超聲波除藻技術進展及其應用前景

趙 銳 趙嘉熹

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

超聲波除藻技術進展及其應用前景

趙 銳1趙嘉熹2

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

近年來，以藍藻水華為表征的水體富營養化已逐漸成為全球范圍內湖泊和水庫面臨的主要生態環境問題。去除和控制藻類水華，特別是產毒藍藻水華已經成為湖泊和水庫生態修復的關鍵環節。目前，國內外學者研究了各種控藻技術來治理藍藻水華，主要包括：化學殺藻法、化學絮凝法、黏土凝聚法和超聲輻射法等。其中，超聲波控(除)藻屬于環境友好型技術，近年來越來越受到國內外的普遍關注，并逐漸應用于藻類水華應急處理。本文介紹了超聲波除藻技術的進展及應用前景。

超聲波； 控藻； 偽空胞； 生理活性

近年來，以藍藻水華為表征的水體富營養化已逐漸成為全球范圍內湖泊和水庫面臨的主要生態環境問題。水體藍藻如果異常增殖，覆蓋水面，將導致水體渾濁，并惡化水質，散發腥臭味，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，特別是產毒藍藻株釋放的毒素進一步毒害水生動物，造成動物器官損傷和死亡以及由此產生的藻毒素污染等問題，并可能隨食物鏈積累至人體，對水生生態系統和人類健康造成巨大危害，水源地如果發生藻華會直接影響飲用水安全。因此，去除和控制藻類水華，特別是產毒藍藻水華已經成為湖泊和水庫生態修復的關鍵環節。

目前，國內外學者研究了各種控藻技術來治理藍藻水華，主要包括化學殺藻法、化學絮凝法、黏土凝聚法和超聲輻射法等。其中，超聲波被認為是一種環境友好型技術，具有便于引進自動化操作技術、無化學藥物參與、反應溫和、速度快、無二次污染等優點。研究表明超聲波可有效地抑制藻類生長，對具偽空胞的藍藻細胞去除效果尤為明顯。因此，超聲波控藻技術開始逐漸應用到藍藻水華應急處理中[1]。

超聲波主要通過空化泡共振效應、高溫裂解效應、自由基氧化效應和微射流剪切效應這四種物理化學效應對藻類生理活性和細胞結構產生影響[2]。超聲波除藻效果取決于功率和頻率這兩個關鍵參數。

1 超聲波對藻類細胞生理活性的影響

1.1 超聲波對藻類酶活性影響

1.2 超聲波對藻類光合作用影響

光合作用是藻類獲得自身生長所需能量，維持各項生命活動的必要途徑。藻類光合作用獲取光能的載體是葉綠素和藻膽蛋白。超聲波空化產生的高溫裂解效應和自由基氧化效應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，最終導致藻細胞死亡。Zhang等[8]研究了低頻超聲波(頻率25kHz，強度0.32W/mL)作用對微囊藻葉綠素a、藻膽蛋白的含量和光合作用放氧速率的影響，發現在超聲波作用5min后微囊藻細胞豐度下降10.8%，葉綠素a的含量下降21.35%，藻青蛋白的含量下降44.8%，光合作用產氧速率下降44.8%。Tang等[9]研究高頻超聲波(頻率1.7MHz，強度0.6W/cm2)對墩頂螺旋藻光合作用活性的影響，發現超聲波作用5min后藻膽蛋白的含量下降了40%，葉綠素a的含量下降了25%，光合作用產氧速率下降了49%。超聲波對藻膽蛋白的破壞程度遠比葉綠素a大，這可能是因為葉綠素a位于類囊體片層內，類囊體膜對其起到了物理屏障的作用。上述研究均表明，超聲波對藻類細胞光合活性有強烈的抑制作用。

2 超聲波對藻類細胞結構的影響

2.1 超聲波對藻類細胞膜/細胞壁的影響

超聲波空化作用產生的高溫裂解效應、自由基氧化效應及機械剪切效應還會破壞藻細胞的細胞壁或細胞膜結構，導致藻細胞破裂。Tang等[10]和Chen等[6]研究超聲波對銅綠微囊藻細胞膜透性的影響，發現超聲波會引起銅綠微囊藻細胞膜通透性增強。Purcell等[11]使用超聲強度為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后發現，超聲波輻射能使藻類細胞膜和細胞壁破裂，且不同形態的細胞結構對超聲波敏感度不同。絲狀藻(水華束絲藻、直鏈藻)對超聲波的敏感度要比單細胞結構的藻強，且細胞結構的破壞處主要位于連接處。同時超聲波頻率對絲狀藻的藻細胞破壞程度更大。直鏈藻在低頻20kHz時細胞壁破損相當嚴重，而水華束絲藻在862kHz和1144kHz時細胞壁破損較嚴重，這主要是由于不同種類藻細胞的細胞壁結構差異造成的。

2.2 超聲波對藍藻細胞偽空胞的影響

藍藻可通過細胞內的偽空胞調節自身浮力大小，并根據自身需要在水柱中垂直遷移以獲取光照和營養鹽。超聲波能使偽空胞產生共振，使其崩潰，進而減弱浮力調節能力，降低光照和營養鹽的可獲得性，抑制其正常生長[12]。陳矜等[13]根據形成水華的浮游藍藻內部具有偽空胞的根本特征，提出了利用合適的超聲波驅動偽空胞脈動，實現低功率超聲控制和殺滅藍藻的目的。初步的數值計算表明，超聲作用的效果密切依賴于浮游藍藻偽空胞的內部結構參數，偽空胞中的非氣態物質越多，超聲作用越小，不易形成大的偽空胞脈動。為了破壞偽空胞，需要供給更大的超聲能量。只有在共振狀態下，才有可能實現低功率超聲驅動藍藻偽空胞形成大幅脈動，進而達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綠藻提供了理論基礎。Tang等[10]研究了兩種不同藍藻(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，結果發現經超聲波處理后的銅綠微囊藻細胞增長率下降65%，而同樣經超聲波處理的聚球藻細胞增長率與對照組基本相同。Heiner Lehmann和 Michael Jost[14]利用負染色技術和冰凍刻蝕技術在透射電鏡下觀察藻細胞的超微結構也發現類似現象，經超聲波照射后銅綠微囊藻細胞內偽空胞數量大量減少，但24h后又開始恢復。

3 功率/頻率對超聲波控(除)藻的影響

不同功率和頻率影響超聲波除藻效果。Zhang等[15]研究發現，較高的超聲波功率和頻率加快了藻細胞去除速率，但當功率高于48W時，毒素釋放明顯增加，因此將功率設定在48W以下是必要選擇。Yang等[16]研究發現在同樣超聲波強度，不同超聲波頻率的輻射條件下，水中產生的羥基自由基濃度順序為:354>620>803>206>1062kHz。陳龍甫等[2]認為，超聲波頻率介于300～600kHz之間時，其滅活機制可能以自由基氧化效應為主；在高頻范圍(1.3～2.16MHz)內，其滅活機制可能以空化泡共振效應破壞氣泡為主；在低頻范圍(20～100kHz)內，可能主要依賴微射流的機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，結果表明，微囊藻在前5min內就可以達到最大去除效果，之后趨于穩定，且超聲波強度越大穩定后的去除率越大。由此可見，超聲波的頻率/功率是影響超聲波除藻效果的關鍵因素，可以通過調節超聲波的頻率/功率來提高超聲波的除藻效果。

4 超聲波除藻的安全性評價

超聲波作為一種新型的藻類水華應急處理技術，其是否會引起有毒藍藻的毒素釋放以及對生態系統產生負面影響一直備受關注，也直接關系到超聲波能否進行大規模運用。藻毒素是藻類產生的次級代謝產物，當藻細胞死亡或破裂后其會釋放到水體中并嚴重影響飲用水水質安全。微囊藻毒素的毒性主要通過ADDA結構進行表達。Song等研究認為超聲波對藻毒素的去除主要依賴羥自由基攻擊ADDA 結構的苯環以及不飽和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)研究也發現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，可以通過適當調節超聲功率而降低水體中藻毒素的含量。此外，儲昭升等[19]研究發現，低強度(20W)定向發射超聲波可以對藻類生長產生抑制作用,而對水體浮游動物、魚類和沉水植物等其他主要水生生物不產生明顯影響。因此，超聲波可以作為一種安全、清潔的技術應用于藻華應急處理。

5 展 望

過去數十年，超聲波控藻技術已被廣泛研究。它可以通過破壞藍藻細胞的超微結構影響其光合作用和細胞活性，抑制細胞的生長并導致細胞死亡。超聲波可選擇性地去除一些藍藻(例如：銅綠微囊藻、魚腥藻)，并能降解藍藻毒素，且對生態系統影響較小。基于以上原因，超聲波除藻技術的應用前景廣泛。但目前超聲波除藻研究大部分集中于實驗室或單個藻種小規模研究，針對野外的研究相對較少。太湖曾試運行 “常州1號”超聲波除藻船，但控藻能力有限，且可能因擾動底泥而引起“湖泛”。現階段超聲波除藻技術研發方向主要有兩個：一是針對存在偽空胞的水華藍藻，重點研發能高效產生空化效應的超聲波設備；二是針對其他藻類，主要集中于聲強對藻類生理活性的影響和細胞結構的破壞作用。

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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