Yeni Nesil Fouling-Release Tip Kaplamalar ve Fouling Organizmalar

Yeni Nesil Fouling-Release Tip Kaplamalar ve Fouling Organizmalar
Pelin Gökfiliz - Doktora Öğrencisi / Biyoteknoloji Anabilim Dalı / Fen Bilimleri Enstitüsü / Dokuz Eylül Üniversitesi
Ali Akçalı - Kimya Mühendisi / Moravia Boya ve Kimya San. Tic. Ltd. Şti.
Zeynep Burcu Bayboğan Işılak - Kimya Mühendisi / Moravia Boya ve Kimya San. Tic. Ltd. Şti.
Prof. Dr. Levent Çavaş - Kimya Bölümü / Biyokimya Anabilim Dalı Fen Fakültesi / Dokuz Eylül Üniversitesi



Yeni Nesil Fouling-Release Tip Kaplamalar ve Fouling Organizmalar

Son yıllarda, sucul ekosistemlere ciddi zararlar veren ve deniz araçlarında yaygın olarak kullanılan toksik biyosit içerikli antifouling boyalara alternatif olarak fouling re-lease tip kaplamalar geliştirilmektedir. Toksik olmayan bu tip kaplamaları kısaca, yüzeye tutunan fouling organizmaların yüzeyden uzaklaştırılmasını kolaylaştıran kap-lamalar olarak tanımlayabiliriz. Yeni nesil fouling release tip kaplamalar, yüzeye tutunan fouling organizmaları biyositler yoluyla uzaklaştırmak yerine sahip oldukları fizikokimyasal yüzey özellikleri sayesinde organizmaların tutunma kuvvetini azaltırlar ve deniz aracının hareke-ti ile yüzeyden kolayca uzaklaşmasını sağlarlar (Schultz vd.,1999; Lejars vd., 2012).


I.  Giriş

Fouling organizmaların deniz araçlarının su altında kalan kısımlarına tutunarak yüzeyde kolonileşmeleri biyofou-ling olarak bilinir ve gemi taşımacılığında ciddi ekonomik problemlere neden olur. Bu doğa olayını engellemek için kullanılan en yaygın yöntem gemilerin antifouling boyalarla kaplanmasıdır. Fakat bu boyaların içeriğindeki toksik kimyasallar deniz ekosistemine ciddi zararlar vermektedir. Çevre bilincinin giderek arttığı günümüzde, araştırmalar biyosit içermeyen, çevreye dost boyalar üretme yönüne doğru kaymaktadır. Bu amaçla farklı disiplinlerden bir araya gelen araştırıcılar yeni nesil fouling release tip kaplamalar üretmeyi hedeflemektedirler. Biyoadezyon, bir polimerin yüzey enerjisine (γc) ve elastik modülüne (E) bağlıdır (Baier & DePalma, 1971; Brady&Singer, 2000). Yapılan araştırmalarda, biyoadezyonun minimum olması için bir polimerin yüzey enerjisinin 20-30 mNm-1aralığında olması gerektiği gösterilmektedir ve bu Baier eğrisi olarak bilinir (Townsin & Anderson, 2009; Baier & DePalma, 1971). Ayrıca, Brady & Singer (2000) bir polimerin (γc E)1/2 değerindeki artış ile biyoadezyonun arttığını göstermişlerdir. Bu bilgiler ışı-ğında, bioadezyonun düşük düzeylerde olmasını sağla-yacak yüzey enerjisi ve elastik modülüse sahip fouling re-lease tip kaplamalar geliştirilmektedir. Fouling release tip kaplamaların yüzey özelliklerinin yanı sıra fouling organizmaların yüzeye tutunma mekanizma-larının bilinmesi de bu tür kaplamaların geliştirilmesinde önemlidir. Çünkü yüzeyde gelişen kabuklu fouling organizmalar (balanuslar, midyeler) ile soft fouling organiz-maların (tunikatlar, makroalgler, diatomlar, bakteriler) yüzeye tutunma mekanizmaları oldukça farklıdır (Brady & Singer, 2000). Bu amaçla bu yazıda, ülkemizde sıklıkla gözlenen makrofouling organizmalar hakkında bilgiler verilecektir.


II. Fouling Organizmalar

Denize daldırılmış yapay bir yüzeyi dakikalar içerisinde protein, proteoglikan, polisakkarit gibi organik bileşiklerden oluşan bir film tabakası kaplar. Ardından saatler içerisinde bakteriler salgıladıkları ekstraselüler glukoz ve fruk-tozdan meydana gelen polisakkarit fibril polimerler sayesinde yüzeye tutunurlar. Birincil film tabakasının oluşma-sının ardından diatomlar, makroalg sporları ve protozoalar yüzeyde gözlenmeye başlayarak mikrofouling tabakayı oluştururlar. Mikrofouling film tabaka, tunicate, bryozoan, barnacle, mussel, polychaete gibi makro fouling organizmaların larvalarının tutunması için uygun bir ortam oluşturur. Haftalar içerisinde yüzeyde gelişen sesil organizmalar (bir yere bağlı olarak, tutunarak yaşayan) gözle görülür makrofouling tabakayı meydana getirirler (Abarzua & Jakubowski, 1995). Ülkemiz kıyılarında yaygın olarak gözlenen ve özellikle deniz araçlarının karinalarında ciddi problem yaratan iki makrofouling organizma Balanus amphitrite (Resim 1a) ve Hydroides elegans’tır (Resim 1b).


Balanus amphitrite Darwin, 1854

Bu tür Balanidae familyasında yer alan ülkemizdeki en yaygın balanus türlerinden birisidir. Bu türün karakteristik özelliği yapılarında yer alan kahverengi renkli çizgilerdir. Bu özelliği sayesinde ülkemizde bu familyaya ait olan bir diğer balanus türü B. balanoides Linnaeus, 1767 türün-den kolaylıkla ayrılır. Bilimsel araştırmalarda bu tür önem-li bir fouling organizma olarak nitelendirilmekte ve çalışmalarımızı sürdürdüğümüz İstanbul ve İzmir kıyılarında yaygın olarak gözlenmektedir. Bu türün cypridlerinin 30 saniye içerisinde statik yüzeylere tutunabildiği rapor edil-miştir (Railkin, 2003). Balanus türlerinin yüzeylere tutunabilmesi için yüzey özellikleri çok büyük önem taşımaktadır. Örneğin, yüzeyin pürüzlülüğü ve ıslanabilirlik düzeyleri tutunma için önemli parametrelerdir. Balanus türlerinin balmumu gibi hidrofobik özellikli yüzeylere daha zayıf etkileşimlerle bağlandığı rapor edilmiştir (Crisp vd., 1985). Aynı zamanda, Balanus genusuna ait türlerin gemilerin karinalarına yapışmasını etkileyen bir diğer faktör ise ilgili yüzeyde yer alan mikrofouling organizmalardan oluşan tabakanın özelliğidir. Balanus türlerinin cypridleri yüzeye disk şeklinde tutunurlar. Bu disk üçüncü antennular segmentinde yer alır ve bu segment vakum uygulayarak yüzeye tutunmayı kolaylaştırır. Aynı zamanda balanus cypridlerinin bu bölgesi larval bezlerden yapışkan bir salgı üretir. Bu salgı tutunmayı daha da kolaylaştırır. Cypridlerin metamorfozunu tamamlamasını takiben yetişkin bala-nusların bezleri çalışmaya başlar ve yüzeye daha sıkı bağ-lanmayı sağlayan salgılar üretirler. Yetişkin bir balanusun yapay bir yüzeyden koparılması sonucunda balanusların yüzeye tutunmasını sağlayan disk tabakası genellikle yü-zeyde kalır. Özellikle su jetleriyle temizleme aşamasında bile disk rezidülerini uzaklaştırmak oldukça güçtür (Resim 2, Resim 3) . Crisp ve arkadaşlarınca yapılan araştırmala-ra göre balanusun yüzeye tutunmak için oluşturduğu disk tabakasının kalınlığı yaklaşık 5 μm olmasına karşın balanusların yüzeye yapışma kuvvetinin 10 kg/cm2’ye ulaşa-bileceği belirtilmektedir. Yetişkin balanuslar yüzeylere oldukça hızlı bir şekilde tutunmakta ve balanus büyüdükçe yüzeye tutunma kuvveti artmaktadır.


Resim 1. (a) Balanus amphitrite Darwin, 1854 (b) Hydroides elegans Haswell, 1883 (a) (b)

Resim 2. Carboncomp projesi kapsamında geliştirilen fouling release kaplamaların su jeti ile temizlenmesi

Resim 3. Balanus amphitrite’nin temizlendikten sonra yüzeyde kalan yapışkan disk tabakası


Hydroides elegans Haswell, 1883

Kıyılarımızda yaygın olarak bulunan bir diğer makrofouling organizma Hydroides elegans Haswell, 1883’tür. Polychaete sınıfına ait bu tür tüpsü yapılardan meydana gelir ve genel olarak "tubeworm” olarak bilinir. Omurga-sız bir deniz canlısı olan H. elegans’ın yaşam döngüsü 2 önemli aşamadan oluşmaktadır: planktonik larva döne-mi ve yetişkin sesil dönemi (Yan, 2012). Larva döneminde bu türün yapay bir yüzeye yerleşmesi/tutunması yüzeyde oluşan biofilm tabakasının yapısına bağlıdır. Lau & Qian (2001), bu türlerin yüzeye yerleşmesinin biofilm tabakasında bulunan bazı bakteri türleri tarafından indüklendiğini göstermiştir. Bu bulgu, H. elegans’a yönelik fouling kontrolü çalışmalarında mikrobiyal biofilm özelliklerinin de araştırılması gerekliliğini ortaya koymaktadır. Ayrıca, Qiu & Qian (1998), yaşama ortamının fiziksel özelliklerinin (tuzluluk ve sıcaklık) H. elegans’ın juvenile formuna etkilerini araştırmışlar ve büyümelerinin sıcaklıktan (15-30ºC) etkilemediği halde, tuzluluktan oldukça etkilendiğini gözlemlemişlerdir.H. elegans, denize daldırılan yapay bir yüzeyde çok hızlı kolonileşmesi, larva dönemi-nin kısa sürmesi, tropik bir limanda 9 gün gibi kısa bir sürede seksüel olgunluğa erişmesi, günde ortalama 1,5 mm uzaması gibi nedenlerden dolayı problematik bir fouling organizmasıdır (Nedved & Hadfield, 2009). Kavanagh ve arkadaşlarının Biofouling isimli dergide yayınlanan araştırmalarında, silikon esaslı fouling release tip boyalara karşı balanus, oyster ve tubeworm’un adhezyon kuvveti incelenmiştir. Bu araştırma sonucunda geliştirilen fouling release tip yüzeylere tutunma kuvvetleri sırasıyla Balanus eburneus≤Crassostrea virginica≤Hydroides di-anthus olduğu tespit edilmiştir. Kavanagh ve arkadaşları elde ettikleri sonuçların bu türlere özgü olduğunu ve aynı cinse ait türler arasında farklı sonuçlar elde edilebileceğini vurgulamışlardır. Modifiye edilmemiş silikon kaplama da barnacle (0,09 MPa), oyster (0,09 MPa) ve tubeworm (0,13 MPa) için benzer adhezyon kuvvetleri elde edilirken silikon yağ içeren bir kaplama da adhezyon kuvvetleri değişmektedir [tubeworms (0,76 MPa) >oysters (0,19 MPa) > barnacles (0,06 MPa]. Kıyılarımızda yaptığımız araştırmalarda da Hydroides elegans’ın Balanus amphitrite’e kıyasla daha yüksek tutunma kuvvetine sahip olduğu çeşit-li deneylerde gözlenilmiştir.


Sonuç

Biyofouling olayını önlemede toksik olmayan çözümler bulunması doğanın dengesini korumak açısından olduk-ça önemlidir. Kompleks bir doğa olayı olan biyofouling alanında yapılan çalışmalarda multidisipliner bir çalışma ortaklığı gerekmektedir. Bu amaçla, son yıllarda farklı yüzey özelliklerine sahip polimerlerin geliştirilmesinin yanı sıra deniz biyoteknologlarının fouling organizmalarının tutunma mekanizmalarının aydınlatılmasına yönelik çalışmalar sayesinde fouling release tip kaplamaların geliştirilmesine yönelik çalışmalar ivme kazanmıştır.

 

Teşekkür

Yazarlar, Avrupa Birliği 7.Çerçeve programı kapsamında desteklenen Carboncomp akronimli ve "High-throughput development of carbon-polymer nanocomposites for marine applications” başlıklı projeye (Destek No: 286413) sağlanan finansal destekten ötürü Avrupa Birliği’ne teşekkür eder.


Kaynakça

Abarzua, S., & Jakubowski, S. (1995). Biotechnological investigation for the prevention of biofouling. 1. Biological and biochemical principles for the prevention of biofouling. Marine Ecology Progress Series. Oldendorf, 123(1), 301-312.

Baier, R. E., & DePalma, V. A. (1971). The relation of the internal surface of grafts to thrombosis. Management of Arterial Occlusive Disease, 147-163. Brady Jr, R. F., & Singer, I. L. (2000). Mechanical factors favoring release from fouling release coatings. Biofouling, 15(1-3), 73-81.

Crisp, D. J., Walker, G., Young, G. A., & Yule, A. B. (1985). Adhesion and substrate choice in mussels and barnacles. Journal of Colloid and Interface Scien-ce, 104(1), 40-50.

Kavanagh, C. J., Schultz, M. P., Swain, G. W., Stein, J., Truby, K., & Wood, C. D. (2001). Variation in adhesion strength of Balanus eburneus, Crassostrea virginica and Hydroides dianthus to fouling-release coa-tings. Biofouling,17(2), 155-167.

Lau, S. C. K., & Qian, P. Y. (2001). Larval settlement in the serpulid polychaete Hydroides elegans in response to bacterial films: an investigation of the na-ture of putative larval settlement cue. Marine Biology, 138(2), 321-328. Lejars, M., Margaillan, A., & Bressy, C. (2012). Fouling release coatings: a nontoxic alternative to biocidal antifouling coatings. Chemical Reviews,112(8), 4347-4390.

Nedved, B. T., & Hadfield, M. G. (2009). Hydroides elegans (Annelida: Polychaeta): a model for biofouling research. In Marine and Industrial Biofouling (pp. 203-217). Springer Berlin Heidelberg.

Qiu, J-W., & Qian, P-Y. (1998). Combined effects of salinity and temperature on juvenile survival, growth and maturation in the polychaete Hydroides elegans. Marine Ecology Progress Series, 168, 127-134.

Railkin, A. I. (2003). Marine Biofouling: Colonization Processes and Defenses. CRC press.

 Schultz, M. P., Kavanagh, C. J., & Swain, G. W. (1999). Hydrodynamic forces on barnacles: implications on detachment from fouling-release surfaces. Biofou-ling, 13(4), 323-335.

Townsin, R. L., & Anderson, C. D. (2009). Fouling control coatings using low surface energy, foul release technology. Advances in Marine Antifouling Coa-tings and Technologies, 693-708.

Yan, X. (2012). Characterization of neuropeptides and peptide hormones in two marine sessile species, Balanus amphitrite and Hydroides elegans (Mas-ter dissertion). The Hong Kong University of Science and Technology: Hong Kong.




Kaydet