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

(浙江海洋大學海洋科學與技術(shù)學院，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、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，導致網(wǎng)內(nèi)養(yǎng)殖環(huán)境變差，細菌滋生，危害養(yǎng)殖對象的健康；另一方面會導致養(yǎng)殖設(shè)施水阻力增大，增加養(yǎng)殖設(shè)施的風險，縮短使用壽命[1-2]。此外，附著生物的自身生命活動也會對養(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、化學方法以及生物方法等處理方法。物理方法主要是采用機械清除法，利用清洗機械對污損網(wǎng)設(shè)施進行清潔處理，國外大多采用物理法(機械清除法)進行附著生物處理，但這種方法通常需要耗費大量的人力、物力，大大降低了養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟利潤，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，指當養(yǎng)殖網(wǎng)設(shè)施生物附著較為嚴重時，用新的網(wǎng)設(shè)施進行替換，但換網(wǎng)操作強度大，有時甚至無法實施，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)殖風險；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行了周年掛板試驗研究，發(fā)現(xiàn)長期試驗掛板上附著生物的附著強度比同階段短期掛板上生物的總和要嚴重得多；GREENE，et al[8]對美國緬因灣西部開放式深水養(yǎng)殖網(wǎng)箱進行了周年掛網(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浮標調(diào)查站(BIS)和固定采油平臺(FOP)進行附著生物調(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，認為對網(wǎng)衣造成較大危害的種類是水螅蟲和海葵。水柏年等[11]對舟山秀山島和長峙島海區(qū)深水網(wǎng)箱進行了掛網(wǎng)試驗研究，掌握了2個海區(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)試驗對海區(qū)附著生物時空變化研究中發(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，所以本實驗選擇時間為夏季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)律的研究及報道，為此，本研究通過海區(qū)掛網(wǎng)試驗對桃花島養(yǎng)殖海區(qū)的附著生物進行研究，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，通過試驗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

由本團隊研發(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]，利用生物仿生學原理和量子化學技術(shù)提取海洋生物的活性物質(zhì)，再采用化學手段對其微觀結(jié)構(gòu)進行分解重組，生成的生物活性自由基，具有極強的附著力和優(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腐蝕，對水資源和水生物提供良好的保護；具有疏水性能，具有表面形成自潔效應(yīng)，接觸角可達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 試驗方法

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

試驗網(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)的附著情況進行圖像采集，同時采集少量掛網(wǎng)上附著的大型附著生物樣品，采樣時保證樣品的完整性，將樣品帶回實驗室進行鑒定。試驗中用到的儀器主要有高分辨率照相機、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)部細胞結(jié)構(gòu)，對樣品進行鑒定[15]，將鑒定得到的生物種類按采樣時間做好記錄，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

計算每張網(wǎng)片的覆蓋面積率 (指整個群落覆蓋附著基的百分比率)，覆蓋面積率是網(wǎng)片附著量的標志之一。將采集的圖像進行格式轉(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算網(wǎng)片的覆蓋面積率[16]，圖2是用該軟件計算的空白網(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為試驗海區(qū)附著的主要生物種類及季節(jié)變化，試驗期間，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)片在實際試驗中已觸底，且試驗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、消退時間存在一定差異，因此，不同海區(qū)在下網(wǎng)時間、清洗網(wǎng)衣時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。試驗中還發(fā)現(xiàn)，沿岸礁石上附著有大量藤壺，但試驗網(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。而試驗前期海區(qū)光照強度較弱且海水透明度偏低(0.6～1.2 m)，海水透光性不強，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，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)附著嚴重，覆蓋面積率高達98%，達到更換網(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。可見涂料使用前期對抑制水螅的附著具有明顯效果。

從圖5可以看出，掛網(wǎng)2個月拍攝的兩組掛網(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，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個月左右，涂料呈現(xiàn)出較短的有效期可能與夏季試驗期間海區(qū)風浪較大、網(wǎng)衣受海水沖刷較嚴重有關(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)進行掛網(wǎng)試驗，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)由本團隊研發(fā)的新型量子仿生涂料對桃花島養(yǎng)殖海區(qū)有較好的實用性，涂料防附著效果明顯，涂料有效期為3個月左右。

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)孔嚴重堵塞，但考慮到6月中下旬便死亡脫落，因此不需要進行清洗或換網(wǎng)操作，建議7月初左右對網(wǎng)衣進行1次水下涂裝涂料工作，以避免高溫期間生物的大量附著。

本實驗通過實海掛網(wǎng)試驗首次對桃花島養(yǎng)殖海區(qū)的生物附著特性進行了初步研究，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)，尚需進一步的研究。