超声波发射功率对水生生物的影响

李聂贵，郭丽丽，谢红兰，张俊杰

（1. 水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012；2. 水利部水文水资源监控工程技术研究中心，江苏 南京 210012）

超声波发射功率对水生生物的影响

李聂贵1，2，郭丽丽1，2，谢红兰1，张俊杰1

（1. 水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012；2. 水利部水文水资源监控工程技术研究中心，江苏 南京 210012）

超声波发射功率是影响超声波除藻效果的重要参数之一，同时也会影响水生生物的生态安全。为了研究超声波功率对水生生物的影响，试验选取 3 种不同功率（1.5，2.2，50.0 W）的超声波辐射伊乐藻Elodea nuttallii、大型蚤 Daphnia magna 和蒙古裸腹蚤 Moina mongolina、草金鱼 Carassiusauratus 和日本沼虾Macrobranchium nipponense 5 min。测定的指标有大型蚤、蒙古裸腹蚤的个体存活数和伊乐藻、草金鱼、日本沼虾的湿重及超氧化物歧化酶（SOD）活性。试验结果表明：随着超声波功率的增强，大型蚤和蒙古裸腹蚤的死亡个数增多。超声波功率越高，伊乐藻和草金鱼的湿重减少越明显；但超声波功率对日本沼虾湿重的影响不显著。超声波辐射会使伊乐藻和草金鱼的 SOD 酶活性降低，但对日本沼虾的 SOD 酶的活性影响不明显；超声波功率和伊乐藻、草金鱼的 SOD 酶的活性变化并未出现明显的相关性。

超声波；除藻；功率；水生生物；超氧化物歧化酶

超声波可以破坏藻细胞伪空胞的现象[1]启发了人们利用其进行除藻，由于环境友好性，超声波除藻作为一种物理除藻方法得到了广泛的研究与应用。超声波对水生生物的作用主要有机械、热和空化效应[2]。影响超声波对水生生物的主要因素包括功率、频率、作用时间、作用方式等[3]。近年来，为了实现超声波除藻法的大规模应用，有关超声波生态安全性的研究逐渐得到了较多的关注[4-6]。

1915年法国科学家 Langevin 在水中发射超声波检测时，发现超声波对小鱼等水生生物会产生致命效应。路德明等[7]观察到超声波发射频率在 47.6 kHz时对急游虫有明显的杀伤作用，超声波作用 10 min后，活体急游虫明显减少，当超声波作用 30 min后，培养液中无活体急游虫。储昭升等[8]研究发现，低强度（发射功率 20 W）的超声波对水体中浮游动物、鱼类及沉水植物等水生生物不产生明显影响。Zhou 等[9]经过研究发现将青石斑鱼置于频率低于 50 kHz，强度为 400 mW /cm2以下的超声波辐射场

中时，其死亡率很低；而在频率高于 50 kHz 或者

强度为 400 mW /cm2以上时，死亡率较高。方金等[10]研究发现低功率（声强 400 mW/cm2）超声波辐射对江黄颡幼鱼具有促进生长的作用。后来方金等[11]使用不同功率（声强分别为 200，400，600 mW/cm2）超声波对尼罗罗非鱼幼鱼进行辐射，发现声强为200 mW/cm2的超声波会促进罗非鱼幼鱼的生长，而声强为 600 mW/cm2的超声波会对幼鱼的增长有抑制作用。陈廷超等[12]作了超声波对鱼体消化酶活性影响方面的研究，发现 25 kHz 的超声波能明显地影响锦鲤肝、胰脏中消化酶的活性，使淀粉酶活性增高55%，脂肪酶活性提高 5 倍多，而使蛋白酶的活性下降 20%。

可见，超声波是否会对水生生物产生影响受很多因素限制。为了明确超声波发射功率（以下简称功率）大小对水生生物影响的程度，通过研究超声波辐射前后水生生物存活个数或超氧化物歧化酶（SOD）的变化，探求其对水生生物造成的潜在伤害，以期进一步探索超声波除藻的较优功率范围，为今后超声波除藻的参数优化提供理论依据。

1 试验材料和方法

1.1 试验参数

实验选择后生动物大型蚤 Daphnia magna 和蒙古裸腹蚤 Moina mongolina、鱼类草金鱼 Carassiusauratus 沉水植物伊乐藻 Elodea nuttallii、日本沼虾Macrobranchium nipponense 为代表生物。大型蚤、蒙古裸腹蚤和伊乐藻从同行处获得，草金鱼和日本沼虾从市场上购买获得。实验选取了 3 种不同功率（1.5，2.2，50.0 W）、频率均为 35 kHz 的超声波发生器 A，B，C 分别对大型蚤、蒙古裸腹蚤、鱼类、伊乐藻和虾进行了 5 min 的超声辐射。超声辐射时水生生物均放置于 500 mL 的烧杯中。试验分别记录超声波辐射前后水生生物的湿重和 SOD 酶活性（后生动物记录超声辐射前后的存活个数）。草金鱼、伊乐藻、虾对照组和实验组尽量选取体形和重量大致相同的进行试验，以减少试验误差。

1.2 测定指标及方法

1）湿重。拭干生物体表水分后用天平称重。

2）超氧化物歧化酶（SOD）。a. 前处理。伊乐藻：取一定质量的伊乐藻拭干，准确称取伊乐藻植物组织重量，依照重量（g）∶体积（mL）= 1∶4 的比例加入 4 倍体积的匀浆介质（0.1 mol/L pH 7.0～7.4的磷酸盐缓冲液），冰水浴条件下，机械匀浆，制备成 20% 的匀浆液，4 000 r/min 离心 10 min，取上清液进行测定。草金鱼、虾：准确称取草金鱼鱼鳃组织、日本沼虾肌肉组织的重量，依照重量（g）∶体积（mL）=1∶9 的比例加入 9 倍体积的匀浆介质（0.9% 的生理盐水），冰水浴条件下，机械匀浆，制备成 10% 的匀浆液，3 000 r/min 离心 10 min，取上清液进行测定。b. 采用酶试剂盒测定 SOD 酶活力。

2 超声波功率对水生生物的影响

2.1 超声波功率对大型蚤和蒙古裸腹蚤死亡率的影响

超声波功率对大型蚤和蒙古裸腹蚤存活情况的影响结果如图 1 所示，功率较小的超声波发生器 A，B 对大型蚤和蒙古裸腹蚤影响较小，只有少数在超声结束后死亡，且在实验中发现死亡的多为个体体型较小的蒙古裸腹蚤；功率较大的超声波发生器 C对大型蚤和蒙古裸腹蚤的影响很大，经辐射 5 min后，大型蚤和蒙古裸腹蚤全部死亡。

图 1 超声波功率对大型蚤和蒙古裸腹蚤存活情况的影响

2.2 超声波功率对伊乐藻、草金鱼、日本沼虾湿重的影响

经过超声波发生器 A，B，C 辐射 5 min 后伊乐藻湿重的变化如图 2 所示。由图 2 可以看出，低功率的超声波发生器 A（发射功率 1.5 W）对伊乐藻湿重的影响较小，而随着功率的增大，超声波发生器 B（发射功率 2.1 W）和 C（发射功率 50.0 W）辐射前后伊乐藻湿重的变化逐渐增大。其中超声波发生器 C辐射前后伊乐藻湿重降低了 28%。在实验过程中发现功率较大的 C 组的伊乐藻叶片有受到明显损伤，部分叶片呈现透明色，且烧杯中的水变成了绿色，而功率较小的 A，B 2 组的伊乐藻叶片未见明显损伤。

图 2 超声波功率对伊乐藻湿重的影响

经过超声波发生器 A，B，C 辐射 5 min 后草金鱼湿重的变化如图 3 所示。由图 3 可以看出，低功率的超声波发生器 A（发射功率 1.5 W）和 B（发射功率 2.1 W）对草金鱼湿重的影响较小，超声波辐射前后草金鱼的湿重变化很小。在试验过程中也发现草金鱼仍在超声波发生器 A，B 周围游动，未见明显异常。而功率较大的超声波发生器 C（发射功率50.0 W）对草金鱼的影响较大，辐射 5 min 后草金鱼的湿重有明显下降。在试验过程中发现，经超声波发生器 C 辐射时草金鱼出现体表泛白，呈现假死状态等现象，且在试验结束后试验用草金鱼相继死亡。

图 3 超声波功率对草金鱼湿重的影响

经过超声波发生器 A，B，C 辐射 5 min 后日本沼虾湿重的变化如图 4 所示。由图 4 可以看出，经超声发生器 A，B，C 辐射前后日本沼虾的体重变化很小，几乎无影响。在试验过程中也发现超声发生器 A，B 并未对日本沼虾的活动产生影响，而超声发生器 C 辐射日本沼虾时，日本沼虾有出现不规则的运动，但处理结束后日本沼虾恢复正常。

2.3 超声波功率对伊乐藻、草金鱼、日本沼虾SOD 酶活性的影响

经过超声波发生器 A，B，C 辐射 5 min 后伊乐藻 SOD 酶活性的变化如图 5 所示。由图 5 可以看出，在经过了不同功率的超声波辐射后，伊乐藻的SOD 酶活性均有不同程度的降低。经超声波发生器C（发射功率 50.0 W）辐射后伊乐藻的 SOD 酶活性降低的程度要小于超声波发生器 A，B。

图 4 超声波功率日本沼虾湿重的影响

图 5 超声波功率对伊乐藻 SOD 酶活性的影响

经过超声波发生器 A，B，C 辐射 5 min 后草金鱼 SOD 酶活性的变化如图 6 所示。由图 6 可以看出，在经过不同功率的超声波辐射后，草金鱼的SOD 酶活性均有降低，但不同功率的超声波对草金鱼 SOD 酶活的影响差异并不显著。

图 6 超声波功率对草金鱼 SOD 酶活性的影响

经过超声波发生器 A，B，C 辐射 5 min 后日本沼虾 SOD 酶活性的变化如图 7 所示。由图 7 可以看出，在经过不同功率的超声波辐射后，日本沼虾的SOD 酶活性变化不明显。

图 7 超声波功率对日本沼虾 SOD 酶活性的影响

3 结语

3.1 讨论

在本研究选用的功率下，超声波发生器 A（发射功率 1.5 W）和 B（发射功率 2.1 W）对伊乐藻、大型蚤和蒙古裸腹蚤、草金鱼、日本沼虾均未造成明显影响，超声波发生器 C（发射功率 50.0 W）对伊乐藻、大型蚤和蒙古裸腹蚤、草金鱼都造成了不同程度的伤害。试验过程中水生生物置于 500 ml 的烧杯中，不同的超声波发生器 A，B，C 对应的声强分别为 0.024，0.033，0.786 W/cm2。邵路路等[13]的研究发现功率为 40.0 W，声强为 0.022 W/cm2的超声波辐射对大型蚤、浮萍、狐尾草、鲫鱼、铜锈环棱螺、克氏原螯虾的存活无明显影响。储昭升等[8]使用发射功率为 20.0 W，声强为 0.231 W/cm2超声波辐射大草履虫、大型蚤、稀有鮈鲫、蜈蚣草后，均未对其有明显影响。这与本文的研究结果一致。陆宝平等[14]的研究显示使用频率为 20 kHz，声强为0.160 W/cm2的超声波辐射鲫鱼、黑鱼、河虾、螺丝每天 8 h 连续 3 d 后，鲫鱼、黑鱼、河虾、螺丝对超声波辐射无明显反应且基本无死亡。结合他人的研究，可以发现功率并不是决定超声波对水生生物影响的决定性参数，而是声强。

超氧化物歧化酶是一类广泛存在于生物体内的金属酶。能够催化超氧阴离子自由基发生歧化反应，平衡机体内的氧自由基[15]，是膜脂过氧化防御系统的主要抗氧化酶，较高的 SOD 活力是抵抗逆境的生理基础。已有很多学者针对超声波辐射对藻类体内酶活性的影响做了很深入的研究[16-19]，但针对超声波辐射对水生生物体内酶活影响的研究还很少，虽然水生生物并未死亡，但超声波是否对其有慢性损伤仍不得而知。本试验结果表明：伊乐藻SOD 抗氧化酶类的活性 C 组的要高于 A，B 组，说明 C 组的伊乐藻体内的抗氧化系统受到了高功率超声辐射的刺激，抗氧化酶类的活性上升，清除体内产生的过量活性氧和过氧化物自由基，以减轻伊乐藻受到的伤害，这与试验过程中的现象一致。而草金鱼和河虾体内的超氧化物歧化酶的活性并没有与超声功率之间呈现明显的相关关系，这可能是由于高功率的超声辐射使草金鱼出现不可逆的损伤而死亡，而使得 C 组草金鱼的抗氧化物歧化酶的活性降低；另外由于功率高低并未明显影响日本沼虾，因此河虾的超氧化物歧化酶活性并未升高。超声波发生器 C 辐射大型蚤和蒙古裸腹蚤时，水体温度有略微升高，温度的变化可能也是导致大型蚤和蒙古裸腹蚤死亡的一个因素。结合实验过程草金鱼的状态，说明高功率的超声波对草金鱼的伤害更多地表现为物理性的伤害，并未进一步转变到生物性的损伤。高功率的超声辐射对日本沼虾没有影响，可能是节肢动物的硬壳对超声处理的抵抗能力较强，自由基未能穿透进入软组织，伤害不明显，所以处理结束后日本沼虾能恢复正常。

3.2 结果

1）随着超声波功率的增大，大型蚤和蒙古裸腹蚤的死亡个数增多。

2）高功率的超声波辐射伊乐藻和草金鱼时，伊乐藻和草金鱼的体重减少要明显于低功率的超声波辐射；但超声波功率高低对日本沼虾体重的影响不显著。

3）超声波辐射会使得伊乐藻、草金鱼的抗氧化物歧化酶的活性降低，但对日本沼虾的抗氧化物歧化酶的活性影响不显著；超声波功率高低和伊乐藻、草金鱼的抗氧化物歧化酶的活性变化并未出现明显的相关性。

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Effect of ultrasonic output power onaquatic organisms

LI Niegui1,2, GUO Lili1,2, XIE Honglan1, ZHANG Junjie1
(1. Nanjing Automation Institute of Water Conservancyand Hydrology, the Ministry of Water Resources, Nanjing 210012, China; 2. Hydrologyand Water Resources Engineering Research Center for Monitoring, the Ministry of Water Resources, Nanjing 210012, China)

Ultrasonic output power is one of the important parameters inalgae removal efficiency whichaffects the ecological safety ofaquatic organismsas well. To investigate the effect of ultrasonic power onaquatic organisms, three different ultrasonic probes whose powersare 1.5, 2.2, 50.0 W respectivelyare selected to irradiate Elodea nuttallii, Daphnia magnaand Moina mongolina, Carassiusauratus, Macrobranchium nipponense for 5 minutes. The index of determination include individual survival number of Daphnia magnaand Moina mongolina, the wet weightand superoxide dismutase (SOD) of Elodea nuttallii, Carassiusauratusand Macrobranchium nipponense. The results show that: With the increase of the ultrasonic power, the number of Daphnia magnaand Macrobranchium nipponense deaths increases. The higher the ultrasonic power is, the more weight of Elodea nuttalliiand Carassiusauratus loses. However ultrasonic poweraffects weight of Macrobranchium nipponense little. Ultrasonic irradiation makes SODactivity of Elodea nuttalliiand Carassiusauratus decrease. But the SODactivity influence on Macrobranchium nipponense is not obvious. Ultrasonic powerand SOD enzyme of Elodea nuttallii, Carassiusauratus do not show significant correlation.

ultrasonic;algae removal; power;aquatic organisms; SOD

S973；Q178.5

A

1674-9405(2017)02-0045-05

10.19364/j.1674-9405.2017.02.010

2017-01-09

水利部 948 项目复频超声波除藻技术及设备（201305）

李聂贵（1983-），男，湖北江陵人，高级工程师，主要研究方向：水环境监测治理、现代流体测试技术、水利信息化。