温度和处理时间对超声波干扰淡水藻类的影响研究

魏志莹，杨秀雯，宋金诺，叶愉群，陈立斌

(长江大学 资源与环境学院，湖北 武汉 430100)

1 引言

随着人口的增加，工农业的迅速发展，人类活动对水生态系统的影响日益增加[1]。藻类爆发，使得水质变得浑浊，透明度降低，水体感官性能大大下降，有些藻类还会散发腥臭异味，造成鱼类等水生生物死亡[2，3]，此外，藻类还会影响水厂的正常运行，有些藻类及其代谢产物是消毒副产物的前体物，经消毒后会生成“三致”物质，严重影响了饮用水的卫生安全，许多蓝绿藻产生一系列的毒素会损害人体的神经系统，还会导致腹泻、呕吐等，并能引发肝癌，对人类的健康有着极大的威胁[4]。

目前,国内外针对水体藻类的治理开展了多方面的工作,常用的除藻方法有物理除藻法(机械打捞、超声辐射等)[5，8，9]、化学除藻法[6，8，9]、生物控藻法[7，9]。化学除藻法虽简便易行、省时省力,但不能从根本上改善水质,还会对环境产生二次污染[10]；生物法虽具有较好的综合效益，但是高效的生物技术仍有待开发[11]。而超声波除藻技术被认为是一种环境友好型技术[12]，并且在除藻方面的应用逐渐得到重视[13]。研究表明：超声波在水体中传播时，由于超声振动带来的介质的交替压缩和伸张会产生正压和负压，对水体中的各个介质产生作用，水体中的微气泡产生振动，形成空化作用,空化作用发生后，空化气泡在破裂过程中产生的高速射流、强烈冲击波以及剪切力等作用力导致藻细胞，特别是藻类的气囊结构被剧烈的破坏[14，15],所以超声波作用可以很好的抑制藻细胞分裂，甚至使细胞破裂死亡，从而抑制藻细胞的生长,且超声波作用具有反应过程温和、速度快、无二次污染、高效等优点[16，17，18]。

Zhang[19]等研究了不同吸光度和低超声波强度下的除藻效果，发现在吸光度0.32 W/mL和低超声波强度为25 kHz的条件下，处理铜绿假单胞菌5 min，铜绿假单胞菌叶绿素a浓度降低21.3%，PC吸光度降低44.8%；Tang[20]研究了在高超声波频率和低强度下的最佳除藻条件，发现在高超声波频率1.7 MHz和低强度0.6 W/cm2处理螺旋藻条件下，至少照射5 min为有效抑制的必要条件；邵路路[21]研究了不同温度对低强度超声波除藻的影响。前人主要通过改变超声波强度和温度来探讨最佳除藻条件，但是对超声波除藻的最佳除藻周期鲜有探讨。

本文在前人研究的基础上讨论超声波在不同温度和处理时间下对小球藻的去除作用，并进一步探明超声波处理后，藻类继续培养多长时间会重新增长，以找出用超声波处理的最佳除藻周期，为超声波除藻技术的应用提供基础的数据资料。

2 材料与方法

2.1 实验材料与仪器

(1) 材料：小球藻，BG11培养基(由中国科学院淡水藻种库提供)。

(2) 仪器：BOXUN立式压力蒸汽灭菌锅，SW-CJ-1FD单人单面净化工作台，显微镜，GZX-150BSH-Ⅲ光照培养箱(上海新苗医疗器械制造有限公司)，ZY—1006超声波仪，血球计数板(上海市求精生化试剂仪器有限公司)。

2.2 藻种培养

取100 mL BG11培养液于三角瓶中，用无菌膜封住瓶口，放入温度为121 ℃的BOXUN立式压力蒸汽灭菌锅中灭菌25 min，然后打开SW—CJ—1FD单人单面净化工作台，利用紫外线杀菌30 min，之后在无菌操作台上进行藻液接种，接种前先用95%的乙醇对手部进行消毒，并将无菌操作台打开通风，点燃酒精灯，将藻液摇匀并揭开三角瓶上的无菌膜，用移液枪取5 mL 藻液于三角瓶中，再用无菌膜封住瓶口，然后将其放到光照培养箱中培养，设定温度为250.5 ℃，光照强度2000 lx，光暗比为12∶12，培养小球藻至稳定期。

3 实验过程

本实验采用的超声波仪的超声频率为40 kHz，超声功率为360 W，加热频率为400 W。通过改变超声波仪的温度和作用时间来观察除藻效果。将超声波仪的温度设定为20 ℃时，设置超声波仪作用时间为30 s，1 min，3 min,5 min,7 min,10 min和15 min，取24支玻璃管进行实验，其中3支为对照组(不进行超声波处理)，每个相同的处理时间有3组平行实验；将超声波仪设定为30 ℃时，设置超声波仪作用时间为1 min，3 min,5 min,7 min和15 min，取18支玻璃管进行实验，其中3支为对照(不进行超声波处理)，每个相同的处理时间有3组平行实验。

从培养箱中取出三角瓶并摇晃，使藻细胞均匀分散于三角瓶中，并于每支玻璃管中装5mL藻液，然后将其放在超声波仪的内槽中进行振荡。实验结束后，分别用移液枪从每支玻璃管中取出适量藻液于血球计数板上，将其放在显微镜下观察藻细胞的数量，然后取平行实验的平均值作为藻细胞的实验数量,计算超声波仪在不同处理时间下的藻细胞去除率。

将上述处理后的藻液放入光能培养箱中培养，分别于12 h、4 h、36 h和48 h后观察藻细胞数量的变化情况，培养条件与前期藻液培养条件一致。

4 结果与讨论

4.1 20 ℃下超声波对蛋白核小球藻的处理效果

如图1所示，以超声波仪作用不同时间后再培养0 h为对比，观察超声波仪在不同的作用时间下，蛋白核小球藻的去除率，如图所示。藻液经过超声波仪作用不同的时间后，再培养12 h，蛋白核小球藻的去除率都呈上升状态，且在此时达到最大去除率，其中超声波仪作用15 min的去除率最大，为49.67%；培养24 h，蛋白核小球藻的去除率下降，且下降幅度最大，可能的原因是原来未被消灭的藻细胞分裂增长；培养36 h,去除率有微小的增长，可能是由于营养成分的限制，去除率的增长幅度不大；培养48 h，去除率趋近稳定。

图1 处理时间对蛋白核小球藻的去除效果的影响

超声波仪分别作用30 s和15 min后，再将藻液培养24 h，蛋白核小球藻的去除率比其他作用时间的去除率低，几乎为零。可能的原因是：超声波仪只作用30 s，时间过短，以至玻璃管中大量的藻细胞未破裂死亡，并且经过24 h的培养，原来未被消灭的藻细胞分裂生长，导致藻细胞的数量增加，去除率降低；超声波作用15 min，由于作用时间过长，导致大量藻细胞被消灭，再经过24 h的培养，培养液的含量对于剩下未被消灭的藻细胞而言是充足的，因此藻细胞大量增长。

结果表明：20 ℃时，藻液经过超声波仪作用15 min后，再培养12 h是最佳的除藻条件，并且可知此时最佳除藻周期为12 h。培养时间超过12 h，藻的去除率降低，可能的原因是超声波作用后还存在一些未被消灭的藻细胞，这些藻细胞在光能培养箱中继续增殖，导致藻细胞的数量增加，去除率下降。

4.2 30 ℃下超声波对蛋白核小球藻的处理效果

如图2所示，以超声波仪处理0 s(不处理)为对比，观察30 ℃下藻液在超声波仪作用相同的时间后，再培养不同时间的除藻效果。虽然藻液的培养时间不同，但蛋白核小球藻的去除率整体呈上升趋势。培养24 h的去除率均高于其他培养时间的去除率，其中超声波仪作用15 min的去除率最大，为50.49%。培养36 h、48 h的去除率低于培养24 h的去除率，可能的原因是原未被超声波仪消灭的藻细胞在长时间培养过程中继续分裂增长，导致去除率下降。

图2 培养时间对蛋白核小球藻的去除效果的影响

藻液经过超声波仪作用5 min后，再培养12 h的去除率为0，可能的原因是超声波仪作用5 min，被去除的藻细胞不多，剩下未被去除的藻细胞经过12 h的培养，分裂增长至与最初数量大致相同。

结果表明：30 ℃时，藻液经过超声波仪作用15 min后，再培养24 h，有最大的去除率，且此时最佳除藻周期为24 h。培养时间超过24 h则藻的去除率下降，可能的原因是超声波仪作用后，还存在未被消灭的藻细胞，这些藻细胞在光能培养箱中继续分裂增殖，使藻细胞的数量增加，去除率下降。

由于20 ℃时，藻液在超声波仪作用30 s和10 min对实验的整体趋势并未有明显的影响，因此，在30 ℃实验中，为节省实验成本，并未对其进行再次进行实验。

4.3 20 ℃和30 ℃下超声波对蛋白核小球藻处理效果比较

20 ℃和30 ℃的除藻效果比较如图3所示。在20 ℃时，藻液经过超声波仪作用不同时间后再培养12 h，此时，超声波仪作用时间越长，去除率越大；超声波仪作用30 s至10 min后，再培养36 h，去除率增大；超声波仪作用15 min后，再培养36 h，去除率下降；藻液经过超声波仪作用不同时间后再培养48 h，随超声波仪作用时间的增加，呈稳定状态。且藻液经过超声波仪作用15 min后，再培养12 h达到最大去除率49.66%。在30 ℃时，超声波仪作用时间与藻液继续培养的时间大致呈正比关系，此时除藻率呈上升趋势。 藻液经过超声波仪作用不同时间后再培养48 h，随超声波仪作用时间的增加，去除率呈稳定上升状态。且藻液经过超声波仪处理15 min后，再培养24 h达到最大去除率50.49%。

图3 温度对超声波除藻效果的影响

结果表明：用超声波仪进行除藻后，再将藻液培养12 h，20 ℃的除藻效果均优于30℃的除藻效果；培养24 h时，30 ℃的除藻效果均优于20 ℃的除藻效果。在20 ℃与30 ℃均在最优条件下时，温度为30 ℃，超声频率为40 kHz,超声波仪处理15 min后再培养24 h的除藻率最高，为50.49%。因此，对20 ℃和30 ℃,超声频率为40 kHz下，超声波对蛋白核小球藻处理效果比较时，应考虑培养时间的影响。

5 结语

超声波除藻技术可以有效去除藻类，并且通过实验探讨超声波仪的超声频率为40 kHz下，温度分别为20 ℃和30 ℃时，超声波作用不同时间对除藻效率的影响。结果表明:在最优条件下，30 ℃的最佳除藻效率优于20 ℃的除藻效率，即在超声频率为40 kHz，30 ℃时超声波仪作用15 min，藻类的去除效率最佳，此时最佳除藻周期为24 h，而在20 ℃时最佳的除藻周期为12 h。