针对停泊应用的优化型基于UVC技术的防污系统

《Frontiers in Marine Science》：Optimized UVC-based antifouling system for moored applications

本研究提出一种基于UVC的高效防污系统，通过光学聚焦设计将能量集中，并采用低功耗LED驱动电路。实验在波罗的海2米水深部署，结果显示该系统使导电率传感器数据误差降低两个数量级，叶绿素荧光计数据稳定性显著提升，且通过现场测量建立了海水UVC衰减模型，为优化系统提供依据。

　　在海洋科学和环境监测领域，生物污损（biofouling）是一个长期存在的挑战。它指的是海洋生物在浸没结构上无序生长的现象，这种生长不仅对海洋生态系统造成影响，还对科学仪器的正常运行和数据采集质量产生重大威胁。尤其是在长期部署的海洋传感器上，生物污损会导致测量结果失真，增加数据处理和校正的复杂性，从而影响科学研究的有效性。因此，寻找一种高效、环保且可持续的抗污技术显得尤为重要。近年来，紫外线（尤其是UVC波段）作为一种潜在的抗污手段受到关注。UVC辐射具有破坏微生物DNA的能力，可以有效抑制生物膜的形成，从而延缓生物污损的发生。然而，现有的UVC抗污系统在效率和能耗方面仍有待优化。

本研究提出了一种高能效的UVC抗污系统，其性能较以往商用设计提升了20倍。这一系统在波罗的海南部海域的水下实验中得到了验证，成功保护了CTD（电导率、温度、深度传感器）和荧光计等关键设备。实验数据显示，使用该系统后，电导率读数在237天内均保持在制造商规定的误差范围内，表明该系统在维持传感器性能方面具有显著优势。此外，研究还基于现场测量，提出了一种估算UVC强度在50厘米距离范围内的公式，为优化UVC抗污系统的参数设置提供了理论依据。

在实际应用中，海洋传感器常被部署在特定深度，用于持续监测水体的物理、化学和生物参数。这些参数包括电导率、温度、压力、溶解氧、叶绿素a浓度和浊度等。这些数据对于理解海洋生态系统的动态变化和制定国际政策具有重要意义。然而，传统抗污方法往往依赖于毒性较强的生物杀灭剂，如三丁基锡（TBT）和重金属，这些物质对海洋环境和生物造成不可逆的损害。因此，开发一种低污染、低能耗且非侵入式的抗污技术，成为当前海洋观测领域的重要课题。

UVC辐射作为一种非接触式、低污染的抗污手段，其应用范围在不断扩大。特别是在水处理和表面消毒领域，UVC已被广泛使用。近年来，UVC-LED（紫外线发光二极管）逐渐取代了传统的汞灯，因其具有更高的能效和更长的使用寿命。UVC辐射的波长通常在280至100纳米之间，其中275纳米左右的波长对DNA具有最强的破坏作用，能够有效抑制微生物的生长。然而，如何在实际应用中优化UVC辐射的强度和分布，使其既能有效防止生物污损，又不会造成不必要的能源浪费，是研究的关键。

本研究中的UVC抗污系统采用了聚焦设计，通过使用多个光学透镜将UVC辐射集中到关键区域，从而减少整体能耗。这种设计不仅提高了系统的能效，还确保了对传感器的有效保护。实验中使用的UVC-LED在275纳米波长下具有较高的辐射效率，结合高效的电力转换系统，使得整个系统的运行更加节能。通过对比实验，研究人员发现，该系统在237天的运行中，显著减少了生物污损对传感器的影响，使得测量数据的精度和稳定性得到了保障。

在实验过程中，研究团队使用了多种海洋传感器，包括Seabird Electronics的SBE37 CTD和Wetlabs的ECO FLNTU荧光计。这些传感器在传统方法下容易受到生物污损的影响，尤其是光学传感器，其测量窗口和内部结构容易被微生物附着，导致测量结果失真。而通过UVC抗污系统的应用，传感器的测量性能得到了显著提升。此外，研究还测量了波罗的海水体对UVC辐射的衰减系数，为现场应用中的UVC强度计算提供了依据。

研究中还发现，UVC辐射在海水中的衰减主要受到水体吸收和散射的影响。虽然UVC在水中的衰减率高于可见光，但其穿透能力仍然较强。通过现场测量，研究人员得出了不同水体条件下UVC强度的衰减规律，这为后续的系统优化和应用提供了重要数据支持。实验中使用的测量方法包括不同距离下的UVC强度检测，以及与参考传感器数据的对比分析。这些方法不仅帮助研究人员理解了UVC在水体中的传播特性，还验证了系统在实际环境中的有效性。

研究还探讨了不同环境因素对UVC抗污效果的影响，包括水深、季节变化和水体的光学特性。波罗的海的水体条件具有一定的特殊性，其高生产力和动态变化使得生物污损问题尤为突出。因此，选择波罗的海作为实验地点具有重要的现实意义。此外，研究还指出，尽管UVC辐射无法完全阻止生物污损，但它能够有效延缓污损的发生，从而减少数据校正的需求，提高长期观测的可靠性。

实验结果显示，传统的抗污方法如TBT细胞和机械刮擦器存在一定的局限性。TBT细胞虽然能有效防止生物污损，但其毒性问题限制了其应用。而机械刮擦器则可能因为生物附着而损坏，影响传感器的正常运行。相比之下，UVC抗污系统具有更低的能耗和更少的环境影响，同时能够提供稳定的抗污效果。通过现场实验，研究人员验证了该系统在不同水深和环境条件下的适用性，并发现其在波罗的海的水体条件下表现良好。

此外，研究还指出，UVC抗污系统的优化需要考虑多个因素。例如，不同的水体条件可能需要不同的UVC强度和照射时间，而系统的设计也需要根据实际需求进行调整。在某些情况下，生物污损可能会对UVC光源造成影响，如贻贝附着在设备外壳上，遮挡UVC光束，从而降低系统的抗污效果。因此，未来的研究需要进一步探索如何提高系统的自我保护能力，避免生物污损对设备本身造成影响。

总的来说，本研究为UVC抗污技术在海洋传感器上的应用提供了新的思路和方法。通过优化系统设计，研究人员成功提高了系统的能效，并验证了其在实际环境中的有效性。这一成果不仅有助于提高海洋观测数据的质量，还为未来开发更加环保和可持续的抗污技术奠定了基础。随着UVC-LED技术的不断进步，以及电力转换系统的优化，UVC抗污系统有望在未来的海洋观测中发挥更大作用。