紫外线对栽培营养废液的抑菌效应及营养成分影响研究

摘要：为探究紫外线辐照对栽培营养废液中尖孢镰刀菌的抑菌效果以及营养成分的影响，以2种典型真菌即黄瓜和番茄专化型尖孢镰刀菌为材料，采用1.3、2.7、3.8 mW·cm-2 3种辐照强度和1、3、5 min 3个辐照时间对营养废液进行灭菌试验。结果表明，在离体培养下，紫外线对2种病原真菌有明显抑制效果，且随着辐照剂量增加，菌丝生长缓慢，菌落形态皱缩，孢子生殖量及萌发率降低，在最高剂量1 140 mJ·cm-2（3.8 mW·cm-2、5 min）下实现100%抑菌率；同样在接种营养液下最高剂量处理显著抑制菌孢生长，杀灭率达到95%以上。经最高剂量紫外辐照后2种营养液中有机物去除率分别为92.3%、83.3%，而全氮、全磷含量无明显变化，表明紫外辐照在实现有效抑菌的同时易造成营养液中有机质损失而影响其后续的循环利用。以上研究结果为紫外杀菌技术在设施园艺栽培循环系统的应用提供基础数据。

关键词：紫外辐射；营养废液；尖孢镰刀菌；抑菌作用；营养成分

doi：10.13304/j.nykjdb.2022.1075

中图分类号：S436.3 文献标志码：A 文章编号：1008‑0864（2024）07‑0166‑08

营养废液的循环利用是设施无土栽培和植物工厂发展的核心技术之一，与传统土壤栽培相比，无土栽培可创造相对优越的生长条件，但植物遭受病原菌、藻类等侵害的风险依然存在[1‑2]，主要通过局部空气传播、雨雾淋溶、植物凋落物以及植物根系吸附等途径侵入到营养液中，且极易在循环过程中迅速蔓延，严重影响植物正常生长[1， 3]。尖孢镰刀菌（Fusarium oxysporum）是世界性分布的典型土传病原真菌，能导致上百种植物发生枯萎病[4]，致使植株叶片黄化萎蔫、茎秆萎缩褐变、组织坏死等[5‑6]，且可在营养液中长期营养兼性寄生生长，普通药剂难以根除。营养液循环使用有传播植物病原体的风险，需要对营养液进行消毒以去除这种风险[7]。

目前，国内外针对营养废液的杀菌重点集中在物理途径。研究表明，连续臭氧曝气处理营养液对细菌、真菌和藻类的杀灭率达90%以上，可有效抑制微生物滋生，同时可使植物增产37%[8]。适当提高臭氧水平，延长处理时间能维持营养液臭氧水平平衡，减缓衰减速率，对多种病原真菌和细菌的杀灭效果接近100%，而过多的残余臭氧易损害植株根系，伤害率可达22.2%[9]，当遭受臭氧胁迫后丙二醛含量增多，自身通过促进过氧化氢酶、超氧化物歧化酶等抗氧化酶的合成来提升抗性[10]，可见经臭氧处理后的营养液不能立即用于植物栽培[9]。高温灭菌主要通过高温使病原微生物蛋白变性失活，细胞新陈代谢紊乱而死亡，杀菌彻底但存在设备能耗大及运行成本投入高等缺点。有学者利用循环水加热85 ℃停留3 min，或者95 ℃停留30 s以上，可使番茄尖孢镰刀菌、烟草花叶病毒和根结线虫迅速死亡[7]。宋卫堂等[11]发现，消毒机采用75 ℃温度加热和90 s滞留时间保温的杀菌组合，可对番茄萎蔫病菌、黄瓜枯萎病菌、番茄细菌性青枯病菌达到100%杀灭率，但加热后的营养液成分变化规律需进一步研究。

紫外线在水处理技术领域作为重要的消毒方式之一，相比传统杀菌方法，具有无化学药剂投放、无消毒副产物、灭菌高效、易操作等特点[12]。紫外线消毒主要通过辐射水中微生物干扰细胞内部核酸复制，病原菌发生致变性失活而丧失传染性[13]。研究表明，紫外线辐照能有效杀灭真菌、细菌及藻类等[3， 14-17]，其消毒效果取决于紫外波长、辐射强度和辐射时间[14， 18]，辐射剂量越高，病原菌存活率越低，光复活能力越弱[19]，同时也易受溶液浊度的影响，浊度过高会导致悬浮颗粒中的病原菌难以被杀灭[3， 20]。目前，针对营养液中典型枯萎病菌的杀菌性能研究及营养成分的损耗评估较少，本研究以设施园艺无土栽培营养废液为研究对象，开展不同紫外线辐照剂量对废液中黄瓜和番茄专化型尖孢镰刀菌的杀灭试验，同时进行紫外线对营养液中全氮、全磷和有机质含量影响的追踪试验，旨在为实际生产应用提供基础信息。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 材料

供试病原菌包括黄瓜专化型尖孢镰刀菌（Fusarium oxysporium f. sp. Cucumerinum，FOC）和番茄专化型尖孢镰刀菌（Fusariumoxysporum f.sp. Lycopersici， FOL），均购自中国农业微生物菌种保管中心。PDA培养基：马铃薯200g、葡萄糖20 g、琼脂20 g、蒸馏水1.0 L，用于培养2种尖孢镰刀菌菌丝及其产孢。设施园艺黄瓜和番茄岩棉栽培营养液取自北京某设施园艺科技有限公司，4 ℃低温冰箱中保存。

1.1.2 仪器与设备

主要采用由广州百丰环保科技有限公司生产的BF-GJ-L100能量密度显示紫外线消毒杀菌设备。紫外消杀设备内安装有紫外线消毒灯、能量密度分级控制开关和显示指示表、以及时间继电器计时器等，紫外线消毒灯是低压汞蒸气放电灯，通过石英管状玻璃外壳照射253.7 nm的C波段紫外线。

试验仪器包括立式自动压力蒸汽灭菌锅（GR60DA，厦门致微仪器有限公司）、恒温培养振荡仪（THZ-103B，上海一恒科学仪器有限公司）、超净工作台（BSC-1004，苏州安泰空气技术有限公司）、恒温培养箱（DHP-9082，上海齐欣科学仪器有限公司）、光学显微镜（BX51，日本奥林巴斯有限公司）、紫外分光光度计（DR 6000 型，美国HACH公司）、血球计数板（XB-K-25，上海市求精生化试剂仪器有限公司）等。

1.2 试验方法

1.2.1 孢子悬浮液制备

尖孢镰刀菌在无菌操作下接种至PDA 培养基培养5～7 d，向产孢的培养皿中加入4～5 mL无菌水洗脱孢子，充分振荡后经纱布过滤去除菌丝制成孢子悬液，利用血球计数板进行计数，将孢子含量调至104数量级，备用。

1.2.2 紫外线照射对菌丝生长的影响试验

配制PDA培养基，灭菌后制作平板，将致病菌菌种分别接入PDA平板，在28 ℃恒温培养箱培养120 h，待菌丝长满平板后，用直径5 mm的打孔器从菌落边缘切取菌饼接入PDA培养基中央，分别放入紫外线消杀设备箱中灭菌。

紫外线照射剂量（mJ·cm-2）为照射强度（mW·cm-2）与照射时间（s）的乘积。为确定不同紫外线照射剂量下最佳的灭菌参数，以2种尖孢镰刀菌菌种为材料，选用1.3（U1.3）、2.7（U2.7）、3.8 mW·cm-2（U3.8）3个不同紫外照射强度（U）和1（T1）、3（T3）和5 min（T5）3个照射时间（T）进行三因素试验，以未做紫外线照射处理作为对照（CK），每处理接3皿，每皿1块，培养96 h后，采用十字交叉法测量菌落直径，并计算尖孢镰刀菌孢子生长抑制率[21]。

抑制率=（对照菌落直径- 处理菌落直径／对照菌落直径）×100%（1）

1.2.3 紫外线照射对孢子萌发的影响试验

无菌操作下，分别吸取10 mL备用的孢子悬液于培养皿中，经过不同紫外线照射剂量处理后，吸取100 μL悬液于PDA平板上，28 ℃恒温培养96 h，记录菌落数量；同时吸取100 μL照射处理后孢子悬浮液接种至PDA平板中央，迅速均匀涂开。28 ℃恒温培养48 h，显微镜观察并记录孢子萌发数[22]。重复3次。

孢子萌发率= 萌发孢子数／镜检孢子总数×100% （2）

1.2.4 紫外线照射对营养液的杀菌效果及营养成分的影响试验

取循环使用10 d无土栽培的番茄和黄瓜营养液，无菌操作下分别按照孢子悬液与营养液的体积比1∶9的比例混合接入锥形瓶中，28 ℃、120 r·min-1振荡培养24 h。吸取10 mL混合营养液于培养皿中，经过不同紫外线照射剂量处理后，摇匀，吸取100 μL悬液于PDA平板上，28 ℃恒温培养96 h，采用稀释涂布平板计数法计算灭菌前后的菌落数；同时通过研究余液灭菌前后全氮（total nitrogen， TN）、全磷（total phosphorus， TP）和有机质含量，来确定最佳消毒参数，以达到营养元素利用最大化的目的。

1.3 样品采集与测定

营养废液经紫外线照射后采集余液样品，测定有机质、全氮和全磷含量，各指标均采用HACH快速测定法。样品中加入HACH专用试剂反应，经HACH专用试剂消解（DRB200，COD快速消解仪，HACH Company，USA；温度稳定性±2 ℃）后，通过紫外可见光分光光度计（DR 6000，波长分辨率0.1 nm）测定含量。

1.4 数据分析

试验数据采用Origin 2019、Excel 2010 和SPSS 24.0进行图表处理并统计分析。采用最小显著性差异法检验处理间差异的显著性水平（Plt;0.05）。

2 结果与分析

2.1 紫外线照射对尖孢镰刀菌落生长的影响

紫外线照射对黄瓜和番茄专化型尖孢镰刀菌落生长均有显著的抑制作用，当紫外线照射剂量增加，菌落直径逐渐减小，表明其抑制效应增强（图1）。随着紫外线照射强度和时间增加，FOC和FOL菌落直径减小、生长速率降低，均在U3.8×T5互作处理下表现出最明显抑制效果。与U1.3×T1 相比，FOC 和FOL 菌落直径分别减小23.2%、26.7%，生长速率分别下降26.3%、33.3%（图2），且紫外强度和时间的交互作用对菌落生长影响不显著。以上说明紫外线照射能有效抑制尖孢镰刀菌的生长，且照射剂量越多，抑菌效果越好。

2.2 紫外线照射对尖孢镰刀菌孢子萌发的影响

紫外线照射对黄瓜和番茄专化型尖孢镰刀菌的产孢量均有显著抑制作用（表1、2）。随着紫外线照射剂量的增加，FOC和FOL的产孢量显著减少（Plt;0.05），当紫外线照射剂量达到684 mJ·cm-2（U3.8×T3）以上时，孢子萌发数量明显降低，抑制率可达90%以上。而当紫外线照射强度3.8 mW·cm-2、时间5 min 时，产孢量为0，完全抑制了孢子萌发。在紫外线照射强度和时间的交互作用下，2种病原菌的产孢量和萌发率差异显著，且与FOC 相比，FOL产孢量和萌发率均略高，可能其对紫外胁迫具有一定的耐受性。

2.3 紫外线照射对营养液的杀菌效果及营养成分的影响

紫外线照射对接种到设施栽培营养液中的尖孢镰刀菌产生显著的抑制效果（表3、4）。随着紫外照射剂量的增加，FOC和FOL的产孢量呈显著下降趋势（Plt;0.05），当紫外线照射剂量达到1 140 mJ·cm-2（U3.8×T5）时，2种病原菌的产孢量最低，抑菌率分别为99.2%、95.5%，显著抑制孢子生长。在紫外线照射强度和时间的交互作用下，2 种病原菌的产孢量和抑菌率差异显著，且与FOC相比，FOL产孢量较高，而抑菌率较低，进一步表明不同病原菌对紫外胁迫具有不同的耐受性。

为进一步明确紫外线照射对营养液在循环使用过程中营养组分产生的影响，测定了接种2种病原菌的营养液中全氮、全磷和有机质含量。结果表明，随着紫外照射剂量的增加，处理间的全氮、全磷含量无显著差异（图3），而有机质含量呈逐渐下降的趋势，在最高剂量（U3.8×T5）下有机质含量最低，与U1.3×T1相比，FOC和FOL营养液中有机质含量分别降低了92.3%、83.3%。由此表明，紫外线照射可能对营养液中有机质有明显的降解效果，而对全氮、全磷含量无影响。

3 讨论

通过抑制病原菌菌丝生长及改变其菌丝形态和细胞膜通透性可实现侵害的有效防治[22]，紫外线辐射对真菌生长具有显著抑制效果。张玮等[21]利用短波紫外线辐照灰葡萄孢发现，紫外线能增强细胞膜渗透性，加快孢内物渗出，降低菌丝总糖和可溶性蛋白质含量，最终通过影响能量代谢相关酶活性大小来抑制细胞生长，大幅减小菌落直径。本试验中，随着紫外线照射强度和时间的增加，FOC和FOL病原菌菌落直径均明显减小，菌丝生长受到抑制。尖孢镰刀菌能诱发真菌类枯萎病，其菌丝生长、孢子萌发和生殖情况是评价病害蔓延的重要依据，通过阻断病菌任何一个生长阶段都有实现抑制病害发生的可能性。本试验结果显示，增加紫外线辐照剂量，FOC和FOL的产孢量和萌发率大大降低，在最高剂量1 140 mJ·cm-2下完全杀灭病菌，这与宗兆锋等[23]的结论一致。专化型尖孢镰刀菌的抑制作用不仅体现在离体试验中，营养液实际接种试验的结果也能进一步证实紫外线抑菌效果。本试验中，增加紫外线辐照剂量，营养液中的孢子总量大幅减少，抑菌率明显增加，在最高剂量1 140 mJ·cm-2下FOC和FOL的杀灭率达到95%以上，这与刘向辉等[3]、宋卫堂等[15]报道的紫外辐照对无土栽培循环营养液中的枯萎病菌实现100%杀灭率的结论类似。因此，采取紫外线对设施园艺栽培营养液中菌丝生长、孢子萌发和生殖进行的灭菌方式是行之有效的。

无土栽培循环营养液为植物生长提供主要的碳源、氮源，而紫外线灭菌技术利用光催化产生氧化性极强的羟基自由基（·OH），使难分解的大分子有机质氧化成CO2、H2O 及其他小分子物质[12]。本研究显示，紫外线辐射剂量增加，营养液中有机质含量呈逐渐降低的变化趋势，而全氮、全磷含量无明显变化。这与Hao等[24]利用15W紫外灯照射高原污水0.5 min达到最优的有机质30.8% 去除率的结果类似。通过紫外组合工艺，加大辐射强度能增加强氧化基团在溶液中的含量，继而引发链式反应的发生，分解废水中有机物的速率加快[25-27]。紫外线辐射可降低总氮和NH4+-N 的含量，在一定程度上抑制反硝化菌群，促进硝化细菌的生长繁殖，转化NH4+-N和NO3--N的氮素形态来实现脱氮效果[24， 28]。同时利用紫外辐射也可强化活性污泥除磷性能，去除4%～8%的总磷量，主要通过杀死或抑制除磷菌属的营养物质竞争菌群与非聚磷菌群，优化聚磷菌属的生长环境，增加有除磷能力的革兰氏阳性菌和Nessier 染色阳性菌属，增强活性污泥的除磷效果[24， 28‑29]。本试验中，紫外线辐射后营养液的全氮、全磷含量并未发生变化，可能是相对于污泥废水，无土栽培营养液成分较单一，其平均碳氮比（C/N）为0.066，仅占尤俊豪等[28] 研究中污水C/N的52%，缺少碳源严重影响微生物菌群活力，弱化脱氮除磷能力。

通过紫外线对设施园艺无土栽培营养液杀灭效果的研究，病原菌灭活是由其所接受的紫外剂量决定的，通过完全随机试验确定了最佳的消毒水平组合，即在一定经济效益条件下，辐射强度越大滞留时间越长杀灭效果越好。另外，由于高强度长时间的持续消毒会使营养液中有机质含量大幅下降，存在碳源不足无法维持植物后续生长的可能性，因此为确保生长营养需求，在营养液循环使用中需要补加一定量有机质。

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基金项目：中国农业科学院都市农业研究所基本科研业务费专项所级统筹项目（S2022002）；国家奶牛产业技术体系项目（CARS-36）；中国农业科学院科技创新工程项目（ASTIP-IUA-2022001）。