צימדה ימית (ביופאולינג)

צימדה ימית (באנגלית: biofouling) היא התיישבות בעלי חיים ואצות חד-תאיים (מיקרו-פאולינג), ורב-תאיים (מאקרו-פאולינג) על גבי בעלי חיים אחרים או על גבי מצעים מלאכותיים, בסביבה המימית (סביבה אקווטית הכוללת מי ים ומים מתוקים). חברת הצימדה הימית מתקיימת כמעט בכל מקום שבו מצע מלאכותי בא במגע עם המים וגורמת בדרך כלל לנזקים. לדוגמה, התפתחות הצימדה על גבי דופן של כלי שיט ("זקן אוניות") גורמת לקורוזיה ולעלייה בחיכוך. התפתחות צמדה ימית בצינורות מערכות מי קירור (של אוניות, תחנות כוח, מפעלי נייר, מתקני התפלה וכדומה) גורמת לירידה ביעילות הקירור. במקרה של התפתחות הצימדה על גבי שוברי גלים ומזחים, בדומה לשונית מלאכותית (Artificial reef), מתרחשת עלייה במגוון המינים. להתהוות (סוקצסיה) חברת הצימדה שישה שלבים: שלב חלוצי – מייד עם חשיפת המצע לסביבה הימית שוקעים עליו חלקיקים אורגניים ואנאורגניים אשר יוצרי תשתית להתיישבות חיידקים ויצורים חד-תאיים זעירים (מיקרואצות ומיקרואוגרניזמים) המפרישים ריר המדביק אותם למצע ואחד לשני. שכבת הצימדה המתפתחת בשלב זה נקראת שכבה רירית והיא מורכבת ממיקרואורגניזמים. עובי השכבה מילימטרים ספורים. שלב ראשוני – התיישבות פגיות ונבגים בתוך השכבה הרירית. זוהי תחילת הצטברות המאקרואצות והמאקרואורגניזמים. בשלב זה מתיישבים בדרך כלל בעלי חיים בודדים (באנגלית: solitary) הכוללים בעיקר את הזיפרגליים ואת הצדפות בדרך כלל. שלב הגידול – החספוס הגס שנוצר בשלב הראשוני מאפשר את התיישבות מספר רב של מינים, נציגי בעלי חיים בודדים כגון תולעים רב-זיפיות, ונציגי בעלי חיים מושבתיים כמו חי טחביים, ספוגיים ואיצטלנים (טוניקטות). בשלב זה חלה העלייה מהירה בגידול החברה. שלב יציב – מספר המינים ואחוז הכיסוי שלהם על המצע נמצאים במצב יציב עם הסביבה המימית. שלב שיא – השתלטות בעלי החיים המותאמים ביותר לסביבה ובעלי תכונות הדוחות התיישבות של פגיות עליהם. המינים השולטים בשלב זה הם נציגי האיצטלנים, החי טחביים והספוגיים. התמוטטות – התפתחות המינים בשלב השיא גורמת לחנק בעלי החיים שעליהם התיישבו בשלבים הקודמים. חנק השכבות התחתונות גורם להיתלשותן מהמצע ולחשיפתו מחדש. משך הזמן שלוקח לחברת הצימדה לעבור את כל אחד מהשלבים הנ"ל משתנה בהתאם לתנאים הסביבתיים (כגון: מהירות זרימת המים, החשיפה לגלים, עונות שנה, זמינות מזון ונוכחות פגיות), הביולוגיה של בעלי החיים והאצות המאכלסים את החברה (כגון: אורך חיים, כושר איסוף המזון, יכולת היאחזות במצע, התאמה לתנאי הסביבה) ולטיב המצע (חלק או מחוספס). בחברת צימדה המתפתחת בסביבה טבעית (כגון עמודי מזחים) שלב השיא של החברה ארוך במיוחד ויכול להגיע למספר שנים. לעומת זאת בחברה המתפתחת בסביבה של מים זורמים (כגון מערכות מי קירור), המתמוטטת החברה מתרחשת לאחר מספר חודשים. במקרים מסוימים, בהתערבות האדם, חברת הצימדה לא מצליחה לעבור את כל שלבי ההתפתחות. באוניות, לדוגמה, בזמן עגינתן בנמלים הן עוברות ניקוי מכני להסרת שכבת הצימדה שהתפתחה במהלך השייט בים; או במערכות מי קירור, מבוצע ניקוי מכני בצינורות המעבים אם חלה פגיעה ביעילות מעבר החום. בעלי החיים המרכיבים את הצימדה הימית הם בעל חיים ישיבים. תוך מספר דקות מחשיפת מצע קשה בסביבה המימית (הכולל: כלי שיט, ניילונים, צבי ים, מזחים וכדומה), מתיישבים עליו חיידקים ויצורים חד-תאיים המצויים בשפע בגוף המים. לאחר מספר שעות מצטרפים אליהם יצורים רב-תאיים (כגון: אצות, בלוטי-ים, תולעים רב-זיפיות, ספוגיים וכדומה). המיקרופאולינג מורכב מחיידקים, אצות חד-תאיות ובעלי חיים חד-תאיים המפרישים ריר המדביק אותם אחד לשני. מהחיידקים מוצאים בדרך כלל את מיני ה-Pseudoalteromonas ,Vibrios ,Palnomicrobium ואחרים. האצות החד-תאיות השכיחות הן אצות צורניות (Diatoms) אצות כחוליות (Cyanobacteria). מהיצורים החד-תאיים ניתן למצוא אמבות וסנדליות הנאחזות בשכבה הרירית של החיידקים ופעמוניות (Vorticella) המתיישבות על מצע. המאקרופאולינג מורכב מיצורים רב-תאיים בעיקר: אצות, צורבניים, רכיכות, סרטנים, תולעים, חיטחבים, ספוגיים ואיצטלנים. כל נציגי המאקרופאולינג בעלי יכולת היאחזות במצע הקשה. בלוטי הים נציגי הסרטנים שינו את צורתם כך שבחלקם התחתון הם נדבקים חזק למצע. הרכיכות מיוצגות על ידי הצדפות, אשר נדבקות למצע באמצעות רגליים מדומות או באמצעות קשווה אחת הדבוקה למצע. התולעים מיוצגות על ידי קבוצה מתוך התולעים הרב-זיפיות, שפיתחו שפופרת הצמודה למצע ולכן הן נקראות גם תולעי שפופרת (Serpulidae). לאיצטלנים ולספוגים שתי צורות הופעה: סוליטרית (בעלי חיים בודדים) ומושבתית (אוסף פרטים רבים זהים המחוברים בקשר פיזי כאשר כל פרט הוא יחידת חיים עצמאית והמושבה מתפקדת כיחידה ביולוגית אחת). היצורים הסוליטריים נדבקים למצע בחלקם התחתון. למושבתיים, שתי צורות הופעה: דמויות שיח או משתרעות על המצע ויוצרות מעין שטיח המכסה את המצע או את בעלי החיים עליהם התיישבו. החיטחביים מתיישבים בשתי צורות ההופעה – חלקם שיחיים וחלקם משתרעים. בעלי החיים המתיישבים על המצע המלאכותי פיתחו צורות התיישבות ייחודיות ושיטות התאמה לתנאים בהם הם גדלים הכוללים: מחזור חיים הכולל ישיב ושלב השוחה בגוף המים, כושר הידבקות למצע (פיתוח רגליים מדומות, הפרשת דבקים וכדומה), התיישבות פרטים אחד על יד השני בצברים (על מנת להבטיח התרבות), שיטות איסוף מזון (על ידי סינון או יניקה) ועוד. התפתחות הצימדה הימית על דופן מתקנים מלאכותיים גורמת ברוב המקרים לנזקים תפעוליים אשר דורשים אמצעי מיגון ומניעה. נזקי הצימדה הימית כמו גם הטיפול בהם כרוכים בהוצאות כספיות ניכרות. ההוצאות הכספיות הגבוהות ביותר הן באוניות ובתעשייה. התפתחות צמדה ימית על גבי דפנות אוניות יכולה להגיע למספר סנטימטרים. העלייה בעובי שכבת הצימדה היושבת על דפנות האונייה, גורמת לעלייה בחיכוך ובכך להשקעת אנרגיה גבוהה יותר בשמירה על מהירות השַיט. אנרגיה זו באה לידי ביטוי בעלייה בתצרוכת הדלק ובכך לעלייה בעלות השַיט. החיידקים, שהם חלק מהשכבה הרירית הצמודה לדופן האונייה, ברובם חיידקים מזרזי קורוזיה (MIC – Microbial Influenced Corrosion) הגורמים לירידה בעובי דופן המתכת ולהיווצרות חורים. על פי תחשיב שנעשה בשנת 1980 בארצות הברית, עלויות נזקי הפאולינג היו 1.8–2.9 מיליארד דולר. בשנת 1990 הוערכו השקעות התעשייה העולמית בבעיות פאולינג ב־10 מיליארד לירות שטרלינג. התפתחות צימדת הים במערכות מי הקירור של תחנות כוח מהירה מאוד, הודות למים הזורמים המביאים עימם פגיות של מיני מאקרופאולינג המתיישבים על דפנות מובילי המים. בצינורות מחליפי החום (מעבה), מתיישבים בעיקר חיידקים ואצות כחוליות. הם נהנים ממזון וחמצן מצד אחד ומהיעדר טורפים ומתחרים מצד שני. הנזקים הנגרמים כתוצאה מכך הם עלייה בחיכוך, צורך בהשקעת אנרגיה גבוהה יותר של המשאבות, סתימות כתוצאה מהיתלשות המאקרופאולינג, נזקים מכניים וקורוזיה. קורוזיה המתפתחת בצינורות המעבים מקורה בחיידקים מזרזי קורוזיה (MIC). מניעת התפתחות הצימדה הימית או מזעורה משתנות בהתאם למיקום המתקן, המצע שעליו יושבת הצימדה ומיני בעלי החיים המרכיבים אותה. קל יותר "להילחם" בבעלי החיים הרכים כדוגמת החיידקים והאצות, מאשר באלה בעלי דופן גוף קשיח כדוגמת הבלוטים והצדפות. במערכות מי קירור גדולות, כדוגמת תחנות כוח, הגברת מהירות הזרימה מונעת התיישבות פגיות, ומסירה מאקרופאולינג שכבר התיישב. במקרה שקיימות בעיות פאולינג אקוטיות, מפסיקים את פעילות תחנת הכוח והניקוי נעשה באופן ידני בצלילה, או בזרם מים חזק במקרה שרוקנו את מערכת מי הקירור ממים. במחליפי החום הניקוי המכני נעשה על ידי החדרת כדורי ספוג עם המים הזורמים. מעבר כדורים אלה בצינורות מחליפי החום גורם להסרת השכבה הרירית באופן מכני. טיפול בגוף המים מתייחס להחדרת רעלן ההורג את היצורים הזעירים החיים בגוף המים (פלנקטון) לרבות פגיות של מינים פוטנציאליים להתיישבות. החומר השכיח הוא היפוכלוריד ואחרים הם אוזון, ברומיד כלור דיאוקסיד. טיפול אחר בגוף המים הוא של הקרנת המים ב-VU. קיימות שיטות מתקדמות יותר המחדירות חומר המצפה את דפנות מערת מי הקירור ובכך הורג את אלה שיושבים כבר על הדפנות. בתחנות כוח משתמשים בדרך כלל בשיטת הכלורינציה. משטר ההכלרה משתנה בהתאם לעונות השנה. ישנן תחנות כוח שמבצעות טיפול בשוק של חום (Thermal shock) על ידי החזרת המים החמים היוצאים ממחליפי החום למערכת הובלת המים. טיפול במצע הכוונה לציפוי או צביעה (של דופן אונייה או של מערכת תעלות וצינורות של מערכות מי קירור תעשייתיות) בצבע המונע או דוחה התיישבות (צבעי אנטיפאולינג (אנ')). הצבעים הראשונים מונעי ההתיישבות היו על בסיס רעלנים כמו נחושת ובדיל אשר הרגו את הפגיות שניסוי להיאחז במצע. עם הזמן, כאשר התברר כי הם מזיקים לסביבה הימית נאסר השימוש בהם. הצבעים המתקדמים יותר הם על בסיס סיליקוני הדוחים את התיישבות הפגיות בשל היותם חלקים במיוחד (בעלי דה-אדהזיה חזקה). חלק מבעלי החיים המרכיבים את הצימדה כדוגמת הבלוטים, תולעי השפופרת, הצדפות ואף החי טחביים מסוגלים להיסגר בצורה הרמטית כאשר הם מרגישים שינוי בסביבתם. בכך הם נמנעים מחשיפה לרעלן המוחדר למים. מינים מסוימים פיתחו דבקים המאפשרים להם להתמודד עם תנאי הצביעה השונים. מדיה וקבצים בנושא צימדה ימית בוויקישיתוף ערך מילוני בנושא צמדה, בוויקימילון Gregory D. Bixler and Bharat Bhushan, Bioufouling: Lessons from Nature, Philosiphical Transactions of the Royal Society A 370, 2015, עמ' 2381-2417 Operational and Environmental Issues Relating to Industrial Cooling Water Systems: An Overview, Operational and Environmental Consequences of Large Industrial Cooling Water Systems, Boston, MA: Springer, 2012 Greene, H. C. and A. Schosner, Succession on marine hard substrata a fox lottery., Oecologia 55, 1982, עמ' 289-297 ענת גלזר.2001. גיוס והצמדות יצורים ימיים ישיבים על מצעים מלאכותיים בתחנת כוח בדרום מזרח הים התיכון. חיבור לשם קבלת תואר דוקטור לפילוסופיה. אוניברסיטת חיפה. Lund D B Sandu, State of the Art of fouling, Proc.Workshop Fundamentals and Applications of Surface Phenomena Associantedwith Fouling and Clining in Food Processes. Satpathy, K K, Biofouling control measures in power plants - a brief over view, Proceeding of specialists meeting in marine biodeterioration with special reference to power plant cooling systems., עמ' 153-166