菲律賓蛤仔對海水懸浮泥沙的絮凝效果及機理研究

林 朋，戎振英，劉行平，葛亞明，劉俊稚,3，穆 軍

（1.浙江海洋大學海洋科學與技術學院，浙江舟山 316022；2.舟山市污水處理有限公司，浙江舟山 316000；3.浙江海洋大學石油化工與環境學院，浙江舟山 316022）

菲律賓蛤仔Ruditapes philippinarum，俗稱花蛤、蛤蜊，是我國四大養殖貝類之一，在南海、東海和黃海等地均有分布，其養殖投資少、周期短，是我國單種產量最高的埋棲型貝類，年產量超過4×106t，占世界菲律賓蛤仔養殖產量的97.4%[1]。菲律賓蛤仔不僅在水產養殖業中具有重要經濟價值，在海洋生態系統中也具有重要的環境價值[2-3]。有研究發現，菲律賓蛤仔在濾食時會噴吐出一些體內的黏附污泥，這些黏附污泥含有的多糖成分具有明顯的絮凝能力，能夠對污水中的高嶺土等懸浮物及色素、重金屬等污染物進行高效絮凝去除，對改善膨脹活性污泥的沉降性能、促進光合細菌掛膜等也有很強功效[4-7]。然而，菲律賓蛤仔黏附污泥及其中多糖成分的提取、收集等步驟耗時長且效率低，不利于其實際應用的推廣。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境生態效應及其應用相關研究起步較晚，其環境價值有待深入挖掘。

懸浮泥沙是海水環境中極為重要的水質參數之一，海水中懸浮泥沙的存在會直接影響海洋水體的一系列光學特性，如水體渾濁度、透明度等，進而嚴重影響近海區域的生態環境和生物資源生產力[8-9]。目前對海水懸浮泥沙的去除大多采取靜態沉淀法，但靜態沉淀法易受風浪影響效果有限，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殖海域海水中的懸浮泥沙成為海洋生態環境研究領域的難點之一[10-11]。菲律賓蛤仔作為分布廣泛、產量巨大的海洋生物，如能在生長過程中對懸浮泥沙進行絮凝沉降將對降低海水濁度、提高海洋初級生產力具有重要生態環境價值，因此本研究對懸浮泥沙絮凝效果及機理進行考察，以期為利用菲律賓蛤仔凈化懸浮泥沙污染海水提供科學依據和數據支持。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

菲律賓蛤仔取自舟山朱家尖某養殖場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3 d。暫養期間海水溫度保持在20～23 °C，持續微量曝氣，并每天定量投喂螺旋藻藻粉。暫養結束后，隨機選取個體均勻、生長良好、正常開殼且反應敏感的菲律賓蛤仔用于后續實驗。

實驗海水和懸浮泥沙均取自上述養殖場。其中，海水鹽度31～32、pH 7.8～8.2。懸浮泥沙的成分及熱穩定性分析如圖1 所示，通過與標準卡片對比得知其成分主要為SiO2；當溫度從16 ℃升至580 ℃過程中，泥沙質量從6.71 mg 降至6.31 mg，降幅僅為5.96%，表明其熱穩定性良好。

1.2 實驗設計

1.2.1 高嶺土絮凝實驗

高嶺土作為一種反絮凝物質可在淡水中長時間懸浮而難以沉淀，因此常作為絮凝實驗的模式絮凝對象[3,5,12-14]。經預實驗觀察發現，菲律賓蛤仔在淡水中基本不會開殼進行濾食活動，因此在KURANE,et al[14]的經典高嶺土懸濁液絮凝活性測定法的基礎上，參照高琦等[3]和周海軍等[5]設計實驗方案：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（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理，取各組絮凝前后的高嶺土顆粒分別進行表面Zeta 電位測定。

1.2.2 懸浮泥沙絮凝實驗

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為0.46 g·L-1。與高嶺土實驗相似，設泥沙自然沉降組（對照組）和菲律賓蛤仔絮凝組（蛤仔組）分別監測懸浮泥沙的沉降情況。同時，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1個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 個與實驗體系大小接近的玻璃蓋，使蛤仔濾食行為所噴吐的泥沙團無法直接影響上層水體。3 組處理的勻速攪拌強度和時間，及后續采樣方法和時間等同上述高嶺土絮凝實驗。此外，對絮凝前后的各組懸浮泥沙顆粒分別進行表面Zeta 電位測定及掃描電子顯微（SEM）觀測，以探討相關絮凝機理。

1.2.3 參數檢測及計算方法

懸浮泥沙組分分析：采用X 射線衍射儀（Rigaku，日本理學公司）分析主要晶體結構和結晶度，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 時刻的吸光度。

1.3 數據處理與分析

所有數據均為3 個平行的平均值，采用Origin 2021 和SPSS 25.0 分別進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）檢驗不同處理間的差異是否顯著，以P＜0.05 為有統計學意義。

2 結果與討論

2.1 高嶺土絮凝效果及相關機理

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，相應絮凝率為56.7%，100 min 后的最終絮凝率達到86.4%，這可能是由于海水中含有的Ca2+、Na+、Mg2+、Al3+等金屬離子促進了高嶺土的絮凝沉降[5,14]；海水體系加入菲律賓蛤仔后，進一步促進了高嶺土的絮凝，10 min 絮凝率為62.5%，100 min 后的絮凝率達到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

關于絮凝機理存在各類假說，如吸附架橋、吸附-電中和、網捕學說等[15-16]，本研究中涉及的機理可能是吸附-電中和。Zeta 電位測定結果發現，高嶺土顆粒表面的Zeta 電位均為負值，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現的，但菲律賓蛤仔對高嶺土的絮凝并非常規電中和作用。結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，相關實驗驗證及討論見下文懸浮泥沙絮凝研究。

2.2 懸浮泥沙絮凝結果及相關機理

菲律賓蛤仔對懸浮泥沙的絮凝結果如圖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 時的絮凝率僅為6.8%，60 min 后的絮凝率也僅達到19.9%。這是由于實驗所用舟山近海養殖水體中的懸浮泥沙多屬于粉砂，有研究報道這種粉砂能夠在海水中長時間（超過24 h）懸浮[10]，本研究與其結論一致。加入菲律賓蛤仔明顯促進了懸浮泥沙的絮凝，對菲律賓蛤仔濾食行為加以阻隔的實驗組，雖然10 min 后懸浮泥沙的絮凝率僅為5.6%，但之后隨著時間延長而明顯上升，60 min 后的絮凝效率達到53.3%；而未對濾食行為進行阻隔的處理組絮凝效果顯著更好（P＜0.05），10 min 后的絮凝率達到23.0%，60 min 后已經達到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生的黏附污泥有關[4-5]，而相較于菲律賓蛤仔體內黏附污泥的提取應用[6-7]，顯然直接采用菲律賓蛤仔活體絮凝更省時省力。

圖3 菲律賓蛤仔對懸浮泥沙的絮凝結果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驗結果相似，經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電荷增加，其穩定性更強，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。

經菲律賓蛤仔絮凝前后的懸浮泥沙SEM 圖如圖4 所示。可見，絮凝前的懸浮泥沙顆粒基本呈單獨的顆粒或塊狀，且分布松散，較少出現堆疊現象；而經蛤仔絮凝后的懸浮泥沙顆粒大多粘連在一起，呈團聚狀，且這些泥沙顆粒由于互相堆疊形成了較大的不規則絮體。這可能是菲律賓蛤仔在將其體內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，通過網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，進一步觀察發現，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停留在體內，而是會與體內黏附污泥結合，之后被通過噴水、反復開殼閉殼、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過多增加其體內泥沙含量，不會影響其作為水產品直接食用的口感或在其他食品加工過程中的應用。

3 結論

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理，主要得到以下結論：（1）菲律賓蛤仔能夠有效促進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理均并非常規吸附-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長期待在體內，而是很快又被排出體外，并且在排出體外的過程中通過網掃捕集作用將水中其他懸浮泥沙一起絮凝沉降。總之，菲律賓蛤仔活體可以通過濾食行為促進海水懸浮泥沙的快速絮凝沉降，從而有效降低海水濁度，具有明顯的水質凈化生態學效應和潛在環境應用價值。