微纳米气泡臭氧水的制备及其对土壤和基质的消毒效果

薛晓莉，林少航，杨文华，张慧娟

（北京中农天陆微纳米气泡水科技有限公司，北京 100083）

近年来，微纳米气泡因具有比表面积大、水体中存在时间长、气液传质率高、界面点位高、能自发产生自由基等独特的物理化学特性而在诸多领域得到了应用[3-4]。将微纳米气泡发生技术与臭氧发生技术结合，利用微纳米气泡粒径小及气体溶解能力强的特性，能够促进臭氧在水体中的溶解。何华名等[5]对比了微纳米气泡装置、气液混合泵、砂芯曝气头和文丘里这4种气液混合方式，结果发现以微纳米气泡装置的臭氧溶解效率最高，曝气5 min后臭氧浓度能达到8.26 mg/L。安星辰等[6]报道了微纳米气泡臭氧水浓度的衰减性能并在实验室模拟了臭氧水对致病菌的杀灭效果，结果表明，微纳米气泡发生装置可以增加臭氧在水中的溶解度，提高臭氧水浓度；喷施低浓度的微纳米气泡臭氧水（0.6～1.8 mg/L）对叶霉病和早疫病病原菌具有良好的杀灭效果且对植株没有明显的负面作用，高浓度（7.8～8.3 mg/L）的臭氧水对较为复杂的土壤细菌的杀灭效果更好。

本研究以微纳米气泡快速发生装置为核心，结合臭氧发生系统设计加工了微纳米气泡臭氧水消毒设备，同时还配置了排气阀、止回阀等部件，能够保障设备稳定、安全运行。该套设备通过调整进气量和进水量能够快速制取一定浓度的微纳米气泡臭氧水，特将该套设备用于实际生产中的土壤和基质消毒，并讨论其应用效果。

1 材料和方法

1.1 试验地点

试验在北京通州区国际都市农业科技园的1号日光温室中进行。日光温室中有土壤栽培和基质栽培，前茬作物（生菜、芹菜、甜菜、番茄、黄瓜）均有不同程度的病害（腐霉病、枯萎病、灰霉病等），试验利用换茬间隙对土壤和基质进行消毒。

1.2 试验设备

试验装置（图1）为北京中农天陆微纳米气泡水科技有限公司自主研发的微纳米臭氧水消毒设备，该设备利用微纳米气泡快速发生装置将臭氧溶于水中，形成较高浓度的臭氧微纳米气泡水，对土壤或基质进行灌溉消毒。

1.3 试验设计

1.3.1 进气量和进水量对臭氧浓度影响

微纳米气泡臭氧水可在微纳米气泡臭氧水消毒设备启动后几分钟内达到所需臭氧浓度，通过调节进气阀与进水阀可以调控出水的臭氧浓度，一般当进气量越大、进水量越小时，出水的臭氧浓度越大，反之则臭氧浓度越小。试验设置10个进气量和进水量组合（表1），测定对微纳米气泡臭氧水消毒设备出水臭氧浓度的影响。

1.3.2 微纳米气泡臭氧水对土壤和基质的消毒效果

在进行土壤（基质）消毒前，先进行深翻，并保证土壤（基质）干燥。试验设置4个处理，即CK（不消毒）、T1（进行1次消毒处理）、T2（进行2次消毒处理）、T3（进行3次消毒处理），每个处理面积为1 m2。消毒时保证臭氧水浓度在6 mg/L左右，土壤的浇灌量约为30 L/m3，基质以完全湿润为准，灌溉量约为40 L/m3。每次消毒后，间隔1 d后进行第2次消毒。每次消毒24 h后取样，所取土壤（基质）样品深度为0～20 cm，多点随机取样，混匀，过筛，备用。所取样品带回实验室进行微生物平板试验，统计菌落数量，计算杀灭率。

总而言之，情境教学法对小学数学知识的教学具有十分重要的作用，一线的小学数学教师应当在实践教学的过程中，积极应用多样的形式构建教学的情境，促进学生在情境之中，深化对数学知识的认知，提高课堂教学的效果。

图1 微纳米气泡臭氧水消毒设备

1.4 测定方法

1.4.1 水中臭氧浓度的测定

水中臭氧浓度测定采用碘量法。量取20 mL碘化钾溶液，倒入250 mL的碘量瓶中，再加入100 mL待测臭氧水，立即加入5 mL硫酸（浓硫酸与水体积比为1∶5）摇匀，避光静置5 min，然后用0.1 mol/L硫代硫酸钠溶液滴定，待溶液呈浅黄色时加入几滴（约1 mL）淀粉溶液，继续小心滴定，直至颜色消失为止。记录硫代硫酸钠用量。臭氧浓度的计算公式为：

式中：C（O3）——臭氧浓度，mg/L；ANa——硫代硫酸钠标液用量，mL；B——硫代硫酸钠标液浓度，mol/L；V0——臭氧化气体取样体积，mL。

1.4.2 土壤（基质）中微生物的测定

土壤及基质中的细菌、真菌、放线菌含量采用平板稀释法，微生物培养基分别采用牛肉膏蛋白胨培养基、马丁孟加拉红培养基、高氏一号培养基。

称取10 g土壤样品（或基质样品）放入90 mL无菌水中，放在恒温摇床（28 ℃）上摇15 min，转速为120 r/min，然后在超净工作台上配制成浓度为10-1～10-4CFU/g的悬浮液，吸取0.1 mL不同浓度的悬浮液滴到培养基表面，细菌用浓度为10-3、10-4CFU/g的悬浮液，真菌用浓度为10-1、10-2CFU/g的悬浮液，放线菌用10-3、10-4CFU/g的悬浮液，用三角玻璃铲均匀涂抹在固体培养基上，每个样品设3次重复。涂抹后的培养基放入恒温培养箱内培养，细菌30 ℃培养1 d，真菌28 ℃培养2 d，放线菌28 ℃培养5 d。待各培养基上长出均匀菌落时开始记录。

每克土壤中的菌落数＝（各处理菌落平均数×稀释倍数×10）/（1－土壤含水率）。根据各处理菌落数计算各消毒处理的杀灭率，杀灭率＝（对照组菌落平均数–处理组菌落平均数）/对照组菌落平均数×100%。

表1 不同进气量和进水量组合L/min

1.5 统计方法

所有数据用统计学软件SPSS 13.0进行分析，方差分析采用one-way ANOVA，均值比较用LSD法（最小极差法），显著水平为0.05。

2 结果与分析

2.1 微纳米气泡臭氧水消毒设备进气量和进水量对臭氧水浓度的影响

表2给出了不同进水量和进气量组合产生的微纳米气泡臭氧水的臭氧浓度值，臭氧浓度可控制在2.2～8.0 mg/L。当进气量达到4 L/min时制备臭氧的浓度最高，再增加进气量也无法提高臭氧水的浓度。该设备制得臭氧水浓度最大为8.0 mg/L，此时的进水量为8 L/min（约0.5 m3/h）。当进水量提高到16 L/min（约1 m3/h）时，通过调节进气阀最高可使臭氧水浓度达到5.5 mg/L。

2.2 微纳米气泡臭氧水的消毒试验

2.2.1 臭氧水对土壤的消毒作用

由表3可以看出：第1次消毒后，对细菌、真菌及放线菌的杀灭率分别是43.2%、55.4%、53.8%；第2次消毒的杀灭率分别为48.6%、52.3%、51.9%；第3次消毒的杀灭率分别为52.3 %、60.3%、55.0%。总体看来，增加消毒次数对土壤中3种微生物的杀灭率基本呈上升趋势，以T3效果最好。

表2 不同进气量、进水量的臭氧水浓度

通过消毒前后微生物菌落数的方差分析显示，对细菌来说，消毒1次与消毒2次菌落数无显著差异，但是消毒3次较消毒1次菌落数显著减少，灭菌效果提高。对于真菌、放线菌，多次消毒与1次消毒对菌落数的影响无显著差异，灭菌效果不明显。

试验表明，1次消毒就能够达到一定的灭菌效果，2次消毒不能显著增加灭菌效果，3次消毒对细菌的杀灭效果较第1次有显著提高，3次消毒后对3种微生物的杀灭率均超过了50%，其中真菌的杀灭率超过了60%。

2.2.2 臭氧水对基质的消毒作用

由表4可知，第1次消毒对细菌、真菌及放线菌的杀灭率分别是76.5%、62.1%、53.8%，灭菌效果较好；第2次消毒的杀灭率分别为80.1%、70.7%、61.5%；第3次消毒的杀灭率分别为85.4%、68.6%、56.6%。3次消毒的杀灭率对不同微生物有所差异，随着消毒次数的增加，细菌的杀灭率呈现上升趋势，真菌、放线菌呈现先上升后下降的趋势。

对消毒前后微生物菌落数进行方差分析，结果显示：对细菌来说，1次消毒和2次消毒效果无显著差异，但是3次消毒较1次消毒菌落数减少且差异显著，灭菌效果显著提高。对于真菌，2次消毒较1次消毒菌落数减少且差异显著，杀灭率较1次消毒提升了8.6个百分点，消毒效果显著提升；3次消毒与2次消毒菌落数无显著差异。对于放线菌来说，与土壤灭菌试验结果一致，多次消毒与1次消毒菌落数无显著差异。

3 结论与讨论

臭氧作为高效广谱的杀菌消毒剂，其杀菌效果与臭氧浓度和作用时间有关。利用微纳米气泡发生技术，将臭氧作为气源制备微纳米气泡臭氧水，能够有效提高水体中臭氧的浓度，并延长臭氧在水体中的作用时间。本研究结果表明，微纳米气泡臭氧水消毒设备能够通过调整进气量和进水量快速制取一定浓度的微纳米气泡臭氧水，臭氧浓度在2.2～8.0 mg/L。采用6 mg/L的微纳米气泡臭氧水对土壤和基质的细菌、真菌及放线菌进行灭菌试验，可以看出基质灭菌效果好于土壤灭菌，1次消毒后，基质的灭菌效果均超过50%，2次消毒后3种微生物的杀灭率均提升到60%以上，而对于土壤来说，只有在3次消毒后3种微生物的杀灭率才能全部提升到50%以上。这可能是因为基质比土壤疏松，臭氧水更容易渗透；另外，多次消毒能提高消毒效果，但提高的幅度并不明显。微纳米气泡臭氧水制取方便，无毒无残留，适合作为消毒介质，且更适宜于基质消毒。

表3 臭氧水不同消毒次数对土壤中微生物的杀灭作用

表4 臭氧水不同消毒次数对基质中微生物的杀灭作用