船舶压载水取样工具对比测试及实船试验

鲁正， 张顺， 王殷浩， 施悦

(1.哈尔滨工程大学 动力与能源工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001； 2.哈尔滨工程大学 青岛船舶科技有限公司，山东 青岛 266000)

收稿日期：2021-05-04.

网络出版日期：2022-06-22.

基金项目：国家自然科学基金项目(52171347)；青岛市博士后应用研究项目.

作者简介：鲁正，男，高级工程师；

施悦，女，教授，博士生导师.

通信作者：施悦，E-mail: shiyue2046@163.com.

从船舶压载水中取到代表性样本是评估压载水危害以及压载水处理工艺效率的前提和基础[1-3]。国际《压载水公约》于2019年1月22日起对我国正式生效，其中经验积累期至2023年12月31日，公约规定港口国海事管理部门有权对船舶排放的压载水进行取样检测(PSC检查)[4-5]。但目前国际海事组织(IMO)及国内法规对压载水的取样检测方式方法并没有作出明确规定[6-7]，我国海事管理部门仅能依靠海洋监测规范和海洋调查规范等领域所采用的取样设备对船舶压载水进行取样检测，而这些技术并非完全适用于压载水中浮游生物的采集。

目前在压载水的取样过程中，以孔径为50 μm的浮游生物网为核心部件的取样设备是定量采集浮游生物的重要工具，能够连续采集一段水体中的浮游生物样本[8]。浮游生物网网孔较小的取样设备捕集的浮游生物总丰度更高[9-11]，但同时也有网孔小的取样设备而捕获效率低的情况出现[12]。日益增多的海洋监测和海洋调查发现，在网内水流压力的作用下，网孔结构与浮游生物体型、尺寸之间的关系对取样设备网孔筛选过程起决定性作用，导致浮游生物的捕获效率、丰度、生物量和次级生产力等数据产生严重偏差[13-15]。

本文针对压载水中浮游生物捕集率低、难以取到代表性样本等关键缺陷，重点研究取样流速、浮游生物浓度和浮游生物尺寸等因素对2种主流材质的浮游生物网(孔径为50 μm的不锈钢网和筛绢网)取样效能(收集率和透过率)的影响。利用浮游生物网对船舶压载水进行实船采样与数据分析。

1 材料与方法

1.1 试验装置和方法

试验海水取自中国青岛市海军公园附近海域(120.03°E；35.81°N)。盐度为31.5‰，温度为26.5 ℃，pH值为8.1。试验前，分别测定原海水中不小于50 μm和10～50 μm的浮游生物数量，再利用滤网或过滤海水将原海水中不小于50 μm和10～50 μm的浮游生物进行浓缩或稀释处理，使不小于50 μm和10～50 μm的浮游生物数量分别在500～1 000 cells/L和400～1 000 cells/mL。

试验装置如图1所示。开始取样时，打开隔膜阀，累计流量计开始工作，压载水经浮游生物网过滤，过滤后的压载水储存在塑料桶内，待塑料桶内水位上升至距离桶口20 cm处，打开塑料桶底部阀门，调节阀门使塑料桶内水位保持不变，出水流向污水井中。完成过滤后，关闭隔膜阀及塑料桶底部阀门，取出浮游生物网，将浮游生物网底部收集的浮游生物转移至100 mL无菌瓶中，4 ℃保存，每个样本检测3个平行样。

图1 压载水取样装置及浮游生物网Fig.1 Ballast water sampling device and plankton net

试验过程中改变进水流速(0.88、1.77和2.65 m/s)，浮游生物浓度(不小于50 μm：500 cells/L、750 cells/L、1 000 cells/L；10～50 μm：400 cells/mL、600 cells/mL、800 cells/mL)和浮游生物尺寸(50～80 μm、80～200 μm)3个影响因素，将试验海水分别通过孔径为50 μm的不锈钢网和筛绢网，分别测定不同浮游生物网收集和过滤后水样中不小于50 μm和10～50 μm的浮游生物数量，计算得到不同浮游生物网对不小于50 μm和10～50 μm浮游生物的收集率与透过率。

1.2 对于不小于50 μm浮游生物的测定

称取一定量的中性红颗粒，溶于去离子水配制成浓度为0.01 g/mL的中性红原液。向100 mL样品中加入0.15 mL中性红原液，染色15 min，再加入甲醛(3～5%)进行保存。样品鉴定时，向样品中加入稀盐酸调至pH<7，利用5 mL浮游生物计数框在体式显微镜下对全体积样品进行测定，对显红色的生物体进行计数。

1.3 对于10～50 μm浮游生物的测定

采用FDA-CMFDA双荧光染色法测定。称取适量FDA(二乙酸荧光素)和CMFDA(5-氯甲基荧光素二醋酸酯)分别溶于二甲基亚砜配制成浓度为500 μmol/L和250 μmol/L的储存液，加入到水样中进行染色，染色时FDA和CMFDA终浓度分别为5 μmol/L和2.5 μmol/L。避光染色10 min后，采用1 mL浮游生物计数框在荧光显微镜的蓝光激发下进行镜检，镜检时间不可超过20 min，对显绿色的生物体进行计数，为10～50 μm浮游生物数量。

1.4 对浮游生物收集率和透过率的测定

将浮游生物网收集和过滤后水样中的浮游生物数量与压载水原水中浮游生物数量进行对比，用来反映浮游生物网对浮游生物的收集和透过能力，即为浮游生物收集率η1和透过率η2为：

η1=Nc/N0

(1)

η2=Nt/N0

(2)

式中：Nc为浮游生物网收集的浮游生物数量；Nt为浮游生物网过滤后水样中的浮游生物数量；N0为原压载水中浮游生物数量。

1.5 经验积累期压载水实船数据收集及分析研究

压载水实船取样试验在山东省青岛市董家口港停靠的内河船舶上进行。试验利用孔径为50 μm的不锈钢网和筛绢网对压载水中不小于50 μm浮游生物进行取样，通过实船取样进一步印证前期研究的取样设备，同时考察压载水取样位置对压载水检测结果的影响。

2 结果与讨论

2.1 取样流速对浮游生物网取样效能的影响

试验中选定不小于50 μm和10～50 μm的浮游生物浓度分别为500 cells/L(50～80 μm浮游生物和80～200 μm浮游生物约各占50%)和400 cells/mL，原水水量为100 L。不同进水流速条件下(0.88、1.77和2.65 m/s)，孔径为50 μm的不锈钢网和筛绢网对不小于50 μm浮游生物收集率和透过率的效果，如图2所示。随着压载水流速的增大，不锈钢网和筛绢网对不小于50 μm浮游生物的收集率越小，透过率越大。试验过程中，不锈钢网的收集率在60%～66%，透过率在20%～31%；筛绢网的收集率在50%～55%，透过率在32%～40%。由此可见，不锈钢网的收集率比筛绢网要大，透过率比筛绢网要小，这主要是由于随着压载水流速的增大，浮游生物在滤网网孔附近会产生明显的挤压现象，而筛绢网较不锈钢网具有较高的弹性，使得一些浮游生物通过挤压更容易穿过筛绢网。因此，在进行实船压载水取不小于50 μm浮游生物时，应使用较小弹性材质的浮游生物网进行收集，同时在压载水取样合理范围内，应尽量降低压载水取样流速(如小于0.88 m/s)，从而提高不小于50 μm浮游生物的收集率。

图2 取样流速对2种浮游生物网取样效能的影响(不小于50 μm浮游生物)Fig.2 Effect of sampling flow on sampling efficiency of two plankton nets (≥50 μm plankton)

不同进水流速条件下(0.88、1.77和2.65 m/s)，孔径为50 μm的不锈钢网和筛绢网对10～50 μm浮游生物收集率和透过率的效果，如图3所示。不锈钢网的收集率在9%～13%，透过率在67%～74%；筛绢网的收集率在4%～7%，透过率在73%～78%。可以看出孔径为50 μm的不锈钢网和筛绢网也会对10～50 μm的浮游生物产生一定的收集效果。由于大量浮游生物聚集在滤网附近时，可能发生一定的网孔堵塞现象，导致部分10～50 μm浮游生物无法透过滤网。因此，就现有主流滤网取样装置，在进行实船压载水采集10～50 μm浮游生物时，应避免采集50 μm浮游生物网过滤后的水样作为样本，以减少10～50 μm浮游生物的损失。

图3 取样流速对2种浮游生物网取样效能的影响(10～50 μm浮游生物)Fig.3 Effect of sampling flow on sampling efficiency of two plankton nets (10～50 μm plankton)

2.2 浮游生物浓度对浮游生物网取样效能的影响

试验中选定进水流速为0.88 m/s，原水水量为100 L，考察不小于50 μm浮游生物的浓度(500 cells/L、750 cells/L和1 000 cells/L)对浮游生物网取样效能的影响。图4为不锈钢网和筛绢网对不同浓度的不小于50 μm浮游生物的收集率和透过率。如图可知，在原水水量和进水流速不变的情况下，不小于50 μm浮游生物的浓度越高，不锈钢网和筛绢网对其收集率越高，透过率越低。具体上，不锈钢网对不小于50 μm浮游生物的收集率为65%～74%，透过率为16%～21%；筛绢网的收集率为54%～61%，透过率为30%～33%。与筛绢网相比，不锈钢网对不同浓度不小于50 μm浮游生物的收集率更高，效果更好。这可能是由于随着浮游生物浓度的提高，大量浮游生物在滤网表面聚集和积累，导致网孔发生堵塞现象，这在一定程度上也提高了浮游生物网的收集率。而筛绢网由于弹性材质的影响，网孔和浮游生物可通过挤压变形，使得部分浮游生物透过了滤网，而不锈钢网在过滤过程中则不会发生网孔变形，因此不锈钢网对浮游生物的收集率高于筛绢网。

图4 浮游生物浓度对2种浮游生物网取样效能的影响 (不小于50 μm浮游生物)Fig.4 Effect of plankton concentration on sampling efficiency of two plankton nets (≥50 μm plankton)

图5为不锈钢网和筛绢网对不同浓度10～50 μm浮游生物的收集率和透过率。结果显示，2种浮游生物网的收集率亦随浮游生物浓度的升高而提高，透过率随浮游生物浓度的升高而减小。不锈钢网对10～50 μm浮游生物的收集率为12%～20%，透过率为63%～68%；筛绢网的收集率为6%～10%，透过率为73%～76%。不锈钢网对10～50 μm浮游生物的收集率高于筛绢网，透过率低于筛绢网。2种材质的50 μm浮游生物网均会对10～50 μm的浮游生物产生一定的拦截作用。

图5 浮游生物浓度对2种浮游生物网取样效能的影响 (10～50 μm浮游生物)Fig.5 Effect of plankton concentration on sampling efficiency of two plankton nets (10～50 μm plankton)

2.3 浮游生物尺寸对浮游生物网取样效能的影响

试验中选定进水流速为0.88 m/s，原水水量为100 L，考察2种浮游生物尺寸(80～200 μm和50～80 μm)对浮游生物网取样效能的影响。图6为不锈钢网和筛绢网对50～80 μm和80～200 μm的2种尺寸浮游生物的收集率和透过率。不锈钢网和筛绢网对80～200 μm浮游生物的收集率分别为85.6%和83.8%，两者相差不大。在过滤后的水样中均未检测出80～200 μm的浮游生物。而对于50～80 μm的浮游生物，不锈钢网的收集率仍然高于筛绢网，透过率比筛绢网低。具体上，不锈钢网对50～80 μm浮游生物的收集率为46.7%，透过率为26.5%；筛绢网对50～80 μm浮游生物的收集率为38.6%，透过率为36.7%。孔径为50 μm的不锈钢网和筛绢网对50～80 μm浮游生物的采集效果明显不如80～200 μm浮游生物的采集效果。因此在不造成大量网孔堵塞，影响取样速度的前提下，可尽量降低浮游生物网的网孔尺寸来进行不小于50 μm浮游生物的采集。

图6 浮游生物网对不同尺寸浮游生物的收集率和透过率Fig.6 Collection rate and transmission rate of plankton net to plankton of different sizes

2.4 经验积累期船舶压载水实船数据收集及分析

共有9条船舶参与本次调研，试验利用孔径为50 μm的不锈钢网和筛绢网分别在人孔、消防管和排放口对压载水中不小于50 μm浮游生物进行取样，而10～50 μm浮游生物不经过滤网采样，具体的实船取样检测结果如表1所示。

表1 实船取样分析检测结果表Table 1 Results of sampling analysis and test of real ship

1) 不同浮游生物网实船压载水取样结果分析。

图7为船舶代号1、4、5的3条船舶，利用孔径为50 μm的不锈钢网和筛绢网对压载水中不小于50 μm浮游生物的取样检测结果。

图7 实船压载水中不小于50 μm浮游生物数量Fig.7 The number of plankton ≥50 μm in the ballast water of the ship

经不锈钢网采集的3条船舶，对不小于50 μm浮游生物的收集数量均高于筛绢网，且不锈钢网的收集率较筛绢网分别高出10.6%、8.2%和11.7%，这和前文得到的实验结果相吻合，不锈钢网的收集率好于筛绢网。在实船取样过程中，一方面不锈钢网的收集率好于筛绢网，另一方面不锈钢网较筛绢网相比，材料结实，不易破损，更容易保存，因此推荐不锈钢网作为实船压载水的取样工具。

2) 取样位置对压载水检测结果的影响。

从取样位置来看，不同取样位置采集的水样，其结果存在较大差异。本次实船取样主要有3个位置，分别是消防管道、人孔以及排放口。船舶代号2、3、7，3条船舶的压载水取自消防管道，其10～50 μm浮游生物数量均小于10 cells/mL。这可能是由于消防管道里原有的消防水稀释了排出的压载水，导致采集的压载水中浮游生物数量偏低。船舶代号4的压载水为正在排入海中的压载水，其结果最能直接反应实际排放物中各种生物的浓度。其中不仅检测到了不小于50 μm的浮游动物，而且10～50 μm浮游植物数量也超过30 cells/mL。其余通过人孔采集压载水的船舶，10～50 μm浮游生物指标均大于10 cells/mL。实验结果表明，从消防管路采集的水样中10～50 μm浮游生物数量少于人孔及排放管，因此消防管道取样易造成检测结果失真。

3 结论

1) 由于筛绢网的弹性材质影响，导致在进水流速和浮游生物浓度增加，以及浮游生物尺寸变化的条件下，易发生网孔及浮游生物的挤压变形现象，致使其对不小于50 μm浮游生物的收集率低于不锈钢网，而透过率高于不锈钢网。因此，在收集不小于50 μm浮游生物的过程中应选择较小弹性材质的不锈钢网作为取样网，同时在合理范围内尽量降低实船压载水取样流速和浮游生物网网孔尺寸，从而提高不小于50 μm浮游生物的收集率。

2) 就现有主流滤网取样装置而言，在实船收集10～50 μm浮游生物时，应从原水中直接取样，不应取浮游生物网过滤后的水样作为样本，防止10～50 μm浮游生物在通过孔径为50 μm的浮游生物网时造成损失，出现误差。

3) 实船试验过程中，经不锈钢网采集的3条船舶，对不小于50 μm浮游生物的收集数量均高于筛绢网，且不锈钢网材料结实，不易破损，因此推荐不锈钢网作为实船压载水的取样工具。从取样位置上，由于消防管道中残留的消防水会稀释压载水，造成消防管道所取样本中10～50 μm浮游生物数量显著低于人孔以及排放口，因此消防管道取样易造成检测结果失真。

4)本文有助于提高交通部海事局执法能力，推动压载水公约的顺利实施，提升我国在国际压载水事务中的话语权。