基于空化效應的超聲波滅菌除污技術性能評價

顏曉晗，楊宏賓，高 雅，葛心如，榮源源，韓瑞芳，朱秀林，趙曉棟*

基于空化效應的超聲波滅菌除污技術性能評價

顏曉晗1，楊宏賓1，高 雅2，葛心如1，榮源源1，韓瑞芳1，朱秀林3，趙曉棟1*

(1. 煙臺大學海洋學院，煙臺 264005；2. 天津環科環境咨詢有限公司，天津 300191；3. 山東明潮環?？萍加邢薰?，煙臺 264043)

為驗證基于空化效應的超聲波技術滅菌除污和凈化污水的能力，采用比濁法測定了球形賴氨酸芽孢桿菌()的生長曲線，通過平板菌落計數法對超聲處理后的芽孢桿菌進行了活菌計數，采用開路電位(OCP)、交流阻抗譜(EIS)等電化學手段表征了芽孢桿菌溶液中碳鋼的電化學行為，以及測量了污染水樣超聲處理前后不同時間的化學需氧量(COD)，結果表明經超聲處理的芽孢桿菌菌落數量與未經處理的相比明顯減少，尤其是當超聲處理時間為2 h時，芽孢桿菌菌落數量由9.1×106cfu·mL-1減少為7.7×106cfu·mL-1。電化學實驗中經超聲處理后的芽孢桿菌體系與未處理體系相比腐蝕速率顯著降低，并且經超聲處理后污水COD值明顯下降，低濃度與高濃度水樣的COD值分別從51 mg·L-1和850 mg·L-1降低為8.4 mg·L-1和740 mg·L-1。以上表明，超聲波處理對芽孢桿菌具有明顯的殺滅效果，可在短期內減緩芽孢桿菌對Q235碳鋼的腐蝕，對化學需氧量有明顯的降低效果。

海洋生物污損；超聲波；滅菌除污；電化學；水處理

隨著我國海洋強國戰略的提出，海洋開發建設項目蓬勃發展，海洋開發和海洋生態環境保護成為當下國家建設發展重點[1-3]。但是，在大力推進各項海洋開發與建設項目的過程中，海洋生物污損始終是一個繞不開的巨大問題。海洋生物污損是指微生物和海藻等海洋生物在海洋設備浸沒表面的不良積聚[4]。這是一個復雜的問題，不僅威脅海洋生態環境，同時對經濟社會發展也造成一些弊端，無法真正有效滿足當下的海洋可持續發展戰略[5-6]。當細菌、硅藻和藻類孢子等生物污染船體或其他人造海洋結構物表面時，這些設備操作和維護的成本會顯著增加，并且對設備頻繁的清洗也增加了成本，降低了設備的工作時間。另外，在海洋運輸的背景下，海洋生物污損會造成船舶載重增大，增加船只在行駛中產生的摩擦阻力，減少船舶前進效率和機動性，進而提高燃油損耗，導致有害化合物排放和經濟成本的增加[7-9]。

同時，在進行海洋開發的過程中，人類活動造成的環境污染逐漸加劇，許多沿海和公海地區受到不同原料加工和工業化合物或產品制造過程中排放的廢水影響，導致污染物的混合累積超過自然水平，對水生生態系統和沿海居民產生有害影響[10-12]。

調查研究表明[13]，目前針對海洋生物污損的傳統防治方法主要有涂層法和非涂層法。最常用的兩種非涂層法分別為電化學水解法和機械除污法。電化學水解主要是通過次氯酸達到對海洋污染生物的殺滅以防治海洋生物污染；機械除污法則是對已經附著的海洋生物，通過各種機械設備進行定期清理。上述兩種方法雖然操作簡便，但是受限于復雜的作用環境或機械設備龐大的體積。對于涂層法而言，研究表明含有生物殺菌劑的涂層已被證明在減少生物污染方面具有良好的效果；然而，其中一些化合物在海洋環境中存在非常持久，并對非目標生物有負面影響，危害海洋環境[7]。目前對環境友好的防治海洋生物污染的方法主要包括環境友好型防污涂層和超聲波防污。然而，自然污染過程中，不同的微生物，如細菌和硅藻，通過共享信息和生命材料，被納入到細胞外聚合物基質中，形成一個動態平衡；每一種生物膜在空間和時間上都是獨特的和異質的，并且對環境條件的變化很敏感，如鹽度、營養物質和光照制度，因此在實驗室中具有良好性能的環境友好型防污涂層在自然海洋環境中可能不能很好地發揮作用[14]?？梢?，以上防治方法的應用均受到處理效率、能源需求、工程專業知識、經濟效益和基礎設施等多種因素限制，簡單安全高效的防污處理方法對目前來講尤為重要。

超聲波防污為純物理的污水處理方法，產生的噪聲低、異味少，對周圍環境無影響，對人員無輻射。研究表明，超聲波清洗可以去除和防止工業結構中的污垢，提高化學清洗速度[15]，對多種微生物具有殺滅效果[16]，并能有效促進沉積物中的重金屬釋放到水體中，有利于水生植物對重金屬的吸收[17]。以上表明，超聲波處理在滅菌除污和凈化生化污水領域具有重要作用或潛力，因此本研究的開展具有一定的科研價值和實際意義。

超聲波最基本的定義是指頻率大于或等于20 kHz的聲波[18]。超聲波滅菌除污能力主要歸因于其產生的空化效應。超聲波通過物體時，如果波的振幅足夠大，就會產生氣泡或空腔，其氣泡核被超聲波激活，表現為氣泡核的震蕩、生長、收縮、崩潰等一系列動力學過程。當氣泡最終破裂時，會瞬間產生高壓（高達100 MPa）和高溫（高達5 000 K），同時會產生具有強烈沖擊力的微束流，引發熱學、力學、生物和化學等效應[19-20]，即為空化效應。超聲空化效應產生的高溫高壓可以導致細胞的死亡以及污染物的熱解，同時產生的沖擊力會導致分子鏈斷裂，加快大分子污染物的降解，并且在液體中空化效應會使水發生聲分解產生多種具有殺菌、降解污染物能力的自由基[21]。

本研究通過平板菌落計數法對超聲處理前后芽孢桿菌的菌懸液進行活菌計數，評價超聲波處理對芽孢桿菌的殺滅影響，采用開路電位（OCP）、交流阻抗譜（EIS）等電化學手段研究碳鋼在芽孢桿菌環境中的電化學行為影響，以及通過測量污染水樣超聲處理前后不同時間的化學需氧量（COD），對超聲波滅菌除污技術進行綜合性能評價。

1 材料與方法

1.1 生長曲線測定

本實驗使用的菌樣為從艦載機燃油系統的污染油樣中獲得的球形賴氨酸芽孢桿菌（）。

使用以艦載機燃油系統中的航空煤油為唯一碳源的無機鹽培養基進行富集培養、利用平板劃線法進行分離純化獲得球形賴氨酸芽孢桿菌（）。

依據細菌樣液的渾濁程度與微生物數量成正比，采用紫外可見分光光度計在600 nm波長下測得菌液的吸光度OD值，通過OD值間接表征溶液中微生物數量，吸光度越高代表微生物數量越多[22]。首先配置適合細菌生長的液體和固體的LB培養基，用1 mol·L-1的NaOH調節LB培養基pH值在7.2～7.4之間。用移液槍移取配置好的液體培養基10 mL于試管中，將其與固體培養基一起置于高壓滅菌鍋中121 ℃滅菌30 min，隨后進行細菌樣品接種培養，然后將培養好的球形賴氨酸芽孢桿菌（）菌液以1∶200的體積比例加入到500 mL LB液體培養基中，設置無菌培養基作為平行樣，放置在30 ℃、150 r·min-1搖床中進行培養。每隔2 h測吸光度。

1.2 超聲波滅菌實驗

配置適合細菌生長的液體和固體的LB培養基，用1 mol·L-1的NaOH調節LB培養基pH值在7.2～7.4之間。用移液槍移取配置好的液體培養基10 mL于試管中，將其與固體培養基一起置于高壓滅菌鍋中121 ℃滅菌30 min。

隨后進行細菌樣品接種培養，將培養好的球形賴氨酸芽孢桿菌（）菌液以1∶5的體積比例加入到250 mL LB液體培養基中制成菌懸液，對此菌懸液進行超聲處理，設置未經處理的相同菌懸液作為平行樣。分別于0 h、1 h、2 h、3 h對兩個菌懸液進行取樣，隨后用無菌水稀釋10 000倍。等待滅菌后的固體培養基冷卻至80 ℃后，在超凈工作臺中用量桶量取25 mL固體培養基，再用移液槍移取100 μL稀釋后的菌液混合均勻倒入培養皿中，靜置凝固。放置10 min置于培養箱中32 ℃培養18～24 h觀察結果，進行菌落計數。

超聲波設備來自山東明潮環?？萍加邢薰鹃_發的M-1A02型超聲波清洗設備。設備主體由電源發生器和換能器兩個部分組成，電源發生器采用380 V、50 Hz供電，最大負荷功率為150 W。

1.3 電化學實驗測試

實驗所用的Q235碳鋼成分為C（0.12%～0.20%）、Si（≤0.30%）、Mn（0.30%～0.70%）、S（≤0.045%）、P（≤0.045%）、Cr（≤0.30%）、Ni（≤0.30%）和Cu（≤0.30%）。將碳鋼試樣加工成10 mm×10 mm×2 mm的薄片，用導電膠帶將銅質導線與試樣連通，放置在圓柱體塑料管中用環氧樹脂密封，使暴露出的工作面積為10 mm×10 mm，從而制作成電化學測試實驗工作電極。依次用800～2 000目的金相砂紙在磨拋機上將試樣工作面進行打磨，然后用蒸餾水、無水乙醇沖洗后置于干燥箱中備用。

用1 mol·L-1的NaOH調節LB培養基pH值在7.2～7.4之間，然后將配置好的培養基在滅菌鍋中滅菌30 min，滅菌結束后轉移至無菌操作臺自然冷卻。將前期單獨培養的球形賴氨酸芽孢桿菌（）菌液以1∶200的體積比加入到LB培養基中，通過超聲處理和無超聲處理，建立經超聲處理的芽孢桿菌實驗體系、未經超聲處理的芽孢桿菌實驗體系以及LB液體培養基作為細菌空白體系，置于30 ℃、150 r·min-1搖床中培養。

電化學實驗采用傳統三電極體系，工作電極為碳鋼，輔助電極為Pt電極，參比電極為飽和KCl甘汞電極。實驗開始前裝置在紫外光下照射30 min滅菌，以確保實驗過程中不會被其他雜菌污染。將滅菌后的試樣浸泡在各體系中，使用PARSTAT 2 273電化學工作站進行電化學分析測試。浸泡后間隔一定時間，先進行開路電位（OCP）的測定。待開路電位穩定后，進行電化學阻抗（EIS）測試，頻率掃描范圍105～10-2Hz，正弦波電位幅值為10 mV，使用ZSimpWin軟件對數據進行處理，使用C-view軟件進行數據分析。

1.4 超聲波降低污水化學需氧量的實驗研究

實驗用實際污水試樣取自本地水務公司廢水和印染廠污水。超聲波降低污水化學需氧量的實驗研究按照HJ/T 399-2007標準[23]進行。

取出干燥的反應管分別移入經超聲處理0 h、1 h、2 h、3 h的2 mL污水樣品，并預先加入0.05 g硫酸汞以消除水樣中氯離子的影響。根據樣品濃度不同，移入3 mL對應不同濃度的專用氧化劑，隨后蓋緊蓋子，將反應管反復顛倒，充分混合試劑和樣品，待用。對COD-571型化學需氧量（COD）測定儀進行校正，按上述3個步驟，用重蒸餾水代替樣品作零點校準液，用150 mg·L-1或1 500 mg·L-1COD標準溶液作滿度校準液。零點校準液和滿度校準液均需加入0.05 g硫酸汞（根據需要）和3 mL相應的專用氧化劑，并經過消解后用于校正。不同濃度的樣品選用不同的專用試劑及測量方法。將消解后的溶液使用COD測定儀進行測量。

2 結果與分析

2.1 生長曲線分析

圖1顯示了通過比濁度測定的芽孢桿菌系統17天的OD600值，OD值代表被檢測物質吸收的光密度，OD值越高代表細菌數量越多。因此，如圖2所示，芽孢桿菌數量在0～8 d內逐漸增加，然后在8～17 d內減少，進入下降階段。生長曲線的確定為后續實驗的分析提供了理論依據。在后續電化學實驗中，每3 d更換1/3的細菌培養基，以始終保持細菌活性。

圖1 球形賴氨酸芽孢桿菌的生長曲線

Figure 1 Growth curve of

2.2 超聲波滅菌效果實驗分析

圖2和圖3分別為未經超聲處理的球形賴氨酸芽孢桿菌菌懸液和經過超聲處理的球形賴氨酸芽孢桿菌菌懸液在不同取樣時間經無菌水稀釋10 000倍后平板培養的菌落生長情況。如圖2和圖3所示，圖2(c)和圖2(d)的菌落生長情況明顯好于圖3(c)和圖3(d)，其次如圖4所示，未經超聲處理和經過超聲處理的球形賴氨酸芽孢桿菌的平板菌落生長數量雖然都呈現下降的趨勢，但是經過超聲處理的球形賴氨酸芽孢桿菌的下降趨勢更為明顯，在1 h、2 h、3 h時經過超聲處理的球形賴氨酸芽孢桿菌的生長數量均低于未經超聲處理球形賴氨酸芽孢桿菌的生長數量，由此可見，超聲波對球形賴氨酸芽孢桿菌具有明顯的殺滅效果。

圖2 未經超聲處理的球形賴氨酸芽孢桿菌的生長情況

Figure 2 Growth ofwithout ultrasound treatment

圖3 經過超聲處理的球形賴氨酸芽孢桿菌的生長情況

Figure 3 Growth oftreated by ultrasound

圖4 不同處理的球形賴氨酸芽孢桿菌的菌落數量

Figure 4 Number of colonies of growth oftreated with different treatment

2.3 電化學實驗分析

從圖1球形賴氨酸芽孢桿菌的生長曲線中可以看出，在整個實驗周期7 d內，球形賴氨酸芽孢桿菌的數量處于上升趨勢，并未到達衰落期，對實驗沒有影響。選擇圖5的等效電路對Q235碳鋼在各個體系中浸泡不同時間的阻抗譜圖進行擬合作圖。

圖5 用于擬合Q235碳鋼EIS實驗數據的等效電路

Figure 5 The equivalent electrical circuit used to fit the EIS experimental data for Q235 carbon steel

從圖6和圖7的Nyquist圖中可以看出，有菌體系和無體系形狀都是近似半圓的容抗弧，其半徑代表了阻抗值的大小[24]。無菌體系中容抗弧半徑明顯大于有菌體系。容抗弧的半徑大小與電極表面電荷轉移電阻Rct的大小成正比，Rct越大，說明碳鋼腐蝕速率越小[25]。由此可見，球形賴氨酸芽孢桿菌對碳鋼具有加速腐蝕的作用。

圖6 Q235碳鋼在無菌環境中中浸泡不同時間的Nyquist (a)圖和Bode (b)圖

Figure 6 Nyquist (a) and Bode (b) plots of Q235 carbon steel immersed in aseptic environment for different time

圖7 Q235碳鋼在未經超聲處理的球形賴氨酸芽孢桿菌菌懸液中浸泡不同時間的Nyquist (a)圖和Bode (b)圖

Figure 7 Nyquist (a) and Bode (b) plots of Q235 carbon steel immersed insuspension without ultrasonic treatment for different time

圖8 Q235碳鋼在經過超聲處理的球形賴氨酸芽孢桿菌菌懸液中浸泡不同時間的Nyquist (a)圖和Bode (b)圖

Figure 8 Nyquist (a) and Bode (b) plots of Q235 carbon steel immersed in ultrasonic treated. sphaericus suspension for different time

如圖7的Nyquist圖所示，浸泡在未經過超聲處理的球形賴氨酸芽孢桿菌菌懸液的體系其容抗弧在浸泡12 h時達到最大值，這是因為球形賴氨酸芽孢桿菌以及其代謝分泌的的胞外聚合物在試樣表面貼附形成了生物膜，可以阻礙金屬表面與溶液之間的電荷傳遞，減緩了碳鋼的腐蝕[26]。隨著Q235碳鋼的浸泡時間增加，此體系的容抗弧呈現減小的趨勢，說明碳鋼腐蝕速率越來越大，這是由于隨著浸泡時間的增加材料表面的生物膜逐漸脫落，對電荷轉移阻礙效果減弱。而如圖8的Nyquist圖所示，浸泡在經過超聲處理的球形賴氨酸芽孢桿菌菌懸液的體系其容抗弧在浸泡1 d時達到最大值，且最大值小于未經過超聲處理的球形賴氨酸芽孢桿菌菌懸液的體系，這是因為超聲波的振動作用減緩了球形賴氨酸芽孢桿菌以及其代謝分泌的胞外聚合物在試樣表面的貼附，影響了生物膜在碳鋼表面的生成，起到的保護作用較弱。隨著Q235碳鋼的浸泡時間增加，除第7天外，此體系的容抗弧基本處于穩定的狀態，說明超聲波處理減緩了其腐蝕速率。

從圖9(a)中可以看出Q235碳鋼在兩種體系中浸泡1 h時，二者的容抗弧半徑大小基本一致，說明Q235碳鋼在這兩種體系中的初始狀態基本一致。如圖9(b)所示，Q235碳鋼浸泡在未經過超聲處理的球形賴氨酸芽孢桿菌菌懸液的體系中的容抗弧半徑遠大于其浸泡在經過超聲處理的球形賴氨酸芽孢桿菌菌懸液的體系，這是因為超聲波的振動作用減緩了球形賴氨酸芽孢桿菌以及其代謝分泌的的胞外聚合物在試樣表面的貼附，影響了生物膜在碳鋼表面的生成，起到的保護作用較弱。如圖9(c)所示，隨著實驗周期的進一步延長，Q235碳鋼在這兩種體系中表面的生物膜都趨于穩定，所以在浸泡1 d時，Q235碳鋼在這兩種體系中的容抗弧半徑大小基本一致。隨著實驗周期的進一步增加，如圖9(d) 、圖9(e) 、圖9(f)所示，Q235碳鋼浸泡在經過超聲處理的球形賴氨酸芽孢桿菌菌懸液的體系中的容抗弧半徑遠大于其浸泡在未經超聲處理的球形賴氨酸芽孢桿菌菌懸液的體系，此時，Q235碳鋼浸泡在經過超聲處理的球形賴氨酸芽孢桿菌菌懸液的體系中的腐蝕速率明顯小于其浸泡在未經超聲處理的球形賴氨酸芽孢桿菌菌懸液的體系，說明超聲波通過對球形賴氨酸芽孢桿菌殺滅效果延緩了其對Q235碳鋼的腐蝕。而如圖9(g)所示，兩種體系的容抗弧半徑明顯減小，這說明在7 d時，Q235碳鋼的腐蝕速率出現轉折點，這是因為浸泡時間太長，碳鋼表面的生物膜逐漸脫落，失去了對碳鋼的保護作用。而Q235碳鋼浸泡在未經超聲處理的球形賴氨酸芽孢桿菌菌懸液的體系中的容抗弧半徑大于其浸泡在經過超聲處理的球形賴氨酸芽孢桿菌菌懸液的體系，這是因為由于超聲波的震動作用，在7 d時，浸泡在經過超聲波處理的球形賴氨酸芽孢桿菌體系中的Q235碳鋼表面生物膜的脫落情況遠遠超過浸泡在未經超聲處理的球形賴氨酸芽孢桿菌體系。

圖9 Q235碳鋼經過超聲處理或未經處理不同周期后的Nyquist圖

Figure 9 Nyquist plots of Q235 carbon steel after ultrasonic treatment or untreated for different time

圖10 低濃度水樣(a)和高濃度水樣(b)的COD值隨超聲波設備處理時間變化

Figure 10 The COD value of low concentration sample (a) and high concentration sample (b) changes with the treatment time

2.4 超聲波降低污水化學需氧量的實驗分析

化學需氧量（COD）是指標水體有機污染的一項重要指標，可大致表示污水中的有機物量，能夠反應出水體的污染程度。如圖10所示，對比未經超聲波設備處理的水樣和經超聲設備處理后的水樣的COD值，水樣的COD值隨超聲波設備處理時間，數值趨于減小，由此可見，超聲波設備具備凈化生化污水能力。

3 討論與結論

超聲與細菌生命系統的相互作用主要通過3種途徑發生，即熱（生熱）、化學（自由基形成）和機械（剪切應力、液體射流、沖擊波）3種途經，每一種途徑都會觸發特定的效應[27]。首先空化泡振蕩崩塌時造成的高溫高壓環境可以引起細胞壁的變薄甚至裂解從而導致細菌抵御外界威脅的能力降低[28]。同時其崩塌時伴有的沖擊波、微射流、湍流、剪切力等可以輕易擊穿細胞膜，而且在超聲波能量周期循環過程中產生的周期性壓力會加大細菌細胞膜磷脂雙分子的振頻振幅，導致細胞膜穿孔，泄露細胞基質，加快細菌死亡[27]。另外微射流還會干擾胞內蛋白質成分的化學構像，使其發生改變，進而導致胞內酶失活，抑制細菌的代謝，而且膜內的流體靜壓能夠誘發細胞核裂解并釋放DNA，這都對細菌的殺滅有重要作用[29]。

在氣泡破裂過程中，能量釋放使得水進行聲分解，其反應過程大致可用以下公式表示[30]：

H2O → ·OH + ·H （1）

O2→ 2·O （2）

·O + H2O → 2·OH （3）

O2+ ·H →·OOH （4）

O2+ ·H →·OH + O （5）

·OH + ·OH → H2O2（6）

2·H → H2（7）

水的聲分解產生的·OH（羥自由基）、·H（氫自由基）等自由基和H2O2（過氧化氫）具有重要的殺菌作用，DNA是細菌細胞中這些自由基攻擊的主要靶點，它們沿著DNA延伸使其斷裂產生碎片，并且過氧化氫濃度的增加會引起脂質膜的強烈氧化，影響負責ATP產生的蛋白質復合物的酶活性以及干擾細胞內部溶質濃度的維持，從而影響遺傳物質導致細菌細胞死亡[31]。同時·H、·O（氧自由基）和·OH等自由基進一步生成的·OOH（超氧自由基）和H2O2會促進胞內硝酸、亞硝酸等物質的釋放進而改變溶液酸堿度，破壞細菌生長環境[32]。

超聲波在液體中傳播時，引起媒介質點的振動，加快分子的碰撞速度，使得質點受到較大的機械力的沖擊，從而除去介質表面附著的污垢或污損[33]，同時空化效應產生的沖擊波、微射流、湍流、剪切力也可以剝離介質表面的污垢或污損，另外在液體中超聲波具有直流作用，即液體沿著聲的傳播方向產生流動的直進流，介質表面的污垢或污損被其攪拌，同樣可以達到清理介質表面的作用[34]。由于超聲波的清洗作用，在電化學實驗超聲體系中的碳鋼表面的生物膜形成受到了抑制，同時隨著實驗周期的增長，超聲波的清洗作用也大大加快了超聲體系中的碳鋼表面生物膜的脫落。

在液體中，超聲波空化效應主要產生的作用有：熱分解作用、機械作用、自由基氧化作用。首先空化效應產生的高溫高壓可以使液體中揮發疏水性的有機物熱解，其次超聲波傳播時產生的沖擊波、微射流、湍流、剪切力會導致分子鏈的斷裂，降解大分子有機物。最后空化效應產生的諸多自由基和過氧化氫可以實現對液體中有機污染物的氧化去 除[35]。水體中有機污染物的減少導致了其化學需氧量的降低。

超聲波對球形賴氨酸芽孢桿菌具有明顯的殺滅效果。

由于對球形賴氨酸芽孢桿菌的殺滅作用，超聲處理可以在短期內減緩其對Q235碳鋼的腐蝕，在5 d以內都具有減緩其腐蝕Q235碳鋼的作用，但隨著實驗周期的增加，超聲波的清洗作用在一定程度上會破壞Q235碳鋼的表面并且加速其表面生物膜的脫落，此時會一定程度上加速Q235碳鋼的腐蝕。

超聲波對化學需氧量有明顯的降低效果，無論是較高濃度化學需氧量的污水還是低濃度化學需氧量的污水，均表明超聲波具有有凈化生化污水的作用。

[1] 樊叢維. 中國科技興海視域下海洋強國戰略研究[D]. 長春: 吉林大學, 2021.

[2] 馬鳳媛. 我國海洋強國戰略視角下的海洋環境保護問題研究[D]. 青島: 中國海洋大學, 2014.

[3] 金永明, 趙昕, 韓立民. “中國建設海洋強國的意義與任務”筆談[J]. 中國海洋大學學報(社會科學版), 2022(3): 1-8.

[4] GUO H S, LIU X M, ZHAO W Q, et al. A polyvinylpyrrolidone-based surface-active copolymer for an effective marine antifouling coating[J]. Prog Org Coat, 2021, 150: 105975.

[5] EMARA A M, BELAL A. Marine fouling in Suez canal, Egypt[J]. Egypt J Aquat Res, 2004, 30: 189-206.

[6] GUO S F. Study of ultrasonic effects on the marine biofouling organism of barnacle, Amphibalanus Amphitrite[D]. Singapore:National University of Singapore, 2012.

[7] PATTERSON A L, WENNING B, RIZIS G, et al. Role of backbone chemistry and monomer sequence in amphiphilic oligopeptide- and oligopeptoid-functionalized PDMS- and PEO-based block copolymers for marine antifouling and fouling release coatings[J]. Macromolecules, 2017, 50(7): 2656-2667.

[8] BENSCHOP H O G, GUERIN A J, BRINKMANN A, et al. Drag-reducing riblets with fouling-release properties: development and testing[J]. Biofouling, 2018, 34(5): 532-544.

[9] YEBRA D M, KIIL S, DAM-JOHANSEN K. Antifouling technology:past, present and future steps towards efficient and environmentally friendly antifouling coatings[J]. Prog Org Coat, 2004, 50(2): 75-104.

[10] RODRíGUEZ J, GALLAMPOIS C M J, HAGLUND P, et al. Bacterial communities as indicators of environmental pollution by POPs in marine sediments[J]. Environ Pollut, 2021, 268: 115690.

[11] OMAR T F T, ARIS A Z, YUSOFF F M. Multiclass analysis of emerging organic contaminants in tropical marine biota using improved QuEChERS extraction followed by LC MS/MS[J]. Microchem J, 2021, 164: 106063.

[12] ANTONIA W, GüLSAH D, HENNER H, et al. Distribution and toxicity of persistent organic pollutants and methoxylated polybrominated diphenylethers in different tissues of the green turtle Chelonia mydas[J]. Environ Pollut, 2021, 277: 116795.

[13] 曾宇帆. PMMA表面大腸桿菌的粘附行為與超聲處理研究[D]. 成都: 西南交通大學, 2019.

[14] GAO Y M, MENG Q Y, ZHOU X F, et al. How do environmentally friendly antifouling alkaloids affect marine fouling microbial communities?[J]. Sci Total Environ, 2022, 820: 152910.

[15] TOMMISKA O, MUSTONEN J, MOILANEN P, et al. FEM-based time-reversal technique for an ultrasonic cleaning application[J]. Appl Acoust, 2022, 193: 108763.

[16] GAO S P, LEWIS G D, ASHOKKUMAR M, et al. Inactivation of microorganisms by low-frequency high-power ultrasound: 1. Effect of growth phase and capsule properties of the bacteria[J]. Ultrason Sonochem, 2014, 21(1): 446-453.

[17] 李巧云. 超聲波對沉水植物富集沉積物中重金屬的影響[D]. 長沙: 湖南農業大學, 2013.

[18] PIYASENA P, MOHAREB E, MCKELLAR R C. Inactivation of microbes using ultrasound: a review[J]. Int J Food Microbiol, 2003, 87(3): 207-216.

[19] EARNSHAW R G, APPLEYARD J, HURST R M. Understanding physical inactivation processes: combined preservation opportunities using heat, ultrasound and pressure[J]. Int J Food Microbiol, 1995, 28(2): 197-219.

[20] 呂瑞玲. 超聲波技術滅活蠟樣芽胞桿菌芽胞機制研究[D]. 杭州: 浙江大學, 2020.

[21] 沈其動. 超聲及其它方法聯合滅菌實驗性研究[D]. 西安: 陜西師范大學, 2008.

[22] 陳玉琪. 微生物生長曲線中生長量測定方法的比較[J]. 輕工科技, 2020, 36(4): 7-8.

[23] 中華人民共和國環境保護部. 水質化學需氧量的測定快速消解分光光度法: HJ/T 399—2007[S]. 北京: 中國環境科學出版社, 2008.

[24] WANG S A, ZHAO X D, RONG H S, et al. Role of Lysinibacillus sphaericu s on aviation kerosene degradation and corrosion of 7B04 aluminum alloy[J]. J Mater Res Technol, 2022, 18: 2641-2653.

[25] 李曉龍, 張杰, 張鑫, 等. 海洋污損生物的附著對Q235碳鋼表面陰極保護鈣質沉積層形成的影響[J]. 材料工程, 2018, 46(6): 88-94.

[26] 胡秀華. 海洋環境中微藻與鈣質層對Q235碳鋼腐蝕行為的影響[D]. 鎮江: 江蘇科技大學, 2017.

[27] SERPE L, GIUNTINI F. Sonodynamic antimicrobial chemotherapy: first steps towards a sound approach for microbe inactivation[J]. J Photochem Photobiol B, 2015, 150: 44-49.

[28] ASHOKKUMAR M. The characterization of acoustic cavitation bubbles: An overview[J]. Ultrason Sonochem, 2011, 18(4): 864-872.

[29] 樊麗華, 侯福榮, 馬曉彬, 等. 超聲波及其輔助滅菌技術在食品微生物安全控制中的應用[J]. 中國食品學報, 2020, 20(7): 326-336.

[30] 呂雪營. 超聲場耦合化學法對飲用水大腸桿菌滅活研究[D]. 廣州: 華南理工大學, 2016.

[31] DE S?O JOSé J F B, DE ANDRADE N J, RAMOS A M, et al. Decontamination by ultrasound application in fresh fruits and vegetables[J]. Food Control, 2014, 45: 36-50.

[32] KENTISH S, ASHOKKUMAR M. The physical and chemical effects of ultrasound[M]//Ultrasound Technologies for Food and Bioprocessing. New York: Springer, 2011: 1-12.

[33] 廖天棋. 超聲波強化鋅粉深度凈化硫酸鋅溶液研究[D]. 昆明: 昆明理工大學, 2021.

[34] 李賽. 超聲波凈化及減菌技術在貝類產品(竹蟶)中的應用研究[D]. 揚州: 揚州大學, 2021.

[35] 滕曉宇, 鄭云松, 蔡其正, 等. 沉積物活化氧氣和過氧化氫產生羥自由基降解三氯乙烯的比較研究[J]. 環境科學研究, 2022, 35(2): 547-555.

Evaluation of ultrasonic sterilization and decontamination technology based on cavitation effect

YAN Xiaohan1, YANG Hongbin1, GAO Ya2, GE Xinru1, RONG Yuanyuan1,HAN Ruifang1, ZHU Xiulin3, ZHAO Xiaodong1

(1. School of Ocean, Yantai University, Yantai 264005; 2. Tianjin Environmental Consulting Co.,Ltd., Tianjin 300191;3. Shandong Mingchao Environmental Protection Technology Co.,Ltd., Yantai 264043)

To verify the ability of ultrasonic sterilization and decontamination based on cavitation effect, the growth curve ofwas measured by turbidimetry, and the viable count ofafter ultrasonic treatment was carried out by plate colony counting method. Electrochemical methods such as open circuit potential (OCP) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) were used to characterize the electrochemical behavior of carbon steel insolution, and the chemical oxygen demand (COD) of contaminated water samples before and after ultrasonic treatment was measured. The results showed that the number ofcolonies after ultrasonic treatment was significantly reduced compared with that without treatment, especially when the ultrasonic treatment time was 2 h, the number ofdecreased from 9.1×106cfu·mL-1to 7.7×106cfu·mL-1. During electrochemical experiments, the corrosion rate of thesystem treated with ultrasound was markedly lower compared to the untreated system. Furthermore, the ultrasonic treatment effectively reduced the COD value of the wastewater. Notably, the COD values of low and high-concentration wastewater samples also decreased remarkably from 51 mg·L-1to 8.4 mg·L-1, and 850 mg·L-1to 740 mg·L-1, respectively. The results presented above indicate that ultrasonic treatment has a significant bactericidal effect on, effectively slowing down the corrosion of Q235 carbon steel caused byover a short period of time, and also substantially reducing the chemical oxygen demand.

marine biofouling; ultrasound; sterilization and decontamination; electrochemistry; water treatment

10.13610/j.cnki.1672-352x.20230625.003

2023-06-26 15:14:17

X55

A

1672-352X (2023)03-0529-08

2022-08-03

國家自然科學基金（52101392），山東省自然科學基金（ZR2020QD081, ZR2021QD060）和大學生創新訓練項目（YD2021033）共同資助。

顏曉晗，碩士研究生。E-mail：1394292808@qq.com

通信作者:趙曉棟，博士，教授。E-mail：zhaoxiaodong23@163.com

[URL] https://kns.cnki.net/kcms2/detail/34.1162.S.20230625.1450.006.html