來源：奧尼卡水處理創新中心（微信號：Organica_Water）

 

去年年底，老頭子David Attenborough攜手BBC為我們獻上了年度巨作——《藍色星球2》。

《藍色星球2》封面 | 圖源：Amazon

在這出美輪美奐的紀錄片里，小編認識了許多匪夷所思的新物種。其中有一個外貌獨特的海洋動物讓小編印象深刻，它叫Manta Ray，中文名字是蝠鲼。請原諒小編的孤陋寡聞，在此之前小編真的沒聽過這個神奇的動物。

一只在游泳的蝠鲼 | 圖源：theatlantic.com

也許有讀者問，這不就是“魔鬼魚”嗎？實不相瞞，小編對此一知半解。對于這些專業的討論，小編找來了一篇來自公眾號“NBDIVE”的推文《愛Manta,就來了解它！》，里邊的作者基本上將小編講不清的蝠鲼分類都說清楚了。

小編今天之所以要談蝠鲼，是因為它也許能解決水處理界的過濾技術的老大難問題——濾孔堵塞。

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魔鬼魚啟發人類發明新過濾膜？

所謂“存在即合理”，有研究表明蝠鲼是長壽的動物，最多能活超過100年。其翼式體型以及將呼吸和進食合二為一的濾食方式，顯示了它物種進化的先進性。蝠鲼覓食的時候，會張開它巨大的嘴巴，海水流進它們的大嘴巴，經過五對鰓弓(gill arches)上的鰓耙(gill rakers)的過濾，把小小的浮游生物留下，其余的海水又會從鰓裂(gill slits)流走。

蝠鲼的鰓弓 | 圖源：STEVE KAJIURA/theatlantic.com

鰓裂

神奇的過濾系統

現在就職于加州州立大學富爾頓分校（California State University at Fullerton) 的Misty Paig-Tran早在十年前就開始研究蝠鲼了。最初她想知道蝠鲼在游泳的同時都會做什么。她想過往它們嘴里放個攝像機，但這并不奏效。“蝠鲼非常的靈活和聰明，”她說，“它們是腦袋和身型比最大的魚類，而且它們不喜歡被打擾。”鍥而不舍的她去過三個不同的自然歷史博物館去查看蝠鲼標本，她和她的同事尤其想知道蝠鲼截留食物的特殊部位的構造。

她和另外兩位研究者將研究成果發表在9月份的Science Advances上。他們表示，蝠鲼這種“新穎”的濾食方式，可能是開發更好的工業過濾系統的關鍵。

《蝠鲼彈跳分離的覓食方式-新型防堵塞的過濾機制》 | 圖源：Science Advances

“篩網是最常見的過濾器類型。流體中粒徑大于篩網孔徑的顆粒被過濾膜截留。”這個研究報告的共同作者，俄勒岡州立大學的生物學助理教授Jim Strother解釋過濾的一般原理。

這些篩網過濾器包括從廚房的瀝水盆到生產超純水的膜過濾器的各種過濾系統，同時也包括HVAC系統的纖維空氣過濾器，以及用于無袋真空吸塵器的旋風過濾等。“不管這些過濾器用途如何，它們的基本機制大都相同。”Strother說。

大家都知道，各種顆粒最終會把濾網堵住，所以需要經常對其進行更換或者清潔。但蝠鲼的過濾機制很不一樣：它們雖然每天都過濾著海水，但看起來從沒有堵塞的困擾，但它們也并沒有特殊的”反洗裝置“的。它們的濾食系統有何神奇之處呢？

Paig-Tran開始的假設是當水在離開鰓之前先從鰓耙流過。一部分水被導流到這些長得像多米諾骨牌之間的狹窄縫隙中，浮游生物被截留在那些縫隙空隙里。但是由于鰓耙子的巧妙角度，后續的進流也將這些被截留的浮游生物掃進蝠鲼的喉嚨。用行話說，這叫交叉流過濾（cross-flow filtration），而通俗點說，這是個可以自我疏通的篩子。

Manta birostris （遠洋蝠鲼）的鰓耙 | 圖源：Misty Paig-Tran)

但在Paig-Tran和她的學生Raj Divi以遠洋蝠鲼（Manta birostris）的鰓耙作為原型創建了一個3D打印的模型進行模擬實驗之后，之前的假設就被推翻了。當他們把3D模型放到裝有小蝦卵的水通道后，他們觀察到它可以過濾小于多米諾骨牌間隙的顆粒 - 這是他們意料之外的“特技”。

模擬蝠鲼鰓耙過濾的GIF圖 | 圖源：James Strother

為了更好地跟蹤水流路徑以及個中顆粒的運動情況，該團隊在水流里加入染料進行觀察。他們注意到當水撞到每個多米諾骨牌的前端時，它會形成一個旋渦，就像下面視頻展示的那樣：

當食物顆粒遇到這些漩渦時，它們會加速。 速度的提升使它們不會滑落到縫隙中。 相反，他們反復地從一塊多米諾骨牌跳到下一個的頂部，Paig-Tran將這種現象稱為“跳彈分離（ricochet separation）”。這很好地解釋了為什么蝠鲼“吃飯不塞牙”——當它們高速游動、張開嘴巴的時候，鰓耙可以自動從水流中提取固體食物，并完成自我清洗。

仿生學應用

"這個報告理清了蝠鲼的過濾機理。下一步我們將嘗試將它應用到工程系統中。" Strother教授說，“未來其中一個方向就是將它用在污水處理上。”

目前，Paig-Tran和她的團隊正在開發基于蝠鲼鰓結構的過濾器，并已注冊了臨時專利。她和俄亥俄托萊多的同事一起合作，希望可以開發一個去處淡水中的有毒藻類的系統。另外她也想將這種過濾原理應用到微塑料的去除上。

盡管大致原理搞懂了，但顯然離第一款工程應用的原型還有好長的路要走。祝Paig-Tran和她的團隊早日成功。

想了解更多信息的話，可以復制粘貼以下鏈接下載原文

http://advances.sciencemag.org/content/advances/4/9/eaat9533.full.pdf

參考資料

1.https://www.amazon.com/Blue-Planet-II/dp/B078SXQN39

2.https://www.theatlantic.com/science/archive/2018/08/ocean-protections-can-trigger-preemptive-fishing-frenzies/568747/

3.https://phys.org/news/2018-09-manta-rays-food-capturing-mechanism-key.html

4.https://www.sciencenews.org/article/manta-rays-have-unusual-mouth-filter-resists-clogging

5.http://advances.sciencemag.org/content/4/9/eaat9533

6.http://www.pnas.org/content/114/36/9510

【奧尼卡水處理創新中心】

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