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针对当前水污染问题,特别是富营养化水体中的蓝藻水华问题,本文构建了不同频率和功率的超声辐照装置,通过与有机物声化学降解的对比,研究了超声抑制蓝藻生长的效果、规律和影响因素,并从超声空化和蓝藻光合作用的角度探讨了抑制机理。
有机物的声化学降解源于超声空化的高温热解和自由基氧化机制,而超声抑藻主要利用超声空化的力学机制。超声空化导致的高压、冲击波、声流和剪切力,在蓝藻细胞表面产生坑穴状的损伤,并使钝项螺旋藻的藻丝折断,但并不能有效破碎单细胞的微囊藻和聚球藻。气囊是蓝藻细胞中的力学强度薄弱区域,容易被超声辐照破碎,这是超声抑藻的主要机制。
拥有气囊的钝顶螺旋藻和铜绿微囊藻在超声辐照下生物量迅速下降,与有机物的声化学降解同样服从准一级动力学规律,在辐照后的培养过程中生长速度也大大低于对照组,而超声辐照对没有气囊的聚球藻影响甚微。对藻类学参数而言,丝状形态比球状形态、有气囊比没有气囊的蓝藻更容易被超声损伤和抑制。超声抑藻效果随辐照时间的延长而趋于饱和,实验发现低剂量、高频次的模式有利于长期的生长抑制。
声强和频率对超声抑藻与有机物声化学降解的影响规律类似。随声强的提高,水中空化强度会增长并趋向饱和,导致有机物降解和抑藻效果的饱和,所以高声强并不经济。利用声场模拟的方法论证,提高辐射面积能够改善声场分布的均匀性,有望获得更高的声空化产额和抑制效率。源于超声和水中气泡的能量耦合,超声空化及其引发的生物化学反应存在频率效应,200kHz比20kHz和1.7MHz具有更佳的抑藻效果。
蓝藻在经受超声辐照后的长期培养过程中,由于光合作用受阻而生长速度降低。超声辐照不仅对叶绿素具有即时破坏作用,而且抑制其在蓝藻生长过程中的生物合成。超声辐照对藻蓝蛋白的破坏程度远强于对叶绿素的破坏,而且损伤蓝藻主要捕光天线复合物藻胆体,促使其解聚,从而阻碍了藻蓝蛋白捕获的光能向光合反应中心传递。藻胆体和藻蓝蛋白结构和功能的受损,可能是蓝藻光合作用受阻的主要原因。