魏志瑩，楊秀雯，宋金諾，葉愉群，陳立斌

(長江大學 資源與環(huán)境學院，湖北 武漢 430100)

1 引言

隨著人口的增加，工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，人類活動對水生態(tài)系統(tǒng)的影響日益增加[1]。藻類爆發(fā)，使得水質變得渾濁，透明度降低，水體感官性能大大下降，有些藻類還會散發(fā)腥臭異味，造成魚類等水生生物死亡[2，3]，此外，藻類還會影響水廠的正常運行，有些藻類及其代謝產(chǎn)物是消毒副產(chǎn)物的前體物，經(jīng)消毒后會生成“三致”物質，嚴重影響了飲用水的衛(wèi)生安全，許多藍綠藻產(chǎn)生一系列的毒素會損害人體的神經(jīng)系統(tǒng)，還會導致腹瀉、嘔吐等，并能引發(fā)肝癌，對人類的健康有著極大的威脅[4]。

目前,國內(nèi)外針對水體藻類的治理開展了多方面的工作,常用的除藻方法有物理除藻法(機械打撈、超聲輻射等)[5，8，9]、化學除藻法[6，8，9]、生物控藻法[7，9]?；瘜W除藻法雖簡便易行、省時省力,但不能從根本上改善水質,還會對環(huán)境產(chǎn)生二次污染[10]；生物法雖具有較好的綜合效益，但是高效的生物技術仍有待開發(fā)[11]。而超聲波除藻技術被認為是一種環(huán)境友好型技術[12]，并且在除藻方面的應用逐漸得到重視[13]。研究表明：超聲波在水體中傳播時，由于超聲振動帶來的介質的交替壓縮和伸張會產(chǎn)生正壓和負壓，對水體中的各個介質產(chǎn)生作用，水體中的微氣泡產(chǎn)生振動，形成空化作用,空化作用發(fā)生后，空化氣泡在破裂過程中產(chǎn)生的高速射流、強烈沖擊波以及剪切力等作用力導致藻細胞，特別是藻類的氣囊結構被劇烈的破壞[14，15],所以超聲波作用可以很好的抑制藻細胞分裂，甚至使細胞破裂死亡，從而抑制藻細胞的生長,且超聲波作用具有反應過程溫和、速度快、無二次污染、高效等優(yōu)點[16，17，18]。

Zhang[19]等研究了不同吸光度和低超聲波強度下的除藻效果，發(fā)現(xiàn)在吸光度0.32 W/mL和低超聲波強度為25 kHz的條件下，處理銅綠假單胞菌5 min，銅綠假單胞菌葉綠素a濃度降低21.3%，PC吸光度降低44.8%；Tang[20]研究了在高超聲波頻率和低強度下的最佳除藻條件，發(fā)現(xiàn)在高超聲波頻率1.7 MHz和低強度0.6 W/cm2處理螺旋藻條件下，至少照射5 min為有效抑制的必要條件；邵路路[21]研究了不同溫度對低強度超聲波除藻的影響。前人主要通過改變超聲波強度和溫度來探討最佳除藻條件，但是對超聲波除藻的最佳除藻周期鮮有探討。

本文在前人研究的基礎上討論超聲波在不同溫度和處理時間下對小球藻的去除作用，并進一步探明超聲波處理后，藻類繼續(xù)培養(yǎng)多長時間會重新增長，以找出用超聲波處理的最佳除藻周期，為超聲波除藻技術的應用提供基礎的數(shù)據(jù)資料。

2 材料與方法

2.1 實驗材料與儀器

(1) 材料：小球藻，BG11培養(yǎng)基(由中國科學院淡水藻種庫提供)。

(2) 儀器：BOXUN立式壓力蒸汽滅菌鍋，SW-CJ-1FD單人單面凈化工作臺，顯微鏡，GZX-150BSH-Ⅲ光照培養(yǎng)箱(上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司)，ZY—1006超聲波儀，血球計數(shù)板(上海市求精生化試劑儀器有限公司)。

2.2 藻種培養(yǎng)

取100 mL BG11培養(yǎng)液于三角瓶中，用無菌膜封住瓶口，放入溫度為121 ℃的BOXUN立式壓力蒸汽滅菌鍋中滅菌25 min，然后打開SW—CJ—1FD單人單面凈化工作臺，利用紫外線殺菌30 min，之后在無菌操作臺上進行藻液接種，接種前先用95%的乙醇對手部進行消毒，并將無菌操作臺打開通風，點燃酒精燈，將藻液搖勻并揭開三角瓶上的無菌膜，用移液槍取5 mL 藻液于三角瓶中，再用無菌膜封住瓶口，然后將其放到光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，設定溫度為250.5 ℃，光照強度2000 lx，光暗比為12∶12，培養(yǎng)小球藻至穩(wěn)定期。

3 實驗過程

本實驗采用的超聲波儀的超聲頻率為40 kHz，超聲功率為360 W，加熱頻率為400 W。通過改變超聲波儀的溫度和作用時間來觀察除藻效果。將超聲波儀的溫度設定為20 ℃時，設置超聲波儀作用時間為30 s，1 min，3 min,5 min,7 min,10 min和15 min，取24支玻璃管進行實驗，其中3支為對照組(不進行超聲波處理)，每個相同的處理時間有3組平行實驗；將超聲波儀設定為30 ℃時，設置超聲波儀作用時間為1 min，3 min,5 min,7 min和15 min，取18支玻璃管進行實驗，其中3支為對照(不進行超聲波處理)，每個相同的處理時間有3組平行實驗。

從培養(yǎng)箱中取出三角瓶并搖晃，使藻細胞均勻分散于三角瓶中，并于每支玻璃管中裝5mL藻液，然后將其放在超聲波儀的內(nèi)槽中進行振蕩。實驗結束后，分別用移液槍從每支玻璃管中取出適量藻液于血球計數(shù)板上，將其放在顯微鏡下觀察藻細胞的數(shù)量，然后取平行實驗的平均值作為藻細胞的實驗數(shù)量,計算超聲波儀在不同處理時間下的藻細胞去除率。

將上述處理后的藻液放入光能培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，分別于12 h、4 h、36 h和48 h后觀察藻細胞數(shù)量的變化情況，培養(yǎng)條件與前期藻液培養(yǎng)條件一致。

4 結果與討論

4.1 20 ℃下超聲波對蛋白核小球藻的處理效果

如圖1所示，以超聲波儀作用不同時間后再培養(yǎng)0 h為對比，觀察超聲波儀在不同的作用時間下，蛋白核小球藻的去除率，如圖所示。藻液經(jīng)過超聲波儀作用不同的時間后，再培養(yǎng)12 h，蛋白核小球藻的去除率都呈上升狀態(tài)，且在此時達到最大去除率，其中超聲波儀作用15 min的去除率最大，為49.67%；培養(yǎng)24 h，蛋白核小球藻的去除率下降，且下降幅度最大，可能的原因是原來未被消滅的藻細胞分裂增長；培養(yǎng)36 h,去除率有微小的增長，可能是由于營養(yǎng)成分的限制，去除率的增長幅度不大；培養(yǎng)48 h，去除率趨近穩(wěn)定。

圖1 處理時間對蛋白核小球藻的去除效果的影響

超聲波儀分別作用30 s和15 min后，再將藻液培養(yǎng)24 h，蛋白核小球藻的去除率比其他作用時間的去除率低，幾乎為零?？赡艿脑蚴牵撼暡▋x只作用30 s，時間過短，以至玻璃管中大量的藻細胞未破裂死亡，并且經(jīng)過24 h的培養(yǎng)，原來未被消滅的藻細胞分裂生長，導致藻細胞的數(shù)量增加，去除率降低；超聲波作用15 min，由于作用時間過長，導致大量藻細胞被消滅，再經(jīng)過24 h的培養(yǎng)，培養(yǎng)液的含量對于剩下未被消滅的藻細胞而言是充足的，因此藻細胞大量增長。

結果表明：20 ℃時，藻液經(jīng)過超聲波儀作用15 min后，再培養(yǎng)12 h是最佳的除藻條件，并且可知此時最佳除藻周期為12 h。培養(yǎng)時間超過12 h，藻的去除率降低，可能的原因是超聲波作用后還存在一些未被消滅的藻細胞，這些藻細胞在光能培養(yǎng)箱中繼續(xù)增殖，導致藻細胞的數(shù)量增加，去除率下降。

4.2 30 ℃下超聲波對蛋白核小球藻的處理效果

如圖2所示，以超聲波儀處理0 s(不處理)為對比，觀察30 ℃下藻液在超聲波儀作用相同的時間后，再培養(yǎng)不同時間的除藻效果。雖然藻液的培養(yǎng)時間不同，但蛋白核小球藻的去除率整體呈上升趨勢。培養(yǎng)24 h的去除率均高于其他培養(yǎng)時間的去除率，其中超聲波儀作用15 min的去除率最大，為50.49%。培養(yǎng)36 h、48 h的去除率低于培養(yǎng)24 h的去除率，可能的原因是原未被超聲波儀消滅的藻細胞在長時間培養(yǎng)過程中繼續(xù)分裂增長，導致去除率下降。

圖2 培養(yǎng)時間對蛋白核小球藻的去除效果的影響

藻液經(jīng)過超聲波儀作用5 min后，再培養(yǎng)12 h的去除率為0，可能的原因是超聲波儀作用5 min，被去除的藻細胞不多，剩下未被去除的藻細胞經(jīng)過12 h的培養(yǎng)，分裂增長至與最初數(shù)量大致相同。

結果表明：30 ℃時，藻液經(jīng)過超聲波儀作用15 min后，再培養(yǎng)24 h，有最大的去除率，且此時最佳除藻周期為24 h。培養(yǎng)時間超過24 h則藻的去除率下降，可能的原因是超聲波儀作用后，還存在未被消滅的藻細胞，這些藻細胞在光能培養(yǎng)箱中繼續(xù)分裂增殖，使藻細胞的數(shù)量增加，去除率下降。

由于20 ℃時，藻液在超聲波儀作用30 s和10 min對實驗的整體趨勢并未有明顯的影響，因此，在30 ℃實驗中，為節(jié)省實驗成本，并未對其進行再次進行實驗。

4.3 20 ℃和30 ℃下超聲波對蛋白核小球藻處理效果比較

20 ℃和30 ℃的除藻效果比較如圖3所示。在20 ℃時，藻液經(jīng)過超聲波儀作用不同時間后再培養(yǎng)12 h，此時，超聲波儀作用時間越長，去除率越大；超聲波儀作用30 s至10 min后，再培養(yǎng)36 h，去除率增大；超聲波儀作用15 min后，再培養(yǎng)36 h，去除率下降；藻液經(jīng)過超聲波儀作用不同時間后再培養(yǎng)48 h，隨超聲波儀作用時間的增加，呈穩(wěn)定狀態(tài)。且藻液經(jīng)過超聲波儀作用15 min后，再培養(yǎng)12 h達到最大去除率49.66%。在30 ℃時，超聲波儀作用時間與藻液繼續(xù)培養(yǎng)的時間大致呈正比關系，此時除藻率呈上升趨勢。 藻液經(jīng)過超聲波儀作用不同時間后再培養(yǎng)48 h，隨超聲波儀作用時間的增加，去除率呈穩(wěn)定上升狀態(tài)。且藻液經(jīng)過超聲波儀處理15 min后，再培養(yǎng)24 h達到最大去除率50.49%。

圖3 溫度對超聲波除藻效果的影響

結果表明：用超聲波儀進行除藻后，再將藻液培養(yǎng)12 h，20 ℃的除藻效果均優(yōu)于30℃的除藻效果；培養(yǎng)24 h時，30 ℃的除藻效果均優(yōu)于20 ℃的除藻效果。在20 ℃與30 ℃均在最優(yōu)條件下時，溫度為30 ℃，超聲頻率為40 kHz,超聲波儀處理15 min后再培養(yǎng)24 h的除藻率最高，為50.49%。因此，對20 ℃和30 ℃,超聲頻率為40 kHz下，超聲波對蛋白核小球藻處理效果比較時，應考慮培養(yǎng)時間的影響。

5 結語

超聲波除藻技術可以有效去除藻類，并且通過實驗探討超聲波儀的超聲頻率為40 kHz下，溫度分別為20 ℃和30 ℃時，超聲波作用不同時間對除藻效率的影響。結果表明:在最優(yōu)條件下，30 ℃的最佳除藻效率優(yōu)于20 ℃的除藻效率，即在超聲頻率為40 kHz，30 ℃時超聲波儀作用15 min，藻類的去除效率最佳，此時最佳除藻周期為24 h，而在20 ℃時最佳的除藻周期為12 h。