防生物附著技術(shù)的發(fā)展最早是從造船工業(yè)開始的。由于生物附著物吸附船底會破壞船體流線，導(dǎo)致行進阻力增大，因此有效地防止生物附著可大大降低船舶的能源消耗。在海洋觀測領(lǐng)域，防生物附著技術(shù)是一個較新而復(fù)雜的課題。海洋觀測平臺往往采用開放式結(jié)構(gòu)，其觀測設(shè)備直接暴露在天然海水里，導(dǎo)致探測數(shù)據(jù)的漂移和誤差，因此解決生物附著問題迫在眉睫。

海洋觀測平臺防生物附著技術(shù)的選用應(yīng)當(dāng)遵守如下三個原則：一是不影響被測水域的環(huán)境，二是不降低整個系統(tǒng)的可靠性，三是滿足整個系統(tǒng)的能耗和維護要求。防生物附著技術(shù)的分類方法有很多。Lehaitre等（2008）將其分為被動方式（又稱靜態(tài)方式）和主動方式、體積作用與表面作用。被動方式和主動方式是通過實現(xiàn)防生物附著的過程中是否需要消耗能量來區(qū)分的，其中前者不需要消耗能量，而后者則需要消耗能量。被動方式是傳統(tǒng)工業(yè)上使用較多的方法，主要以各種涂裝（coating）方式來防止生物的附著（Yebra， 2004）。主動方式的防生物附著策略較多，如物理去污技術(shù)、間隔浸泡消毒技術(shù)、局部電氯化技術(shù)、UV光線技術(shù)等。此外，也有學(xué)者將防生物附著技術(shù)分為物理法、化學(xué)法及生物法（Cao，2011）。

13.3.1 被動方式

1.金屬基涂料

采用金屬基涂料實現(xiàn)防生物附著的原理通常是直接利用其生物毒性。錫基涂料（TBT）是一種曾經(jīng)被廣泛使用的防生物附著涂料，在使用功效上受到一致的肯定。然而因金屬基涂料是一種劇毒物質(zhì)，對于海洋生物破壞力極大，現(xiàn)在已被明令禁止。

銅基材料的毒性比TBT材料小很多，研制銅基涂料的目的是為了替代TBT材料。銅基材料產(chǎn)生防生物附著效果的成分是二價銅離子，通常使用的是丙烯酸銅。丙烯酸銅涂層的有效期一般認(rèn)為3～5年（Chambers，2006；Zhao，2015）。Chambers等（2006）報道只需要5μg/L的銅離子濃度就足以殺死無脊椎動物，而對于人而言，美國環(huán)保局規(guī)定飲用水的銅離子安全濃度是1000μg/L，所以銅基涂料的使用雖然對環(huán)境造成一定影響，但這種影響在現(xiàn)階段還是可接受的。

鋅基涂料也能殺滅孢子及幼蟲，其中硫氧吡啶鋅的濃度達到0.3μg/L即可殺滅玻璃海鞘，達到0.17μg/L可殺滅海膽（Bellas，2005）。Chambers等（2006）給出鋅基涂裝的有效期是5年。

2.硅基與納米材料涂層

不同于金屬基涂料，硅基與納米材料涂層不是利用生物毒性達到防生物附著的效果，而是通過降低基底表面的吸附力，使得生物難以附著。

硅基涂層在水流速度較大的地方使用更為理想，通常在10～20節(jié)流速環(huán)境下能取得較為理想的效果（Swain，1988；Yebra，2004）。圖13-7是放置在印度金奈漁港的一個硅基涂層實驗，盡管該地點水溫較高、生物附著十分活躍，但實驗結(jié)果顯示硅基涂層具有較好的防生物附著的效果。

在納米材料涂層中，據(jù)介紹YSI公司研制的“C-Spray”涂層可防止生物的吸附，但其實際效果尚未得到進一步證實（Delauney，2010）。

3.海洋生物中提取的涂料

某些海洋生物，如珊瑚、海綿及海洋植物等，并沒有生物附著的困擾。若能采用與它們類似的防生物附著方法，就能防止人造構(gòu)件物被附著，并可消除對海洋環(huán)境的影響，Omae（2003）列舉了一些海洋生物體中能提取的抗生物附著的元素。根據(jù)Chambers等（2006）介紹，全世界海洋中已有超過160種生物被證實可提取抗生物附著劑。

圖13-7 硅基涂層在印度金奈漁港放置1年后的污損情況

圖中I1及I3是兩個樣品，放置一年后有硅基涂層保護的區(qū)域并沒有大型生物附著物，只有少量的矽藻，而在未采用硅基涂層保護的區(qū)域有大量的附著物（Vladkova，2009）

4.銅板與銅網(wǎng)

銅板與銅網(wǎng)防生物附著的原理同樣是利用二價銅離子對所附著生物的殺滅作用，但應(yīng)用方式不同。Derek等（2003）在光學(xué)探頭前面板上覆蓋白銅（cupronickel），并使用聚四氟乙烯墊圈和尼龍螺栓將銅板與腔體隔離，將儀器放置近岸水域放置60天后，發(fā)現(xiàn)其污損程度很輕（圖13-8）。

圖13-8 銅板保護光學(xué)探頭

（a）是由銅板保護的光學(xué)反散射傳感器照片，其中銅板中央設(shè)置多個圓孔，圓孔內(nèi)是光學(xué)反散射傳感器探頭；（b）三條曲線是光學(xué)反散射傳感器采用三種不同波長（420nm，510 nm及620nm）所探測到的反散射數(shù)據(jù)，在60天內(nèi)沒有影響該傳感器數(shù)據(jù)探測的生物附著發(fā)生，布放地點水深25米，傳感器布放深度 5 米 （Derek， 2004）

5.被動方式

實驗證明銀離子對細(xì)菌細(xì)胞也有很強的殺滅作用（Dai，2002），氧化鈦也被證實具有良好的防生物附著效果，但還缺少在海洋中實際應(yīng)用的案例。此外，還有一種針對封閉系統(tǒng)用的防生物附著技術(shù)。通過在封閉系統(tǒng)內(nèi)放置緩釋殺菌劑，在系統(tǒng)運行時將殺菌劑隨著流體帶到整個流路，可防止流路內(nèi)部生成生物附著物。比較典型的殺菌劑是氯。不過這種方式的效果難以控制，因為殺菌劑的釋放速度要與流路流速配合。

13.3.2 主動方式

1.物理去污

物理去污方式主要是采用刷子直接拭除被附著表面，原理簡單明了，已應(yīng)用于很多商業(yè)化產(chǎn)品。圖13-9是一種水質(zhì)多參數(shù)傳感器，該傳感器由一個電刷刷除傳感器探頭表面的附著物。這種方式在電刷系統(tǒng)正常、組件配合精密時效果較好，但一旦刷毛變形、刷頭與傳感器探頭間隙變大時效果就變差了。此外，這種方式對電機旋轉(zhuǎn)密封的可靠性有較高的要求，且較難將其用于球面的保護。

圖13-9 YSI水質(zhì)多參數(shù)傳感器上的防生物附著電刷

2.間隔浸泡消毒

間隔浸泡消毒方式是通過機電裝置周期性地將傳感器探頭放入充滿殺菌劑的液體中，來去除生物附著物。理論上，只要設(shè)定合適的消毒周期和持續(xù)時間，可使得生物附著物在生長初期就被滅殺（Grisoni，2007；Delauney，2010）。圖13-10顯示的使用間隔浸泡消毒方式消除熒光度計上生物附著的工作過程，幾個光學(xué)探頭由一個銅腔體保護起來，這個腔體旁邊有一個電機來帶動大葉片。當(dāng)需要消除生物附著時，電機帶動葉片轉(zhuǎn)到合適的位置，使葉片與銅腔體形成一個密閉空間，通過殺菌劑消除附著在光學(xué)探頭上的生物。

圖13-10 間隔浸泡消毒技術(shù)示意（Delauney， 2010）

另外，Manov等（2004）做了類似結(jié)構(gòu)的抗生物附著實驗（圖13-11）。該試驗水深2m，時間長達500天，對長期防生物附著效果具有重要的參考意義。與電刷方式類似，這種間隔浸泡消毒技術(shù)的實現(xiàn)方式增加了結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜性。另外，對于PH傳感器等需要很長穩(wěn)定時間的傳感器，還必須考慮滅菌劑對傳感器穩(wěn)定時間的影響。

3.局部電氯化

局部電氯化方式采用氯氣消毒原理，這種技術(shù)在冷卻水系統(tǒng)中經(jīng)常被用到。氯化作用對微型生物膜及大型附著物都有效，因此使用最為廣泛。這種防生物附著裝置一般以鈦為電極，通過電解作用產(chǎn)生滅菌劑殺滅附著物。

圖13-12所示的應(yīng)用中，電極被做成網(wǎng)狀緊貼在被保護的傳感器探頭附近，通過外接的電池倉對該傳感器附近的電極通電產(chǎn)生電解反應(yīng)。圖13-13所示的應(yīng)用中，該裝置的結(jié)構(gòu)被做成圓柱形，其能保護的區(qū)域是放置于其中的部件，包括大多數(shù)光學(xué)原理的傳感器。

Delauney和Compère（2008）挑選了鹽度傳感器、溶解氧傳感器及熒光度計來驗證該技術(shù)，實驗表明效果非常好。在裝置正常運行時，傳感器采集的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度很高。圖13-14是鹽度傳感器在水中放置133天后的外觀比較。

對于敏感傳感器如溶解氧和熒光度計等，采用電解方式防生物附著時還應(yīng)考慮減少對數(shù)據(jù)采集的影響。

圖13-11 銅遮板方式防生物附著效果圖

（a）為葉綠素傳感器銅遮板機構(gòu)集成照片，（b）為光輻射計與銅遮板機構(gòu)集成照片，（c）與（d）為銅遮板機構(gòu)原理示意圖；（e）與（f）為銅遮板保護下數(shù)據(jù)的漂移情況。在這個實驗中，采用的保護機制是每一個小時開啟一次銅遮板并采集一次數(shù)據(jù)，從圖（e）中可看出，大約400天以內(nèi)的葉綠素數(shù)據(jù)質(zhì)量穩(wěn)定可靠（Manov，2004）

圖13-12 局部電氯化技術(shù)在熒光度計上的應(yīng) 用 （Delauney &Compère，2008）

圖13-13 局部電氯化技術(shù)在光學(xué)傳感器上的應(yīng)用（Delauney&Compère，2008）

圖13-14 鹽度傳感器：未保護（左），保護（右）（Delauney &Compère，2008）

4.紫外光（UV）照射

紫外光（波長小于253.7nm）能殺死大多數(shù)循環(huán)水系統(tǒng)里的細(xì)菌（Gilpin，1985），廣泛應(yīng)用在醫(yī)院及食物消毒領(lǐng)域。在海洋探測領(lǐng)域，2014年AML公司推出了基于紫外光（UV）原理的防生物附著產(chǎn)品，并在加拿大海洋觀測網(wǎng)的Folger Pinnacle科學(xué)平臺上得到應(yīng)用。這個科學(xué)平臺所在位置的生物附著非常嚴(yán)重，圖13-15展示的是3D攝像機陣列在水中放置一年后的污損情況，如果不采取相應(yīng)的防護措施，幾乎所有的傳感器都無法長期正常工作。

圖13-16展示了UV照射的效果。從外觀上看，儀器平臺在海底放置9個月后，未做保護的傳感器已嚴(yán)重污損，包括探頭部分，而通過UV照射的傳感器探頭部分則是干凈的，其余部分的污損程度也要好于未保護的傳感器。同時，基于UV照射的防生物附著方法能提高科學(xué)數(shù)據(jù)的可靠性，延長維護時間（圖13-17）。

圖13-15 水下3D照相機受生物附著污損情況（引自www.oceannetworks.ca）

圖13-16 UV射線防生物附著試驗（引自www.oceannetworks.ca）

圖13-17 有無采用UV照射的鹽度數(shù)據(jù)對比

綠線曲線代表使用了有毒滅菌劑保護的傳感器采集的數(shù)據(jù)，可認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)值。通過對比可看出，未采用UV照射的傳感器采集的鹽度數(shù)據(jù)在1個月后開始偏離標(biāo)準(zhǔn)值，而采用UV照射時，UV1傳感器在12個月內(nèi)都很好地跟隨標(biāo)準(zhǔn)值，而UV2傳感器在6個月時偏離標(biāo)準(zhǔn)值，但第8月又回歸標(biāo)準(zhǔn)值（引自www.oceannetworks.ca）

不過，紫外光保護裝置的一個缺點是能耗較大。以上述裝置為例，其能耗是230m A@12VDC，這對于自容式系統(tǒng)來說通常難以接受。當(dāng)然，對于纜系海底觀測網(wǎng)來說，此類能耗不是制約因素。通過UV照射防生物附著的方法也有其局限性，如其對水質(zhì)的要求比較高，水中的顆粒物等會大大降低UV射線的滅菌效率，因此該方法在高濁度海水里的防生物附著效果是令人擔(dān)憂的。事實上，決定UV射線保護效果的參數(shù)是單位被照射面的能量及時間，如殺死幼蟲的照射劑量為672m Ws/cm2（Hori，1990和1993）。

5.其他主動方式

其他主動防生物附著技術(shù)主要有加熱方式、超聲波方式、震動方式及電場方式等，這些技術(shù)在理論上可行，但尚無實際應(yīng)用。加熱方式是采用高溫對附著生物進行滅殺（Venkate-san，Murthy，2008）。Whelan（2006）提到用激光防生物附著的方法，這種方法的效果與激光的強度成正比（Nandakumar，2003a，2003b）。Whelan（2006）還提到了超聲波控制微型附著物的方法，低頻的聲音和震動對能量的要求較高（Donskoy，Ludyanskiy，1995）。電場方式是在采用高電壓殺滅附著物（Fears，Mackie，1997），還有其他防生物附著技術(shù)，包括基于磁場的方法，可參考Rajagopal（2012）。