低強度超聲波對銅綠微囊藻的抑制及對漁業環境安全性影響的研究

邵澤宇，陸開宏，謝吉國，楊顯祥，董小敬，杜雪地，王曙光，吳飛

（1.揚州市水產生產技術指導站，江蘇 揚州 225000；2.寧波市海洋與漁業局，浙江 寧波 315000；3.北京市大興區水產技術推廣站，北京 102600；4.揚州大學動物科技學院，江蘇 揚州 225000）

銅綠微囊藻Microcystis aeruginosa 是養殖水體中極具代表性的水華藍藻，它在漁業養殖水體中經常反復出現，向水體中釋放藻毒素，危害養殖對象的健康，降低了養殖產品的產量和品質。傳統的治理方法難以既有效控制藍藻在漁業養殖水體中生長，又不影響養殖對象的生長和存活。近些年來，有關超聲波控制藻類生長的研究開始受到關注[1-6]。研究顯示，超聲波可以控制藻類生長[7]，抑制藻細胞藻釋放毒素[8,9]。還有研究表明：低功率超聲波會降低藻毒素釋放的風險[10]，可以破壞微囊藻偽空泡使藻細胞下沉[11,12]，降低其光合作用，也不會因藻細胞突然破裂而向水體中釋放藻毒素[13]。以往的超聲波控制藻類生長試驗大都在較高能量下進行[9,14，15]，高強度的超聲波雖然控制藻類生長效果顯著，但在實際應用中存在成本高和影響漁業環境安全等問題[16]。有關超聲波對水生生物健康安全的影響研究非常匱乏。本試驗研究了低功率超聲波控藻裝置對兩種產毒株系銅綠微囊藻的作用，同時研究了超聲波對1 種浮游動物、2 種水生植物以及3 種水生動物的健康安全的影響。

1 材料與方法

1.1 材料

本試驗選用低功率超聲波發射裝置（Poolsonic，功率40 W，比利時產）。超聲波控藻試驗中的銅綠微囊藻FACHB-905（產毒較高）和銅綠微囊藻FACHB-924（產毒較低），來自于中國科學院藻種庫。超聲波對漁業環境安全性的影響試驗用大型蚤Daphnia magna、銅銹環棱螺Bellamya aeruginosa、克氏原螯蝦Procambarus clarkia、浮萍Lemna mino、狐尾草Alopecurus pratensis 以及鯽Carassius auratus。

1.2 方法

試驗在高度為53 cm，底部和頂部直徑分別為36 cm 和48 cm 中的聚乙烯筒內進行。試驗組和對照組兩桶內注入過濾后曝氣3 d 的自來水60 L（圖1），試驗組筒內除了固定于筒底部中間位置發射探頭朝上的超聲波發射探頭，其他試驗條件和對照組一樣。由于超聲波具有很強的穿透能力，在固體和液體中傳播時，能量衰減很小[17]，所以試驗設計方案為：玻璃容器懸浮于水面，距離超聲波發射探頭30 cm，銅綠微囊藻培養在三組容量為250 mL;密閉玻璃器皿中，銅綠微囊藻FACHB-924 和銅綠微囊藻FACHB-905 的起始OD560分別為0.305 和0.364。在第0 d、1 d、2 d、4 d、6 d 和8 d 時測量兩種不同株系銅綠微囊藻的懸浮密度。在試驗組和對照組筒中均飼養了健康的鯽25 條，體長在10～15 cm 之間，銅銹環棱螺15 個（500 mL 燒杯中分三組，每組5個），螺殼直徑在1～1.5 cm 之間，克氏原螯蝦9 只（1 L 燒杯中分三組，每組3 只），體長在7～10 cm 之間，每日早、中、晚定時觀察其存活狀態。浮游動物用大型蚤，試驗組和對照組各設三組平行，起始平均密度分別為160 ind./L 和137 ind./L，測量其0～3 d 的分裂數量。水生植物用長勢良好的狐尾草和浮萍，每組設三個平行，培養14 d，比較試驗組和對照組試驗前后浮萍葉片分裂數目及狐尾草鮮重、分枝數目、總長度以及根須數目的增加百分比。

圖1 持續超聲控藻及對漁業環境安全性影響的試驗效果圖Fig.1 Experimental effect diagram of continuous ultrasonic wave on alga control and its risks to fishery environment

本試驗采用超聲波自下而上的發射方式，把超聲波能量充分集中于水面，使超聲波能量最大限度作用于懸浮在在水體中層和表層的銅綠微囊藻以及其他水生生物。

1.3 數據處理

試驗數據用SPSS 17.0 統計軟件進行獨立樣本T 檢驗統計分析，P＜0.05 為差異顯著，用中文Microsoft 的Word 和Excel 制圖。

2 結果與分析

2.1 超聲波對兩種株系銅綠微囊藻的抑制

對兩株系銅綠微囊藻持續8 d 的超聲波輻射處理表明（圖2、圖3），超聲波較好地抑制了這兩種株系銅綠微囊藻，試驗組和對照組的懸浮藻細胞生物總量差異顯著（P＜0.05，n=3），兩個超聲輻射組的懸浮藻細胞生物總量分別為對照組的9.71%、19.73%，與初始值比較，兩個超聲輻射組的懸浮藻細胞生物總量分別下降了89.01%和83.05%。這說明低強度超聲波輻射能有效損壞絕大部分懸浮銅綠微囊藻中的氣囊結構，使其緩慢沉降到水體底部自然消解掉，而不至于突然破裂釋放藻毒素產生二次污染，影響養殖水體的安全性。

圖2 超聲波對水體中懸浮銅綠微囊藻FACHB-905 密度的影響（8 d）Fig.2 Effect of ultrasonic wave on the density of suspended bluegreen alga M.aeruginosa FACHB-905（8 d）

圖3 超聲波對水體中懸浮銅綠微囊藻FACHB-924 密度的影響（8 d）Fig.3 Effect of ultrasonic wave on the density of suspended bluegreen alga M.aeruginosa FACHB-924（8 d）

2.2 超聲波對大型蚤、水生動物和水生植物的影響

大型蚤在經3 d 超聲波輻射處理后（圖4）運動活躍，生長良好，超聲波處理組和對照組大型蚤種群密度分別為初始值的5.23 倍和5.46 倍，說明在此強度30 cm 以外的范圍，超聲波對大型蚤的生長和增殖不會產生負面影響。

圖4 超聲波對大型蚤生長的影響（3 d）Fig.4 Effects of ultrasonic wave on growth of water fleas D.magna（3 d）

在超聲波持續輻射14 d 后，銅銹環棱螺數目試驗組較對照組略有減少（圖5）；克氏原螯蝦數目對照組較試驗組有所減少，浮萍葉片數目試驗組較對照組有所增加。圖5 中縱坐標C14/C0表示第14 d 的數量和初始數量的比值。統計結果表明，超聲波輻射組和對照組之間沒有顯著差異（P＞0.05，n=3），說明低強度的超聲波輻射不顯著影響銅銹環棱螺和克氏原螯蝦的存活及浮萍葉片的增殖。

圖5 超聲波對銅銹環棱螺、克氏原螯蝦和浮萍的生長影響（14 d）Fig.5 Effects of ultrasonic on wave on growth of snail B..aeruginosa,red swamp crayfish P.clarkii and duckweed L.mino（14 d）

圖6 超聲波對狐尾草生長的影響（14 d）Fig.6 Effects of ultrasonic wave on growth of foxtail grass A.pratensis（14 d）

經過14 d 的持續超聲波輻射后（圖6），試驗組水生植物狐尾草的分枝數目、整體長度的增加百分比（7.09%、37.13%）略小于對照組（7.85%、38.05%），狐尾草的濕重、根須增加百分比（17.11%、43.49%）明顯大于對照組（12.33%、34.97%）。統計結果表明，超聲波輻射組和對照組之間沒有顯著差異（P＞0.05，n=3），說明低強度超聲波輻射對水生植物狐尾草的生長沒有顯著影響。

本試驗中，試驗組的25 尾鯽2 周內全部健康存活，且能在超聲波發射裝置上方水體正常游動和攝食，與對照組的鯽存活狀況一致。這表明低強度超聲波輻射不會對魚類的健康存活產生顯著影響，具有較高的安全性，可應用于銅綠微囊藻爆發的漁業養殖水體。

3 討論

高能量的超聲波輻射雖然在較短時間內可以迅速殺滅藻細胞，但因其對藻細胞的能量輻射過于強烈，會導致藻細胞壁突然破裂而釋放出細胞內營養物質和次級代謝產物[18]，進入水體中產生二次污染。高能量的超聲波輻射存在著耗能高和危害水生生物安全等弊端[16]。本研究選用低強度超聲波（40 W）輻射2 種不同株系的銅綠微囊藻，具有顯著的抑制效果，至試驗結束時超聲波輻射組玻璃器皿中水體清澈，水體底部沉淀了較厚一層的銅綠微囊藻細胞。顯微觀察發現，沉降至水體底部的銅綠微囊藻細胞未破損，且存在一定活力，而對照組水體中銅綠微囊藻均勻分布呈濃綠色，未見藻細胞在玻璃器皿底部的沉淀。試驗表明：低強度的超聲波對具有氣囊結構的銅綠微囊藻有很好的控制效果[19]，原因是超聲波輻射破壞了藻細胞內的氣囊結構[20]，使其失去懸浮功能沉降至水體底部，沉降至水體底部的銅綠微囊藻仍然可存活較長時間后而逐漸消亡，而不至于突然破裂釋放次級代謝產物，對水環境不會產生負面影響，說明低強度超聲波輻射能夠對以銅綠微囊藻為優勢種的藍藻水華有較好的抑制效果和安全性。本試驗結果同時顯示，試驗周期內持續低強度超聲波輻射對1 種浮游動物（大型蚤）、3 種水生動物（克氏原螯蝦、銅銹環棱螺、鯽）、2 種水生植物（浮萍、狐尾草）的存活無顯著影響，顯示出了良好的漁業環境安全性，表明低強度超聲波不會影響浮游動物、水生動物和水生植物的生長安全，與Rajasekhar 等[11,13]的部分研究結果相近，驗證了低強度超聲波控藻技術是一種可安全應用于漁業養殖水體的物理控藻技術。

傳統的超聲波控藻試驗中普遍采用超聲波與水平面平行傳播的模式，其弊端一是超聲波的能量利用不充分，造成能量損耗；二是控藻速率追趕不上未被超聲波輻照破壞氣囊結構繼續懸浮于水體中藻細胞的繁殖速率，將達不到治理以銅綠微囊藻為優勢種的藍藻水華的理想效果。本試驗研究的創新點是超聲輻射探頭采用了自下而上的發射方式，可以使超聲波能量充分集中于水體和水面，最大限度的作用于懸浮于水體中的銅綠微囊藻。

小結

低強度超聲波（40 W）對銅綠微囊藻抑制顯著，對浮游動物、水生動物和水生植物的生物安全性沒有顯著的負面影響。超聲波在漁業養殖水體中采用自下而上的發射方式可以充分使超聲能量集中在水體和水面，最大限度地輻射于水體中，尤其是懸浮于水體表層的銅綠微囊藻，使其緩慢沉降至水底部自然消解掉。低強度超聲波在以銅綠微囊藻為優勢種的藍藻水華的漁業養殖水體治理中有較為廣闊的應用前景。