菲律賓蛤仔對海水懸浮泥沙的絮凝效果及機(jī)理研究

林 朋，戎振英，劉行平，葛亞明，劉俊稚,3，穆 軍

（1.浙江海洋大學(xué)海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，浙江舟山 316022；2.舟山市污水處理有限公司，浙江舟山 316000；3.浙江海洋大學(xué)石油化工與環(huán)境學(xué)院，浙江舟山 316022）

菲律賓蛤仔Ruditapes philippinarum，俗稱花蛤、蛤蜊，是我國四大養(yǎng)殖貝類之一，在南海、東海和黃海等地均有分布，其養(yǎng)殖投資少、周期短，是我國單種產(chǎn)量最高的埋棲型貝類，年產(chǎn)量超過4×106t，占世界菲律賓蛤仔養(yǎng)殖產(chǎn)量的97.4%[1]。菲律賓蛤仔不僅在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中具有重要經(jīng)濟(jì)價(jià)值，在海洋生態(tài)系統(tǒng)中也具有重要的環(huán)境價(jià)值[2-3]。有研究發(fā)現(xiàn)，菲律賓蛤仔在濾食時(shí)會(huì)噴吐出一些體內(nèi)的黏附污泥，這些黏附污泥含有的多糖成分具有明顯的絮凝能力，能夠?qū)ξ鬯械母邘X土等懸浮物及色素、重金屬等污染物進(jìn)行高效絮凝去除，對改善膨脹活性污泥的沉降性能、促進(jìn)光合細(xì)菌掛膜等也有很強(qiáng)功效[4-7]。然而，菲律賓蛤仔黏附污泥及其中多糖成分的提取、收集等步驟耗時(shí)長且效率低，不利于其實(shí)際應(yīng)用的推廣。而相較于對其黏附污泥提取物的研究，對活體菲律賓蛤仔的環(huán)境生態(tài)效應(yīng)及其應(yīng)用相關(guān)研究起步較晚，其環(huán)境價(jià)值有待深入挖掘。

懸浮泥沙是海水環(huán)境中極為重要的水質(zhì)參數(shù)之一，海水中懸浮泥沙的存在會(huì)直接影響海洋水體的一系列光學(xué)特性，如水體渾濁度、透明度等，進(jìn)而嚴(yán)重影響近海區(qū)域的生態(tài)環(huán)境和生物資源生產(chǎn)力[8-9]。目前對海水懸浮泥沙的去除大多采取靜態(tài)沉淀法，但靜態(tài)沉淀法易受風(fēng)浪影響效果有限，某些粉砂類懸浮泥沙亦難以自然沉降。因此，如何有效降低海水尤其養(yǎng)殖海域海水中的懸浮泥沙成為海洋生態(tài)環(huán)境研究領(lǐng)域的難點(diǎn)之一[10-11]。菲律賓蛤仔作為分布廣泛、產(chǎn)量巨大的海洋生物，如能在生長過程中對懸浮泥沙進(jìn)行絮凝沉降將對降低海水濁度、提高海洋初級生產(chǎn)力具有重要生態(tài)環(huán)境價(jià)值，因此本研究對懸浮泥沙絮凝效果及機(jī)理進(jìn)行考察，以期為利用菲律賓蛤仔凈化懸浮泥沙污染海水提供科學(xué)依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

菲律賓蛤仔取自舟山朱家尖某養(yǎng)殖場2 齡貝，平均殼長35.8 mm、體重7.8 g。將新鮮的菲律賓蛤仔用海水仔細(xì)沖洗除去殼外臟物后，置于干凈水族箱中，加入新鮮海水暫養(yǎng)3 d。暫養(yǎng)期間海水溫度保持在20～23 °C，持續(xù)微量曝氣，并每天定量投喂螺旋藻藻粉。暫養(yǎng)結(jié)束后，隨機(jī)選取個(gè)體均勻、生長良好、正常開殼且反應(yīng)敏感的菲律賓蛤仔用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)海水和懸浮泥沙均取自上述養(yǎng)殖場。其中，海水鹽度31～32、pH 7.8～8.2。懸浮泥沙的成分及熱穩(wěn)定性分析如圖1 所示，通過與標(biāo)準(zhǔn)卡片對比得知其成分主要為SiO2；當(dāng)溫度從16 ℃升至580 ℃過程中，泥沙質(zhì)量從6.71 mg 降至6.31 mg，降幅僅為5.96%，表明其熱穩(wěn)定性良好。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 高嶺土絮凝實(shí)驗(yàn)

高嶺土作為一種反絮凝物質(zhì)可在淡水中長時(shí)間懸浮而難以沉淀，因此常作為絮凝實(shí)驗(yàn)的模式絮凝對象[3,5,12-14]。經(jīng)預(yù)實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，菲律賓蛤仔在淡水中基本不會(huì)開殼進(jìn)行濾食活動(dòng)，因此在KURANE,et al[14]的經(jīng)典高嶺土懸濁液絮凝活性測定法的基礎(chǔ)上，參照高琦等[3]和周海軍等[5]設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案：用抽濾過的新鮮海水和蒸餾水各配制4 g·L-1的高嶺土懸濁液，設(shè)淡水高嶺土自然沉降組（對照組）、海水高嶺土自然沉降組（海水組）和海水高嶺土菲律賓蛤仔絮凝組（蛤仔組）3 個(gè)處理，對配好的懸濁液勻速攪拌（40 r·min-1）2 min后，吸取懸濁液液面以下1 cm 處液體，用紫外可見分光光度計(jì)（Agilent Cary 60,美國安捷倫公司）于550 nm下測定初始吸光度，之后每隔10 min 取樣吸光度。為考察菲律賓蛤仔對高嶺土的絮凝機(jī)理，取各組絮凝前后的高嶺土顆粒分別進(jìn)行表面Zeta 電位測定。

1.2.2 懸浮泥沙絮凝實(shí)驗(yàn)

用抽濾過的新鮮海水配制懸浮泥沙懸濁液，參考舟山附近海域中的懸浮泥沙濃度[9]，本研究中懸浮泥沙的濃度設(shè)為0.46 g·L-1。與高嶺土實(shí)驗(yàn)相似，設(shè)泥沙自然沉降組（對照組）和菲律賓蛤仔絮凝組（蛤仔組）分別監(jiān)測懸浮泥沙的沉降情況。同時(shí)，為探究菲律賓蛤仔是否通過濾食行為來絮凝海水中的懸浮泥沙，設(shè)1個(gè)菲律賓蛤仔濾食行為阻隔絮凝組（蛤仔行為阻隔組），即：在菲律賓蛤仔上方懸置1 個(gè)與實(shí)驗(yàn)體系大小接近的玻璃蓋，使蛤仔濾食行為所噴吐的泥沙團(tuán)無法直接影響上層水體。3 組處理的勻速攪拌強(qiáng)度和時(shí)間，及后續(xù)采樣方法和時(shí)間等同上述高嶺土絮凝實(shí)驗(yàn)。此外，對絮凝前后的各組懸浮泥沙顆粒分別進(jìn)行表面Zeta 電位測定及掃描電子顯微（SEM）觀測，以探討相關(guān)絮凝機(jī)理。

1.2.3 參數(shù)檢測及計(jì)算方法

懸浮泥沙組分分析：采用X 射線衍射儀（Rigaku，日本理學(xué)公司）分析主要晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)晶度，測試條件為管電壓40 kV、管電流40 mA，X 射線源為Cu 靶，掃描范圍為5°～70°、步長0.02°。

懸浮泥沙熱穩(wěn)定性分析：采用差熱熱重同步分析儀（DTG-60，日本島津公司）檢測，測試溫度為16～600 ℃，升溫速率為25 ℃·min-1。

Zeta 電位檢測：將收集得到的高嶺土絮體或懸浮泥沙顆粒稀釋10 倍后，利用基于專利型M3-PALS技術(shù)的Zeta 電位儀（ZetasizerNano ZS90,英國馬爾文公司）檢測。

SEM 觀測：用掃描電子顯微鏡（Hitachi SU8010,日本日立公司）觀測。

絮凝效率η（%）采用公式（1）計(jì)算：

式中：A0為高嶺土或懸浮泥沙懸濁液的初始吸光度；At為t 時(shí)刻的吸光度。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

所有數(shù)據(jù)均為3 個(gè)平行的平均值，采用Origin 2021 和SPSS 25.0 分別進(jìn)行繪圖和差異性分析等。采用單因素方差分析（one-way analysis of variance,ANOVA）檢驗(yàn)不同處理間的差異是否顯著，以P＜0.05 為有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果與討論

2.1 高嶺土絮凝效果及相關(guān)機(jī)理

如圖2 所示，淡水體系中的高嶺土絮凝率很低，100 min 后的絮凝率僅為1.9%，這符合高嶺土在淡水中幾乎不會(huì)自然沉降的特性；海水體系中，10 min 后高嶺土即有了明顯沉降，相應(yīng)絮凝率為56.7%，100 min 后的最終絮凝率達(dá)到86.4%，這可能是由于海水中含有的Ca2+、Na+、Mg2+、Al3+等金屬離子促進(jìn)了高嶺土的絮凝沉降[5,14]；海水體系加入菲律賓蛤仔后，進(jìn)一步促進(jìn)了高嶺土的絮凝，10 min 絮凝率為62.5%，100 min 后的絮凝率達(dá)到97.3%。

圖2 菲律賓蛤仔對高嶺土的絮凝效果Fig.2 Flocculation rates of R.philippinarum on kaolin

關(guān)于絮凝機(jī)理存在各類假說，如吸附架橋、吸附-電中和、網(wǎng)捕學(xué)說等[15-16]，本研究中涉及的機(jī)理可能是吸附-電中和。Zeta 電位測定結(jié)果發(fā)現(xiàn)，高嶺土顆粒表面的Zeta 電位均為負(fù)值，其絕對值從大到小依次為：蛤仔組絮凝后（-38.5 mV）＞絮凝前（-34.4 mV）＞海水組絮凝后（-17.7 mV），這表明海水體系中高嶺土的絮凝可能是通過水中金屬離子與高嶺土的電中和作用實(shí)現(xiàn)的，但菲律賓蛤仔對高嶺土的絮凝并非常規(guī)電中和作用。結(jié)合菲律賓蛤仔生長行為特性分析，其對懸浮物的絮凝可能與其濾食行為過程有關(guān)，相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及討論見下文懸浮泥沙絮凝研究。

2.2 懸浮泥沙絮凝結(jié)果及相關(guān)機(jī)理

菲律賓蛤仔對懸浮泥沙的絮凝結(jié)果如圖3 所示。由圖可見，與淡水體系的高嶺土類似，海水中懸浮泥沙的自然沉降性能較差，10 min 時(shí)的絮凝率僅為6.8%，60 min 后的絮凝率也僅達(dá)到19.9%。這是由于實(shí)驗(yàn)所用舟山近海養(yǎng)殖水體中的懸浮泥沙多屬于粉砂，有研究報(bào)道這種粉砂能夠在海水中長時(shí)間（超過24 h）懸浮[10]，本研究與其結(jié)論一致。加入菲律賓蛤仔明顯促進(jìn)了懸浮泥沙的絮凝，對菲律賓蛤仔濾食行為加以阻隔的實(shí)驗(yàn)組，雖然10 min 后懸浮泥沙的絮凝率僅為5.6%，但之后隨著時(shí)間延長而明顯上升，60 min 后的絮凝效率達(dá)到53.3%；而未對濾食行為進(jìn)行阻隔的處理組絮凝效果顯著更好（P＜0.05），10 min 后的絮凝率達(dá)到23.0%，60 min 后已經(jīng)達(dá)到95.7%。由此可以推測，在菲律賓蛤仔對懸浮泥沙的絮凝過程中，其濾食行為起著重要作用，可能與其濾食過程產(chǎn)生的黏附污泥有關(guān)[4-5]，而相較于菲律賓蛤仔體內(nèi)黏附污泥的提取應(yīng)用[6-7]，顯然直接采用菲律賓蛤仔活體絮凝更省時(shí)省力。

圖3 菲律賓蛤仔對懸浮泥沙的絮凝結(jié)果Fig.3 Flocculation rates of R.philippinarum on suspended sediment

各組懸浮泥沙表面Zeta 電位的變化情況與高嶺土實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似，經(jīng)菲律賓蛤仔絮凝后的懸浮泥沙絮體表面Zeta 電位絕對值大于絮凝前（-42.5 mV vs -39.3 mV），意味著絮凝后的懸浮泥沙絮體表面的負(fù)電荷增加，其穩(wěn)定性更強(qiáng)，這表明菲律賓蛤仔絮凝懸浮泥沙的原理也不是吸附-電中和。

經(jīng)菲律賓蛤仔絮凝前后的懸浮泥沙SEM 圖如圖4 所示?？梢姡跄暗膽腋∧嗌愁w粒基本呈單獨(dú)的顆?；驂K狀，且分布松散，較少出現(xiàn)堆疊現(xiàn)象；而經(jīng)蛤仔絮凝后的懸浮泥沙顆粒大多粘連在一起，呈團(tuán)聚狀，且這些泥沙顆粒由于互相堆疊形成了較大的不規(guī)則絮體。這可能是菲律賓蛤仔在將其體內(nèi)的懸浮泥沙絮體排出體外后，這些絮體在沉降過程中接觸到水中的其他懸浮泥沙顆粒時(shí)，通過網(wǎng)掃捕集作用將它們吸附，最終沉降形成了顆粒更大的絮體。

圖4 絮凝前（A:×500、B:×1 000）和絮凝后（a:×500、b:×1 000）懸浮泥沙SEM 圖Fig.4 SEM images of suspended sediment before（A:×500,B:×1 000）and after（a:×500,b:×1 000）flocculation

此外，進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，菲律賓蛤仔在對懸浮泥沙完成絮凝后，絕大部分絮體顆粒并不會(huì)停留在體內(nèi)，而是會(huì)與體內(nèi)黏附污泥結(jié)合，之后被通過噴水、反復(fù)開殼閉殼、伸縮斧足等行為，排出體外至附近沉積物中。因此，菲律賓蛤仔對懸浮泥沙的絮凝并不會(huì)過多增加其體內(nèi)泥沙含量，不會(huì)影響其作為水產(chǎn)品直接食用的口感或在其他食品加工過程中的應(yīng)用。

3 結(jié)論

本文探究了菲律賓蛤仔活體對海水中高嶺土和懸浮泥沙的絮凝效果及可能機(jī)理，主要得到以下結(jié)論：（1）菲律賓蛤仔能夠有效促進(jìn)海水中高嶺土和懸浮泥沙的絮凝，100 min 后高嶺土的絮凝率和60 min 懸浮泥沙的絮凝效率分別高達(dá)97.3%和95.7%；（2）菲律賓蛤仔對海水高嶺土和懸浮泥沙的絮凝機(jī)理均并非常規(guī)吸附-電中和，而很可能是其濾食行為所致；（3）菲律賓蛤仔絮凝的泥沙不會(huì)長期待在體內(nèi)，而是很快又被排出體外，并且在排出體外的過程中通過網(wǎng)掃捕集作用將水中其他懸浮泥沙一起絮凝沉降?？傊坡少e蛤仔活體可以通過濾食行為促進(jìn)海水懸浮泥沙的快速絮凝沉降，從而有效降低海水濁度，具有明顯的水質(zhì)凈化生態(tài)學(xué)效應(yīng)和潛在環(huán)境應(yīng)用價(jià)值。