殷小亞， 喬延龍， 賈 磊， 周明華， 馬 超， 王 婷

(1.天津市水產(chǎn)研究所，天津 300221； 2.天津市海洋咨詢(xún)?cè)u(píng)估中心，天津 300457；3.南開(kāi)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院/環(huán)境污染過(guò)程與基準(zhǔn)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350)

由于養(yǎng)殖密度高、餌料負(fù)載量大，餌料顆粒、養(yǎng)殖動(dòng)物代謝廢物等存在于養(yǎng)殖水體中，導(dǎo)致養(yǎng)殖水體中無(wú)機(jī)鹽、有機(jī)物等含量增加，為水體中細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖提供了有利條件。養(yǎng)殖水體暴發(fā)的有害菌主要包括大菱鲆弧菌、溶藻弧菌、愛(ài)德華氏菌、鏈球菌、熒光假單胞菌、希瓦氏菌、副溶血弧菌、鰻弧菌、哈維氏弧菌、氣單胞菌等[1-3]。在適宜環(huán)境條件下，細(xì)菌快速繁殖，在水體中快速蔓延，如不及時(shí)殺滅，極易暴發(fā)傳染病。傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖水體消毒主要包括投加抗生素、氯制劑、溴制劑、碘制劑、醛類(lèi)等，以及使用臭氧、紫外燈等。傳統(tǒng)消毒方法具有較好的消毒效果，同時(shí)也有一些局限性。相對(duì)于傳統(tǒng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖水體消毒，電化學(xué)消毒一般不需要投加試劑，節(jié)省成本，同時(shí)消毒副產(chǎn)物較少，是比較清潔的消毒技術(shù)。

本研究主要探討電化學(xué)技術(shù)對(duì)海水養(yǎng)殖水體的殺菌作用。電化學(xué)技術(shù)是近年來(lái)新興的一種水處理方法，通過(guò)外加電場(chǎng)的物理作用和電解產(chǎn)物的化學(xué)作用殺滅細(xì)菌。根據(jù)電化學(xué)技術(shù)殺滅細(xì)菌方式不同，可分為直接殺菌和間接殺菌。直接殺菌是在外加電場(chǎng)的作用下?lián)舸┘?xì)胞膜，導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)外流，進(jìn)而使細(xì)菌失活，間接殺菌則通過(guò)電解產(chǎn)生的羥基自由基(·OH)和HClO等強(qiáng)氧化性物質(zhì)進(jìn)行殺菌[4-5]。電化學(xué)技術(shù)可以激發(fā)產(chǎn)生極高氧化電位的羥基自由基(·OH)，對(duì)細(xì)菌細(xì)胞破壞性極強(qiáng)，殺菌效果非常顯著[6]。在氯離子存在的水中，通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)，可以產(chǎn)生HClO，HClO易于穿過(guò)細(xì)胞壁，損害細(xì)胞膜，破壞蛋白質(zhì)、核酸等物質(zhì)，從而使細(xì)菌死亡[7-8]。所以電化學(xué)技術(shù)可以對(duì)養(yǎng)殖水體進(jìn)行消毒。由于海水中含有較多的鹽離子，同時(shí)含有較高的氯離子，為電化學(xué)處理提供了天然的電解質(zhì)，使電解過(guò)程中無(wú)需添加任何藥劑。在海水養(yǎng)殖過(guò)程中弧菌是引起弧菌病的一類(lèi)細(xì)菌，在全球范圍內(nèi)廣泛發(fā)生，不僅會(huì)引起海水養(yǎng)殖生物疾病的暴發(fā)，還會(huì)引起野生海水魚(yú)類(lèi)、貝類(lèi)等生物疾病的暴發(fā)[9-10]。鰻弧菌、創(chuàng)傷弧菌、哈氏弧菌、溶藻弧菌等都是海水養(yǎng)殖中常見(jiàn)的致病菌[3，11]，對(duì)海水養(yǎng)殖生物造成嚴(yán)重影響。故本研究在探討電化學(xué)技術(shù)對(duì)總細(xì)菌的殺菌作用之外，還單獨(dú)對(duì)細(xì)菌中的弧菌進(jìn)行了滅菌效果的試驗(yàn)，以期為解決海水高密度養(yǎng)殖過(guò)程中弧菌病暴發(fā)的問(wèn)題提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及儀器設(shè)備

直流穩(wěn)壓電源(APS3005Dm)，購(gòu)自深圳市安泰信科技有限公司；磁力攪拌器(RCT basic)，購(gòu)自愛(ài)卡(IKA)儀器設(shè)備有限公司；高壓蒸汽滅菌器(MLS-3781L-PC)，購(gòu)自松下(Panasonic)電器有限公司；超凈工作臺(tái)(HS1300)、生化培養(yǎng)箱(SPX-250BⅢ)，購(gòu)自天津市泰斯特儀器有限公司；電極片(Ti/RuO2-IrO2、Ti)，購(gòu)自寶雞隆盛有色金屬有限公司；海水細(xì)菌固體培養(yǎng)基(2216E)、弧菌固體培養(yǎng)基(TCBS)，購(gòu)自青島海博生物技術(shù)有限公司。

1.2 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)采用間歇流的試驗(yàn)裝置，組成主要包括電解反應(yīng)池、直流穩(wěn)壓電源、磁力攪拌器、鈦鍍釕銥板(Ti/RuO2-IrO2)陽(yáng)極、純鈦(Ti)片陰極、電極夾、導(dǎo)電線(xiàn)等，電解反應(yīng)池為圓柱形，由耐熱玻璃制成，半徑4 cm，高度10 cm，有效容積500 mL。電極片尺寸為70 mm×50 mm×2 mm，直流穩(wěn)壓電源可調(diào)電壓及電流范圍分別為0～30 V、0～5 A。

1.3 試驗(yàn)水樣及測(cè)定方法

本試驗(yàn)開(kāi)展時(shí)間為2018年4月，試驗(yàn)以實(shí)際海水養(yǎng)殖尾水為研究對(duì)象，現(xiàn)場(chǎng)采集水樣，立即送回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)。水樣采自天津市濱海新區(qū)漢沽地區(qū)楊家泊鎮(zhèn)某海水工廠化養(yǎng)殖車(chē)間。采樣按照GB 17378.7—2007《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范 第7部分：近海污染生態(tài)調(diào)查和生物監(jiān)測(cè)》中關(guān)于細(xì)菌的水樣采集方法進(jìn)行。初始水體中細(xì)菌總數(shù)為1.92×107CFU/L，弧菌總數(shù)為6.0×106CFU/L。

水體中總細(xì)菌及弧菌分別采用2216E海生微生物培養(yǎng)基及TCBS瓊脂培養(yǎng)基培養(yǎng)。取原始水樣分別稀釋至10-1、10-2、10-33個(gè)梯度，每個(gè)梯度取100 μL涂布于平板培養(yǎng)基上，并作3個(gè)平行。經(jīng)恒溫培養(yǎng)箱28 ℃、72 h恒溫培養(yǎng)，以菌落總數(shù)在30～300以?xún)?nèi)的梯度平板為有效計(jì)數(shù)平板。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理采用Origin 8.5、Excel 2007，過(guò)程中涉及的滅菌率及能耗的計(jì)算方法如下：

(1)滅菌率的計(jì)算方法[12]如下：

式中：C0為起始細(xì)菌濃度，CFU/mL；Ct為處理t時(shí)間后的細(xì)菌濃度，CFU/mL。

(2)滅菌能耗(kW·h/m3)的計(jì)算方法[13]如下：

式中：U為電壓，V；I為電流，A；t為電化學(xué)處理時(shí)間，min；V為電化學(xué)處理的水量，m3。

1.5 試驗(yàn)變量設(shè)計(jì)

試驗(yàn)過(guò)程中主要設(shè)計(jì)了電壓、電極板間距、電化學(xué)處理時(shí)間3個(gè)變量，根據(jù)本領(lǐng)域研究基礎(chǔ)[14]，每個(gè)變量設(shè)計(jì)了3個(gè)水平，電壓分別為3、5、7 V，電極板間距分別為2、3、4 cm，電化學(xué)處理時(shí)間分別為3、5、7 min。每次固定1個(gè)電壓及電極板間距，經(jīng)電化學(xué)處理3、5、7 min時(shí)，分別從電解池內(nèi)取出適當(dāng)?shù)乃?，進(jìn)行細(xì)菌、弧菌培養(yǎng)并計(jì)數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 細(xì)菌滅菌率

每次試驗(yàn)時(shí)設(shè)定1個(gè)固定電極板間距，電化學(xué)處理時(shí)間從3 min增加到7 min，分別測(cè)定電壓3、4、5 V時(shí)的滅菌率變化。從圖1可以看出，在設(shè)定的3個(gè)電極板間距情況下，整體表現(xiàn)出電壓3 V時(shí)的滅菌率低于電壓4、5 V時(shí)，在試驗(yàn)設(shè)定的每個(gè)電極板間距下，電壓4、5 V時(shí)的滅菌率均在90%以上，且多組條件下滅菌率為100%，表明電壓越大，滅菌效果越優(yōu)。通過(guò)SPSS多因素回歸分析得出，電壓是影響滅菌率最為顯著的變量，滅菌率與電壓之間存在線(xiàn)性關(guān)系。從滅菌率與處理時(shí)間的關(guān)系上來(lái)看，同一電壓條件上，基本表現(xiàn)出滅菌時(shí)間越長(zhǎng)滅菌率越高的特點(diǎn)。同時(shí)，在電壓較低的3 V條件下，電極板間距2 cm時(shí)的滅菌效果優(yōu)于電極板間距3、4 cm時(shí)，表明電壓稍低時(shí)，極板間距對(duì)滅菌率有較大影響。電壓4、5 V時(shí)，不同電極板間距下，滅菌率均很高，表明較高電壓條件下，極板間距對(duì)滅菌率的影響不顯著，影響滅菌率的主要因素是電壓。

2.2 細(xì)菌滅菌能耗

從圖2中可以看出，在相同電極板間距、相同電化學(xué)處理時(shí)間條件下，能耗隨著電壓的增大而增大。電極板間距2 cm時(shí)(圖2-a)，電壓3 V，電化學(xué)處理時(shí)間3 min滅菌能耗最低，為0.019 kW·h/m3，此時(shí)滅菌率為80.2%；當(dāng)電化學(xué)處理時(shí)間延長(zhǎng)到5 min時(shí)，滅菌率已經(jīng)達(dá)到95.3%，此時(shí)能耗為 0.029 kW·h/m3；電化學(xué)處理時(shí)間延長(zhǎng)到7 min時(shí)，滅菌率已達(dá)97.4%，而此時(shí)的能耗為0.030 kW·h/m3；能耗表現(xiàn)出隨處理時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，增加幅度并不大，且滅菌率有顯著提高。從能耗數(shù)據(jù)中可以看出，電壓5 V，當(dāng)電化學(xué)處理時(shí)間3 min時(shí)，滅菌能耗最高，為0.487 kW·h/m3。電極板間距為3 cm時(shí)(圖2-b)，電壓3 V條件下，3個(gè)處理時(shí)間點(diǎn)上能耗接近，均很低，分別為0.020、0.024、0.020 kW·h/m3，3個(gè)處理時(shí)間點(diǎn)上的滅菌率最高時(shí)為58.5%；電壓4 V條件下，所有處理時(shí)間點(diǎn)上，滅菌率均為100%，能耗最低點(diǎn)為電化學(xué)處理3 min時(shí)，為 0.207 kW·h/m3；電化學(xué)處理5 min，電壓 5 V 時(shí)能耗最高，最高時(shí)為0.614 kW·h/m3，此時(shí)滅菌率為100%。電極板間距4 cm時(shí)(圖2-c)，電壓3 V條件下，在3個(gè)處理時(shí)間點(diǎn)上能耗均很低，分別為0.012、0.015、0.012 kW·h/m3；電壓4 V時(shí)，處理 3 min 時(shí)滅菌率達(dá)96.9%，此時(shí)能耗僅為 0.076 kW·h/m3，處理5 min時(shí)滅菌率達(dá)100%，此時(shí)能耗僅為0.097 kW·h/m3；電壓5 V，電化學(xué)處理時(shí)間5 min時(shí)能耗最高，為0.225 kW·h/m3，此時(shí)滅菌率為100%。

2.3 弧菌滅菌率

在該試驗(yàn)所設(shè)置的試驗(yàn)變量中，對(duì)電化學(xué)處理前后不同梯度的水體進(jìn)行弧菌培養(yǎng)，培養(yǎng)條件28 ℃恒溫、72 h。經(jīng)過(guò)培養(yǎng)處理之后發(fā)現(xiàn)，原水中弧菌菌落濃度平均值分別為6.0×106CFU/L，而經(jīng)過(guò)電化學(xué)處理后，3、4、5 V電壓的條件下，2、3、4 cm電極板間距條件下，3、5、7 min的處理時(shí)間條件下，弧菌的滅菌率如圖3所示，任一變量組合條件下的電化學(xué)處理后結(jié)果均顯示為弧菌培養(yǎng)基上均無(wú)任何弧菌菌落的生長(zhǎng)，培養(yǎng)弧菌的滅菌率均為100%，說(shuō)明電化學(xué)技術(shù)對(duì)弧菌的滅菌效果尤為突出。

2.4 弧菌滅菌能耗

弧菌滅菌試驗(yàn)與細(xì)菌滅菌試驗(yàn)同步進(jìn)行，每次取水樣與細(xì)菌同步，由于能耗的表示方法為 kW·h/m3，表示為處理1 m3水體消耗的能量，故弧菌的滅菌能耗與細(xì)菌相同。

由于試驗(yàn)開(kāi)展過(guò)程中，每組試驗(yàn)條件下，弧菌的滅菌率均為100%，故若單獨(dú)選定最佳弧菌滅菌條件，可選擇能耗最低的一組，為電壓3 V、電極板間距4 cm、電化學(xué)處理時(shí)間3 min，此時(shí)能耗僅為 0.012 kW·h/m3。

3 討論與結(jié)論

本試驗(yàn)設(shè)定的電壓、電極板間距、電化學(xué)處理時(shí)間對(duì)海水養(yǎng)殖尾水中總細(xì)菌的滅菌作用非常顯著，在本試驗(yàn)設(shè)定的多組變量條件下，均能實(shí)現(xiàn)滅菌率100%。整體上表現(xiàn)出在相同電極板間距、相同電化學(xué)處理時(shí)間的條件下，滅菌效率隨著電壓的增加而提高。電壓是影響滅菌率的主要因素。同時(shí)，電化學(xué)處理技術(shù)對(duì)弧菌的滅菌效果極佳，在本試驗(yàn)所有變量組中，經(jīng)過(guò)電化學(xué)技術(shù)處理后，弧菌的滅菌率均為100%。

在滅菌試驗(yàn)開(kāi)展過(guò)程中，電壓與滅菌率呈線(xiàn)性關(guān)系，電極板間距及電極處理時(shí)間也是影響滅菌率的因素。因海水中含量較多的氯離子，電解過(guò)程中產(chǎn)生的Cl2及HClO是影響滅菌效果的主要因素。

本試驗(yàn)以實(shí)際海水養(yǎng)殖尾水為研究對(duì)象，雖然海水成分復(fù)雜，卻表現(xiàn)出很高的滅菌率和很低的能耗，為實(shí)現(xiàn)電化學(xué)氧化技術(shù)在海水養(yǎng)殖尾水消毒中的應(yīng)用提供了有力的數(shù)據(jù)支撐，有廣泛的推廣應(yīng)用前景。