超聲波發(fā)射功率對水生生物的影響

李聶貴，郭麗麗，謝紅蘭，張俊杰

（1. 水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012；2. 水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210012）

超聲波發(fā)射功率對水生生物的影響

李聶貴1，2，郭麗麗1，2，謝紅蘭1，張俊杰1

（1. 水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012；2. 水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210012）

超聲波發(fā)射功率是影響超聲波除藻效果的重要參數(shù)之一，同時也會影響水生生物的生態(tài)安全。為了研究超聲波功率對水生生物的影響，試驗(yàn)選取 3 種不同功率（1.5，2.2，50.0 W）的超聲波輻射伊樂藻Elodea nuttallii、大型蚤 Daphnia magna 和蒙古裸腹蚤 Moina mongolina、草金魚 Carassiusauratus 和日本沼蝦Macrobranchium nipponense 5 min。測定的指標(biāo)有大型蚤、蒙古裸腹蚤的個體存活數(shù)和伊樂藻、草金魚、日本沼蝦的濕重及超氧化物歧化酶（SOD）活性。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著超聲波功率的增強(qiáng)，大型蚤和蒙古裸腹蚤的死亡個數(shù)增多。超聲波功率越高，伊樂藻和草金魚的濕重減少越明顯；但超聲波功率對日本沼蝦濕重的影響不顯著。超聲波輻射會使伊樂藻和草金魚的 SOD 酶活性降低，但對日本沼蝦的 SOD 酶的活性影響不明顯；超聲波功率和伊樂藻、草金魚的 SOD 酶的活性變化并未出現(xiàn)明顯的相關(guān)性。

超聲波；除藻；功率；水生生物；超氧化物歧化酶

超聲波可以破壞藻細(xì)胞偽空胞的現(xiàn)象[1]啟發(fā)了人們利用其進(jìn)行除藻，由于環(huán)境友好性，超聲波除藻作為一種物理除藻方法得到了廣泛的研究與應(yīng)用。超聲波對水生生物的作用主要有機(jī)械、熱和空化效應(yīng)[2]。影響超聲波對水生生物的主要因素包括功率、頻率、作用時間、作用方式等[3]。近年來，為了實(shí)現(xiàn)超聲波除藻法的大規(guī)模應(yīng)用，有關(guān)超聲波生態(tài)安全性的研究逐漸得到了較多的關(guān)注[4-6]。

1915年法國科學(xué)家 Langevin 在水中發(fā)射超聲波檢測時，發(fā)現(xiàn)超聲波對小魚等水生生物會產(chǎn)生致命效應(yīng)。路德明等[7]觀察到超聲波發(fā)射頻率在 47.6 kHz時對急游蟲有明顯的殺傷作用，超聲波作用 10 min后，活體急游蟲明顯減少，當(dāng)超聲波作用 30 min后，培養(yǎng)液中無活體急游蟲。儲昭升等[8]研究發(fā)現(xiàn)，低強(qiáng)度（發(fā)射功率 20 W）的超聲波對水體中浮游動物、魚類及沉水植物等水生生物不產(chǎn)生明顯影響。Zhou 等[9]經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)將青石斑魚置于頻率低于 50 kHz，強(qiáng)度為 400 mW /cm2以下的超聲波輻射場

中時，其死亡率很低；而在頻率高于 50 kHz 或者

強(qiáng)度為 400 mW /cm2以上時，死亡率較高。方金等[10]研究發(fā)現(xiàn)低功率（聲強(qiáng) 400 mW/cm2）超聲波輻射對江黃顙幼魚具有促進(jìn)生長的作用。后來方金等[11]使用不同功率（聲強(qiáng)分別為 200，400，600 mW/cm2）超聲波對尼羅羅非魚幼魚進(jìn)行輻射，發(fā)現(xiàn)聲強(qiáng)為200 mW/cm2的超聲波會促進(jìn)羅非魚幼魚的生長，而聲強(qiáng)為 600 mW/cm2的超聲波會對幼魚的增長有抑制作用。陳廷超等[12]作了超聲波對魚體消化酶活性影響方面的研究，發(fā)現(xiàn) 25 kHz 的超聲波能明顯地影響錦鯉肝、胰臟中消化酶的活性，使淀粉酶活性增高55%，脂肪酶活性提高 5 倍多，而使蛋白酶的活性下降 20%。

可見，超聲波是否會對水生生物產(chǎn)生影響受很多因素限制。為了明確超聲波發(fā)射功率（以下簡稱功率）大小對水生生物影響的程度，通過研究超聲波輻射前后水生生物存活個數(shù)或超氧化物歧化酶（SOD）的變化，探求其對水生生物造成的潛在傷害，以期進(jìn)一步探索超聲波除藻的較優(yōu)功率范圍，為今后超聲波除藻的參數(shù)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)選擇后生動物大型蚤 Daphnia magna 和蒙古裸腹蚤 Moina mongolina、魚類草金魚 Carassiusauratus 沉水植物伊樂藻 Elodea nuttallii、日本沼蝦Macrobranchium nipponense 為代表生物。大型蚤、蒙古裸腹蚤和伊樂藻從同行處獲得，草金魚和日本沼蝦從市場上購買獲得。實(shí)驗(yàn)選取了 3 種不同功率（1.5，2.2，50.0 W）、頻率均為 35 kHz 的超聲波發(fā)生器 A，B，C 分別對大型蚤、蒙古裸腹蚤、魚類、伊樂藻和蝦進(jìn)行了 5 min 的超聲輻射。超聲輻射時水生生物均放置于 500 mL 的燒杯中。試驗(yàn)分別記錄超聲波輻射前后水生生物的濕重和 SOD 酶活性（后生動物記錄超聲輻射前后的存活個數(shù)）。草金魚、伊樂藻、蝦對照組和實(shí)驗(yàn)組盡量選取體形和重量大致相同的進(jìn)行試驗(yàn)，以減少試驗(yàn)誤差。

1.2 測定指標(biāo)及方法

1）濕重。拭干生物體表水分后用天平稱重。

2）超氧化物歧化酶（SOD）。a. 前處理。伊樂藻：取一定質(zhì)量的伊樂藻拭干，準(zhǔn)確稱取伊樂藻植物組織重量，依照重量（g）∶體積（mL）= 1∶4 的比例加入 4 倍體積的勻漿介質(zhì)（0.1 mol/L pH 7.0～7.4的磷酸鹽緩沖液），冰水浴條件下，機(jī)械勻漿，制備成 20% 的勻漿液，4 000 r/min 離心 10 min，取上清液進(jìn)行測定。草金魚、蝦：準(zhǔn)確稱取草金魚魚鰓組織、日本沼蝦肌肉組織的重量，依照重量（g）∶體積（mL）=1∶9 的比例加入 9 倍體積的勻漿介質(zhì)（0.9% 的生理鹽水），冰水浴條件下，機(jī)械勻漿，制備成 10% 的勻漿液，3 000 r/min 離心 10 min，取上清液進(jìn)行測定。b. 采用酶試劑盒測定 SOD 酶活力。

2 超聲波功率對水生生物的影響

2.1 超聲波功率對大型蚤和蒙古裸腹蚤死亡率的影響

超聲波功率對大型蚤和蒙古裸腹蚤存活情況的影響結(jié)果如圖 1 所示，功率較小的超聲波發(fā)生器 A，B 對大型蚤和蒙古裸腹蚤影響較小，只有少數(shù)在超聲結(jié)束后死亡，且在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)死亡的多為個體體型較小的蒙古裸腹蚤；功率較大的超聲波發(fā)生器 C對大型蚤和蒙古裸腹蚤的影響很大，經(jīng)輻射 5 min后，大型蚤和蒙古裸腹蚤全部死亡。

圖 1 超聲波功率對大型蚤和蒙古裸腹蚤存活情況的影響

2.2 超聲波功率對伊樂藻、草金魚、日本沼蝦濕重的影響

經(jīng)過超聲波發(fā)生器 A，B，C 輻射 5 min 后伊樂藻濕重的變化如圖 2 所示。由圖 2 可以看出，低功率的超聲波發(fā)生器 A（發(fā)射功率 1.5 W）對伊樂藻濕重的影響較小，而隨著功率的增大，超聲波發(fā)生器 B（發(fā)射功率 2.1 W）和 C（發(fā)射功率 50.0 W）輻射前后伊樂藻濕重的變化逐漸增大。其中超聲波發(fā)生器 C輻射前后伊樂藻濕重降低了 28%。在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)功率較大的 C 組的伊樂藻葉片有受到明顯損傷，部分葉片呈現(xiàn)透明色，且燒杯中的水變成了綠色，而功率較小的 A，B 2 組的伊樂藻葉片未見明顯損傷。

圖 2 超聲波功率對伊樂藻濕重的影響

經(jīng)過超聲波發(fā)生器 A，B，C 輻射 5 min 后草金魚濕重的變化如圖 3 所示。由圖 3 可以看出，低功率的超聲波發(fā)生器 A（發(fā)射功率 1.5 W）和 B（發(fā)射功率 2.1 W）對草金魚濕重的影響較小，超聲波輻射前后草金魚的濕重變化很小。在試驗(yàn)過程中也發(fā)現(xiàn)草金魚仍在超聲波發(fā)生器 A，B 周圍游動，未見明顯異常。而功率較大的超聲波發(fā)生器 C（發(fā)射功率50.0 W）對草金魚的影響較大，輻射 5 min 后草金魚的濕重有明顯下降。在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)超聲波發(fā)生器 C 輻射時草金魚出現(xiàn)體表泛白，呈現(xiàn)假死狀態(tài)等現(xiàn)象，且在試驗(yàn)結(jié)束后試驗(yàn)用草金魚相繼死亡。

圖 3 超聲波功率對草金魚濕重的影響

經(jīng)過超聲波發(fā)生器 A，B，C 輻射 5 min 后日本沼蝦濕重的變化如圖 4 所示。由圖 4 可以看出，經(jīng)超聲發(fā)生器 A，B，C 輻射前后日本沼蝦的體重變化很小，幾乎無影響。在試驗(yàn)過程中也發(fā)現(xiàn)超聲發(fā)生器 A，B 并未對日本沼蝦的活動產(chǎn)生影響，而超聲發(fā)生器 C 輻射日本沼蝦時，日本沼蝦有出現(xiàn)不規(guī)則的運(yùn)動，但處理結(jié)束后日本沼蝦恢復(fù)正常。

2.3 超聲波功率對伊樂藻、草金魚、日本沼蝦SOD 酶活性的影響

經(jīng)過超聲波發(fā)生器 A，B，C 輻射 5 min 后伊樂藻 SOD 酶活性的變化如圖 5 所示。由圖 5 可以看出，在經(jīng)過了不同功率的超聲波輻射后，伊樂藻的SOD 酶活性均有不同程度的降低。經(jīng)超聲波發(fā)生器C（發(fā)射功率 50.0 W）輻射后伊樂藻的 SOD 酶活性降低的程度要小于超聲波發(fā)生器 A，B。

圖 4 超聲波功率日本沼蝦濕重的影響

圖 5 超聲波功率對伊樂藻 SOD 酶活性的影響

經(jīng)過超聲波發(fā)生器 A，B，C 輻射 5 min 后草金魚 SOD 酶活性的變化如圖 6 所示。由圖 6 可以看出，在經(jīng)過不同功率的超聲波輻射后，草金魚的SOD 酶活性均有降低，但不同功率的超聲波對草金魚 SOD 酶活的影響差異并不顯著。

圖 6 超聲波功率對草金魚 SOD 酶活性的影響

經(jīng)過超聲波發(fā)生器 A，B，C 輻射 5 min 后日本沼蝦 SOD 酶活性的變化如圖 7 所示。由圖 7 可以看出，在經(jīng)過不同功率的超聲波輻射后，日本沼蝦的SOD 酶活性變化不明顯。

圖 7 超聲波功率對日本沼蝦 SOD 酶活性的影響

3 結(jié)語

3.1 討論

在本研究選用的功率下，超聲波發(fā)生器 A（發(fā)射功率 1.5 W）和 B（發(fā)射功率 2.1 W）對伊樂藻、大型蚤和蒙古裸腹蚤、草金魚、日本沼蝦均未造成明顯影響，超聲波發(fā)生器 C（發(fā)射功率 50.0 W）對伊樂藻、大型蚤和蒙古裸腹蚤、草金魚都造成了不同程度的傷害。試驗(yàn)過程中水生生物置于 500 ml 的燒杯中，不同的超聲波發(fā)生器 A，B，C 對應(yīng)的聲強(qiáng)分別為 0.024，0.033，0.786 W/cm2。邵路路等[13]的研究發(fā)現(xiàn)功率為 40.0 W，聲強(qiáng)為 0.022 W/cm2的超聲波輻射對大型蚤、浮萍、狐尾草、鯽魚、銅銹環(huán)棱螺、克氏原螯蝦的存活無明顯影響。儲昭升等[8]使用發(fā)射功率為 20.0 W，聲強(qiáng)為 0.231 W/cm2超聲波輻射大草履蟲、大型蚤、稀有鮈鯽、蜈蚣草后，均未對其有明顯影響。這與本文的研究結(jié)果一致。陸寶平等[14]的研究顯示使用頻率為 20 kHz，聲強(qiáng)為0.160 W/cm2的超聲波輻射鯽魚、黑魚、河蝦、螺絲每天 8 h 連續(xù) 3 d 后，鯽魚、黑魚、河蝦、螺絲對超聲波輻射無明顯反應(yīng)且基本無死亡。結(jié)合他人的研究，可以發(fā)現(xiàn)功率并不是決定超聲波對水生生物影響的決定性參數(shù)，而是聲強(qiáng)。

超氧化物歧化酶是一類廣泛存在于生物體內(nèi)的金屬酶。能夠催化超氧陰離子自由基發(fā)生歧化反應(yīng)，平衡機(jī)體內(nèi)的氧自由基[15]，是膜脂過氧化防御系統(tǒng)的主要抗氧化酶，較高的 SOD 活力是抵抗逆境的生理基礎(chǔ)。已有很多學(xué)者針對超聲波輻射對藻類體內(nèi)酶活性的影響做了很深入的研究[16-19]，但針對超聲波輻射對水生生物體內(nèi)酶活影響的研究還很少，雖然水生生物并未死亡，但超聲波是否對其有慢性損傷仍不得而知。本試驗(yàn)結(jié)果表明：伊樂藻SOD 抗氧化酶類的活性 C 組的要高于 A，B 組，說明 C 組的伊樂藻體內(nèi)的抗氧化系統(tǒng)受到了高功率超聲輻射的刺激，抗氧化酶類的活性上升，清除體內(nèi)產(chǎn)生的過量活性氧和過氧化物自由基，以減輕伊樂藻受到的傷害，這與試驗(yàn)過程中的現(xiàn)象一致。而草金魚和河蝦體內(nèi)的超氧化物歧化酶的活性并沒有與超聲功率之間呈現(xiàn)明顯的相關(guān)關(guān)系，這可能是由于高功率的超聲輻射使草金魚出現(xiàn)不可逆的損傷而死亡，而使得 C 組草金魚的抗氧化物歧化酶的活性降低；另外由于功率高低并未明顯影響日本沼蝦，因此河蝦的超氧化物歧化酶活性并未升高。超聲波發(fā)生器 C 輻射大型蚤和蒙古裸腹蚤時，水體溫度有略微升高，溫度的變化可能也是導(dǎo)致大型蚤和蒙古裸腹蚤死亡的一個因素。結(jié)合實(shí)驗(yàn)過程草金魚的狀態(tài)，說明高功率的超聲波對草金魚的傷害更多地表現(xiàn)為物理性的傷害，并未進(jìn)一步轉(zhuǎn)變到生物性的損傷。高功率的超聲輻射對日本沼蝦沒有影響，可能是節(jié)肢動物的硬殼對超聲處理的抵抗能力較強(qiáng)，自由基未能穿透進(jìn)入軟組織，傷害不明顯，所以處理結(jié)束后日本沼蝦能恢復(fù)正常。

3.2 結(jié)果

1）隨著超聲波功率的增大，大型蚤和蒙古裸腹蚤的死亡個數(shù)增多。

2）高功率的超聲波輻射伊樂藻和草金魚時，伊樂藻和草金魚的體重減少要明顯于低功率的超聲波輻射；但超聲波功率高低對日本沼蝦體重的影響不顯著。

3）超聲波輻射會使得伊樂藻、草金魚的抗氧化物歧化酶的活性降低，但對日本沼蝦的抗氧化物歧化酶的活性影響不顯著；超聲波功率高低和伊樂藻、草金魚的抗氧化物歧化酶的活性變化并未出現(xiàn)明顯的相關(guān)性。

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Effect of ultrasonic output power onaquatic organisms

LI Niegui1,2, GUO Lili1,2, XIE Honglan1, ZHANG Junjie1
(1. Nanjing Automation Institute of Water Conservancyand Hydrology, the Ministry of Water Resources, Nanjing 210012, China; 2. Hydrologyand Water Resources Engineering Research Center for Monitoring, the Ministry of Water Resources, Nanjing 210012, China)

Ultrasonic output power is one of the important parameters inalgae removal efficiency whichaffects the ecological safety ofaquatic organismsas well. To investigate the effect of ultrasonic power onaquatic organisms, three different ultrasonic probes whose powersare 1.5, 2.2, 50.0 W respectivelyare selected to irradiate Elodea nuttallii, Daphnia magnaand Moina mongolina, Carassiusauratus, Macrobranchium nipponense for 5 minutes. The index of determination include individual survival number of Daphnia magnaand Moina mongolina, the wet weightand superoxide dismutase (SOD) of Elodea nuttallii, Carassiusauratusand Macrobranchium nipponense. The results show that: With the increase of the ultrasonic power, the number of Daphnia magnaand Macrobranchium nipponense deaths increases. The higher the ultrasonic power is, the more weight of Elodea nuttalliiand Carassiusauratus loses. However ultrasonic poweraffects weight of Macrobranchium nipponense little. Ultrasonic irradiation makes SODactivity of Elodea nuttalliiand Carassiusauratus decrease. But the SODactivity influence on Macrobranchium nipponense is not obvious. Ultrasonic powerand SOD enzyme of Elodea nuttallii, Carassiusauratus do not show significant correlation.

ultrasonic;algae removal; power;aquatic organisms; SOD

S973；Q178.5

A

1674-9405(2017)02-0045-05

10.19364/j.1674-9405.2017.02.010

2017-01-09

水利部 948 項(xiàng)目復(fù)頻超聲波除藻技術(shù)及設(shè)備（201305）

李聶貴（1983-），男，湖北江陵人，高級工程師，主要研究方向：水環(huán)境監(jiān)測治理、現(xiàn)代流體測試技術(shù)、水利信息化。