超聲波除藻技術(shù)進(jìn)展及其應(yīng)用前景

趙 銳 趙嘉熹

(1.珠海水資源中心， 珠海 519000； 2.天津大學(xué)， 天津 300000)

超聲波除藻技術(shù)進(jìn)展及其應(yīng)用前景

趙 銳1趙嘉熹2

(1.珠海水資源中心， 珠海 519000； 2.天津大學(xué)， 天津 300000)

近年來，以藍(lán)藻水華為表征的水體富營養(yǎng)化已逐漸成為全球范圍內(nèi)湖泊和水庫面臨的主要生態(tài)環(huán)境問題。去除和控制藻類水華，特別是產(chǎn)毒藍(lán)藻水華已經(jīng)成為湖泊和水庫生態(tài)修復(fù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，國內(nèi)外學(xué)者研究了各種控藻技術(shù)來治理藍(lán)藻水華，主要包括：化學(xué)殺藻法、化學(xué)絮凝法、黏土凝聚法和超聲輻射法等。其中，超聲波控(除)藻屬于環(huán)境友好型技術(shù)，近年來越來越受到國內(nèi)外的普遍關(guān)注，并逐漸應(yīng)用于藻類水華應(yīng)急處理。本文介紹了超聲波除藻技術(shù)的進(jìn)展及應(yīng)用前景。

超聲波； 控藻； 偽空胞； 生理活性

近年來，以藍(lán)藻水華為表征的水體富營養(yǎng)化已逐漸成為全球范圍內(nèi)湖泊和水庫面臨的主要生態(tài)環(huán)境問題。水體藍(lán)藻如果異常增殖，覆蓋水面，將導(dǎo)致水體渾濁，并惡化水質(zhì)，散發(fā)腥臭味，影響周圍人類生活，而且在夜間大量消耗水體中的溶解氧，易使魚類缺氧死亡，特別是產(chǎn)毒藍(lán)藻株釋放的毒素進(jìn)一步毒害水生動(dòng)物，造成動(dòng)物器官損傷和死亡以及由此產(chǎn)生的藻毒素污染等問題，并可能隨食物鏈積累至人體，對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)和人類健康造成巨大危害，水源地如果發(fā)生藻華會(huì)直接影響飲用水安全。因此，去除和控制藻類水華，特別是產(chǎn)毒藍(lán)藻水華已經(jīng)成為湖泊和水庫生態(tài)修復(fù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

目前，國內(nèi)外學(xué)者研究了各種控藻技術(shù)來治理藍(lán)藻水華，主要包括化學(xué)殺藻法、化學(xué)絮凝法、黏土凝聚法和超聲輻射法等。其中，超聲波被認(rèn)為是一種環(huán)境友好型技術(shù)，具有便于引進(jìn)自動(dòng)化操作技術(shù)、無化學(xué)藥物參與、反應(yīng)溫和、速度快、無二次污染等優(yōu)點(diǎn)。研究表明超聲波可有效地抑制藻類生長，對(duì)具偽空胞的藍(lán)藻細(xì)胞去除效果尤為明顯。因此，超聲波控藻技術(shù)開始逐漸應(yīng)用到藍(lán)藻水華應(yīng)急處理中[1]。

超聲波主要通過空化泡共振效應(yīng)、高溫裂解效應(yīng)、自由基氧化效應(yīng)和微射流剪切效應(yīng)這四種物理化學(xué)效應(yīng)對(duì)藻類生理活性和細(xì)胞結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響[2]。超聲波除藻效果取決于功率和頻率這兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。

1 超聲波對(duì)藻類細(xì)胞生理活性的影響

1.1 超聲波對(duì)藻類酶活性影響

1.2 超聲波對(duì)藻類光合作用影響

光合作用是藻類獲得自身生長所需能量，維持各項(xiàng)生命活動(dòng)的必要途徑。藻類光合作用獲取光能的載體是葉綠素和藻膽蛋白。超聲波空化產(chǎn)生的高溫裂解效應(yīng)和自由基氧化效應(yīng)可破壞這些光合色素，降低光能獲取能力，從而抑制光合作用，最終導(dǎo)致藻細(xì)胞死亡。Zhang等[8]研究了低頻超聲波(頻率25kHz，強(qiáng)度0.32W/mL)作用對(duì)微囊藻葉綠素a、藻膽蛋白的含量和光合作用放氧速率的影響，發(fā)現(xiàn)在超聲波作用5min后微囊藻細(xì)胞豐度下降10.8%，葉綠素a的含量下降21.35%，藻青蛋白的含量下降44.8%，光合作用產(chǎn)氧速率下降44.8%。Tang等[9]研究高頻超聲波(頻率1.7MHz，強(qiáng)度0.6W/cm2)對(duì)墩頂螺旋藻光合作用活性的影響，發(fā)現(xiàn)超聲波作用5min后藻膽蛋白的含量下降了40%，葉綠素a的含量下降了25%，光合作用產(chǎn)氧速率下降了49%。超聲波對(duì)藻膽蛋白的破壞程度遠(yuǎn)比葉綠素a大，這可能是因?yàn)槿~綠素a位于類囊體片層內(nèi)，類囊體膜對(duì)其起到了物理屏障的作用。上述研究均表明，超聲波對(duì)藻類細(xì)胞光合活性有強(qiáng)烈的抑制作用。

2 超聲波對(duì)藻類細(xì)胞結(jié)構(gòu)的影響

2.1 超聲波對(duì)藻類細(xì)胞膜/細(xì)胞壁的影響

超聲波空化作用產(chǎn)生的高溫裂解效應(yīng)、自由基氧化效應(yīng)及機(jī)械剪切效應(yīng)還會(huì)破壞藻細(xì)胞的細(xì)胞壁或細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致藻細(xì)胞破裂。Tang等[10]和Chen等[6]研究超聲波對(duì)銅綠微囊藻細(xì)胞膜透性的影響，發(fā)現(xiàn)超聲波會(huì)引起銅綠微囊藻細(xì)胞膜通透性增強(qiáng)。Purcell等[11]使用超聲強(qiáng)度為0.023～0.031W/mL，頻率為20kHz、582kHz、862kHz和1144kHz的超聲波分別處理銅綠微囊藻、水華束絲藻、直鏈藻、柵藻8.6min后發(fā)現(xiàn)，超聲波輻射能使藻類細(xì)胞膜和細(xì)胞壁破裂，且不同形態(tài)的細(xì)胞結(jié)構(gòu)對(duì)超聲波敏感度不同。絲狀藻(水華束絲藻、直鏈藻)對(duì)超聲波的敏感度要比單細(xì)胞結(jié)構(gòu)的藻強(qiáng)，且細(xì)胞結(jié)構(gòu)的破壞處主要位于連接處。同時(shí)超聲波頻率對(duì)絲狀藻的藻細(xì)胞破壞程度更大。直鏈藻在低頻20kHz時(shí)細(xì)胞壁破損相當(dāng)嚴(yán)重，而水華束絲藻在862kHz和1144kHz時(shí)細(xì)胞壁破損較嚴(yán)重，這主要是由于不同種類藻細(xì)胞的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)差異造成的。

2.2 超聲波對(duì)藍(lán)藻細(xì)胞偽空胞的影響

藍(lán)藻可通過細(xì)胞內(nèi)的偽空胞調(diào)節(jié)自身浮力大小，并根據(jù)自身需要在水柱中垂直遷移以獲取光照和營養(yǎng)鹽。超聲波能使偽空胞產(chǎn)生共振，使其崩潰，進(jìn)而減弱浮力調(diào)節(jié)能力，降低光照和營養(yǎng)鹽的可獲得性，抑制其正常生長[12]。陳矜等[13]根據(jù)形成水華的浮游藍(lán)藻內(nèi)部具有偽空胞的根本特征，提出了利用合適的超聲波驅(qū)動(dòng)偽空胞脈動(dòng)，實(shí)現(xiàn)低功率超聲控制和殺滅藍(lán)藻的目的。初步的數(shù)值計(jì)算表明，超聲作用的效果密切依賴于浮游藍(lán)藻偽空胞的內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)，偽空胞中的非氣態(tài)物質(zhì)越多，超聲作用越小，不易形成大的偽空胞脈動(dòng)。為了破壞偽空胞，需要供給更大的超聲能量。只有在共振狀態(tài)下，才有可能實(shí)現(xiàn)低功率超聲驅(qū)動(dòng)藍(lán)藻偽空胞形成大幅脈動(dòng)，進(jìn)而達(dá)到破壞偽空胞的目的。這些為低能耗超聲控制和滅殺浮游藍(lán)綠藻提供了理論基礎(chǔ)。Tang等[10]研究了兩種不同藍(lán)藻(具偽空胞的銅綠微囊藻和不具偽空胞的聚球藻)在超聲波(0.6W/cm2，1.7MHz)處理后的效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)超聲波處理后的銅綠微囊藻細(xì)胞增長率下降65%，而同樣經(jīng)超聲波處理的聚球藻細(xì)胞增長率與對(duì)照組基本相同。Heiner Lehmann和 Michael Jost[14]利用負(fù)染色技術(shù)和冰凍刻蝕技術(shù)在透射電鏡下觀察藻細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)也發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象，經(jīng)超聲波照射后銅綠微囊藻細(xì)胞內(nèi)偽空胞數(shù)量大量減少，但24h后又開始恢復(fù)。

3 功率/頻率對(duì)超聲波控(除)藻的影響

不同功率和頻率影響超聲波除藻效果。Zhang等[15]研究發(fā)現(xiàn)，較高的超聲波功率和頻率加快了藻細(xì)胞去除速率，但當(dāng)功率高于48W時(shí)，毒素釋放明顯增加，因此將功率設(shè)定在48W以下是必要選擇。Yang等[16]研究發(fā)現(xiàn)在同樣超聲波強(qiáng)度，不同超聲波頻率的輻射條件下，水中產(chǎn)生的羥基自由基濃度順序?yàn)?354>620>803>206>1062kHz。陳龍甫等[2]認(rèn)為，超聲波頻率介于300～600kHz之間時(shí)，其滅活機(jī)制可能以自由基氧化效應(yīng)為主；在高頻范圍(1.3～2.16MHz)內(nèi)，其滅活機(jī)制可能以空化泡共振效應(yīng)破壞氣泡為主；在低頻范圍(20～100kHz)內(nèi)，可能主要依賴微射流的機(jī)械剪切作用以及熱裂解作用。Rajasekhar等(2012)研究了相同頻率(20kHz)，不同強(qiáng)度(0.043W/mL，0.085W/mL，0.139W/mL，0.186W/mL和0.32W/mL)的超聲波去除微囊藻的效果，結(jié)果表明，微囊藻在前5min內(nèi)就可以達(dá)到最大去除效果，之后趨于穩(wěn)定，且超聲波強(qiáng)度越大穩(wěn)定后的去除率越大。由此可見，超聲波的頻率/功率是影響超聲波除藻效果的關(guān)鍵因素，可以通過調(diào)節(jié)超聲波的頻率/功率來提高超聲波的除藻效果。

4 超聲波除藻的安全性評(píng)價(jià)

超聲波作為一種新型的藻類水華應(yīng)急處理技術(shù)，其是否會(huì)引起有毒藍(lán)藻的毒素釋放以及對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)面影響一直備受關(guān)注，也直接關(guān)系到超聲波能否進(jìn)行大規(guī)模運(yùn)用。藻毒素是藻類產(chǎn)生的次級(jí)代謝產(chǎn)物，當(dāng)藻細(xì)胞死亡或破裂后其會(huì)釋放到水體中并嚴(yán)重影響飲用水水質(zhì)安全。微囊藻毒素的毒性主要通過ADDA結(jié)構(gòu)進(jìn)行表達(dá)。Song等研究認(rèn)為超聲波對(duì)藻毒素的去除主要依賴羥自由基攻擊ADDA 結(jié)構(gòu)的苯環(huán)以及不飽和C=C，從而有效的破壞藻毒素[16-17]。Ma等[18]研究了相同頻率(20kHz)不同功率(0.075W/mL、0.15W/mL、0.225W/mL)超聲波處理下水體中微囊藻毒素釋放情況，結(jié)果表明，在低功率條件下，超聲波處理20min后水體中的微囊藻毒素為原來的5倍；而在0.15W/mL和0.225W/mL的超聲波處理下，5min后水體中的微囊藻毒素分別下降到原來的12%和4%。Rajasekha 等(2012)研究也發(fā)現(xiàn)較高功率的超聲波有利于藻毒素的降解。因此，超聲波功率對(duì)藻毒素有明顯的降解作用，超聲功率越大，藻毒素降解作用越大，可以通過適當(dāng)調(diào)節(jié)超聲功率而降低水體中藻毒素的含量。此外，儲(chǔ)昭升等[19]研究發(fā)現(xiàn)，低強(qiáng)度(20W)定向發(fā)射超聲波可以對(duì)藻類生長產(chǎn)生抑制作用,而對(duì)水體浮游動(dòng)物、魚類和沉水植物等其他主要水生生物不產(chǎn)生明顯影響。因此，超聲波可以作為一種安全、清潔的技術(shù)應(yīng)用于藻華應(yīng)急處理。

5 展 望

過去數(shù)十年，超聲波控藻技術(shù)已被廣泛研究。它可以通過破壞藍(lán)藻細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)影響其光合作用和細(xì)胞活性，抑制細(xì)胞的生長并導(dǎo)致細(xì)胞死亡。超聲波可選擇性地去除一些藍(lán)藻(例如：銅綠微囊藻、魚腥藻)，并能降解藍(lán)藻毒素，且對(duì)生態(tài)系統(tǒng)影響較小?；谝陨显?，超聲波除藻技術(shù)的應(yīng)用前景廣泛。但目前超聲波除藻研究大部分集中于實(shí)驗(yàn)室或單個(gè)藻種小規(guī)模研究，針對(duì)野外的研究相對(duì)較少。太湖曾試運(yùn)行 “常州1號(hào)”超聲波除藻船，但控藻能力有限，且可能因擾動(dòng)底泥而引起“湖泛”?，F(xiàn)階段超聲波除藻技術(shù)研發(fā)方向主要有兩個(gè)：一是針對(duì)存在偽空胞的水華藍(lán)藻，重點(diǎn)研發(fā)能高效產(chǎn)生空化效應(yīng)的超聲波設(shè)備；二是針對(duì)其他藻類，主要集中于聲強(qiáng)對(duì)藻類生理活性的影響和細(xì)胞結(jié)構(gòu)的破壞作用。

[1] WANG ZH,NIE XP,YUE WJ,LI X.Physiological responses of three marine microalgae exposed to cypermethrin [J].Environmental Toxicology,2012,27:563-572.

[2] 陳龍甫,姚娟娟,張智,等.超聲波除藻的機(jī)制以及安全性研究進(jìn)展[J].四川環(huán)境,2014,33(1):150-153.

[3] CIAWI E,RAE J,ASHOKKUMAR M,et al.Determination of temperatures within acoustically generated bubbles in aqueous solutions at different ultrasound frequencies [J].The Journal of Physical Chemistry B,2006,110(27):13656-13660.

[4] KANTHALE PM,ASHOKKUMAR M,GRIESER F.Estimation of cavitation bubble temperatures in an ionic liquid [J].The Journal of Physical Chemistry C,2007,111(50):18461-18463.

[5] 萬莉,邵路路,陸開宏,等.超聲波對(duì)銅綠微囊藻超微結(jié)構(gòu)和生理特性的影響[J].水生生物學(xué)報(bào),2014,38(3) :516-522.

[6] CHEN B,HUANG J,WANG J et al.Ultrasound effects on theantioxidative defense systems of Porphyridium cruentum [J].Colloids and Surfaces B:Biointerfaces,2008,61(1):88-92.

[7] AL-HAMDANI S,BURNETT C,DURRANT G.Effect of low-doseultrasonic treatment on Spirulina maxima [J].AquaculturalEngineering,1998,19(1):17-28.

[8] ZHANG G,ZHANG P,LIU H, et al.Ultrasonic damages oncyanobacterial photosynthesis [J].Ultrasonics Sonochemistry,2006,13(6):501-505.

[9] TANG JW,WU QY,HAO HW, et al.Growth inhibition of the cyanobacterium Spirulina(Arthrospira) platensis by 1.7 MHz ultrasonic irradiation [J].JAppl Phycol,2003,15(1):37-43.

[10] TANG JW,WU QY,HAO HW,et al.Effect of 1.7 MHzultrasound on a gas-vacuolate cyanobacterium and agas-vacuole negative cyanobacterium [J].Colloids andSurfaces B:Biointerfaces,2004,36(2):115-121.

[11] PURCELL D.Control of algal growth in reservoirs with ultrasound[D].Englanel:Cranfield University,2009:113-136.

[12] HAO HW,WU MS,CHEN YF,TANG JW,WU QY.Cavitation mechanism in cyanobacterial growth inhibition by ultrasonic irradiation[J].Colloids and Surfaces B:Biointerfaces,2004，(33):151-156.

[13] 陳矜,陳偉中.超聲波對(duì)浮游藍(lán)藻的作用[C]//中國聲學(xué)學(xué)會(huì)，2009年功率超聲論文集,2009:58-61.

[14] LHANN H,JOST M.Kinetics of the assembly of gas vacuoles in the blue-green alga microcystis aeruginosa Kuetz.emend.Elekin [J].Arch.Mikrobiol,1971，(79):59-68.

[15] ZHANG GM,ZHANG PY,WANG B,LIU H.Ultrasonic frequency effects on the removal ofMicrocystisaeruginosa[J],Ultrasonics Sonochemistry,2006，(13):446-450.

[16] YANG LM,SOSTARIC A.Effect of ultrasound frequency on pulsed sonolytic degradation of Octylbenzene Sulfonic Acid [J].The Journal of Physical Chemistry B,2008,112(3):852-858.

[17] SONG W,Weihua,TESHIBA， et al.Ultrasonically induced degradation and detoxification of Microcystin-LR(Cyanobacterial Toxin)[J].Environmental Science & Technology,2005,39 (16):6300-6305.

[18] SONG W,CRUZ A A,REIN K， et al.Ultrasonically induced degradation of Microcystin-LR and -RR:Identification of Products,Effect of pH,Formation and Destruction of Peroxides [J].Environmental Science & Technology,2006,40 (12):3941-3946.

[19] MA B Z,CHEN Y F.HAO H W， et al.Influence of ultrasonic field on microcystins produced by bloom-forming algae [J].Colloids and Surfaces B-Biointerfaces,2005,41(2-3):197-201.

[20] 儲(chǔ)昭升,龐燕,鄭朔芳,等.超聲波控藻及對(duì)水生生態(tài)安全的影響[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2008,28(7):1135-1139.

Progress of ultrasound algae removal technology and application prospect thereof

ZHAO Rui1, ZHAO Jiaxi2

(1. Zhuhai Water Resources Center, Zhuhai 519000, China;2. Tianjin University, Tianjin 300000, China)

In recent years, water eutrophication characterized by cyanobacterial bloom has gradually become a main ecological environment problem of lakes and resources all over the world. Removal and control of cyanobacterial bloom, especially toxin-producing cyanobacterial bloom, has become a key link in lake and reservoir ecological restoration. Currently, domestic and foreign scholars study a variety of alga control technologies to control cyanobacterial bloom, mainly including the follows: chemical alga killing method, chemical flocculation method, clay condensation method, ultrasonic radiation method, etc. Wherein, ultrasonic algae control (removal) belongs to an environmental-friendly technology. More and more widespread attention is paid to it at home and abroad in recent years. It is gradually applied to algae bloom emergency treatment. The progress and application prospect of ultrasound alage removal technology are introduced in the paper.

ultrasound; algae control; gas vesicle; physiological activity

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2017.05.007

TV213.4

A

2096-0131(2017)05- 0028- 04