التلوث البيولوجي

التلوث البيولوجي ظاهرة تصيب الأجسام المصنعة في وجود الماء، حيث تتراكم الكائنات الدقيقة والنباتات والطحالب والحيوانات الصغيرة على أسطحها، مما يعيق وظائفها. يُطلق على هذا التراكم اسم " التطفل السطحي " عندما يكون السطح المضيف كائنًا حيًا آخر، ولا تكون العلاقة طفيلية. ونظرًا لإمكانية حدوث التلوث البيولوجي في أي مكان تقريبًا يوجد فيه الماء، فإنه يُشكل مخاطر على مجموعة واسعة من الأجسام، مثل هياكل ومعدات السفن، والأجهزة الطبية والأغشية، فضلًا عن صناعات بأكملها، مثل صناعة الورق، وتصنيع الأغذية ، والإنشاءات تحت الماء، ومحطات تحلية المياه.

مقاومة التلوث البيولوجي هي قدرة المواد المصممة خصيصًا (مثل الدهانات المبيدة للجراثيم السامة، أو الدهانات غير السامة ) ^{[ 1 ]} على إزالة التلوث البيولوجي أو منعه. ^{[ 2 ]}

يشكل تراكم الكائنات الحية الدقيقة على السفن البحرية مشكلة كبيرة. في بعض الحالات، قد تتضرر بنية الهيكل وأنظمة الدفع. ^{[ 3 ]} يمكن أن يؤدي تراكم هذه الكائنات على الهياكل إلى زيادة كل من الحجم الهيدروديناميكي للسفينة والاحتكاك الهيدروديناميكي، مما يؤدي إلى زيادة السحب بنسبة تصل إلى 60%. ^{[ 4 ]} وقد لوحظ أن زيادة السحب هذه تؤدي إلى انخفاض السرعات بنسبة تصل إلى 10%، الأمر الذي قد يتطلب زيادة في استهلاك الوقود بنسبة تصل إلى 40% للتعويض. ^{[ 5 ]} ونظرًا لأن الوقود يشكل عادةً ما يصل إلى نصف تكاليف النقل البحري، فإن أساليب مكافحة التلوث البيولوجي توفر على قطاع الشحن مبالغ طائلة. علاوة على ذلك، يساهم ازدياد استهلاك الوقود بسبب التلوث البيولوجي في الآثار البيئية السلبية، ومن المتوقع أن يزيد انبعاثات ثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكبريت بنسبة تتراوح بين 38% و72% بحلول عام 2020 على التوالي. ^{[ 6 ]}

تتسم الكائنات الحية المسببة للتلوث البيولوجي بتنوعها الكبير، وتتجاوز بكثير مجرد التصاق البرنقيل والطحالب البحرية. تشير بعض التقديرات إلى أن أكثر من 1700 نوع، تضم أكثر من 4000 كائن حي، مسؤولة عن التلوث البيولوجي. ^{[ 7 ]} يُقسم التلوث البيولوجي إلى نوعين: التلوث الميكروبي - وهو تكوين الأغشية الحيوية والتصاق البكتيريا - والتلوث الماكروي - وهو التصاق الكائنات الحية الأكبر حجمًا. ونظرًا للاختلافات الكيميائية والبيولوجية التي تحدد ما يمنعها من الاستقرار، تُصنف الكائنات الحية أيضًا إلى أنواع صلبة أو لينة. تشمل الكائنات الحية الكلسية (الصلبة) المسببة للتلوث البرنقيل ، والحيوانات الطحلبية المتكلسة ، والرخويات مثل بلح البحر المخطط ، والديدان الأنبوبية . أما أمثلة الكائنات الحية غير الكلسية (اللينة) المسببة للتلوث فهي الطحالب البحرية ، والهيدرويدات ، والطحالب، والأغشية الحيوية اللزجة. ^{[ 8 ]} تشكل هذه الكائنات الحية مجتمعًا ملوثًا .

تكوين النظام البيئي

يُوصَف التلوث البحري عادةً بأنه يمر بأربع مراحل من تطور النظام البيئي. في غضون الدقيقة الأولى، يتسبب تفاعل فان دير فالس في تغطية السطح المغمور بطبقة مُهيِّئة من البوليمرات العضوية. خلال الـ 24 ساعة التالية، تسمح هذه الطبقة بحدوث عملية الالتصاق البكتيري ، حيث تلتصق كل من الدياتومات والبكتيريا (مثل Vibrio alginolyticus و Pseudomonas putrefaciens )، مما يُؤدي إلى بدء تكوين الغشاء الحيوي . بحلول نهاية الأسبوع الأول، تسمح العناصر الغذائية الغنية وسهولة الالتصاق بالغشاء الحيوي للمستعمرات الثانوية من جراثيم الطحالب الكبيرة (مثل Enteromorpha intestinalis و Ulothrix ) والبروتوزوا المستقرة (مثل Vorticella و Zoothamnium sp.) بالالتصاق. في غضون أسبوعين إلى ثلاثة أسابيع، تلتصق المستعمرات الثالثية - الكائنات الكبيرة المسببة للتلوث - والتي تشمل الكيسيات والرخويات واللاسعات المستقرة . ^{[ 1 ]}

تنفق الحكومات والقطاعات الصناعية أكثر من 5.7  مليار دولار أمريكي سنويًا لمنع ومكافحة التلوث البيولوجي البحري. ^{[ 9 ]} يحدث التلوث البيولوجي في كل مكان، ولكنه ذو أهمية اقتصادية بالغة لقطاعات الشحن البحري ، إذ أن تراكمه على هيكل السفينة يزيد بشكل كبير من مقاومة الماء ، مما يقلل من الأداء الهيدروديناميكي العام للسفينة، ويزيد من استهلاك الوقود. ^{[ 10 ]}

يُلاحظ التلوث البيولوجي أيضًا في جميع الظروف تقريبًا التي تتلامس فيها السوائل المائية مع مواد أخرى. وتتمثل آثاره الصناعية الهامة في صيانة مزارع الأحياء المائية ، وأنظمة الأغشية ( مثل المفاعلات الحيوية الغشائية وأغشية التناضح العكسي الحلزونية)، ودورات مياه التبريد للمعدات الصناعية الكبيرة ومحطات الطاقة . ويمكن أن يحدث التلوث البيولوجي في خطوط أنابيب النفط التي تنقل زيوتًا مختلطة بالماء، وخاصة تلك التي تنقل الزيوت المستعملة، وزيوت القطع ، والزيوت التي أصبحت قابلة للذوبان في الماء من خلال الاستحلاب ، والزيوت الهيدروليكية . ^{[ 11 ]}

تشمل الآليات الأخرى المتأثرة بالتلوث الحيوي أجهزة توصيل الأدوية الكهروكيميائية الدقيقة ، وآلات صناعة الورق واللب، والأجهزة تحت الماء، وأنابيب أنظمة مكافحة الحرائق، وفوهات أنظمة الرش. ^{[ 2 ] [ 8 ]} في آبار المياه الجوفية، يمكن أن يحد تراكم التلوث الحيوي من معدلات تدفق المياه، كما هو الحال في الأسطح الخارجية والداخلية للأنابيب الممتدة في المحيطات، حيث تتم إزالة التلوث غالبًا بعملية تنظيف الأنابيب . بالإضافة إلى تأثيره على الآليات، يحدث التلوث الحيوي أيضًا على أسطح الكائنات البحرية الحية، وهو ما يُعرف باسم التطفل السطحي. ^{[ 11 ]}

غالبًا ما تتضمن الأجهزة الطبية مشتتات حرارية مزودة بمراوح لتبريد مكوناتها الإلكترونية. ورغم أن هذه الأنظمة قد تحتوي أحيانًا على مرشحات HEPA لجمع الميكروبات، إلا أن بعض مسببات الأمراض تتسلل عبر هذه المرشحات، وتتجمع داخل الجهاز، ثم تُطرد في النهاية وتصيب مرضى آخرين. ^{[ 12 ]} نادرًا ما تحتوي الأجهزة المستخدمة في غرف العمليات على مراوح، وذلك لتقليل احتمالية انتقال العدوى. كما أن المعدات الطبية، ووحدات التكييف والتهوية، وأجهزة الكمبيوتر المتطورة، وحمامات السباحة، وأنظمة مياه الشرب، وغيرها من المنتجات التي تستخدم أنابيب السوائل، معرضة لخطر التلوث البيولوجي نتيجة نمو الكائنات الحية الدقيقة داخلها. ^{[ 13 ]}

تاريخيًا، انصبّ التركيز على التأثير الشديد للتلوث البيولوجي على سرعة السفن البحرية. في بعض الحالات، قد تتضرر هياكل السفن وأنظمة الدفع. ^{[ 3 ]} مع مرور الوقت، يؤدي تراكم الكائنات الحية الدقيقة على الهياكل إلى زيادة الحجم الهيدروديناميكي للسفينة، بالإضافة إلى زيادة الاحتكاك، مما يؤدي إلى زيادة مقاومة الماء بنسبة تصل إلى 60% . ^{[ 5 ]} يمكن أن تؤدي هذه المقاومة الإضافية إلى انخفاض السرعة بنسبة تصل إلى 10%، الأمر الذي قد يتطلب زيادة استهلاك الوقود بنسبة تصل إلى 40% للتعويض. ^{[ 5 ]} ونظرًا لأن الوقود يشكل عادةً ما يصل إلى نصف تكاليف النقل البحري، يُقدّر أن التلوث البيولوجي يُكلّف البحرية الأمريكية وحدها حوالي مليار دولار  سنويًا، وذلك بسبب زيادة استهلاك الوقود والصيانة وتدابير مكافحة التلوث البيولوجي. ^{[ 5 ]} تُساهم زيادة استهلاك الوقود نتيجة التلوث البيولوجي في الآثار البيئية السلبية، ومن المتوقع أن تزيد انبعاثات ثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكبريت بنسبة تتراوح بين 38 و72% بحلول عام 2020. ^{[ 6 ]}

يؤثر التلوث البيولوجي أيضًا على الاستزراع المائي، إذ يزيد من تكاليف الإنتاج والإدارة، ويقلل من قيمة المنتج. ^{[ 14 ]} قد تتنافس مجتمعات التلوث مع المحار مباشرةً على الموارد الغذائية، ^{[ 15 ]} أو تعيق حصول المحار على الغذاء والأكسجين عن طريق تقليل تدفق المياه حوله، أو تتداخل مع فتح صماماته. ^{[ 16 ]} ونتيجةً لذلك، قد يعاني المخزون المتأثر بالتلوث البيولوجي من انخفاض في النمو والحالة الصحية ومعدل البقاء، مما يؤثر سلبًا على إنتاجية المزرعة. ^{[ 17 ]} وعلى الرغم من وجود العديد من طرق الإزالة، إلا أنها غالبًا ما تؤثر على الأنواع المستزرعة، وأحيانًا أكثر من الكائنات الحية المسببة للتلوث نفسها. ^{[ 18 ]}

لطالما اعتمدت شركات الشحن على إزالة الملوثات البيولوجية بشكل دوري للحفاظ على تراكمها ضمن مستوى يمكن السيطرة عليه. ومع ذلك، يمكن أن يختلف معدل التراكم اختلافًا كبيرًا بين السفن وظروف التشغيل، لذا فإن التنبؤ بالفترات الزمنية المقبولة بين عمليات التنظيف أمر صعب.

قام مصنعو مصابيح LED بتطوير مجموعة من معدات الأشعة فوق البنفسجية (250-280  نانومتر) التي يمكنها اكتشاف تراكم التلوث البيولوجي، بل ويمكنها منعه.

يعتمد الكشف عن التلوث الحيوي على خاصية التألق في الكتلة الحيوية. تحتوي جميع الكائنات الدقيقة على فلوروفورات داخلية طبيعية، تشع في نطاق الأشعة فوق البنفسجية عند إثارتها. في أطوال موجات الأشعة فوق البنفسجية، ينشأ هذا التألق من ثلاثة أحماض أمينية عطرية هي: التيروسين، والفينيل ألانين، والتريبتوفان. يُعد التريبتوفان الأسهل في الكشف، إذ يشع عند 350  نانومتر عند تعريضه لإشعاع بطول موجي 280  نانومتر. ^{[ 19 ]}

في عام 2023، اعتمدت المنظمة البحرية الدولية (IMO) "المبادئ التوجيهية للسيطرة على التلوث البيولوجي للسفن وإدارته للحد من انتقال الأنواع المائية الغازية". ^{[ 20 ]}

في أبريل 2025، وافقت المنظمة البحرية الدولية على وضع إطار عمل ملزم قانونًا للسيطرة على التلوث البيولوجي للسفن وإدارته، بهدف الحد من تراكم الكائنات البحرية على هياكل السفن، وبالتالي الحد من انتقال الأنواع المائية الغازية. ^{[ 21 ]} كما تُحسّن السيطرة على التلوث البيولوجي للسفن من كفاءتها البيئية عن طريق تقليل مقاومة السحب. ^{[ 21 ]}

لطالما شكل التلوث البيولوجي، وخاصة على السفن، مشكلة منذ أن بدأ البشر بالإبحار في المحيطات. ^{[ 33 ]}

أقدم الشواهد على محاولات مكافحة التلوث البحري، وبالتالي أقدم الشواهد على معرفته، هي استخدام القار والطلاء النحاسي كحلول مضادة للتلوث، والتي نُسبت إلى شعوب بحرية قديمة، مثل الفينيقيين والقرطاجيين (1500-300 قبل الميلاد). وقد استُخدم الشمع والقطران والأسفلت منذ القدم. [ ^{33 ] ويذكر} سجل آرامي يعود تاريخه إلى عام 412 قبل الميلاد أن قاع سفينة طُلي بمزيج من الزرنيخ والزيت والكبريت. [ ^{34 ] وفي} كتابه "ديبنوسوفيستاي" ، وصف أثينايوس الجهود المبذولة لمكافحة التلوث البحري في بناء سفينة هيرون السرقوسية العظيمة (توفي عام 467 قبل الميلاد). ^{[ 35 ]}   

وجاء في تفسير مسجل لبلوتارخ عن تأثير التلوث على سرعة السفينة ما يلي: "عندما تلتصق الأعشاب والطين والأوساخ بجوانب السفينة، يصبح مسارها أكثر انفراجًا وضعفًا؛ والماء، الذي يأتي على هذه المادة اللزجة، لا ينفصل عنها بسهولة؛ وهذا هو السبب في أنهم عادة ما يسدون سفنهم." ^{[ 36 ]}

قبل القرن الثامن عشر، استُخدمت تقنيات متنوعة لمكافحة التلوث البحري، بثلاث مواد رئيسية: "المادة البيضاء"، وهي خليط من زيت الحيتان والصمغ والكبريت ؛ و "المادة السوداء"، وهي خليط من القطران والزفت ؛ و"المادة البنية"، وهي ببساطة كبريت مُضاف إلى المادة السوداء. ^{[ 37 ]} في كثير من هذه الحالات، يبقى الغرض من هذه المعالجات غامضًا. ثمة جدل حول ما إذا كانت العديد من هذه المعالجات تقنيات فعلية لمكافحة التلوث البحري، أو ما إذا كانت، عند استخدامها مع ألواح الرصاص والخشب، تهدف ببساطة إلى مكافحة ديدان السفن التي تثقب الخشب .

في عام 1708، اقترح تشارلز بيري استخدام التغليف النحاسي صراحةً كوسيلة مضادة للترسبات البحرية، ولكن التجارب الأولى لم تُجرَ حتى عام 1761 مع تغليف سفينة إتش إم إس ألارم ، وبعد ذلك تم تغليف قيعان وجوانب العديد من عوارض السفن وعوارضها الوهمية بألواح نحاسية. ^{[ 33 ]}

أثبت النحاس فعاليته في حماية هيكل السفينة من غزو الديدان، ومنع نمو الأعشاب البحرية، إذ يُكوّن عند ملامسته للماء طبقة سامة، تتكون أساسًا من أوكسي كلوريد ، تُنفر هذه الكائنات البحرية. علاوة على ذلك، ولأن هذه الطبقة قابلة للذوبان بشكل طفيف، فإنها تتلاشى تدريجيًا مع مرور الوقت، فلا تترك مجالًا للكائنات البحرية للالتصاق بالسفينة. منذ حوالي عام 1770، شرعت البحرية الملكية في طلاء قيعان أسطولها بالكامل بالنحاس، واستمرت في ذلك حتى نهاية استخدام السفن الخشبية. وقد حققت هذه العملية نجاحًا باهرًا، حتى أصبح مصطلح " قاع نحاسي" يُشير إلى شيء عالي الموثوقية أو خالٍ من المخاطر.

مع ظهور الهياكل الحديدية في القرن التاسع عشر، لم يعد بالإمكان استخدام التغليف النحاسي بسبب تفاعله التآكلي مع الحديد. جُرِّبت الدهانات المضادة للترسبات ، وفي عام ١٨٦٠، طُرِح أول طلاء عملي واسع الانتشار في ليفربول ، وكان يُعرف باسم طلاء "ماكينيس" البلاستيكي الساخن. ^{[ ٣٣ ]} تميزت هذه المعالجات بعمر افتراضي قصير، وارتفاع التكلفة، وانخفاض الفعالية نسبيًا وفقًا للمعايير الحديثة. ^{[ ١ ]}

بحلول منتصف القرن العشرين، كانت الدهانات القائمة على أكسيد النحاس قادرة على إبقاء السفن خارج الأحواض الجافة لمدة تصل إلى 18 شهرًا، أو لمدة لا تقل عن 12 شهرًا في المياه الاستوائية. ^{[ 33 ]} ويعود قصر عمر الخدمة إلى التسرب السريع للمادة السامة، وتحولها كيميائيًا إلى أملاح أقل سمية، والتي تتراكم على شكل قشرة تمنع المزيد من تسرب أكسيد النحاس الأحادي النشط من الطبقة التي تحت القشرة. ^{[ 38 ]}

شهدت ستينيات القرن العشرين طفرةً نوعيةً مع ظهور الدهانات ذاتية التلميع التي تتحلل ببطء ، مطلقةً السموم تدريجيًا. استخدمت هذه الدهانات مركبات عضوية قصديرية (قائمة على القصدير) سامة بيولوجيًا مثل أكسيد ثلاثي بوتيل القصدير (TBT)، وكانت فعالة لمدة تصل إلى أربع سنوات. حظرت المنظمة البحرية الدولية هذه السموم البيولوجية لاحقًا بعد أن تبين أنها شديدة السمية للعديد من الكائنات الحية. ^{[ 39 ] [ 40 ]} وقد وُصف أكسيد ثلاثي بوتيل القصدير (TBT) تحديدًا بأنه أكثر الملوثات سميةً التي أُطلقت عمدًا في المحيط على الإطلاق. ^{[ 26 ]}

كبديلٍ لسموم القصدير العضوية، تجدد الاهتمام بالنحاس كمادة فعالة في الدهانات المقاومة للتآكل أو ذاتية التلميع، والتي تصل مدة خدمتها إلى خمس سنوات؛ بالإضافة إلى طرق أخرى لا تتضمن استخدام الطلاء. تسمح المواد اللاصقة الحديثة بتطبيق سبائك النحاس على هياكل السفن الفولاذية دون التسبب في تآكل جلفاني. مع ذلك، فإن النحاس وحده ليس مقاومًا لتراكم الدياتومات والطحالب. تشير بعض الدراسات إلى أن النحاس قد يُسبب أيضًا تأثيرًا بيئيًا غير مقبول. ^{[ 41 ]}

بدأت دراسة التلوث البيولوجي في أوائل القرن التاسع عشر بتجارب ديفي التي ربطت فعالية النحاس بمعدل ذوبانه. ^{[ 33 ]} وفي ثلاثينيات القرن العشرين، أظهر عالم الأحياء الدقيقة كلود زوبيل أن التصاق الكائنات الحية يسبقه امتصاص مركبات عضوية تُعرف الآن باسم المواد البوليمرية خارج الخلوية . ^{[ 42 ] [ 43 ]}

من بين اتجاهات البحث دراسة العلاقة بين قابلية التبلل وفعالية مقاومة التلوث البيولوجي. وهناك اتجاه آخر يتمثل في دراسة الكائنات الحية كمصدر إلهام لمواد وظيفية جديدة. على سبيل المثال، الآليات التي تستخدمها الحيوانات البحرية لمنع التلوث البيولوجي على جلدها. ^{[ 44 ]}

تشير الأبحاث المتعلقة بالمواد المستخدمة في أسطح مقاومة التلوث الفائقة لمفاعلات الطبقة المميعة إلى أن البلاستيكات ذات قابلية التبلل المنخفضة مثل كلوريد البولي فينيل (PVC) والبولي إيثيلين عالي الكثافة وبولي ميثيل ميثاكريلات ("بلكسي جلاس") تُظهر ارتباطًا قويًا بين مقاومتها لالتصاق البكتيريا وكرهها للماء . ^{[ 45 ]}

كشفت دراسة للسموم الحيوية التي تستخدمها الكائنات الحية عن العديد من المركبات الفعالة، بعضها أقوى من المركبات المصنعة. وقد وُجد أن البوفالين ، وهو سم حيوي ، أقوى من ثلاثي بوتيل القصدير بأكثر من 100 مرة، وأكثر فعالية بأكثر من 6000 مرة في منع استقرار البرنقيل. ^{[ 46 ]}

تتمثل إحدى طرق مكافحة التلوث الحيوي في طلاء الأسطح ببولي إيثيلين جلايكول (PEG). ^{[ 47 ]} إلا أن تكوين سلاسل من PEG على الأسطح يمثل تحديًا. وقد يكمن حل هذه المشكلة في فهم الآليات التي تلتصق بها بلح البحر بالأسطح الصلبة في البيئات البحرية. إذ يستخدم بلح البحر بروتينات لاصقة ، أو ما يُعرف اختصارًا بـ MAPs. ^{[ 48 ]} كما أن العمر الافتراضي لطلاءات PEG غير مؤكد.

• التلوث
• الطلاءات المضادة للتلوث الحيوي المحاكية للطبيعة
• تريبوتيلتين
• طلاء القاع
• هندسة التآكل

• كيرشنر، تشيلسي م؛ برينان، أنتوني ب (2012)، "استراتيجيات مضادة للتلوث مستوحاة من الطبيعة"، المراجعة السنوية لبحوث المواد ، 42 : 211-229 ، Bibcode : 2012AnRMS..42..211K ، doi : 10.1146/annurev-matsci-070511-155012