舟山桃花島養(yǎng)殖海區(qū)生物附著特性及新型防附著材料開發(fā)初步應(yīng)用研究

劉麗慧，潘 昀，馮德軍，王 萍，譚 沛，桂福坤

(浙江海洋大學(xué)海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，國家海洋設(shè)施養(yǎng)殖工程技術(shù)研究中心，浙江舟山 316022)

網(wǎng)設(shè)施的生物附著問題是海水養(yǎng)殖中的突出問題。海洋附著生物，也稱海洋污損生物，是海洋環(huán)境中附著或棲息在船舶或各種人工設(shè)施上的各種動(dòng)、植物和微生物的總稱。附著生物在網(wǎng)衣上附著并大量繁衍，一方面容易造成網(wǎng)孔堵塞，水體交換緩慢，導(dǎo)致網(wǎng)內(nèi)養(yǎng)殖環(huán)境變差，細(xì)菌滋生，危害養(yǎng)殖對象的健康；另一方面會導(dǎo)致養(yǎng)殖設(shè)施水阻力增大，增加養(yǎng)殖設(shè)施的風(fēng)險(xiǎn)，縮短使用壽命[1-2]。此外，附著生物的自身生命活動(dòng)也會對養(yǎng)殖網(wǎng)設(shè)施造成損壞[2]。

目前，針對海洋養(yǎng)殖網(wǎng)設(shè)施的生物附著問題，主要有物理方法、化學(xué)方法以及生物方法等處理方法。物理方法主要是采用機(jī)械清除法，利用清洗機(jī)械對污損網(wǎng)設(shè)施進(jìn)行清潔處理，國外大多采用物理法(機(jī)械清除法)進(jìn)行附著生物處理，但這種方法通常需要耗費(fèi)大量的人力、物力，大大降低了養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)利潤，而且經(jīng)常沖刷、敲打網(wǎng)衣也會縮短網(wǎng)設(shè)施壽命[3]；化學(xué)方法主要是采用防污涂料，抑制生物附著；生物防污法主要有采用生物混養(yǎng)和涂裝仿生防污涂料兩種手段，是目前大力研究的方向之一[4-5]。除此之外，還有采用換網(wǎng)、研發(fā)新型防污網(wǎng)設(shè)施等處理手段，換網(wǎng)法是國內(nèi)普遍采用的清除附著生物的方法，指當(dāng)養(yǎng)殖網(wǎng)設(shè)施生物附著較為嚴(yán)重時(shí)，用新的網(wǎng)設(shè)施進(jìn)行替換，但換網(wǎng)操作強(qiáng)度大，有時(shí)甚至無法實(shí)施，因此國內(nèi)很多情況下只能任其發(fā)展，而無奈的承受養(yǎng)殖風(fēng)險(xiǎn)；新型防污網(wǎng)設(shè)施是一種自身具有較好防生物附著效果的網(wǎng)具，如銅網(wǎng)、合金網(wǎng)等，新型防污網(wǎng)具成本高，使用量受到一定限制，因此在實(shí)際養(yǎng)殖中，人們較多的還是使用普通網(wǎng)衣。

受限于上述各種方法的客觀缺陷，涂裝防污涂料一直是解決防污問題的努力方向[6]。防污涂料對生物附著有一定的選擇性和時(shí)效性，生物附著也存在海區(qū)差異性，因此需要對特定養(yǎng)殖海區(qū)的生物附著特性進(jìn)行專門研究，掌握該海區(qū)主要附著生物種類及其隨季節(jié)變化規(guī)律，為該海區(qū)附著生物的防除對策以及防污涂料的選擇提供依據(jù)。

國內(nèi)外學(xué)者做過許多有關(guān)附著生物的調(diào)查研究，EL-KOMI，et al[7]在埃及亞歷山大港東部海灣進(jìn)行了周年掛板試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)長期試驗(yàn)掛板上附著生物的附著強(qiáng)度比同階段短期掛板上生物的總和要嚴(yán)重得多；GREENE，et al[8]對美國緬因?yàn)澄鞑块_放式深水養(yǎng)殖網(wǎng)箱進(jìn)行了周年掛網(wǎng)研究，基本掌握了網(wǎng)箱上附著生物的周年演替變化規(guī)律；YAN，et al[9]對中國北部灣北部的一個(gè)浮標(biāo)調(diào)查站(BIS)和固定采油平臺(FOP)進(jìn)行附著生物調(diào)查，發(fā)現(xiàn)牡蠣是該海區(qū)的長期優(yōu)勢種，并探討了附著生物可能來源于海南島西部和潿洲島南部的濱海地區(qū)。許文軍等[10]通過掛網(wǎng)試驗(yàn)研究了浙江佛渡養(yǎng)殖海區(qū)主要附著生物的季節(jié)變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)水螅蟲、海葵、藤壺、貽貝等10余種附著生物，認(rèn)為對網(wǎng)衣造成較大危害的種類是水螅蟲和?？?。水柏年等[11]對舟山秀山島和長峙島海區(qū)深水網(wǎng)箱進(jìn)行了掛網(wǎng)試驗(yàn)研究，掌握了2個(gè)海區(qū)附著生物的季節(jié)消長規(guī)律并提出了一些養(yǎng)殖建議。黃宗國等調(diào)查了舟山海區(qū)的嵊山、長涂、定海和仰島等港口的附著生物，發(fā)現(xiàn)舟山海區(qū)附著生物的種類和數(shù)量呈現(xiàn)出愈近岸數(shù)量愈少的規(guī)律[12-13]。上述通過海區(qū)掛網(wǎng)試驗(yàn)對海區(qū)附著生物時(shí)空變化研究中發(fā)現(xiàn)附著生物生長主要發(fā)生在夏季，隨著海水溫度降低大多數(shù)附著生物開始脫落、死亡，所以本實(shí)驗(yàn)選擇時(shí)間為夏季2017年5-9月。

桃花島是舟山重要的大黃魚養(yǎng)殖基地，但未發(fā)現(xiàn)有關(guān)桃花島養(yǎng)殖海區(qū)附著生物變化規(guī)律的研究及報(bào)道，為此，本研究通過海區(qū)掛網(wǎng)試驗(yàn)對桃花島養(yǎng)殖海區(qū)的附著生物進(jìn)行研究，獲得主要大型生物種類的附著期、附著程度及季節(jié)變化規(guī)律，為該海區(qū)的生物防除提供參考；同時(shí)，通過試驗(yàn)探討一種新型仿生涂料對桃花島養(yǎng)殖海區(qū)的適用性。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 海上掛網(wǎng)的制備

選用養(yǎng)殖常用的PE網(wǎng)作為試驗(yàn)網(wǎng)片，模擬養(yǎng)殖網(wǎng)具在海里的附著情況，網(wǎng)目尺寸為8 cm，網(wǎng)線直徑約2.16 mm，剪裁出相同大小的8塊網(wǎng)片，邊緣結(jié)點(diǎn)做好防滑措施，其中4塊均勻地涂抹防附著涂料，將網(wǎng)片用扎帶綁到內(nèi)徑為20 cm×20 cm的特制不銹鋼框架上。試驗(yàn)共布置2組掛網(wǎng)：一組未做防附著處理的PE網(wǎng)(對照組)和一組防附著處理的PE網(wǎng)(測試組)，每組掛網(wǎng)布置4個(gè)水深(0.5 m、2.5 m、4.5 m、6.5 m)，用不銹鋼鏈條串連框架，掛網(wǎng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 掛網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The sketch of hanged net structure

1.1.2 新型仿生防污涂料

由本團(tuán)隊(duì)研發(fā)的一種海洋防污防腐量子仿生新涂料，根據(jù)“海洋動(dòng)物的表皮都具有抵制其他生物附著自身的能力”這一特性[14]，利用生物仿生學(xué)原理和量子化學(xué)技術(shù)提取海洋生物的活性物質(zhì)，再采用化學(xué)手段對其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解重組，生成的生物活性自由基，具有極強(qiáng)的附著力和優(yōu)異的水置換性能，研制出一種類似“皮膚”的光滑軟膜涂層材料。該涂料具有特殊的帶水涂裝功能，可實(shí)現(xiàn)水下涂裝作業(yè)；具有環(huán)保性能，有效拒絕生物污損帶來的電化學(xué)腐蝕，對水資源和水生物提供良好的保護(hù)；具有疏水性能，具有表面形成自潔效應(yīng)，接觸角可達(dá)110°；具有自潤滑功能，以生物基做基礎(chǔ)材料，使金屬部件具備防腐和自潤滑作用；無VOC揮發(fā)性物質(zhì)、對作業(yè)環(huán)境及作業(yè)人員無毒害作用。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在桃花島大黃魚養(yǎng)殖基地(29.7740°N，122.3037°E)進(jìn)行，平均潮位水深約5 m，試驗(yàn)期間水溫20～26℃，鹽度25～29，透明度0.6～1.2 m。試驗(yàn)方法參考《海洋調(diào)查規(guī)范》中污損生物調(diào)查方法進(jìn)行。

試驗(yàn)網(wǎng)片于2017年5月1日掛樣到海上，掛網(wǎng)系縛在浮球上，以保證表層網(wǎng)片在低潮時(shí)不會露出水面，海底的網(wǎng)片自然堆疊。除遇惡劣天氣等情況外，每隔10 d左右對掛網(wǎng)進(jìn)行一次檢測，檢查掛網(wǎng)是否有破壞或丟失等情況，并對掛網(wǎng)的附著情況進(jìn)行圖像采集，同時(shí)采集少量掛網(wǎng)上附著的大型附著生物樣品，采樣時(shí)保證樣品的完整性，將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行鑒定。試驗(yàn)中用到的儀器主要有高分辨率照相機(jī)、CTD、透明度盤(塞氏盤)和顯微鏡等。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 附著生物種類鑒別

觀察生物樣品的外部形態(tài)特征，并利用顯微鏡觀察樣品內(nèi)部細(xì)胞結(jié)構(gòu)，對樣品進(jìn)行鑒定[15]，將鑒定得到的生物種類按采樣時(shí)間做好記錄，以確定主要生物種類的附著期和季節(jié)變化規(guī)律。

1.3.2 網(wǎng)片附著率處理

計(jì)算每張網(wǎng)片的覆蓋面積率 (指整個(gè)群落覆蓋附著基的百分比率)，覆蓋面積率是網(wǎng)片附著量的標(biāo)志之一。將采集的圖像進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、灰度變換以及二值化等一系列處理，最后采用自行開發(fā)的不規(guī)則圖形面積分析軟件計(jì)算網(wǎng)片的覆蓋面積率[16]，圖2是用該軟件計(jì)算的空白網(wǎng)片的覆蓋面積率，得出空白網(wǎng)片的覆蓋面積率為26.31%，之后附著生物圖像處理參數(shù)均保持一致。

圖2 空白網(wǎng)片的覆蓋面積率Fig.2 The coverage area rate of no fouling organisms

2 結(jié)果分析與討論

2.1 附著生物種類隨季節(jié)變化規(guī)律

表1為試驗(yàn)海區(qū)附著的主要生物種類及季節(jié)變化，試驗(yàn)期間，收集到的生物種類有水螅、石莼、鴨毛藻Symphyocladia latiuscula、麥稈蟲Caprella kroyeri、紫貽貝Mytilus edulis等，優(yōu)勢種為水螅、石莼、鴨毛藻。桃花島養(yǎng)殖海域附著生物的種類結(jié)構(gòu)比較單一，但生物量較大。根據(jù)黃宗國等[12]的研究，距離海岸近可能是造成生物種類較少的重要原因，試驗(yàn)海區(qū)溫度偏低和海水透明度低以也可能是造成生物種類少的因素[17-18]。由于第4層(6.5 m)網(wǎng)片在實(shí)際試驗(yàn)中已觸底，且試驗(yàn)過程中未見有生物附著，因此對第4層網(wǎng)片不做分析，其余3層網(wǎng)片依次代表表層(0.5 m)、中層(2.5 m)、底層(4.5 m)3個(gè)水深的生物附著情況。

表1 附著生物種類及季節(jié)變化Tab.1 The main fouling organisms species and their seasonal change

麥稈蟲都是和水螅一同出現(xiàn)，但麥稈蟲屬于小型生物，占空間體積較小，因此對網(wǎng)衣的影響較小。水螅在5-8月一直大量附著，5月底形成繁殖高峰，網(wǎng)片下海20 d左右網(wǎng)孔已被完全堵塞，如圖4所示。6月中旬檢查發(fā)現(xiàn)，各網(wǎng)片上附著的水螅數(shù)量明顯減少，出現(xiàn)消退脫落的趨勢，但7月中旬以后又開始新的繁殖。5-6月，水螅大量生長在表層和中層網(wǎng)片，7-8月則主要附著在中層和底層網(wǎng)片。對比許文軍等[10]的研究發(fā)現(xiàn)，桃花島養(yǎng)殖海區(qū)水螅的繁殖高峰比舟山佛渡海區(qū)早至少半個(gè)月。水柏年等[11]在研究舟山秀山島和長峙島海區(qū)深水網(wǎng)箱的附著試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象，長峙島海區(qū)的厚礁膜消退得比較晚，大約比秀山島海區(qū)晚半個(gè)月，而長峙島海區(qū)的石莼消退得比較快。表明舟山不同海區(qū)附著生物的繁殖、消退時(shí)間存在一定差異，因此，不同海區(qū)在下網(wǎng)時(shí)間、清洗網(wǎng)衣時(shí)間以及防污涂料的選擇上應(yīng)有區(qū)別。

石莼從7月中旬開始繁殖生長，生長快且數(shù)量大，7-9月均有附著，多附著在表層網(wǎng)片，即水下0.5 m左右，附著高峰期在8-9月。8月初，測試組底層網(wǎng)片上首先出現(xiàn)鴨毛藻幼體，但數(shù)量較少，只在網(wǎng)片的邊緣有少量附著，而對照組網(wǎng)片上未見鴨毛藻；8月中旬檢查結(jié)果與月初基本一致，測試組底層網(wǎng)片上鴨毛藻的數(shù)量稍有增多；9月22日的檢查發(fā)現(xiàn)，兩組掛網(wǎng)的中層和底層網(wǎng)片附著的主要生物都演替成鴨毛藻，但對照組網(wǎng)片主要是鴨毛藻幼體，測試組網(wǎng)片上鴨毛藻則比較成熟。由上述幾次檢測結(jié)果可以推斷：經(jīng)涂料處理過的網(wǎng)片上鴨毛藻生長繁殖要比未涂涂料的網(wǎng)片早。試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，沿岸礁石上附著有大量藤壺，但試驗(yàn)網(wǎng)片上未見有藤壺附著，這一現(xiàn)象在許文軍等[10]的研究中也有提及。

2.2 附著生物量隨水深的變化規(guī)律

從圖3可以看出，各季節(jié)對照組3層網(wǎng)片的覆蓋面積率變化。總體上看，表層和中層網(wǎng)片的覆蓋面積率隨季節(jié)的變化規(guī)律基本一致，且數(shù)值也相近，除6月下旬至7月上旬水螅死亡脫落并重新繁殖這一階段，表、中層網(wǎng)片的覆蓋面積率都較高，均在66.59%～98.10%之間。下海2個(gè)月左右，表層網(wǎng)片的覆蓋率一直略高于中層網(wǎng)片；7-8月，尤其8月，表、中層網(wǎng)片的覆蓋面積率都十分相近，差距很小。5-6月，水螅在表層和中層網(wǎng)片形成繁殖高峰，隨后死亡脫落，而底層網(wǎng)片在這一階段極少有生物附著，覆蓋率在26.31%～52.63%之間，遠(yuǎn)低于表、中層網(wǎng)片；7月之后，底層網(wǎng)片開始有穩(wěn)定的生物附著，覆蓋率開始升高，8月之后基本與表、中層網(wǎng)片齊平。

圖3 對照組3層網(wǎng)片覆蓋面積率隨季節(jié)的變化Fig.3 Seasonal changes of the coverage area rate of three layers of the control group

綜上所述，5-6月生物附著量在深度上表現(xiàn)出明顯差異 (表層＞中層＞底層)，底層網(wǎng)片極少有附著；7月，各層網(wǎng)片附著的生物量差距縮小，覆蓋率中層＞表層＞底層；8月至9月，各水層網(wǎng)片附著的生物量都較大，覆蓋面積率在深度上沒有明顯差異。試驗(yàn)海區(qū)深度為5 m左右，海水溫度隨深度變化較小，表層和底層溫差均在1℃左右，因此不考慮水溫是不同水深生物量存在差異的主要因素。而試驗(yàn)前期海區(qū)光照強(qiáng)度較弱且海水透明度偏低(0.6～1.2 m)，海水透光性不強(qiáng)，造成底層網(wǎng)片光照少，基于附著生物具有趨光性[19]，因此不利于生物的繁殖生長；7月以后隨著光照增強(qiáng)，底層網(wǎng)片光照增多，附著生物開始附著生長，因此，推測各季節(jié)光照強(qiáng)度可能是造成不同水層生物種類和生物量存在差異的主要因素之一。

2.3 新型仿生防污涂料的防污效果分析

從圖4可以看出，掛網(wǎng)25 d拍攝的兩組掛網(wǎng)的附著對比，從這次檢查結(jié)果看，掛樣20 d左右，對照組網(wǎng)片已經(jīng)附著嚴(yán)重，覆蓋面積率高達(dá)98%，達(dá)到更換網(wǎng)衣的附著程度[20]。而測試組網(wǎng)片附著較少，只有少量生物或海泥附著，且生物粘附力較弱，能輕易取下?？梢娡苛鲜褂们捌趯σ种扑５母街哂忻黠@效果。

從圖5可以看出，掛網(wǎng)2個(gè)月拍攝的兩組掛網(wǎng)的附著對比，圖中明顯看到：測試組網(wǎng)片上有不少生物附著，且從現(xiàn)場檢查看，測試組網(wǎng)片附著生物的粘附力變強(qiáng)，不易取下，對比掛網(wǎng)20 d左右的附著網(wǎng)片，可見涂料的防附效果大幅度減弱。但附著生物量還是少于對照組網(wǎng)片。

圖4 下海25 d 2組掛網(wǎng)的附著情況對比Fig.4 The comparison of the attachment conditions of the two groups after 25 days

圖5 下海3個(gè)月2組掛網(wǎng)的附著情況對比Fig.5 The comparison of the attachment conditions of the two groups after two months

結(jié)合兩組掛網(wǎng)的覆蓋面積率分析，如圖6a、圖6b、圖6c所示，分別為3種水深(0.5 m、2.5 m、4.5 m)下，2組網(wǎng)片的覆蓋面積率隨季節(jié)變化圖。從圖中可以看出，掛網(wǎng)約2個(gè)月內(nèi)，經(jīng)涂料處理過的網(wǎng)片覆蓋面積率基本保持在30%左右(空白網(wǎng)片覆蓋率為26.31%)，遠(yuǎn)低于對照組網(wǎng)片，說明該涂料使用前期顯示出很好的防附著效果。但高溫期間，尤其是8月份，如圖6b所示，測試組網(wǎng)片的覆蓋率也達(dá)到了60%及以上，跟對照組網(wǎng)片相比，覆蓋率低于對照組，但兩者差值明顯縮小，表明涂料防附著能力大幅度減弱。圖6c中，9月以后測試組底層網(wǎng)片的覆蓋面積率呈現(xiàn)反超對照組網(wǎng)片的趨勢，這是由于前面所提到的測試組網(wǎng)片上鴨毛藻的繁殖生長時(shí)間早于對照組。

圖6 2組掛網(wǎng)覆蓋面積率對比Fig.6 Comparison of the two group＇s coverage area rate

由上述分析可知，該新型仿生涂料對桃花島養(yǎng)殖海區(qū)有一定的適用性，有效期為3個(gè)月左右，涂料呈現(xiàn)出較短的有效期可能與夏季試驗(yàn)期間海區(qū)風(fēng)浪較大、網(wǎng)衣受海水沖刷較嚴(yán)重有關(guān)。

3 結(jié)論

2017年5-9月通過在舟山桃花島大黃魚養(yǎng)殖海區(qū)進(jìn)行掛網(wǎng)試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

(1)桃花島養(yǎng)殖海區(qū)的附著生物種類有水螅、石莼、鴨毛藻、麥稈蟲、紫貽貝等，組成結(jié)構(gòu)相對單一。對網(wǎng)衣影響較大的主要是水螅和石莼。水螅在5-8月均有附著，5-6月主要附著在表層和中層網(wǎng)片，7-8月集中在中層和底層網(wǎng)片，5月底形成附著高峰，覆蓋面積率達(dá)98%，7月份消退脫落后又重新生長；石莼從7月中旬開始附著，生長快且數(shù)量大，多附著在表層網(wǎng)片，覆蓋面積率為80%左右。因此，在選擇防附涂料時(shí)應(yīng)著重考慮對水螅、石莼的防附著作用。

(2)該海區(qū)不同季節(jié)各水層網(wǎng)片的生物附著存在差異，5-6月，生物附著量在深度上表現(xiàn)出明顯差異(表層＞中層＞底層)，底層網(wǎng)片極少有附著；7月，各層網(wǎng)片附著的生物量差距縮小，覆蓋面積率為中層＞表層＞底層；8-9月，各水層網(wǎng)片附著的生物量都較大，覆蓋面積率在深度上沒有明顯差異。

(3)由本團(tuán)隊(duì)研發(fā)的新型量子仿生涂料對桃花島養(yǎng)殖海區(qū)有較好的實(shí)用性，涂料防附著效果明顯，涂料有效期為3個(gè)月左右。

綜合以上結(jié)論，5月為該海區(qū)水螅繁殖生長的高峰期，水螅大量附著造成網(wǎng)衣網(wǎng)孔嚴(yán)重堵塞，但考慮到6月中下旬便死亡脫落，因此不需要進(jìn)行清洗或換網(wǎng)操作，建議7月初左右對網(wǎng)衣進(jìn)行1次水下涂裝涂料工作，以避免高溫期間生物的大量附著。

本實(shí)驗(yàn)通過實(shí)海掛網(wǎng)試驗(yàn)首次對桃花島養(yǎng)殖海區(qū)的生物附著特性進(jìn)行了初步研究，對該海區(qū)附著生物的防除具有一定的參考意義，海洋環(huán)境復(fù)雜多樣，附著生物除了受水深、透明度、溫度等因素影響外，還與網(wǎng)衣材質(zhì)、網(wǎng)目尺寸、水流、波浪等相關(guān)，尚需進(jìn)一步的研究。