海水養(yǎng)殖設(shè)施防生物附著方法

高煥 ，王玉 ，李光光 ，陳錦軍 ，閻斌倫

（1.淮海工學(xué)院海洋生命與水產(chǎn)學(xué)院，江蘇省海洋生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 連云港 222005；2.蘇州紐方興納米材料有限公司，江蘇 蘇州 215121；3.江蘇省農(nóng)業(yè)種質(zhì)資源保護(hù)與利用平臺，江蘇 南京 210014）

近幾十年來，隨著人們生活水平的提高，我國對水產(chǎn)品，尤其是海產(chǎn)品的需求日益增加。但是由于工業(yè)用地和居住用地的增加，陸地海上池塘養(yǎng)殖面積已經(jīng)基本達(dá)到最大化，甚至出現(xiàn)了逐年遞減的現(xiàn)象。為了盡可能增加海洋水產(chǎn)品的供給量，我國科學(xué)家提出了“海洋牧場”的概念。如要在自然海區(qū)實(shí)現(xiàn)人工可控的“牧場化”養(yǎng)殖目的，就必須借助于各種各樣的養(yǎng)殖設(shè)施。這些養(yǎng)殖設(shè)施主要包括：網(wǎng)箱、人工魚礁、養(yǎng)殖伐架、養(yǎng)殖吊籠以及這些設(shè)備的輔助設(shè)施，如綆繩、浮子等。

自然海區(qū)是個(gè)開放的海區(qū)，人工投放的這些養(yǎng)殖設(shè)施很快會(huì)被各種生物附著，當(dāng)然對于人工礁石而言部分種類的附著對于促進(jìn)礁石養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)的形成是很有幫助的，但對于網(wǎng)箱、養(yǎng)殖伐架和養(yǎng)殖吊籠等而言，這些生物的附著則非常有害。在海水養(yǎng)殖中，由于養(yǎng)殖設(shè)施（如網(wǎng)箱）上的附著物不斷增加，使水體交換量減少，器具使用壽命縮短，導(dǎo)致勞動(dòng)強(qiáng)度增大和生產(chǎn)成本提高，嚴(yán)重影響了養(yǎng)殖的經(jīng)濟(jì)效益。如在網(wǎng)箱養(yǎng)殖過程中，傳統(tǒng)的辦法是在附著生物高發(fā)期20 d左右即換1次網(wǎng)箱,這既增加了養(yǎng)殖戶的勞動(dòng)強(qiáng)度和養(yǎng)殖成本,又嚴(yán)重影響了養(yǎng)殖對象的正常生長。因此，如何防止這些生物的附著日益引起人們的重視。近年來，國內(nèi)外科技工作者們已經(jīng)在防生物附著研究上已經(jīng)取得了卓有成效的進(jìn)展，該文對如何防范海水養(yǎng)殖設(shè)施上的生物附著方法進(jìn)行了探討，以期為完善和促進(jìn)海洋養(yǎng)殖設(shè)施的防生物附著研究提供理論和實(shí)踐上的幫助。

1 海水養(yǎng)殖設(shè)施附著生物的種類

海洋附著生物的種類很多，據(jù)統(tǒng)計(jì)全世界有2 000種以上，其中600多種為植物，1 300多種為動(dòng)物。我國海洋附著生物的種類有1 000多種,其中軟體動(dòng)物800多種，植物藻類200多種。在這些物種中，常見的種類約50～100種，如藤壺、牡蠣、苔蘚蟲、海蛸、貽貝、海葵、雜藻，以及粘附的微生物和原生動(dòng)物等。

生物附著的種類并不是一成不變的，而是受溫度、鹽度、光照、潮汐、海浪和海水深度等環(huán)境因子的影響，因此其種類也會(huì)隨著這些條件的變化而發(fā)生變化。如6—7月，我國青島海域的污損生物主要為綠藻、藤壺、玻璃海鞘、石灰蟲、苔蘚蟲及貽貝等，而廈門海域的污損生物主要為藤壺、水螅、藻、?？百O貝等。另外，離岸距離、水中的營養(yǎng)物含量、人類的活動(dòng)等也影響生物附著的種類和附著效果。大型生物附著在淺海區(qū)域的發(fā)展更為快速和嚴(yán)重，尤其在40 m以內(nèi)的淺海區(qū)域，而水流速度的高程，將增加大型附著物的吸附難度。Jenner等認(rèn)為當(dāng)近壁面的流速超過1.4 m/s時(shí)，大部分大型附著物無法吸附。

2 生物附著的機(jī)制

生物附著的順序一般為：細(xì)菌、微生物到小生物附著，小生物長大、繁殖并形成附著群，因此也常把生物附著物的類型分為微型生物和大型生物附著。生物的附著首先是海水中泥沙（硅酸鹽類）附著在帶正電荷的烯烴類網(wǎng)具材料的表面，然后是絲狀藻等底棲藻等附著在泥沙上，最后是菊花藻、綠藻、褐藻、玻璃海鞘、貽貝、藤壺、苔鮮蟲、石灰蟲等附著。微型生物附著物的存在形式是生物薄膜，它的組成是細(xì)菌膜、矽藻等；大型生物附著一般是緊接著微型生物附著發(fā)生，但這個(gè)順序有時(shí)可能顛倒或同時(shí)發(fā)生。

海洋生物附著的機(jī)理主要是附著生物自身可分泌膠黏物質(zhì)，進(jìn)而互相進(jìn)行黏結(jié)的結(jié)果。海洋附著生物幾乎體內(nèi)都可以合成并釋放出黏附性生物糖或蛋白聚合物。黏附初期，細(xì)菌類可通過有機(jī)基團(tuán)和離子的變化調(diào)整其黏附界面的表面張力和靜電引力，隨后產(chǎn)生有多聚糖和糖蛋白組成的細(xì)胞外聚合物，這種黏液狀聚合物含有配位體和受體，配位鍵將大大提高細(xì)菌與基體的黏附力。貽貝足絲可分泌出多肽性蛋白質(zhì)，這些多態(tài)性蛋白質(zhì)含有氧化還原性基團(tuán) 3，4二羥基苯基-L-丙氨酸（DOPA），DOPA被兒茶酚氧化酶催化氧化，生成的肽基DOPA苯醌固化在相應(yīng)的基體上。藻類可分泌出多聚糖絡(luò)合物，這些絡(luò)合物有很好的互相黏附作用，可以牢固的附著在基體上。巨型海藻的假根與基體緊密接觸，藻體分泌出高酚含量的黏液，能保持海藻在基體上長久附著。藤壺分泌出的蛋白質(zhì)膠黏劑俗稱“藤壺膠”，其黏結(jié)性能非常好。帽貝、?？凸軛湎x都能分泌出膠黏蛋白，使其很好在基體材料上附著。

3 防生物附著的方法

防生物附著就是阻止或減少生物附著在養(yǎng)殖設(shè)施上，防生物附著的方法很多，總體上可以分為物理法、化學(xué)法和生物法等。

3.1 物理法

海水渾濁度高，水體泥沙含量高，因此如能減少泥沙在養(yǎng)殖器具上的附著，就可減少養(yǎng)殖器具生物的附著量，利用此原理可以在網(wǎng)具材料中添加導(dǎo)電成分,降低網(wǎng)具材料的表面電阻，也可以利用同性電荷相斥的原理，使網(wǎng)具材料帶有與泥沙相同的電荷。

低表面能材料上的污損生物附著不牢，因此在養(yǎng)殖器具上涂上低表面能防污涂層也可以起到減少或阻止生物附著的作用。研究表明，在涂層中提高有機(jī)硅橡膠的含量比聚四氟乙烯更有利于防止海洋生物的附著。另外，納米材料涂層也屬于低表面能涂層，但目前多處于研發(fā)階段，還未見實(shí)際應(yīng)用的報(bào)道。

3.2 化學(xué)法

早期為了防止生物附著的污損，常在養(yǎng)殖器具上涂上防污漆或?yàn)r青。防污漆由成膜物質(zhì)、無機(jī)填料和防污劑（毒料）組成，防污劑（毒料）是對附著生物起毒害作用的，因此生物無法附著。這些防污劑中有毒物質(zhì)有有機(jī)錫（三丁基氟化錫、三丁基氧化錫、三苯基氫氧化錫、甲基丙烯酸三丁基錫）、氧化汞、氧化亞銅、DDT、敵百蟲等，這些毒料的殘余毒性及累積毒性比較大,同時(shí)也會(huì)對養(yǎng)殖的對象產(chǎn)生毒害作用，因此也會(huì)危機(jī)人們自身的身體健康，目前已經(jīng)禁用。

使用銅制作相應(yīng)的養(yǎng)殖器具，也可起到有效的防附著效果。銅板與銅網(wǎng)表面可產(chǎn)生二價(jià)銅離子，可降低生物機(jī)體中主酶對生物生命代謝的活化作用,以此縮短生物壽命,還會(huì)直接使生物的細(xì)胞蛋白質(zhì)沉淀。氧化亞銅或銅粉是毒性較小的防污劑,也可加入到防污涂料中使用。

項(xiàng)目組曾經(jīng)在2013—2015年期間在連云港海州灣贛榆港附近海域利用銅質(zhì)網(wǎng)衣展開網(wǎng)箱養(yǎng)殖實(shí)驗(yàn)，在實(shí)施周期內(nèi)，銅質(zhì)網(wǎng)衣上附著生物量很少，說明此方法是可行的。但該方法的投資費(fèi)用較高，同時(shí)如果局部破損，修復(fù)也比較困難，因此推廣范圍受到限制。

3.3 生物防附著法

雖然未經(jīng)處理的人工設(shè)施在自然海水中很容易遭受到生物附著的困擾，但同樣是在海洋生物中的一些大型或固著類生長生物的表面卻無生物附著的現(xiàn)象，如珊瑚、海綿及海洋植物等，這說明這些生物可以產(chǎn)生一些防生物附著的物質(zhì)。目前，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)超過160種海洋生物可產(chǎn)生防生物附著的物質(zhì)。如從天然生物中提取出來的N，N，N，N-四甲基乙基二胺，對生物的附著有很強(qiáng)的排斥作用，有效期可超過1個(gè)半月。一些海綿類生物次級代謝產(chǎn)物中含有二倍半萜、呋喃萜、溴二苯醚、甾體、磺酸、核苷等類型化合物，其中二倍半萜類化合物是該屬海綿中最為典型的次級代謝產(chǎn)物，而且大多具有較強(qiáng)的生物活性，如細(xì)胞毒、抗菌、抗病毒、魚毒、防附著等。

4 展望

目前海洋生物防污附研究已經(jīng)有很多報(bào)道，尤其是在海洋船舶以及海洋裝備上，但在海水養(yǎng)殖設(shè)施上的研究還處于初級階段。海水養(yǎng)殖設(shè)施的材料主要是塑料、纖維或者木制品，這與船舶或工程類設(shè)施不同，同時(shí)其養(yǎng)殖對象也是用來食用的，因此應(yīng)特別注意生物安全，應(yīng)盡可能采用無毒或低毒的防污附方法。上述闡述的方法已經(jīng)在實(shí)際生產(chǎn)中獲得了廣泛的應(yīng)用，但仍存在很多問題有待進(jìn)一步改善。每種防生物附著方法都有自己的局限性，只能一定程度減緩生物附著的速率和數(shù)量，不能徹底解決生物污附這一問題。利用涂料進(jìn)行涂層是目前最好的防生物污附方法，但這些涂層中含有的涂料或多或少的含有一定的毒性，其安全性有待更多的研究揭示。同時(shí)涂料的黏附性也需要進(jìn)一步改進(jìn)，往往經(jīng)過一段時(shí)間后就會(huì)發(fā)生脫落現(xiàn)象。

因此，未來海水養(yǎng)殖設(shè)施防生物附著研究的重點(diǎn)將在與開發(fā)長效、無毒、環(huán)境友好型的新材料或新介質(zhì)，如納米材料、生物材料等，這就要求人們在生物附著機(jī)制及其與環(huán)境因子互作關(guān)系上展開更深入的研究。