超声波抑制铜绿微囊藻生长研究

第２９卷第５期　哈尔滨商业大学学报（自然科学版）　Ｖｏ１．２９　Ｎ。．５　２０１３年１０月　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈａｒｂｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｃｏｍｍｅｒｃｅ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ　Ｅｄｉｔｉｏｎ）　Ｏｃｔ．２０１３　

超声波抑制铜绿微囊藻生长研究　

朱丽楠，康　凯，成　功，王天琪，罗　艳　

（哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院，哈尔滨１５０００１）　

摘要：针对水体富营养化问题，研究超声波技术在不同功率、频率和超声时间下对铜绿微囊藻生长　的抑制效果．结果表明，采用４０　ｋＨｚ，１８０　Ｗ的超声波，４　ｒａｉｎ为最佳超声辐照时间，可以显著降低铜绿　微囊藻浓度，并且生长速度大大减缓．随着超声波功率的增加，抑藻效果有所增加，但有饱和的趋势．　关键词：超声波；铜绿微囊藻；抑藻　中图分类号：Ｘ７０３　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２－０９４６（２０１３）０５—０５３７－０３　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｉｎｈｉｂｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍｉｃｒｏｃｙｓｔｉｓ　ａｅｒｕｇｉｎｏｓａ　ｂｙ　ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ　

ＺＨＵ　Ｌｉ—ｎａｎ，ＫＡＮＧ　Ｋａｉ，ＣＨＥＮＧ　Ｇｏｎｇ，ＷＡＮＧ　Ｔｉａｎ—ｑｉ，ＬＵＯ　Ｙａｎ　

（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ａｅｒｏｓｐａｃｅ　ａｎｄ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈａｒｂｉｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ　１５０００１，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｃｙａｎｏｂａｃｔｅｒｉａｌ　ｂｌｏｏｍ　ｉｎ　ｅｕｔｒｏｐｈｉｃ　ｗａｔｅｒ，ｔｈｅ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｉｎｈｉｂｉ—　ｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｌａｇｅ　ｗａｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ　ｆａｃｔｏｒｓ，ｆｏｒ　ｅｘａｍｐｌｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｏｗｅｒ，　

ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ａｎｄ　ｔｉｍｅ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｃｏｎｆｉｒｍｅｄ　ｔｈａｔ　ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ　ｃａｎ　ｉｎｈｉｂｉｔ　ｔｈｅ　ｇｒｏｗｔｈ　ｏｆ　ａｌａｇｅ　ａｎ—　

ｄｅｒ　ｔｈｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｏｆ　４０　ｋＨｚ，ｔｈｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｏｗｅｒ　ｏｆ　１　８０　Ｗ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｕｒａｔｉｏｎ　ｔｉｍｅ　ｗａｓ　４　ｍｉｎ．　Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ　ｔｉｍｅ　ｅｘｔｅｎｄ，ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｔｒｅｎｄｓ　ｔｏ　ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ；ｍｉｃｒｏｃｙｓｔｉｓ　ａｅｒｕｇｉｎｏｓａ；ｉｎｈｉｂｉｔｉｏｎ　

随着人口增长和社会经济的飞速发展，受人类　

活动影响，短期内使大量含氮含磷等植物营养物质　进入水体，从而引起藻类和浮游植物的迅速繁殖，　

使水体中溶解氧降低、透明度下降、水质恶化、鱼类　

及其他水生生物大量死亡，这种现象即为水体富营　养化　Ｊ．富营养化不仅破坏了生态系统平衡，甚至　

危害到饮用者的身体健康．目前，国内外水厂采用　的除藻技术有投加化学药剂法、微絮凝直接过滤、　气浮和生物处理等方法　Ｊ．但是上述方法在安全　

性、经济　和除藻效率仍然不能满足要求．超声波　

处理技术是一种新颖、清洁且极具产业前景的高级　

氧化技术．它是集高级氧化、热解、超临界氧化等技　术于一体的新技术　Ｊ．它可改变反应条件，加快反　

应速度，还能使一些难以进行的化学反应得以实　

现．超声波抑藻是利用超声空化效应和机械效应抑　

制藻类的生长　Ｊ．　

收稿日期：２０１３—０３—３０．　作者简介：朱丽楠（１９７８一），女，博士，副教授，研究方向：水处理　１　材料和方法　

１．１实验藻种及培养　

铜绿微囊藻（ＦＡＣＨＢ一３１５）购买于中国武汉　

水生生物研究所．培养基采用ＢＧ１　１培养基（ｐＨ　值为７．０）．光照培养条件为：温度（２８±２）　，光　

照强度１　５００～２　０００　ｌｘ，光暗周期１２　ｈ．采用对数　

生长期的藻液进行试验．　１．２超声反应装置　

实验采用上海声彦超声波仪器有限公司定制　

的超声波处理器，超声功率１８０　Ｗ，功率可调，频率　

可切换２０、４０、６０　ｋＨｚ．　１．３藻细胞生物量的测定　藻类的细胞数目和悬浮液的吸光度有良好的　

线性关系　Ｊ．实验采用铜绿微囊藻悬浮液６８０　ｎｍ　

处吸光度作为藻浓度的度量标准．实验数据取自三　哈尔滨商业大学学报（自然科学版）　第２９卷　

个平行样的均值．　

２　结果与讨论　

２．１　超声作用时间对抑制藻类生长的影响　

取五组藻液，每组２００　ｍＬ，一组作为对照组，　

其他四组分别用频率４０　ｋＨｚ，功率１８０　Ｗ超声辐　

照２、４、６、８ｒａｉｎ，将五组藻液静置于光照培养箱中，　每２４　ｈ取上清液测量吸光度，结果如图１所示．　

图１超声波作用时间对抑藻效果的影响　

由图１可见，与对照组相比，超声作用能够明　

显抑制藻类的生长．对照样品２４　ｈ内吸光度从　０．２７增加到０．３１，经过超声作用的藻液吸光度都　

有不同程度的下降．随着时间的增加，超声抑藻的　

效果也增强．超声６　ｍｉｎ和８　ｍｉｎ后抑制效果并没　

有比４　ｍｉｎ有明显的提高，即使再增加处理时间，　抑制效果有所增加，但这种效果越来越不明显，经　

济｝生越来越差．因此，之后的实验选择４　ｍｉｎ为最　佳辐照时间．　

２．２超声功率对抑藻效果的影响　用不同超声功率分别辐照藻液４　ｍｉｎ，超声频　

率为４０　ｋＨｚ，将超声后的藻液静置于光照培养箱　中，每２４　ｈ取上清液测量吸光度．不同超声强度处　

理铜绿微囊藻后，效果如图２所示．　

图２超声波功率对抑藻效果的影响　

从图中可以看出提高超声功率可以强化抑制　藻类生长的效果，和对照组相比，初始生物量均有　下降，但每组之间的差别很小，分别为６０％、６０％、　

６２％、６４％，表明初期超声功率对藻类的生长抑制　

作用有饱和的趋势，继续培养一周之后，可以看出　

较高功率的超声对藻类的抑制效果较强，１４４　Ｗ辐　照的藻类只是恢复到初始浓度，说明高功率超声辐　

照可能对藻类的光合作用系统结构产生了破坏，影　响了藻类的正常生长．　

２．３超声频率对抑藻的效果的影响　

分别研究２０、４０、６０　ｋＨｚ不同频率超声对藻类　生长的抑制效果，超声功率９０Ｗ，超声辐照时间４　

ｍｉｎ，结果如图３所示．从图３中可以看出，不同超　

声频率对藻类的抑制效果并没有很明显的区别，在　低频范围内去除率不是随着频率的增加而增大，即　

超声作用也存在一个最佳频率．任何一种物体都具　

有特征频率（共振频率），当外界施加的频率与这　

一频率相吻合时，即可引起共振．因此，超声最佳频　

率是由铜绿微囊藻本身的特性和所使用超声设备　

的参数决定的．　

图３超声频率对抑藻效果的影响　

２．４不同超声模式的影响　

取１５０　ｍＬ的藻液５份，在输入总能量相同的　情况下，分别以不同处理模式进行处理，采用相同　

的功率１８０　Ｗ，频率６０　ｋＨｚ，第一组每天超声处理　

１　ｍｉｎ，第二组处理２　ｍｉｎ，隔２天超声１次，第三组　

处理４　ｍｉｎ，隔４天处理１次，第四组处理６　ｍｉｎ，隔　６天处理１次，第五组作为对照组．连续培养１２　ｄ，　

每天进行观测记录藻浓度，结果如图４所示．　

从图４中可以得到，各组在培养初期与对照组　

相比都有不同程度下降，生长速度缓慢，５　ｄ后逐　

渐恢复增长．１　ｒａｉｎ组和２　ｍｉｎ组呈现出了一定的　

波动性，并且随着处理频次的提高，波动性减小．处　

理频次提高，使藻体在受到超声辐射后很难恢复活　

性，抑制效果较好．两组的最终生物量相比与对照　

组降低大致相同．由以上分析可知，

在系统输入总　第５期　朱丽楠，等：超声波抑制铜绿微囊藻生长研究　

能量相同的条件下，高频次、低辐射量对藻类的生　长抑制效果较佳．　

＾　魁　

图４不同超声模式对抑藻效果的影响　

２．５温度的影响　超声作用会产生热效应，在不同的温度下，超　声波产生的空化、藻类的结构均有所差别，可能对　

藻类的即时去除率不同．试验中取１５０　ｍＬ藻液１４　

份，分别在１８～４４℃范围内的不同温度下用１８０　

ｗ、６０　ｋＨｚ的超声辐照，超声时间２　ｍｉｎ，培养１　ｄ　后观测得到不同温度下对藻的去除率，如图５所　

不．　

图５温度对抑藻效果的影响　

从图５中可以看出，藻类的即时去除率随着温　

度的升高呈缓慢上升的趋势，超过３０　ｃＣ之后，去除　率有一个明显的增长，推测是因为铜绿微囊藻的最　

适生长温度在２８　ｃＩ＝左右，温度的升高加上超声辐　照的热效应，对藻的生长起到了一定得抑制作用．　

总体看来，温度对去除率的影响不大，在超声辐照　

除藻的应用中，选择一个合适的温度范围即可．　

３　讨　论　

影响超声波抑制效果的主要因素有超声功率、　

频率以及超声作用时间等．超声在水中产生的机械　

效应以及空化引起的高压、强烈冲击波、高速和高　

剪切力等力学作用，会严重破坏铜绿微囊藻的形态　和细胞结构，从而抑制藻类的生长　］．本试验中虽　

然超声波在初期能够有效地抑制藻类的生长，但是　随着超声时间的延长，抑藻效果增加越来越不明　

显，出现饱和的趋势．在一次辐照后，部分依然存活　

的藻类，在良好的环境条件下，再次繁殖生长．　而当超声波频率超过一定值时，超声波周期就　变短，空化泡形成（特别是在正压相压缩和崩溃等　

空化过程）的时间就不足，因此发生空化的几率和　

强度就降低　．有实验研究表明，超声频率越接近　藻类的固有频率，去除效果越好　］．　

超声功率的增加能够提高抑藻效果，但是功率　过高会影响空化泡的生长，使系统可利用的声场能　

量反而降低，效果反而有可能会下降，因此从经济　

环保的角度考虑，超声波抑藻也应该选择低功率．　实验结果显示，超声波辐照，可以抑制藻类的　

生长，短时间内藻生物量有明显降低．随着超声功　率的增加，抑制效果也提高，但又饱和的趋势，在　

２０—６０　ｋＨｚ频率范围内，对藻类抑制影响并不明　

显．本实验条件下，超声功率１８０　Ｗ，频率为４０　

ｋＨｚ，辐照４　ｍｉｎ，对铜绿微囊藻的抑制效果最佳．　超声波技术高效无污染，抑藻效果显著，具有广阔　

的应用前景．　

参考文献：　

［１］　陈水勇，吴振明，俞伟波．水体富营养化的形成、危害和防治　［Ｊ］．环境科学与技术，１９９９，２２：１１—１５．　彭海清，潭章荣，高乃云，等．给水处理中藻类的去除［Ｊ］．中　国给水排水，２００２，１８（２）：２９—３１．　袁易全．近代超声原理及应用［Ｍ］．南京：南京大学出版社，　１９９６：１７０—１７１．　唐玉霖，高乃云，庞维海．超声波技术在饮用水中应用的研　究进展［Ｊ］．给水排水，２００７，３３（１２）：１１３—１１８．　ＬＥＥ　Ｔ　Ｊ，ＮＡＫＡＮＯ　Ｋ，ＭＡＴＳＵＭＡＲＡ　Ｍ．Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｂｌｕｅ—ｇｒｅｅｎ　ａｌｇａｅ　ｂｌｏｏｍ　ｃｏｎｔｒｏｌ［Ｊ］．Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏ－　ｇＹ，２００１，２２（４）：３８３—３９０．　彭卫民．微藻生成油气的环境条件控制［Ｄ］．北京：清华大　学博士学位论文，２００１，２９—３１．　姜登岭，倪国葳，高林，等．低频、低功率超声波抑制藻类　生长的效果［Ｊ］．生态环境学报，２００９，１８（５）：１７３２—１７３５．　ＣＵＭ　Ｇ，ＧＡＬＬＩ　Ｇ，ＧＡＬＬＯ　Ｒ，ｅｔ　ａ１．Ｒｏｌｅ　ｏｆ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｕｌｔｒａ—ｓｏｎｉｃ　ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｒｅａｃｔｉｏｎ『Ｊ］．Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ，　１９９２，３０（４）：２６７—２７０．　潘彩萍，张光明，王波．超声波除藻动力学研究［Ｊ］．净水　技术，２００６，２５（６）：３１—３４．　］ｊ　１●Ｊ　

１ｊ