Межі в морській науці

Процеси прибережного океану

Ця стаття є частиною Теми дослідження

Міждисциплінарні морські дослідження: нові інструменти та соціальні інтерфейси Переглянути всі 8 статей

Редаговано
Даніель Рітсхоф

Університет Дьюка, США

Переглянуто
Джастін І. Макдональд

Департамент первинної промисловості та регіонального розвитку Західної Австралії (DPIRD), Австралія

Ерік Холм

Центр військово-морської війни Carderock Division, США

Соня Горгула

Департамент сільського господарства та водних ресурсів (Австралія), Австралія

Приналежності редактора та рецензентів є останніми, наданими в їхніх дослідницьких профілях Loop, і вони не можуть відображати їх ситуацію на момент огляду.

прикордонне

  • Завантажити статтю
    • Завантажте PDF
    • ReadCube
    • EPUB
    • XML (NLM)
    • Додаткові
      Матеріал
  • Експортне посилання
    • EndNote
    • Довідковий менеджер
    • Простий текстовий файл
    • BibTex
ПОДІЛИТИСЯ НА

Огляди політики та практики СТАТТЯ

  • 1 Програма морських інвазивних видів, Комісія штату Каліфорнія, Сакраменто, Каліфорнія, США
  • 2 Дирекція з питань біологічної безпеки та оцінки ризиків, Міністерство первинної промисловості, Веллінгтон, Нова Зеландія

Вступ

Біозабруднення - це скупчення водних організмів на занурених поверхнях. Біозабруднення на морських суднах є постійним тягарем для власників та операторів (розглянуто Океанографічним інститутом Woods Hole [WHOI], 1952), що впливає на швидкість, маневреність, працездатність та довговічність. Наприклад, біозабруднення на корпусі судна може призвести до зниження швидкості на певному рівні потужності внаслідок збільшення гідродинамічного опору тертя (Schultz, 2007; Buhaug et al., 2009; Schultz et al., 2011). Тобто, для отримання підвищеної потужності, необхідної для досягнення заданої швидкості, потрібна вища норма використання палива. Такий вплив має далекосяжні наслідки, оскільки збільшене споживання палива також впливає на викиди парникових газів, викликані судноплавством (Міжнародна морська організація [ІМО], 2011).

Біозабруднення судин також є важливим шляхом для транспортування, що опосередковується людиною, морських не корінних видів (ННГ). Наприклад, шлях біообрастання є потенційним засобом перенесення понад 80% морських та лиманних НДІ Нової Зеландії та 60% Каліфорнії (Kospartov et al., 2008; Ruiz et al., 2011). Крім того, велика частка морських НІС на Гаваях, у Північній Америці, в затоці Порт-Філіп (Австралія) та Японії, ймовірно, потрапляла цим шляхом (Eldredge and Carlton, 2002; Fofonoff et al., 2003; Hewitt et al., 2004; Отані, 2006).

Незважаючи на те, що не всі ННГ мають пов'язані з ними впливи, підгрупа ННГ має широкий спектр впливів на морське середовище та людей, які на нього покладаються (див. ). Конкретні наслідки морських передач ННГ, пов’язані з біообращенням суден, викликають зростаюче глобальне занепокоєння, враховуючи, що морське середовище є ключовою частиною більшості світових економічних, екологічних та соціально-культурних цінностей (Міжнародна морська організація [ІМО], 2017; Продовольча та сільськогосподарська організація ООН [FAO], 2018; Carlton et al., 2019). Наприклад, Hayward (1997) та Hayward et al. (1999) приписував основні екологічні зміни в гавані Уейтемата, Окленд, Нова Зеландія, двостулковим молюскам, що не є корінними Magallana gigas і Arcuatula senhousia. Двостулковий молюск Mytilus galloprovincialis спричинив екологічні наслідки в Південній Африці, включаючи витіснення видів та збільшення біомаси між припливами (Robinson et al., 2005; Hanekom, 2008). Крім того, біозабруднення НІС на культивованих молюсках згубно впливає на ріст і стан, а також на зовнішній вигляд, товарність та виробничі витрати (Fitridge et al., 2014; Forrest et al., 2014; Davidson et al., 2017).

Таблиця 1. Скорочення, що описують різні методи очищення або обробки у воді (VICT).

Існує два підходи до VICT:

Ініціативний очищення у воді (PIC) або обробка (PIT), яке для цілей цього огляду включає догляд за корпусом (наприклад, Tribou and Swain, 2015), використовується для запобігання або зменшення прикріплення та росту мікрозабруднень (тобто слизу) на посудині та видалити знову прикріплені (тобто мікроскопічні) стадії макрообрастаючих організмів. Економічна вигода від видалення шламового шару ПІК була предметом багатьох досліджень (наприклад, Шульц та ін., 2011), і, хоча величина економічної вигоди вимагає подальшої ясності, ПІК узгоджується із зусиллями Міжнародної морської організації (ІМО ) для зменшення викидів парникових газів шляхом оптимізації паливної ефективності суден (Міжнародна морська організація [ІМО], 2011). ПДФО також розроблено з використанням тепла як механізму дії (Inglis et al., 2012). Проактивна система очищення та захоплення у воді (PICC) включає захоплення та очищення стоків. PIC (та PICC), використовуючи засоби для чищення, такі як м’які щітки, струмені води або безконтактні системи, є ключовим компонентом постійного обслуговування занурених поверхонь судна, оскільки він запобігає накопиченню макрозабруднень і, таким чином, мінімізує ризик біозахисту (Департамент навколишнього середовища [DOE] та Міністерство первинної промисловості Нової Зеландії [MPI], 2015; Georgiades et al., 2018).

Випадкові кількості макрообрастання можуть утворюватися на занурених поверхнях судна навіть за найкращих практик управління (Georgiades and Kluza, 2017). Реактивне очищення у воді (RIC) або обробка (RIT) застосовується для видалення або обробки біозабруднень (тобто макрозабруднення) з таких суден та тих, для яких профілактичне управління було неефективним, тих, які не підтримувались належним чином, або з районів, де антиобрастание покриття були погано нанесені або пошкоджені. Видалити макрообращення важче, ніж шар слизу, і він може містити різноманітний організм, який є репродуктивно зрілим (Davidson et al., 2013; Morrisey et al., 2013; Департамент навколишнього середовища [DOE] та Міністерство первинної справи Нової Зеландії Industries [MPI], 2015). RIC або RIT не є підходящими рутинними підходами до управління біозабрудненням суден з кількох причин, про які йдеться в цьому рукописі, включаючи пошкодження, що призводять до передчасного виснаження або виходу з ладу захисних матеріалів. Однак RIC та RIT залишаються важливими інструментами реагування для зменшення ймовірності заснування видів із суден, що мають макрообращення.

Незалежно від підходу (тобто активного чи реактивного), виділено два типи екологічного ризику, які можуть вимагати управління (рис. 1):

Фігура 1. Визначення ризиків біозахисту [B] та хімічного забруднення [C], пов’язаних із функціонуванням реактивних систем очищення та захоплення у воді (RICC) [Адаптовано з Morrisey and Woods (2015) та Морського екологічного ресурсного центру Alliance for Coastal Technologies [ACT/MERC ] (2019)].

(1) Вивільнення та накопичення в навколишньому середовищі хімічних забруднювачів, пов’язаних із системами покриття, що не захищає; і

(2) Випуск морських НІС (як дорослих особин, личинок або життєздатних пропагул) у нові середовища (Міжнародна морська організація [ІМО], 2011; Моррісей та ін., 2013).

Щоб забезпечити наукову базу для відповідного застосування VICT регуляторним органам, судновим галузям та операторам систем, необхідно розуміння ризиків, пов’язаних із його застосуванням. Це розуміння вимагає вагомих доказів, на основі яких можна інформувати про прийняття рішень (Morrisey et al., 2013, 2015).

Цей огляд містить короткий виклад сучасних знань щодо екологічних ризиків та переваг технологій VICT, що застосовуються до зовнішніх поверхонь корпусу комерційних суден (наприклад, PIC, RIC). Також розглядаються технічні перешкоди, пов'язані з прийняттям законодавством та відповідальним використанням цих інструментів для управління ризиками біозахисту та хімічного забруднення на основі досвіду Нової Зеландії та Каліфорнії. Процедури у воді (наприклад, PIT, RIT) не включені до цього рукопису, оскільки ефективність цих методів нещодавно була розглянута Growcott et al. (2017) та Cahill et al. (2019а).

Підходи до очищення або обробки судин у воді (VICT)

Сучасні підходи до очищення та обробки (Таблиця 2) включають системи, які можуть бути використані для виконання різноманітних завдань з обслуговування у воді. Проактивне очищення або обробка у воді (наприклад, PIC, PIT) описує системи для запобігання утворенню шару слизу, вилучення його з корпусу та видалення мікроскопічних стадій життєдіяльності мікроорганізмів. RIC описує систему, яка використовується для видалення макрообрастаний з корпусу без захоплення та очищення стоків. Реактивна система очищення та захоплення у воді (RICC) включає захоплення та очищення стоків. Реактивна обробка у воді (RIT) описує обробку макрозабруднень. Можуть бути деякі судини, які переважно забруднюються мікрозабрудненням, але мають обмежені плями макрообрастання, особливо в районі ніш та навколо них (Georgiades and Kluza, 2017). У цих випадках для захисту приймаючого середовища може знадобитися використання системи RICC.

Таблиця 2. Короткий зміст підходів до очищення або обробки суден у воді (VICT) комерційних суден (McClay et al., 2015; Morrisey and Woods, 2015).

Які ризики пов’язані з очищенням судин у воді (VICT)?

Хімічне забруднення

Управління біозабрудненням на корпусах та інших занурених поверхнях судин зазвичай досягається застосуванням систем протиобрастання, включаючи покриття, що запобігають обростанню, для запобігання або мінімізації накопичення організмів (Lewis, 2016; Georgiades et al., 2018). Системи проти обростання покриттів широко класифікуються як біоцидні або небіоцидні.

Системи небіоцидного покриття мають фізичні властивості погіршувати прикріплення (наприклад, покриття, що випускають забруднення на основі силікону) або дозволяють регулярне чи абразивне очищення з мінімальним впливом на поверхню (наприклад, системи твердих покриттів, які механічно стійкі до пошкоджень).

Системи біоцидного покриття запобігають прикріпленню та росту організмів, що забруднюють організм, завдяки вивільненню біоцидів, таких як сполуки міді та цинку. Мідь є найбільш часто використовуваним біоцидом, однак кобіоциди часто вбудовуються в системи покриття для забезпечення ефективності для ряду видів (Dafforn et al., 2011). Три основні типи систем біоцидного покриття, які зазвичай використовують на комерційних суднах, - це самополірувальний кополімер, аблятивна та нерозчинна матриця (Lewis, 2016). Застосування систем VICT на посудинах з біоцидними покриттями проти обростання може призвести до неприпустимого виділення хімічних забруднень, що містяться всередині або на покриттях (наприклад, біоциди із шару слизу та покриття, включаючи розпорошення пластівців фарби), та їх накопичення в морському середовищі ( тобто товща води, відклади, біоти).

Проактивне очищення у воді (PIC)

Проводячись належним чином, PIC, який відповідає рекомендаціям більшості виробників антиобрастающих систем, може призвести до скидів, що відповідають місцевим стандартам або вимогам (Morrisey et al., 2013; Департамент навколишнього середовища [DOE] та Міністерство первинної промисловості Нової Зеландії [MPI], 2015 ). Інтуїтивно, PIC, швидше за все, призведе до нижчого викиду забруднювачів в навколишнє середовище, ніж RIC, оскільки, як очікується, менше абразивних методів мінімізує викид біоцидів (Morrisey et al., 2013; Earley et al., 2014; Міністерство навколишнього середовища [DOE] та Міністерство первинної промисловості Нової Зеландії [MPI], 2015). Однак, можливо, доведеться враховувати кумулятивний викид біоцидів протягом частого режиму ПІК. Тому агенції з якості води, швидше за все, потребуватимуть даних про скиди хімічних речовин, пов’язаних з обома типами систем. Системи PICC розроблені для мінімізації вивільнення біоцидів у подальшому шляхом захоплення та очищення стоків. Однак незалежно отриманих даних щодо хімічних розрядів, пов'язаних із системами PIC та PICC, мало.

Моррісей та ін. (2013) оцінили потенційні ризики хімічного забруднення ПІК шляхом порівняння прогнозованих концентрацій міді, що вивільняються, з керівництвом щодо якості води за цілим рядом сценаріїв. В якості орієнтовних значень якості води використовували 4,8 мкг Cu/L для гострого ризику (Кодекс Федеральних правил [CFR], 1983; Четбі і Хансен, 1995) і 3,1 μg Cu/L для хронічного ризику (Кодекс Федеральних правил [CFR], 1983; Рада з охорони навколишнього середовища Австралії та Нової Зеландії [ANZECC], 2000). Концентрації міді в навколишньому середовищі прогнозували за допомогою моделі морських антифоулянтів для прогнозування екологічних концентрацій (MAMPEC), модель v 3.0 (Deltares, 2011). Хоча використовуючи найкращу доступну інформацію на основі обширного огляду, Morrisey et al. (2013) визнав, що детальна інформація щодо багатьох аспектів, пов’язаних з ризиками ПІК, була обмеженою, і що значна інформація, пов’язана з наявністю інформації.

Використовуючи модель, Morrisey et al. (2013) передбачали, що у більшості сценаріїв PIC комерційних суден не перевищуватиме рекомендацій щодо якості води (тобто діяльність мала низький ризик) в порту Окленд, Нова Зеландія. Це прогнозування базувалося на зоні змішування та промиванні води в цьому отворі та застосуванні консервативної оцінки верхнього викиду міді (тобто найгірший реалістичний випадок). Порт із низьким рівнем промивання, Літтлтон, Нова Зеландія, мав більшу ймовірність перевищення настанови щодо цієї діяльності (Gadd et al., 2011; Morrisey et al., 2013).

Льюїс (2013) описує оцінку системи, що застосовується попередньо до посудини з мікрозабрудненням та біоцидним покриттям, термін служби якої становив 13 місяців. Системні випробування включали використання безконтактних лопатевих дисків або м’яких нейлонових щіток, прикріплених до миючої головки. Не дивно, що концентрація розчиненої та твердих частинок міді у стоках з безконтактних лопатей була набагато нижчою, ніж концентрація щіток. Хоча концентрації міді у зразках води, відібраних із стічних вод системи, значно перевищували стандарти якості води, підвищених концентрацій міді у товщі води біля випробувального посудини під час чи після очищення не було зафіксовано (Lewis, 2013).

Загальна кількість міді, що викидається в навколишнє середовище під час випробування Льюїса (2013) (за оцінкою для судна площею 45 м становило 87,5 г), вигідно порівняно з розрахунковим пасивним добовим викидом міді із систем протиобрастаючого покриття з малих (50 м; 40 г ) та великі судна (200 м; 1000 г). Цей розрахунок базувався на розрахунковій швидкості виділення міді 10 мкг/см 2/день (Lewis, 2013; Morrisey et al., 2013). Звичайна експлуатація судин може також призвести до потрапляння біоциду в навколишнє середовище через вивільнення фарби, щоб запобігти прикріпленню та зростанню біозабруднень, забрудненню шару слизу, що містить накопичену мідь (Morrisey et al., 2013), та механічному пошкодженню систем протиобрастаючого покриття якірні ланцюги, буксири та крила (Андерсон, 2004).

Реактивне очищення у воді (RIC)

Реактивні способи очищення у воді, включаючи абразивні щіткові системи та струмені води під високим тиском, можуть стирати біоцидні покриття проти обростання, що призводить до викиду забруднення в навколишнє морське середовище (Valkirs et al., 2003; Inglis et al., 2012; Morrisey et al. ., 2013; Earley et al., 2014). Розробляються системи RICC для пом'якшення ризиків, пов'язаних з викидом забруднювачів, шляхом уловлювання, фільтрації та/або обробки видаленого сміття та стічних вод (California Water Boards, 2013; Morrisey and Woods, 2015). Однак використання систем RIC та RICC може призвести до плямистих забруднень через локалізоване виснаження біоцидів.

Ряд факторів впливає на характер скидів, пов'язаних з RIC та RICC. Сюди входять тип (-и) та вік очищених систем протиобрастаючого покриття, очищених підводних територій, кількості та типу наявних біообрастань, методу очищення у воді та гідродинамічного середовища (Gadd et al., 2011; Inglis та ін., 2012; Моррісей та ін., 2013; Морський екологічний ресурсний центр Альянсу прибережних технологій [ACT/MERC], 2019).

Незалежно отриманих та загальнодоступних даних про викиди забруднювачів, пов’язаних з RIC та RICC, на фактичні судна недостатньо. Середні загальні концентрації міді у зразках, взятих із шлейфу скидання з підводної платформи для очищення та обслуговування (SCAMP) під час очищення трьох суден ВМС США, становили від 1,57 до 2,62 мг/л. Середній діапазон фракції розчиненої міді становив 66-146 мкг/л. Маса виділеної міді, за оцінками, становила 4,8 г/м 2 очищеної поверхні (Агентство США з охорони навколишнього середовища [EPA], 1999). Зовсім недавно Bohlander (2009) заявив, що вдосконалена система очищення корпусу ВМС США (AHCS) змогла зменшити вміст твердих речовин у стоці до ключових слів: біообрастание, очищення у воді, мідь, Нова Зеландія, Каліфорнія

Цитування: Scianni C та Georgiades E (2019) Очищення або обробка судин у воді: виявлення екологічних ризиків та наукових потреб для прийняття рішень на основі фактичних даних. Спереду. Берез. Наук. 6: 467. doi: 10.3389/fmars.2019.00467

Отримано: 14 грудня 2018 р .; Прийнято: 11 липня 2019 р .;
Опубліковано: 26 липня 2019 р.

Даніель Рітсхоф, Університет Дьюка, США

Ерік Холм, Морський центр поверхневої війни Carderock Division, США
Джастін І. Макдональд, Департамент первинної промисловості та регіонального розвитку Західної Австралії (DPIRD), Австралія
Соня Горгула, Департамент сільського господарства та водних ресурсів, Австралія