高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)黃粉蟲幼蟲殺滅效果研究

馬 榮 趙龍慶 何 超

(1. 西南林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，云南 昆明 650224；2. 西南林業(yè)大學(xué)汽車與交通學(xué)院，云南 昆明 650224)

黃粉蟲 (Tenebriomolitor) 俗稱面包蟲，在昆蟲分類學(xué)上隸屬于鞘翅目，擬步行蟲科，粉甲蟲屬 (擬步行蟲屬)。鞘翅目是昆蟲綱中乃至動(dòng)物界種類最多、分布最廣的第一大目，較為常見且對(duì)林業(yè)危害較大的蛀干害蟲，如天牛 (Cerambycidae)、小蠹 (Scolytidae)、象甲 (Curculionidae) 等都屬于鞘翅目。蛀干害蟲對(duì)園林樹木的危害嚴(yán)重，主要以幼蟲蛀食枝干進(jìn)行危害，引起樹體生長(zhǎng)勢(shì)衰弱，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使被害枝干甚至全株枯死，且危害較隱蔽不易被發(fā)現(xiàn)，危害性極大[1-2]。

脈沖電場(chǎng) (PEF) 改變生物行為或殺滅微生物的概念在1967年首次由Hamihon和Sale提出，在細(xì)胞膜兩側(cè)施加外部電場(chǎng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生跨膜電位[3]。關(guān)于HPEF的作用機(jī)理，經(jīng)各國(guó)學(xué)者研究，形成了細(xì)胞膜穿孔效應(yīng)、電磁機(jī)理模型、電崩解、電解產(chǎn)物效應(yīng)、臭氧效應(yīng)等觀點(diǎn)[4]。與傳統(tǒng)的殺菌滅蟲方式相比，高壓脈沖電場(chǎng)的非熱物理處理技術(shù)，具有處理時(shí)間短、溫升小、低能環(huán)保和滅殺效果明顯等特點(diǎn)，目前已在食品殺菌、污水處理等領(lǐng)域得到了一定的研究成果[5-12]，形成較為成熟的技術(shù)。近年國(guó)內(nèi)在電殺蟲領(lǐng)域的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，高壓脈沖電流可殺死松材線蟲，且寄主植物組織對(duì)電流具有一定抗性[7-8]，在土壤殺蟲的研究中也有一定效果[9]。高壓脈沖電場(chǎng) (HPEF) 作為一種新興的物理殺蟲殺菌技術(shù)，已具備較為成熟的理論及應(yīng)用的嘗試。因此本實(shí)驗(yàn)以黃粉蟲幼蟲為代表研究電場(chǎng)對(duì)以鞘翅目幼蟲為主的蛀干害蟲的殺滅條件及作用效果。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

以J1210型高壓發(fā)生器教學(xué)儀作為脈沖高壓電源，該儀器可產(chǎn)生5、10、20 kV和50 kV電壓的高頻電脈沖。該發(fā)生器輸入端接220 V、50 Hz市電，主要由儲(chǔ)電電容器、放大器和基本控制電路、輸出選擇開關(guān)組成。電容器將輸入電能儲(chǔ)存并瞬間釋放從而產(chǎn)生高壓，連續(xù)的儲(chǔ)能放電循環(huán)構(gòu)成高壓脈沖。

實(shí)驗(yàn)中將高壓脈沖電施加在由絕緣材料制成的處理室的兩端電極上，如圖1所示。絕緣處理室主要由聚苯乙烯泡沫材料構(gòu)成，處理室為四方體空間，正上方不封閉用以實(shí)驗(yàn)操作和觀察。在處理室兩對(duì)稱側(cè)面放置電極，電極間距離可調(diào)，實(shí)驗(yàn)以環(huán)境空氣作為介質(zhì)。本實(shí)驗(yàn)中分別設(shè)定電極間距為2、3、4、5 cm，高壓脈沖電通過擊穿兩電極間空氣構(gòu)成回路。極板選用石墨電極板，極針選用金屬釘。

圖1高壓脈沖電源
Fig.1 High voltage pulse power supply

實(shí)驗(yàn)對(duì)象選取寬度為1.5～2.0 mm，長(zhǎng)度均在2～2.5 cm之間，且活性良好的幼蟲，將黃粉蟲幼蟲自由放置在處理室中，施加電場(chǎng)觀察其狀態(tài)并在實(shí)驗(yàn)后1 h觀察活性及有無假死現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)中設(shè)定不同電壓和電極間距下的放電時(shí)長(zhǎng)分別為5、15、30 s和60 s。用以測(cè)試放電時(shí)長(zhǎng)、電壓及電極間距對(duì)殺滅效果的影響。每一固定電極間距，電壓大小和放電時(shí)長(zhǎng)下各選取10只幼蟲進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，當(dāng)實(shí)驗(yàn)后判定幼蟲死亡并無假死現(xiàn)象，則計(jì)算致死率，結(jié)果用百分?jǐn)?shù)表示。

2 高壓脈沖電場(chǎng)殺滅黃粉蟲實(shí)驗(yàn)

2.1 板-板電極

將2塊石墨電極板平行固定在處理室兩端，為測(cè)定電極間距對(duì)環(huán)境空氣介質(zhì)下黃粉蟲的致死效果，分別設(shè)定電極板間距為2、3、4 cm和5 cm。表1～4分別為不同放電時(shí)長(zhǎng)下的黃粉蟲致死率。

表1 板-板電極5 s放電時(shí)長(zhǎng)致死率Table 1 Lethal rate of 5 s discharge time on plane-plane electrode %

表2 板-板電極15 s放電時(shí)長(zhǎng)致死率Table 2 Lethal rate of 15 s discharge time on plane-plane electrode %

表3 板-板電極30 s放電時(shí)長(zhǎng)致死率Table 3 Lethal rate of 30 s discharge time on plane-plane electrode %

表4 板-板電極60 s放電時(shí)長(zhǎng)致死率Table 4 Lethal rate of 60 s discharge time on plane-plane electrode %

從以上分析結(jié)果可知，當(dāng)電極間距小于黃粉蟲長(zhǎng)度時(shí) (2 cm)，通電時(shí)電極與蟲體間電弧明顯，各級(jí)電壓及放電時(shí)長(zhǎng)的致死率均為100%；當(dāng)電極間距略大于黃粉蟲長(zhǎng)度時(shí) (3 cm)，除5 kV級(jí)脈沖電壓外，其余各級(jí)電壓及放電時(shí)長(zhǎng)致死率也均達(dá)到100%，電極與蟲體間產(chǎn)生電弧也較為明顯。當(dāng)電極間距較寬時(shí)，短時(shí)間 (5 s) 放電致死率為0；4 cm電極間距時(shí)，在10、20、50 kV檔有較低的致死率，實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)不同程度的短時(shí)間假死現(xiàn)象；當(dāng)電極長(zhǎng)度達(dá)到黃粉蟲長(zhǎng)度2倍時(shí)則致死率均為0，此時(shí)電極與蟲體間無明顯電弧產(chǎn)生。通電時(shí)長(zhǎng)達(dá)到15 s之后對(duì)黃粉蟲致死率無明顯影響。

由此可知，對(duì)于板-板電極，電極間距大于蟲體長(zhǎng)度時(shí)，5 kV放電電壓對(duì)黃粉蟲的致死效果不明顯，電極間距達(dá)到蟲體2倍以上時(shí)對(duì)黃粉蟲幾乎無殺滅效果。當(dāng)電壓高于10 kV且維持15 s以上較長(zhǎng)的放電時(shí)長(zhǎng)則殺滅效果較為理想。

2.2 針-針電極

將2根金屬釘 (有尖端) 作為放電電極對(duì)稱固定在處理室兩端，同樣設(shè)定極針放電尖端的間距為2、3、4 cm和5 cm，不同放電時(shí)長(zhǎng)對(duì)黃粉蟲的殺滅效果見表5～8。

表5 針-針電極5 s放電時(shí)長(zhǎng)致死率Table 5 Lethal rate of 5 s discharge time on needle-needle electrode %

表6 針-針電極15 s放電時(shí)長(zhǎng)致死率Table 6 Lethal rate of 15 s discharge time on needle-needle electrode %

表7 針-針電極30 s放電時(shí)長(zhǎng)致死率Table 7 Lethal rate of 30 s discharge time on needle-needle electrode %

表8 針-針電極60 s放電時(shí)長(zhǎng)致死率Table 8 Lethal rate of 60 s discharge time on needle-needle electrode %

從表中結(jié)果可見，當(dāng)電極間距小于黃粉蟲長(zhǎng)度時(shí) (2 cm)，通電時(shí)電極與蟲體間出現(xiàn)較為明顯的電弧，但由于蟲體有顯著的抽搐現(xiàn)象使蟲體與電極間距變化，導(dǎo)致在電壓較低為5 kV時(shí)致死率較低，電壓較高時(shí)則殺滅效果明顯；當(dāng)電極間距略大于黃粉蟲長(zhǎng)度時(shí) (3 cm)，5 kV級(jí)電壓致死率為0，其余各級(jí)電壓及放電時(shí)長(zhǎng)致死率均為100%且電極與蟲體間產(chǎn)生電弧較明顯。當(dāng)電極間距較寬時(shí)有較高的比率出現(xiàn)短時(shí)間假死現(xiàn)象，短時(shí)間 (5 s) 放電致死率為0；4 cm電極間距時(shí)，在10、20、50 kV檔有較低的致死率；5 cm電極間距僅在較長(zhǎng)放電時(shí)間且電壓為50 kV時(shí)存在較低的致死率。通電時(shí)長(zhǎng)在15 s后各電場(chǎng)環(huán)境下的致死率有略微提高。

相比板-板電極而言，采用針-針電極放電時(shí)在電極間距較長(zhǎng)時(shí)依然對(duì)黃粉蟲有殺滅效果，這是由于采用針-針電極時(shí)，極針尖端的電荷十分密集，使尖端附近的電場(chǎng)強(qiáng)度更大。當(dāng)電極表面有電荷堆積時(shí)，電荷密度與導(dǎo)體表面的形狀有關(guān)，在凹的部位電荷密度接近零，在平緩的部位較小，在尖的部位最大[13]，因此極針的電荷密度要高于極板，針-針電極間電場(chǎng)強(qiáng)度也更高。但由于實(shí)驗(yàn)中放電時(shí)黃粉蟲的抽搐現(xiàn)象導(dǎo)致蟲體與電極間距變化，當(dāng)施加的脈沖電壓較低時(shí)，殺滅效果有所降低。

2.3 針-板電極

分別設(shè)置兩端電極為金屬釘和石墨板，構(gòu)成針-板電極。設(shè)定極針尖端和極板間距為2、3、4 cm和5 cm，放電時(shí)長(zhǎng)分別為5、15、30、60 s。測(cè)得對(duì)黃粉蟲殺滅效果如表9～12所示。

表9 針-板電極5 s放電時(shí)長(zhǎng)致死率Table 9 Lethal rate of 5 s discharge time on needle-plane electrode %

表10 針-板電極15 s放電時(shí)長(zhǎng)致死率Table 10 Lethal rate of 15 s discharge time on needle-plane electrode %

表11 針-板電極30 s放電時(shí)長(zhǎng)致死率Table 11 Lethal rate of 30 s discharge time on needle-plane electrode %

表12 針-板電極60 s放電時(shí)長(zhǎng)致死率Table 12 Lethal rate of 60 s discharge time on needle-plane electrode %

由以上結(jié)果可知，針-板電極對(duì)黃粉蟲的殺滅效果相比板-板電極和針-針電極而言較好，其在5 kV電壓檔的殺滅效果明顯高于前述2種電極形式。隨著放電時(shí)間的延長(zhǎng)，在60 s放電時(shí)長(zhǎng)時(shí)，除采用5 kV在5 cm電極間距外，各電壓檔下不同電極間距時(shí)均有一定的殺滅效果。

可以確定針-板電極的形式對(duì)于以空氣為介質(zhì)的電場(chǎng)殺蟲效果在上述3種電極形式中最優(yōu)，因其結(jié)合了極針和極板的優(yōu)點(diǎn)：極針可將電荷集中于較小區(qū)域提高電場(chǎng)強(qiáng)度；極板可提高電極產(chǎn)生面積，當(dāng)蟲體被電擊產(chǎn)生抽搐體位發(fā)生變化時(shí)對(duì)位置的適應(yīng)性較好。

3 結(jié)論與討論

由以上實(shí)驗(yàn)可得出結(jié)論如下：1) 放電電壓增高可導(dǎo)致電場(chǎng)強(qiáng)度增大，在一定范圍的電場(chǎng)環(huán)境中可提高對(duì)黃粉蟲的殺滅效果。同時(shí)電極的間距也影響電場(chǎng)強(qiáng)度大小，同樣電壓下電極間距越近則電場(chǎng)強(qiáng)度越大，對(duì)蟲體的致死率越高。2) 針電極放電時(shí)針尖端使電荷聚集可提高電場(chǎng)強(qiáng)度，板電極可適應(yīng)較寬的電場(chǎng)范圍。3種電極組合方式中，針-板電極形成的電場(chǎng)處理室對(duì)黃粉蟲的殺滅效果最好。3) 不同電場(chǎng)環(huán)境下通電時(shí)間達(dá)到一定時(shí)長(zhǎng)后對(duì)黃粉蟲的殺滅效果提高并不明顯。5 s的短時(shí)間放電對(duì)黃粉蟲致死率相對(duì)較低；放電時(shí)間延長(zhǎng)至15 s之后致死率相對(duì)穩(wěn)定；60 s放電時(shí)長(zhǎng)的殺滅效果最好，從能耗和效率考慮15 s為最佳時(shí)間。

由于實(shí)驗(yàn)采用小功率高壓脈沖放電設(shè)備，整體電場(chǎng)強(qiáng)度不高。當(dāng)兩端均為板電極時(shí)，兩電極板之間會(huì)形成相對(duì)均勻的電場(chǎng)，但電場(chǎng)強(qiáng)度較弱；而當(dāng)電極板變?yōu)闃O針后，產(chǎn)生火花放電，電場(chǎng)形成區(qū)域?yàn)閮呻姌O之間較窄的 “紡錘形”，由于陽極極針針尖電荷集中，與陰極形成的區(qū)域間電場(chǎng)強(qiáng)度較高；針-板電極以針電極為陽極，板電極為陰極，此時(shí)形成較微弱的電暈放電形式，此種放電形式在陽極周圍由于電荷集中可形成較強(qiáng)電場(chǎng)，陰極的板電極使電場(chǎng)分布更加均勻。

在平行布置的板電極處理室中，蟲體一端會(huì)與極板接觸距離較近的某一區(qū)域產(chǎn)生可見的電弧放電現(xiàn)象，蟲體受電擊產(chǎn)生抽搐時(shí)蟲體與極板間的電弧位置也隨即改變，證明此種電極對(duì)蟲體位置適應(yīng)性較好，缺點(diǎn)是電場(chǎng)強(qiáng)度低殺滅效果較弱；在對(duì)稱布置的針-針電極處理室中，蟲體的一端只與金屬針尖端產(chǎn)生電弧放電現(xiàn)象，由于極針位置固定，電場(chǎng)存在于較窄的放電區(qū)域內(nèi)，只有當(dāng)蟲體置于兩電極之間時(shí)才產(chǎn)生抽搐現(xiàn)象，當(dāng)蟲體位置改變后，有可能導(dǎo)致蟲體與電極間距超過可以產(chǎn)生電弧的距離而無法達(dá)到電擊效果。而本研究采用的針-板電極形式可改善上述2種電極處理室的缺陷，其對(duì)黃粉蟲的殺滅效果也最好，其形成的電暈電場(chǎng)在水處理、食品殺菌等領(lǐng)域被證明有較好的應(yīng)用效果[14-15]。

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