УСТРОЙСТВО ДЛЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ ОБРАСТАНИЯ МАТЕРИАЛОВ И ПОКРЫТИЙ

Предполагаемая полезная модель относится к области охраны окружающей среды, а более конкретно к устройствам для изучения сообществ обрастания, в состав которых входят как микроорганизмы (бактерии, одноклеточные водоросли, одноклеточные животные), так и макроорганизмы (губки, гидроидные полипы, усоногие раки, моллюски, мшанки, иглокожие, асцидии и другие). Она может быть использована в области технической гидробиологии в текучих и стоячих водах, в морях и внутренних пресноводных водоемах (реках, озерах, каналах, прудах, водохранилищах) для исследовательских целей, а также для определения обрастания (и биоповреждения) материалов, эксплуатируемых в водной среде, при биологических испытаниях эффективности защитных противообрастательных покрытий. Она может быть полезной также при биомониторинге качества вод (природных, прошедших очистку, подготовленную для питья) благодаря высокой скорости процессов обрастания и наличию в нем индикаторных видов.
Сообщества обрастания развиваются на естественных и искусственных субстратах в водной среде, в том числе на днищах судов, в трубах, подающих воду на предприятия для обеспечения технологических циклов, на глубоководных кабелях, на подводной части нефтяных и газовых платформ, эксплуатируемых на шельфе, на рыболовецких сетях, на установках для выращивания гидробионтов в марикультуре и т.п. Обрастание материалов приводит к потере ими целого ряда важных эксплуатационных качеств, к развитию биокоррозии и биоповреждения.
Существует не до конца решенная практическая проблема: как эффективно и быстро оценить обрастаемость материалов, эксплуатируемых в водной среде, и эффективность противообрастательных покрытий, применяемых для защиты технических объектов от биологического обрастания и биоповреждения?
В предлагаемой полезной модели для решения этой проблемы использован подход, основанный на применении устройств для экспонирования пластин обрастания, которые позволяют выставлять в водоем на заданную глубину и время различные материалы в виде пластин и выдерживать их там (экспонировать) по отношению к условиям водоема: расселительным формам организмов обрастания, течению, освещенности и другим. Пластины обрастания, которые могут имитировать участки поверхности технических объектов, эксплуатируемых в водной среде или в контакте с ней, в исследовательских целях изготавливают обычно из инертных материалов: стекла, пластмассы, черепицы, металла и т.п. Эти материалы могут быть окрашены, например противообрастательной краской.
Известны устройства [1]-[4] для экспонирования пластин обрастания в текучих водах, сходные по техническому решению с предполагаемой полезной моделью. В качестве пластин обрастания в них, в принципе, могут выступать любые материалы, в том числе противообрастательные покрытия. Поэтому они могут быть использованы для биологических испытаний материалов и покрытий, эксплуатируемых в водной среде.
Известные устройства [1]-[4] для экспонирования пластин обрастания включают установленный на вертикальном стержне опорный элемент и держатели, на которых закреплены кассеты с размещенными на них пластинами обрастания.
Известно устройство [1], в котором на вертикальном стержне свободно установлен горизонтальный опорный элемент, на котором жестко фиксирована кассета с пластинами обрастания, ориентированными параллельно или перпендикулярно течению, причем горизонтальное положение опорного элемента достигается вертикальным положением
стержня и четырьмя оттяжками в виде цепей, один конец которых закреплен на опорном элементе, а другой на дне водоема.
В известном устройстве [1] общими с предполагаемой полезной моделью признаками являются: вертикальный стержень, на котором свободно установлен опорный элемент, кассета для размещения пластин обрастания, закрепленная на опорном элементе, дополнительно выполняющем функцию держателя.
Однако известное устройство [1] имеет невысокую информативность, что обусловлено возможностью одновременного экспонирования на нем до 20 пластин обрастания (предметных стекол). К тому же применение устройства [1] ограничено ручьями и узкими речками, что связано с особенностями крепления вертикального стержня в воде. В дополнение к этому, оно может быть использовано для изучения только обрастаний в придонном слое, что существенно ограничивает возможности его применения. Устройство [1] не может быть адекватно использовано для испытаний обрастания пластин в условиях течения, переменного по направлению, так как не позволяет экспонировать пластины под постоянным углом к направлению течения, изменяющего свое направление. Вместе с тем, обилие обрастания (плотность и биомасса обрастания) существенно зависят от направления и скорости обтекания пластин.
Известно устройство [2] для экспонирования пластин обрастания в текучих, в частности в морских, водах. Оно включает вертикальный стержень, укрепленный на дне водоема, на котором свободно установлен горизонтальный опорный элемент, выполняющий функцию единственной пластины обрастания.
В известном устройстве [2] общими с предполагаемой полезной моделью признаками являются: вертикальный стержень, на котором свободно установлен опорный элемент, он же - вертикальный киль и пластина обрастания.
Известное устройство [2], в отличие от устройства [1], обеспечивает адекватное экспонирование пластин под постоянным углом к направлению течения, переменного по
направлению. Поэтому оно может быть использовано в водоемах с переменным по направлению течением, в том числе в морях, и применено для испытаний, например противообрастательных покрытий.
Однако известное устройство [2] имеет низкую информативность, что обусловлено возможностью одновременного экспонирования на нем только одной пластины обрастания. К тому же применение устройства [2] ограничено изучением обрастаний вблизи дна водоема, что обусловлено креплением устройства ко дну с помощью штанги, что существенно ограничивает возможности его применения. Дополнительным недостатком является возможность экспонирования на устройстве пластины обрастания только в вертикальной плоскости, так как она одновременно служит вертикальным килем.
Известно устройство [3] для экспонирования пластин обрастания в текучих, в частности в морских, водах. Оно включает установленную на вертикальном стержне опорную пластину в виде диска с радиальными держателями, выполненными в виде кронштейнов, на которых смонтированы кассеты для размещения пластин обрастания. Устройство подвешивается в воде на несущем тросе. Для повышения точности испытания обрастания пластин в условиях течения опорный диск установлен на вертикальном стержне свободно для обеспечения его вращения, кассеты смонтированы на держателях под равными углами к вертикальной плоскости, при этом устройство снабжено фиксаторами для изменения угла наклона кассет и удержания их в заданном положении.
В известном устройстве [3] общими с предполагаемой полезной моделью признаками являются: вертикальный стержень, закрепленный на несущем тросе, служащем для установки устройства в водоеме, установленный с возможностью вращения вокруг вертикального стержня опорный элемент, на котором закреплены кассеты с пластинами обрастания.
Известное устройство [3] лишено основных недостатков устройств [1] и [2]: обладает высокой информативностью, позволяет одновременно экспонировать в 10 раз
большее число пластин, чем устройство [1] и в 100 большее число, чем устройство [2], адекватно при использовании в водах с переменным направлением течения, обеспечивает экспонирование пластин обрастания на разных глубинах (у поверхности, в толще воды и у дна).
Однако оно не лишено недостатков. На известном устройстве [3] обилие обрастания (по плотности и биомассе) зависит от положения пластин обрастания на устройстве. Экспериментальные исследования показали, чем ближе к вертикальному стержню размещены пластины, тем меньшее обилие обрастания (по численности и биомассе) на них достигается. Поэтому с использованием устройства [3] снижена точность определения обилия обрастания, а, следовательно, не обеспечиваются адекватные испытания, например противообрастательных покрытий или качества воды.
Известное устройство [4] для экспонирования пластин обрастания является наиболее близким по технической сути к предполагаемой полезной модели. Оно содержит установленный с возможностью вращения опорный элемент в виде рамы прямоугольной формы с положительной плавучестью, оснащенной жестко прикрепленным к ней вертикальным килем и кассетами с пластинами обрастания, вращающейся вокруг вертикального стержня, закрепленного на несущем тросе, служащем для установки устройства в водоеме. Дополнительно рама снабжена оттяжками, подсоединенными к несущему тросу посредством шайбы, обеспечивающей разворот оттяжек относительно троса.
Функционирование устройства обеспечивается эффектом флюгера за счет того, что при изменении направления течения на киле создается момент сил, разворачивающий опорный элемент с кассетами и пластинами обрастания вокруг вертикального стержня, закрепленного на опорном элементе, до тех пор, пока вертикальный киль не установится в положение параллельное направлению течения.
Известное устройство [4] обеспечивает однородность обрастания пластин, находящихся в разных частях устройства, и достижение статистически однородных результатов биологических испытаний, например степени обрастания однотипных материалов.
В известном устройстве [4] общими с предполагаемой полезной моделью признаками являются: установленный с возможностью вращения опорный элемент в виде рамы прямоугольной формы с положительной плавучестью, оснащенной жестко прикрепленным к ней вертикальным килем и кассетами с пластинами обрастания, вращающейся вокруг вертикального стержня, закрепленного на несущем тросе, служащем для установки устройства в водоеме.
Несмотря на существенные преимущества известного устройства [4] перед устройствами [1]-[3], оно не лишено недостатков. Устройство [4] обеспечивает не достаточно высокую скорость биологических испытаний в условиях течения, так как не позволяет получать на пластинах обрастания максимальное обилие обрастания, что особенно важно при испытаниях противообрастательных покрытий и других материалов на обрастаемость, а также при оценке качества воды. Дополнительно, устройство [4] не позволяет оптимизировать биологические испытания путем создания условий для получения прогнозируемого обилия обрастания.
Целями создания предполагаемой полезной модели являются: увеличение скорости и точности проведения биологических испытаний обрастания материалов и покрытий в условиях течения, оптимизация испытаний, а также повышение надежности работы устройства.
Увеличение скорости проведения биологических испытаний обрастания материалов и покрытий в условиях течения достигается тем, что, в известном устройстве, содержащем вертикальный стержень, закрепленный на несущем тросе, служащем для подвешивания устройства в водоеме, установленный с возможностью вращения вокруг
вертикального стержня опорный элемент в виде рамы прямоугольной формы с положительной плавучестью, оснащенной жестко прикрепленным к ней вертикальным килем и кассетами с пластинами обрастания, в соответствии с предполагаемой полезной моделью, на опорном элементе перед кассетами с пластинами обрастания и вертикальным килем размещены решетки, изменяющие характеристики потока, причем решетки размещены на расстоянии от пластин обрастания, не превышающем двойной наименьший размер сечения ячеек решеток.
Увеличение точности проведения биологических испытаний обрастания материалов и покрытий в условиях течения достигается тем, что, в известном устройстве, содержащем вертикальный стержень, закрепленный на несущем тросе, служащем для подвешивания устройства в водоеме, установленный с возможностью вращения вокруг вертикального стержня опорный элемент в виде рамы прямоугольной формы с положительной плавучестью, оснащенной жестко прикрепленным к ней вертикальным килем и кассетами с пластинами обрастания, в соответствии с предполагаемой полезной моделью, размеры ячеек решеток, установленных перед кассетами с пластинами обрастания и килем, выбирают превышающими размеры стороны пластин обрастания, направленные к ячейкам, причем пластины обрастания размещают в плоскости, проходящей через середины ячеек.
Оптимизация проведения биологических испытаний обрастания материалов и покрытий в условиях течения достигается тем, что, в соответствии с предполагаемой полезной моделью, в известном устройстве, содержащем вертикальный стержень, закрепленный на несущем тросе, служащем для подвешивания устройства в водоеме, установленный с возможностью вращения вокруг вертикального стержня опорный элемент в виде рамы прямоугольной формы с положительной плавучестью, оснащенной жестко прикрепленным к ней вертикальным килем и кассетами с пластинами обрастания,
в соответствии с предполагаемой полезной моделью, используют такие решетки и такие организмы обрастания, которые дают прогнозируемое обилие обрастания.
Дополнительно предлагаемое устройство отличается от известного устройства [4], наиболее близкого по технической сущности к предлагаемому устройству, тем, что, в соответствии с предполагаемой полезной моделью, вертикальный стержень, вокруг которого вращается рама, может быть закреплен на жестком основании, например на придонном стенде.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется фигурами 1-6. На фиг.1, помещенной в тексте описания в примере 3, изображены турбулентные пульсации на разных расстояниях от стенок ламинаризирующей решетки. На фиг.2 изображен общий вид предлагаемого устройства; на фиг.3 - турбулизирующая решетка; на фиг.4 - ламинаризирующая решетка; на фиг.5 - система подвешивания устройства в воде; на фиг.6 - узел вращения устройства при его размещении на придонном стенде.
Предлагаемое устройство лишено указанных недостатков устройства [4], что достигнуто за счет использования в нем решеток 1, жестко фиксированных на опорном элементе 2 и помещенных со стороны течения (набегающего потока) перед кассетами 3 с пластинами обрастания 4, закрепленными на опорном элементе 2 (фиг.2).
Использование в предлагаемом устройстве решеток 1 обеспечивает изменение характеристик набегающего потока. Это достигается благодаря применению решеток 1, усиливающих естественные турбулентные пульсации потока (турбулизирующие решетки), или, напротив, ослабляющих их (ламинаризирующие решетки).
Турбулизирующая решетка (фиг.3) включает систему параллельных друг другу стержней 5, например цилиндрической формы, жестко закрепленных на планках, образующих прямоугольный каркас. Стержни 5 расположены в вертикальной плоскости, причем толщина стержней и расстояние между соседними стержнями выбираются с таким расчетом, чтобы обеспечить требуемое изменение характеристик потока при данной
скорости течения, например максимальное усиление турбулентных пульсаций потока. Стержни 5 турбулизирующих решеток вместе с планками 6 образуют прямоугольные ячейки 7.
Ламинаризирующая решетка (фиг.4) включает жестко связанные между собой взаимно параллельные горизонтальные и вертикальные планки 6, совместно образующие систему ячеек 7, имеющих форму призм, например с квадратным сечением, как на фиг.4. Для обеспечения требуемого сглаживания турбулентных пульсаций потока, в соответствии с [5], длина L ячеек в направлении обтекания должна превышать линейные размеры "а" ячеек в их поперечном сечении, например для максимального сглаживания турбулентных пульсаций потока в 10 и более раз.
Применение турбулизирующих или ламинаризирующих решеток 1 при проведении биологических испытаний в условиях течения с участием разных доминирующих видов обрастателей позволяет увеличить скорость проведения испытаний и соответственно сократить их время за счет увеличения обилия обрастания. Таким образом, за одно и то же время при использовании предлагаемого устройства можно провести большее число испытаний, например противообрастательных покрытий, чем при использовании известного устройства [4].
Решетки 1 размещают на расстоянии от пластин обрастания 4, не превышающем двойной наименьший размер сечения ячеек 7. Это определяется тем существенным обстоятельством, что при расстояниях больше указанных поток практически восстанавливает свои характеристики [5] и перестает быть фактором, положительно влияющим на скорость проведения испытаний. Таким образом, оптимальным является расстояние решеток 1 от пластин обрастания 4, равное одному наименьшему размеру ячеек решеток.
Для повышения точности проведения биологических испытаний размеры ячеек решеток выбирают с таким расчетом, чтобы они превышали размеры пластин обрастания
4. В противном случае, изменение характеристик набегающего потока на разных участках трансект (участках пластин, на которых определяют обилие обрастания) не будет одинаковым [5], что приведет к разной обрастаемости пластин в силу зависимости обилия обрастания от скорости и турбулентности течения [6]. Таким образом, указанное обстоятельство приведет к снижению точности количественных оценок обилия обрастания и, следовательно, к снижению точности проведения биологических испытаний.
Поскольку по нормали от стенок ламинаризирующих решеток и стержней 5 турбулизирующих решеток внутрь ячеек изменение характеристик набегающего потока возрастает, согласно [5], в предлагаемом устройстве, в соответствии с формулой полезной модели, пластины обрастания 4 размещают в плоскости, проходящей через середины ячеек вдоль потока в горизонтальной или вертикальной плоскости.
Как было установлено ранее [7], существуют три группы видов обрастателей по их отношению к турбулентности потока. Большинство изученных видов достигают больших обилии в условиях турбулентности, повышенной, по сравнению с естественной. Небольшое число видов достигают большего обилия при сглаженных турбулентных пульсациях потока или при естественной турбулентности. Таким образом, для разных видов обрастателей существуют свои оптимальные условия турбулентности потока для оседания, пополнения и роста.
Эффект оптимизации биологических испытаний достигается за счет того, что при решении разнообразных научных и практических задач требуется обрастание, достигающее разного обилия, что может быть получено на основе использования дифференциальной реакции обрастателей на характеристики потока, которые прогнозируемо задаются с использованием решеток с требуемыми характеристиками. Поэтому с целью оптимизации биологических испытаний, в соответствии с формулой полезной модели, в предлагаемом устройстве используют такие решетки, а испытания
проводят с такими доминирующими видами, которые дают прогнозируемое, например максимальное, обилие обрастания.
С целью повышения надежности работы устройства, в соответствии с формулой предлагаемой полезной модели, вертикальный стержень 9, вокруг которого вращается рама 2, может быть закреплен на жестком основании 16, например на придонном стенде с помощью гайки 17 (фиг.7). Повышение надежности работы устройства обусловлено тем, что в этом случае обеспечиваются лучшие условия для вращения рамы 2 и жестко связанных с ней кассет 3 с пластинами обрастания 4 вокруг вертикального стержня 9. Дополнительно при заглублении устройства в придонный слой снижаются действующие на него волновые и ветровые нагрузки. При размещении устройства на придонном стенде в предполагаемой полезной модели использован игольчатый подшипник (фиг.7), снижающий силу трения при вращении устройства вокруг вертикального стержня 9 при изменении направления течения.
Предлагаемое устройство, в соответствии с формулой изобретения, обеспечивает испытание обрастания материалов и покрытий благодаря тому, что пластины обрастания изготавливают из тестируемых материалов и покрытий. Из практики и теории известно [6], чем меньше площадь пластин, тем выше обилие обрастания на них. Поэтому на предлагаемом устройстве обеспечиваются более жесткие условия испытания материалов и покрытий, чем на конкретных изделиях, изготовленных из них или покрытых ими, так как габариты изделий значительно больше, чем пластин обрастания, размеры которых обычно не превышают 10-20 см.
При испытании покрытий, например противообрастательных покрытий, с использованием предлагаемого устройства, в соответствии с формулой изобретения, их предварительно наносят на пластины обрастания, изготовленные из некорродирующих материалов или покрытые противокоррозионными составами. Это необходимо для того, чтобы испытать в чистом виде обрастание покрытий, например противообрастательных
покрытий, без влияния на их обрастание веществ, выделяемых из материала пластины, например например противообрастательных покрытий, металла, при его коррозии в воде.
Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом. В условиях течения сила напора воды, действующая на вертикальный киль 8 разворачивает устройство вокруг вертикального стержня 9 до тех пор, пока вертикальный киль 8 не займет положение, параллельное течению. Это обеспечит такое положение решеток 1, при котором плоскости отверстий ячеек 7, обращенных к набегающему потоку, будут ориентированы перпендикулярно направлению течения. Именно в данном случае, как было описано выше, в соответствии с предполагаемой полезной моделью, достигается наибольшая скорость и точность проведения биологических испытаний. При этом дополнительно обеспечивается оптимизация биологических испытаний, что связано с дифференциальным улучшением условий для оседания и роста конкретных видов обрастателей под влиянием изменения характеристик потока решетками 1 определенного типа (или при их отсутствии).
Надежность функционирования предлагаемого устройства при его подвешивании в толще воды на вертикальном тросе 10 (фиг.5) обеспечивается благодаря тому, что вес устройства компенсируется подъемной силой поплавков 11, которая ограничивается оттяжками 12, связанными с опорной пластиной 2 и нижним узлом вращения. Дополнительно надежная фиксация предлагаемого устройства в водоеме на заданной глубине достигается использованием груза 13, служащего противовесом бую 14, а также за счет якоря 15, находящегося на дне. Для обеспечения положительной плавучести предлагаемого устройства опорная пластина может быть выполнена полой и наполнена, например воздухом или легким газом.
Предлагаемое устройство позволяет экспонировать пластины обрастания 4 в горизонтальной или вертикальной плоскости, например параллельно течению. Пластины обрастания 4 могут экспонироваться в водоеме с использованием предлагаемого
устройства, в соответствии с задачами исследования, также под углом к горизонтальной или вертикальной плоскости, например перпендикулярно направлению течения, что может быть осуществлено путем изменения ориентации кассет 3 с пластинами обрастания 4 или опорной пластины 2 относительно горизонта или направления течения. Однако при этом скорость проведения испытаний снижается, так как максимальное обилие обрастания развивается при ориентации плоскости пластин обрастания параллельно набегающему потоку [6], [8].
Предлагаемое устройство позволяет экспонировать пластины обрастания 4 в любых водоемах на разных глубинах, например в прибрежной зоне морей, что достигается с использованием системы подвески с двумя узлами вращения (фиг.5). Необходимость второго (дополнительного) узла вращения обусловлена тем, что, как показала практика, при его отсутствии в результате многократных поворотов устройства вокруг вертикального стержня 9 в условиях течения, переменного по направлению, происходит скручивание вертикального троса 10, что приводит, в конечном счете, к остановке устройства и нарушению его функционирования.
При установке предлагаемого устройства на придонном стенде, в придонном слое воды, в соответствии с задачами исследования, отпадает необходимость в двух узлах вращения, так как опорная пластина 2 свободно вращается вокруг вертикального стержня 9, жестко закрепленного на стенде (фиг.6). В этом случае конструкция узла вращения, который снабжен игольчатым подшипником, снижающим трение вращения, обеспечивает оптимальные условия для функционирования предлагаемого устройства.
Сборка устройства осуществляется следующим образом. На опорную пластину 2 устанавливают вертикальный киль 8, решетки 1 и кассеты 3 с пластинами обрастания 4, а также узел вращения, включающий вертикальный стержень 9. Поплавки 12 притягивают к раме 2 хомутами или веревкой. Вертикальный киль 8 крепится к опорной пластине 2 уголками из металла или пластмассы. Кассеты 3 жестко крепятся к опрному элементу
болтами или иным способом. Поплавки 11 и оттяжки 12 подбираются такой длины, чтобы обеспечить горизонтальное (или иное заданное) положение опорной пластины 2 относительно горизонта. Груз 13 должен быть такого веса, чтобы уравновесить буй 14. Длина якорного троса 10 выбирается достаточной для удержания буя 14 на плаву даже при максимальных колебаниях уровня воды, например при приливах в прибрежной зоне морей.
Все элементы предлагаемого устройства изготавливаются из некорродирующих в воде материалов, не выделяющих вещества, затрудняющие развитие обрастания, что создает оптимальные условия для функционирования устройства и развития на нем обрастания.
Технико-экономическая эффективность предлагаемого устройства по отношению к базовому объекту, характеризующему мировой уровень техники и действующему на территории Российской Федерации, за который принят [9], заключается в увеличении скорости и точности проведения биологических испытаний, а также в их оптимизации.
В качестве базового объекта выбрано известное устройство для экспонирования пластин обрастания [9], широко применяемое в настоящее время в практике исследований обрастания, в котором для увеличения скорости проведения биологических испытаний применено двухрядное расположение кассет с пластинами обрастания, причем кассеты закреплены на стальной раме, которая подвешена в толще воды с помощью буя и якоря. В известном устройстве [9] не предусмотрена возможность вращения устройства при изменении направления течения, что не позволяет получать сравнимые и статистически однородные результаты биологических испытаний и снижает как их точность, так и скорость. В устройстве [9] также не заложена возможность увеличивать или прогнозируемым образом регулировать обилие обрастания, например за счет решеток, влияющих на характеристики потока, как это имеет место в предполагаемой полезной
модели, что не позволяет увеличивать скорость и точность биологических испытаний, а также оптимизировать его применительно к конкретным задачам исследования.
Технико-экономическая эффективность предлагаемого устройства по сравнению с прототипом и базовым объектом поясняется примерами.
Пример 1. Сравнение эффективности предлагаемого устройства с базовым объектом.
0,01
Летом 2004 г. (с 29 августа по 17 сентября) в губе Чупа Кандалакшского залива Белого моря производили биологические испытания устройств для экспонирования пластин обрастания предлагаемого устройства и базового объекта. На предлагаемом устройстве размещали 3 кассеты, в каждой из которых было по 7 пластин, на базом объекте - 2 кассеты (по 3-4 пластины в каждой). На базовом объекте половина кассет была ориентирована преимущественно в направлении приливного течения, половина - отливного течения, т.е. пластины экспонировались под разными углами к направлению течения на приливе (серии 1-3) и на отливе (серии 4-6), так как это устройство не вращалось. Всего было использовано 3 устройства, отвечающих базовому объекту. На предлагаемом устройстве пластины экспонировались вдоль течения, так как в этом устройстве был реализован принцип флюгера. Пластины (26×76 мм) из винипроза находились на глубине 1 м. По окончании опытов пластины перевозили в лабораторию, фиксировали формалином для прекращения развития обрастания, после чего определяли количество микрообрастателей (диатомовых водорослей) на каждой из пластин в 30 полях зрения микроскопа "Биолам" при увеличении 600х с водно-иммерсионным объективом. На основе полученных таким образом первичных данных рассчитывали статистические показатели обрастания: среднее арифметическое и его ошибку. Об однородности обрастания на предлагаемом устройстве и базовым объекте судили на основе критерия Фишера F при проведении дисперсионного анализа. Как известно, при F>F статистическая совокупность не является однородной и фактически не составляет единую
выборку. Такие совокупности (в нашем случае серии опытов) на этом основании не могут сравниваться с другими сериями опытов и могут рассматриваться как артефакты.
0,01
Было установлено, что в период проведения испытаний доминирующими видами в планктоне и на пластинах были диатомовые водоросли, не считая бактерий. Результаты статистического анализа полученного материала показали, что в случае базового объекта в 4 из 6 серий опытов наблюдается неоднородность по критерию Фишера (F>F). Это означает, что на разных пластинах, находящихся в одной и той же кассете, пластины обрастают по разному, хотя, казалось бы, находятся в одинаковых условиях экспонирования. Вследствие этого в 67% случаев при сравнении разных серий по обилию (численности) обрастания оказывается, что они достоверно различаются между собой, т.е. обрастание на разных кассетах идет по-разному.
В то же время результаты статистического анализа полученного материала показали, что обрастание на предлагаемом устройстве было весьма однородным как в пределах кассет, так и при сравнении между собой обилия диатомовых на кассетах. Таким образом, на всех 14 пластинах, сгруппированных в две кассеты, наблюдалось однородное обрастание, т.е. пластины обрастали фактически одинаково и образовывали  одну однородную по обилию совокупность.
Сравнение диатомового обрастания показывает, что по скорости проведения испытаний предлагаемое устройство превосходит базовый объект в 3 раза (100%:2/6), по точности - также в 3 раза (100%:(100-67)%).
Таблица 1.Сравнительные данные диатомового обрастания пластин на предлагаемом устройстве и устройстве, соответствующем базовому объекту (Н - процент пар серий опытов, достоверно различающихся между собой по обилию обрастания по критерию Стьюдента).
Номер серии опытов
Средняя численность обрастания, клеток/см<sup>2</sup>
Н, %
F
F<sub>0,01</sub>
Базовый объект
1
112570±9310
3,2
4,0
2
123930±8040
8,5
4,9
3
153420±6540
8,5
4,9
4
82620±8670
6,7
4,0
5
64990±5510
10,4
4,0
6
98140±9120
3,5
4,9
Суммарно
105950±7650
67
6,3
4,6
Предлагаемое устройство
1
220600±8600
1,1
2,9
2
251000±11200
0,2
6,9
Суммарно
0
0,2
6,9
Сходные эксперименты были проведены в том же районе в период массового оседания личинок двустворчатого моллюска мидии Mytilus edulis на устройстве, принятом за базовый объект, и на предлагаемом устройстве. Моллюсков учитывали на всей поверхности вертикально ориентированных пластин, экспонировавшихся на глубине 1,5 м в августе 2006 г. Пластины были изготовлены из оргстекла и ошкурены для лучшей фиксации на них моллюсков. На базовом объекте были размешены 6 кассет (по 5 пластин в каждой): 3 были ориентированы преимущественно в сторону прилива, остальные - в сторону отлива. На предлагаемом устройстве пластины экспонировались параллельно течению. В таблице 2 приведены суммарные данные обрастания пластин мидиями.
Таблица 2.Сравнительные данные обрастания пластин мидиями на предлагаемом устройстве и устройстве, соответствующем базовому объекту (Н - процент пар серий опытов, достоверно различающихся между собой по обилию обрастания по критерию Стьюдента).
Устройство
Н, %
F
F<sub>0,01</sub>
Базовый объект
67
5,7
3,9
Предлагаемое устройство
0
0,01
4052
Таким образом, и в этом случае предлагаемое устройство превосходило базовый объект по скорости и точности испытаний в 3 раза.
Пример 2. Сравнение предлагаемого устройства с прототипом. Увеличение скорости биологических испытаний с использованием предлагаемого устройства.
Летом 2005 г. (с 15 июля по 12 сентября) в губе Чупа Кандалакшского залива Белого моря проводили биологические испытания устройств для экспонирования пластин обрастания - прототипа и предлагаемого устройства. Пластины размером 5×10 см, изготовленные из оргстекла и ошкуренные, экспонировали на этих устройствах в горизонтальном положении на придонном стенде, на расстоянии около 1 м от дна. Учитывали общую численность массовых видов на верхней и нижней стороне пластин, собранных в кассеты. В каждой кассете было по 7 пластин, размещенных друг над другом.
Достоверность различий средних численностей определяли с использованием критерия Стьюдента.
В период испытаний массовыми были виды двустворчатых моллюсков (мидий, хиател и гетерономий) и полихет семейства Spirorbidae (Spirorbis sp. и Circeis armoricana). Именно эти виды давали наибольшие численности
Таблица 3.Сравнительные данные обрастания (экз./м<sup>2</sup>) на предлагаемом устройстве и устройстве, отвечающим прототипу.
Режим обтекания, по сравнению с естественным
Виды
естественный
более ламинаризированный
Более турбулизированный
Верхняя сторона пластин
Mytilus edulis
26840±3680
10760±2290
42360±7620
Hiatella arctica
1360±640
760±280
2000±550
Нижняя сторона пластин
Mytilus edulis
11560±1400
7520±1500
15200±3200
Hiatella arctica
Spirorbis sp.
360±190
120±60
440±230
Circeis armoricana
9240±1420
-
3480±1320
4680±1160
21800±2360
-
обрастания на пластинах. Устройству, отвечающему прототипу, соответствует естественный режим течения, тогда как в случае предлагаемого устройства - он был либо более ламинаризированным или более турбулизированным (по сравнению с естественным) за счет применения соответствующих решеток.
Как видно из данных табл.3, предлагаемое устройство дает существенное увеличение скорости проведения испытаний, по сравнению с устройством, принятым за прототип. Так для Circeis armoricana оно составляет около 4,5 раза, для Spirorbis sp. - почти 3 раза, для Mytilus edulis и Hiatella arctica - около 1,5 раза.
Пример 3. Увеличение точности биологических испытаний с использованием предлагаемого устройства.
Для определения оптимального положения пластин обрастания относительно стенок ячеек решеток были выполнены эксперименты с ламинаризирующими решетками. Размер сечения ячеек решеток составлял 25×25 мм, длина решеток в направлении обтекания - 250 мм. В опытах использовали малую аэродинамическую трубу Санкт-Петербургского государственного технического морского университета. Для регистрации характеристик потока применяли термоанемометр Диза. В поток, создаваемый аэродинамической трубой, вносили возмущения. Скорость воздушного потока соответствовала скорости течения воды 7,5-10 см/с, что вполне сопоставимо со скоростями приливных течений в месте проведения натурных испытаний устройств.
Как было установлено, амплитуда турбулентных пульсаций при выходе из ламинаризирующей решетки, сглаживающей турбулентные пульсации потока, изменяется от стенок ячеек к их середине (фиг.1). Она максимальна на стенке (0,25, 50 мм на оси абсцис) и минимальна посередине ячейки (12,5; 37,5; 63 мм на оси абсцисс).
Поскольку, как было показано в примере 2, обилие обрастания зависит от пульсаций в потоке (опыты с турбулизирующими решетками), то обилие обрастания также будет зависеть от положения пластин относительно стенок ячеек. Таким образом, результаты физических экспериментов показывают, что оптимальное положение пластин обрастания за решетками, при котором будут достигаться наиболее точные оценки обрастания, соответствует положению пластин посередине ячеек.
Пример 4. Оптимизация биологических испытаний при использовании решеток.
Биологические испытания проводили, как указано в примере 1, в период с 10 июня по 10 сентября 2006 г., изымая пластины из моря 1 раз в месяц и определяя на них численность обрастателей. Испытания позволили установить, что по зависимости обилия обрастания от турбулентных характеристик потока существуют три группы организмов (табл.4): одни достигают большего обилия в условиях повышенной турбулентности (турбулизирующие решетки), другие - в условиях пониженной турбулентности (ламинаризирующие решетки), третьи - фактически не зависят от изменений турбулентных характеристик потока (без решеток, что соответствует прототипу). Всего было изучено 16 видов, наиболее часто встречавшихся в обрастании.
Таблица 4.Условия (знак "+"), при которых достигаются наибольшие обилия разными видами обрастателей.В скобках указано, на какой стороне пластин при их горизонтальной ориентации на предлагаемом устройстве обилие обрастания было наибольшим.
Таксой
естественная
Турбулентность Повышенная
пониженная
1. Диатомовая водоросль
+
Berkeleja rutilans
(верхняя)
2. Красные водоросли
+
+
Polysiphonia, Ceramium
(верхняя)
(верхняя)
3. Бурые водоросли
+
+
Pylaliella, Ectocarpus
(верхняя)
(верхняя)
4. Бурая водоросль
+
Fucus vesiculosus
(верхняя)
5. Бурая водоросль
+
Laminaria saccharina
(верхняя)
6. Зеленая водоросль
+
Enteromorpha
(верхняя)
7. Инфузория
+
Folliculina producta
(нижняя)
8. Гидроидные полипы
Gonothyraea loveni
+
Dynamena pumila
(верхняя)
9. Полихета
+
Circeis armoricana
(нижняя)
10. Моллюски
Mytilus edulis, Hiatella
+
arctica
(верхняя)
11. Моллюск
+
+
+
Heteronomia squamula
(нижняя)
(нижняя)
(нижняя)
12. Асцидия
+
Molgula citrina
(нижняя)
Анализ данных, представленных в таблице 4, показывает, что разные виды достигают наибольшего обилия при разных условиях турбулизации потока, хотя наиболее часто встречающимся случаем следует признать достижение наибольшего обилия обрастания при повышенной турбулентности. При максимальном обилии обрастания скорость проведения биологических испытаний также максимальна.
Следовательно, оптимизация биологических испытаний достигается, в соответствии с предлагаемой полезной моделью, при использовании таких решеток и таких организмов обрастания, которые дают прогнозируемое обилие обрастания, например максимальное.
Литература
1. Munteanu N., Maly E. J. The effect of current on the distribution of diatoms settling on submerged glass slides // Hydrobiologia. 1981. Vol.78, N 3. P.274-275.
2. Mullineaux L.S., Garland E.D. Larval recruitment in response to manipulated field flows // Mar. Biol. 1993. Vol.116, N 4. P.667-683.
4
3. Раилкин А.И., Гудков А.В. Устройство для экспонирования пластин обрастания. Патент РФ №1066514, приоритет 11.06.82, МКИ А01К 61/00.
4
4. Раилкин А.И. Устройство для экспонирования пластин обрастания. Патент РФ №1242081, приоритет 07.01.85, МКИ А01К 61/00.
5. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1974. 712 с.
6. Railkin A.I. Marine Biofouling: Colonization Processes and Defenses. Boca Raton (Florida, USA), London, New York, Washington: CRC Press, 2004. 303 p.
7. Раилкин А.И., Гагаринова Н.Г. Оседание бентосных организмов и пополнение сообществ в придонном слое с модифицированной турбулентностью // VII научная сессия Морской биол. станции СПбГУ. Тезисы докл. СПб. 2006. С.72-73.
8. Усов Н.В., Таранов А.E., Раилкин А.И., Корнев Н.В. Влияние течения на количественное распределение морского обрастания // Вестник С.-Петербург, ун-та. Сер. 3. 2001. Вып.4, №27. С.83-86.
9. Жариков В.В. Участие простейших в обрастании стекол в Черном море // Вестник Ленингр. Ун-та. Сер. 3. 1980. Вып.3, №15. С.22-25.