范功端，林 茜，陳麗茹，林茹晶，蘇昭越，陳 薇

(福州大學土木工程學院,福建福州 350108)

超聲波技術(shù)預(yù)防性抑制藍藻水華的研究

范功端，林 茜，陳麗茹，林茹晶，蘇昭越，陳 薇

(福州大學土木工程學院,福建福州 350108)

指出傳統(tǒng)的藍藻水華治理方法中存在的問題：大規(guī)模地殺滅藍藻,造成大量藻細胞破裂,細胞內(nèi)藻毒素等有害分泌物釋放到水中,引發(fā)二次污染。介紹藍藻水華的預(yù)防性調(diào)控方法,即在水體形成水華前,通過抑制藍藻細胞生長,將其藻類生物量始終控制在一定水平以下,避免藍藻水華的暴發(fā)。綜述了超聲參數(shù)對除藻抑藻效果的影響,以及超聲對藻細胞生理系統(tǒng)的影響,探討超聲除藻抑藻的機理,并針對以往研究存在的不足,對后續(xù)研究重點進行了展望。

超聲波技術(shù)；預(yù)防性抑制；藍藻水華；銅綠微囊藻

藍藻水華(Cyanobacterial bloom)指在溫度、光照、營養(yǎng)鹽適宜的條件下,表層水體中藍藻急劇增長而成為優(yōu)勢種的現(xiàn)象[1]。具有浮力或運動能力的藍藻在水面聚集、形成浮渣的現(xiàn)象被稱為表層水華(surface bloom),人們所稱的藍藻水華通常指表層水華,常發(fā)生在富營養(yǎng)化水體中[2]。形成表層水華的藍藻是具有偽空泡、可形成高生物量的物種,典型藻種有銅綠微囊藻、魚腥藻和束絲藻等。

藍藻水華已成為世界性的環(huán)境問題,我國藍藻水華問題也日趨嚴重,各類水體頻頻發(fā)生藍藻水華問題,包括大型湖泊、城市供水水庫、城市景觀湖與城市河道等。水體發(fā)生藍藻水華會引起生態(tài)系統(tǒng)失衡,造成魚類等水生生物的大量死亡[3]。有些藻類產(chǎn)生的有害代謝物,如土腥素、硫醇、吲哚、胺類、酮類、藻毒素等,不僅使水體產(chǎn)生異味,還可能通過食物鏈威脅人類健康,致使人體患上各種疾病,如皮膚病、胃腸疾病、肺炎及肝癌等[4]。若飲用水源出現(xiàn)藍藻水華,則會影響凈水廠的運行管理與供水安全[5]。如今,防治藍藻水華已成為世界性的熱點、難點和前沿問題。

1 藍藻水華防治新思路

1.1 傳統(tǒng)的應(yīng)急處理思路

藍藻水華的根治措施是減少外源性營養(yǎng)鹽的輸入量,降低水體中氮鹽、磷、鹽的含量,使藻類缺失必要的營養(yǎng)物質(zhì)而無法大量繁殖[6],常采用截污、換水、曝氣混合以及底泥疏浚等措施,但這些措施只能在短期內(nèi)控制水體氮磷負荷。以往所采用的物理、化學和生物等方法大多遵循應(yīng)急處理思路(圖1),即大規(guī)模地殺滅藍藻,造成大量藻細胞破裂,使細胞內(nèi)容物釋放到水中,部分藻類還會釋放藻毒素,導致水體二次污染。這些應(yīng)急處理方法有效期短,難以徹底清除藍藻種源,藍藻水華可能再次發(fā)生。凈水廠常采用投加強氧化劑或增設(shè)除藻工藝應(yīng)對藍藻水華,如化學預(yù)氧化法、混凝劑法和氣浮法等。這些方法同樣可能造成藻類大量死亡,且復雜的工藝增加了制水成本。

圖1 藍藻水華的水廠處理和應(yīng)急處理思路

1.2 預(yù)防性調(diào)控方法

針對上述方法的弊端,提出了藍藻水華的預(yù)防性調(diào)控方法(圖2)。預(yù)防性調(diào)控方法指在藍藻水華形成之前,通過抑制藍藻細胞生長,將其生物量始終控制在一定水平以下,就可避免藍藻水華的暴發(fā)[7],同時也能避免二次污染等不利影響,降低環(huán)境風險,減少治理成本。

超聲波技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的一種新型環(huán)境技術(shù),在水處理領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛。利用超聲產(chǎn)生的空化作用、自由基效應(yīng)等可去除水中三鹵甲烷前體物、消毒后形成的消毒副產(chǎn)物、持久性有機污染物、內(nèi)分泌干擾物、藻毒素、有害藻華和有毒有害的難降解有機物等。超聲波技術(shù)具有以下優(yōu)點:操作和控制相對容易,在處理中不引入其他的化學物質(zhì),反應(yīng)條件溫和,反應(yīng)速度較快,安全、經(jīng)濟等,被稱為

圖2 藍藻水華的預(yù)防性調(diào)控方法

“環(huán)境友好技術(shù)”[8],可作為藍藻水華的預(yù)防性調(diào)控技術(shù)。

2 超聲除藻抑藻技術(shù)研究現(xiàn)狀

超聲應(yīng)用于除藻、抑藻的研究集中在近10多年里,主要關(guān)注超聲控制參數(shù)、除藻效果以及作用機理研究。2000年以來,日本學者[9]和韓國學者[10-11]陸續(xù)發(fā)表論文,探討把超聲作為一種直接凈化技術(shù)應(yīng)用于自然水體,利用超聲抑制水庫、湖泊等緩流水體中藍藻水華的暴發(fā)。2003年后,我國的湯嬌雯[12]、郝紅偉[13-14]、張光明[15-17]等學者也相繼開展了超聲除藻抑藻的相關(guān)研究,超聲除藻技術(shù)有了進一步的發(fā)展。

2.1 超聲參數(shù)對除藻抑藻效果的影響

2.1.1 超聲頻率

頻率是一個重要的超聲參數(shù),因為空化閾與空化泡(cavity bubble)直徑取決于超聲頻率[18]。游離氣泡的共振頻率可以通過以下公式來估算[19]:

式中:f為超聲頻率；γ為在恒定壓力下的氣體的熱容量和體積之比；a為氣泡的半徑；p0為環(huán)境壓力；ρ為周圍介質(zhì)的密度；σ為周圍介質(zhì)的表面張力,常忽略不計。

Petrier等[20]在實驗研究超聲降解苯酚速度時發(fā)現(xiàn),200 kHz超聲的降解速度是20 kHz的9.8倍。因此,探索最佳的超聲頻率具有十分重要的應(yīng)用價值。碘量法檢測結(jié)果表明,在較低頻率范圍內(nèi)(21.5～84.4 kHz),頻率越低,功率越大(40～1200W),空化作用的強度越大[21],藻細胞的葉綠素熒光強度越弱,表明細胞光合活性越差。頻率越大,產(chǎn)生空化泡所需要的功率強度越大。

特定頻率超聲對藻類作用具有選擇性,超聲除藻抑藻實驗得到的最佳頻率值差異很大,如580 kHz[22]、150 kHz[23]、1.7 MHz[12-13]、200 kHz[16]、80 kHz[17-24]等,目前超聲的頻率還未有確定的數(shù)值或范圍。部分研究選用超聲頻率值時,只關(guān)注超聲對藻類的去除效果,未考慮到實際應(yīng)用時的限制,實驗所采用的高頻超聲難以應(yīng)用在實際中,因為超聲頻率越高,其在水體中衰減越快,有效作用范圍越小(僅幾厘米),因此,建議采用頻率相對較低(20～200kHz)的超聲波。

2.1.2 超聲功率

能耗是考察超聲處理效能的指標之一,而且對實驗時采用的超聲設(shè)備,若超聲頻率不同,功率一般也不同,因此比較不同超聲頻率作用效果時,還應(yīng)該考慮到超聲功率的影響。功率越大(32～80W),反應(yīng)速度越快,所需的處理時間越短,因此消耗的能量越少[17]。以生物減少量為評價指標與以效率(效率為去除率與功率密度的比值[22])為評價指標得到的最佳頻率是不同的[25],效率決定的最優(yōu)超聲參數(shù)考慮了經(jīng)濟性。

通常采用功率密度衡量超聲作用強度,功率密度指單位體積介質(zhì)輸送的功率,單位為W/L,kW/L或W/mL。Rajasekhar等[26]以效率評估作用效果時認為:超聲功率密度越大,對藻類的抑制作用越顯著。在一定的功率范圍內(nèi)(0～80W),隨著功率的增加,空化作用存在飽和現(xiàn)象,當功率超過一定值時,抑藻效果就沒有明顯提升[14]。Wu等[25]分析認為:功率越大,覆蓋在傳感器表面的空化泡就越多,超聲穿透氣泡后的強度衰減越大,更多的聲能轉(zhuǎn)化為熱能,則藍藻的生長抑制效果逐漸趨于穩(wěn)定,因此,頻率相同時,超聲處理銅綠微囊藻時存在最佳功率值。

考慮到高強度超聲能耗大,超聲強度過大會使藻細胞破碎,使細胞內(nèi)容物及藻毒素(部分藻類含有藻毒素)釋放到水體中,增加二次污染風險,同時高強度對其他水生生物會產(chǎn)生較大影響。因此,實際應(yīng)用時推薦選用低強度超聲。

2.1.3 超聲輻照時間

輻照時間是影響除藻效果的重要因素,能反映實際應(yīng)用時的經(jīng)濟性。Lee等[21]用超聲處理Senba湖泊的藍綠藻(Blue-Green Algae,BGA)的實驗發(fā)現(xiàn),超聲處理3 s就能使80%的藻細胞沉降,時間延長至30 s時,藻細胞幾乎全部沉降。碘量法實驗結(jié)果表明,作用時間越長,空化作用的強度也會越大。對于自然水體藻類,短時間的超聲作用效果明顯。對于常見藍藻銅綠微囊藻,通常采用更長的超聲處理時間(0～30min)。特定頻率和功率的超聲,輻照時間越長,抑制效果越好,藻細胞懸液濃度下降越快[22],恢復初始生物量所需的時間越長,但當輻照時間大于某一值時,作用效果會逐漸趨于穩(wěn)定。大多數(shù)實驗結(jié)果顯示,超聲處理前5min的處理效率較高[13,17,26],如果繼續(xù)增加處理時間,雖然抑藻效果在提升,但是經(jīng)濟性卻越來越差。

2.1.4 超聲輻照模式

超聲輸入能量相同時,多頻次、低劑量的輻照模式對藻類的生長抑制作用更明顯[11]。超聲對藻細胞的作用是有時效性的,超聲作用后的細胞會出現(xiàn)細胞體積增大、Chl-a含量增大的應(yīng)激性反應(yīng),細胞利用自身的修復能力可實現(xiàn)再生長,因此在細胞機能將要恢復時,對細胞再次施加超聲波,能夠阻斷細胞繼續(xù)生長分裂。湯嬌雯等[12]研究超聲對鈍頂螺旋藻(Spirulina platensis)的作用效果,采用每3 d輻照4 min時,超聲處理后灌類生物量為對照組的30.1%；而采用每11 d輻照12min時,超聲處理后灌類生物量為對照組的60%。超聲輻照模式關(guān)系到超聲應(yīng)用時的操作方式與能量消耗?，F(xiàn)有研究結(jié)果認為,相較于單次高劑量的超聲輻照,間歇式、短時間輻照能得到更好的除藻抑藻效果。

2.2 超聲對藻細胞生理系統(tǒng)的影響

2.2.1 藻種與生長期

不同的藻類,由于藻細胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)、形態(tài)的差異性,其對于超聲作用的響應(yīng)也是不同的。聚球藻(Synechococcus)不含氣囊,超聲輻照后溶液電導率變化微小,而具有氣囊的銅綠微囊藻溶液的電導率急劇增大,藻細胞的丙二醛(Malondialdehyde,MDA)濃度明顯增大,脂質(zhì)過氧化作用更明顯[12]。卷曲魚腥藻因為絲狀結(jié)構(gòu),相比于銅綠微囊藻和小球藻,更易受超聲破壞,且胞內(nèi)氣囊結(jié)構(gòu)強度比微囊藻弱,相同強度超聲處理后,恢復初始生物量的時間較長[26]。由于小球藻不含氣囊,超聲作用后的細胞光密度并沒有明顯低于初始水平。

不同生長期的藻細胞,對超聲作用的抵抗能力不同。Ahn等[10-11]研究發(fā)現(xiàn),對于培養(yǎng)模式為4 h/10 h光暗周期的銅綠微囊藻,在光照末期(第13小時時),超聲對銅綠微囊藻的生長具有最佳抑制效果,原因是大部分銅綠微囊藻在此時處于分裂階段,藻細胞抵抗外界刺激的能力較弱。處于對數(shù)生長期的藻細胞對超聲的抵抗力比延滯期的藻細胞強,因為對數(shù)期的藻細胞代謝活性高,可在短期內(nèi)恢復受到的破壞；而延滯期的藻類細胞生理活性差,對外界干擾的抵抗能力弱,細胞易受到嚴重損害[27]。

2.2.2 氣囊

浮游植物藍藻的典型特征是具有氣囊,氣囊由中空的圓柱形囊泡堆疊而成[28],氣體能夠透過氣囊膜[29],因此可調(diào)節(jié)細胞所受到的浮力,調(diào)整細胞在水柱中的位置,當氣囊所受壓力超過臨界值時,氣囊結(jié)構(gòu)將會崩塌瓦解,呈扁平狀[30]。Klebahn的錘子、瓶塞和瓶子試驗表明,對藻類懸液施加一定壓力能夠破壞氣囊,使藻類沉降于容器底部。早在1971年,Lehmann等[31]就利用超聲產(chǎn)生的一系列反應(yīng),破壞銅綠微囊藻細胞內(nèi)的氣囊。流式細胞儀(flow cytometry,FCM)檢測能夠更準確地評估氣囊受損與再生的情況,Jong等[32]發(fā)現(xiàn)超聲作用后氣囊破裂的微囊藻呈現(xiàn)出不同的側(cè)向散射圖(side scatter)和熒光光譜,透射電子顯微鏡掃描圖片也顯示藍藻細胞的氣囊受損。

當超聲頻率較高時,藻類去除速率常數(shù)可以顯著提高[17]。與不含氣囊的聚球藻(Synechococcus)相比,銅綠微囊藻的生物量增量下降了65%,所需的再生時間也更長,該現(xiàn)象表明共振效應(yīng)影響了含氣囊藻類的生長[12]。雖然功率只有0.6W/cm2,但實驗超聲頻率較高(1.7MHz),接近計算得到的含氣囊藻細胞的特征頻率。Rajasekhar等[26]的實驗也證實超聲作用后,含氣囊藻種的生長受到更明顯的抑制。然而,Walsby等[33]的實驗表明,藍藻細胞氣囊的直徑約為67 nm,要求產(chǎn)生共振效應(yīng)的頻率非常大,且氣囊不是球形,因此氣囊的破壞機理可能不是共振效應(yīng)。

2.2.3 光合作用系統(tǒng)

超聲不僅破壞氣囊,還會影響藻細胞光合活性。藻膽體(Phycobilisomes,PBS)是藍藻主要的天然復合物,主要由藻膽蛋白組成[34],藻膽蛋白復合物位于類囊體膜的表面[35]。光能量從藻藍蛋白(Phycocyanin,PC)轉(zhuǎn)移到別藻藍蛋白上(Allophycocyanin,APC),然后到核心膜連接多肽(Coremembrane linker polypeptide,LCM),最后傳遞至光合體系I和光合體系Ⅱ中的葉綠素a (Chlorophyll a,Chl-a)[36]。

細胞葉綠素熒光強度能夠反映光合活性強弱。短時間超聲處理后,綠色擻囊藻(M.viridis)、銅綠微囊藻和取自Senba湖的藍綠藻的Chl-a濃度下降、葉綠素熒光減弱[21],超聲處理我國太湖的藍綠藻也發(fā)現(xiàn)藻樣的Chl-a濃度下降[37]。處理后連續(xù)培養(yǎng)幾日,實驗組的Chl-a濃度始終低于對照組[13],表明Chl-a合成速率降低,原因可能是氣囊破裂損傷了類囊體膜上與Chl-a合成有關(guān)的酶結(jié)構(gòu),從而影響Chl-a的合成。

超聲作用后,藻細胞的最大凈光合作用速率降低[16],藻膽蛋白熒光光譜也發(fā)生改變,表現(xiàn)為LCM (685 nm)熒光減弱,PC(650 nm)和APC(665 nm)熒光增強,表明光能量被限制在藻膽蛋白內(nèi),無法從PBS傳遞到Chl-a,進一步的光合作用受到抑制。由于三聚體或六聚體的PC聚合物含有中央空腔[13-14],削弱了結(jié)構(gòu)強度,而Chl-a位于細胞內(nèi),細胞膜在一定程度保護了胞內(nèi)色素免受影響,因此細胞吸收光譜顯示PC峰下降的比Chl-a明顯。熒光儀掃描結(jié)果顯示665 nm指示的藻膽蛋白熒光峰在超聲處理后減弱,表明細胞新陳代謝活性受損,FCM檢測結(jié)果也顯示細胞活性減弱[32]。

2.2.4 藻毒素

在19世紀后期,人們就發(fā)現(xiàn)藍藻水華會釋放潛在的致命毒素。常見藻毒素,如肝毒素(Hepatotoxin)、魚腥藻毒素-a(Anatoxin-a)和新石房蛤毒素(Neosaxitoxin),會致使人體胞外染色體斷裂[38],對動物和人類造成急性與慢性毒害作用[39]。1996年,巴西就發(fā)生首起人類死于微囊藻毒素的事件[40]。超聲輻照引起的空化作用、自由基效應(yīng)等破壞了藍藻細胞的細胞膜/細胞壁,會加劇藻毒素的釋放過程。

通過控制超聲參數(shù),可以避免藻毒素釋放。用輸入功率1200W、頻率28 kHz的超聲處理銅綠微囊藻后,控制輻照時間在5min以下時,不會引起微囊藻毒素-RR(Microcystin-RR)的釋放[21]。功率增大會增加藻毒素釋放的風險,維持低功率更安全,而頻率對藻毒素的濃度影響不大[17]。超聲作用后,對藻類持續(xù)培養(yǎng)14 d后發(fā)現(xiàn),超聲處理后的藻毒素僅為對照組的16%,說明超聲雖不會明顯降低胞外藻毒素的濃度,但能夠抑制藻毒素的釋放[16,41]。隨后的研究發(fā)現(xiàn),超聲能夠降解水體中的藻毒素,超聲功率越大、輻照時間越長,藻毒素的去除率越高。Zhang等[17]的實驗結(jié)果也顯示一定強度的超聲作用藻細胞后,輻照時間越長,藻毒素濃度越小。

上述針對超聲對藻細胞生長期、氣囊、光合作用系統(tǒng)、藻毒素釋放的研究,大多只關(guān)注超聲即時作用效果或短期內(nèi)的影響,較少研究超聲對藻類的持續(xù)性抑制作用效果。超聲作用后,若培養(yǎng)條件適宜,氣囊可以再生[32],藻細胞可能恢復細胞活性,繼續(xù)其分裂增殖過程。因此,目前尚不清楚超聲作用的時效性與實用性。

2.3 超聲除藻抑藻機理

超聲對藻類作用機理研究的主要結(jié)論為超聲空化作用。超聲波(頻率高于20 kHz的聲波)在水中傳播時,使介質(zhì)產(chǎn)生一系列疏密相間的周期性變形,當超聲強度高于介質(zhì)的空化閾時,將引發(fā)超聲空化作用,大量空化泡在短時間內(nèi)崩潰破裂。在其內(nèi)部和周圍區(qū)域產(chǎn)生100MPa以上的高壓和5 000 K以上的高溫[42]。空化泡破裂主要引起為機械作用和化學作用。機械作用指高速微射流和強烈的沖擊波,化學作用指高溫高壓環(huán)境使水分子降解生成自由基(·OH)[43]。這些作用能破壞藍藻細胞結(jié)構(gòu),抑制藻細胞分裂增殖,達到治理藍藻水華的目的[42]。

Broekman等[44]指出超聲空化作用產(chǎn)生的高溫、高壓環(huán)境,可使藻類等生物體進入程序性細胞死亡過程(programmed cell death,PCD),從而控制藻類的生長。郝宏偉等[13-14]研究認為超聲對藻類的抑制作用主要由空化作用引起,200 kHz是抑制藍藻生長的最佳頻率,空化作用隨著功率的增加會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。Joyce等[22]認為空化泡的產(chǎn)生與破裂是藻類滅活的驅(qū)動力,頻率和功率會影響空化泡的產(chǎn)生。頻率越大,要求產(chǎn)生空化泡的功率強度越大,產(chǎn)生的自由基數(shù)量也越多,自由基會破壞細胞壁的化學結(jié)構(gòu),Wu等[25]認為自由基效應(yīng)對藻類的抑制作用更大,但是張光明等[17]的實驗得出了不同結(jié)論,向水體投加自由基清除劑后,藻類去除率沒有變小,因此認為自由基效應(yīng)不明顯。

近年來市場上出現(xiàn)了多種超聲除藻設(shè)備,設(shè)備說明書指出其是利用超聲引起的空化作用破壞藻細胞壁、細胞膜,使得藻細胞破碎而死亡。Inman[45]用功率40W、頻率28 kHz的市售超聲裝置處理沉積湖的水華,認為空化作用不是超聲除藻的主要原因,也沒有證據(jù)表明水體中發(fā)生了空化作用。Lürling等[46]的實地研究也得出了類似的結(jié)論,超聲能抑制卷曲魚腥藻和納氏擬筒孢藻的生長,但是實驗檢測超聲設(shè)備的功率密度只有8.5×10-4W/mL,如此低強度的超聲不足以在水體中引起空化作用,因此不能籠統(tǒng)地將超聲對藻類的作用機理概括為空化作用,需要對其作用機理深入研究探討。

超聲作用后藻細胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)、藻細胞活性、細胞膜完整性、光合作用系統(tǒng)等細胞生理特征變化的研究未深入,更難以說明超聲抑制水華藍藻生長的機理。因此,后續(xù)研究還有必要利用現(xiàn)代先進的分析方法與技術(shù),在細胞、分子、基因等水平上研究超聲作用后藻細胞生理特征變化情況,揭示超聲抑制藻類生長的作用機理。

2.4 超聲波除藻技術(shù)實際應(yīng)用情況

過去10多年,一些研究者嘗試將超聲波技術(shù)用于治理實際水體中的藻類。Nakano等[9]將超聲波技術(shù)(200 kHz,200W)與水射流結(jié)合構(gòu)建超聲集成系統(tǒng)用于控制Senba湖(體積36.5萬m3)藍藻水華,為期2年的水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果表明,啟用超聲集成系統(tǒng)后,Chl-a、SS和透明度等與水華相關(guān)的指標均維持在較低水平,COD、磷含量等水質(zhì)指標也有所降低,湖泊水質(zhì)得到改善。

Ahn等[10-11]在實驗室研究的基礎(chǔ)上,組建超聲設(shè)備(22 kHz,630W)與水泵的組合裝置,用于9 000 m3富營養(yǎng)化池塘中藍藻的處理,效果顯著,研究發(fā)現(xiàn)組合裝置可以選擇性處理藍藻,在對比試驗中,實驗組池塘的藍藻生長受到明顯抑制,Chl-a濃度只有對照組的61%和53%。Ding等[47]在太湖進行的實驗結(jié)果顯示,超聲(20 kHz,40W)輻照后水體藻類密度由107個/mL降至105個/mL。Fan等[48]研究團隊通過實驗室優(yōu)化超聲參數(shù)后將超聲波安裝于浮船上,用于三峽庫區(qū)小江蓬溪河段水體藻類的治理,通過2 h的治理,藻密度由(1.10±0.02)×107個/mL降至(2.1±0.1)105個/mL,活體Chl-a濃度下降到原來的13.8%。

綜合分析上述應(yīng)用研究可知,超聲波技術(shù)可作為解決富營養(yǎng)化湖泊藻類過量繁殖的方法之一。但采用該方法對其他水生動植物的影響、能耗情況等還未有報道。因此,后期研究還應(yīng)對水質(zhì)進行長期跟蹤監(jiān)測,研究生態(tài)系統(tǒng)的變化情況,重點關(guān)注超聲對水體中其他水生動植物的影響。相關(guān)研究主要關(guān)注作用效果,但所選用的超聲參數(shù)范圍小,因此后期研究還應(yīng)根據(jù)實際水體的優(yōu)勢藻種確定最佳的超聲波參數(shù),以使作用效果最佳并且最節(jié)能。

3 結(jié)論與建議

綜合以上,得出如下結(jié)論:

a.利用超聲預(yù)防性控制藍藻水華,可避免大量藻細胞破裂,細胞內(nèi)藻毒素等有害分泌物釋放到水中而造成二次污染。

b.超聲頻率、功率和輻照時間是影響超聲抑藻效果的主要因素,研究表明存在最佳參數(shù)組合使除藻效果最佳且能耗最低。

c.超聲波能夠破壞藻細胞的氣囊,使藻類失去浮力而沉降,抑制細胞生長。超聲會影響藻細胞光合活性,破壞藻膽蛋白結(jié)構(gòu),抑制光合作用。超聲輻照可能加劇藻毒素的釋放過程,但通過設(shè)定合適的超聲參數(shù),可以控制藻毒素的釋放量,一定強度的超聲還能夠降解水體中的藻毒素。

d.超聲波組合裝置能夠有效抑制自然水體中的藻類生長,并可選擇性地控制藍藻。超聲處理還能在一定程度上改善富營養(yǎng)化水體水質(zhì),降低水體氮磷負荷,可用于治理富營養(yǎng)化湖泊藍藻水華問題。

為了更好地使超聲用于水體藻華的控制,還應(yīng)進行如下研究:

a.不同藻種對超聲參數(shù)要求不同,為達到除藻效果最佳且能耗最低,需進一步研究確定不同藻種的超聲控制參數(shù)數(shù)值或范圍。

b.超聲對藍藻的影響研究大多只關(guān)注超聲即時作用效果或短期內(nèi)的影響,需加強研究超聲對藻類的持續(xù)性抑制作用效果。

c.建議從超聲作用對藻細胞生理特征影響方面著手,研究超聲作用對藻細胞形態(tài)、生理活性、抗氧化酶系統(tǒng)及光合作用系統(tǒng)的影響,揭示超聲除藻抑藻機理,并探究超聲抑制藻細胞生長而膜損傷小、細胞內(nèi)容物不釋放到水體中的超聲組合參數(shù)范圍,為超聲預(yù)防性抑藻技術(shù)在水體中的大規(guī)模應(yīng)用提供理論依據(jù)。

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Research on preventive inhibition for cyanobacteria bloom s using ultrasound technology

FAN Gongduan,LIN Qian,CHEN Liru,LIN Rujing,SU Zhaoyue,CHENWei
(College ofCivil Engineering ofFuzhou University,Fuzhou 350108,China)

Problems in traditionalmethods for treating cyanobacteria bloom were pointed out,which is algal cells rupture will happen when killingmassive cyanobacteria,and intracellular algal toxins and other harmful secretions are inevitably released to the aquatic environment,leading to the secondary pollution.Therefore,the preventive regulation method for cyanobacterial blooms was proposed in this study.Before cyanobacterial blooms happen, algae biomasswas herein controlled under a certain level by inhibiting algae growth.Thus the cyanobacterial blooms were avoided.In addition,the influence of the ultrasonic parameters on the algae removal or inhibition as well as the ultrasound influence on cellular physiological system was analyzed.The mechanism of algae removal and inhibition by the ultrasound was employed.Given the existed deficiencies in previous studies,the focus of follow-up study was prospected.

ultrasound technology；preventive inhibition；cyanobacterial blooms；Microcystis aeruginosa

X52

：A

：1004 6933(2015)06 0158 07

10.3880/j.issn.1004 6933.2015.06.026

2015 06 20 編輯:徐 娟)

國家自然科學基金(51308123)；中國博士后科學基金(2014M561856)

范功端(1984—),男,副教授,博士,主要從事水體修復、水處理理論與技術(shù)研究。E-mail:fgdfz@fzu.edu.cn