我國(guó)沿海污損生物分布特點(diǎn)及防治措施

陳凱，王勝通，元軻新

[南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（湛江），廣東 湛江 524002]

海洋污損生物附著在船舶、網(wǎng)箱、海上平臺(tái)等人工設(shè)施表面，會(huì)導(dǎo)致船舶局部腐蝕，影響航行；導(dǎo)致網(wǎng)箱載荷增加，水體交換效率降低，引起養(yǎng)殖魚(yú)類死亡；堵塞海洋平臺(tái)等海洋裝備的管道，導(dǎo)致設(shè)備失靈等，帶來(lái)諸多危害[1-2]，造成嚴(yán)重的安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失。而海洋污損生物種類繁多，跨越物種，生態(tài)習(xí)性各異，治理難度極大。據(jù)記載，全世界污損生物種類約4 000 種，僅我國(guó)海域范圍內(nèi)就有約600 種[3]。我國(guó)海域遼闊，南北跨度大，港灣多，水文條件復(fù)雜，海洋污損生物種類隨不同海域分布情況千差萬(wàn)別，各海域都生長(zhǎng)著以優(yōu)勢(shì)種類為主的污損生物群落[4]。

目前，污損生物防治可分為物理防污、化學(xué)防污、生物防污3 大類[3]。各類防污方法原理不同，針對(duì)不同污損生物的防污能力各有千秋，在污損治理方面需要因事為制。因此，如何根據(jù)海域、深度、季節(jié)等因素，確定污損生物的主要類別，從而針對(duì)性地進(jìn)行防污，達(dá)到污損防治的最大效率，具有重要意義。

現(xiàn)簡(jiǎn)述我國(guó)四大海域海洋污損生物的時(shí)空分布特點(diǎn)、污損生物的附著機(jī)理、污損生物防治措施和常見(jiàn)網(wǎng)衣防污設(shè)備，為防污技術(shù)升級(jí)及海洋產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 四大海域污損生物空間分布特點(diǎn)

在同一海域，不同污損生物生存空間相互交叉，往往相互依存又相互制約，隨著氣候、環(huán)境的變化，有特定的時(shí)空分布規(guī)律。其中溫度是影響生物污損分布的最主要因素，鹽度、水體透明度、光照變化及強(qiáng)度等次之[3]。

1.1 渤海

渤海泥沙含量多，鹽度較低，同時(shí)受溫帶大陸性氣候影響，全年溫差大。這些因素對(duì)渤海污損生物分布起決定性作用[5]。渤海的污損生物以溫帶種和廣溫帶種為主，夏秋兩季污損嚴(yán)重，秋季尤甚。全年生長(zhǎng)的污損生物主要是藤壺、麥稈蟲(chóng)、海筒螅和長(zhǎng)牡蠣，各個(gè)季節(jié)優(yōu)勢(shì)種有所變化[2]。夏秋季節(jié)優(yōu)勢(shì)種特征明顯，理石葉鉤蝦種群數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他種類。秋季污損生物種類、數(shù)量明顯增多，以長(zhǎng)牡蠣最為突出。冬季和春季渤海水溫較低，污損生物生長(zhǎng)緩慢，種類、數(shù)量較少，以日本大螯蜚和多棘麥稈蟲(chóng)占明顯優(yōu)勢(shì)[5-6]。

1.2 黃海

黃海在遼東半島東南部，緯度較高，水流通暢，鹽度較高，大量生長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)污損生物主要為紫貽貝、海鞘、埃氏蟄龍介蟲(chóng)、藤壺以及藻類[2，7]。山東半島東北部海域，受渤海及人類活動(dòng)影響較大，水體富營(yíng)養(yǎng)化，以溫帶種為主，污損情況更為復(fù)雜，主要污損生物為滸苔、海筒螅、海鞘、藤壺以及孔石莼[8]。黃海南部的連云港海域及呂四洋海域，污損生物種類數(shù)相對(duì)較少，優(yōu)勢(shì)種極為突出，以牡蠣、海鞘、藤壺、苔蟲(chóng)為主[9]。

受季風(fēng)氣候影響，黃海污損生物群落的季節(jié)特征顯著。污損生物附著期較長(zhǎng)，在夏季7—8 月，海鞘、貽貝、滸苔暴發(fā)生長(zhǎng)。春秋季以藪枝螅等腔腸動(dòng)物為主，冬季水溫較低，附著量較少，主要是石莼等大型藻類。

黃、渤海地理上相鄰，但水質(zhì)、環(huán)境變化較大，表現(xiàn)出的污損生物的種群數(shù)量差異明顯。根據(jù)采樣數(shù)據(jù)[2]，得到黃、渤海沿岸不同海域污損生物的相對(duì)種群數(shù)量。黃、渤海污損生物種群分布見(jiàn)圖1。由圖1 可見(jiàn)，總體上黃海污損生物種群數(shù)量高于渤海，尤其是被囊動(dòng)物和藻類，在2 個(gè)海域的分布差異更為明顯；大多數(shù)污損生物種類，在北至遼東灣、南至呂四洋的大部分海域范圍均有分布，而這些污損生物種群數(shù)量，又大都在遼東半島東南和山東半島東北附近海域達(dá)到最大值。

圖1 黃、渤海污損生物種群分布

1.3 東海

東海屬于亞熱帶海洋性氣候，水質(zhì)較差，透明度低，污損生物種類多于渤海和黃海，以廣溫種和廣布暖水種為主[10]。上海附近海域，由于長(zhǎng)江等較大水量河流的影響，從港口沿岸到遠(yuǎn)岸區(qū)，海水鹽度變化大，該海域內(nèi)污損生物的分布，隨鹽度變化由淡水種逐漸變?yōu)榈望}種，更遠(yuǎn)的海域則以高鹽種為主。受水流影響，在長(zhǎng)江口附近水流速度較大，影響了生物附著，污損生物較少[11]。在浙江北關(guān)港附近海域，污損生物主要以近岸暖水種為主。主要的優(yōu)勢(shì)種除網(wǎng)紋藤壺、長(zhǎng)鰓麥稈蟲(chóng)、中胚花筒螅外，還包括太平洋側(cè)花?？鸞12]。

在東海，網(wǎng)紋藤壺在夏秋兩季占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，春秋季節(jié)以水螅蟲(chóng)為主，冬季則以刺胞動(dòng)物中胚花筒螅為主，翡翠貽貝到了秋冬季較少生長(zhǎng)。東海海域全年都有生物附著，但季節(jié)變化明顯，以6—8 月為附著最嚴(yán)重時(shí)期，到了10 月，生物附著量開(kāi)始急劇下降，從12 月至次年的2 月，整體附著量處于最低水平[13]。污損生物群體數(shù)量隨季節(jié)變化情況見(jiàn)圖2。

圖2 優(yōu)勢(shì)污損生物附著隨季節(jié)變化[13]

1.4 南海

南海海域東西經(jīng)度跨度大，南北跨越熱帶和亞熱帶。南海海水全年溫度高、鹽度高，透明度大。因此，南海污損生物全年保持較高生長(zhǎng)水平，對(duì)海洋各項(xiàng)工作影響極大。南海的污損生物主要有蔓足類、軟體動(dòng)物、苔蘚動(dòng)物、環(huán)節(jié)動(dòng)物、腔腸動(dòng)物、被囊動(dòng)物和大型藻類[14-16]。其中苔蘚占比極大，如多室草苔蟲(chóng)等；蔓足類中網(wǎng)紋藤壺占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，腔腸類生長(zhǎng)周期短，季節(jié)變化尤為明顯，夏秋附著最為嚴(yán)重[1]。

2 污損生物附著機(jī)理

污損生物的附著方式，包括生物黏附、物理吸附、范德華力作用、靜電作用等，吸附過(guò)程往往是生物黏附、化學(xué)吸附、物理力場(chǎng)共同作用下的結(jié)果[17]。污損群落可根據(jù)附著特點(diǎn)，分為微生物膜污損生物群落、微型污損生物群落和宏觀污損生物群落。復(fù)雜污損生物群落的發(fā)展，通常要經(jīng)歷初期的條件膜及生物膜階段、中期的微型生物污損階段、后期的大型生物污損階段，從微觀向宏觀逐步發(fā)展[18-20]。當(dāng)然也并非所有污損過(guò)程都按此發(fā)展，不同污損生物在網(wǎng)衣、船舶等不同表面形成生物群落時(shí)，形成過(guò)程和附著機(jī)理也不同。雙殼類污損生物如貽貝，通過(guò)足絲實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度且長(zhǎng)時(shí)間的附著；而通過(guò)生物黏附的大部分污損生物，都可以通過(guò)一種含多巴的黏結(jié)蛋白實(shí)現(xiàn)超強(qiáng)黏附[21-22]。

2.1 藤壺

藤壺屬于節(jié)肢動(dòng)物門甲殼綱，廣泛分布在整個(gè)海洋。藤壺趨色喜暗，對(duì)海水的鹽度、溫度等影響因素具有較寬的適應(yīng)范圍，可以直接在網(wǎng)箱、船體表面附著，是被作為重點(diǎn)防治對(duì)象的海洋污損生物[23]。

藤壺在附著前期，其幼蟲(chóng)分泌一種透明無(wú)黏性且不溶于水的藤壺膠。藤壺膠滲透到附著表面，并逐漸進(jìn)入附著材料空隙內(nèi)，約6 h 后即固化，成為藤壺與附著材料之間強(qiáng)力的粘連劑。藤壺膠的主要成分為蛋白質(zhì)，可被還原劑或者蛋白質(zhì)裂解劑溶解[23-24]。

藤壺繁殖能力極強(qiáng)，溫帶海域內(nèi)四季皆可繁殖，低于一定溫度時(shí)停止繁殖。北方常見(jiàn)的東方小藤壺，最佳生長(zhǎng)溫度約21 ℃，＜6 ℃時(shí)開(kāi)始休眠，在＞24 ℃時(shí)出現(xiàn)死亡，＞30 ℃，全部死亡[25]。藤壺可附著于絕大部分的海工材料表面，銅合金是少有的可以抑制藤壺生長(zhǎng)的材料。聚二甲基硅氧烷可在被附著表面形成淡水液膜，從而抑制藤壺幼蟲(chóng)附著。此外，對(duì)于藤壺，疏水材料比親水材料難附著，淺色表面比深色表面更難附著，表面越粗糙越難附著[26-27]。

2.2 海鞘

海鞘的分布有明顯地域特性，大多數(shù)更適合生活在熱帶海域。中國(guó)海域內(nèi)，海鞘從南到北的優(yōu)勢(shì)種變化依次為悉尼海鞘、冠瘤海鞘、柄瘤海鞘[28-29]。海鞘幼體為蝌蚪形的桿狀，頭部的乳頭突起，是幼體時(shí)期特有的黏附器官。在海鞘黏附完成約4 h 后，幼蟲(chóng)開(kāi)始變態(tài)發(fā)育，將腹側(cè)表皮處的血管狀壺腹作為新的黏附器官，之后壺腹又縮回，最終形成一種匍匐枝結(jié)構(gòu)，作為最終的長(zhǎng)期黏附器官[30]。

根據(jù)海鞘生長(zhǎng)發(fā)育特點(diǎn)及黏附機(jī)制開(kāi)展科學(xué)防治。可考慮采用一些低表面能的物理涂層如有機(jī)硅氧烷等，防止海鞘附著；其次采用對(duì)海鞘有毒的化學(xué)防污涂料，如氧化亞銅、有機(jī)錫、汞化合物等，單磺酸鉀鹽可針對(duì)性地明顯抑制海鞘的附著[31]；此外，一些生物活性物質(zhì)如有機(jī)酸、萜類、醇類、胺類、吲哚類等，可抑制海鞘生長(zhǎng)且環(huán)境友好[32]。

2.3 海洋大型藻類

大型藻類屬于原生動(dòng)物界，其附著特點(diǎn)與藤壺等動(dòng)物截然不同。我國(guó)約有1 300 多種大型藻類，常見(jiàn)的污損藻類包括滸苔、石莼、石花菜等。藻類附著會(huì)極大影響網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)和網(wǎng)箱的水體交換。大型藻類受海水不同深度光照條件的影響，不同色素的藻類適應(yīng)不同波長(zhǎng)的光，故垂直分布特征明顯。深度由淺及深的種類變化，依次為藍(lán)藻、綠藻、褐藻、紅藻。大型藻類受水溫影響大，冬春季在南海出現(xiàn)盛期，而在偏北方海域則主要在夏季暴發(fā)[33]。

藻類通過(guò)隨機(jī)無(wú)規(guī)則的孢子散播生殖，附著過(guò)程分為蜉蝣階段和底棲階段。蜉蝣階段的孢子，通過(guò)鞭毛選擇合適的附著表面，分泌膠黏劑，完成初級(jí)黏附，之后膠黏劑不斷增多形成膠墊，20 min 內(nèi)完成永久黏附。不同藻類的黏附過(guò)程不盡相同，對(duì)藻類具體的黏附機(jī)理以及孢子的運(yùn)動(dòng)方式，尚有爭(zhēng)議[4，33]。

3 污損生物防治措施

同一時(shí)空、同一種污損生物，在不同表面的附著情況不盡相同，需根據(jù)不同附著表面，治理污損生物[34]。網(wǎng)衣上最常見(jiàn)的污損生物，除了前文重點(diǎn)討論的藤壺、海鞘、藻類，還包括水螅、雙殼類等[35]。目前常見(jiàn)的網(wǎng)箱防污方法可分為物理防污、化學(xué)防污、生物防污3 大類[4]。

常見(jiàn)的化學(xué)防污法，有防污涂料、電解防污、化學(xué)藥劑等。防污涂料法使用的防污涂料，主要包括低表面自由能防污涂料、仿生防污涂料、酶基防污涂料、含植物提取物的防污涂料（如辣素防污涂料）和氧化亞銅類防污涂料（目前在網(wǎng)衣防污涂料中占主導(dǎo)地位）等。電解防污法通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)生成化學(xué)物質(zhì)，如電解海水生成含氯物質(zhì)，以抑制污損生物附著生長(zhǎng)。化學(xué)藥劑法則是直接投入化學(xué)藥劑，操作方便且效果較好，但易危害環(huán)境[36-37]。

生物防污法利用生物之間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系、捕食關(guān)系，引入特定生物種類，直接捕食或是間接抑制污損生物的生長(zhǎng)。比如在養(yǎng)殖水體內(nèi)混養(yǎng)的斑石鯛、黑鯛、綠鰭?cǎi)R面鲀等清污魚(yú)類，都喜食絲狀綠藻、褐藻、硅藻等藻類，能有效減輕大型藻類的污損度。生物防污法對(duì)環(huán)境友好，但是對(duì)污損生物的可控種類小，且尚未發(fā)展出成熟的清污魚(yú)類混養(yǎng)模式[38]。

物理防污法包括人工清洗法、機(jī)械清洗法、暴曬法、沉箱法和網(wǎng)箱轉(zhuǎn)動(dòng)法等。人工清洗費(fèi)時(shí)費(fèi)力、效率較低，正向機(jī)械清洗轉(zhuǎn)變。機(jī)械清洗法隨著漁業(yè)裝備及水下自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，逐漸成為深遠(yuǎn)海大規(guī)模養(yǎng)殖的主要防污方式[39]。目前我國(guó)的深遠(yuǎn)海大型網(wǎng)箱，如“深藍(lán)系列”“經(jīng)海系列”等網(wǎng)箱，都將采用機(jī)械清洗的方式除污。

網(wǎng)箱的機(jī)械清洗設(shè)備分為機(jī)械毛刷式、射流毛刷組合式和高壓射流式。高壓射流洗網(wǎng)效率高，逐漸成為國(guó)內(nèi)外主要研究方向[34]。根據(jù)推進(jìn)方式，網(wǎng)衣清洗設(shè)備分為履帶式和泵推式。履帶式洗網(wǎng)機(jī)在網(wǎng)衣上行進(jìn)，能夠保持貼合網(wǎng)面，在清洗工作中更穩(wěn)定，但是遇到網(wǎng)綱難以跨越；泵推式依靠噴水的反作用力推進(jìn)，方便跨越障礙物，但是工作時(shí)，高壓清洗射流的反作用力，容易導(dǎo)致貼合不嚴(yán)、定位不穩(wěn)。目前比較先進(jìn)的水下清洗設(shè)備，通常將2 種行進(jìn)方式結(jié)合起來(lái)[34，39]。

4 常見(jiàn)網(wǎng)衣防污設(shè)備

國(guó)外代表性的網(wǎng)衣清洗設(shè)備，如挪威AKVA Smart 公司的FNC8 系列水下清洗機(jī)器人，MPI（Multi Pump Innovation）公司的Racemaster 系列水下機(jī)器人以及日本YANMAR 公司的NCL 系列水下清洗機(jī)，在全世界的水下清洗市場(chǎng)都有較高的影響力。國(guó)內(nèi)的網(wǎng)衣清洗設(shè)備，大多處于實(shí)驗(yàn)室階段，中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院、浙江大學(xué)等，都曾推出自行研制的水下洗網(wǎng)試驗(yàn)設(shè)備，然而國(guó)內(nèi)真正面市的洗網(wǎng)設(shè)備較少。青島森科特的SCT 系列水下清洗機(jī)，已成功開(kāi)展多次深遠(yuǎn)海大型網(wǎng)箱如“深藍(lán)一號(hào)”的網(wǎng)衣清洗工作。國(guó)內(nèi)設(shè)備在清洗效率、清潔效果、抗風(fēng)浪能力等方面，與國(guó)外的網(wǎng)衣清洗設(shè)備相比，仍有較大的改進(jìn)空間。

如何選擇合適的清洗設(shè)備，影響因素較多。僅以經(jīng)濟(jì)性為出發(fā)點(diǎn)，除購(gòu)入價(jià)格，還需要考慮使用海域海況、離岸距離，設(shè)備的清洗效率、抗風(fēng)浪流能力、工作深度、使用壽命、水壓、流量和易操作性，以及所洗網(wǎng)箱形狀、大小、網(wǎng)衣情況等參數(shù)。因?yàn)槌齼r(jià)格外，其他任何一個(gè)參數(shù)，均會(huì)引起使用時(shí)的人工、海工的成本差異，在整個(gè)使用壽命中，就會(huì)累積出巨大的成本差。設(shè)備的清洗效率、使用壽命及價(jià)格，是最直接的3 個(gè)參數(shù)。價(jià)格方面，國(guó)外的網(wǎng)衣清洗設(shè)備價(jià)格昂貴。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研，挪威AKVA 公司和MPI 公司的產(chǎn)品多在300 萬(wàn)以上，且不同配置價(jià)格浮動(dòng)大，MPI 最新推出的改進(jìn)型Racemaster 高達(dá)500 多萬(wàn)。日本YANMAR 的NCL 系列多在200 萬(wàn)～300 萬(wàn)。而國(guó)內(nèi)的產(chǎn)品則便宜很多，如森科特的產(chǎn)品多在100 萬(wàn)左右。

在洗網(wǎng)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，海域情況和離岸距離，往往對(duì)清洗進(jìn)度影響極大。深遠(yuǎn)海大型網(wǎng)箱的清洗，講究“天時(shí)地利人和”，即清洗時(shí)的天氣、海況、以及個(gè)人操作水平。據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，在海浪流速＞0.5 m/s 時(shí)，清洗作業(yè)將受到較大影響，在流速＞1 m/s 或者風(fēng)速＞6 級(jí)時(shí)，目前市面在售的大部分清洗設(shè)備都無(wú)法開(kāi)展清洗作業(yè)。而海浪情況隨不同海域、季節(jié)變化顯著。以青島附近海域?yàn)槔?，根?jù)洗網(wǎng)經(jīng)驗(yàn)，每個(gè)月能夠進(jìn)行清洗操作的窗口期不超過(guò)一周，大部分時(shí)間的都難以開(kāi)展清洗作業(yè)。因此，若是目標(biāo)海域海況復(fù)雜、離岸距離偏遠(yuǎn)時(shí)，就需重點(diǎn)關(guān)注清洗設(shè)備的抗風(fēng)浪流的能力。

在湛江附近養(yǎng)殖區(qū)，近岸養(yǎng)殖的普通HDPE 網(wǎng)箱較小，大多數(shù)周長(zhǎng)不超過(guò)120 m，此類網(wǎng)箱的清洗作業(yè)，對(duì)設(shè)備的響應(yīng)速度、控制靈敏度要求較高。而深海大型網(wǎng)箱，養(yǎng)殖水體多超過(guò)10 000 m3，“深藍(lán)一號(hào)”網(wǎng)箱養(yǎng)殖水體超過(guò)50 000 m3，萬(wàn)澤豐矩形網(wǎng)箱與“深藍(lán)二號(hào)”網(wǎng)箱，養(yǎng)殖水體分別為40 000 和88 000 m3，此類深遠(yuǎn)海大型網(wǎng)箱，則要求清洗設(shè)備具有足夠的工作深度和工作效率。目前“深藍(lán)一號(hào)”網(wǎng)箱已開(kāi)展多次清洗作業(yè)，清洗一次需要3 d 以上，考慮到天氣海況，通常需要預(yù)留一周時(shí)間，才能合格地完成清洗作業(yè)。

5 展望

近年來(lái)，我國(guó)海洋產(chǎn)業(yè)逐漸走向深遠(yuǎn)海，海洋養(yǎng)殖業(yè)走向規(guī)模化，對(duì)污損生物的防治愈發(fā)重要。海洋防污技術(shù)需要融合生物、生態(tài)、海洋、機(jī)械、材料等多學(xué)科的知識(shí)與技術(shù)，需定期開(kāi)展我國(guó)不同海域污損生物群落調(diào)研工作；還需要從靜態(tài)定性描述，深入到群落的動(dòng)態(tài)發(fā)展預(yù)測(cè)及預(yù)警，將污損生物的季節(jié)性、區(qū)域性和生物特性，作為防污工作開(kāi)展的依據(jù)。未來(lái)在防污技術(shù)方面，需要向綠色、無(wú)毒、長(zhǎng)效等方向發(fā)展，開(kāi)發(fā)多樣化防污手段，水下清洗設(shè)備也需要進(jìn)一步提升穩(wěn)定性與智能化程度，提高清洗設(shè)備與大型網(wǎng)箱之間的集成化及適配性。今后的防污工作，需要將對(duì)污損生物的針對(duì)性和防污技術(shù)的普適性平衡地結(jié)合起來(lái)。當(dāng)前我國(guó)大部分網(wǎng)箱養(yǎng)殖規(guī)?；蛔?，而清洗設(shè)備價(jià)格極為昂貴，挪威等國(guó)有污損清洗公司及團(tuán)隊(duì)，可提供專業(yè)的洗網(wǎng)服務(wù)。在防污產(chǎn)業(yè)方面，我國(guó)也需要向防污專業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。