紫外线－臭氧联合测试营养液消毒性能试验
1.性能实验
1.1 试验装置与测定方法
图1 试验装置示意图
试验装置如图1 所示。
1）通过安装在水泵出口端、紫外线消毒器出口端的两个压力表，来测量整个设备的压力损失，为评价和改进设计提供参考。
2）流量通过水表和秒表测得，q=Q/T，其中Q 为测量始末2 次水表读数之差，m3；T 为测量所用时间，h。
3）营养液在紫外线消毒器中的灭菌时间（即在消毒器中的存留时间）由下式计算得到：t=L×3.14×R2/q，其中L 为紫外线消毒器的有效长度，0.95 m；R 为紫外线消毒器的腔体半径，0.055 m。
4）臭氧发生器出气口的臭氧浓度
5）营养液中的臭氧溶解量，采用参考文献18 的方法测得。
1.2 不同流量时，文丘里射流器的吸气量与紫外线的灭菌时间
由表1 可以看出，压力表Ⅰ、Ⅱ的数值均随水泵流量的变化而变化：水泵出口端压力随流量增加而变大，而紫外线消毒器出口端的压力呈现相反的趋势；随着流量由5.6 m3/h 增加到13.6 m3/h，压力差也由0.06 MPa 增大到0.17 MPa。这说明管路的阻力在随流量增大而变大，但同时压差的增大有利于提高文丘里射流器喉管处的吸力，可以从臭氧发生器中吸入更多的臭氧与空气的混合气，这从混合气体的吸入量由18 L/min 增加到了33 L/min就可看出；另外，流量的增大，更有利于在文丘里射流器的扩散管中形成湍流，从而利于臭氧气体溶解于营养液中，从营养液中的臭氧含量由0.66 mg/L 提高到了0.73mg/L 就可看出，这对于提高臭氧的灭菌效果是有利的。营养液流经紫外线消毒腔体的时间，是随着流量的增大而减小的：流量由5.6 m3/h 增大到13.6 m3/h，营养液在紫外线消毒腔体中的存留时间也由5.8 s 减小到2.4 s。营养液在消毒器中存留时间越短，受到的紫外线辐照剂量越少（辐照度一定时），对杀灭病原菌越不利，灭菌效果将会越差。
1.3 灭菌效果试验
2009 年10 月自北京市昌平区土沟村京承碧园温室，取得用于番茄树式栽培的营养液。该营养液配制时间是4月10 日，到取样时已经循环使用了180 d 左右。试验主要检测了消毒机对营养液中真菌、细菌和放线菌的灭菌效果。
2.试验方法
2.1 培养基配制
1）真菌培养基（孟加拉红培养基）：每升蒸馏水中，加入K2HPO4 1g，MgSO4·7H2O 0.5 g，蛋白胨5 g，葡萄糖10 g，琼脂15～20 g，1%的孟加拉红溶液3.3 mL。
2）细菌培养基（牛肉膏蛋白胨培养基）：每升蒸馏水中，加入牛肉膏5 g，蛋白胨10 g，NaCl 5 g，琼脂15 g，调节pH 值在7.2～7.6 之间，121℃湿热灭菌30 min。培养基使用前用双层纱布中间夹一层脱脂棉过滤，使培养基澄清、透明。
3）放线菌培养基（高氏一号培养基）：每升蒸馏水中，加入可溶性淀粉20 g，琼脂15～20 g，KNO3 1g，NaCl0.5 g，K2HPO40.5 g，MgSO4 0.5 g，FeSO4 0.01 g，121℃湿热灭菌30 min。
2.2 试验仪器设备
试验时采用的主要仪器设备包括：18×180 试管、电磁炉、1.5 L 烧杯、电子天平、500 mL 锥形瓶、DDHZ-300多用途台式恒温振荡器、LS-B35L 立式高压蒸汽灭菌锅、DL-CJ-1ND 医用无菌操作台、赛福智能光照培养箱、哈希DR2800 分光光度计、哈希DRB200 数字式反应器等。
2.3 试验步骤
1）紫外线消毒试验：①将120 L 营养液加入储液桶，取3 个空白样品，作为CK；②打开紫外灯电源开关，使灯管预热15 min；③调节阀门使营养液循环处于某一流量，打开水泵开关进行消毒；④系统运行稳定后由取样口Ⅲ取样；⑤调节阀门改变营养液循环流量，进行下一次消毒和取样。
2）臭氧消毒试验：①将120 L 营养液加入储液桶，取3 个空白样品，作为CK；②打开臭氧发生器电源开关，使臭氧发生器运行10 min；③调节臭氧发生器出气口阀门开度，使臭氧吸入量一定，然后打开水泵开关进行消毒；④系统运行稳定后由取样口Ⅲ取样；⑤通过调节臭氧发生器出气口阀门开度，改变进入文丘里射流器的臭氧量和营养液中的臭氧含量，进行下一次消毒和取样。
3）组合消毒试验：①将120 L 营养液加入储液桶，取3 个空白样品，作为CK；②打开紫外灯电源开关，使灯管预热15 min，5 min 后打开臭氧发生器电源开关，使臭氧发生器运行10 min；③打开水泵开关进行消毒；④系统运行稳定后由取样口Ⅲ取样，为单独使用紫外线消毒的样本；⑤连接臭氧导管到文丘里射流器，使臭氧混入营养液，并在取样口Ⅱ取样，得到单独采用臭氧消毒的样品，在取样口Ⅲ取样得到UV+O3 组合消毒的样品。
4）取样结束后，用稀释平板法测定营养液中残余微生物数量。具体步骤如下：
取原液样本10 mL 于无菌试管中，在旋涡混旋器上混匀30 s 后，从原液中吸取1 mL 加入到另一装有9 mL 无菌水的试管中即为10-1 倍稀释液，再从10-1 倍稀释液中吸取1 mL 加入到另一装有9 mL 无菌水的试管中，得10-2 倍稀释液，依次进行10 倍稀释，制备10-3 倍、10-4 倍稀释液。分别取真菌10-1、10-2、10-3 倍稀释液，细菌取10-2、10-3、10-4 倍稀释液，放线菌取原液、10-1、10-2 倍稀释液各100 μL，于马丁培养基、牛肉膏蛋白胨培养基和高氏一号培养基上，用无菌玻璃刮铲涂抹均匀，分别在28℃倒置培养48 h、72 h、7 d。微生物数量以单位体积（mL）所形成的菌落数量来表示（CFU/mL）。
3 结果分析与讨论
3.1 单独采用UV 的灭菌效果
由图2 可知，当紫外线照射剂量分别为53、71、110mJ/cm2（流量分别为11.2、8.3、5.6 m3/h；营养液的紫外线透射率T10=48.1%）时，灭菌率分别为62.7%、80.8%、96.9%。紫外线的灭菌效果由紫外线照射剂量决定，在不改变紫外灯功率情况下通过减小营养液流量进而降低流速，从而增加辐照剂量，灭菌率呈直线上升趋势。但由于在实际栽培过程中，植物根系会产生根系分泌物（包括渗出物如糖类、氨基酸、维生素等，和主动分泌物如黏胶物质、酶类、激素、酚类、有机酸、质子等），以及植物残体脱落物，这些因素都会降低营养液的紫外线透射率，影响了紫外线穿透效果而使得单独使用紫外线、大流量时的灭菌率不高。
图2
3.2 单独采用O3 的灭菌效果
由图3 可以看出，当营养液中的臭氧浓度分别达到0.2、0.4、0.6 mg/L 时，对微生物的杀灭效果分别是16.9、18.6、51.49%。
图3
与紫外线灭菌率所形成的直线不同，臭氧灭菌率呈曲线且曲线的斜率逐渐增大。这说明随着营养液中臭氧浓度的提高，其对微生物的灭菌率也相应增加。这是因为臭氧灭菌效果受臭氧浓度和接触时间的共同影响，灭菌率会随着营养液中臭氧浓度的提高而升高；另外，营养液除了微生物体还存在其它具有还原性的物质，如植物根系分泌物以及植物残体脱落物等，这些物质的氧化会消耗一定的臭氧，从而使得低浓度时臭氧灭菌率不高。
3.3 UV+O3 组合的灭菌效果
由图4 可以看出，整机流量控制在11.2 m3/h 时，关闭紫外灯单独采用臭氧对菌液消毒，灭菌率为15.9%；关闭臭氧仅采用紫外线消毒，灭菌率是70.6%；采用臭氧和紫外线组合，灭菌率可达89.9%。
图4
还可以看出，3 种不同灭菌方法之间存在显著地差异，且组合式灭菌体现了杀菌的协同作用：组合式消毒灭菌率也略大于臭氧灭菌率和紫外线灭菌率之和。说明臭氧与紫外组合不是消毒方式的简单叠加，出现了协同灭菌效应。
紫外线照射与臭氧的协同灭菌作用主要有两方面的原因：臭氧与有机物分子反应需要活化能，紫外线的照射提高了有机物分子能量，使活化分子比例增多，从而使有机物更容易在臭氧的氧化下分解；另外，水中溶解的臭氧在紫外线照射下能够生成反应活性更高的羟基自由基（•OH），进而加速了水中有机物的去除速率[19]。
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