综述：海洋工程设备的生物污损预防与控制技术：从传统方法到智能界面工程

《Marine Structures》：Biofouling prevention and control technology for marine engineering equipment: from traditional methods to intelligent interface engineering

海洋工程设备因生物污垢导致功能受损和成本增加，传统单组分抗污策略不足，需发展可降解材料、天然抗污剂及智能响应涂层等环保技术，结合AI预测模型和物联网实时监控实现动态管理，未来需突破环境-生物耦合机制和建立跨场景评价体系。

　　海洋工程设备是开发海洋资源、保护海洋环境以及进行科学研究的核心基础设施，其稳定运行对推动海洋产业如海上油气开采、风能开发和海水淡化等具有重要意义。然而，海洋生物污损问题严重制约了这些设备的性能和使用寿命。海洋生物污损指的是海洋生物在人工结构表面附着、生长和繁殖的现象，它不仅增加了设备的维护成本，还对设备的稳定性、功能性和使用寿命构成了威胁。

随着人类活动对海洋环境的影响不断加深，如海洋酸化和全球变暖，这些环境变化正在改变生物污损的群落结构和地理分布。传统单一成分的抗污损策略已经显得力不从心，因为这些策略往往专注于特定技术或设备类型，而无法应对日益复杂的生物污损问题。当前的抗污损策略包括物理去除、化学干预和仿生设计，但近年来，一些新兴的环保型创新技术，如可降解材料、天然抗污损剂和智能响应型涂层，正逐步成为研究的重点。

此外，跨学科技术的进步也为解决生物污损问题提供了新的思路。人工智能驱动的污损预测模型、物联网（IoT）技术实现的实时监测系统以及自适应控制系统等技术正在被广泛应用。这些技术不仅提高了对生物污损的预测和控制能力，还为海洋工程设备的维护和管理提供了更加智能化的解决方案。然而，现有的研究仍然存在一些关键的空白，包括对环境与生物耦合机制的理解尚不清晰，以及缺乏统一的跨场景抗污损评估体系。因此，未来的研究应更加注重多学科耦合技术和人工智能驱动的预测管理方法，以应对生物污损问题的复杂性和动态变化。

海洋工程设备在海洋资源开发、空间利用和科学研究中扮演着至关重要的角色，涵盖各种系统和设施，如船舶、平台、海底生产系统、水下机器人、潜航器和浮标等。这些设备通常在高盐度、强洋流等恶劣环境中运行，因此对生物污损的抵抗能力至关重要。生物污损不仅影响设备的功能，还可能造成结构性损伤，例如金属材料的腐蚀和复合材料的降解。这种结构性损伤可能会导致设备的长期耐用性下降，甚至引发系统性风险。

在海洋工程设备中，生物污损的影响尤为显著的是在海上油气开发设备上。这些设备长期运行在高负荷和高度腐蚀性的海洋环境中，极易受到生物污损的影响。硬壳生物（如藤壶和牡蛎）在平台腿和桁架结构上的附着会增加结构重量，改变重心，加剧动态负载效应。研究表明，250毫米厚的海洋生物污损层可使平台的疲劳寿命减少54%。此外，生物污损形成的生物膜会掩盖材料表面的缺陷，改变局部电化学条件，加速牺牲阳极的消耗，并降低阴极保护系统的效率。

在海洋可再生能源设备方面，生物污损对设备的性能和运行效率造成直接影响。例如，潮汐发电机和波浪能装置对表面流场的变化非常敏感，而生物污损导致的重量和阻力变化会破坏其流体动力学性能，影响设备运行，并增加对系泊系统的负载。硅藻和绿藻在涡轮机叶片和流线型结构上的附着会显著增加流动阻力，从而降低发电效率。研究表明，仅1毫米的生物污损即可使叶片的升力系数下降约15%，并导致升力与阻力比下降高达90%。此外，生物污损还会堵塞冷却系统的管道，形成热阻层，降低冷却效率，引发频繁的过热保护停机，甚至导致设备故障。

海洋船舶作为海洋运输和工程操作的重要工具，同样面临生物污损带来的挑战。船舶上的生物污损主要表现为航行性能下降、维护成本增加、航速降低以及流体动力学阻力增加。具体来说，生物污损会导致轴功率增加9%至84%，全球航运业因生物污损每年增加44至408百万吨的燃油消耗，仅海军水面舰队的额外燃油成本就高达5600万美元。此外，船用冷却系统中的藻类和管状蠕虫不仅会阻碍水流，还会通过热阻效应显著增加能耗。

在水下机器人、潜航器和浮标等设备中，生物污损的影响更为复杂。这些设备用于海洋研究、水下工程和海底资源勘探，获取宝贵的科学数据。然而，生物污损会导致信号失真和设备故障。生物附着会干扰仪器信号，影响数据的准确性和可靠性。在传感器（如藤壶、藻类和微生物膜）上，生物污损会引入测量误差，影响流速和波高的参数。有报告指出，生物污损会使波浪浮标的数据误差增加超过30%。此外，ROV（遥控潜水器）的推进器因生物污损堵塞而可能失效，管状蠕虫或贝类附着在推进器叶片上可能导致机械卡死，同时表面粗糙度会降低推力，增加扭矩，并干扰空化特性。在观察设备的耐压玻璃、水下摄像机镜头和浊度传感器上，藻类和微生物覆盖会减弱光学信号，并引入透射误差。研究显示，在卡曼海沟4700米深度的PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）表面上，生物膜在10天内即可显著覆盖，导致透射率明显下降。

生物污损不仅对设备的功能造成影响，还可能引发结构性损伤。例如，硫酸盐还原菌（SRB）引起的微生物腐蚀是海洋生物污损导致金属腐蚀的主要原因之一。SRB在金属表面形成生物膜的过程包括有机膜吸附、微生物迁移和附着、生长、成熟和部分脱落等复杂阶段。在自然海水中，生物膜的厚度可达50至150微米。SRB通过厌氧呼吸将硫酸盐还原为硫化氢，并消耗氧气形成厌氧微环境。这种异质生物膜会加剧局部腐蚀，通过加速硫酸盐还原、消耗氧气并产生硫化氢，形成“微电池”效应，利用厌氧生物膜区域与周围好氧区域之间的电位差，同时硫化氢与溶解的Fe2+结合形成FeS，进一步促进金属基体与生物膜之间的微电池效应，加速腐蚀过程。

尽管聚合物复合材料（如玻璃纤维增强塑料和环氧树脂）在海洋环境中显示出比金属更好的抗生物污损性能，但它们仍然容易受到微生物代谢产物的侵蚀，包括胞外聚合物（EPS）、酸性化合物和胞外酶等。某些藻类分泌的胞外聚合物中含有粘稠成分（如多糖和蛋白质），会在材料表面形成约50微米厚的粘液层。这种粘液层不仅通过物理捕获加速颗粒污染物的沉积，还为细菌提供营养，促进生物膜的生长。酸性微生物代谢产物（如乙酸和草酸）与复合材料的树脂基体发生水解反应，破坏表面交联结构，导致材料的拉伸强度和抗冲击性能随时间逐渐下降。此外，海洋微生物群落（如拟杆菌门和假交替单胞菌）广泛分泌胞外酶，如蛋白酶、脂肪酶和磷酸酶，这些酶能够特异性地降解聚合物链。例如，经过12天的脂肪酶B（CALB）处理，材料的重量损失从5%增加到15%。

当海洋生物污损对设备造成的功能损害和结构性损伤超过临界阈值时，系统性风险将显现。关键设备的故障或损坏可能导致整个海洋工程系统的运行中断。例如，海上油气平台上的海水泵和阀门因生物污损导致的故障可能完全停止开采作业，造成巨大的经济损失。此外，设备损坏可能引发安全事故，威胁人员和环境的安全。例如，因设备损坏导致的原油泄漏可能严重污染海洋生态系统。

综上所述，海洋生物污损对海洋工程设备的影响是一个渐进的过程：从功能损害到结构性破坏，再到系统性风险。其负面影响贯穿设备的整个生命周期，从设计、运行到维护。因此，针对不同应用场景的海洋生物污损问题，需要深入研究其形成机制，开发针对性的高效抗污损技术，以确保海洋工程设备的安全运行。未来的研究应更加注重多学科交叉技术和人工智能驱动的预测管理方法，以应对生物污损问题的复杂性和动态变化。