生物付着

バイオファウリングまたは生物学的付着とは、船や潜水艦の船体、給水口、配管、格子、池、川などの装置などの表面上の望ましくない場所に微生物、植物、藻類、または小動物が蓄積し、そのアイテムの主な目的を低下させることです。このような蓄積は、宿主表面が別の生物であり、関係が寄生的でない場合、エピビオシスと呼ばれます。バイオファウリングは水が存在するほぼすべての場所で発生する可能性があるため、バイオファウリングは、船の船体や機器、医療機器、膜などのさまざまな物体、および製紙、食品加工、水中建設、淡水化プラントなどの業界全体にリスクをもたらします。

防汚とは、生物付着を除去または防止するために特別に設計された材料（有毒な殺生物塗料や無毒の塗料など）^[1]の能力です。^[2]

船舶への生物付着の蓄積は重大な問題を引き起こします。場合によっては、船体構造と推進システムが損傷する可能性があります。^[3]船体に生物付着物が蓄積すると、船舶の流体力学的容積と流体摩擦の両方が増加し、最大 60% の抗力増加につながる可能性があります。^[4]抗力増加により速度が最大 10% 低下することが確認されており、これを補うために燃料を最大 40% 増やす必要があります。^[5]燃料は通常、海上輸送コストの最大半分を占めるため、防汚方法は海運業界にかなりの費用を節約します。さらに、生物付着による燃料使用量の増加は環境に悪影響を及ぼし、2020 年までに二酸化炭素と二酸化硫黄の排出量がそれぞれ 38% から 72% 増加すると予測されています。^[6]

生物付着生物は非常に多様で、フジツボや海藻の付着をはるかに超えています。ある推定によると、4,000 種を超える生物を含む 1,700 種以上が生物付着の原因となっています。^[7]生物付着は、ミクロ付着(バイオフィルムの形成と細菌の付着) とマクロ付着(より大きな生物の付着) に分けられます。生物が定着するのを妨げる要因を決定する独特の化学的および生物学的性質により、生物はハード付着またはソフト付着のタイプにも分類されます。石灰質(ハード) 付着生物には、フジツボ、外皮性コケムシ、ゼブラ貝などの軟体動物、多毛類およびその他のチューブワームが含まれます。非石灰質 (ソフト) 付着生物の例には、海藻、ヒドロ虫、藻類、およびバイオフィルム「スライム」があります。 ^[8]これらの生物は一緒に付着コミュニティを形成します。

海洋付着は、通常、生態系の発達の4段階を経ると言われています。最初の1分以内に、ファンデルワールス力の相互作用により、水中の表面が有機ポリマーの調整膜で覆われます。次の24時間で、この層に細菌の付着プロセスが発生し、珪藻類と細菌（例：ビブリオ・アルギノリティカス、シュードモナス・プトレファシエンス）の両方が付着して、バイオフィルムの形成が開始されます。最初の1週間の終わりまでに、豊富な栄養素とバイオフィルムへの付着のしやすさにより、大型藻類（例：エンテロモルファ・インテスティナリス、ウロトリックス）および原生動物（例：ツリガネムシ、ズータムニウム属）の胞子の二次コロニー形成者が付着します。2〜3週間以内に、三次コロニー形成者、つまりマクロファウラーが付着します。これらには、ホヤ、軟体動物、固着刺 胞動物が含まれます。^[1]

政府と産業界は、海洋生物付着の防止と制御に年間57億ドル以上を費やしています。^[9] 生物付着はどこでも発生しますが、船体の付着により抵抗が大幅に増加し、船舶全体の流体力学的性能が低下し、燃料消費が増加するため、海運業界にとって経済的に最も大きな影響を及ぼします。^[10]

生物付着は、水ベースの液体が他の物質と接触するほぼすべての状況で発生します。産業的に重要な影響は、海洋養殖、膜システム（膜分離活性汚泥法や逆浸透膜スパイラル膜など）、大型産業機器や発電所の冷却水サイクルの維持にあります。生物付着は、水を含んだ油を運ぶパイプライン、特に使用済み油、切削油、乳化によって水溶性になった油、油圧油で発生する可能性があります。^{[要出典] [11]}

生物付着の影響を受ける他のメカニズムには、マイクロ電気化学薬品送達装置、製紙およびパルプ産業機械、水中機器、防火システムの配管、およびスプリンクラーシステムのノズルが含まれます。^{[2] [8]}地下水井戸では、生物付着の蓄積により回収流量が制限される可能性があります。これは、海洋敷設パイプの外部と内部の場合に当てはまり、チューブ洗浄プロセスで汚れが除去されることがよくあります。メカニズムを妨げることに加えて、生物付着は生きている海洋生物の表面にも発生し、エピビオシスとして知られています。^{[11] [出典が必要]}

医療機器には、電子部品を冷却するためのファン冷却ヒートシンクが組み込まれていることが多い。これらのシステムには、微生物を捕集するためのHEPAフィルターが組み込まれていることもあるが、一部の病原体はこれらのフィルターを通過して機器内に集まり、最終的に吹き飛ばされて他の患者に感染する。^[12]手術室で使用される機器には、感染の可能性を最小限に抑えるためにファンが組み込まれていることはめったにない。また、医療機器、HVACユニット、高性能コンピューター、プール、飲料水システム、および液体ラインを使用するその他の製品は、内部で生物が増殖するため、生物付着のリスクがある。^[13]

歴史的に、注目の的となっているのは、生物付着による船舶の速度への深刻な影響です。場合によっては、船体構造や推進システムが損傷を受けることがあります。^[3]時間の経過とともに、船体に生物付着物が蓄積すると、船舶の流体力学的容積と摩擦効果の両方が増加し、最大 60% の抗力増加につながります。 ^[5]追加の抗力により速度が最大 10% 低下する可能性があり、これを補うために最大 40% の燃料増加が必要になる場合があります。^[5]燃料は通常、海上輸送コストの最大半分を占めるため、生物付着は、燃料使用量の増加、メンテナンス、生物付着防止対策で、米国海軍だけで年間約 10 億ドルのコストがかかると推定されています。^[5]生物付着による燃料使用量の増加は、環境に悪影響を及ぼし、2020 年までに二酸化炭素と二酸化硫黄の排出量が 38 ～ 72% 増加すると予測されています。^[6]

生物付着は養殖にも影響を及ぼし、生産および管理コストを増加させ、製品価値を低下させます。^[14]付着生物群は、食物資源をめぐって貝類と直接競合したり、^[15]貝類の周囲の水の流れを減らすことで食物や酸素の調達を妨げたり、貝類の弁の開閉を妨げたりします。^[16]その結果、生物付着の影響を受けた魚類は成長、体調、生存率が低下し、養殖場の生産性に悪影響を及ぼします。^[17]除去方法は多数ありますが、それらは養殖種に影響を与えることが多く、時には付着生物自体よりも大きな影響を与えることがあります。^[18]

船舶会社はこれまで、生物付着物を管理可能なレベルに抑えるために、定期的に生物付着物を除去してきました。しかし、付着率は船舶や運航状況によって大きく異なるため、許容できる洗浄間隔を予測することは困難です。

LEDメーカーは、生物汚染の蓄積を検出し、さらにはそれを防ぐこともできる さまざまなUVC (250～280 nm) 機器を開発しました。

汚れの検出はバイオマスの蛍光特性に依存しています。すべての微生物は天然の細胞内蛍光体を持っており、励起されると紫外線領域で放射します。紫外線領域の波長では、このような蛍光は3つの芳香族アミノ酸、チロシン、フェニルアラニン、トリプトファンから発生します。最も検出しやすいのはトリプトファンで、280 nmで照射されると350 nmで放射します。^[19]

防汚とは、堆積物の形成を防ぐプロセスです。工業プロセスでは、バイオ分散剤を使用して生物付着を制御することができます。管理が行き届いていない環境では、生物は殺生物剤、熱処理、またはエネルギーパルスを使用したコーティングで殺されるか、撃退されます。生物の付着を防ぐ非毒性の機械的戦略には、滑りやすい表面の材料またはコーティングを選択する、両性イオンを使用して極低汚染表面を作成する、またはアンカーポイントが貧弱なサメやイルカの皮膚に似たナノスケールの表面トポロジーを作成するなどがあります。^[1]

非毒性の固着防止コーティングは微生物の付着を防ぎ、殺生物剤の使用を不要にします。これらのコーティングは通常、有機ポリマーをベースにしています。^[20]

非毒性の防汚コーティングには2つのクラスがあります。最も一般的なクラスは、低摩擦と低表面エネルギーに依存しています。表面エネルギーが低いと、表面は疎水性になります。これらのコーティングは滑らかな表面を作り出し、より大きな微生物の付着を防ぐことができます。たとえば、フッ素ポリマーやシリコンコーティングが一般的に使用されています。^[21]これらのコーティングは生態学的に不活性ですが、機械的強度と長期安定性に問題があります。具体的には、数日後にバイオフィルム（スライム）が表面を覆い、化学活性を覆い隠し、微生物が付着できるようにします。^[1]これらのコーティングの現在の標準は、ポリジメチルシロキサン、またはPDMSで、シリコンと酸素原子の繰り返し単位で構成された非極性バックボーンで構成されています。^[22] PDMSの非極性により、生体分子が表面に容易に吸着し、界面エネルギーを下げることができます。しかし、PDMSは弾性係数が低いため、20ノット以上の速度で汚染生物が放出される可能性があります。船速に応じて効果が変わるため、PDMSは低速船や港で長時間過ごす船には使用できません。^[2]

2 つ目の非毒性防汚コーティングは親水性コーティングです。親水性コーティングは、タンパク質や微生物が付着するために水を除去するエネルギーペナルティを増やすために、大量の水和に依存しています。これらのコーティングの最も一般的な例は、グリシンベタインやスルホベタインなどの高度に水和した両性イオンに基づいています。これらのコーティングも低摩擦ですが、細菌の付着を防ぎ、バイオフィルムの形成を防ぐため、疎水性表面よりも優れていると考える人もいます。^{[23]これらのコーティングはまだ市販されておらず、環境に安全な}生体模倣船舶コーティングを開発するための海軍研究局による大規模な取り組みの一環として設計されています。^[4]

殺生物剤は、生物付着の原因となる微生物を殺したり阻害したりする化学物質です。殺生物剤は通常、塗料として、つまり物理的吸着によって塗布されます。殺生物剤はバイオフィルムの形成を防ぎます。^{[1]他の殺生物剤は、}藻類などの生物付着のより大きな生物に対して有毒です。以前は、いわゆるトリブチルスズ（TBT）化合物が殺生物剤（したがって防汚剤）として使用されていました。TBTは微生物とより大きな水生生物の両方に対して有毒です。^[24]国際海事コミュニティは、有機スズベースのコーティングの使用を段階的に廃止しました。^{[25]有機スズ化合物の代わりとなるのは、}ジクロロオクチルイソチアゾリノンです。しかし、この化合物も海洋生物に対して広範な毒性があります。

超音波トランスデューサーは、小型から中型のボートの船体の内部または周囲に取り付けられることがあります。研究によると、これらのシステムは、船体媒体を通して周囲の水に超音波バーストを発射し、付着の始まりとなる藻類やその他の微生物を殺したり変性させたりすることで、付着を減らすのに役立つことがわかっています。このシステムは、木製の船体や、木材や発泡スチロールなどの柔らかい複合材料を使用した船では機能しません。このシステムは、藻類の繁殖を抑制することが証明されている技術に基づいています。^[26]

パルスレーザー照射は珪藻類に対して一般的に使用されています。プラズマパルス技術はゼブラ貝に対して効果的であり、高電圧電気でマイクロ秒単位で水を通電して生物を気絶させたり殺したりすることによって機能します。^[8]

同様に、藻類の蓄積に対して効果的であることが示された別の方法は、短い高エネルギー音響パルスをパイプに反射させるものである。^[27]

定期的に熱を用いて交換器やパイプを処理する方法は、105°F（40°C）の水を30分間使用して発電所の冷却システムからムール貝を除去するのに効果的であった。^[28]

医療業界では、生物汚染に関連するバイオバーデンの問題に対処するために、さまざまなエネルギー方法を利用しています。オートクレーブ処理では通常、医療機器を 121 °C (249 °F) で 15 ～ 20 分間加熱します。超音波洗浄、紫外線、化学薬品による拭き取りや浸漬も、さまざまなタイプの機器に使用できます。

手術室、ICU、隔離室、生物学的分析室、その他の汚染リスクの高いエリアで使用される医療機器は、室内が陰圧（一定の排気）になっており、厳格な清掃プロトコルが維持され、ファンのない機器が必要であり、機器は保護用のプラスチックで覆われていることが多い。^[29]

UVC照射は非接触、非化学的なソリューションであり、さまざまな機器に使用できます。UVC範囲の放射線は、細菌、ウイルス、その他の微生物のDNAを不活性化することでバイオフィルムの形成を防ぎます。バイオフィルムの形成を防ぐことで、より大きな生物が機器に付着して最終的に機器が動作不能になるのを防ぎます。^[30]

生物付着、特に船舶の生物付着は、人類が海洋を航行するようになって以来、問題となってきました。^[31]

船の汚れ防止の試み、そしてそれに関する知識の最も古い証拠は、ピッチと銅メッキを防汚剤として使用したことである。これはフェニキア人やカルタゴ人（紀元前1500～300年）などの古代海洋国家が行っていたとされる。ワックス、タール、アスファルトは古くから使用されてきた。^[31]紀元前412年のアラム語の記録には、船底がヒ素、油、硫黄の混合物でコーティングされていたことが記されている。^[32]アテナイオスは『デイプノソフィスタエ』の中で、シラクサのヒエロン（紀元前467年死去）の巨大船の建造時に行われた防汚対策について述べている。^[33]

プルタルコスによる船の速度に対する汚れの影響に関する説明は次のように記録されている。「雑草、泥、汚物が船の側面に付着すると、船のストロークは鈍く弱くなる。そして、水がこの湿った物質に付着すると、簡単には離れない。これが、船に通常コルクを塗る理由である。」^[34]

18世紀以前には、様々な防汚技術が使用されており、主に3つの物質が使用されていました。「ホワイトスタッフ」は、トレインオイル（鯨油）、ロジン、硫黄の混合物です。「ブラックスタッフ」は、タールとピッチの混合物です。「ブラウンスタッフ」は、ブラックスタッフに硫黄を加えたものです。^[35]これらのケースの多くでは、これらの処理の目的は不明瞭です。これらの処理の多くが実際に防汚技術であったのか、それとも鉛と木材の被覆と組み合わせて使用​​​​された場合、単に木材を食べるフナ虫を駆除することを意図していたのかについては議論があります。

1708年、チャールズ・ペリーは防汚装置として銅板被覆を明確に提案したが、最初の実験は1761年にアラーム号の被覆で行われ、その後、いくつかの船の竜骨と偽竜骨の底と側面が銅板で被覆された。^[31]

銅は、船体を虫の侵入から守り、雑草の成長を防ぐのに効果的であった。水と接触すると、銅は主にオキシ塩化物からなる有毒な膜を作り、これらの海洋生物を寄せ付けなかった。さらに、この膜はわずかに溶けやすいため、徐々に洗い流され、海洋生物が船に付着する余地がなくなった。^[要出典] 1770年頃から、イギリス海軍は艦隊全体の船底を銅張りにし、木造船の使用が終了するまで続けた。この方法は非常に成功したため、 「銅底」という用語は、非常に信頼性が高く、リスクがないものを意味するようになった。

19世紀に船体が鉄製になったことで、銅の被覆は鉄との電気腐食反応により使用できなくなりました。防汚塗料が試され、1860年にリバプールで初めて実用化され、広く使用されるようになった塗料は「マッキーネス」ホットプラスチック塗料と呼ばれました。^[31]これらの処理は耐用年数が短く、高価で、現代の基準からすると比較的効果が低かったです。^[1]

20世紀半ばまでに、酸化銅ベースの塗料は、船をドックに入れずに最大18か月、熱帯海域では最短12か月間も耐えられるようになった。^[31]耐用年数が短くなったのは、毒物が急速に浸出し、毒性の低い塩に化学的に変換されたためで、これが地殻として蓄積し、地殻の下の層から活性酸化銅がさらに浸出するのを妨げた。^[36]

1960年代には画期的な進歩がもたらされ、ゆっくりと加水分解して毒素を放出する自己研磨塗料が開発された。これらの塗料はトリブチルスズ酸化物（TBT）などの有機スズ化学（「スズベース」）バイオトキシンを使用し、最大4年間効果を発揮した。これらのバイオトキシンは、さまざまな生物に対して非常に有毒であることが判明し、その後国際海事機関によって禁止された。 ^{[37] [38]}特にTBTは、海洋に意図的に放出された最も有毒な汚染物質と言われている。^[24]

有機スズ毒素の代替として、銅を剥離塗料または自己研磨塗料の活性剤として用いることに新たな関心が寄せられており、その耐用年数は最長 5 年と報告されています。また、コーティングを必要としない他の方法もあります。現代の接着剤は、ガルバニック腐食を起こさずに銅合金を鋼鉄船体に塗布することを可能にします。しかし、銅だけでは珪藻類や藻類の付着を防げるわけではありません。いくつかの研究では、銅が環境に対して許容できない影響を与える可能性があることを示唆しています。^[39]

生物付着の研究は、19世紀初頭に銅の有効性と溶質率を関連付けたデービーの実験から始まりました。 ^[31] 1930年代に微生物学者クロード・ゾベルは、生物の付着に先立って、現在では細胞外高分子物質と呼ばれる有機化合物が吸着されることを示しました。^{[40] [41]}

研究の傾向の一つは、濡れ性と防汚効果の関係を研究することです。もう一つの傾向は、新しい機能性材料のインスピレーションとして生物を研究することです。例えば、海洋動物が皮膚の生物付着を抑制するために使用するメカニズムなどです。^[42]

流動床反応器用の優れた防汚表面に関する材料研究では、ポリ塩化ビニル（PVC）、高密度ポリエチレン、ポリメチルメタクリレート（「プレキシガラス」）などの濡れ性の低いプラスチックは、細菌付着に対する耐性と疎水性との間に高い相関関係があることが示唆されています。^[43]

生物が使用するバイオトキシンに関する研究により、いくつかの有効な化合物が明らかになり、そのうちのいくつかは合成化合物よりも強力である。ブフォトキシンであるブファリンはTBTの100倍以上の効力があり、フジツボに対する定着防止作用は6,000倍以上であることが判明した。^[44]

防汚方法の1つは、表面をポリエチレングリコール（PEG）でコーティングすることです。^{[45]表面にPEGの鎖を成長させることは困難です。この問題の解決策は、海洋環境で}ムール貝が固体表面に付着するメカニズムを理解することから得られるかもしれません。ムール貝は接着タンパク質、つまりMAPを利用します。^[46] PEGコーティングの耐用年数も疑わしいです。

• 汚れ
• 生体模倣防汚コーティング
• トリブチルスズ
• 底塗り
• 腐食工学

• キルシュナー、チェルシー M; ブレナン、アンソニー B​​ (2012)、「バイオインスパイア防汚戦略」、Annual Review of Materials Research、42 : 211–229、Bibcode :2012AnRMS..42..211K、doi :10.1146/annurev-matsci-070511-155012