超高分子量聚乙烯和銅合金網衣的污損生物附著特征研究

范曉旭，林 燊，劉 旦，田 偉，蔣 玫，李 磊

1.龍源電力集團股份有限公司，北京 100032

2.福建龍源海上風力發電有限公司，福建 莆田 351174

3.江蘇海上龍源風力發電有限公司，江蘇 南通 226400

4.中國水產科學研究院東海水產研究所，上海 200090

水產養殖是世界上增長最快的食品生產領域之一，對全球糧食安全和優質蛋白質供給貢獻重大，海水網箱養殖是其中的重要組成部分[1]。作為海水網箱養殖系統的核心構件之一，材質合適的網衣對于海水養殖生產至關重要。常規的聚乙烯和尼龍材料的養殖網衣很容易受到污損生物的影響[2]。污損生物在海水網箱養殖網衣上的附著已經成為一個日益影響海水養殖產業的全球性問題[3]。其會降低養殖網箱的容積，縮緊網眼，增加錨鏈的拖曳強度[3]，養殖網箱的質量也會嚴重增加，并進一步導致網箱浮力的降低和網衣形變的增加[2-3]。另外，污損生物的附著還會對網衣造成直接的物理損傷，加速其老化；網目尺寸的降低會減少水流、營養物質的交換和養殖生物自身排泄物的擴散稀釋[4]。同時，溶解氧含量也會受其干擾，特別是在污損生物附著量較大的夏季，污損生物附著疊加較高的水溫，加上污損生物自身的呼吸活動，會進一步加劇溶解氧含量的下降，嚴重時可能會出現缺氧現象，不僅影響養殖生產，還可能會影響周邊海洋環境，造成局部富營養化等負面影響[5]。此外，污損生物群落的形成可能會為寄生蟲和病原微生物提供棲息場所，從而對養殖生物的健康產生潛在危害[6]。換網、人工或機器清理、防污涂層、化學產品的投入等物理、化學方法是海水網箱養殖業中常用的清除污損生物的途徑，但上述方式可能會對周邊海洋環境造成不利影響，有效性不強[7]，也會額外增加養殖成本，降低養殖收入[8]。因此，需要尋找更有效的替代策略。

使用新型材料是替代并彌補傳統網衣材料缺點的一種可行性策略[9]。目前海水養殖領域已經涌現出超高分子量聚乙烯、龜甲網和金屬網等材料，替代傳統的聚乙烯和尼龍材質的網衣，減少污損生物附著帶來的危害[10]。其中，銅合金和超高分子量聚乙烯材料因其獨特的性能而受到關注。銅合金是由銅和其他金屬元素組成的合金材料，具有很好的抗腐蝕性、抗污損生物附著和抗凝水性能，以及較高的強度和耐磨性，已應用于海水養殖生產中，相比較傳統網衣材料，其優越性也有相關報道[11]。超高分子量聚乙烯一般指相對分子質量在150×104以上的無支鏈線性聚乙烯，分子鏈上基本不含極性基團，結晶度一般在65%～85%，密度為0.920～0.964 g·cm-3。相對其他常用的工程塑料，超高分子量聚乙烯的密度降低，而其斷裂伸長率和抗沖擊強度均大幅提升，使其在水產養殖領域得到了不少應用[12]。新材料的應用在防止污損生物附著和養殖生物逃逸，保持養殖生物健康，減少傳統網衣材料對環境的潛在負面影響等方面均表現出了良好的應用前景。但目前關于不同材質新材料之間防止污損生物附著效果的比較研究仍較缺乏，國內極少見相關文獻，需要進一步開展相關篩選研究。

本研究通過超高分子量聚乙烯材質網衣和銅合金材質網衣的現場海上掛網實驗，比較分析2 種材質網衣附著的污損生物的種類組成、數量、季節變化及演替規律等，為海水網箱養殖網衣新材料的應用篩選、網衣的維護和清洗策略提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

超高分子量聚乙烯纖維材料購自荷蘭帝斯曼迪尼瑪纖維公司 (DSM Dyneema) 并噴涂了防污涂層，銅合金材料購自日本三菱伸銅株式會社，由專業網衣廠商編織成網，具體規格為30 cm×30 cm。其中，銅合金網衣網目尺寸 (方形網目邊長) 為5 cm，網線直徑4 mm；超高分子量聚乙烯網衣網目拉直內徑尺寸為5.2 cm，網線直徑3 mm(圖1)。另外配套的材料還包括鋼筋、聚乙烯纜繩、尼龍扎帶、鐵錨、浮球等。

圖1 銅合金網衣 (左) 和超高分子量聚乙烯網衣 (右)Fig.1 Copper alloy mesh (Left) and ultra-high molecular weight polyethylene mesh (Right)

1.2 實驗方法

1.2.1 掛網制作

超高分子量聚乙烯和銅合金網衣首先使用與其大小匹配的鋼筋框固定并連接在一起，用尼龍扎帶將網衣固定在鋼筋框上，每組網衣均為銅合金和超高分子量聚乙烯網衣各1 片，在外側4 個角使用聚乙烯纜繩將網衣材料串聯。

1.2.2 實驗海域

經現場踏勘調研，現場掛網實驗在福建莆田南日島福建龍源風力發電有限公司風電場海域開展，具體位置為風電場的測風塔 (119.54°E,25.24°N)(圖2-a)。實驗海域水深約15 m，最低潮時水深約12 m，測風塔的樁基作為實驗的掛點 (圖2-b)。

圖2 實驗點位Fig.2 Station of test

1.2.3 實驗設計

由圖2 可知，實驗場所養殖設施密布，受周邊船只通航的影響，實驗方案需要減少纜繩在水平方向上的伸展。實驗示意圖如圖3 所示，首先將約100 m 長的纜繩兩頭分別固定在測風塔兩側的樁基上，向外拉伸，形成“U”形，在“U”形的中間位置，垂直方向上沉積物中布設1 根鐵錨用纜繩連接，使“U”形穩定，然后水平方向上在“U”形的一側布設掛網材料，與海面垂直，離海面約0.5 m，掛網材料垂直方向上使用長度約16 m 的纜繩與浮筒連接固定，保持掛網材料能夠隨潮水漲落。同時，在浮筒上使用黃色油漆標記不同掛網組，便于后續識別取樣。取樣或者更換新的網衣組時，使用船舶起錨機將纜繩拉出海面取樣或者更換新的網衣組，同時將網衣組拆解，分成單個網衣材料，然后平鋪包裝在聚乙烯密封袋中，分類編號帶回實驗室待分析。

圖3 實驗示意圖Fig.3 Schematic diagram of experiment

在污損生物生長旺盛的春季 (2022 年3—5 月)和夏季 (2022 年6—8 月) 開展逐月現場實驗。

1.2.4 污損生物的鑒定分析

對每一個網衣對應的的污損生物用精密電子天平測定 (精度為0.01 g) 濕質量，采用體式顯微鏡進行種類鑒定。

1.2.5 密實度計算

網衣密實度指污損生物和網線面積之和與網衣面積的比值，可以反映污損生物的覆蓋情況，基于計算機識別技術的計算方法為：輸入網衣圖像，調整圖像大小，選取網衣總面積，計算網衣區域面積(D1)，利用大津算法 (Otsu's method) 將圖像中的物體與背景進行自動分割，計算附著物及網線面積(D2)。示意圖見圖4。公式為：

圖4 密實度計算示意圖Fig.4 Schematic diagram of water permeability

1.2.6 污損生物的群落優勢種

采用相對重要性指數 (IRI) 進行污損生物的群落優勢種分析[13]，公式為：

式中：W為某一種類的濕質量占總濕質量的百分比；N為某一種類的豐度占總豐度的百分比；F為該種類的出現頻率。IRI≥1 000 作為重要優勢種的判別標準。

2 結果

2.1 春、夏季2 種網衣的密實度變化

春、夏季高分子量聚乙烯網衣和銅合金網衣的密實度變化趨勢 (圖5) 表明，2 種網衣的密實度變化趨勢基本一致，整體上表現為春季至夏季逐漸增加。其中，高分子量聚乙烯網衣的密實度均高于銅合金網衣。

圖5 不同季節高分子量聚乙烯網衣和銅合金網衣的密實度Fig.5 Water permeability of ultra-high molecular weight polyethylene mesh and copper alloy mesh in different seasons

由高分子量聚乙烯網衣和銅合金網衣污損生物的附著情況 (圖6) 可以直觀地看出，春季3 月2 種網衣污損生物開始有少量附著，4 月污損生物有比較明顯的增加，5 月污損生物的種類發生轉變；夏季6 月污損生物的種類又發生轉變，且6—7 月污損生物的附著量增加，8 月污損生物的種類又發生轉變。

圖6 春、夏季 2 種網衣污損生物的附著情況注：圖中sp 代表春季，su 代表夏季；3—8 代表月份；c 代表銅合金網衣，h 代表高分子量聚乙烯網衣。Fig.6 Adhesion of fouled organisms of ultra high molecular polyethylene mesh and copper alloy mesh in different seasonsNote: In the figure,sp represents spring,and su represents autumn; 3-8 represent months,c represents copper alloy mesh,and h represents ultra high molecular polyethylene mesh.

2.2 春、夏季2 種網衣污損生物的濕質量和附著密度

春季，高分子量聚乙烯網衣和銅合金網衣污損生物的平均濕質量分別為 (144.83±15.69) 和 (118.32±20.13) g·網-1；夏季，平均濕質量分別為 (1 054.59±34.81) 和 (876.25±23.16) g·網-1。春季，高分子量聚乙烯網衣和銅合金網衣污損生物的平均密度分別為(2 699±49) 和 (2 678±42) 個·網-1；夏季，平均密度分別為 (4 630±53) 和 (3 870±64) 個·網-1。整體上，春、夏季高分子量聚乙烯網衣的平均濕質量和平均密度均高于銅合金網衣。

2.3 春、夏季2 種網衣污損生物的種類構成

春季高分子量聚乙烯網衣共鑒定出5 大類12 種污損生物，其中甲殼動物種類數最多 (5 種)，占總種類數的41.67%；藻類4 種，占總種類數的33.33%；軟體動物、環節動物、刺胞動物各1 種，均占總種類數的8.33%。春季銅合金網衣也共鑒定出5 大類12 種污損生物，其中甲殼動物種類數最多 (5 種)，占總種類數的41.67%；藻類3 種，占總種類數的25.00%；環節動物2 種，占總種類數的16.67%；軟體動物、刺胞動物各1 種，均占總種類數的8.33%。

夏季高分子量聚乙烯網衣共鑒定出7 大類35 種污損生物，其中以軟體動物和甲殼動物種類數最多，各11 種，均占總種類數的31.43%；藻類6 種，占總種類數的17.14%；環節動物3 種，占總種類數的8.57%；苔蘚動物2 種，占總種類數的5.71%；刺胞動物、棘皮動物各1 種，均占總種類數的2.86%。夏季銅合金網衣共鑒定出6 大類19 種污損生物，其中以軟體動物和甲殼動物種類數最多，各6 種，均占總種類數的31.58%；藻類3 種，占總種類數的15.79%；環節動物2 種，占總種類數的10.53%；刺胞動物和苔蘚動物各1 種，均占總種類數的5.26%。

春季高分子量聚乙烯網衣和銅合金網衣污損生物種類數相同，而夏季高分子量聚乙烯網衣污損生物種類數明顯多于銅合金網衣。

2.4 春、夏季2 種網衣污損生物的優勢種類

春、夏季2 種網衣污損生物的優勢種類如表1 所示。春季，高分子量聚乙烯網衣出現的優勢種有4 種，分別為長頸麥桿蟲 (Caprellaequilibra)、中胚花筒螅 (Tubulariamesembryanthemum)、理石葉鉤蝦 (Jassamarmorata) 和厚殼貽貝 (Mytiluscoruscus)；銅合金網衣出現的優勢種有3 種，分別為長頸麥桿蟲、理石葉鉤蝦和厚殼貽貝。其中，長頸麥桿蟲、理石葉鉤蝦和厚殼貽貝是2 種網衣的共同優勢種，第一優勢種均為長頸麥桿蟲，高分子量聚乙烯網衣和銅合金網衣長頸麥桿蟲的IRI 分別為4 740 和3 676。

表1 春、夏季2 種網衣污損生物的優勢種類統計Table 1 Statistics of dominant species of fouled organisms for two kinds of net in spring and summer

夏季，高分子量聚乙烯網衣出現的優勢種有6 種，分別為理石葉鉤蝦、長頸麥桿蟲、翡翠股貽貝 (Pernaviridis)、中胚花筒螅、背棘麥桿蟲(Caprellacaura) 和網紋藤壺 (Amphibalanusreticulatu)；銅合金網衣出現的優勢種有4 種，分別為翡翠股貽貝、長頸麥桿蟲、理石葉鉤蝦和中胚花筒螅。其中，翡翠股貽貝、長頸麥桿蟲、理石葉鉤蝦和中胚花筒螅是2 種網衣的共同優勢種。高分子量聚乙烯網衣第一優勢種是理石葉鉤蝦，IRI 為3 285，而銅合金網衣第一優勢種是翡翠股貽貝，IRI 為4 138。

3 討論

3.1 2 種材質網衣污損生物的生態特性

海水養殖網箱的網衣為各類污損生物的附著提供了附著基，同時，海水養殖網箱水體中豐富的營養鹽為污損生物的生長提供了養料，在環境合適時，污損生物在網衣上大量繁殖生長，其附著種類和附著量與養殖海域、養殖種類、養殖設施、養殖季節等因素密切相關[14]。目前已知的中國沿海主要污損生物可以分為藻類、腔腸動物、苔蘚動物、多毛類動物、軟體動物、甲殼動物、被囊動物及海綿動物等8 大類群，其群落組成有明顯的地域性，并呈季節性變化[15]。本研究實驗點位于福建南日島海域，出現的污損生物共有7 個類群，基本覆蓋了上述各類群。由于受當地海區的水溫、鹽度、光照、溶解氧、pH、水流和營養物質等環境因素的影響，本研究出現的主要群落以近岸暖水種和沿岸溫帶廣溫種為主，春、夏季2 種網衣污損生物的主要優勢種類與嚴濤等[16]報道的東海區主要污損生物優勢種相吻合。本研究表明甲殼動物和軟體動物是春、夏季的主要優勢類群，原因是軟體動物中腹足類生物較多，其生態習性使其容易附著在網衣上，如藤壺幼蟲可以釋放一種黏合劑，在適宜的附著表面進行永久附著[17]，而貽貝則使用膠原蛋白形成的足絲與底質牢固結合，進行選擇性附著[18]。隨著網衣密實度的增加，附著面積也隨之增大，給甲殼動物等污損生物的生存提供了良好的場所，導致甲殼動物種類數隨之增加。已有研究[19]表明，東海海域污損生物出現的低谷期為水溫較低的冬、春季，其附著種數少，附著密度低，6—9 月則是東海海域污損生物附著量高的季節。本研究結果與該研究一致，2 種網衣污損生物的種類和數量均表現出夏季高于春季，特別是夏季總濕質量約為春季的6～9 倍，總密度也比春季高約1 000 個·網-1。這種季節性差異，是因為隨著水溫的升高，污損生物進入生長和繁殖旺盛期，個體增多，導致夏季2 種網衣的密實度遠高于春季[20]。春季的3—4 月和夏季的6—7 月2 種網衣對濕質量貢獻最大的附著生物均為中胚花筒螅，而5 和7 月對濕質量貢獻最大的附著生物分別為厚殼貽貝和翡翠股貽貝，說明相同季節的不同月份之間污損生物的主要優勢種也存在差異。由表1 可以看出，春、夏季的優勢種也存在差異，這與不同污損生物的最適生長溫度有關[21]。

3.2 2 種材質網衣對污損生物附著的影響

目前世界范圍內海水養殖網箱的網衣一般采用傳統合成纖維網衣材料加工制作，在養殖生產中由于污損生物附著嚴重，嚴重影響了網箱養殖的正常生產。本研究結果表明，不同材質的網衣對污損生物的附著有較大影響，春、夏季高分子量聚乙烯網衣污損生物的濕質量和密度均高于銅合金網衣。2 種不同材質的網衣懸掛于相同海域，季節、水溫、鹽度、水文等環境條件相同，出現的污損生物種類、群落和生物量的差異與網衣材質有關。細菌在不同材料的表面形成的微生物膜是污損生物附著的基礎，銅合金作為一種金屬網衣，具有抑制微生物菌類和水生生物的作用，其主要原理是銅/海水界面的化學作用可以釋放出具有殺菌作用的銅離子和其他合金元素，使銅合金表面無法形成微生物膜，從而使污損生物無法附著[22]。這種抑制效果受銅/海水界面的化學作用及污損生物的附著強度控制，同時也受銅合金網衣周邊物理、化學和生物因素的影響。盡管高分子量聚乙烯網衣拉伸力等綜合性能也較優秀，且本實驗用高分子量聚乙烯網衣也噴涂了防污涂層，但其防污損生物附著能力仍弱于銅合金網衣，可能是由于隨著時間的延長，高分子量聚乙烯網衣的防污涂層由于環境條件的影響出現磨損、剝落；同時，由于高分子量聚乙烯網衣更粗糙，更易于污損生物的附著。

值得指出的是，盡管銅合金網衣比超高分子量聚乙烯網衣的防污效果好，具有很好的抗腐蝕性、抗凝水性能，較高的強度、耐磨性、可回收利用性及較好的環保性能[11]，且已在日本、美國、北歐、澳大利亞等國家或地區的海水養殖領域開展了實際應用[9,23-24]。但是，銅合金網衣的成本及網箱規格和裝配技術要求均較高，需要進一步研究和改進。建議根據養殖實際需求，將多種材質的網衣聯合使用，既可降低成本，又能滿足漁業發展的需要。

4 結論

超高分子量聚乙烯和銅合金網衣的污損生物附著呈現出一定的季節性差異，2 種網衣污損生物的密實度、種類數、優勢種種類數、濕質量和密度均表現為春季低于夏季。銅合金網衣的防污損生物附著效果優于高分子量聚乙烯網衣。