微納米氣泡臭氧水的制備及其對土壤和基質的消毒效果

薛曉莉，林少航，楊文華，張慧娟

（北京中農天陸微納米氣泡水科技有限公司，北京 100083）

近年來，微納米氣泡因具有比表面積大、水體中存在時間長、氣液傳質率高、界面點位高、能自發產生自由基等獨特的物理化學特性而在諸多領域得到了應用[3-4]。將微納米氣泡發生技術與臭氧發生技術結合，利用微納米氣泡粒徑小及氣體溶解能力強的特性，能夠促進臭氧在水體中的溶解。何華名等[5]對比了微納米氣泡裝置、氣液混合泵、砂芯曝氣頭和文丘里這4種氣液混合方式，結果發現以微納米氣泡裝置的臭氧溶解效率最高，曝氣5 min后臭氧濃度能達到8.26 mg/L。安星辰等[6]報道了微納米氣泡臭氧水濃度的衰減性能并在實驗室模擬了臭氧水對致病菌的殺滅效果，結果表明，微納米氣泡發生裝置可以增加臭氧在水中的溶解度，提高臭氧水濃度；噴施低濃度的微納米氣泡臭氧水（0.6～1.8 mg/L）對葉霉病和早疫病病原菌具有良好的殺滅效果且對植株沒有明顯的負面作用，高濃度（7.8～8.3 mg/L）的臭氧水對較為復雜的土壤細菌的殺滅效果更好。

本研究以微納米氣泡快速發生裝置為核心，結合臭氧發生系統設計加工了微納米氣泡臭氧水消毒設備，同時還配置了排氣閥、止回閥等部件，能夠保障設備穩定、安全運行。該套設備通過調整進氣量和進水量能夠快速制取一定濃度的微納米氣泡臭氧水，特將該套設備用于實際生產中的土壤和基質消毒，并討論其應用效果。

1 材料和方法

1.1 試驗地點

試驗在北京通州區國際都市農業科技園的1號日光溫室中進行。日光溫室中有土壤栽培和基質栽培，前茬作物（生菜、芹菜、甜菜、番茄、黃瓜）均有不同程度的病害（腐霉病、枯萎病、灰霉病等），試驗利用換茬間隙對土壤和基質進行消毒。

1.2 試驗設備

試驗裝置（圖1）為北京中農天陸微納米氣泡水科技有限公司自主研發的微納米臭氧水消毒設備，該設備利用微納米氣泡快速發生裝置將臭氧溶于水中，形成較高濃度的臭氧微納米氣泡水，對土壤或基質進行灌溉消毒。

1.3 試驗設計

1.3.1 進氣量和進水量對臭氧濃度影響

微納米氣泡臭氧水可在微納米氣泡臭氧水消毒設備啟動后幾分鐘內達到所需臭氧濃度，通過調節進氣閥與進水閥可以調控出水的臭氧濃度，一般當進氣量越大、進水量越小時，出水的臭氧濃度越大，反之則臭氧濃度越小。試驗設置10個進氣量和進水量組合（表1），測定對微納米氣泡臭氧水消毒設備出水臭氧濃度的影響。

1.3.2 微納米氣泡臭氧水對土壤和基質的消毒效果

在進行土壤（基質）消毒前，先進行深翻，并保證土壤（基質）干燥。試驗設置4個處理，即CK（不消毒）、T1（進行1次消毒處理）、T2（進行2次消毒處理）、T3（進行3次消毒處理），每個處理面積為1 m2。消毒時保證臭氧水濃度在6 mg/L左右，土壤的澆灌量約為30 L/m3，基質以完全濕潤為準，灌溉量約為40 L/m3。每次消毒后，間隔1 d后進行第2次消毒。每次消毒24 h后取樣，所取土壤（基質）樣品深度為0～20 cm，多點隨機取樣，混勻，過篩，備用。所取樣品帶回實驗室進行微生物平板試驗，統計菌落數量，計算殺滅率。

總而言之，情境教學法對小學數學知識的教學具有十分重要的作用，一線的小學數學教師應當在實踐教學的過程中，積極應用多樣的形式構建教學的情境，促進學生在情境之中，深化對數學知識的認知，提高課堂教學的效果。

圖1 微納米氣泡臭氧水消毒設備

1.4 測定方法

1.4.1 水中臭氧濃度的測定

水中臭氧濃度測定采用碘量法。量取20 mL碘化鉀溶液，倒入250 mL的碘量瓶中，再加入100 mL待測臭氧水，立即加入5 mL硫酸（濃硫酸與水體積比為1∶5）搖勻，避光靜置5 min，然后用0.1 mol/L硫代硫酸鈉溶液滴定，待溶液呈淺黃色時加入幾滴（約1 mL）淀粉溶液，繼續小心滴定，直至顏色消失為止。記錄硫代硫酸鈉用量。臭氧濃度的計算公式為：

式中：C（O3）——臭氧濃度，mg/L；ANa——硫代硫酸鈉標液用量，mL；B——硫代硫酸鈉標液濃度，mol/L；V0——臭氧化氣體取樣體積，mL。

1.4.2 土壤（基質）中微生物的測定

土壤及基質中的細菌、真菌、放線菌含量采用平板稀釋法，微生物培養基分別采用牛肉膏蛋白胨培養基、馬丁孟加拉紅培養基、高氏一號培養基。

稱取10 g土壤樣品（或基質樣品）放入90 mL無菌水中，放在恒溫搖床（28 ℃）上搖15 min，轉速為120 r/min，然后在超凈工作臺上配制成濃度為10-1～10-4CFU/g的懸浮液，吸取0.1 mL不同濃度的懸浮液滴到培養基表面，細菌用濃度為10-3、10-4CFU/g的懸浮液，真菌用濃度為10-1、10-2CFU/g的懸浮液，放線菌用10-3、10-4CFU/g的懸浮液，用三角玻璃鏟均勻涂抹在固體培養基上，每個樣品設3次重復。涂抹后的培養基放入恒溫培養箱內培養，細菌30 ℃培養1 d，真菌28 ℃培養2 d，放線菌28 ℃培養5 d。待各培養基上長出均勻菌落時開始記錄。

每克土壤中的菌落數＝（各處理菌落平均數×稀釋倍數×10）/（1－土壤含水率）。根據各處理菌落數計算各消毒處理的殺滅率，殺滅率＝（對照組菌落平均數–處理組菌落平均數）/對照組菌落平均數×100%。

表1 不同進氣量和進水量組合L/min

1.5 統計方法

所有數據用統計學軟件SPSS 13.0進行分析，方差分析采用one-way ANOVA，均值比較用LSD法（最小極差法），顯著水平為0.05。

2 結果與分析

2.1 微納米氣泡臭氧水消毒設備進氣量和進水量對臭氧水濃度的影響

表2給出了不同進水量和進氣量組合產生的微納米氣泡臭氧水的臭氧濃度值，臭氧濃度可控制在2.2～8.0 mg/L。當進氣量達到4 L/min時制備臭氧的濃度最高，再增加進氣量也無法提高臭氧水的濃度。該設備制得臭氧水濃度最大為8.0 mg/L，此時的進水量為8 L/min（約0.5 m3/h）。當進水量提高到16 L/min（約1 m3/h）時，通過調節進氣閥最高可使臭氧水濃度達到5.5 mg/L。

2.2 微納米氣泡臭氧水的消毒試驗

2.2.1 臭氧水對土壤的消毒作用

由表3可以看出：第1次消毒后，對細菌、真菌及放線菌的殺滅率分別是43.2%、55.4%、53.8%；第2次消毒的殺滅率分別為48.6%、52.3%、51.9%；第3次消毒的殺滅率分別為52.3 %、60.3%、55.0%?？傮w看來，增加消毒次數對土壤中3種微生物的殺滅率基本呈上升趨勢，以T3效果最好。

表2 不同進氣量、進水量的臭氧水濃度

通過消毒前后微生物菌落數的方差分析顯示，對細菌來說，消毒1次與消毒2次菌落數無顯著差異，但是消毒3次較消毒1次菌落數顯著減少，滅菌效果提高。對于真菌、放線菌，多次消毒與1次消毒對菌落數的影響無顯著差異，滅菌效果不明顯。

試驗表明，1次消毒就能夠達到一定的滅菌效果，2次消毒不能顯著增加滅菌效果，3次消毒對細菌的殺滅效果較第1次有顯著提高，3次消毒后對3種微生物的殺滅率均超過了50%，其中真菌的殺滅率超過了60%。

2.2.2 臭氧水對基質的消毒作用

由表4可知，第1次消毒對細菌、真菌及放線菌的殺滅率分別是76.5%、62.1%、53.8%，滅菌效果較好；第2次消毒的殺滅率分別為80.1%、70.7%、61.5%；第3次消毒的殺滅率分別為85.4%、68.6%、56.6%。3次消毒的殺滅率對不同微生物有所差異，隨著消毒次數的增加，細菌的殺滅率呈現上升趨勢，真菌、放線菌呈現先上升后下降的趨勢。

對消毒前后微生物菌落數進行方差分析，結果顯示：對細菌來說，1次消毒和2次消毒效果無顯著差異，但是3次消毒較1次消毒菌落數減少且差異顯著，滅菌效果顯著提高。對于真菌，2次消毒較1次消毒菌落數減少且差異顯著，殺滅率較1次消毒提升了8.6個百分點，消毒效果顯著提升；3次消毒與2次消毒菌落數無顯著差異。對于放線菌來說，與土壤滅菌試驗結果一致，多次消毒與1次消毒菌落數無顯著差異。

3 結論與討論

臭氧作為高效廣譜的殺菌消毒劑，其殺菌效果與臭氧濃度和作用時間有關。利用微納米氣泡發生技術，將臭氧作為氣源制備微納米氣泡臭氧水，能夠有效提高水體中臭氧的濃度，并延長臭氧在水體中的作用時間。本研究結果表明，微納米氣泡臭氧水消毒設備能夠通過調整進氣量和進水量快速制取一定濃度的微納米氣泡臭氧水，臭氧濃度在2.2～8.0 mg/L。采用6 mg/L的微納米氣泡臭氧水對土壤和基質的細菌、真菌及放線菌進行滅菌試驗，可以看出基質滅菌效果好于土壤滅菌，1次消毒后，基質的滅菌效果均超過50%，2次消毒后3種微生物的殺滅率均提升到60%以上，而對于土壤來說，只有在3次消毒后3種微生物的殺滅率才能全部提升到50%以上。這可能是因為基質比土壤疏松，臭氧水更容易滲透；另外，多次消毒能提高消毒效果，但提高的幅度并不明顯。微納米氣泡臭氧水制取方便，無毒無殘留，適合作為消毒介質，且更適宜于基質消毒。

表3 臭氧水不同消毒次數對土壤中微生物的殺滅作用

表4 臭氧水不同消毒次數對基質中微生物的殺滅作用