微酸性电解水和臭氧水对温室土壤杀菌效果研究与比较

李洪建+李立成+侯加林

摘要：微酸性电解水（slightly acidic electrolyzed water，SAEW）是以一定浓度的盐酸为电解质，在无隔膜电解槽内通电电解生成的一种无色无臭的电解水。其pH值在4.50～6.50之间，杀菌力强，在一定时间后可迅速分解且无化学污染。臭氧水是将臭氧气体通入水中制得，其具有极强氧化性，但不稳定。本研究在自行设计的多功能水灌溉一体机装置的基础上，探究SAEW与臭氧水对温室土壤样本的消毒效果。结果表明，SAEW与臭氧水对温室土壤样本均有一定的广谱杀菌效果。不同pH值的SAEW对土样的杀菌效果影响不大，不同浓度的臭氧水对土样的杀菌效果基本相同。温室土壤样本经长期、多次处理后，SAEW的杀菌效果优于臭氧水；但在短时间内，臭氧水比SAEW的杀菌效果更好，见效更快。本试验结果可为SAEW和臭氧水对温室土壤的消毒应用提供一定参考。

关键词：微酸性电解水；臭氧水；温室土壤；杀菌效果

中图分类号：S477+.9 文献标识号：A 文章编号：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

随着农业产业结构的调整，我国设施蔬菜种植面积逐年扩大，设施蔬菜已逐渐成为我国农业中最具活力的新型产业之一。由于温室内湿度大、温度高、风速低，为温室土壤中各种细菌微生物的生长和繁殖提供了有利的条件[1，2]。目前常见的土壤消毒方法主要有化学药剂消毒、蒸汽热消毒、太阳能消毒等[3-5]。长期以来我国设施农业多依靠化学方法控制温室作物病虫害，导致农产品和土壤中积累了大量的残留物质，既无法高效杀灭有害细菌等微生物，也影响了人们的健康。太阳热消毒操作简单但局限性较大，其它现有消毒方法在操作和经济成本上都有一定局限性。因此，如何在保证高效杀菌与高产的同时维持土壤的健康与可持续性已成为当今农业生产中亟待解决的难题之一[6-8]。

微酸性电解水（slightly acidic electrolyzed water，SAEW）是在无隔膜电解槽内通过一定的直流电压电解一定浓度的稀盐酸溶液生成的具有杀菌特性的功能水[9]。在电解槽中阴极只生成氢气；阳极则生成H+和氯气，其中H+直接溶于水中，氯气迅速与水反应，生成具有极强杀菌效果的HClO。SAEW中的有效氯主要是以HClO分子形式存在。HClO杀菌性能极高，能够杀死大部分细菌病毒。在杀灭细菌病毒过程中，次氯酸分子不但可以破坏细胞壁和病毒外壳，还可作用于细菌病毒内部的核酸和酶，从而杀死病原微生物。与强、弱酸性电解水相比，微酸性电解水具有高效、无残留、制取方便等特点。近几年SAEW逐步被应用于食品、医疗及环保等领域[10，11]。

在高压电场的强电离作用下，高速运动的电子撞击氧气使之分解成氧原子，通过氧原子、氧分子及高速电子三体碰撞反应形成臭氧。含有臭氧的水称为臭氧水。臭氧在水中可产生氧化能力极强的单原子氧（O）和羟基（-OH），对细菌细胞体直接氧化，即破坏其DNA而达到抑制并杀死细菌的效果。但臭氧水的稳定性很差，达到较好的杀菌效果需要一定的臭氧浓度及作用时间。因此臭氧水的应用也受到了较大的限制[12-16]。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设备

试验土壤取自山东农业大学南校区8号温室大棚。采样时间为2015年4月1日。

本试验采用试验室自行研制开发的多功能水灌溉一体机。pH值及氧化还原电位测定仪：英国Aquaread公司；天平：感量为0.1 g；无菌操作台；恒温培养箱；高温灭菌锅；臭氧比色计；试管、一次性培养皿、酒精灯、锥形瓶、移液枪、涂布棒等；试验用试剂：去离子水、胰蛋白胨、氯化钠、葡萄糖、琼脂、酵母浸膏等。

1.2 试验方法

1.2.1 试验对象 从温室内采用五点法取土样。除去表层约3 cm土壤，取3～10 cm深处的土壤。将五点样品充分混匀，除去碎石植物残根等，用避光保鲜盒带回试验室。将带回的土壤样本分30份，每3份为一组，共10组。这10组样本为1个对照组、5个微酸性电解水试验组和4个臭氧水试验组。

1.2.2 处理液制备及指标测定 微酸性电解水制备：以2.0%的稀盐酸作为电解液，通过改变设备的电解电压和电解电流，分别制取pH值为4.50、5.00、5.50、6.00、6.50的微酸性电解水。制备后置于密闭避光水桶内，并于1 h内使用。

臭氧水制备：通过改变制氧机的氧气通入流量和设备水流量，制备臭氧浓度分别为1、2、3、4 mg/L的臭氧水。在制取的臭氧水达到浓度标准后立即使用，每次制取后的臭氧水不作保存，随用随取。

处理液各指标的测定：pH值及氧化还原电位（ORP）使用多功能参数测定仪测定，有效氯浓度（ACC）采用碘量法测定，臭氧水浓度采用臭氧比色计测定。其中试验组的微酸性电解水各pH值的相关氧化还原电位（ORP）和有效氯浓度（ACC）如表1所示。

1.2.3 处理方法 以5个不同pH值的电解水和4个不同浓度的臭氧水分别对9个试验组进行浇灌试验。对照组则以去离子水作为浇灌用水。其中对照组标记为土样1。用pH值6.50～4.50的微酸性电解水浇灌的样本依次标记为土样2-6。用浓度为1～4 mg/L的臭氧水浇灌的样本依次标记为土样7-10。试验中对各土样的浇灌用水量均为500 mL。每次待距表层约2 cm处土壤彻底干燥后，再进行下一次浇灌。

1.2.4 采样 从每组的3份样本中各取距表层3 cm以下约20～30 g土壤，将3份土壤混合均匀后即作为本组的土样。以此方法每次试验共获得10份土样。将土样置于干燥器中烘干约2～3 h，干燥后的土壤即作为待测土样。

取样频率为每10天一次。第一次从南校温室采集土壤带回试验室后，即进行第一次取样。待每组样本在连续4次测定中菌落总数均上下浮动不超过5.0×104 cfu/g时，停止样本菌落总数测定。

1.2.5 菌落总数的测定 采用平板计数法监测土壤样本的细菌总数。以无菌操作取10 g土样于盛有999 mL无菌生理盐水并装有玻璃珠的三角瓶中，振荡10～20 min，此即为稀释梯度为10-2的菌悬液。然后按GB 4789.2—2010的规定，将不同稀释梯度的菌悬液接种至营养琼脂培养基上，放入（36±1）℃恒温培养箱中培养（48±2） h后，拿出并立即计数。

选取30～300 cfu/g之间、没有蔓延菌落生长的平板进行菌落总数计算。如果仅有一个稀释度平板上的菌落数处在适宜的计数范围之内，那么计算方法为：计算两个或3个平板菌落数的平均值，再将结果乘以相应稀释倍数，结果即为每克样品中菌落总数结果。若有两个连续稀释度的平板菌落数在适宜的计数范围内，则计算公式为：

2 结果与分析

2.1 不同pH值的微酸性电解水对土壤的杀菌效果

由图1可知，最初各个土壤样本中的菌落总数相差并不大，但经过40天处理后，相对于对照组，微酸性电解水处理的土样2-6的菌落总数明显降低，表明使用微酸性电生解水处理土壤对土壤菌落有一定的杀菌效果。之所以经过40天左右菌落总数才趋于稳定，主要是由于土壤内菌落有一定的恢复能力，即当杀菌速率大于菌落恢复速率时，菌落总数会下降，反之则会增大，而当杀菌速率和菌落恢复速率较为接近时，土壤样本的菌落总数便会趋于稳定。

从试验结果看出，土样6在经过第二次处理后菌落总数即发生明显下降，且下降速度明显快于土样2-5。由于试验室使用的微酸性电解槽产生电解水的最适pH值应在5以上，当pH值小于5时，产生的电解水里必然混有无法充分电解的电解质稀HCl。由此可知，在土样6中是由未经充分电解的HCl迅速破坏了菌落本身、改变了土壤中的酸碱平衡，使得该土壤样本已无法满足菌落的正常生长，造成菌落快速下降。

与对照组相比，经过40天处理后，试验组土样的菌落总数基本处于稳定状态，此时的菌落总数值已有明显下降。可见微酸性电解水对土壤菌落具有一定的杀菌效果，且不同pH值的微酸性电解水对土壤杀菌效果有一定影响，但相差不大。

2.2 不同浓度臭氧水对土壤的杀菌效果

由图2可知，最初对照组和试验组的土样菌落总数相差不大，但在经过10天臭氧水处理后，土样7-10的菌落总数开始下降，不同浓度处理间菌落总数相差很小。说明不同浓度臭氧水对土壤菌落的杀菌效果基本相同。另外，不同浓度臭氧水处理后，各个土样菌落总数最终达到稳定的时间基本一致，表明臭氧水浓度对杀菌速率影响不大。造成此结果的原因是臭氧水本身具有极强的氧化性，一旦臭氧水达到一定浓度值，即可充分发挥其杀菌作用，因此在其浓度继续加大后杀菌作用并不会有明显提高。

2.3 微酸性电解水与臭氧水对温室土壤杀菌效果的比较

由图1和图2比较可看出，在使用微酸性电解水和臭氧水分别处理土样一段时间后，土壤菌落总数都有一定程度的下降，表明二者对土壤都起到一定的杀菌效果。

从开始使用两种水处理土样到土样中菌落数达到基本稳定数值，土样2-6用了40天，而土样7-10仅用了10天左右。这说明使用臭氧水杀菌见效更快更迅速，而微酸性电解水则见效稍慢。臭氧水杀菌见效更快由臭氧水极强的氧化性所决定的。

在菌落数基本稳定后，土样2-6菌落总数明显少于土样7-10菌落总数。即所有土样在达到稳定的菌落总数后，使用微酸性电解水处理的土样菌落总数比使用臭氧水处理的土样菌落总数低。这表明，微酸性电解水对温室土壤的杀菌效果要比臭氧水好。其原因主要在于微酸性电解水相对于臭氧水较为稳定，臭氧水氧化性较强但也更易分解，因此在长期处理中无法长久保持其杀菌效果。

3 结论

微酸性电解水与臭氧水对温室土壤均有一定杀菌效果。其中，不同pH值的微酸性电解水对土壤杀菌效果影响不大；不同浓度值的臭氧水对土壤的杀菌效果基本相同。对两种水进行比较，使用臭氧水处理的土样杀菌见效较快。在长期处理且菌落总数保持稳定后，微酸性电解水的杀菌效果要优于臭氧水。

本试验结果表明，微酸性电解水与臭氧水对土壤内存在的菌落有一定的广谱杀菌效果，是一种新的温室土壤消毒方法。与传统的蒸汽消毒、化学消毒等消毒方法相比，微酸性电解水和臭氧水消毒不仅能够在一定程度上杀灭温室土壤中的细菌微生物，而且没有化学残留，无污染，在现代农业生产中有着广泛的应用前景[17，18]。但由于微酸性电解水尤其是臭氧水具有一定的不稳定性，且温室内具有比较复杂的气象条件，因此在温室内的实际使用过程中能否保证其杀菌效果仍有待研究。

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