低強(qiáng)度超聲波對(duì)銅綠微囊藻的抑制及對(duì)漁業(yè)環(huán)境安全性影響的研究

邵澤宇，陸開宏，謝吉國(guó)，楊顯祥，董小敬，杜雪地，王曙光，吳飛

（1.揚(yáng)州市水產(chǎn)生產(chǎn)技術(shù)指導(dǎo)站，江蘇 揚(yáng)州 225000；2.寧波市海洋與漁業(yè)局，浙江 寧波 315000；3.北京市大興區(qū)水產(chǎn)技術(shù)推廣站，北京 102600；4.揚(yáng)州大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225000）

銅綠微囊藻Microcystis aeruginosa 是養(yǎng)殖水體中極具代表性的水華藍(lán)藻，它在漁業(yè)養(yǎng)殖水體中經(jīng)常反復(fù)出現(xiàn)，向水體中釋放藻毒素，危害養(yǎng)殖對(duì)象的健康，降低了養(yǎng)殖產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì)。傳統(tǒng)的治理方法難以既有效控制藍(lán)藻在漁業(yè)養(yǎng)殖水體中生長(zhǎng)，又不影響?zhàn)B殖對(duì)象的生長(zhǎng)和存活。近些年來，有關(guān)超聲波控制藻類生長(zhǎng)的研究開始受到關(guān)注[1-6]。研究顯示，超聲波可以控制藻類生長(zhǎng)[7]，抑制藻細(xì)胞藻釋放毒素[8,9]。還有研究表明：低功率超聲波會(huì)降低藻毒素釋放的風(fēng)險(xiǎn)[10]，可以破壞微囊藻偽空泡使藻細(xì)胞下沉[11,12]，降低其光合作用，也不會(huì)因藻細(xì)胞突然破裂而向水體中釋放藻毒素[13]。以往的超聲波控制藻類生長(zhǎng)試驗(yàn)大都在較高能量下進(jìn)行[9,14，15]，高強(qiáng)度的超聲波雖然控制藻類生長(zhǎng)效果顯著，但在實(shí)際應(yīng)用中存在成本高和影響漁業(yè)環(huán)境安全等問題[16]。有關(guān)超聲波對(duì)水生生物健康安全的影響研究非常匱乏。本試驗(yàn)研究了低功率超聲波控藻裝置對(duì)兩種產(chǎn)毒株系銅綠微囊藻的作用，同時(shí)研究了超聲波對(duì)1 種浮游動(dòng)物、2 種水生植物以及3 種水生動(dòng)物的健康安全的影響。

1 材料與方法

1.1 材料

本試驗(yàn)選用低功率超聲波發(fā)射裝置（Poolsonic，功率40 W，比利時(shí)產(chǎn)）。超聲波控藻試驗(yàn)中的銅綠微囊藻FACHB-905（產(chǎn)毒較高）和銅綠微囊藻FACHB-924（產(chǎn)毒較低），來自于中國(guó)科學(xué)院藻種庫(kù)。超聲波對(duì)漁業(yè)環(huán)境安全性的影響試驗(yàn)用大型蚤Daphnia magna、銅銹環(huán)棱螺Bellamya aeruginosa、克氏原螯蝦Procambarus clarkia、浮萍Lemna mino、狐尾草Alopecurus pratensis 以及鯽Carassius auratus。

1.2 方法

試驗(yàn)在高度為53 cm，底部和頂部直徑分別為36 cm 和48 cm 中的聚乙烯筒內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)組和對(duì)照組兩桶內(nèi)注入過濾后曝氣3 d 的自來水60 L（圖1），試驗(yàn)組筒內(nèi)除了固定于筒底部中間位置發(fā)射探頭朝上的超聲波發(fā)射探頭，其他試驗(yàn)條件和對(duì)照組一樣。由于超聲波具有很強(qiáng)的穿透能力，在固體和液體中傳播時(shí)，能量衰減很小[17]，所以試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案為：玻璃容器懸浮于水面，距離超聲波發(fā)射探頭30 cm，銅綠微囊藻培養(yǎng)在三組容量為250 mL;密閉玻璃器皿中，銅綠微囊藻FACHB-924 和銅綠微囊藻FACHB-905 的起始OD560分別為0.305 和0.364。在第0 d、1 d、2 d、4 d、6 d 和8 d 時(shí)測(cè)量?jī)煞N不同株系銅綠微囊藻的懸浮密度。在試驗(yàn)組和對(duì)照組筒中均飼養(yǎng)了健康的鯽25 條，體長(zhǎng)在10～15 cm 之間，銅銹環(huán)棱螺15 個(gè)（500 mL 燒杯中分三組，每組5個(gè)），螺殼直徑在1～1.5 cm 之間，克氏原螯蝦9 只（1 L 燒杯中分三組，每組3 只），體長(zhǎng)在7～10 cm 之間，每日早、中、晚定時(shí)觀察其存活狀態(tài)。浮游動(dòng)物用大型蚤，試驗(yàn)組和對(duì)照組各設(shè)三組平行，起始平均密度分別為160 ind./L 和137 ind./L，測(cè)量其0～3 d 的分裂數(shù)量。水生植物用長(zhǎng)勢(shì)良好的狐尾草和浮萍，每組設(shè)三個(gè)平行，培養(yǎng)14 d，比較試驗(yàn)組和對(duì)照組試驗(yàn)前后浮萍葉片分裂數(shù)目及狐尾草鮮重、分枝數(shù)目、總長(zhǎng)度以及根須數(shù)目的增加百分比。

圖1 持續(xù)超聲控藻及對(duì)漁業(yè)環(huán)境安全性影響的試驗(yàn)效果圖Fig.1 Experimental effect diagram of continuous ultrasonic wave on alga control and its risks to fishery environment

本試驗(yàn)采用超聲波自下而上的發(fā)射方式，把超聲波能量充分集中于水面，使超聲波能量最大限度作用于懸浮在在水體中層和表層的銅綠微囊藻以及其他水生生物。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用SPSS 17.0 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行獨(dú)立樣本T 檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析，P＜0.05 為差異顯著，用中文Microsoft 的Word 和Excel 制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲波對(duì)兩種株系銅綠微囊藻的抑制

對(duì)兩株系銅綠微囊藻持續(xù)8 d 的超聲波輻射處理表明（圖2、圖3），超聲波較好地抑制了這兩種株系銅綠微囊藻，試驗(yàn)組和對(duì)照組的懸浮藻細(xì)胞生物總量差異顯著（P＜0.05，n=3），兩個(gè)超聲輻射組的懸浮藻細(xì)胞生物總量分別為對(duì)照組的9.71%、19.73%，與初始值比較，兩個(gè)超聲輻射組的懸浮藻細(xì)胞生物總量分別下降了89.01%和83.05%。這說明低強(qiáng)度超聲波輻射能有效損壞絕大部分懸浮銅綠微囊藻中的氣囊結(jié)構(gòu)，使其緩慢沉降到水體底部自然消解掉，而不至于突然破裂釋放藻毒素產(chǎn)生二次污染，影響?zhàn)B殖水體的安全性。

圖2 超聲波對(duì)水體中懸浮銅綠微囊藻FACHB-905 密度的影響（8 d）Fig.2 Effect of ultrasonic wave on the density of suspended bluegreen alga M.aeruginosa FACHB-905（8 d）

圖3 超聲波對(duì)水體中懸浮銅綠微囊藻FACHB-924 密度的影響（8 d）Fig.3 Effect of ultrasonic wave on the density of suspended bluegreen alga M.aeruginosa FACHB-924（8 d）

2.2 超聲波對(duì)大型蚤、水生動(dòng)物和水生植物的影響

大型蚤在經(jīng)3 d 超聲波輻射處理后（圖4）運(yùn)動(dòng)活躍，生長(zhǎng)良好，超聲波處理組和對(duì)照組大型蚤種群密度分別為初始值的5.23 倍和5.46 倍，說明在此強(qiáng)度30 cm 以外的范圍，超聲波對(duì)大型蚤的生長(zhǎng)和增殖不會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。

圖4 超聲波對(duì)大型蚤生長(zhǎng)的影響（3 d）Fig.4 Effects of ultrasonic wave on growth of water fleas D.magna（3 d）

在超聲波持續(xù)輻射14 d 后，銅銹環(huán)棱螺數(shù)目試驗(yàn)組較對(duì)照組略有減少（圖5）；克氏原螯蝦數(shù)目對(duì)照組較試驗(yàn)組有所減少，浮萍葉片數(shù)目試驗(yàn)組較對(duì)照組有所增加。圖5 中縱坐標(biāo)C14/C0表示第14 d 的數(shù)量和初始數(shù)量的比值。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，超聲波輻射組和對(duì)照組之間沒有顯著差異（P＞0.05，n=3），說明低強(qiáng)度的超聲波輻射不顯著影響銅銹環(huán)棱螺和克氏原螯蝦的存活及浮萍葉片的增殖。

圖5 超聲波對(duì)銅銹環(huán)棱螺、克氏原螯蝦和浮萍的生長(zhǎng)影響（14 d）Fig.5 Effects of ultrasonic on wave on growth of snail B..aeruginosa,red swamp crayfish P.clarkii and duckweed L.mino（14 d）

圖6 超聲波對(duì)狐尾草生長(zhǎng)的影響（14 d）Fig.6 Effects of ultrasonic wave on growth of foxtail grass A.pratensis（14 d）

經(jīng)過14 d 的持續(xù)超聲波輻射后（圖6），試驗(yàn)組水生植物狐尾草的分枝數(shù)目、整體長(zhǎng)度的增加百分比（7.09%、37.13%）略小于對(duì)照組（7.85%、38.05%），狐尾草的濕重、根須增加百分比（17.11%、43.49%）明顯大于對(duì)照組（12.33%、34.97%）。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，超聲波輻射組和對(duì)照組之間沒有顯著差異（P＞0.05，n=3），說明低強(qiáng)度超聲波輻射對(duì)水生植物狐尾草的生長(zhǎng)沒有顯著影響。

本試驗(yàn)中，試驗(yàn)組的25 尾鯽2 周內(nèi)全部健康存活，且能在超聲波發(fā)射裝置上方水體正常游動(dòng)和攝食，與對(duì)照組的鯽存活狀況一致。這表明低強(qiáng)度超聲波輻射不會(huì)對(duì)魚類的健康存活產(chǎn)生顯著影響，具有較高的安全性，可應(yīng)用于銅綠微囊藻爆發(fā)的漁業(yè)養(yǎng)殖水體。

3 討論

高能量的超聲波輻射雖然在較短時(shí)間內(nèi)可以迅速殺滅藻細(xì)胞，但因其對(duì)藻細(xì)胞的能量輻射過于強(qiáng)烈，會(huì)導(dǎo)致藻細(xì)胞壁突然破裂而釋放出細(xì)胞內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和次級(jí)代謝產(chǎn)物[18]，進(jìn)入水體中產(chǎn)生二次污染。高能量的超聲波輻射存在著耗能高和危害水生生物安全等弊端[16]。本研究選用低強(qiáng)度超聲波（40 W）輻射2 種不同株系的銅綠微囊藻，具有顯著的抑制效果，至試驗(yàn)結(jié)束時(shí)超聲波輻射組玻璃器皿中水體清澈，水體底部沉淀了較厚一層的銅綠微囊藻細(xì)胞。顯微觀察發(fā)現(xiàn)，沉降至水體底部的銅綠微囊藻細(xì)胞未破損，且存在一定活力，而對(duì)照組水體中銅綠微囊藻均勻分布呈濃綠色，未見藻細(xì)胞在玻璃器皿底部的沉淀。試驗(yàn)表明：低強(qiáng)度的超聲波對(duì)具有氣囊結(jié)構(gòu)的銅綠微囊藻有很好的控制效果[19]，原因是超聲波輻射破壞了藻細(xì)胞內(nèi)的氣囊結(jié)構(gòu)[20]，使其失去懸浮功能沉降至水體底部，沉降至水體底部的銅綠微囊藻仍然可存活較長(zhǎng)時(shí)間后而逐漸消亡，而不至于突然破裂釋放次級(jí)代謝產(chǎn)物，對(duì)水環(huán)境不會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響，說明低強(qiáng)度超聲波輻射能夠?qū)σ糟~綠微囊藻為優(yōu)勢(shì)種的藍(lán)藻水華有較好的抑制效果和安全性。本試驗(yàn)結(jié)果同時(shí)顯示，試驗(yàn)周期內(nèi)持續(xù)低強(qiáng)度超聲波輻射對(duì)1 種浮游動(dòng)物（大型蚤）、3 種水生動(dòng)物（克氏原螯蝦、銅銹環(huán)棱螺、鯽）、2 種水生植物（浮萍、狐尾草）的存活無顯著影響，顯示出了良好的漁業(yè)環(huán)境安全性，表明低強(qiáng)度超聲波不會(huì)影響浮游動(dòng)物、水生動(dòng)物和水生植物的生長(zhǎng)安全，與Rajasekhar 等[11,13]的部分研究結(jié)果相近，驗(yàn)證了低強(qiáng)度超聲波控藻技術(shù)是一種可安全應(yīng)用于漁業(yè)養(yǎng)殖水體的物理控藻技術(shù)。

傳統(tǒng)的超聲波控藻試驗(yàn)中普遍采用超聲波與水平面平行傳播的模式，其弊端一是超聲波的能量利用不充分，造成能量損耗；二是控藻速率追趕不上未被超聲波輻照破壞氣囊結(jié)構(gòu)繼續(xù)懸浮于水體中藻細(xì)胞的繁殖速率，將達(dá)不到治理以銅綠微囊藻為優(yōu)勢(shì)種的藍(lán)藻水華的理想效果。本試驗(yàn)研究的創(chuàng)新點(diǎn)是超聲輻射探頭采用了自下而上的發(fā)射方式，可以使超聲波能量充分集中于水體和水面，最大限度的作用于懸浮于水體中的銅綠微囊藻。

小結(jié)

低強(qiáng)度超聲波（40 W）對(duì)銅綠微囊藻抑制顯著，對(duì)浮游動(dòng)物、水生動(dòng)物和水生植物的生物安全性沒有顯著的負(fù)面影響。超聲波在漁業(yè)養(yǎng)殖水體中采用自下而上的發(fā)射方式可以充分使超聲能量集中在水體和水面，最大限度地輻射于水體中，尤其是懸浮于水體表層的銅綠微囊藻，使其緩慢沉降至水底部自然消解掉。低強(qiáng)度超聲波在以銅綠微囊藻為優(yōu)勢(shì)種的藍(lán)藻水華的漁業(yè)養(yǎng)殖水體治理中有較為廣闊的應(yīng)用前景。