朱佳蘭, 李世國(guó)*, 張 穎, 戰(zhàn)愛(ài)斌*

1中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,北京 100085; 2中國(guó)科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,北京 100049

生物污損(biofouling)是水生生物大量黏附在生態(tài)系統(tǒng)或工程系統(tǒng)中的基質(zhì)表面而引起生態(tài)影響和表面損傷的現(xiàn)象(Guleetal.,2016)。污損生物種類(lèi)繁多,在海洋和淡水生態(tài)系統(tǒng)中均有分布,嚴(yán)重威脅水生態(tài)系統(tǒng)安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì),全球每年因生物污損問(wèn)題而造成經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)1500億美元(Nuriogluetal.,2015)。海洋生物污損問(wèn)題在國(guó)內(nèi)外均受到廣泛關(guān)注,以藤壺BalanusalbicostatusPilsbry、海鞘Ascidiacea和貽貝MytilusedulisL.為代表的大型海洋污損生物的黏附機(jī)制、抗污防腐和仿生材料研制等方面都已經(jīng)開(kāi)展了深入的研究并取得了長(zhǎng)足的發(fā)展和進(jìn)步(劉艷等,2013; 宋積文等,2015; Chenetal.,2021; Choetal.,2018)。與之相比,人們對(duì)淡水生態(tài)系統(tǒng)中的生物污損問(wèn)題關(guān)注有限,沼蛤LimnopernafortuneiDunker、斑馬貽貝Dreissenapolymorpha(Pallas)、斑驢貽貝DreissenarostriformisbugensisAndrusov等代表性淡水污損生物的治理工作至今仍面臨諸多問(wèn)題和挑戰(zhàn)。

沼蛤又稱淡水殼菜、湖沼股蛤,隸屬軟體動(dòng)物門(mén)雙殼綱貽貝目貽貝科沼蛤?qū)?是淡水生態(tài)系統(tǒng)中的代表性污損貝類(lèi)。沼蛤原產(chǎn)于亞熱帶地區(qū),東南亞以及我國(guó)珠江流域都有分布,對(duì)于水環(huán)境變化具有極強(qiáng)的適應(yīng)性,是一種重大入侵物種,目前已經(jīng)成功入侵到全球眾多水域(Xu,2015)。在國(guó)內(nèi),沼蛤于20世紀(jì)60年代隨船舶運(yùn)輸首先傳入香港,然后又逐漸向北到達(dá)長(zhǎng)江流域,近些年來(lái)借助南水北調(diào)等大型水利工程已經(jīng)成功入侵到華北水域并形成種群(Morton,2015; Wangetal.,2022)。國(guó)際上,沼蛤分別于1992年和2000年左右隨貿(mào)易貨船在琵琶湖和日本東部地區(qū)兩次成功入侵日本水域(Ito,2015);對(duì)美洲地區(qū)的入侵則始于1990年左右,經(jīng)船舶壓艙水進(jìn)入到阿根廷拉普拉塔河口水域(Oliveiraetal.,2015),目前已擴(kuò)散到南美洲地區(qū)的大多數(shù)淡水河流和湖泊(Barbosaetal.,2016)。

入侵成功的沼蛤能夠利用其分泌的足絲結(jié)構(gòu)(byssus)牢固黏附在多種水下物體表面,聚集形成貽貝床,引起嚴(yán)重的生物污損問(wèn)題。沼蛤形成的貽貝床最高污損密度可達(dá)70萬(wàn)個(gè)·m-2,如此高的污損密度往往對(duì)當(dāng)?shù)厮鷳B(tài)系統(tǒng)健康造成嚴(yán)重影響,主要體現(xiàn)在以下幾方面:聚集的沼蛤大量濾食水體中的浮游動(dòng)植物,與本地水生生物爭(zhēng)奪生存空間,改變大型無(wú)脊椎動(dòng)物特別是與其生活習(xí)性相似的貝類(lèi)的群落結(jié)構(gòu),導(dǎo)致本地水生生物多樣性降低(Boltovskoyetal.,2015a; Frauetal.,2016; Molinaetal.,2015; Penchaszadehetal.,2000; Sylvester &Sardia,2015);沼蛤的大量濾食顯著降低水體中顆粒有機(jī)物濃度,增加氨氮、硝酸鹽和磷酸鹽等污染物濃度,帶來(lái)富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)(Boltovskoyetal.,2015a; Pazosetal.,2020);聚集的沼蛤一旦大量死亡,還會(huì)產(chǎn)生3-甲基吲哚和1-辛烯-3-醇等有毒有味物質(zhì),導(dǎo)致水質(zhì)惡化(李榮等,2022)。除上述生態(tài)系統(tǒng)健康外,沼蛤污損也影響當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展,包括引起水下設(shè)施表面腐蝕,降低船舶航行能力、管道輸水能力和工業(yè)設(shè)施使用年限(Boltovskoyetal.,2015b);堵塞管道和設(shè)備,導(dǎo)致機(jī)器停轉(zhuǎn)、工廠停工(Boltovskoyetal.,2015b);爭(zhēng)奪營(yíng)養(yǎng),造成周?chē)B(yǎng)殖物種大量死亡,降低養(yǎng)殖行業(yè)產(chǎn)量(Silvaetal.,2016)。在水力發(fā)電行業(yè),僅巴西一個(gè)國(guó)家每年因?yàn)檎痈蛏镂蹞p問(wèn)題造成的經(jīng)濟(jì)損失就高達(dá)1.2億美元(Rebeloetal.,2018)。中國(guó)也是遭受沼蛤生物污損影響較為嚴(yán)重的國(guó)家之一,雖然目前我國(guó)北方地區(qū)分布的沼蛤尚未泛濫成災(zāi),但在珠江流域該問(wèn)題已經(jīng)十分嚴(yán)重,每年大約需要花費(fèi)124億美元來(lái)清除附著在輸水管道上的沼蛤(田勇等,2020; Lietal.,2021)。由此可見(jiàn),沼蛤生物污損問(wèn)題已經(jīng)成為全球水生態(tài)系統(tǒng)健康和重要行業(yè)發(fā)展的潛在威脅,開(kāi)展沼蛤生物污損治理即抗污損(anti-fouling)工作必要且緊迫,對(duì)維護(hù)水生生態(tài)系統(tǒng)安全和可持續(xù)發(fā)展意義重大。

深入了解沼蛤生物學(xué)特性和污損發(fā)生機(jī)制是開(kāi)展污損治理工作的前提。研究表明,沼蛤生物污損依賴于足絲在水下基質(zhì)材料表面的黏附行為,多種特異性蛋白組分參與了足絲黏附行為的發(fā)生(Lietal.,2021)。目前,已從沼蛤足絲中分離和鑒定了多種蛋白組分,主要包括足蛋白(Fps)、膠原蛋白(preCols)和基質(zhì)蛋白(PTMP和TMP)3大類(lèi)。它們?cè)谧憬z整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、足絲固化以及基質(zhì)材料界面黏附過(guò)程中發(fā)揮重要作用(Lietal.,2018; Ohkawa &Nomura,2015)。這些蛋白由足組織中的足絲腺合成并分泌,固化形成的足絲主要有足絲盤(pán)、近端足絲線和遠(yuǎn)端足絲線。足絲線賦予足絲強(qiáng)大的抗拉伸性能,而足絲盤(pán)則增加了足絲與水下表面的接觸面積,這些結(jié)構(gòu)特征使沼蛤足絲的黏附變得更加牢固且有韌性。結(jié)合沼蛤的生物學(xué)特性和黏附特征,近些年來(lái)人們制定了多種抗污損措施,這些措施按照原理可以分為物理法(如人工清除、過(guò)濾、溫度控制、封閉缺氧、脫水干燥和水動(dòng)力學(xué)控制等)、化學(xué)法(氧化試劑、殺蟲(chóng)劑和微囊化餌料等)、生物法(天敵投放和基因工程等)和防污材料法(涂料和涂層等)等幾個(gè)類(lèi)型,為降低沼蛤生物污損風(fēng)險(xiǎn)、減輕行業(yè)損失做出了貢獻(xiàn)。

雖然人們?cè)谡痈蛭蹞p方面已經(jīng)進(jìn)行了多方面的探索,但缺乏對(duì)它們的系統(tǒng)梳理和全面總結(jié),不利于防污措施的創(chuàng)新和發(fā)展?；诖?本文綜述了國(guó)內(nèi)外近年來(lái)關(guān)于沼蛤生物學(xué)特性、污損機(jī)制和防污措施方面的研究進(jìn)展,以期更加深入地了解沼蛤生物污損現(xiàn)象,為揭示其污損機(jī)制、制定科學(xué)有效的防污措施、維護(hù)水生態(tài)系統(tǒng)安全提供數(shù)據(jù)支撐。由于水生生物的污損機(jī)制也是高性能水凝膠等生物材料制備的理論基礎(chǔ),所以綜述內(nèi)容對(duì)于水下仿生材料研發(fā)也具有重要的參考價(jià)值。

1 沼蛤污損的生物學(xué)基礎(chǔ)

沼蛤污損的發(fā)生有著廣泛的生物學(xué)基礎(chǔ),最突出的特點(diǎn)包括其強(qiáng)大的發(fā)育和繁殖能力、足絲分泌能力和環(huán)境適應(yīng)能力,這些都有助于實(shí)現(xiàn)沼蛤種群密度快速上升、黏附能力迅速提高以及在各種不利環(huán)境條件下的生長(zhǎng)。沼蛤壽命通常為2～3 a,最長(zhǎng)可達(dá)5 a (宋美華等,2020)。繁殖執(zhí)行R選擇策略,繁殖能力極強(qiáng)(于丹丹等,2016)。根據(jù)形態(tài)差異,可將其生活史劃分為幼蟲(chóng)期、幼貝期與成貝期3個(gè)主要發(fā)育階段。沼蛤發(fā)育周期較短,幼貝生長(zhǎng)到5 mm時(shí)便分化出雄性和雌性,生長(zhǎng)到6 mm時(shí)即可達(dá)到性成熟(Darrigran,2002)。在25 ℃下,從受精卵開(kāi)始發(fā)育至幼蟲(chóng)期結(jié)束僅需13 d左右,其間依次經(jīng)歷配子發(fā)生期、擔(dān)輪幼蟲(chóng)期、面盤(pán)幼蟲(chóng)期和躑行幼蟲(chóng)期等幾個(gè)重要形態(tài)時(shí)期。沼蛤進(jìn)行體外受精,受精后6～7 h到達(dá)擔(dān)輪幼蟲(chóng)階段。20 h后出現(xiàn)面盤(pán)幼蟲(chóng),并開(kāi)始進(jìn)入浮游生活階段。發(fā)育6 d后產(chǎn)生躑行幼蟲(chóng),并相繼長(zhǎng)出胚殼Ⅰ和胚殼Ⅱ,游泳行為不再活躍,傾向于下沉至底部活動(dòng)。從第13天開(kāi)始,沼蛤足便開(kāi)始發(fā)育,進(jìn)入幼貝時(shí)期(Cataldo,2015)。沼蛤從受精卵開(kāi)始到發(fā)育至性成熟,經(jīng)歷的時(shí)間顯著低于其他淡水和海洋貝類(lèi)。這些繁殖和發(fā)育特征說(shuō)明,沼蛤在適宜環(huán)境條件下可實(shí)現(xiàn)快速發(fā)育和生長(zhǎng),并在短時(shí)間達(dá)到一定密度和生物量,為沼蛤生物污損的發(fā)生奠定了基礎(chǔ)。

進(jìn)入躑行幼蟲(chóng)期后,沼蛤逐漸發(fā)育出肌肉發(fā)達(dá)、運(yùn)動(dòng)能力強(qiáng)且能夠分泌足絲蛋白的足。足可以伸出貝殼探測(cè)水下表面性質(zhì),若表面適宜便開(kāi)始分泌蛋白、合成足絲從而產(chǎn)生黏附行為,若表面不適宜則會(huì)繼續(xù)探測(cè)尋找新的基質(zhì)(Morton,2015)。沼蛤生物污損的發(fā)生與其足絲結(jié)構(gòu)的黏附行為密不可分。足是分泌足絲蛋白、合成足絲的重要器官,主要由上皮組織、結(jié)締組織和肌肉組織組成。沼蛤的足呈扁平狀且肌肉發(fā)達(dá),有利于沼蛤與水下基質(zhì)表面接觸(Iwasaki,2015)。足表面被纖毛覆蓋,近端纖毛直徑0.2 μm、遠(yuǎn)端部分直徑0.1 μm并以圓形尖端結(jié)束,這種形態(tài)特征有利于沼蛤在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中以范德華力為基礎(chǔ)在基質(zhì)表面發(fā)生臨時(shí)吸附。足的腹側(cè)部分有一條腹溝,約占足部長(zhǎng)度的60%。腹溝內(nèi)側(cè)分布多種腺體,包括附屬腺、膠原腺和酚腺等,分別負(fù)責(zé)分泌足蛋白、膠原蛋白和基質(zhì)蛋白等三大類(lèi)組裝成足絲的功能蛋白(Andradeetal.,2015)。這些蛋白沿著腹溝被釋放到水體中,隨即固化形成足絲。大量纖毛結(jié)構(gòu)分布在腹溝內(nèi)表面,有助于足絲蛋白的釋放和運(yùn)輸。足絲黏附趨于穩(wěn)定后,沼蛤不再移動(dòng),由幼蟲(chóng)期進(jìn)入幼貝期直至成貝期。成貝期的沼蛤體長(zhǎng)2～3 cm,足絲分泌能力很強(qiáng),每個(gè)個(gè)體可以分泌多達(dá)40～50根的足絲。這些足絲具有優(yōu)異的黏附力學(xué)性能,輔助沼蛤在水下基質(zhì)表面大量聚集,為沼蛤生物污損的發(fā)生提供了必要條件。

此外,黏附在基質(zhì)表面的沼蛤能承受劇烈的水環(huán)境條件(如溫度、鹽度、pH值、干旱、缺氧等)變化和其他外部力量的威脅(如捕食、水流沖刷等),保證自身在多變的淡水環(huán)境中仍能正常繁衍生息(Karatayevetal.,2015; Liuetal.,2020; Morton,2015; Sylvester &Sardia,2015)。對(duì)水體環(huán)境變化的極強(qiáng)適應(yīng)性,也成為沼蛤污損發(fā)生的生物學(xué)基礎(chǔ),給生物污損治理帶來(lái)極大困難。

2 沼蛤污損的作用機(jī)制

足絲在水下基質(zhì)材料表面的黏附是沼蛤污損的主要機(jī)制,而足對(duì)基質(zhì)材料的探測(cè)則是沼蛤污損發(fā)生的首要過(guò)程。沼蛤足探測(cè)并識(shí)別水下基質(zhì)表面的機(jī)制目前并不十分清楚,但已有報(bào)道顯示,海洋貽貝的足在接觸基質(zhì)以后前端會(huì)首先形成一個(gè)小窩結(jié)構(gòu),利用該結(jié)構(gòu)中的空氣負(fù)壓暫時(shí)吸附在基質(zhì)表面。這一小窩結(jié)構(gòu)為足絲形成創(chuàng)建了一個(gè)具有極端條件的絕緣反應(yīng)場(chǎng)所,具有低pH、低離子強(qiáng)度和高還原平衡等性質(zhì),使足絲蛋白能夠發(fā)生流體-流體相分離以及表面吸附和擴(kuò)散,形成微結(jié)構(gòu)并最終固化形成足絲(Waite,2017)。筆者觀察到,沼蛤足絲黏附過(guò)程中足的作用方式與海洋貽貝一致,在足絲黏附之前沼蛤也會(huì)利用足來(lái)探測(cè)水下表面的性質(zhì)以確定它是否進(jìn)行黏附,但具體作用機(jī)制還需要進(jìn)一步研究確認(rèn)。

足探測(cè)成功后,沼蛤開(kāi)始分泌足絲蛋白并形成足絲。足絲長(zhǎng)度為1.0～1.5 cm,由光滑的外表皮和內(nèi)部纖維狀成分構(gòu)成,可以分成近端足絲線、遠(yuǎn)端足絲線和黏附盤(pán)3部分。近端足絲線直徑15～20 μm,纖維狀成分排列緊湊、結(jié)構(gòu)致密,具有較強(qiáng)的彈性和韌性;遠(yuǎn)端足絲線直徑為25～30 μm,纖維狀成分較為松散,內(nèi)部絲狀纖維之間有著明顯的邊界,具有較強(qiáng)的剛性和抗拉伸性能。致密的近端足絲線可以讓足組織在有限區(qū)域內(nèi)分泌和合成大量足絲,而松散的遠(yuǎn)端足絲線則有利于內(nèi)部纖維成分的展開(kāi)而形成面積更大的黏附盤(pán)(Lietal.,2018)。黏附盤(pán)位于足絲的末端,表面積較大,表皮光滑,但與基質(zhì)材料表面接觸的一側(cè)則較為粗糙,底部孔洞結(jié)構(gòu)較多,可以調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)凝聚過(guò)程,有利于足絲與基質(zhì)表面的緊密結(jié)合。這些足絲是由不同的足絲蛋白固化形成的,包括足蛋白、膠原蛋白和基質(zhì)蛋白等。目前,關(guān)于沼蛤足絲蛋白的研究較少,與其他淡水污損貝類(lèi)不同,沼蛤足絲蛋白組成和性質(zhì)更接近海洋貽貝(Uliano-Silvametal.,2018)。沼蛤的足絲蛋白具有高含量的多巴(3.4-二羥基苯丙氨酸,Dopa)、豐富的金屬離子和典型的黏附蛋白重復(fù)序列及保守結(jié)構(gòu)域(Lietal.,2018)。Ohkawaetal.(1999)通過(guò)凝膠過(guò)濾、反相高效液相色譜等方法首次從沼蛤足絲中鑒定出富含Dopa的足蛋白Lffp-1。Lffp-1的分子質(zhì)量為96 ku,其中Lys、Tyr、Thr和Dopa等占據(jù)了蛋白質(zhì)氨基酸組成的56%以上。Ohkawaetal.(2015)構(gòu)建了一個(gè)沼蛤足組織的cDNA文庫(kù),從192個(gè)隨機(jī)選擇的克隆中篩選出足蛋白Lffp-2。在此基礎(chǔ)上,Lietal.(2018)結(jié)合轉(zhuǎn)錄組測(cè)序、質(zhì)譜分析、蛋白質(zhì)組測(cè)序等分析方法從沼蛤足絲中鑒定出16種與黏附行為密切相關(guān)的蛋白組分,包括沼蛤足蛋白(如Lffp-1、Lffp-2和Lfbp-3等)、相關(guān)酶類(lèi)、細(xì)胞框架蛋白和其他功能蛋白,進(jìn)一步分析初步揭示了這些蛋白在足絲黏附過(guò)程中的重要作用。目前,相比于其他足絲蛋白,足蛋白Lffp-2研究較為深入。Lffp-2在沼蛤足絲中的豐度最高,序列長(zhǎng)度為176個(gè)氨基酸,富含能夠與金屬離子互作的表皮生長(zhǎng)因子(EGF)結(jié)構(gòu)域,與金屬離子介導(dǎo)的足絲黏附蛋白之間的交聯(lián)機(jī)制有關(guān)。這些蛋白賦予足絲很強(qiáng)的黏附力和內(nèi)聚力,決定了沼蛤可以牢固黏附在各種基材表面而不發(fā)生斷裂,產(chǎn)生生物污損。

沼蛤足絲蛋白的黏附力和內(nèi)聚力依賴于Dopa。Dopa是酪氨酸羥基化的產(chǎn)物,在貝類(lèi)足絲蛋白交聯(lián)、足絲蛋白界面黏附機(jī)制中起重要作用。針對(duì)海洋貽貝足絲的研究顯示,Dopa可通過(guò)其結(jié)構(gòu)中的鄰苯二酚(又稱兒茶酚)增強(qiáng)足絲與基質(zhì)表面的界面黏附作用。鄰苯二酚結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單,僅由帶有2個(gè)相鄰羥基的苯環(huán)組成。但鄰苯二酚具有形成各種化學(xué)相互作用的能力,包括氫鍵、π-π/π-陽(yáng)離子相互作用、金屬-鄰苯二酚配位鍵、氧化交聯(lián)和靜電相互作用等(Forooshani &Lee,2017)。鄰苯二酚能夠通過(guò)羥基取代水分子建立雙齒氫鍵,從而使足絲蛋白直接黏附在親水基材表面上(Mianetal.,2011)。鄰苯二酚的苯環(huán)能夠通過(guò)π-π電子相互作用與其他芳環(huán)發(fā)生相互作用,這一反應(yīng)不但可以提高含鄰苯二酚聚合物的內(nèi)聚性能,還能使足絲蛋白穩(wěn)定黏附在富含芳香族化合物的材料表面上,例如聚苯乙烯、石墨烯、碳納米管或苯酚等(Forooshani &Lee,2017; Saiz-Poseuetal.,2019)。芳香環(huán)還可以與陽(yáng)離子形成π-陽(yáng)離子相互作用,增強(qiáng)鄰苯二酚對(duì)帶電表面的吸附,并有助于提高其與陽(yáng)離子官能團(tuán)的內(nèi)聚性能(Dasetal.,2015)。鄰苯二酚可以螯合多種金屬離子形成可逆絡(luò)合物(Leeetal.,2006),還能與金屬氧化物表面形成強(qiáng)的可逆的界面鍵(Weietal.,2016)。這一系列反應(yīng)使得分布在足絲外表皮的Dopa能夠輔助足絲蛋白之間相互交聯(lián)而形成堅(jiān)硬結(jié)構(gòu),對(duì)于足絲具有保護(hù)作用,同時(shí)也使分布在黏附盤(pán)底部的Dopa可以通討多種化學(xué)作用完成對(duì)不同材料基質(zhì)的界面黏附。在沼蛤足絲中,Dopa主要分布于外表皮和黏附盤(pán)底部(Lietal.,2018),上述一系列作用在沼蛤足絲中是存在的,是沼蛤足絲結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和界面黏附發(fā)生的主要機(jī)制,也是沼蛤能夠黏附到水下基質(zhì)如巖石、金屬材料等表面的主要驅(qū)動(dòng)力。

由于足絲蛋白在沼蛤污損機(jī)制中起關(guān)鍵作用,一些可以改變蛋白黏附狀態(tài)的因素能夠影響沼蛤的污損能力,如金屬離子、化學(xué)氧化試劑以及基質(zhì)材料表面性質(zhì)等。分析表明,沼蛤足組織和足絲中都富含金屬離子,Ca2+(35.59 mg·g-1)、Mg2+(26.37 mg·g-1)、Zn2+(23.28 mg·g-1)、Al3+(3.48 mg·g-1)和Fe3+(1.65 mg·g-1)等含量較高(Lietal.,2018)。金屬離子與沼蛤足絲蛋白之間產(chǎn)生相互作用,主要體現(xiàn)在以下幾方面:首先,金屬離子通過(guò)與特定氨基酸殘基結(jié)合,增強(qiáng)Lffp-2與其他足蛋白之間的相互作用,提升黏附盤(pán)的內(nèi)聚力(Hwangetal.,2010);再次,金屬離子可以通過(guò)與鄰二苯酚的螯合作用對(duì)足絲蛋白的自組裝和多巴氧化交聯(lián)產(chǎn)生影響(Leeetal.,2006);此外,金屬離子還影響足絲的機(jī)械性能,足絲線的強(qiáng)度往往隨金屬離子濃度的變化而變化(Lietal.,2017)。因此,環(huán)境中金屬離子種類(lèi)和濃度的變化可以降低沼蛤的污損能力。此外,Dopa容易被氧化形成多巴醌,化學(xué)氧化劑如NaClO、磁性納米顆粒如Fe3O4-NPs等能影響水體氧化還原狀態(tài)的環(huán)境因子已經(jīng)被證實(shí)可以通過(guò)改變足絲蛋白中Dopa的氧化還原狀態(tài)、足絲蛋白表達(dá)、足絲蛋白與金屬離子結(jié)合能力等過(guò)程而降低沼蛤的污損能力(Lietal.,2019,2021)。

3 沼蛤污損的控制措施

3.1 物理法

手動(dòng)/機(jī)械清潔。該方法主要使用特定機(jī)械設(shè)備(如高壓水槍)對(duì)表面進(jìn)行清洗或刮擦,清除黏附在基質(zhì)表面的污損生物。這種方法對(duì)沼蛤的清除力度大,是目前沼蛤污損治理的常用方法。該方法的弊端在于,清理過(guò)的基質(zhì)表面會(huì)被新生的沼蛤取代,同時(shí)會(huì)腐蝕或損壞表面結(jié)構(gòu),從而降低某些水下設(shè)施的使用年限。如果需要對(duì)基質(zhì)表面進(jìn)行徹底清潔,還需承擔(dān)系統(tǒng)關(guān)閉所造成的損失(Boltovskoyetal.,2015c)。

過(guò)濾。對(duì)于相對(duì)較小的水體,可以使用介質(zhì)過(guò)濾器(例如砂濾器)或機(jī)械自清潔過(guò)濾器等進(jìn)行清除(Claudi &Oliveira,2015a)。這些過(guò)濾器能夠清除尺寸大的沼蛤(200 μm以上),卻對(duì)治理沼蛤幼蟲(chóng)效率不高。例如,瑯琊山抽水蓄能電站的冷卻水管系統(tǒng)進(jìn)水端雖然安裝了孔徑為300和50 μm的2種過(guò)濾器,但是運(yùn)行一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)仍有少許沼蛤附著(徐夢(mèng)珍等,2016)。

溫度控制法。溫度是常規(guī)的環(huán)境因子之一,過(guò)高或過(guò)低的溫度都對(duì)水生生物的生長(zhǎng)和存活具有十分嚴(yán)重的影響(魯耀鵬等,2017)。沼蛤適宜存活的溫度為0～35 ℃,較高高溫條件下的個(gè)體活性強(qiáng)于低溫,高溫條件下的死亡率較高(魏小熙等,2016a; Karatayevetal.,2015)。利用該特性可采取如下2種熱處理措施治理沼蛤:(1)恒定速率升溫法。測(cè)試表明,在每5、15或30 min升溫1 ℃的速率下,當(dāng)溫度達(dá)到43.6～50.2 ℃時(shí),沼蛤歷經(jīng)1.8～15.3 h后全部死亡。(2)高溫水浴法。迫使沼蛤長(zhǎng)期暴露于恒定高溫條件下直到全部死亡。測(cè)試表明,水浴溫度為34～36 ℃的環(huán)境下,沼蛤的死亡時(shí)長(zhǎng)為25.0～644.3 h;水浴溫度為38～44 ℃,沼蛤的死亡時(shí)長(zhǎng)為0.7～17.5 h;當(dāng)水浴溫度大于55 ℃時(shí),沼蛤瞬間死亡(魏小熙等,2016b; Perepelizin &Boltovskoy,2015a)。目前,高溫水浴法是控制沼蛤生物污損較為有效、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)的方法之一,但高溫處理易引起基質(zhì)表面損傷、加速設(shè)施老化。

封閉缺氧法。氧氣是沼蛤生存必不可少的條件,在溶解氧小于0.16 mg·L-1時(shí),沼蛤的死亡時(shí)長(zhǎng)為10～29 d。當(dāng)環(huán)境溫度為20 ℃時(shí),體長(zhǎng)小于7 mm的沼蛤耐受性低于個(gè)體大于20 mm的沼蛤(Perepelizin &Boltovskoy,2015b)。缺氧控制法是一種經(jīng)濟(jì)且環(huán)保的沼蛤污損控制方法,但是治理過(guò)程需要設(shè)施停止運(yùn)行,所需時(shí)間較長(zhǎng)。

脫水干燥法。沼蛤暴露在干燥的空氣中時(shí)可存活3～10 d (魏小熙等,2016a)。利用該特性研發(fā)出的脫水干燥法是一種經(jīng)濟(jì)且對(duì)環(huán)境友好的方式,但需要設(shè)施停止工作且處于脫水狀態(tài),因此操作過(guò)程受到多種因素限制。

水動(dòng)力學(xué)控制法。該方法主要包括流速控制和湍流控制,適用于清除管道中的沼蛤(Xu,2013)。沼蛤在管線上穩(wěn)定污損的流速范圍為0.3～0.9 m·s-1,當(dāng)流速為0.4～0.6 m·s-1時(shí)污損密度最大,水流速度超過(guò)1.2 m·s-1的管線中基本沒(méi)有沼蛤污損發(fā)生(徐夢(mèng)珍等,2012; 葉寶民等,2011; Zhaoetal.,2019)。湍流主要用于控制沼蛤幼蟲(chóng),高頻脈動(dòng)湍流場(chǎng)可使幼蟲(chóng)破碎受損,其作用效果與作用時(shí)間呈正相關(guān)(張晨笛等,2016)。

3.2 化學(xué)法

氧化劑。一定濃度的氧化劑可以通過(guò)迫使沼蛤貝殼緊閉來(lái)阻斷其與外界進(jìn)行物質(zhì)循環(huán)和能量交換,從而達(dá)到滅殺沼蛤的目的。常用的化學(xué)氧化劑主要包括次氯酸鈉、氯胺T、高錳酸鉀、過(guò)氧化氫和二氧化氯等。魏小熙等(2016c)設(shè)置了50和200 mg·L-12個(gè)實(shí)驗(yàn)條件來(lái)測(cè)評(píng)沼蛤在各類(lèi)氧化劑作用下的死亡特性和足絲溶解特征。次氯酸鈉能夠較好地滅殺沼蛤,在低濃度次氯酸鈉對(duì)沼蛤的滅殺研究中,次氯酸鈉的最佳濃度為1～2 mg·L-1,在封閉靜態(tài)浸泡狀態(tài)下,沼蛤歷時(shí)3 d死亡率可達(dá)到90%以上;在動(dòng)態(tài)水流模擬狀態(tài)下,死亡時(shí)間較靜態(tài)處理晚1 d左右。香港供水系統(tǒng)中,一般首先使用200 mg·L-1的高濃度次氯酸鈉來(lái)處理高密度的沼蛤,低濃度0.5 mg·L-1控制沼蛤密度的增加,每隔2～3個(gè)月重復(fù)一次可以有效保持管道暢通,還可以防止沼蛤幼蟲(chóng)在系統(tǒng)中的沉降(倪杭娟等,2021; 魏小熙等,2016c; McEnnultyetal.,2001)。

pH調(diào)節(jié)劑。該方法將水體的pH值調(diào)節(jié)到沼蛤的耐受范圍之外,從而殺死沼蛤。Montresoretal.(2013)測(cè)試出NaOH濃度在40～800 mg·L-1、pH范圍為11.24～13.04時(shí),沼蛤的半數(shù)致死濃度LC50在48 h時(shí)為344.95 mg·L-1,72 h時(shí)為113.14 mg·L-1,96 h時(shí)為88.51 mg·L-1。2000年,地處巴西的Salto de Cashias水力發(fā)電廠的沼蛤污損密度高達(dá)15萬(wàn)個(gè)·m-2,廠方采取措施將水體的pH值保持在9.0左右,12個(gè)月后實(shí)現(xiàn)了對(duì)99%污損沼蛤的有效控制(Claudi &Oliveira,2015b)。

硫酸銅。銅會(huì)對(duì)水生生物尤其是軟體動(dòng)物產(chǎn)生亞致死效應(yīng),包括生長(zhǎng)速度下降、生殖障礙、酶活性抑制、蛋白質(zhì)和DNA合成減少或改變、細(xì)胞骨架改變以及ATP合成和Ca2+穩(wěn)態(tài)的破壞等(Claytonetal.,2000)。Soaresetal.(2009)評(píng)估了硫酸銅對(duì)沼蛤的毒性,測(cè)出銅濃度的平均、最小和最大LC50和LC95值分別為2.16、1.70、2.65和4.86、3.97、6.47 mg·L-1,表現(xiàn)出一定的沼蛤污損治理潛力。

餌料法。利用沼蛤?yàn)V食性開(kāi)發(fā)的微囊化餌料是氯化鉀和季銨的混合物,包衣由淀粉黏結(jié)劑、油和蠟的混合物制成。Calazansetal.(2003)測(cè)試了微囊化餌料的作用效果,處理48 h后,微囊化餌料的LC50為270.9 mg·L-1,傳統(tǒng)氯化鉀溶液的LC50為1439 mg·L-1,微囊化氯化鉀的LC50為8336.7 mg·L-1,微囊化餌料的毒性是溶解性氯化鉀的5.3倍,是微囊化氯化鉀的9.4倍。微囊化餌料將化學(xué)試劑包裹在營(yíng)養(yǎng)涂層中,減少其在環(huán)境中的殘留,同時(shí)最大限度降低沼蛤關(guān)閉貝殼的防御性反應(yīng)。

其他化學(xué)試劑。MXD-100、BULAB 6002、二癸基二甲基氯化銨(H-130)和氯硝柳胺也是被測(cè)試使用過(guò)的沼蛤殺滅試劑。MXD-100是由香港Maxclean公司研發(fā)的一種防污抗菌劑。Montresoretal.(2013)通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)證實(shí),MXD-100濃度在0.05～500 mg·L-1時(shí),LC50在48 h時(shí)為45.49 mg·L-1,72 h時(shí)為13.69 mg·L-1,96 h時(shí)為11.1 mg·L-1。在巴西,MXD-100在應(yīng)用時(shí)通常持續(xù)90 d、每天3次、每次10 min、1～7 mg·L-1,可以消除新黏附的沼蛤個(gè)體,是一種針對(duì)沼蛤污損的有效治理方法(Claudi &Oliveira,2015b)。BULAB 6002是一種液態(tài)陽(yáng)離子聚季銨化合物,常用于控制湖泊中的藻類(lèi),也是一種有效的沼蛤殺滅試劑(Claudi &Oliveira,2015b)。Darrigranetal.(2001)測(cè)試了聚季銨化合物對(duì)平均大小262.5 μm的沼蛤幼蟲(chóng)的處理效果,實(shí)驗(yàn)將幼蟲(chóng)分別放置在1、2、4、8和16 mol·L-1的季銨聚合物中24 h,結(jié)果顯示可用于沼蛤幼蟲(chóng)的殺滅,但是使用的濃度無(wú)法在24 h內(nèi)獲得100%死亡率所需的劑量。H-130是一種非氧化性試劑,含有季烷基銨溶液,常用作工業(yè)直流淡水冷卻水系統(tǒng)中的殺螺劑(Claudi &Oliveira,2015b)。Cataldoetal.(2003)分別在15、20和25 ℃下測(cè)試了濃度為2.5、5、10、20和30 mg·L-1的H-130對(duì)沼蛤的殺滅效果,表現(xiàn)出較好的應(yīng)用潛力。氯硝柳胺是一種被世界衛(wèi)生組織批準(zhǔn)使用的軟體動(dòng)物滅殺劑。該試劑不能持久存在于水環(huán)境中,在天然水體和沉積物系統(tǒng)中可通過(guò)水解、光解和微生物降解去除(Dawson,2003)。Cataldoetal.(2003)測(cè)試了0.25、0.5、1、2、4、6和8 mg·L-1的氯硝柳胺對(duì)沼蛤的殺滅效果,發(fā)現(xiàn)處理48 h后4 mg·L-1的氯硝柳胺會(huì)導(dǎo)致超過(guò)80%的沼蛤群體死亡,1～2 mg·L-1時(shí)死亡率為60%～70%,而0.5 mg·L-1的氯硝柳胺僅能殺死不到20%的沼蛤。Sansonetal.(2020)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),該試劑能夠引起沼蛤基因表達(dá)的顯著變化,是氯硝柳胺殺滅沼蛤的主要分子機(jī)制。

3.3 生物法

天敵捕食法。在生態(tài)允許范圍內(nèi),捕食性魚(yú)類(lèi)可以限制沼蛤種群密度,通過(guò)該方法可以控制沼蛤污損程度(徐夢(mèng)珍等,2016)。Gonzálezetal.(2020)研究表明,魚(yú)類(lèi)對(duì)沼蛤的豐度具有自上而下的影響,將具有強(qiáng)壯牙齒或堅(jiān)固齒列的捕食性魚(yú)類(lèi)、能夠直接攝取沼蛤無(wú)需粉碎捕食性魚(yú)類(lèi)、在攝食時(shí)經(jīng)常食用沼蛤的草食性魚(yú)類(lèi)、使用鰓耙過(guò)濾浮游生物的魚(yú)類(lèi)組合在一起,可以持續(xù)抑制沼蛤生長(zhǎng)。在我國(guó)黃河某地表水廠的沼蛤防治過(guò)程中,人們先在原水沉砂池投放青魚(yú)、鯉魚(yú)、鰱魚(yú)各20000尾,然后連續(xù)3 a按1∶1∶1∶1.7的比例補(bǔ)充投放青魚(yú)、草魚(yú)、鯉魚(yú)和鰱魚(yú),沉砂池內(nèi)的沼蛤逐年減少(宋美華等,2020)。

基因驅(qū)動(dòng)法。目前沼蛤的基因組已經(jīng)測(cè)序完成,科學(xué)家們參考已有的案例將CRISPR-Cas9系統(tǒng)引入到沼蛤生育相關(guān)編碼基因的敲除工作中,試圖在自然種群中誘導(dǎo)沼蛤不育,阻止沼蛤繁衍生息(Rebeloetal.,2018)。這種基因改造模式理論上可達(dá)到限制沼蛤種群增長(zhǎng)的目的,但此類(lèi)方法目前無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室條件下獲得大規(guī)模胚胎,且在環(huán)境中容易引發(fā)轉(zhuǎn)基因風(fēng)險(xiǎn)(Hammondetal.,2016; Rebeloetal.,2018; Uliano-Silvaetal.,2018),其應(yīng)用效果和前景還有待科學(xué)評(píng)估。

3.4 防污材料法

沼蛤的黏附往往對(duì)材料有一定的偏好性,因此基質(zhì)材料也是影響沼蛤污損能力的主要因素(徐夢(mèng)珍等,2012)。防污材料法主要通過(guò)材料表面釋放有毒物質(zhì)來(lái)滅殺沼蛤,或通過(guò)抑制足絲合成和黏附來(lái)達(dá)到防污目的。防污涂料或涂層一般由高分子樹(shù)脂、防污劑、助劑、填料和溶劑等組成,其中防污劑起到殺死沼蛤或抑制足絲黏附的作用。在實(shí)際應(yīng)用中,對(duì)于新的設(shè)施在系統(tǒng)允許的情況下可以直接使用防污材料替代,而對(duì)于陳舊設(shè)施的改造則可以在設(shè)施表面涂覆防污涂層,以起到防污的作用。

在常用涂料涂層中,硅膠和環(huán)氧樹(shù)脂涂層表現(xiàn)出良好的沼蛤防污性能(華丕龍等,2015;徐夢(mèng)珍等,2016; 楊永民等,2021; 姚國(guó)友等,2016; 鄭航桅和潘志權(quán),2021; Fariaetal.,2006; Matsuietal.,2001,2002; Ohkawaetal.,2001)。硅膠是一種表面自由能和氫鍵成分都較低的非極性表面,環(huán)氧樹(shù)脂則是一種典型三維網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)的熱固性聚合物,這2種材料的顯微硬度小、接觸角大、耐久性強(qiáng),經(jīng)測(cè)試涂,有這2種涂層的材料表面基本沒(méi)有沼蛤黏附,防污效果較好(姚國(guó)友等,2016; 楊永民等,2021)。在防污材料中,銅基材料對(duì)沼蛤生物污損有很強(qiáng)的驅(qū)避作用,氧化亞銅(Cu2O)是使用最廣泛的氧化物金屬材料之一(Matsuietal.,2019)。Bergmannetal.(2010)評(píng)估了氧化亞銅和銅作為涂料和基材對(duì)沼蛤的毒性作用,結(jié)果表明,與同期浸沒(méi)的陶瓷基板相比,10%常規(guī)氧化銅涂層可以減少85.85%沼蛤污損,未涂層的銅基材可以減少58.59%沼蛤污損。Matsuietal.(2019)對(duì)砂漿、聚氨酯樹(shù)脂涂層砂漿、木材、石灰石、銅、鋁和不銹鋼等基材進(jìn)行了為期4 a的浸泡實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,除銅以外,其他材料上的沼蛤數(shù)量沒(méi)有顯著差異,缺乏防污效果,顯示出銅及銅類(lèi)化合物基材料在沼蛤殺滅和污損防控方面的優(yōu)越性。但Cu2O在淡水環(huán)境中的溶解度很低,也不可生物降解,容易產(chǎn)生持續(xù)的污染,因此不能應(yīng)用于飲用水系統(tǒng)(Bergmannetal.,2010; Pereiraetal.,2010)。

4 結(jié)論與展望

本文綜述了近些年來(lái)沼蛤污損的生物特性、污損機(jī)制和防污措施方面的研究進(jìn)展,特別是針對(duì)繁殖和發(fā)育能力、足絲分泌能力和環(huán)境適應(yīng)能力等沼蛤污損的生物學(xué)基礎(chǔ),足探測(cè)過(guò)程、足絲黏附、環(huán)境影響等污損機(jī)制,以及物理法、化學(xué)法、生物法和防污材料法等多種防污措施進(jìn)行了全面總結(jié)。

沼蛤生物污損依賴于足絲在水下基質(zhì)材料表面的黏附行為?，F(xiàn)有證據(jù)表明,沼蛤首先通過(guò)足探測(cè)并識(shí)別水下基質(zhì)性質(zhì),吸附并分泌足絲蛋白,最終固化形成足絲。足絲蛋白富含Dopa,Dopa與基質(zhì)材料之間的界面黏附以及Dopa介導(dǎo)的足絲蛋白之間的相互作用是決定沼蛤生物污損能力的關(guān)鍵。化學(xué)氧化劑、納米顆粒等一些影響水體氧化還原狀態(tài)的因子可以削弱Dopa與基質(zhì)材料之間的界面黏附性能和足絲蛋白之間的相互作用,從而降低沼蛤生物污損的程度。然而,由于貝類(lèi)足絲黏附蛋白的作用具有顯著的物種特異性,目前關(guān)于沼蛤生物污損機(jī)制的了解特別是對(duì)于足絲蛋白組成、Dopa功能以及它們?cè)谒吗じ竭^(guò)程中作用方式的了解還十分有限,各種防污材料和試劑對(duì)沼蛤足絲黏附的影響及其作用機(jī)制也尚未被完全闡明,在一定程度上限制了污損防控理論的發(fā)展與實(shí)踐。因此,后續(xù)研究應(yīng)在全面解析沼蛤足絲蛋白黏附機(jī)制的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步闡明各種防污方法與沼蛤足絲黏附之間的關(guān)系,為后續(xù)從足絲黏附角度探索生物污損治理措施提供理論參考。

現(xiàn)有沼蛤的防污措施可以分為物理法、化學(xué)法、生物法和防污材料法等幾大類(lèi)。物理法是目前治理沼蛤污損最常用的方法,其優(yōu)點(diǎn)在于能夠有效清除沼蛤,但是該措施需要工廠、設(shè)施、設(shè)備等停工停產(chǎn),實(shí)施期間需要投入大量的人力和時(shí)間進(jìn)行處理,對(duì)設(shè)施表面損傷也較大,恢復(fù)供水后沼蛤污損問(wèn)題重新出現(xiàn),所以只能作為短期沼蛤污損控制的方案。化學(xué)法是目前殺滅沼蛤較為有效的方法,但所使用的化學(xué)試劑往往較為昂貴,也會(huì)對(duì)水體造成二次污染,限制了一些化學(xué)試劑在不同領(lǐng)域的廣泛使用。生物法雖然是一種環(huán)境友好的沼蛤污損治理措施,但該方法作用周期長(zhǎng)、技術(shù)要求高,只能在一定程度上抑制沼蛤種群數(shù)量而不能徹底殺滅,在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中使用率較低。防污材料法大多數(shù)都是通過(guò)材料自身或涂層涂料中有毒物質(zhì)的釋放來(lái)發(fā)揮作用,雖然可以達(dá)到廣譜防污的目的,但是也具有二次污染、防污性能時(shí)效性差、價(jià)格昂貴等問(wèn)題,在某些領(lǐng)域被限制使用。微囊化餌料方法似乎彌補(bǔ)了上述大部分方法的不足,具有環(huán)境友好等特點(diǎn),在沼蛤污損治理過(guò)程中具有廣闊的應(yīng)用前景。就目前進(jìn)展來(lái)看,新研發(fā)的一些有效的沼蛤防污措施大多處于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試階段。未來(lái)關(guān)于沼蛤防污的研究方向應(yīng)主要集中在新型防污材料和試劑的開(kāi)發(fā)與利用上,進(jìn)一步設(shè)計(jì)綠色環(huán)保、經(jīng)濟(jì)有效、不釋放有毒有害物質(zhì)的新型環(huán)保材料和制劑,將基于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)并測(cè)試的防污方法更好地應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)際中。