微酸性電解水和臭氧水對溫室土壤殺菌效果研究與比較

李洪建+李立成+侯加林

摘要：微酸性電解水（slightly acidic electrolyzed water，SAEW）是以一定濃度的鹽酸為電解質(zhì)，在無隔膜電解槽內(nèi)通電電解生成的一種無色無臭的電解水。其pH值在4.50～6.50之間，殺菌力強(qiáng)，在一定時間后可迅速分解且無化學(xué)污染。臭氧水是將臭氧氣體通入水中制得，其具有極強(qiáng)氧化性，但不穩(wěn)定。本研究在自行設(shè)計的多功能水灌溉一體機(jī)裝置的基礎(chǔ)上，探究SAEW與臭氧水對溫室土壤樣本的消毒效果。結(jié)果表明，SAEW與臭氧水對溫室土壤樣本均有一定的廣譜殺菌效果。不同pH值的SAEW對土樣的殺菌效果影響不大，不同濃度的臭氧水對土樣的殺菌效果基本相同。溫室土壤樣本經(jīng)長期、多次處理后，SAEW的殺菌效果優(yōu)于臭氧水；但在短時間內(nèi)，臭氧水比SAEW的殺菌效果更好，見效更快。本試驗結(jié)果可為SAEW和臭氧水對溫室土壤的消毒應(yīng)用提供一定參考。

關(guān)鍵詞：微酸性電解水；臭氧水；溫室土壤；殺菌效果

中圖分類號：S477+.9 文獻(xiàn)標(biāo)識號：A 文章編號：1001-4942（2016）11-0089-05

Abstract Slightly acidic electrolyzed water （SAEW） is a colourless and odourless liquid generated with electricity in a no diaphragm electrolyzer with a certain concentration of hydrochloric acid as the electrolyte. Its value of pH is between 4.50 and 6.50. It has a high bactericidal power and decomposes rapidly in a certain period of time， so it has no chemical pollution. Ozone water is made in the way of converting ozone gas into water. It has strong oxidability， but is instable. On the basis of multifunctional water irrigation machine that was designed by ourselves， the bactericidal effects of SEAW and ozone water on greenhouse soil samples were explored in this study. The experimental results showed that SEAW and ozone water both had certain broad-spectrum bactericidal effects on greenhouse soil samples. The bactericidal effects of different pH values of SAEW on soil had little difference， and those of ozone water in different concentrations were basically the same. After a long-term and repeated treatment on greenhouse soil samples， the bactericidal effects of SEAW were better than those of ozone water. But within a short time， ozone water had better and faster bactericidal effects. The experimental results could provide some references for the application of SAEW and ozone water in the disinfection of greenhouse soil.

Keywords Slightly acidic electrolyzed water； Ozone water； Greenhouse soil； Bactericidal effect

隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，我國設(shè)施蔬菜種植面積逐年擴(kuò)大，設(shè)施蔬菜已逐漸成為我國農(nóng)業(yè)中最具活力的新型產(chǎn)業(yè)之一。由于溫室內(nèi)濕度大、溫度高、風(fēng)速低，為溫室土壤中各種細(xì)菌微生物的生長和繁殖提供了有利的條件[1，2]。目前常見的土壤消毒方法主要有化學(xué)藥劑消毒、蒸汽熱消毒、太陽能消毒等[3-5]。長期以來我國設(shè)施農(nóng)業(yè)多依靠化學(xué)方法控制溫室作物病蟲害，導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品和土壤中積累了大量的殘留物質(zhì)，既無法高效殺滅有害細(xì)菌等微生物，也影響了人們的健康。太陽熱消毒操作簡單但局限性較大，其它現(xiàn)有消毒方法在操作和經(jīng)濟(jì)成本上都有一定局限性。因此，如何在保證高效殺菌與高產(chǎn)的同時維持土壤的健康與可持續(xù)性已成為當(dāng)今農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中亟待解決的難題之一[6-8]。

微酸性電解水（slightly acidic electrolyzed water，SAEW）是在無隔膜電解槽內(nèi)通過一定的直流電壓電解一定濃度的稀鹽酸溶液生成的具有殺菌特性的功能水[9]。在電解槽中陰極只生成氫氣；陽極則生成H+和氯氣，其中H+直接溶于水中，氯氣迅速與水反應(yīng)，生成具有極強(qiáng)殺菌效果的HClO。SAEW中的有效氯主要是以HClO分子形式存在。HClO殺菌性能極高，能夠殺死大部分細(xì)菌病毒。在殺滅細(xì)菌病毒過程中，次氯酸分子不但可以破壞細(xì)胞壁和病毒外殼，還可作用于細(xì)菌病毒內(nèi)部的核酸和酶，從而殺死病原微生物。與強(qiáng)、弱酸性電解水相比，微酸性電解水具有高效、無殘留、制取方便等特點(diǎn)。近幾年SAEW逐步被應(yīng)用于食品、醫(yī)療及環(huán)保等領(lǐng)域[10，11]。

在高壓電場的強(qiáng)電離作用下，高速運(yùn)動的電子撞擊氧氣使之分解成氧原子，通過氧原子、氧分子及高速電子三體碰撞反應(yīng)形成臭氧。含有臭氧的水稱為臭氧水。臭氧在水中可產(chǎn)生氧化能力極強(qiáng)的單原子氧（O）和羥基（-OH），對細(xì)菌細(xì)胞體直接氧化，即破壞其DNA而達(dá)到抑制并殺死細(xì)菌的效果。但臭氧水的穩(wěn)定性很差，達(dá)到較好的殺菌效果需要一定的臭氧濃度及作用時間。因此臭氧水的應(yīng)用也受到了較大的限制[12-16]。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設(shè)備

試驗土壤取自山東農(nóng)業(yè)大學(xué)南校區(qū)8號溫室大棚。采樣時間為2015年4月1日。

本試驗采用試驗室自行研制開發(fā)的多功能水灌溉一體機(jī)。pH值及氧化還原電位測定儀：英國Aquaread公司；天平：感量為0.1 g；無菌操作臺；恒溫培養(yǎng)箱；高溫滅菌鍋；臭氧比色計；試管、一次性培養(yǎng)皿、酒精燈、錐形瓶、移液槍、涂布棒等；試驗用試劑：去離子水、胰蛋白胨、氯化鈉、葡萄糖、瓊脂、酵母浸膏等。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗對象 從溫室內(nèi)采用五點(diǎn)法取土樣。除去表層約3 cm土壤，取3～10 cm深處的土壤。將五點(diǎn)樣品充分混勻，除去碎石植物殘根等，用避光保鮮盒帶回試驗室。將帶回的土壤樣本分30份，每3份為一組，共10組。這10組樣本為1個對照組、5個微酸性電解水試驗組和4個臭氧水試驗組。

1.2.2 處理液制備及指標(biāo)測定 微酸性電解水制備：以2.0%的稀鹽酸作為電解液，通過改變設(shè)備的電解電壓和電解電流，分別制取pH值為4.50、5.00、5.50、6.00、6.50的微酸性電解水。制備后置于密閉避光水桶內(nèi)，并于1 h內(nèi)使用。

臭氧水制備：通過改變制氧機(jī)的氧氣通入流量和設(shè)備水流量，制備臭氧濃度分別為1、2、3、4 mg/L的臭氧水。在制取的臭氧水達(dá)到濃度標(biāo)準(zhǔn)后立即使用，每次制取后的臭氧水不作保存，隨用隨取。

處理液各指標(biāo)的測定：pH值及氧化還原電位（ORP）使用多功能參數(shù)測定儀測定，有效氯濃度（ACC）采用碘量法測定，臭氧水濃度采用臭氧比色計測定。其中試驗組的微酸性電解水各pH值的相關(guān)氧化還原電位（ORP）和有效氯濃度（ACC）如表1所示。

1.2.3 處理方法 以5個不同pH值的電解水和4個不同濃度的臭氧水分別對9個試驗組進(jìn)行澆灌試驗。對照組則以去離子水作為澆灌用水。其中對照組標(biāo)記為土樣1。用pH值6.50～4.50的微酸性電解水澆灌的樣本依次標(biāo)記為土樣2-6。用濃度為1～4 mg/L的臭氧水澆灌的樣本依次標(biāo)記為土樣7-10。試驗中對各土樣的澆灌用水量均為500 mL。每次待距表層約2 cm處土壤徹底干燥后，再進(jìn)行下一次澆灌。

1.2.4 采樣 從每組的3份樣本中各取距表層3 cm以下約20～30 g土壤，將3份土壤混合均勻后即作為本組的土樣。以此方法每次試驗共獲得10份土樣。將土樣置于干燥器中烘干約2～3 h，干燥后的土壤即作為待測土樣。

取樣頻率為每10天一次。第一次從南校溫室采集土壤帶回試驗室后，即進(jìn)行第一次取樣。待每組樣本在連續(xù)4次測定中菌落總數(shù)均上下浮動不超過5.0×104 cfu/g時，停止樣本菌落總數(shù)測定。

1.2.5 菌落總數(shù)的測定 采用平板計數(shù)法監(jiān)測土壤樣本的細(xì)菌總數(shù)。以無菌操作取10 g土樣于盛有999 mL無菌生理鹽水并裝有玻璃珠的三角瓶中，振蕩10～20 min，此即為稀釋梯度為10-2的菌懸液。然后按GB 4789.2—2010的規(guī)定，將不同稀釋梯度的菌懸液接種至營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基上，放入（36±1）℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)（48±2） h后，拿出并立即計數(shù)。

選取30～300 cfu/g之間、沒有蔓延菌落生長的平板進(jìn)行菌落總數(shù)計算。如果僅有一個稀釋度平板上的菌落數(shù)處在適宜的計數(shù)范圍之內(nèi)，那么計算方法為：計算兩個或3個平板菌落數(shù)的平均值，再將結(jié)果乘以相應(yīng)稀釋倍數(shù)，結(jié)果即為每克樣品中菌落總數(shù)結(jié)果。若有兩個連續(xù)稀釋度的平板菌落數(shù)在適宜的計數(shù)范圍內(nèi)，則計算公式為：

2 結(jié)果與分析

2.1 不同pH值的微酸性電解水對土壤的殺菌效果

由圖1可知，最初各個土壤樣本中的菌落總數(shù)相差并不大，但經(jīng)過40天處理后，相對于對照組，微酸性電解水處理的土樣2-6的菌落總數(shù)明顯降低，表明使用微酸性電生解水處理土壤對土壤菌落有一定的殺菌效果。之所以經(jīng)過40天左右菌落總數(shù)才趨于穩(wěn)定，主要是由于土壤內(nèi)菌落有一定的恢復(fù)能力，即當(dāng)殺菌速率大于菌落恢復(fù)速率時，菌落總數(shù)會下降，反之則會增大，而當(dāng)殺菌速率和菌落恢復(fù)速率較為接近時，土壤樣本的菌落總數(shù)便會趨于穩(wěn)定。

從試驗結(jié)果看出，土樣6在經(jīng)過第二次處理后菌落總數(shù)即發(fā)生明顯下降，且下降速度明顯快于土樣2-5。由于試驗室使用的微酸性電解槽產(chǎn)生電解水的最適pH值應(yīng)在5以上，當(dāng)pH值小于5時，產(chǎn)生的電解水里必然混有無法充分電解的電解質(zhì)稀HCl。由此可知，在土樣6中是由未經(jīng)充分電解的HCl迅速破壞了菌落本身、改變了土壤中的酸堿平衡，使得該土壤樣本已無法滿足菌落的正常生長，造成菌落快速下降。

與對照組相比，經(jīng)過40天處理后，試驗組土樣的菌落總數(shù)基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時的菌落總數(shù)值已有明顯下降?？梢娢⑺嵝噪娊馑畬ν寥谰渚哂幸欢ǖ臍⒕Ч?，且不同pH值的微酸性電解水對土壤殺菌效果有一定影響，但相差不大。

2.2 不同濃度臭氧水對土壤的殺菌效果

由圖2可知，最初對照組和試驗組的土樣菌落總數(shù)相差不大，但在經(jīng)過10天臭氧水處理后，土樣7-10的菌落總數(shù)開始下降，不同濃度處理間菌落總數(shù)相差很小。說明不同濃度臭氧水對土壤菌落的殺菌效果基本相同。另外，不同濃度臭氧水處理后，各個土樣菌落總數(shù)最終達(dá)到穩(wěn)定的時間基本一致，表明臭氧水濃度對殺菌速率影響不大。造成此結(jié)果的原因是臭氧水本身具有極強(qiáng)的氧化性，一旦臭氧水達(dá)到一定濃度值，即可充分發(fā)揮其殺菌作用，因此在其濃度繼續(xù)加大后殺菌作用并不會有明顯提高。

2.3 微酸性電解水與臭氧水對溫室土壤殺菌效果的比較

由圖1和圖2比較可看出，在使用微酸性電解水和臭氧水分別處理土樣一段時間后，土壤菌落總數(shù)都有一定程度的下降，表明二者對土壤都起到一定的殺菌效果。

從開始使用兩種水處理土樣到土樣中菌落數(shù)達(dá)到基本穩(wěn)定數(shù)值，土樣2-6用了40天，而土樣7-10僅用了10天左右。這說明使用臭氧水殺菌見效更快更迅速，而微酸性電解水則見效稍慢。臭氧水殺菌見效更快由臭氧水極強(qiáng)的氧化性所決定的。

在菌落數(shù)基本穩(wěn)定后，土樣2-6菌落總數(shù)明顯少于土樣7-10菌落總數(shù)。即所有土樣在達(dá)到穩(wěn)定的菌落總數(shù)后，使用微酸性電解水處理的土樣菌落總數(shù)比使用臭氧水處理的土樣菌落總數(shù)低。這表明，微酸性電解水對溫室土壤的殺菌效果要比臭氧水好。其原因主要在于微酸性電解水相對于臭氧水較為穩(wěn)定，臭氧水氧化性較強(qiáng)但也更易分解，因此在長期處理中無法長久保持其殺菌效果。

3 結(jié)論

微酸性電解水與臭氧水對溫室土壤均有一定殺菌效果。其中，不同pH值的微酸性電解水對土壤殺菌效果影響不大；不同濃度值的臭氧水對土壤的殺菌效果基本相同。對兩種水進(jìn)行比較，使用臭氧水處理的土樣殺菌見效較快。在長期處理且菌落總數(shù)保持穩(wěn)定后，微酸性電解水的殺菌效果要優(yōu)于臭氧水。

本試驗結(jié)果表明，微酸性電解水與臭氧水對土壤內(nèi)存在的菌落有一定的廣譜殺菌效果，是一種新的溫室土壤消毒方法。與傳統(tǒng)的蒸汽消毒、化學(xué)消毒等消毒方法相比，微酸性電解水和臭氧水消毒不僅能夠在一定程度上殺滅溫室土壤中的細(xì)菌微生物，而且沒有化學(xué)殘留，無污染，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用前景[17，18]。但由于微酸性電解水尤其是臭氧水具有一定的不穩(wěn)定性，且溫室內(nèi)具有比較復(fù)雜的氣象條件，因此在溫室內(nèi)的實際使用過程中能否保證其殺菌效果仍有待研究。

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