舟山桃花岛养殖海区生物附着特性及新型防附着材料开发初步应用研究

刘丽慧，潘 昀，冯德军，王 萍，谭 沛，桂福坤

(浙江海洋大学海洋科学与技术学院，国家海洋设施养殖工程技术研究中心，浙江舟山 316022)

网设施的生物附着问题是海水养殖中的突出问题。海洋附着生物，也称海洋污损生物，是海洋环境中附着或栖息在船舶或各种人工设施上的各种动、植物和微生物的总称。附着生物在网衣上附着并大量繁衍，一方面容易造成网孔堵塞，水体交换缓慢，导致网内养殖环境变差，细菌滋生，危害养殖对象的健康；另一方面会导致养殖设施水阻力增大，增加养殖设施的风险，缩短使用寿命[1-2]。此外，附着生物的自身生命活动也会对养殖网设施造成损坏[2]。

目前，针对海洋养殖网设施的生物附着问题，主要有物理方法、化学方法以及生物方法等处理方法。物理方法主要是采用机械清除法，利用清洗机械对污损网设施进行清洁处理，国外大多采用物理法(机械清除法)进行附着生物处理，但这种方法通常需要耗费大量的人力、物力，大大降低了养殖产业的经济利润，而且经常冲刷、敲打网衣也会缩短网设施寿命[3]；化学方法主要是采用防污涂料，抑制生物附着；生物防污法主要有采用生物混养和涂装仿生防污涂料两种手段，是目前大力研究的方向之一[4-5]。除此之外，还有采用换网、研发新型防污网设施等处理手段，换网法是国内普遍采用的清除附着生物的方法，指当养殖网设施生物附着较为严重时，用新的网设施进行替换，但换网操作强度大，有时甚至无法实施，因此国内很多情况下只能任其发展，而无奈的承受养殖风险；新型防污网设施是一种自身具有较好防生物附着效果的网具，如铜网、合金网等，新型防污网具成本高，使用量受到一定限制，因此在实际养殖中，人们较多的还是使用普通网衣。

受限于上述各种方法的客观缺陷，涂装防污涂料一直是解决防污问题的努力方向[6]。防污涂料对生物附着有一定的选择性和时效性，生物附着也存在海区差异性，因此需要对特定养殖海区的生物附着特性进行专门研究，掌握该海区主要附着生物种类及其随季节变化规律，为该海区附着生物的防除对策以及防污涂料的选择提供依据。

国内外学者做过许多有关附着生物的调查研究，EL-KOMI，et al[7]在埃及亚历山大港东部海湾进行了周年挂板试验研究，发现长期试验挂板上附着生物的附着强度比同阶段短期挂板上生物的总和要严重得多；GREENE，et al[8]对美国缅因湾西部开放式深水养殖网箱进行了周年挂网研究，基本掌握了网箱上附着生物的周年演替变化规律；YAN，et al[9]对中国北部湾北部的一个浮标调查站(BIS)和固定采油平台(FOP)进行附着生物调查，发现牡蛎是该海区的长期优势种，并探讨了附着生物可能来源于海南岛西部和涠洲岛南部的滨海地区。许文军等[10]通过挂网试验研究了浙江佛渡养殖海区主要附着生物的季节变化规律，发现水螅虫、海葵、藤壶、贻贝等10余种附着生物，认为对网衣造成较大危害的种类是水螅虫和海葵。水柏年等[11]对舟山秀山岛和长峙岛海区深水网箱进行了挂网试验研究，掌握了2个海区附着生物的季节消长规律并提出了一些养殖建议。黄宗国等调查了舟山海区的嵊山、长涂、定海和仰岛等港口的附着生物，发现舟山海区附着生物的种类和数量呈现出愈近岸数量愈少的规律[12-13]。上述通过海区挂网试验对海区附着生物时空变化研究中发现附着生物生长主要发生在夏季，随着海水温度降低大多数附着生物开始脱落、死亡，所以本实验选择时间为夏季2017年5-9月。

桃花岛是舟山重要的大黄鱼养殖基地，但未发现有关桃花岛养殖海区附着生物变化规律的研究及报道，为此，本研究通过海区挂网试验对桃花岛养殖海区的附着生物进行研究，获得主要大型生物种类的附着期、附着程度及季节变化规律，为该海区的生物防除提供参考；同时，通过试验探讨一种新型仿生涂料对桃花岛养殖海区的适用性。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 海上挂网的制备

选用养殖常用的PE网作为试验网片，模拟养殖网具在海里的附着情况，网目尺寸为8 cm，网线直径约2.16 mm，剪裁出相同大小的8块网片，边缘结点做好防滑措施，其中4块均匀地涂抹防附着涂料，将网片用扎带绑到内径为20 cm×20 cm的特制不锈钢框架上。试验共布置2组挂网：一组未做防附着处理的PE网(对照组)和一组防附着处理的PE网(测试组)，每组挂网布置4个水深(0.5 m、2.5 m、4.5 m、6.5 m)，用不锈钢链条串连框架，挂网结构，如图1所示。

图1 挂网结构示意图Fig.1 The sketch of hanged net structure

1.1.2 新型仿生防污涂料

由本团队研发的一种海洋防污防腐量子仿生新涂料，根据“海洋动物的表皮都具有抵制其他生物附着自身的能力”这一特性[14]，利用生物仿生学原理和量子化学技术提取海洋生物的活性物质，再采用化学手段对其微观结构进行分解重组，生成的生物活性自由基，具有极强的附着力和优异的水置换性能，研制出一种类似“皮肤”的光滑软膜涂层材料。该涂料具有特殊的带水涂装功能，可实现水下涂装作业；具有环保性能，有效拒绝生物污损带来的电化学腐蚀，对水资源和水生物提供良好的保护；具有疏水性能，具有表面形成自洁效应，接触角可达110°；具有自润滑功能，以生物基做基础材料，使金属部件具备防腐和自润滑作用；无VOC挥发性物质、对作业环境及作业人员无毒害作用。

1.2 试验方法

试验在桃花岛大黄鱼养殖基地(29.7740°N，122.3037°E)进行，平均潮位水深约5 m，试验期间水温20～26℃，盐度25～29，透明度0.6～1.2 m。试验方法参考《海洋调查规范》中污损生物调查方法进行。

试验网片于2017年5月1日挂样到海上，挂网系缚在浮球上，以保证表层网片在低潮时不会露出水面，海底的网片自然堆叠。除遇恶劣天气等情况外，每隔10 d左右对挂网进行一次检测，检查挂网是否有破坏或丢失等情况，并对挂网的附着情况进行图像采集，同时采集少量挂网上附着的大型附着生物样品，采样时保证样品的完整性，将样品带回实验室进行鉴定。试验中用到的仪器主要有高分辨率照相机、CTD、透明度盘(塞氏盘)和显微镜等。

1.3 数据处理

1.3.1 附着生物种类鉴别

观察生物样品的外部形态特征，并利用显微镜观察样品内部细胞结构，对样品进行鉴定[15]，将鉴定得到的生物种类按采样时间做好记录，以确定主要生物种类的附着期和季节变化规律。

1.3.2 网片附着率处理

计算每张网片的覆盖面积率 (指整个群落覆盖附着基的百分比率)，覆盖面积率是网片附着量的标志之一。将采集的图像进行格式转换、灰度变换以及二值化等一系列处理，最后采用自行开发的不规则图形面积分析软件计算网片的覆盖面积率[16]，图2是用该软件计算的空白网片的覆盖面积率，得出空白网片的覆盖面积率为26.31%，之后附着生物图像处理参数均保持一致。

图2 空白网片的覆盖面积率Fig.2 The coverage area rate of no fouling organisms

2 结果分析与讨论

2.1 附着生物种类随季节变化规律

表1为试验海区附着的主要生物种类及季节变化，试验期间，收集到的生物种类有水螅、石莼、鸭毛藻Symphyocladia latiuscula、麦秆虫Caprella kroyeri、紫贻贝Mytilus edulis等，优势种为水螅、石莼、鸭毛藻。桃花岛养殖海域附着生物的种类结构比较单一，但生物量较大。根据黄宗国等[12]的研究，距离海岸近可能是造成生物种类较少的重要原因，试验海区温度偏低和海水透明度低以也可能是造成生物种类少的因素[17-18]。由于第4层(6.5 m)网片在实际试验中已触底，且试验过程中未见有生物附着，因此对第4层网片不做分析，其余3层网片依次代表表层(0.5 m)、中层(2.5 m)、底层(4.5 m)3个水深的生物附着情况。

表1 附着生物种类及季节变化Tab.1 The main fouling organisms species and their seasonal change

麦秆虫都是和水螅一同出现，但麦秆虫属于小型生物，占空间体积较小，因此对网衣的影响较小。水螅在5-8月一直大量附着，5月底形成繁殖高峰，网片下海20 d左右网孔已被完全堵塞，如图4所示。6月中旬检查发现，各网片上附着的水螅数量明显减少，出现消退脱落的趋势，但7月中旬以后又开始新的繁殖。5-6月，水螅大量生长在表层和中层网片，7-8月则主要附着在中层和底层网片。对比许文军等[10]的研究发现，桃花岛养殖海区水螅的繁殖高峰比舟山佛渡海区早至少半个月。水柏年等[11]在研究舟山秀山岛和长峙岛海区深水网箱的附着试验中也发现类似现象，长峙岛海区的厚礁膜消退得比较晚，大约比秀山岛海区晚半个月，而长峙岛海区的石莼消退得比较快。表明舟山不同海区附着生物的繁殖、消退时间存在一定差异，因此，不同海区在下网时间、清洗网衣时间以及防污涂料的选择上应有区别。

石莼从7月中旬开始繁殖生长，生长快且数量大，7-9月均有附着，多附着在表层网片，即水下0.5 m左右，附着高峰期在8-9月。8月初，测试组底层网片上首先出现鸭毛藻幼体，但数量较少，只在网片的边缘有少量附着，而对照组网片上未见鸭毛藻；8月中旬检查结果与月初基本一致，测试组底层网片上鸭毛藻的数量稍有增多；9月22日的检查发现，两组挂网的中层和底层网片附着的主要生物都演替成鸭毛藻，但对照组网片主要是鸭毛藻幼体，测试组网片上鸭毛藻则比较成熟。由上述几次检测结果可以推断：经涂料处理过的网片上鸭毛藻生长繁殖要比未涂涂料的网片早。试验中还发现，沿岸礁石上附着有大量藤壶，但试验网片上未见有藤壶附着，这一现象在许文军等[10]的研究中也有提及。

2.2 附着生物量随水深的变化规律

从图3可以看出，各季节对照组3层网片的覆盖面积率变化。总体上看，表层和中层网片的覆盖面积率随季节的变化规律基本一致，且数值也相近，除6月下旬至7月上旬水螅死亡脱落并重新繁殖这一阶段，表、中层网片的覆盖面积率都较高，均在66.59%～98.10%之间。下海2个月左右，表层网片的覆盖率一直略高于中层网片；7-8月，尤其8月，表、中层网片的覆盖面积率都十分相近，差距很小。5-6月，水螅在表层和中层网片形成繁殖高峰，随后死亡脱落，而底层网片在这一阶段极少有生物附着，覆盖率在26.31%～52.63%之间，远低于表、中层网片；7月之后，底层网片开始有稳定的生物附着，覆盖率开始升高，8月之后基本与表、中层网片齐平。

图3 对照组3层网片覆盖面积率随季节的变化Fig.3 Seasonal changes of the coverage area rate of three layers of the control group

综上所述，5-6月生物附着量在深度上表现出明显差异 (表层＞中层＞底层)，底层网片极少有附着；7月，各层网片附着的生物量差距缩小，覆盖率中层＞表层＞底层；8月至9月，各水层网片附着的生物量都较大，覆盖面积率在深度上没有明显差异。试验海区深度为5 m左右，海水温度随深度变化较小，表层和底层温差均在1℃左右，因此不考虑水温是不同水深生物量存在差异的主要因素。而试验前期海区光照强度较弱且海水透明度偏低(0.6～1.2 m)，海水透光性不强，造成底层网片光照少，基于附着生物具有趋光性[19]，因此不利于生物的繁殖生长；7月以后随着光照增强，底层网片光照增多，附着生物开始附着生长，因此，推测各季节光照强度可能是造成不同水层生物种类和生物量存在差异的主要因素之一。

2.3 新型仿生防污涂料的防污效果分析

从图4可以看出，挂网25 d拍摄的两组挂网的附着对比，从这次检查结果看，挂样20 d左右，对照组网片已经附着严重，覆盖面积率高达98%，达到更换网衣的附着程度[20]。而测试组网片附着较少，只有少量生物或海泥附着，且生物粘附力较弱，能轻易取下。可见涂料使用前期对抑制水螅的附着具有明显效果。

从图5可以看出，挂网2个月拍摄的两组挂网的附着对比，图中明显看到：测试组网片上有不少生物附着，且从现场检查看，测试组网片附着生物的粘附力变强，不易取下，对比挂网20 d左右的附着网片，可见涂料的防附效果大幅度减弱。但附着生物量还是少于对照组网片。

图4 下海25 d 2组挂网的附着情况对比Fig.4 The comparison of the attachment conditions of the two groups after 25 days

图5 下海3个月2组挂网的附着情况对比Fig.5 The comparison of the attachment conditions of the two groups after two months

结合两组挂网的覆盖面积率分析，如图6a、图6b、图6c所示，分别为3种水深(0.5 m、2.5 m、4.5 m)下，2组网片的覆盖面积率随季节变化图。从图中可以看出，挂网约2个月内，经涂料处理过的网片覆盖面积率基本保持在30%左右(空白网片覆盖率为26.31%)，远低于对照组网片，说明该涂料使用前期显示出很好的防附着效果。但高温期间，尤其是8月份，如图6b所示，测试组网片的覆盖率也达到了60%及以上，跟对照组网片相比，覆盖率低于对照组，但两者差值明显缩小，表明涂料防附着能力大幅度减弱。图6c中，9月以后测试组底层网片的覆盖面积率呈现反超对照组网片的趋势，这是由于前面所提到的测试组网片上鸭毛藻的繁殖生长时间早于对照组。

图6 2组挂网覆盖面积率对比Fig.6 Comparison of the two group＇s coverage area rate

由上述分析可知，该新型仿生涂料对桃花岛养殖海区有一定的适用性，有效期为3个月左右，涂料呈现出较短的有效期可能与夏季试验期间海区风浪较大、网衣受海水冲刷较严重有关。

3 结论

2017年5-9月通过在舟山桃花岛大黄鱼养殖海区进行挂网试验，得到以下结论：

(1)桃花岛养殖海区的附着生物种类有水螅、石莼、鸭毛藻、麦秆虫、紫贻贝等，组成结构相对单一。对网衣影响较大的主要是水螅和石莼。水螅在5-8月均有附着，5-6月主要附着在表层和中层网片，7-8月集中在中层和底层网片，5月底形成附着高峰，覆盖面积率达98%，7月份消退脱落后又重新生长；石莼从7月中旬开始附着，生长快且数量大，多附着在表层网片，覆盖面积率为80%左右。因此，在选择防附涂料时应着重考虑对水螅、石莼的防附着作用。

(2)该海区不同季节各水层网片的生物附着存在差异，5-6月，生物附着量在深度上表现出明显差异(表层＞中层＞底层)，底层网片极少有附着；7月，各层网片附着的生物量差距缩小，覆盖面积率为中层＞表层＞底层；8-9月，各水层网片附着的生物量都较大，覆盖面积率在深度上没有明显差异。

(3)由本团队研发的新型量子仿生涂料对桃花岛养殖海区有较好的实用性，涂料防附着效果明显，涂料有效期为3个月左右。

综合以上结论，5月为该海区水螅繁殖生长的高峰期，水螅大量附着造成网衣网孔严重堵塞，但考虑到6月中下旬便死亡脱落，因此不需要进行清洗或换网操作，建议7月初左右对网衣进行1次水下涂装涂料工作，以避免高温期间生物的大量附着。

本实验通过实海挂网试验首次对桃花岛养殖海区的生物附着特性进行了初步研究，对该海区附着生物的防除具有一定的参考意义，海洋环境复杂多样，附着生物除了受水深、透明度、温度等因素影响外，还与网衣材质、网目尺寸、水流、波浪等相关，尚需进一步的研究。