淡水入侵生物沼蛤的污損機制與防污措施研究進展

朱佳蘭, 李世國*, 張 穎, 戰(zhàn)愛斌*

1中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,北京 100085; 2中國科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,北京 100049

生物污損(biofouling)是水生生物大量黏附在生態(tài)系統(tǒng)或工程系統(tǒng)中的基質(zhì)表面而引起生態(tài)影響和表面損傷的現(xiàn)象(Guleetal.,2016)。污損生物種類繁多,在海洋和淡水生態(tài)系統(tǒng)中均有分布,嚴重威脅水生態(tài)系統(tǒng)安全和經(jīng)濟社會發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計,全球每年因生物污損問題而造成經(jīng)濟損失高達1500億美元(Nuriogluetal.,2015)。海洋生物污損問題在國內(nèi)外均受到廣泛關(guān)注,以藤壺BalanusalbicostatusPilsbry、海鞘Ascidiacea和貽貝MytilusedulisL.為代表的大型海洋污損生物的黏附機制、抗污防腐和仿生材料研制等方面都已經(jīng)開展了深入的研究并取得了長足的發(fā)展和進步(劉艷等,2013; 宋積文等,2015; Chenetal.,2021; Choetal.,2018)。與之相比,人們對淡水生態(tài)系統(tǒng)中的生物污損問題關(guān)注有限,沼蛤LimnopernafortuneiDunker、斑馬貽貝Dreissenapolymorpha(Pallas)、斑驢貽貝DreissenarostriformisbugensisAndrusov等代表性淡水污損生物的治理工作至今仍面臨諸多問題和挑戰(zhàn)。

沼蛤又稱淡水殼菜、湖沼股蛤,隸屬軟體動物門雙殼綱貽貝目貽貝科沼蛤?qū)?是淡水生態(tài)系統(tǒng)中的代表性污損貝類。沼蛤原產(chǎn)于亞熱帶地區(qū),東南亞以及我國珠江流域都有分布,對于水環(huán)境變化具有極強的適應(yīng)性,是一種重大入侵物種,目前已經(jīng)成功入侵到全球眾多水域(Xu,2015)。在國內(nèi),沼蛤于20世紀60年代隨船舶運輸首先傳入香港,然后又逐漸向北到達長江流域,近些年來借助南水北調(diào)等大型水利工程已經(jīng)成功入侵到華北水域并形成種群(Morton,2015; Wangetal.,2022)。國際上,沼蛤分別于1992年和2000年左右隨貿(mào)易貨船在琵琶湖和日本東部地區(qū)兩次成功入侵日本水域(Ito,2015);對美洲地區(qū)的入侵則始于1990年左右,經(jīng)船舶壓艙水進入到阿根廷拉普拉塔河口水域(Oliveiraetal.,2015),目前已擴散到南美洲地區(qū)的大多數(shù)淡水河流和湖泊(Barbosaetal.,2016)。

入侵成功的沼蛤能夠利用其分泌的足絲結(jié)構(gòu)(byssus)牢固黏附在多種水下物體表面,聚集形成貽貝床,引起嚴重的生物污損問題。沼蛤形成的貽貝床最高污損密度可達70萬個·m-2,如此高的污損密度往往對當(dāng)?shù)厮鷳B(tài)系統(tǒng)健康造成嚴重影響,主要體現(xiàn)在以下幾方面:聚集的沼蛤大量濾食水體中的浮游動植物,與本地水生生物爭奪生存空間,改變大型無脊椎動物特別是與其生活習(xí)性相似的貝類的群落結(jié)構(gòu),導(dǎo)致本地水生生物多樣性降低(Boltovskoyetal.,2015a; Frauetal.,2016; Molinaetal.,2015; Penchaszadehetal.,2000; Sylvester &Sardia,2015);沼蛤的大量濾食顯著降低水體中顆粒有機物濃度,增加氨氮、硝酸鹽和磷酸鹽等污染物濃度,帶來富營養(yǎng)化風(fēng)險(Boltovskoyetal.,2015a; Pazosetal.,2020);聚集的沼蛤一旦大量死亡,還會產(chǎn)生3-甲基吲哚和1-辛烯-3-醇等有毒有味物質(zhì),導(dǎo)致水質(zhì)惡化(李榮等,2022)。除上述生態(tài)系統(tǒng)健康外,沼蛤污損也影響當(dāng)?shù)亟?jīng)濟和社會發(fā)展,包括引起水下設(shè)施表面腐蝕,降低船舶航行能力、管道輸水能力和工業(yè)設(shè)施使用年限(Boltovskoyetal.,2015b);堵塞管道和設(shè)備,導(dǎo)致機器停轉(zhuǎn)、工廠停工(Boltovskoyetal.,2015b);爭奪營養(yǎng),造成周圍養(yǎng)殖物種大量死亡,降低養(yǎng)殖行業(yè)產(chǎn)量(Silvaetal.,2016)。在水力發(fā)電行業(yè),僅巴西一個國家每年因為沼蛤生物污損問題造成的經(jīng)濟損失就高達1.2億美元(Rebeloetal.,2018)。中國也是遭受沼蛤生物污損影響較為嚴重的國家之一,雖然目前我國北方地區(qū)分布的沼蛤尚未泛濫成災(zāi),但在珠江流域該問題已經(jīng)十分嚴重,每年大約需要花費124億美元來清除附著在輸水管道上的沼蛤(田勇等,2020; Lietal.,2021)。由此可見,沼蛤生物污損問題已經(jīng)成為全球水生態(tài)系統(tǒng)健康和重要行業(yè)發(fā)展的潛在威脅,開展沼蛤生物污損治理即抗污損(anti-fouling)工作必要且緊迫,對維護水生生態(tài)系統(tǒng)安全和可持續(xù)發(fā)展意義重大。

深入了解沼蛤生物學(xué)特性和污損發(fā)生機制是開展污損治理工作的前提。研究表明,沼蛤生物污損依賴于足絲在水下基質(zhì)材料表面的黏附行為,多種特異性蛋白組分參與了足絲黏附行為的發(fā)生(Lietal.,2021)。目前,已從沼蛤足絲中分離和鑒定了多種蛋白組分,主要包括足蛋白(Fps)、膠原蛋白(preCols)和基質(zhì)蛋白(PTMP和TMP)3大類。它們在足絲整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、足絲固化以及基質(zhì)材料界面黏附過程中發(fā)揮重要作用(Lietal.,2018; Ohkawa &Nomura,2015)。這些蛋白由足組織中的足絲腺合成并分泌,固化形成的足絲主要有足絲盤、近端足絲線和遠端足絲線。足絲線賦予足絲強大的抗拉伸性能,而足絲盤則增加了足絲與水下表面的接觸面積,這些結(jié)構(gòu)特征使沼蛤足絲的黏附變得更加牢固且有韌性。結(jié)合沼蛤的生物學(xué)特性和黏附特征,近些年來人們制定了多種抗污損措施,這些措施按照原理可以分為物理法(如人工清除、過濾、溫度控制、封閉缺氧、脫水干燥和水動力學(xué)控制等)、化學(xué)法(氧化試劑、殺蟲劑和微囊化餌料等)、生物法(天敵投放和基因工程等)和防污材料法(涂料和涂層等)等幾個類型,為降低沼蛤生物污損風(fēng)險、減輕行業(yè)損失做出了貢獻。

雖然人們在沼蛤污損方面已經(jīng)進行了多方面的探索,但缺乏對它們的系統(tǒng)梳理和全面總結(jié),不利于防污措施的創(chuàng)新和發(fā)展。基于此,本文綜述了國內(nèi)外近年來關(guān)于沼蛤生物學(xué)特性、污損機制和防污措施方面的研究進展,以期更加深入地了解沼蛤生物污損現(xiàn)象,為揭示其污損機制、制定科學(xué)有效的防污措施、維護水生態(tài)系統(tǒng)安全提供數(shù)據(jù)支撐。由于水生生物的污損機制也是高性能水凝膠等生物材料制備的理論基礎(chǔ),所以綜述內(nèi)容對于水下仿生材料研發(fā)也具有重要的參考價值。

1 沼蛤污損的生物學(xué)基礎(chǔ)

沼蛤污損的發(fā)生有著廣泛的生物學(xué)基礎(chǔ),最突出的特點包括其強大的發(fā)育和繁殖能力、足絲分泌能力和環(huán)境適應(yīng)能力,這些都有助于實現(xiàn)沼蛤種群密度快速上升、黏附能力迅速提高以及在各種不利環(huán)境條件下的生長。沼蛤壽命通常為2～3 a,最長可達5 a (宋美華等,2020)。繁殖執(zhí)行R選擇策略,繁殖能力極強(于丹丹等,2016)。根據(jù)形態(tài)差異,可將其生活史劃分為幼蟲期、幼貝期與成貝期3個主要發(fā)育階段。沼蛤發(fā)育周期較短,幼貝生長到5 mm時便分化出雄性和雌性,生長到6 mm時即可達到性成熟(Darrigran,2002)。在25 ℃下,從受精卵開始發(fā)育至幼蟲期結(jié)束僅需13 d左右,其間依次經(jīng)歷配子發(fā)生期、擔(dān)輪幼蟲期、面盤幼蟲期和躑行幼蟲期等幾個重要形態(tài)時期。沼蛤進行體外受精,受精后6～7 h到達擔(dān)輪幼蟲階段。20 h后出現(xiàn)面盤幼蟲,并開始進入浮游生活階段。發(fā)育6 d后產(chǎn)生躑行幼蟲,并相繼長出胚殼Ⅰ和胚殼Ⅱ,游泳行為不再活躍,傾向于下沉至底部活動。從第13天開始,沼蛤足便開始發(fā)育,進入幼貝時期(Cataldo,2015)。沼蛤從受精卵開始到發(fā)育至性成熟,經(jīng)歷的時間顯著低于其他淡水和海洋貝類。這些繁殖和發(fā)育特征說明,沼蛤在適宜環(huán)境條件下可實現(xiàn)快速發(fā)育和生長,并在短時間達到一定密度和生物量,為沼蛤生物污損的發(fā)生奠定了基礎(chǔ)。

進入躑行幼蟲期后,沼蛤逐漸發(fā)育出肌肉發(fā)達、運動能力強且能夠分泌足絲蛋白的足。足可以伸出貝殼探測水下表面性質(zhì),若表面適宜便開始分泌蛋白、合成足絲從而產(chǎn)生黏附行為,若表面不適宜則會繼續(xù)探測尋找新的基質(zhì)(Morton,2015)。沼蛤生物污損的發(fā)生與其足絲結(jié)構(gòu)的黏附行為密不可分。足是分泌足絲蛋白、合成足絲的重要器官,主要由上皮組織、結(jié)締組織和肌肉組織組成。沼蛤的足呈扁平狀且肌肉發(fā)達,有利于沼蛤與水下基質(zhì)表面接觸(Iwasaki,2015)。足表面被纖毛覆蓋,近端纖毛直徑0.2 μm、遠端部分直徑0.1 μm并以圓形尖端結(jié)束,這種形態(tài)特征有利于沼蛤在運動過程中以范德華力為基礎(chǔ)在基質(zhì)表面發(fā)生臨時吸附。足的腹側(cè)部分有一條腹溝,約占足部長度的60%。腹溝內(nèi)側(cè)分布多種腺體,包括附屬腺、膠原腺和酚腺等,分別負責(zé)分泌足蛋白、膠原蛋白和基質(zhì)蛋白等三大類組裝成足絲的功能蛋白(Andradeetal.,2015)。這些蛋白沿著腹溝被釋放到水體中,隨即固化形成足絲。大量纖毛結(jié)構(gòu)分布在腹溝內(nèi)表面,有助于足絲蛋白的釋放和運輸。足絲黏附趨于穩(wěn)定后,沼蛤不再移動,由幼蟲期進入幼貝期直至成貝期。成貝期的沼蛤體長2～3 cm,足絲分泌能力很強,每個個體可以分泌多達40～50根的足絲。這些足絲具有優(yōu)異的黏附力學(xué)性能,輔助沼蛤在水下基質(zhì)表面大量聚集,為沼蛤生物污損的發(fā)生提供了必要條件。

此外,黏附在基質(zhì)表面的沼蛤能承受劇烈的水環(huán)境條件(如溫度、鹽度、pH值、干旱、缺氧等)變化和其他外部力量的威脅(如捕食、水流沖刷等),保證自身在多變的淡水環(huán)境中仍能正常繁衍生息(Karatayevetal.,2015; Liuetal.,2020; Morton,2015; Sylvester &Sardia,2015)。對水體環(huán)境變化的極強適應(yīng)性,也成為沼蛤污損發(fā)生的生物學(xué)基礎(chǔ),給生物污損治理帶來極大困難。

2 沼蛤污損的作用機制

足絲在水下基質(zhì)材料表面的黏附是沼蛤污損的主要機制,而足對基質(zhì)材料的探測則是沼蛤污損發(fā)生的首要過程。沼蛤足探測并識別水下基質(zhì)表面的機制目前并不十分清楚,但已有報道顯示,海洋貽貝的足在接觸基質(zhì)以后前端會首先形成一個小窩結(jié)構(gòu),利用該結(jié)構(gòu)中的空氣負壓暫時吸附在基質(zhì)表面。這一小窩結(jié)構(gòu)為足絲形成創(chuàng)建了一個具有極端條件的絕緣反應(yīng)場所,具有低pH、低離子強度和高還原平衡等性質(zhì),使足絲蛋白能夠發(fā)生流體-流體相分離以及表面吸附和擴散,形成微結(jié)構(gòu)并最終固化形成足絲(Waite,2017)。筆者觀察到,沼蛤足絲黏附過程中足的作用方式與海洋貽貝一致,在足絲黏附之前沼蛤也會利用足來探測水下表面的性質(zhì)以確定它是否進行黏附,但具體作用機制還需要進一步研究確認。

足探測成功后,沼蛤開始分泌足絲蛋白并形成足絲。足絲長度為1.0～1.5 cm,由光滑的外表皮和內(nèi)部纖維狀成分構(gòu)成,可以分成近端足絲線、遠端足絲線和黏附盤3部分。近端足絲線直徑15～20 μm,纖維狀成分排列緊湊、結(jié)構(gòu)致密,具有較強的彈性和韌性;遠端足絲線直徑為25～30 μm,纖維狀成分較為松散,內(nèi)部絲狀纖維之間有著明顯的邊界,具有較強的剛性和抗拉伸性能。致密的近端足絲線可以讓足組織在有限區(qū)域內(nèi)分泌和合成大量足絲,而松散的遠端足絲線則有利于內(nèi)部纖維成分的展開而形成面積更大的黏附盤(Lietal.,2018)。黏附盤位于足絲的末端,表面積較大,表皮光滑,但與基質(zhì)材料表面接觸的一側(cè)則較為粗糙,底部孔洞結(jié)構(gòu)較多,可以調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)凝聚過程,有利于足絲與基質(zhì)表面的緊密結(jié)合。這些足絲是由不同的足絲蛋白固化形成的,包括足蛋白、膠原蛋白和基質(zhì)蛋白等。目前,關(guān)于沼蛤足絲蛋白的研究較少,與其他淡水污損貝類不同,沼蛤足絲蛋白組成和性質(zhì)更接近海洋貽貝(Uliano-Silvametal.,2018)。沼蛤的足絲蛋白具有高含量的多巴(3.4-二羥基苯丙氨酸,Dopa)、豐富的金屬離子和典型的黏附蛋白重復(fù)序列及保守結(jié)構(gòu)域(Lietal.,2018)。Ohkawaetal.(1999)通過凝膠過濾、反相高效液相色譜等方法首次從沼蛤足絲中鑒定出富含Dopa的足蛋白Lffp-1。Lffp-1的分子質(zhì)量為96 ku,其中Lys、Tyr、Thr和Dopa等占據(jù)了蛋白質(zhì)氨基酸組成的56%以上。Ohkawaetal.(2015)構(gòu)建了一個沼蛤足組織的cDNA文庫,從192個隨機選擇的克隆中篩選出足蛋白Lffp-2。在此基礎(chǔ)上,Lietal.(2018)結(jié)合轉(zhuǎn)錄組測序、質(zhì)譜分析、蛋白質(zhì)組測序等分析方法從沼蛤足絲中鑒定出16種與黏附行為密切相關(guān)的蛋白組分,包括沼蛤足蛋白(如Lffp-1、Lffp-2和Lfbp-3等)、相關(guān)酶類、細胞框架蛋白和其他功能蛋白,進一步分析初步揭示了這些蛋白在足絲黏附過程中的重要作用。目前,相比于其他足絲蛋白,足蛋白Lffp-2研究較為深入。Lffp-2在沼蛤足絲中的豐度最高,序列長度為176個氨基酸,富含能夠與金屬離子互作的表皮生長因子(EGF)結(jié)構(gòu)域,與金屬離子介導(dǎo)的足絲黏附蛋白之間的交聯(lián)機制有關(guān)。這些蛋白賦予足絲很強的黏附力和內(nèi)聚力,決定了沼蛤可以牢固黏附在各種基材表面而不發(fā)生斷裂,產(chǎn)生生物污損。

沼蛤足絲蛋白的黏附力和內(nèi)聚力依賴于Dopa。Dopa是酪氨酸羥基化的產(chǎn)物,在貝類足絲蛋白交聯(lián)、足絲蛋白界面黏附機制中起重要作用。針對海洋貽貝足絲的研究顯示,Dopa可通過其結(jié)構(gòu)中的鄰苯二酚(又稱兒茶酚)增強足絲與基質(zhì)表面的界面黏附作用。鄰苯二酚結(jié)構(gòu)非常簡單,僅由帶有2個相鄰羥基的苯環(huán)組成。但鄰苯二酚具有形成各種化學(xué)相互作用的能力,包括氫鍵、π-π/π-陽離子相互作用、金屬-鄰苯二酚配位鍵、氧化交聯(lián)和靜電相互作用等(Forooshani &Lee,2017)。鄰苯二酚能夠通過羥基取代水分子建立雙齒氫鍵,從而使足絲蛋白直接黏附在親水基材表面上(Mianetal.,2011)。鄰苯二酚的苯環(huán)能夠通過π-π電子相互作用與其他芳環(huán)發(fā)生相互作用,這一反應(yīng)不但可以提高含鄰苯二酚聚合物的內(nèi)聚性能,還能使足絲蛋白穩(wěn)定黏附在富含芳香族化合物的材料表面上,例如聚苯乙烯、石墨烯、碳納米管或苯酚等(Forooshani &Lee,2017; Saiz-Poseuetal.,2019)。芳香環(huán)還可以與陽離子形成π-陽離子相互作用,增強鄰苯二酚對帶電表面的吸附,并有助于提高其與陽離子官能團的內(nèi)聚性能(Dasetal.,2015)。鄰苯二酚可以螯合多種金屬離子形成可逆絡(luò)合物(Leeetal.,2006),還能與金屬氧化物表面形成強的可逆的界面鍵(Weietal.,2016)。這一系列反應(yīng)使得分布在足絲外表皮的Dopa能夠輔助足絲蛋白之間相互交聯(lián)而形成堅硬結(jié)構(gòu),對于足絲具有保護作用,同時也使分布在黏附盤底部的Dopa可以通討多種化學(xué)作用完成對不同材料基質(zhì)的界面黏附。在沼蛤足絲中,Dopa主要分布于外表皮和黏附盤底部(Lietal.,2018),上述一系列作用在沼蛤足絲中是存在的,是沼蛤足絲結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和界面黏附發(fā)生的主要機制,也是沼蛤能夠黏附到水下基質(zhì)如巖石、金屬材料等表面的主要驅(qū)動力。

由于足絲蛋白在沼蛤污損機制中起關(guān)鍵作用,一些可以改變蛋白黏附狀態(tài)的因素能夠影響沼蛤的污損能力,如金屬離子、化學(xué)氧化試劑以及基質(zhì)材料表面性質(zhì)等。分析表明,沼蛤足組織和足絲中都富含金屬離子,Ca2+(35.59 mg·g-1)、Mg2+(26.37 mg·g-1)、Zn2+(23.28 mg·g-1)、Al3+(3.48 mg·g-1)和Fe3+(1.65 mg·g-1)等含量較高(Lietal.,2018)。金屬離子與沼蛤足絲蛋白之間產(chǎn)生相互作用,主要體現(xiàn)在以下幾方面:首先,金屬離子通過與特定氨基酸殘基結(jié)合,增強Lffp-2與其他足蛋白之間的相互作用,提升黏附盤的內(nèi)聚力(Hwangetal.,2010);再次,金屬離子可以通過與鄰二苯酚的螯合作用對足絲蛋白的自組裝和多巴氧化交聯(lián)產(chǎn)生影響(Leeetal.,2006);此外,金屬離子還影響足絲的機械性能,足絲線的強度往往隨金屬離子濃度的變化而變化(Lietal.,2017)。因此,環(huán)境中金屬離子種類和濃度的變化可以降低沼蛤的污損能力。此外,Dopa容易被氧化形成多巴醌,化學(xué)氧化劑如NaClO、磁性納米顆粒如Fe3O4-NPs等能影響水體氧化還原狀態(tài)的環(huán)境因子已經(jīng)被證實可以通過改變足絲蛋白中Dopa的氧化還原狀態(tài)、足絲蛋白表達、足絲蛋白與金屬離子結(jié)合能力等過程而降低沼蛤的污損能力(Lietal.,2019,2021)。

3 沼蛤污損的控制措施

3.1 物理法

手動/機械清潔。該方法主要使用特定機械設(shè)備(如高壓水槍)對表面進行清洗或刮擦,清除黏附在基質(zhì)表面的污損生物。這種方法對沼蛤的清除力度大,是目前沼蛤污損治理的常用方法。該方法的弊端在于,清理過的基質(zhì)表面會被新生的沼蛤取代,同時會腐蝕或損壞表面結(jié)構(gòu),從而降低某些水下設(shè)施的使用年限。如果需要對基質(zhì)表面進行徹底清潔,還需承擔(dān)系統(tǒng)關(guān)閉所造成的損失(Boltovskoyetal.,2015c)。

過濾。對于相對較小的水體,可以使用介質(zhì)過濾器(例如砂濾器)或機械自清潔過濾器等進行清除(Claudi &Oliveira,2015a)。這些過濾器能夠清除尺寸大的沼蛤(200 μm以上),卻對治理沼蛤幼蟲效率不高。例如,瑯琊山抽水蓄能電站的冷卻水管系統(tǒng)進水端雖然安裝了孔徑為300和50 μm的2種過濾器,但是運行一段時間后發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)仍有少許沼蛤附著(徐夢珍等,2016)。

溫度控制法。溫度是常規(guī)的環(huán)境因子之一,過高或過低的溫度都對水生生物的生長和存活具有十分嚴重的影響(魯耀鵬等,2017)。沼蛤適宜存活的溫度為0～35 ℃,較高高溫條件下的個體活性強于低溫,高溫條件下的死亡率較高(魏小熙等,2016a; Karatayevetal.,2015)。利用該特性可采取如下2種熱處理措施治理沼蛤:(1)恒定速率升溫法。測試表明,在每5、15或30 min升溫1 ℃的速率下,當(dāng)溫度達到43.6～50.2 ℃時,沼蛤歷經(jīng)1.8～15.3 h后全部死亡。(2)高溫水浴法。迫使沼蛤長期暴露于恒定高溫條件下直到全部死亡。測試表明,水浴溫度為34～36 ℃的環(huán)境下,沼蛤的死亡時長為25.0～644.3 h;水浴溫度為38～44 ℃,沼蛤的死亡時長為0.7～17.5 h;當(dāng)水浴溫度大于55 ℃時,沼蛤瞬間死亡(魏小熙等,2016b; Perepelizin &Boltovskoy,2015a)。目前,高溫水浴法是控制沼蛤生物污損較為有效、環(huán)保和經(jīng)濟的方法之一,但高溫處理易引起基質(zhì)表面損傷、加速設(shè)施老化。

封閉缺氧法。氧氣是沼蛤生存必不可少的條件,在溶解氧小于0.16 mg·L-1時,沼蛤的死亡時長為10～29 d。當(dāng)環(huán)境溫度為20 ℃時,體長小于7 mm的沼蛤耐受性低于個體大于20 mm的沼蛤(Perepelizin &Boltovskoy,2015b)。缺氧控制法是一種經(jīng)濟且環(huán)保的沼蛤污損控制方法,但是治理過程需要設(shè)施停止運行,所需時間較長。

脫水干燥法。沼蛤暴露在干燥的空氣中時可存活3～10 d (魏小熙等,2016a)。利用該特性研發(fā)出的脫水干燥法是一種經(jīng)濟且對環(huán)境友好的方式,但需要設(shè)施停止工作且處于脫水狀態(tài),因此操作過程受到多種因素限制。

水動力學(xué)控制法。該方法主要包括流速控制和湍流控制,適用于清除管道中的沼蛤(Xu,2013)。沼蛤在管線上穩(wěn)定污損的流速范圍為0.3～0.9 m·s-1,當(dāng)流速為0.4～0.6 m·s-1時污損密度最大,水流速度超過1.2 m·s-1的管線中基本沒有沼蛤污損發(fā)生(徐夢珍等,2012; 葉寶民等,2011; Zhaoetal.,2019)。湍流主要用于控制沼蛤幼蟲,高頻脈動湍流場可使幼蟲破碎受損,其作用效果與作用時間呈正相關(guān)(張晨笛等,2016)。

3.2 化學(xué)法

氧化劑。一定濃度的氧化劑可以通過迫使沼蛤貝殼緊閉來阻斷其與外界進行物質(zhì)循環(huán)和能量交換,從而達到滅殺沼蛤的目的。常用的化學(xué)氧化劑主要包括次氯酸鈉、氯胺T、高錳酸鉀、過氧化氫和二氧化氯等。魏小熙等(2016c)設(shè)置了50和200 mg·L-12個實驗條件來測評沼蛤在各類氧化劑作用下的死亡特性和足絲溶解特征。次氯酸鈉能夠較好地滅殺沼蛤,在低濃度次氯酸鈉對沼蛤的滅殺研究中,次氯酸鈉的最佳濃度為1～2 mg·L-1,在封閉靜態(tài)浸泡狀態(tài)下,沼蛤歷時3 d死亡率可達到90%以上;在動態(tài)水流模擬狀態(tài)下,死亡時間較靜態(tài)處理晚1 d左右。香港供水系統(tǒng)中,一般首先使用200 mg·L-1的高濃度次氯酸鈉來處理高密度的沼蛤,低濃度0.5 mg·L-1控制沼蛤密度的增加,每隔2～3個月重復(fù)一次可以有效保持管道暢通,還可以防止沼蛤幼蟲在系統(tǒng)中的沉降(倪杭娟等,2021; 魏小熙等,2016c; McEnnultyetal.,2001)。

pH調(diào)節(jié)劑。該方法將水體的pH值調(diào)節(jié)到沼蛤的耐受范圍之外,從而殺死沼蛤。Montresoretal.(2013)測試出NaOH濃度在40～800 mg·L-1、pH范圍為11.24～13.04時,沼蛤的半數(shù)致死濃度LC50在48 h時為344.95 mg·L-1,72 h時為113.14 mg·L-1,96 h時為88.51 mg·L-1。2000年,地處巴西的Salto de Cashias水力發(fā)電廠的沼蛤污損密度高達15萬個·m-2,廠方采取措施將水體的pH值保持在9.0左右,12個月后實現(xiàn)了對99%污損沼蛤的有效控制(Claudi &Oliveira,2015b)。

硫酸銅。銅會對水生生物尤其是軟體動物產(chǎn)生亞致死效應(yīng),包括生長速度下降、生殖障礙、酶活性抑制、蛋白質(zhì)和DNA合成減少或改變、細胞骨架改變以及ATP合成和Ca2+穩(wěn)態(tài)的破壞等(Claytonetal.,2000)。Soaresetal.(2009)評估了硫酸銅對沼蛤的毒性,測出銅濃度的平均、最小和最大LC50和LC95值分別為2.16、1.70、2.65和4.86、3.97、6.47 mg·L-1,表現(xiàn)出一定的沼蛤污損治理潛力。

餌料法。利用沼蛤濾食性開發(fā)的微囊化餌料是氯化鉀和季銨的混合物,包衣由淀粉黏結(jié)劑、油和蠟的混合物制成。Calazansetal.(2003)測試了微囊化餌料的作用效果,處理48 h后,微囊化餌料的LC50為270.9 mg·L-1,傳統(tǒng)氯化鉀溶液的LC50為1439 mg·L-1,微囊化氯化鉀的LC50為8336.7 mg·L-1,微囊化餌料的毒性是溶解性氯化鉀的5.3倍,是微囊化氯化鉀的9.4倍。微囊化餌料將化學(xué)試劑包裹在營養(yǎng)涂層中,減少其在環(huán)境中的殘留,同時最大限度降低沼蛤關(guān)閉貝殼的防御性反應(yīng)。

其他化學(xué)試劑。MXD-100、BULAB 6002、二癸基二甲基氯化銨(H-130)和氯硝柳胺也是被測試使用過的沼蛤殺滅試劑。MXD-100是由香港Maxclean公司研發(fā)的一種防污抗菌劑。Montresoretal.(2013)通過一系列實驗證實,MXD-100濃度在0.05～500 mg·L-1時,LC50在48 h時為45.49 mg·L-1,72 h時為13.69 mg·L-1,96 h時為11.1 mg·L-1。在巴西,MXD-100在應(yīng)用時通常持續(xù)90 d、每天3次、每次10 min、1～7 mg·L-1,可以消除新黏附的沼蛤個體,是一種針對沼蛤污損的有效治理方法(Claudi &Oliveira,2015b)。BULAB 6002是一種液態(tài)陽離子聚季銨化合物,常用于控制湖泊中的藻類,也是一種有效的沼蛤殺滅試劑(Claudi &Oliveira,2015b)。Darrigranetal.(2001)測試了聚季銨化合物對平均大小262.5 μm的沼蛤幼蟲的處理效果,實驗將幼蟲分別放置在1、2、4、8和16 mol·L-1的季銨聚合物中24 h,結(jié)果顯示可用于沼蛤幼蟲的殺滅,但是使用的濃度無法在24 h內(nèi)獲得100%死亡率所需的劑量。H-130是一種非氧化性試劑,含有季烷基銨溶液,常用作工業(yè)直流淡水冷卻水系統(tǒng)中的殺螺劑(Claudi &Oliveira,2015b)。Cataldoetal.(2003)分別在15、20和25 ℃下測試了濃度為2.5、5、10、20和30 mg·L-1的H-130對沼蛤的殺滅效果,表現(xiàn)出較好的應(yīng)用潛力。氯硝柳胺是一種被世界衛(wèi)生組織批準(zhǔn)使用的軟體動物滅殺劑。該試劑不能持久存在于水環(huán)境中,在天然水體和沉積物系統(tǒng)中可通過水解、光解和微生物降解去除(Dawson,2003)。Cataldoetal.(2003)測試了0.25、0.5、1、2、4、6和8 mg·L-1的氯硝柳胺對沼蛤的殺滅效果,發(fā)現(xiàn)處理48 h后4 mg·L-1的氯硝柳胺會導(dǎo)致超過80%的沼蛤群體死亡,1～2 mg·L-1時死亡率為60%～70%,而0.5 mg·L-1的氯硝柳胺僅能殺死不到20%的沼蛤。Sansonetal.(2020)進一步研究發(fā)現(xiàn),該試劑能夠引起沼蛤基因表達的顯著變化,是氯硝柳胺殺滅沼蛤的主要分子機制。

3.3 生物法

天敵捕食法。在生態(tài)允許范圍內(nèi),捕食性魚類可以限制沼蛤種群密度,通過該方法可以控制沼蛤污損程度(徐夢珍等,2016)。Gonzálezetal.(2020)研究表明,魚類對沼蛤的豐度具有自上而下的影響,將具有強壯牙齒或堅固齒列的捕食性魚類、能夠直接攝取沼蛤無需粉碎捕食性魚類、在攝食時經(jīng)常食用沼蛤的草食性魚類、使用鰓耙過濾浮游生物的魚類組合在一起,可以持續(xù)抑制沼蛤生長。在我國黃河某地表水廠的沼蛤防治過程中,人們先在原水沉砂池投放青魚、鯉魚、鰱魚各20000尾,然后連續(xù)3 a按1∶1∶1∶1.7的比例補充投放青魚、草魚、鯉魚和鰱魚,沉砂池內(nèi)的沼蛤逐年減少(宋美華等,2020)。

基因驅(qū)動法。目前沼蛤的基因組已經(jīng)測序完成,科學(xué)家們參考已有的案例將CRISPR-Cas9系統(tǒng)引入到沼蛤生育相關(guān)編碼基因的敲除工作中,試圖在自然種群中誘導(dǎo)沼蛤不育,阻止沼蛤繁衍生息(Rebeloetal.,2018)。這種基因改造模式理論上可達到限制沼蛤種群增長的目的,但此類方法目前無法在實驗室條件下獲得大規(guī)模胚胎,且在環(huán)境中容易引發(fā)轉(zhuǎn)基因風(fēng)險(Hammondetal.,2016; Rebeloetal.,2018; Uliano-Silvaetal.,2018),其應(yīng)用效果和前景還有待科學(xué)評估。

3.4 防污材料法

沼蛤的黏附往往對材料有一定的偏好性,因此基質(zhì)材料也是影響沼蛤污損能力的主要因素(徐夢珍等,2012)。防污材料法主要通過材料表面釋放有毒物質(zhì)來滅殺沼蛤,或通過抑制足絲合成和黏附來達到防污目的。防污涂料或涂層一般由高分子樹脂、防污劑、助劑、填料和溶劑等組成,其中防污劑起到殺死沼蛤或抑制足絲黏附的作用。在實際應(yīng)用中,對于新的設(shè)施在系統(tǒng)允許的情況下可以直接使用防污材料替代,而對于陳舊設(shè)施的改造則可以在設(shè)施表面涂覆防污涂層,以起到防污的作用。

在常用涂料涂層中,硅膠和環(huán)氧樹脂涂層表現(xiàn)出良好的沼蛤防污性能(華丕龍等,2015;徐夢珍等,2016; 楊永民等,2021; 姚國友等,2016; 鄭航桅和潘志權(quán),2021; Fariaetal.,2006; Matsuietal.,2001,2002; Ohkawaetal.,2001)。硅膠是一種表面自由能和氫鍵成分都較低的非極性表面,環(huán)氧樹脂則是一種典型三維網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)的熱固性聚合物,這2種材料的顯微硬度小、接觸角大、耐久性強,經(jīng)測試涂,有這2種涂層的材料表面基本沒有沼蛤黏附,防污效果較好(姚國友等,2016; 楊永民等,2021)。在防污材料中,銅基材料對沼蛤生物污損有很強的驅(qū)避作用,氧化亞銅(Cu2O)是使用最廣泛的氧化物金屬材料之一(Matsuietal.,2019)。Bergmannetal.(2010)評估了氧化亞銅和銅作為涂料和基材對沼蛤的毒性作用,結(jié)果表明,與同期浸沒的陶瓷基板相比,10%常規(guī)氧化銅涂層可以減少85.85%沼蛤污損,未涂層的銅基材可以減少58.59%沼蛤污損。Matsuietal.(2019)對砂漿、聚氨酯樹脂涂層砂漿、木材、石灰石、銅、鋁和不銹鋼等基材進行了為期4 a的浸泡實驗,結(jié)果表明,除銅以外,其他材料上的沼蛤數(shù)量沒有顯著差異,缺乏防污效果,顯示出銅及銅類化合物基材料在沼蛤殺滅和污損防控方面的優(yōu)越性。但Cu2O在淡水環(huán)境中的溶解度很低,也不可生物降解,容易產(chǎn)生持續(xù)的污染,因此不能應(yīng)用于飲用水系統(tǒng)(Bergmannetal.,2010; Pereiraetal.,2010)。

4 結(jié)論與展望

本文綜述了近些年來沼蛤污損的生物特性、污損機制和防污措施方面的研究進展,特別是針對繁殖和發(fā)育能力、足絲分泌能力和環(huán)境適應(yīng)能力等沼蛤污損的生物學(xué)基礎(chǔ),足探測過程、足絲黏附、環(huán)境影響等污損機制,以及物理法、化學(xué)法、生物法和防污材料法等多種防污措施進行了全面總結(jié)。

沼蛤生物污損依賴于足絲在水下基質(zhì)材料表面的黏附行為。現(xiàn)有證據(jù)表明,沼蛤首先通過足探測并識別水下基質(zhì)性質(zhì),吸附并分泌足絲蛋白,最終固化形成足絲。足絲蛋白富含Dopa,Dopa與基質(zhì)材料之間的界面黏附以及Dopa介導(dǎo)的足絲蛋白之間的相互作用是決定沼蛤生物污損能力的關(guān)鍵?；瘜W(xué)氧化劑、納米顆粒等一些影響水體氧化還原狀態(tài)的因子可以削弱Dopa與基質(zhì)材料之間的界面黏附性能和足絲蛋白之間的相互作用,從而降低沼蛤生物污損的程度。然而,由于貝類足絲黏附蛋白的作用具有顯著的物種特異性,目前關(guān)于沼蛤生物污損機制的了解特別是對于足絲蛋白組成、Dopa功能以及它們在水下黏附過程中作用方式的了解還十分有限,各種防污材料和試劑對沼蛤足絲黏附的影響及其作用機制也尚未被完全闡明,在一定程度上限制了污損防控理論的發(fā)展與實踐。因此,后續(xù)研究應(yīng)在全面解析沼蛤足絲蛋白黏附機制的基礎(chǔ)上,進一步闡明各種防污方法與沼蛤足絲黏附之間的關(guān)系,為后續(xù)從足絲黏附角度探索生物污損治理措施提供理論參考。

現(xiàn)有沼蛤的防污措施可以分為物理法、化學(xué)法、生物法和防污材料法等幾大類。物理法是目前治理沼蛤污損最常用的方法,其優(yōu)點在于能夠有效清除沼蛤,但是該措施需要工廠、設(shè)施、設(shè)備等停工停產(chǎn),實施期間需要投入大量的人力和時間進行處理,對設(shè)施表面損傷也較大,恢復(fù)供水后沼蛤污損問題重新出現(xiàn),所以只能作為短期沼蛤污損控制的方案?；瘜W(xué)法是目前殺滅沼蛤較為有效的方法,但所使用的化學(xué)試劑往往較為昂貴,也會對水體造成二次污染,限制了一些化學(xué)試劑在不同領(lǐng)域的廣泛使用。生物法雖然是一種環(huán)境友好的沼蛤污損治理措施,但該方法作用周期長、技術(shù)要求高,只能在一定程度上抑制沼蛤種群數(shù)量而不能徹底殺滅,在實際應(yīng)用過程中使用率較低。防污材料法大多數(shù)都是通過材料自身或涂層涂料中有毒物質(zhì)的釋放來發(fā)揮作用,雖然可以達到廣譜防污的目的,但是也具有二次污染、防污性能時效性差、價格昂貴等問題,在某些領(lǐng)域被限制使用。微囊化餌料方法似乎彌補了上述大部分方法的不足,具有環(huán)境友好等特點,在沼蛤污損治理過程中具有廣闊的應(yīng)用前景。就目前進展來看,新研發(fā)的一些有效的沼蛤防污措施大多處于實驗室測試階段。未來關(guān)于沼蛤防污的研究方向應(yīng)主要集中在新型防污材料和試劑的開發(fā)與利用上,進一步設(shè)計綠色環(huán)保、經(jīng)濟有效、不釋放有毒有害物質(zhì)的新型環(huán)保材料和制劑,將基于實驗室研發(fā)并測試的防污方法更好地應(yīng)用到生產(chǎn)實際中。