Теоретическая и прикладная экология

1995-43012618-8406

10.25750/1995-4301-2026-2-048-057

Other

Широкополосное акустическое воздействие на адгезию морских организмов-обрастателей из Севастопольской бухты: экспериментальное исследование и моделирование

Broadband acoustic impact on the adhesion of marine fouling organisms from Sevastopol Bay: experimental study and modeling

Кузнецов

А. В.

Kuznetsov

A. V.

kuznet61@gmail.com

https://orcid.org/0000-0002-0015-7994

Втюрина

Д. Н.

Vtyurina

D. N.

https://orcid.org/0000-0002-1192-9988

A.O. Kovalevsky Institute of Biology of the Southern Seas of RASSevastopolRussia

Sevastopol State UniversitySevastopolRussia

Институт биологии южных морей им. А.О. Ковалевского РАНСевастопольРоссия

Севастопольский государственный университетСевастопольРоссия

N.N. Semenov Federal Research Center for Chemical Physics Russian Academy of SciencesMoscowRussia

Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семенова РАНМоскваРоссия

25062026

24857

http://www.envjournal.ru/ari/v2026/v2/26205.pdf

Обрастание морских конструкций приводит к экономическим потерям из-за коррозии и повышенного гидродинамического сопротивления, что делает проблему актуальной для прикладной экологии. В отличие от традиционных подходов, таких как использование токсичных красок, перспективным решением представляется акустическое воздействие, требующее всесторонней оценки его влияния на морские экосистемы, что относится к сфере теоретической экологии. Таким образом, предотвращение обрастания является важной задачей, объединяющей экономические интересы и экологические исследования. В данной работе изучалось влияние звука малой мощности на процессы адгезии морских организмов-обрастателей из Севастопольской бухты в летний период 2024 г. Эксперимент проводился в двух идентичных ёмкостях, одна из которых служила контрольной, а в другой использовался акустический излучатель с диапазоном частот 0-30 кГц. Оседание Mytilaster lineatus (Gmelin, 1791) на стеклянных пластинах в опытной группе значительно снижалось по сравнению с контрольной (p < 0,01). Экспериментальные данные подчёркивают многоступенчатость процесса обрастания. Имитационное моделирование, проведённое с использованием агентно-ориентированного подхода, выявило сложные структурные отношения внутри популяции обрастателей. Результаты важны для понимания экологических аспектов процесса обрастания и могут быть использованы для разработки экологически безопасных методов борьбы с обрастанием сооружений в морях.

This study investigates the effects of low-power broadband acoustic waves on the adhesion of marine fouling organisms from Sevastopol Bay. Designed to evaluate the potential of acoustic methods as an environmentally friendly alternative to traditional toxic coatings for preventing biofouling on artificial structures, the experiment was conducted during the summer of 2024. The experimental setup consisted of two identical containers: one serving as a control and the other equipped with an acoustic emitter operating in the frequency range of 0-30 kHz. Glass slides were placed in both containers to monitor the adhesion of marine organisms. The results indicated a statistically significant reduction (p < 0.01) in Mytilaster lineatus (Gmelin, 1791) fouling on the glass slides within the experimental container compared to the control.

акустические воздействияадгезиямикрообрастаниебиозащитаагентное моделирование

acoustic effectsadhesionmicrofoulingbioprotectionagent-based modeling

1. Айзатуллин Т.А., Лебедев В.Л., Хайлов К.М. Океан. Активные поверхности и жизнь. Л.: Гидрометеоиздат, 1979. 191 с.

2. Никитин В.Н. Биология обрастания судов в Чёрном море // Докл. АН СССР. 1947. T. 58. № 6. С. 1183–1185.

3. Chambers L.D., Stokes K.R., Walsh F.C., Wood R.J.K. Modern approaches to marine antifouling coatings // Surf. Coat. Technol. 2006. V. 201. No. 6. P. 3642–3652. doi: 10.1016/j.surfcoat.2006.08.129

4. Ryabushko L.I., Bondarenko A.V., Miroshnichenko E.S., Lishaev D.N., Shiroyan A.G. Diatoms and cyanobacteria of periphyton of experimental synthetic polymer materials in Karantinnaya Bay in the Black Sea // Inland Water Biol. 2020. V. 13. No. 3. P. 399–407. doi: 10.1134/S1995082920020285

5. Fouling Science and Technology / Eds. L.F. Melo, T.R. Bott, C.A. Bernardo. Dordrecht: Springer, 1988. 744 p. doi: 10.1007/978-94-009-2813-8

6. Бобкова А.Н. Сезонные изменения структуры и биохимического состава микроперифитона // Гидробиол. журн. 1990. Т. 26. № 2. С. 33–37.

7. Гринцов В.А., Мурина В.В., Евстигнеева И.К. Биоразнообразие и структура сообщества обрастания твёрдых субстратов Карадагского природного заповедника (Чёрное море) // Мор. экол. журн. 2005. Т. 4. № 3. С. 37–47.

8. Раилкин А.И. Колонизация твердых тел бентосными организмами. СПб: Изд-во Санкт-Петербургского ун-та, 2008. 427 с.

9. Зевина Г.Б. Обрастания в морях СССР. М.: Изд-во МГУ, 1972. 219 с.

10. Брайко В.Д. Обрастание в Чёрном море. Киев: Наукова думка, 1985. 123 с.

11. Горбенко Ю.А., Крышев И.И. Статистический анализ динамики морской экосистемы микроорганизмов. Киев: Наукова думка, 1985. 144 с.

12. Савельев И.Б., Вольберг М.М., Гусев М.В. Методы исследования и пути управления взаимодействием партнёров в альгобактериальных ассоциациях // Вестн. Моск. Ун-та. Сер. 16, Биология. 1990. № 1. С. 3–4.

13. Зевина Г.Б. Биология морского обрастания. М.:Изд-во МГУ, 1994. 134 с.

14. Раилкин А.И., Твердов А.И., Отвалко Ж.А., Коротков С.И., Фомин С.Е. Оценка противообрастающих свойств материалов по показателям обилия многовидовых сообществ обрастания // Вода: Химия и экология. 2015. № 7. С. 52–56.

15. Бондаренко А.В., Рябушко Л.И., Благинина А.А. Подвержены ли биообрастанию синтетические медицинские маски в морской воде? // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон моря. 2023. № 3. С. 114–128.

16. Рябушко Л.И., Мирошниченко Е.С., Широян А.Г. Биологическое обрастание бассейна Карадагского дельфинария (Крым, Чёрное море) // Экосистемы. 2024. № 37. С. 7–16. doi: 10.29039/2413-1733-2024-37-7-16

17. Раилкин А.И., Отвалко Ж.А., Коротков С.И., Фомин С.Е., Кулева Н.В. Концепция экологически безопасной защиты от морского обрастания и её разработка с использованием каучук-эпоксидных покрытий // Мор-ской биол. журн. 2017. Т. 2. № 3. С. 40–52. doi: 10.21072/mbj.2017.02.3.04

18. Смирнова Л.Л. Методология изучения обрастания в прибрежных акваториях Чёрного моря и экспедиционных исследованиях в Индийском и Атлантическом океанах. Севастополь: ИПТС, 2021. 155 с. doi: 0.33075/978-5-6047088-1-1

19. Gomez-Banderas J. Marine natural products: a promising source of environmentally friendly antifouling agents for the maritime industries // Front. Mar. Sci. 2022. V. 9. Article No. 858757. doi: 10.3389/fmars.2022.858757

20. Долгопольская М.А., Аксельбанд А.М. Действие ультразвуковых колебаний на организмы морских обрастаний и процесс обрастания // Труды Севастопольской биологической станции. 1964. Т. 17. С. 309–324.

21. Неврова Е.Л., Петров А.Н., Мороз Н.А., Касьянов А.Б. Экспериментальное изучение воздействия ультра звука на микроперифитон искусственных субстратов с целью защиты от биопомех систем технического водоснабжения атомных электростанций // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон моря. 2023. № 3. С. 98–113.

22. Зацаринная Т.Г., Мороз Н.А., Аникевич К.П., Неврова Е.Л., Петров А.Н. Ультразвук в технологиях борьбы с биообрастаниями в системах оборотного водоснабжения на АЭС // Энергетические установки и технологии. 2024. Т. 10. № 1. С. 42–54.

23. Passmann C., Ermert H. A 100-MHz ultrasound imaging system for dermatologic and ophthalmologic diagnostics // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control. 1996. V. 43. No. 4. P. 545–552. doi: 10.1109/58.503714

24. Кузнецов А.В., Гришин И.Ю., Втюрина Д.Н. Пространственные модели пьезобелков и сетей белок-белковых взаимодействий у трихоплакса (пластинчатые) // Молекулярная биология. 2023. Т. 57. № 5. С. 895–897. doi: 10.31857/S0026898423050075

25. Фадеева М.В., Сергеева Е.В., Рыбакова К.А., Кузнецов А.В. Характеристика семейства катионных TRPA1-каналов Trichoplax sp. H2 (Placozoa) // Актуальные вопросы биологической физики и химии. 2022. Т. 7. № 3. С. 493–500. doi: 10.29039/rusjbpc.2022.0550

26. Kuznetsov A.V., Vtyurina D.N. Spatial reconstruction of TRPC mechanoreceptors in the ctenophore Mnemiopsis leidyi A. Agassiz, 1865 // Mol. Biol. 2023. V. 57. No. 4. P. 755–763. doi: 10.1134/S0026893323040106

27. Dempsey M.J. Marine bacterial fouling: a scanning electron microscope study // Mar. Biol. 1981. V. 61. P. 305–315. doi: 10.1007/BF00401570

28. Валовая Н.А. О формировании поселений Mytilaster lineatus в прибрежной зоне Чёрного моря // Донные сообщества и морские обрастания / Отв. ред. В.Е. Заика. Киев: Наукова думка, 1979. Вып. 48. С. 48–53.

29. Лебедовская М.В. Мшанки в сообществе обрастания искусственных субстратов в бухте Казачья Чёрного моря // Вестник РУДН. Сер.: Экология и безопасность жизнедеятельности. 2023. Т. 31. № 3. С. 313–322. doi: 10.22363/2313-2310-2023-31-3-313-322

30. Gao Z., Li B., Zheng C., Wang G. Molecular detection of fungal communities in the Hawaiian marine sponges Suberites zeteki and Mycale armata // Appl. Environ. Microbiol. 2008. V. 74. No. 19. P. 6091–6101. doi: 10.1128/AEM.01315-08

31. Amend A. From dandruff to deep-sea vents: Malassezia-like fungi are ecologically hyper-diverse // PLoS Pathog. 2014. V. 10. No. 8. Article No. e1004277. doi: 10.1371/journal.ppat.1004277

32. Кузнецов А.В., Петров А.Н., Пиркова А.В., Сергеева Е.В. Структура механорецепции и способность к адгезии у молоди мидии Mytilus galloprovincialis (Lamarck, 1819) при воздействии ультразвука // Системы контроля окружающей среды. 2023. № 4 (54). С. 41–51. doi: 10.33075/2220-5861-2023-4-41-51

33. Witten T.A., Sander L.M. Diffusion-limited aggregation, a kinetic critical phenomenon // Phys. Rev. Lett. 1981. V. 47. No. 19. P. 1400–1403. doi: 10.1103/PhysRevLett.47.1400

34. Полтаруха О.П. Об изучении сукцессии сообщества обрастания на противообрастающих покрытиях // Экология моря. 2000. T. 52. С. 39–43.

35. Немцева Н.В. Изучение образования биоплёнок в питьевой воде в процессе водоподготовки // Бюллетень Оренбургского научного центра УрО РАН. 2017. Т. 2. 10 c. [Электронный ресурс] http://elmag.uran.ru:9673/ magazine/Numbers/2017-2/Articles/NVN-2017-2.pdf (Дата обращения: 25.04.2025).

36. Симонова И.Р., Головин С.Н., Веркина Л.М., Березняк Е.А., Титова С.В. Методы культивирования и изучения бактериальных биоплёнок // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. 2017. № 1. С. 73–79. doi: 10.51620/3034-1981-2024-29-4-194-19

1. Aizatullin T.A., Lebedev V.L., Khailov K.M. Ocean. Active surfaces and life. Leningrad: Gidrometeoizdat, 1979. 191 p. (in Russian).

2. Nikitin V.N. Biology of vessel fouling in the Black Sea // Doklady AN SSSR. 1947. V. 58. No. 6. P. 1183–1185 (in Russian).

5. Fouling Science and Technology / Eds. L.F. Melo, T.R. Bott, C.A. Bernardo. Dordrecht: Springer, 1988. 744 p. doi: 10.1007/978-94-009-2813-8

6. Bobkova A.N. Seasonal changes in the structure and biochemical composition of microperiphyton // Hydrobiol. J. 1990. V. 26. No. 2. P. 33–37 (in Russian).

7. Grintsov V.A., Murina V.V., Evstigneyeva I.K. Biodiversity and structure of fouling community on the hard substrata of Karadag natural reservation (the Black Sea) // Mar. Ecol. J. 2005. V. 4. No. 3. P. 37–47 (in Russian).

8. Railkin A.I. Colonization of solid bodies by benthic organisms. Sankt-Peterburg: Publishing House of St. Petersburg University, 2008. 427 p. (in Russian).

9. Zevina G.B. Fouling in the seas of the USSR. Moskva: Publishing House of Moscow State University, 1972. 219 p. (in Russian).

10. Brayko V.D. Fouling in the Black Sea. Kiev: Naukova Dumka, 1985. 123 p. (in Russian).

11. Gorbenko Yu.A., Krychev I.I. Statistical analysis of the dynamics of the marine ecosystem of microorganisms. Kiev: Naukova Dumka, 1985. 144 p. (in Russian).

12. Saveliev I.B., Volberg M.M., Gusev M.V. Methods of studying and managing partner interactions in algal-bacterial associations // Vestnik Moskovskogo universiteta. Seriya 16. Biologiya. 1990. No. 1. P. 3–4 (in Russian).

13. Zevina G.B. Biology of marine fouling. Moskva: Publishing House of Moscow State University, 1994. 134 p. (in Russian).

14. Railkin A.I., Tverdov A.I., Otvalko Z.A., Korotkov S.I., Fomin S.E. The assessment of antifouling properties of materials upon indicators of abundance of many species fouling communities // Water: Chemistry and Ecology. 2015. No. 7. P. 52–56 (in Russian).

15. Bondarenko A.V., Ryabushko L.I., Blagynina A.A. Are polymer-based single-use face masks subject biofouling in seawater? // Ecological safety of coastal and shelf zones of the sea. 2023. No. 3. P. 114–128 (in Russian).

16. Ryabushko L.I., Miroshnichenko E.S., Shiroyan A.G. Biological fouling in the Karadag Dolphinarium (Crimea, Black Sea) // Ekosistemy. 2024. No. 37. P. 7–16 (in Russian). doi: 10.29039/2413-1733-2024-37-7-16.

17. Railkin A.I., Otvalko Zh.A., Korotkov S.I., Fomin S.E., Kuleva N.V. Concept of environmentally friendly protection against sea fouling and its development using epoxy-rubber coats // Mar. Biol. J. 2017. V. 2. No. 3. P. 40–52 (in Russian). doi: 10.21072/mbj.2017.02.3.04

18. Smirnova L.L. Methodology of studying fouling in coastal waters of the Black Sea and expedition research in the Indian and Atlantic Oceans. Sevastopol: IPTS, 2021. 155 p. (in Russian). doi: 10.33075/978-5-6047088-1-1

20. Dolgopolskaya M.A., Axelband A.M. The effect of ultrasonic vibrations on marine fouling organisms and the fouling process // Trudy Sevastopolskoy biologicheskoy stantsii. 1964. V. 17. P. 309–324 (in Russian).

21. Nevrova E.L., Petrov A.N., Moroz N.A., Kasyanov A.B. Experimental study of the effect of ultrasound effect on microperiphyton on artificial substrates for fouling protection of technical water supply circuit of nuclear power plants // Ecological safety of coastal and shelf zones of the sea. 2023. No. 3. P. 98–113 (in Russian).

22. Zatsarinnyaya T.G., Moroz N.A., Anikevich K.P., Nevrova E.L., Petrov A.N. Ultrasound in biofouling control technologies in circulating water supply systems at nuclear power plants // Energy Installations and Technologies. 2024. V. 10. No. 1. P. 42–54 (in Russian).

24. Kuznetsov A.V., Grishin I.Yu., Vtyurina D.N. Spatial models of piezoproteins and networks of protein-protein interactions in Trichoplax animals (Placozoa) // Molecular Biology. 2023. V. 57. No. 5. P. 895–897 (in Russian). doi: 10.31857/S0026898423050075

25. Fadeeva M.V., Sergeeva E.V., Rybakova K.A., Kuznetsov A.V. Characteristics of the cationic TRPA1-channals family in Trichoplax sp. H2 (Placozoa) // Russian Journal of Biological Physics and Chemistry. 2022. V. 7. No. 3. P. 493–500 (in Russian). doi: 10.29039/rusjbpc.2022.0550

27. Dempsey M.J. Marine bacterial fouling: a scanning electron microscope study // Mar. Biol. 1981. V. 61.P. 305–315. doi: 10.1007/BF00401570

28. Valovaya N.A. On the formation of Mytilaster lineatus colonies in the coastal zone of the Black Sea // Benthic communities and marine fouling / Ed. V.E. Zaika. Kiev: Naukova Dumka, 1979. No. 48. P. 48–53 (in Russian).

29. Lebedovskaya M.V. Bryozoans in fouling communities on artificial substrates in Kazachya Bay of the Black Sea // RUDN Journal of Ecology and Life Safety. 2023. V. 31. No. 3. P. 313–322 (in Russian). doi: 10.22363/2313-2310-2023-31-3-313-322

31. Amend A. From dandruff to deep-sea vents: Malassezia-like fungi are ecologically hyper-diverse // PLoS Pathog. 2014. V. 10. No. 8. Article No. e1004277. doi: 10.1371/journal.ppat.1004277

32. Kuznetsov A.V., Petrov A.N., Pirkova A.V., Sergeeva E.V. Structure of mechanoreception and adhesion capability in juvenile mussels Mytilus galloprovincialis (Lamarck, 1819) under ultrasound impact // Monitoring systems of environment. 2023. No. 4 (54). P. 41–51 (in Russian). doi: 10.33075/2220-5861-2023-4-41-51

33. Witten T.A., Sander L.M. Diffusion-limited aggregation, a kinetic critical phenomenon // Phys. Rev. Lett. 1981. V. 47. No. 19. P. 1400–1403. doi: 10.1103/PhysRevLett.47.1400

34. Poltarukha O.P. On the study of the succession of the fouling community on antifouling coatings // Ecologiya Morya. 2000. No. 52. P. 39–43 (in Russian).

35. Nemtseva N.V. Study of the formation of biofilms in drinking water in the process of technological preparation // Bulletin of the Orenburg Scientific Center of the Ural Branch of RAS. 2017. V. 2. 10 p. [Internet resource] http:// elmag.uran.ru:9673/magazine/Numbers/2017-2/Articles/NVN-2017-2.pdf (Accessed: 25.04.25) (in Russian).

36. Simonova I.R., Golovin S.N., Verkina L.M., Berezniak E.A., Titova S.V. Methods of culturing and studying bacterial biofilms // Bulletin of higher educational institutions. North Caucasus region. Natural sciences. 2017. No. 1. P. 73–79 (in Russian). doi: 10.51620/3034-1981-2024-29-4-194-198

Благодарим Пасенина С.Н и Рябушко В.И. за поддержку, Ревкова Н.К. за консультацию по личинкам митилястра, Холодова А.В. за помощь при проведении ПЦР, Царина С.А., Шадрина Н.В. и Петрова А.Н. за критическое прочтение рукописи, Празукина А.В. за обсуждение, Пепина И.С., Савицкого М.А и Шуралёва Л.А. за помощь в работе. Работа выполнена в соответствии с темами № 124022400152-1 и № 124022400148-4), «1.13 Фемтосекундная лазерная фотоника, масс-спектрометрия и спинтроника сложных химических и биологических систем», № 122040500074-1, Код научной темы: FFZE-2022-015.