菲律宾蛤仔对海水悬浮泥沙的絮凝效果及机理研究

林 朋，戎振英，刘行平，葛亚明，刘俊稚,3，穆 军

（1.浙江海洋大学海洋科学与技术学院，浙江舟山 316022；
2.舟山市污水处理有限公司，浙江舟山 316000；
3.浙江海洋大学石油化工与环境学院，浙江舟山 316022）

菲律宾蛤仔Ruditapes philippinarum，俗称花蛤、蛤蜊，是我国四大养殖贝类之一，在南海、东海和黄海等地均有分布，其养殖投资少、周期短，是我国单种产量最高的埋栖型贝类，年产量超过4×106t，占世界菲律宾蛤仔养殖产量的97.4%[1]。菲律宾蛤仔不仅在水产养殖业中具有重要经济价值，在海洋生态系统中也具有重要的环境价值[2-3]。有研究发现，菲律宾蛤仔在滤食时会喷吐出一些体内的黏附污泥，这些黏附污泥含有的多糖成分具有明显的絮凝能力，能够对污水中的高岭土等悬浮物及色素、重金属等污染物进行高效絮凝去除，对改善膨胀活性污泥的沉降性能、促进光合细菌挂膜等也有很强功效[4-7]。然而，菲律宾蛤仔黏附污泥及其中多糖成分的提取、收集等步骤耗时长且效率低，不利于其实际应用的推广。而相较于对其黏附污泥提取物的研究，对活体菲律宾蛤仔的环境生态效应及其应用相关研究起步较晚，其环境价值有待深入挖掘。

悬浮泥沙是海水环境中极为重要的水质参数之一，海水中悬浮泥沙的存在会直接影响海洋水体的一系列光学特性，如水体浑浊度、透明度等，进而严重影响近海区域的生态环境和生物资源生产力[8-9]。目前对海水悬浮泥沙的去除大多采取静态沉淀法，但静态沉淀法易受风浪影响效果有限，某些粉砂类悬浮泥沙亦难以自然沉降。因此，如何有效降低海水尤其养殖海域海水中的悬浮泥沙成为海洋生态环境研究领域的难点之一[10-11]。菲律宾蛤仔作为分布广泛、产量巨大的海洋生物，如能在生长过程中对悬浮泥沙进行絮凝沉降将对降低海水浊度、提高海洋初级生产力具有重要生态环境价值，因此本研究对悬浮泥沙絮凝效果及机理进行考察，以期为利用菲律宾蛤仔净化悬浮泥沙污染海水提供科学依据和数据支持。

1.1 实验材料

菲律宾蛤仔取自舟山朱家尖某养殖场2 龄贝，平均壳长35.8 mm、体重7.8 g。将新鲜的菲律宾蛤仔用海水仔细冲洗除去壳外脏物后，置于干净水族箱中，加入新鲜海水暂养3 d。暂养期间海水温度保持在20～23 °C，持续微量曝气，并每天定量投喂螺旋藻藻粉。暂养结束后，随机选取个体均匀、生长良好、正常开壳且反应敏感的菲律宾蛤仔用于后续实验。

实验海水和悬浮泥沙均取自上述养殖场。其中，海水盐度31～32、pH 7.8～8.2。悬浮泥沙的成分及热稳定性分析如图1 所示，通过与标准卡片对比得知其成分主要为SiO2；
当温度从16 ℃升至580 ℃过程中，泥沙质量从6.71 mg 降至6.31 mg，降幅仅为5.96%，表明其热稳定性良好。

1.2 实验设计

1.2.1 高岭土絮凝实验

高岭土作为一种反絮凝物质可在淡水中长时间悬浮而难以沉淀，因此常作为絮凝实验的模式絮凝对象[3,5,12-14]。经预实验观察发现，菲律宾蛤仔在淡水中基本不会开壳进行滤食活动，因此在KURANE,et al[14]的经典高岭土悬浊液絮凝活性测定法的基础上，参照高琦等[3]和周海军等[5]设计实验方案：用抽滤过的新鲜海水和蒸馏水各配制4 g·L-1的高岭土悬浊液，设淡水高岭土自然沉降组（对照组）、海水高岭土自然沉降组（海水组）和海水高岭土菲律宾蛤仔絮凝组（蛤仔组）3 个处理，对配好的悬浊液匀速搅拌（40 r·min-1）2 min后，吸取悬浊液液面以下1 cm 处液体，用紫外可见分光光度计（Agilent Cary 60,美国安捷伦公司）于550 nm下测定初始吸光度，之后每隔10 min 取样吸光度。为考察菲律宾蛤仔对高岭土的絮凝机理，取各组絮凝前后的高岭土颗粒分别进行表面Zeta 电位测定。

1.2.2 悬浮泥沙絮凝实验

用抽滤过的新鲜海水配制悬浮泥沙悬浊液，参考舟山附近海域中的悬浮泥沙浓度[9]，本研究中悬浮泥沙的浓度设为0.46 g·L-1。与高岭土实验相似，设泥沙自然沉降组（对照组）和菲律宾蛤仔絮凝组（蛤仔组）分别监测悬浮泥沙的沉降情况。同时，为探究菲律宾蛤仔是否通过滤食行为来絮凝海水中的悬浮泥沙，设1个菲律宾蛤仔滤食行为阻隔絮凝组（蛤仔行为阻隔组），即：在菲律宾蛤仔上方悬置1 个与实验体系大小接近的玻璃盖，使蛤仔滤食行为所喷吐的泥沙团无法直接影响上层水体。3 组处理的匀速搅拌强度和时间，及后续采样方法和时间等同上述高岭土絮凝实验。此外，对絮凝前后的各组悬浮泥沙颗粒分别进行表面Zeta 电位测定及扫描电子显微（SEM）观测，以探讨相关絮凝机理。

1.2.3 参数检测及计算方法

悬浮泥沙组分分析：采用X 射线衍射仪（Rigaku，日本理学公司）分析主要晶体结构和结晶度，测试条件为管电压40 kV、管电流40 mA，X 射线源为Cu 靶，扫描范围为5°～70°、步长0.02°。

悬浮泥沙热稳定性分析：采用差热热重同步分析仪（DTG-60，日本岛津公司）检测，测试温度为16～600 ℃，升温速率为25 ℃·min-1。

Zeta 电位检测：将收集得到的高岭土絮体或悬浮泥沙颗粒稀释10 倍后，利用基于专利型M3-PALS技术的Zeta 电位仪（ZetasizerNano ZS90,英国马尔文公司）检测。

SEM 观测：用扫描电子显微镜（Hitachi SU8010,日本日立公司）观测。

絮凝效率η（%）采用公式（1）计算：

式中：A0为高岭土或悬浮泥沙悬浊液的初始吸光度；
At为t 时刻的吸光度。

1.3 数据处理与分析

所有数据均为3 个平行的平均值，采用Origin 2021 和SPSS 25.0 分别进行绘图和差异性分析等。采用单因素方差分析（one-way analysis of variance,ANOVA）检验不同处理间的差异是否显著，以P＜0.05 为有统计学意义。

2.1 高岭土絮凝效果及相关机理

如图2 所示，淡水体系中的高岭土絮凝率很低，100 min 后的絮凝率仅为1.9%，这符合高岭土在淡水中几乎不会自然沉降的特性；
海水体系中，10 min 后高岭土即有了明显沉降，相应絮凝率为56.7%，100 min 后的最终絮凝率达到86.4%，这可能是由于海水中含有的Ca2+、Na+、Mg2+、Al3+等金属离子促进了高岭土的絮凝沉降[5,14]；
海水体系加入菲律宾蛤仔后，进一步促进了高岭土的絮凝，10 min 絮凝率为62.5%，100 min 后的絮凝率达到97.3%。

图2 菲律宾蛤仔对高岭土的絮凝效果Fig.2 Flocculation rates of R.philippinarum on kaolin

关于絮凝机理存在各类假说，如吸附架桥、吸附-电中和、网捕学说等[15-16]，本研究中涉及的机理可能是吸附-电中和。Zeta 电位测定结果发现，高岭土颗粒表面的Zeta 电位均为负值，其绝对值从大到小依次为：蛤仔组絮凝后（-38.5 mV）＞絮凝前（-34.4 mV）＞海水组絮凝后（-17.7 mV），这表明海水体系中高岭土的絮凝可能是通过水中金属离子与高岭土的电中和作用实现的，但菲律宾蛤仔对高岭土的絮凝并非常规电中和作用。结合菲律宾蛤仔生长行为特性分析，其对悬浮物的絮凝可能与其滤食行为过程有关，相关实验验证及讨论见下文悬浮泥沙絮凝研究。

2.2 悬浮泥沙絮凝结果及相关机理

菲律宾蛤仔对悬浮泥沙的絮凝结果如图3 所示。由图可见，与淡水体系的高岭土类似，海水中悬浮泥沙的自然沉降性能较差，10 min 时的絮凝率仅为6.8%，60 min 后的絮凝率也仅达到19.9%。这是由于实验所用舟山近海养殖水体中的悬浮泥沙多属于粉砂，有研究报道这种粉砂能够在海水中长时间（超过24 h）悬浮[10]，本研究与其结论一致。加入菲律宾蛤仔明显促进了悬浮泥沙的絮凝，对菲律宾蛤仔滤食行为加以阻隔的实验组，虽然10 min 后悬浮泥沙的絮凝率仅为5.6%，但之后随着时间延长而明显上升，60 min 后的絮凝效率达到53.3%；
而未对滤食行为进行阻隔的处理组絮凝效果显著更好（P＜0.05），10 min 后的絮凝率达到23.0%，60 min 后已经达到95.7%。由此可以推测，在菲律宾蛤仔对悬浮泥沙的絮凝过程中，其滤食行为起着重要作用，可能与其滤食过程产生的黏附污泥有关[4-5]，而相较于菲律宾蛤仔体内黏附污泥的提取应用[6-7]，显然直接采用菲律宾蛤仔活体絮凝更省时省力。

图3 菲律宾蛤仔对悬浮泥沙的絮凝结果Fig.3 Flocculation rates of R.philippinarum on suspended sediment

各组悬浮泥沙表面Zeta 电位的变化情况与高岭土实验结果相似，经菲律宾蛤仔絮凝后的悬浮泥沙絮体表面Zeta 电位绝对值大于絮凝前（-42.5 mV vs -39.3 mV），意味着絮凝后的悬浮泥沙絮体表面的负电荷增加，其稳定性更强，这表明菲律宾蛤仔絮凝悬浮泥沙的原理也不是吸附-电中和。

经菲律宾蛤仔絮凝前后的悬浮泥沙SEM 图如图4 所示。可见，絮凝前的悬浮泥沙颗粒基本呈单独的颗粒或块状，且分布松散，较少出现堆叠现象；
而经蛤仔絮凝后的悬浮泥沙颗粒大多粘连在一起，呈团聚状，且这些泥沙颗粒由于互相堆叠形成了较大的不规则絮体。这可能是菲律宾蛤仔在将其体内的悬浮泥沙絮体排出体外后，这些絮体在沉降过程中接触到水中的其他悬浮泥沙颗粒时，通过网扫捕集作用将它们吸附，最终沉降形成了颗粒更大的絮体。

图4 絮凝前（A:×500、B:×1 000）和絮凝后（a:×500、b:×1 000）悬浮泥沙SEM 图Fig.4 SEM images of suspended sediment before（A:×500,B:×1 000）and after（a:×500,b:×1 000）flocculation

此外，进一步观察发现，菲律宾蛤仔在对悬浮泥沙完成絮凝后，绝大部分絮体颗粒并不会停留在体内，而是会与体内黏附污泥结合，之后被通过喷水、反复开壳闭壳、伸缩斧足等行为，排出体外至附近沉积物中。因此，菲律宾蛤仔对悬浮泥沙的絮凝并不会过多增加其体内泥沙含量，不会影响其作为水产品直接食用的口感或在其他食品加工过程中的应用。

本文探究了菲律宾蛤仔活体对海水中高岭土和悬浮泥沙的絮凝效果及可能机理，主要得到以下结论：（1）菲律宾蛤仔能够有效促进海水中高岭土和悬浮泥沙的絮凝，100 min 后高岭土的絮凝率和60 min 悬浮泥沙的絮凝效率分别高达97.3%和95.7%；
（2）菲律宾蛤仔对海水高岭土和悬浮泥沙的絮凝机理均并非常规吸附-电中和，而很可能是其滤食行为所致；
（3）菲律宾蛤仔絮凝的泥沙不会长期待在体内，而是很快又被排出体外，并且在排出体外的过程中通过网扫捕集作用将水中其他悬浮泥沙一起絮凝沉降。总之，菲律宾蛤仔活体可以通过滤食行为促进海水悬浮泥沙的快速絮凝沉降，从而有效降低海水浊度，具有明显的水质净化生态学效应和潜在环境应用价值。

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