I. Colonization of hard substrates: analysis of elementary processes // Progr. and Abstr. 32st Europ. Mar. Biol. Symp. Lysekil, Sweden, 1997. - P. 128.

58. Раилкин А. И. Первичная и восстановительная сукцессия 'сообществ микрообрастания // Матер. 7-й Межд. конф. "Проблемы изучения, рационального использования и охраны природных ресурсов Белого моря". Архангельск, 1998а. - С. 117-118.

59. Раилкин А. И. Процессы колонизации и защита от биообрастания. СПб: Изд-во С,- Петербург, ун-та, 19986. - 272 с.

60. Раилкин А. И. (Railkin А. I.). Сообщества микрообрастания в оценивании токсичности воды (Microfouling communities in the estimation of water toxicity) // Тез. Межд. заоч. н.- прак.конф. "Инфузории в биотестировании". СПб, 1998в. - С. 61-62.

61. Раилкин А. И. (Railkin A. I.). Paramecium в исследовании токсичности активного кислорода (Paramecium in study of toxicity of active oxygen). // Тез. Межд. заоч. н.- практ. конф. "Инфузории в биотестировании". СПб, 1998г. - С, 63-65.