基于空化效应的超声波灭菌除污技术性能评价

颜晓晗，杨宏宾，高 雅，葛心如，荣源源，韩瑞芳，朱秀林，赵晓栋*

基于空化效应的超声波灭菌除污技术性能评价

颜晓晗1，杨宏宾1，高 雅2，葛心如1，荣源源1，韩瑞芳1，朱秀林3，赵晓栋1*

(1. 烟台大学海洋学院，烟台 264005；2. 天津环科环境咨询有限公司，天津 300191；3. 山东明潮环保科技有限公司，烟台 264043)

为验证基于空化效应的超声波技术灭菌除污和净化污水的能力，采用比浊法测定了球形赖氨酸芽孢杆菌()的生长曲线，通过平板菌落计数法对超声处理后的芽孢杆菌进行了活菌计数，采用开路电位(OCP)、交流阻抗谱(EIS)等电化学手段表征了芽孢杆菌溶液中碳钢的电化学行为，以及测量了污染水样超声处理前后不同时间的化学需氧量(COD)，结果表明经超声处理的芽孢杆菌菌落数量与未经处理的相比明显减少，尤其是当超声处理时间为2 h时，芽孢杆菌菌落数量由9.1×106cfu·mL-1减少为7.7×106cfu·mL-1。电化学实验中经超声处理后的芽孢杆菌体系与未处理体系相比腐蚀速率显著降低，并且经超声处理后污水COD值明显下降，低浓度与高浓度水样的COD值分别从51 mg·L-1和850 mg·L-1降低为8.4 mg·L-1和740 mg·L-1。以上表明，超声波处理对芽孢杆菌具有明显的杀灭效果，可在短期内减缓芽孢杆菌对Q235碳钢的腐蚀，对化学需氧量有明显的降低效果。

海洋生物污损；超声波；灭菌除污；电化学；水处理

随着我国海洋强国战略的提出，海洋开发建设项目蓬勃发展，海洋开发和海洋生态环境保护成为当下国家建设发展重点[1-3]。但是，在大力推进各项海洋开发与建设项目的过程中，海洋生物污损始终是一个绕不开的巨大问题。海洋生物污损是指微生物和海藻等海洋生物在海洋设备浸没表面的不良积聚[4]。这是一个复杂的问题，不仅威胁海洋生态环境，同时对经济社会发展也造成一些弊端，无法真正有效满足当下的海洋可持续发展战略[5-6]。当细菌、硅藻和藻类孢子等生物污染船体或其他人造海洋结构物表面时，这些设备操作和维护的成本会显著增加，并且对设备频繁的清洗也增加了成本，降低了设备的工作时间。另外，在海洋运输的背景下，海洋生物污损会造成船舶载重增大，增加船只在行驶中产生的摩擦阻力，减少船舶前进效率和机动性，进而提高燃油损耗，导致有害化合物排放和经济成本的增加[7-9]。

同时，在进行海洋开发的过程中，人类活动造成的环境污染逐渐加剧，许多沿海和公海地区受到不同原料加工和工业化合物或产品制造过程中排放的废水影响，导致污染物的混合累积超过自然水平，对水生生态系统和沿海居民产生有害影响[10-12]。

调查研究表明[13]，目前针对海洋生物污损的传统防治方法主要有涂层法和非涂层法。最常用的两种非涂层法分别为电化学水解法和机械除污法。电化学水解主要是通过次氯酸达到对海洋污染生物的杀灭以防治海洋生物污染；机械除污法则是对已经附着的海洋生物，通过各种机械设备进行定期清理。上述两种方法虽然操作简便，但是受限于复杂的作用环境或机械设备庞大的体积。对于涂层法而言，研究表明含有生物杀菌剂的涂层已被证明在减少生物污染方面具有良好的效果；然而，其中一些化合物在海洋环境中存在非常持久，并对非目标生物有负面影响，危害海洋环境[7]。目前对环境友好的防治海洋生物污染的方法主要包括环境友好型防污涂层和超声波防污。然而，自然污染过程中，不同的微生物，如细菌和硅藻，通过共享信息和生命材料，被纳入到细胞外聚合物基质中，形成一个动态平衡；每一种生物膜在空间和时间上都是独特的和异质的，并且对环境条件的变化很敏感，如盐度、营养物质和光照制度，因此在实验室中具有良好性能的环境友好型防污涂层在自然海洋环境中可能不能很好地发挥作用[14]。可见，以上防治方法的应用均受到处理效率、能源需求、工程专业知识、经济效益和基础设施等多种因素限制，简单安全高效的防污处理方法对目前来讲尤为重要。

超声波防污为纯物理的污水处理方法，产生的噪声低、异味少，对周围环境无影响，对人员无辐射。研究表明，超声波清洗可以去除和防止工业结构中的污垢，提高化学清洗速度[15]，对多种微生物具有杀灭效果[16]，并能有效促进沉积物中的重金属释放到水体中，有利于水生植物对重金属的吸收[17]。以上表明，超声波处理在灭菌除污和净化生化污水领域具有重要作用或潜力，因此本研究的开展具有一定的科研价值和实际意义。

超声波最基本的定义是指频率大于或等于20 kHz的声波[18]。超声波灭菌除污能力主要归因于其产生的空化效应。超声波通过物体时，如果波的振幅足够大，就会产生气泡或空腔，其气泡核被超声波激活，表现为气泡核的震荡、生长、收缩、崩溃等一系列动力学过程。当气泡最终破裂时，会瞬间产生高压（高达100 MPa）和高温（高达5 000 K），同时会产生具有强烈冲击力的微束流，引发热学、力学、生物和化学等效应[19-20]，即为空化效应。超声空化效应产生的高温高压可以导致细胞的死亡以及污染物的热解，同时产生的冲击力会导致分子链断裂，加快大分子污染物的降解，并且在液体中空化效应会使水发生声分解产生多种具有杀菌、降解污染物能力的自由基[21]。

本研究通过平板菌落计数法对超声处理前后芽孢杆菌的菌悬液进行活菌计数，评价超声波处理对芽孢杆菌的杀灭影响，采用开路电位（OCP）、交流阻抗谱（EIS）等电化学手段研究碳钢在芽孢杆菌环境中的电化学行为影响，以及通过测量污染水样超声处理前后不同时间的化学需氧量（COD），对超声波灭菌除污技术进行综合性能评价。

1 材料与方法

1.1 生长曲线测定

本实验使用的菌样为从舰载机燃油系统的污染油样中获得的球形赖氨酸芽孢杆菌（）。

使用以舰载机燃油系统中的航空煤油为唯一碳源的无机盐培养基进行富集培养、利用平板划线法进行分离纯化获得球形赖氨酸芽孢杆菌（）。

依据细菌样液的浑浊程度与微生物数量成正比，采用紫外可见分光光度计在600 nm波长下测得菌液的吸光度OD值，通过OD值间接表征溶液中微生物数量，吸光度越高代表微生物数量越多[22]。首先配置适合细菌生长的液体和固体的LB培养基，用1 mol·L-1的NaOH调节LB培养基pH值在7.2～7.4之间。用移液枪移取配置好的液体培养基10 mL于试管中，将其与固体培养基一起置于高压灭菌锅中121 ℃灭菌30 min，随后进行细菌样品接种培养，然后将培养好的球形赖氨酸芽孢杆菌（）菌液以1∶200的体积比例加入到500 mL LB液体培养基中，设置无菌培养基作为平行样，放置在30 ℃、150 r·min-1摇床中进行培养。每隔2 h测吸光度。

1.2 超声波灭菌实验

配置适合细菌生长的液体和固体的LB培养基，用1 mol·L-1的NaOH调节LB培养基pH值在7.2～7.4之间。用移液枪移取配置好的液体培养基10 mL于试管中，将其与固体培养基一起置于高压灭菌锅中121 ℃灭菌30 min。

随后进行细菌样品接种培养，将培养好的球形赖氨酸芽孢杆菌（）菌液以1∶5的体积比例加入到250 mL LB液体培养基中制成菌悬液，对此菌悬液进行超声处理，设置未经处理的相同菌悬液作为平行样。分别于0 h、1 h、2 h、3 h对两个菌悬液进行取样，随后用无菌水稀释10 000倍。等待灭菌后的固体培养基冷却至80 ℃后，在超净工作台中用量桶量取25 mL固体培养基，再用移液枪移取100 μL稀释后的菌液混合均匀倒入培养皿中，静置凝固。放置10 min置于培养箱中32 ℃培养18～24 h观察结果，进行菌落计数。

超声波设备来自山东明潮环保科技有限公司开发的M-1A02型超声波清洗设备。设备主体由电源发生器和换能器两个部分组成，电源发生器采用380 V、50 Hz供电，最大负荷功率为150 W。

1.3 电化学实验测试

实验所用的Q235碳钢成分为C（0.12%～0.20%）、Si（≤0.30%）、Mn（0.30%～0.70%）、S（≤0.045%）、P（≤0.045%）、Cr（≤0.30%）、Ni（≤0.30%）和Cu（≤0.30%）。将碳钢试样加工成10 mm×10 mm×2 mm的薄片，用导电胶带将铜质导线与试样连通，放置在圆柱体塑料管中用环氧树脂密封，使暴露出的工作面积为10 mm×10 mm，从而制作成电化学测试实验工作电极。依次用800～2 000目的金相砂纸在磨抛机上将试样工作面进行打磨，然后用蒸馏水、无水乙醇冲洗后置于干燥箱中备用。

用1 mol·L-1的NaOH调节LB培养基pH值在7.2～7.4之间，然后将配置好的培养基在灭菌锅中灭菌30 min，灭菌结束后转移至无菌操作台自然冷却。将前期单独培养的球形赖氨酸芽孢杆菌（）菌液以1∶200的体积比加入到LB培养基中，通过超声处理和无超声处理，建立经超声处理的芽孢杆菌实验体系、未经超声处理的芽孢杆菌实验体系以及LB液体培养基作为细菌空白体系，置于30 ℃、150 r·min-1摇床中培养。

电化学实验采用传统三电极体系，工作电极为碳钢，辅助电极为Pt电极，参比电极为饱和KCl甘汞电极。实验开始前装置在紫外光下照射30 min灭菌，以确保实验过程中不会被其他杂菌污染。将灭菌后的试样浸泡在各体系中，使用PARSTAT 2 273电化学工作站进行电化学分析测试。浸泡后间隔一定时间，先进行开路电位（OCP）的测定。待开路电位稳定后，进行电化学阻抗（EIS）测试，频率扫描范围105～10-2Hz，正弦波电位幅值为10 mV，使用ZSimpWin软件对数据进行处理，使用C-view软件进行数据分析。

1.4 超声波降低污水化学需氧量的实验研究

实验用实际污水试样取自本地水务公司废水和印染厂污水。超声波降低污水化学需氧量的实验研究按照HJ/T 399-2007标准[23]进行。

取出干燥的反应管分别移入经超声处理0 h、1 h、2 h、3 h的2 mL污水样品，并预先加入0.05 g硫酸汞以消除水样中氯离子的影响。根据样品浓度不同，移入3 mL对应不同浓度的专用氧化剂，随后盖紧盖子，将反应管反复颠倒，充分混合试剂和样品，待用。对COD-571型化学需氧量（COD）测定仪进行校正，按上述3个步骤，用重蒸馏水代替样品作零点校准液，用150 mg·L-1或1 500 mg·L-1COD标准溶液作满度校准液。零点校准液和满度校准液均需加入0.05 g硫酸汞（根据需要）和3 mL相应的专用氧化剂，并经过消解后用于校正。不同浓度的样品选用不同的专用试剂及测量方法。将消解后的溶液使用COD测定仪进行测量。

2 结果与分析

2.1 生长曲线分析

图1显示了通过比浊度测定的芽孢杆菌系统17天的OD600值，OD值代表被检测物质吸收的光密度，OD值越高代表细菌数量越多。因此，如图2所示，芽孢杆菌数量在0～8 d内逐渐增加，然后在8～17 d内减少，进入下降阶段。生长曲线的确定为后续实验的分析提供了理论依据。在后续电化学实验中，每3 d更换1/3的细菌培养基，以始终保持细菌活性。

图1 球形赖氨酸芽孢杆菌的生长曲线

Figure 1 Growth curve of

2.2 超声波灭菌效果实验分析

图2和图3分别为未经超声处理的球形赖氨酸芽孢杆菌菌悬液和经过超声处理的球形赖氨酸芽孢杆菌菌悬液在不同取样时间经无菌水稀释10 000倍后平板培养的菌落生长情况。如图2和图3所示，图2(c)和图2(d)的菌落生长情况明显好于图3(c)和图3(d)，其次如图4所示，未经超声处理和经过超声处理的球形赖氨酸芽孢杆菌的平板菌落生长数量虽然都呈现下降的趋势，但是经过超声处理的球形赖氨酸芽孢杆菌的下降趋势更为明显，在1 h、2 h、3 h时经过超声处理的球形赖氨酸芽孢杆菌的生长数量均低于未经超声处理球形赖氨酸芽孢杆菌的生长数量，由此可见，超声波对球形赖氨酸芽孢杆菌具有明显的杀灭效果。

图2 未经超声处理的球形赖氨酸芽孢杆菌的生长情况

Figure 2 Growth ofwithout ultrasound treatment

图3 经过超声处理的球形赖氨酸芽孢杆菌的生长情况

Figure 3 Growth oftreated by ultrasound

图4 不同处理的球形赖氨酸芽孢杆菌的菌落数量

Figure 4 Number of colonies of growth oftreated with different treatment

2.3 电化学实验分析

从图1球形赖氨酸芽孢杆菌的生长曲线中可以看出，在整个实验周期7 d内，球形赖氨酸芽孢杆菌的数量处于上升趋势，并未到达衰落期，对实验没有影响。选择图5的等效电路对Q235碳钢在各个体系中浸泡不同时间的阻抗谱图进行拟合作图。

图5 用于拟合Q235碳钢EIS实验数据的等效电路

Figure 5 The equivalent electrical circuit used to fit the EIS experimental data for Q235 carbon steel

从图6和图7的Nyquist图中可以看出，有菌体系和无体系形状都是近似半圆的容抗弧，其半径代表了阻抗值的大小[24]。无菌体系中容抗弧半径明显大于有菌体系。容抗弧的半径大小与电极表面电荷转移电阻Rct的大小成正比，Rct越大，说明碳钢腐蚀速率越小[25]。由此可见，球形赖氨酸芽孢杆菌对碳钢具有加速腐蚀的作用。

图6 Q235碳钢在无菌环境中中浸泡不同时间的Nyquist (a)图和Bode (b)图

Figure 6 Nyquist (a) and Bode (b) plots of Q235 carbon steel immersed in aseptic environment for different time

图7 Q235碳钢在未经超声处理的球形赖氨酸芽孢杆菌菌悬液中浸泡不同时间的Nyquist (a)图和Bode (b)图

Figure 7 Nyquist (a) and Bode (b) plots of Q235 carbon steel immersed insuspension without ultrasonic treatment for different time

图8 Q235碳钢在经过超声处理的球形赖氨酸芽孢杆菌菌悬液中浸泡不同时间的Nyquist (a)图和Bode (b)图

Figure 8 Nyquist (a) and Bode (b) plots of Q235 carbon steel immersed in ultrasonic treated. sphaericus suspension for different time

如图7的Nyquist图所示，浸泡在未经过超声处理的球形赖氨酸芽孢杆菌菌悬液的体系其容抗弧在浸泡12 h时达到最大值，这是因为球形赖氨酸芽孢杆菌以及其代谢分泌的的胞外聚合物在试样表面贴附形成了生物膜，可以阻碍金属表面与溶液之间的电荷传递，减缓了碳钢的腐蚀[26]。随着Q235碳钢的浸泡时间增加，此体系的容抗弧呈现减小的趋势，说明碳钢腐蚀速率越来越大，这是由于随着浸泡时间的增加材料表面的生物膜逐渐脱落，对电荷转移阻碍效果减弱。而如图8的Nyquist图所示，浸泡在经过超声处理的球形赖氨酸芽孢杆菌菌悬液的体系其容抗弧在浸泡1 d时达到最大值，且最大值小于未经过超声处理的球形赖氨酸芽孢杆菌菌悬液的体系，这是因为超声波的振动作用减缓了球形赖氨酸芽孢杆菌以及其代谢分泌的胞外聚合物在试样表面的贴附，影响了生物膜在碳钢表面的生成，起到的保护作用较弱。随着Q235碳钢的浸泡时间增加，除第7天外，此体系的容抗弧基本处于稳定的状态，说明超声波处理减缓了其腐蚀速率。

从图9(a)中可以看出Q235碳钢在两种体系中浸泡1 h时，二者的容抗弧半径大小基本一致，说明Q235碳钢在这两种体系中的初始状态基本一致。如图9(b)所示，Q235碳钢浸泡在未经过超声处理的球形赖氨酸芽孢杆菌菌悬液的体系中的容抗弧半径远大于其浸泡在经过超声处理的球形赖氨酸芽孢杆菌菌悬液的体系，这是因为超声波的振动作用减缓了球形赖氨酸芽孢杆菌以及其代谢分泌的的胞外聚合物在试样表面的贴附，影响了生物膜在碳钢表面的生成，起到的保护作用较弱。如图9(c)所示，随着实验周期的进一步延长，Q235碳钢在这两种体系中表面的生物膜都趋于稳定，所以在浸泡1 d时，Q235碳钢在这两种体系中的容抗弧半径大小基本一致。随着实验周期的进一步增加，如图9(d) 、图9(e) 、图9(f)所示，Q235碳钢浸泡在经过超声处理的球形赖氨酸芽孢杆菌菌悬液的体系中的容抗弧半径远大于其浸泡在未经超声处理的球形赖氨酸芽孢杆菌菌悬液的体系，此时，Q235碳钢浸泡在经过超声处理的球形赖氨酸芽孢杆菌菌悬液的体系中的腐蚀速率明显小于其浸泡在未经超声处理的球形赖氨酸芽孢杆菌菌悬液的体系，说明超声波通过对球形赖氨酸芽孢杆菌杀灭效果延缓了其对Q235碳钢的腐蚀。而如图9(g)所示，两种体系的容抗弧半径明显减小，这说明在7 d时，Q235碳钢的腐蚀速率出现转折点，这是因为浸泡时间太长，碳钢表面的生物膜逐渐脱落，失去了对碳钢的保护作用。而Q235碳钢浸泡在未经超声处理的球形赖氨酸芽孢杆菌菌悬液的体系中的容抗弧半径大于其浸泡在经过超声处理的球形赖氨酸芽孢杆菌菌悬液的体系，这是因为由于超声波的震动作用，在7 d时，浸泡在经过超声波处理的球形赖氨酸芽孢杆菌体系中的Q235碳钢表面生物膜的脱落情况远远超过浸泡在未经超声处理的球形赖氨酸芽孢杆菌体系。

图9 Q235碳钢经过超声处理或未经处理不同周期后的Nyquist图

Figure 9 Nyquist plots of Q235 carbon steel after ultrasonic treatment or untreated for different time

图10 低浓度水样(a)和高浓度水样(b)的COD值随超声波设备处理时间变化

Figure 10 The COD value of low concentration sample (a) and high concentration sample (b) changes with the treatment time

2.4 超声波降低污水化学需氧量的实验分析

化学需氧量（COD）是指标水体有机污染的一项重要指标，可大致表示污水中的有机物量，能够反应出水体的污染程度。如图10所示，对比未经超声波设备处理的水样和经超声设备处理后的水样的COD值，水样的COD值随超声波设备处理时间，数值趋于减小，由此可见，超声波设备具备净化生化污水能力。

3 讨论与结论

超声与细菌生命系统的相互作用主要通过3种途径发生，即热（生热）、化学（自由基形成）和机械（剪切应力、液体射流、冲击波）3种途经，每一种途径都会触发特定的效应[27]。首先空化泡振荡崩塌时造成的高温高压环境可以引起细胞壁的变薄甚至裂解从而导致细菌抵御外界威胁的能力降低[28]。同时其崩塌时伴有的冲击波、微射流、湍流、剪切力等可以轻易击穿细胞膜，而且在超声波能量周期循环过程中产生的周期性压力会加大细菌细胞膜磷脂双分子的振频振幅，导致细胞膜穿孔，泄露细胞基质，加快细菌死亡[27]。另外微射流还会干扰胞内蛋白质成分的化学构像，使其发生改变，进而导致胞内酶失活，抑制细菌的代谢，而且膜内的流体静压能够诱发细胞核裂解并释放DNA，这都对细菌的杀灭有重要作用[29]。

在气泡破裂过程中，能量释放使得水进行声分解，其反应过程大致可用以下公式表示[30]：

H2O → ·OH + ·H （1）

O2→ 2·O （2）

·O + H2O → 2·OH （3）

O2+ ·H →·OOH （4）

O2+ ·H →·OH + O （5）

·OH + ·OH → H2O2（6）

2·H → H2（7）

水的声分解产生的·OH（羟自由基）、·H（氢自由基）等自由基和H2O2（过氧化氢）具有重要的杀菌作用，DNA是细菌细胞中这些自由基攻击的主要靶点，它们沿着DNA延伸使其断裂产生碎片，并且过氧化氢浓度的增加会引起脂质膜的强烈氧化，影响负责ATP产生的蛋白质复合物的酶活性以及干扰细胞内部溶质浓度的维持，从而影响遗传物质导致细菌细胞死亡[31]。同时·H、·O（氧自由基）和·OH等自由基进一步生成的·OOH（超氧自由基）和H2O2会促进胞内硝酸、亚硝酸等物质的释放进而改变溶液酸碱度，破坏细菌生长环境[32]。

超声波在液体中传播时，引起媒介质点的振动，加快分子的碰撞速度，使得质点受到较大的机械力的冲击，从而除去介质表面附着的污垢或污损[33]，同时空化效应产生的冲击波、微射流、湍流、剪切力也可以剥离介质表面的污垢或污损，另外在液体中超声波具有直流作用，即液体沿着声的传播方向产生流动的直进流，介质表面的污垢或污损被其搅拌，同样可以达到清理介质表面的作用[34]。由于超声波的清洗作用，在电化学实验超声体系中的碳钢表面的生物膜形成受到了抑制，同时随着实验周期的增长，超声波的清洗作用也大大加快了超声体系中的碳钢表面生物膜的脱落。

在液体中，超声波空化效应主要产生的作用有：热分解作用、机械作用、自由基氧化作用。首先空化效应产生的高温高压可以使液体中挥发疏水性的有机物热解，其次超声波传播时产生的冲击波、微射流、湍流、剪切力会导致分子链的断裂，降解大分子有机物。最后空化效应产生的诸多自由基和过氧化氢可以实现对液体中有机污染物的氧化去 除[35]。水体中有机污染物的减少导致了其化学需氧量的降低。

超声波对球形赖氨酸芽孢杆菌具有明显的杀灭效果。

由于对球形赖氨酸芽孢杆菌的杀灭作用，超声处理可以在短期内减缓其对Q235碳钢的腐蚀，在5 d以内都具有减缓其腐蚀Q235碳钢的作用，但随着实验周期的增加，超声波的清洗作用在一定程度上会破坏Q235碳钢的表面并且加速其表面生物膜的脱落，此时会一定程度上加速Q235碳钢的腐蚀。

超声波对化学需氧量有明显的降低效果，无论是较高浓度化学需氧量的污水还是低浓度化学需氧量的污水，均表明超声波具有有净化生化污水的作用。

[1] 樊丛维. 中国科技兴海视域下海洋强国战略研究[D]. 长春: 吉林大学, 2021.

[2] 马凤媛. 我国海洋强国战略视角下的海洋环境保护问题研究[D]. 青岛: 中国海洋大学, 2014.

[3] 金永明, 赵昕, 韩立民. “中国建设海洋强国的意义与任务”笔谈[J]. 中国海洋大学学报(社会科学版), 2022(3): 1-8.

[4] GUO H S, LIU X M, ZHAO W Q, et al. A polyvinylpyrrolidone-based surface-active copolymer for an effective marine antifouling coating[J]. Prog Org Coat, 2021, 150: 105975.

[5] EMARA A M, BELAL A. Marine fouling in Suez canal, Egypt[J]. Egypt J Aquat Res, 2004, 30: 189-206.

[6] GUO S F. Study of ultrasonic effects on the marine biofouling organism of barnacle, Amphibalanus Amphitrite[D]. Singapore:National University of Singapore, 2012.

[7] PATTERSON A L, WENNING B, RIZIS G, et al. Role of backbone chemistry and monomer sequence in amphiphilic oligopeptide- and oligopeptoid-functionalized PDMS- and PEO-based block copolymers for marine antifouling and fouling release coatings[J]. Macromolecules, 2017, 50(7): 2656-2667.

[8] BENSCHOP H O G, GUERIN A J, BRINKMANN A, et al. Drag-reducing riblets with fouling-release properties: development and testing[J]. Biofouling, 2018, 34(5): 532-544.

[9] YEBRA D M, KIIL S, DAM-JOHANSEN K. Antifouling technology:past, present and future steps towards efficient and environmentally friendly antifouling coatings[J]. Prog Org Coat, 2004, 50(2): 75-104.

[10] RODRÍGUEZ J, GALLAMPOIS C M J, HAGLUND P, et al. Bacterial communities as indicators of environmental pollution by POPs in marine sediments[J]. Environ Pollut, 2021, 268: 115690.

[11] OMAR T F T, ARIS A Z, YUSOFF F M. Multiclass analysis of emerging organic contaminants in tropical marine biota using improved QuEChERS extraction followed by LC MS/MS[J]. Microchem J, 2021, 164: 106063.

[12] ANTONIA W, GÜLSAH D, HENNER H, et al. Distribution and toxicity of persistent organic pollutants and methoxylated polybrominated diphenylethers in different tissues of the green turtle Chelonia mydas[J]. Environ Pollut, 2021, 277: 116795.

[13] 曾宇帆. PMMA表面大肠杆菌的粘附行为与超声处理研究[D]. 成都: 西南交通大学, 2019.

[14] GAO Y M, MENG Q Y, ZHOU X F, et al. How do environmentally friendly antifouling alkaloids affect marine fouling microbial communities?[J]. Sci Total Environ, 2022, 820: 152910.

[15] TOMMISKA O, MUSTONEN J, MOILANEN P, et al. FEM-based time-reversal technique for an ultrasonic cleaning application[J]. Appl Acoust, 2022, 193: 108763.

[16] GAO S P, LEWIS G D, ASHOKKUMAR M, et al. Inactivation of microorganisms by low-frequency high-power ultrasound: 1. Effect of growth phase and capsule properties of the bacteria[J]. Ultrason Sonochem, 2014, 21(1): 446-453.

[17] 李巧云. 超声波对沉水植物富集沉积物中重金属的影响[D]. 长沙: 湖南农业大学, 2013.

[18] PIYASENA P, MOHAREB E, MCKELLAR R C. Inactivation of microbes using ultrasound: a review[J]. Int J Food Microbiol, 2003, 87(3): 207-216.

[19] EARNSHAW R G, APPLEYARD J, HURST R M. Understanding physical inactivation processes: combined preservation opportunities using heat, ultrasound and pressure[J]. Int J Food Microbiol, 1995, 28(2): 197-219.

[20] 吕瑞玲. 超声波技术灭活蜡样芽胞杆菌芽胞机制研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2020.

[21] 沈其动. 超声及其它方法联合灭菌实验性研究[D]. 西安: 陕西师范大学, 2008.

[22] 陈玉琪. 微生物生长曲线中生长量测定方法的比较[J]. 轻工科技, 2020, 36(4): 7-8.

[23] 中华人民共和国环境保护部. 水质化学需氧量的测定快速消解分光光度法: HJ/T 399—2007[S]. 北京: 中国环境科学出版社, 2008.

[24] WANG S A, ZHAO X D, RONG H S, et al. Role of Lysinibacillus sphaericu s on aviation kerosene degradation and corrosion of 7B04 aluminum alloy[J]. J Mater Res Technol, 2022, 18: 2641-2653.

[25] 李晓龙, 张杰, 张鑫, 等. 海洋污损生物的附着对Q235碳钢表面阴极保护钙质沉积层形成的影响[J]. 材料工程, 2018, 46(6): 88-94.

[26] 胡秀华. 海洋环境中微藻与钙质层对Q235碳钢腐蚀行为的影响[D]. 镇江: 江苏科技大学, 2017.

[27] SERPE L, GIUNTINI F. Sonodynamic antimicrobial chemotherapy: first steps towards a sound approach for microbe inactivation[J]. J Photochem Photobiol B, 2015, 150: 44-49.

[28] ASHOKKUMAR M. The characterization of acoustic cavitation bubbles: An overview[J]. Ultrason Sonochem, 2011, 18(4): 864-872.

[29] 樊丽华, 侯福荣, 马晓彬, 等. 超声波及其辅助灭菌技术在食品微生物安全控制中的应用[J]. 中国食品学报, 2020, 20(7): 326-336.

[30] 吕雪营. 超声场耦合化学法对饮用水大肠杆菌灭活研究[D]. 广州: 华南理工大学, 2016.

[31] DE SÃO JOSÉ J F B, DE ANDRADE N J, RAMOS A M, et al. Decontamination by ultrasound application in fresh fruits and vegetables[J]. Food Control, 2014, 45: 36-50.

[32] KENTISH S, ASHOKKUMAR M. The physical and chemical effects of ultrasound[M]//Ultrasound Technologies for Food and Bioprocessing. New York: Springer, 2011: 1-12.

[33] 廖天棋. 超声波强化锌粉深度净化硫酸锌溶液研究[D]. 昆明: 昆明理工大学, 2021.

[34] 李赛. 超声波净化及减菌技术在贝类产品(竹蛏)中的应用研究[D]. 扬州: 扬州大学, 2021.

[35] 滕晓宇, 郑云松, 蔡其正, 等. 沉积物活化氧气和过氧化氢产生羟自由基降解三氯乙烯的比较研究[J]. 环境科学研究, 2022, 35(2): 547-555.

Evaluation of ultrasonic sterilization and decontamination technology based on cavitation effect

YAN Xiaohan1, YANG Hongbin1, GAO Ya2, GE Xinru1, RONG Yuanyuan1,HAN Ruifang1, ZHU Xiulin3, ZHAO Xiaodong1

(1. School of Ocean, Yantai University, Yantai 264005; 2. Tianjin Environmental Consulting Co.,Ltd., Tianjin 300191;3. Shandong Mingchao Environmental Protection Technology Co.,Ltd., Yantai 264043)

To verify the ability of ultrasonic sterilization and decontamination based on cavitation effect, the growth curve ofwas measured by turbidimetry, and the viable count ofafter ultrasonic treatment was carried out by plate colony counting method. Electrochemical methods such as open circuit potential (OCP) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) were used to characterize the electrochemical behavior of carbon steel insolution, and the chemical oxygen demand (COD) of contaminated water samples before and after ultrasonic treatment was measured. The results showed that the number ofcolonies after ultrasonic treatment was significantly reduced compared with that without treatment, especially when the ultrasonic treatment time was 2 h, the number ofdecreased from 9.1×106cfu·mL-1to 7.7×106cfu·mL-1. During electrochemical experiments, the corrosion rate of thesystem treated with ultrasound was markedly lower compared to the untreated system. Furthermore, the ultrasonic treatment effectively reduced the COD value of the wastewater. Notably, the COD values of low and high-concentration wastewater samples also decreased remarkably from 51 mg·L-1to 8.4 mg·L-1, and 850 mg·L-1to 740 mg·L-1, respectively. The results presented above indicate that ultrasonic treatment has a significant bactericidal effect on, effectively slowing down the corrosion of Q235 carbon steel caused byover a short period of time, and also substantially reducing the chemical oxygen demand.

marine biofouling; ultrasound; sterilization and decontamination; electrochemistry; water treatment

10.13610/j.cnki.1672-352x.20230625.003

2023-06-26 15:14:17

X55

A

1672-352X (2023)03-0529-08

2022-08-03

国家自然科学基金（52101392），山东省自然科学基金（ZR2020QD081, ZR2021QD060）和大学生创新训练项目（YD2021033）共同资助。

颜晓晗，硕士研究生。E-mail：1394292808@qq.com

通信作者:赵晓栋，博士，教授。E-mail：zhaoxiaodong23@163.com

[URL] https://kns.cnki.net/kcms2/detail/34.1162.S.20230625.1450.006.html