溫度和處理時間對超聲波干擾淡水藻類的影響研究

魏志瑩，楊秀雯，宋金諾，葉愉群，陳立斌

(長江大學 資源與環(huán)境學院，湖北 武漢 430100)

1 引言

隨著人口的增加，工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，人類活動對水生態(tài)系統(tǒng)的影響日益增加[1]。藻類爆發(fā)，使得水質(zhì)變得渾濁，透明度降低，水體感官性能大大下降，有些藻類還會散發(fā)腥臭異味，造成魚類等水生生物死亡[2，3]，此外，藻類還會影響水廠的正常運行，有些藻類及其代謝產(chǎn)物是消毒副產(chǎn)物的前體物，經(jīng)消毒后會生成“三致”物質(zhì)，嚴重影響了飲用水的衛(wèi)生安全，許多藍綠藻產(chǎn)生一系列的毒素會損害人體的神經(jīng)系統(tǒng)，還會導致腹瀉、嘔吐等，并能引發(fā)肝癌，對人類的健康有著極大的威脅[4]。

目前,國內(nèi)外針對水體藻類的治理開展了多方面的工作,常用的除藻方法有物理除藻法(機械打撈、超聲輻射等)[5，8，9]、化學除藻法[6，8，9]、生物控藻法[7，9]?；瘜W除藻法雖簡便易行、省時省力,但不能從根本上改善水質(zhì),還會對環(huán)境產(chǎn)生二次污染[10]；生物法雖具有較好的綜合效益，但是高效的生物技術(shù)仍有待開發(fā)[11]。而超聲波除藻技術(shù)被認為是一種環(huán)境友好型技術(shù)[12]，并且在除藻方面的應用逐漸得到重視[13]。研究表明：超聲波在水體中傳播時，由于超聲振動帶來的介質(zhì)的交替壓縮和伸張會產(chǎn)生正壓和負壓，對水體中的各個介質(zhì)產(chǎn)生作用，水體中的微氣泡產(chǎn)生振動，形成空化作用,空化作用發(fā)生后，空化氣泡在破裂過程中產(chǎn)生的高速射流、強烈沖擊波以及剪切力等作用力導致藻細胞，特別是藻類的氣囊結(jié)構(gòu)被劇烈的破壞[14，15],所以超聲波作用可以很好的抑制藻細胞分裂，甚至使細胞破裂死亡，從而抑制藻細胞的生長,且超聲波作用具有反應過程溫和、速度快、無二次污染、高效等優(yōu)點[16，17，18]。

Zhang[19]等研究了不同吸光度和低超聲波強度下的除藻效果，發(fā)現(xiàn)在吸光度0.32 W/mL和低超聲波強度為25 kHz的條件下，處理銅綠假單胞菌5 min，銅綠假單胞菌葉綠素a濃度降低21.3%，PC吸光度降低44.8%；Tang[20]研究了在高超聲波頻率和低強度下的最佳除藻條件，發(fā)現(xiàn)在高超聲波頻率1.7 MHz和低強度0.6 W/cm2處理螺旋藻條件下，至少照射5 min為有效抑制的必要條件；邵路路[21]研究了不同溫度對低強度超聲波除藻的影響。前人主要通過改變超聲波強度和溫度來探討最佳除藻條件，但是對超聲波除藻的最佳除藻周期鮮有探討。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上討論超聲波在不同溫度和處理時間下對小球藻的去除作用，并進一步探明超聲波處理后，藻類繼續(xù)培養(yǎng)多長時間會重新增長，以找出用超聲波處理的最佳除藻周期，為超聲波除藻技術(shù)的應用提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)資料。

2 材料與方法

2.1 實驗材料與儀器

(1) 材料：小球藻，BG11培養(yǎng)基(由中國科學院淡水藻種庫提供)。

(2) 儀器：BOXUN立式壓力蒸汽滅菌鍋，SW-CJ-1FD單人單面凈化工作臺，顯微鏡，GZX-150BSH-Ⅲ光照培養(yǎng)箱(上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司)，ZY—1006超聲波儀，血球計數(shù)板(上海市求精生化試劑儀器有限公司)。

2.2 藻種培養(yǎng)

取100 mL BG11培養(yǎng)液于三角瓶中，用無菌膜封住瓶口，放入溫度為121 ℃的BOXUN立式壓力蒸汽滅菌鍋中滅菌25 min，然后打開SW—CJ—1FD單人單面凈化工作臺，利用紫外線殺菌30 min，之后在無菌操作臺上進行藻液接種，接種前先用95%的乙醇對手部進行消毒，并將無菌操作臺打開通風，點燃酒精燈，將藻液搖勻并揭開三角瓶上的無菌膜，用移液槍取5 mL 藻液于三角瓶中，再用無菌膜封住瓶口，然后將其放到光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，設(shè)定溫度為250.5 ℃，光照強度2000 lx，光暗比為12∶12，培養(yǎng)小球藻至穩(wěn)定期。

3 實驗過程

本實驗采用的超聲波儀的超聲頻率為40 kHz，超聲功率為360 W，加熱頻率為400 W。通過改變超聲波儀的溫度和作用時間來觀察除藻效果。將超聲波儀的溫度設(shè)定為20 ℃時，設(shè)置超聲波儀作用時間為30 s，1 min，3 min,5 min,7 min,10 min和15 min，取24支玻璃管進行實驗，其中3支為對照組(不進行超聲波處理)，每個相同的處理時間有3組平行實驗；將超聲波儀設(shè)定為30 ℃時，設(shè)置超聲波儀作用時間為1 min，3 min,5 min,7 min和15 min，取18支玻璃管進行實驗，其中3支為對照(不進行超聲波處理)，每個相同的處理時間有3組平行實驗。

從培養(yǎng)箱中取出三角瓶并搖晃，使藻細胞均勻分散于三角瓶中，并于每支玻璃管中裝5mL藻液，然后將其放在超聲波儀的內(nèi)槽中進行振蕩。實驗結(jié)束后，分別用移液槍從每支玻璃管中取出適量藻液于血球計數(shù)板上，將其放在顯微鏡下觀察藻細胞的數(shù)量，然后取平行實驗的平均值作為藻細胞的實驗數(shù)量,計算超聲波儀在不同處理時間下的藻細胞去除率。

將上述處理后的藻液放入光能培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，分別于12 h、4 h、36 h和48 h后觀察藻細胞數(shù)量的變化情況，培養(yǎng)條件與前期藻液培養(yǎng)條件一致。

4 結(jié)果與討論

4.1 20 ℃下超聲波對蛋白核小球藻的處理效果

如圖1所示，以超聲波儀作用不同時間后再培養(yǎng)0 h為對比，觀察超聲波儀在不同的作用時間下，蛋白核小球藻的去除率，如圖所示。藻液經(jīng)過超聲波儀作用不同的時間后，再培養(yǎng)12 h，蛋白核小球藻的去除率都呈上升狀態(tài)，且在此時達到最大去除率，其中超聲波儀作用15 min的去除率最大，為49.67%；培養(yǎng)24 h，蛋白核小球藻的去除率下降，且下降幅度最大，可能的原因是原來未被消滅的藻細胞分裂增長；培養(yǎng)36 h,去除率有微小的增長，可能是由于營養(yǎng)成分的限制，去除率的增長幅度不大；培養(yǎng)48 h，去除率趨近穩(wěn)定。

圖1 處理時間對蛋白核小球藻的去除效果的影響

超聲波儀分別作用30 s和15 min后，再將藻液培養(yǎng)24 h，蛋白核小球藻的去除率比其他作用時間的去除率低，幾乎為零。可能的原因是：超聲波儀只作用30 s，時間過短，以至玻璃管中大量的藻細胞未破裂死亡，并且經(jīng)過24 h的培養(yǎng)，原來未被消滅的藻細胞分裂生長，導致藻細胞的數(shù)量增加，去除率降低；超聲波作用15 min，由于作用時間過長，導致大量藻細胞被消滅，再經(jīng)過24 h的培養(yǎng)，培養(yǎng)液的含量對于剩下未被消滅的藻細胞而言是充足的，因此藻細胞大量增長。

結(jié)果表明：20 ℃時，藻液經(jīng)過超聲波儀作用15 min后，再培養(yǎng)12 h是最佳的除藻條件，并且可知此時最佳除藻周期為12 h。培養(yǎng)時間超過12 h，藻的去除率降低，可能的原因是超聲波作用后還存在一些未被消滅的藻細胞，這些藻細胞在光能培養(yǎng)箱中繼續(xù)增殖，導致藻細胞的數(shù)量增加，去除率下降。

4.2 30 ℃下超聲波對蛋白核小球藻的處理效果

如圖2所示，以超聲波儀處理0 s(不處理)為對比，觀察30 ℃下藻液在超聲波儀作用相同的時間后，再培養(yǎng)不同時間的除藻效果。雖然藻液的培養(yǎng)時間不同，但蛋白核小球藻的去除率整體呈上升趨勢。培養(yǎng)24 h的去除率均高于其他培養(yǎng)時間的去除率，其中超聲波儀作用15 min的去除率最大，為50.49%。培養(yǎng)36 h、48 h的去除率低于培養(yǎng)24 h的去除率，可能的原因是原未被超聲波儀消滅的藻細胞在長時間培養(yǎng)過程中繼續(xù)分裂增長，導致去除率下降。

圖2 培養(yǎng)時間對蛋白核小球藻的去除效果的影響

藻液經(jīng)過超聲波儀作用5 min后，再培養(yǎng)12 h的去除率為0，可能的原因是超聲波儀作用5 min，被去除的藻細胞不多，剩下未被去除的藻細胞經(jīng)過12 h的培養(yǎng)，分裂增長至與最初數(shù)量大致相同。

結(jié)果表明：30 ℃時，藻液經(jīng)過超聲波儀作用15 min后，再培養(yǎng)24 h，有最大的去除率，且此時最佳除藻周期為24 h。培養(yǎng)時間超過24 h則藻的去除率下降，可能的原因是超聲波儀作用后，還存在未被消滅的藻細胞，這些藻細胞在光能培養(yǎng)箱中繼續(xù)分裂增殖，使藻細胞的數(shù)量增加，去除率下降。

由于20 ℃時，藻液在超聲波儀作用30 s和10 min對實驗的整體趨勢并未有明顯的影響，因此，在30 ℃實驗中，為節(jié)省實驗成本，并未對其進行再次進行實驗。

4.3 20 ℃和30 ℃下超聲波對蛋白核小球藻處理效果比較

20 ℃和30 ℃的除藻效果比較如圖3所示。在20 ℃時，藻液經(jīng)過超聲波儀作用不同時間后再培養(yǎng)12 h，此時，超聲波儀作用時間越長，去除率越大；超聲波儀作用30 s至10 min后，再培養(yǎng)36 h，去除率增大；超聲波儀作用15 min后，再培養(yǎng)36 h，去除率下降；藻液經(jīng)過超聲波儀作用不同時間后再培養(yǎng)48 h，隨超聲波儀作用時間的增加，呈穩(wěn)定狀態(tài)。且藻液經(jīng)過超聲波儀作用15 min后，再培養(yǎng)12 h達到最大去除率49.66%。在30 ℃時，超聲波儀作用時間與藻液繼續(xù)培養(yǎng)的時間大致呈正比關(guān)系，此時除藻率呈上升趨勢。 藻液經(jīng)過超聲波儀作用不同時間后再培養(yǎng)48 h，隨超聲波儀作用時間的增加，去除率呈穩(wěn)定上升狀態(tài)。且藻液經(jīng)過超聲波儀處理15 min后，再培養(yǎng)24 h達到最大去除率50.49%。

圖3 溫度對超聲波除藻效果的影響

結(jié)果表明：用超聲波儀進行除藻后，再將藻液培養(yǎng)12 h，20 ℃的除藻效果均優(yōu)于30℃的除藻效果；培養(yǎng)24 h時，30 ℃的除藻效果均優(yōu)于20 ℃的除藻效果。在20 ℃與30 ℃均在最優(yōu)條件下時，溫度為30 ℃，超聲頻率為40 kHz,超聲波儀處理15 min后再培養(yǎng)24 h的除藻率最高，為50.49%。因此，對20 ℃和30 ℃,超聲頻率為40 kHz下，超聲波對蛋白核小球藻處理效果比較時，應考慮培養(yǎng)時間的影響。

5 結(jié)語

超聲波除藻技術(shù)可以有效去除藻類，并且通過實驗探討超聲波儀的超聲頻率為40 kHz下，溫度分別為20 ℃和30 ℃時，超聲波作用不同時間對除藻效率的影響。結(jié)果表明:在最優(yōu)條件下，30 ℃的最佳除藻效率優(yōu)于20 ℃的除藻效率，即在超聲頻率為40 kHz，30 ℃時超聲波儀作用15 min，藻類的去除效率最佳，此時最佳除藻周期為24 h，而在20 ℃時最佳的除藻周期為12 h。