無土栽培營養(yǎng)液消毒技術(shù)研究與應(yīng)用-

1、第21卷增刊2005年12月農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)T ransactio ns o f the CSA E V ol.21Supp Dec.2005無土栽培營養(yǎng)液消毒技術(shù)研究與應(yīng)用 劉偉1,陳殿奎1,E .A .van Os 2(1.國家蔬菜工程技術(shù)研究中心,北京100089;2.瓦赫寧根大學(xué)與研究中心農(nóng)業(yè)技術(shù)與食品創(chuàng)新研究所,瓦赫寧根,6700,荷蘭摘要:為了減少營養(yǎng)液排放對(duì)環(huán)境造成的污染,世界范圍內(nèi)的無土栽培系統(tǒng)正逐步由開放式向封閉式轉(zhuǎn)變。封閉式無土栽培系統(tǒng)中根系病害的傳播危險(xiǎn)急劇增加,因此營養(yǎng)液消毒技術(shù)的研究和應(yīng)用發(fā)展迅速。該文綜述了國內(nèi)外營養(yǎng)液消毒方法、原理、成本及應(yīng)用效果,重點(diǎn)介紹了營養(yǎng)液消毒

2、新技術(shù)-慢砂過濾。關(guān)鍵詞:消毒;營養(yǎng)液;慢砂過濾;無土栽培中圖分類號(hào):S 317文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:文章編號(hào):1002-6819(2005S-0121-04劉偉,陳殿奎,E. A.van Os.無土栽培營養(yǎng)液消毒技術(shù)研究與應(yīng)用J.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2005,21(S:121-124.L iu W ei,Chen Diankui,E A van Os.Resear ch and application o f disinfectio n techniques o f nutr ient so lution in soilless cultur eJ.T r ansactions of the CSA E,2

3、005,21(Supp:121-124.(in Chinese w ith English abstra ct 收稿日期:2005-07-04項(xiàng)目基金:國家科技攻關(guān)計(jì)劃(2004BA 521B 01;北京市科技新星計(jì)劃(2004B 220引言近60年來,用于商業(yè)化生產(chǎn)的無土栽培在世界范圍內(nèi)發(fā)展迅速。無土栽培系統(tǒng)分為開放式(open sy stem與封閉式(clo sed system 兩大類。在開放式無土栽培系統(tǒng)中,營養(yǎng)液不循環(huán)使用,灌溉的營養(yǎng)液經(jīng)作物吸收后,多余的即排放到環(huán)境中,對(duì)環(huán)境造成一定的污染。在封閉式無土栽培系統(tǒng)中,營養(yǎng)液循環(huán)使用,節(jié)水省肥,大大減少了對(duì)環(huán)境的污染。因此,國內(nèi)外的無土

4、栽培發(fā)展呈現(xiàn)著逐步由開放式向封閉式轉(zhuǎn)變的趨勢。荷蘭已通過立法手段限期將開放式無土栽培改為封閉式。目前,無土栽培面積最大的荷蘭,封閉式無土栽培的面積占無土栽培總面積的70%。營養(yǎng)液循環(huán)使用實(shí)現(xiàn)了環(huán)境友好,但急劇增加了無土栽培系統(tǒng)中病害的傳播危險(xiǎn)。無土栽培營養(yǎng)液消毒技術(shù)(disinfectio n metho d的研究應(yīng)運(yùn)而生。1營養(yǎng)液消毒方法與原理無土栽培有許多不同的方法與系統(tǒng)。雖然在不同的系統(tǒng)中消毒裝置有所不同,但基本方法與原理一樣。圖1顯示了在封閉式基質(zhì)培系統(tǒng)中營養(yǎng)液消毒裝置的位置。營養(yǎng)液消毒方法主要包括高溫消毒、氧化劑消毒、紫外線消毒及過濾消毒。1.1高溫消毒高溫消毒(heat treat

5、m ent 是第一種用于無土栽培生產(chǎn)的營養(yǎng)液消毒方法,出現(xiàn)于1987年1。該方法的產(chǎn)生受牛奶巴氏滅菌法的啟發(fā)。荷蘭IMA G 研究所的科學(xué)家開發(fā)了適于營養(yǎng)液消毒的方法。高溫消毒的原理是利用高溫使病原微生物機(jī)體蛋白質(zhì)變性,從而殺死營養(yǎng)液里的致病微生物。這是廣泛使用的營養(yǎng)液消毒方法。圖1封閉式基質(zhì)培系統(tǒng)示意圖(E. A.van Os,2004F ig .1Sketch o f clo sed substr ate cult ur e system高溫消毒的具體方法是,經(jīng)作物吸收后的多余營養(yǎng)液收集到集液池(catchment tank ,從集液池營養(yǎng)液被泵到熱交換器(heat ex chang er

6、 里預(yù)加熱到80左右。在熱交換器里,用于預(yù)熱營養(yǎng)液的能量來自高溫消毒后營養(yǎng)液冷卻釋放的熱能。預(yù)熱后的營養(yǎng)液送入加熱器,在這里營養(yǎng)液被加熱到消毒溫度(90以上。加熱器使用的是外部能源,在荷蘭一般使用天然氣。消毒后的營養(yǎng)液流回?zé)峤粨Q器進(jìn)行冷卻,冷卻過程中釋放的熱能用于預(yù)熱新的有待消毒的營養(yǎng)液。冷卻后的營養(yǎng)液儲(chǔ)存在凈液池(clean w ater tank2。關(guān)于高溫消毒的溫度有很多研究。試驗(yàn)表明,營養(yǎng)液溫度達(dá)到95保持10s 即可殺死所有病菌。為安全起見,一般保持9530s 。Runia 研究發(fā)現(xiàn),降低溫度延長時(shí)間也可以達(dá)到相似的效果,如90保持2min,或85保持3m in 。60保持2m in

7、 只能選擇性地殺死真菌、細(xì)菌和線蟲,優(yōu)點(diǎn)是降低了設(shè)施投入及運(yùn)行成本3。1.2氧化劑消毒氧化劑消毒(o xidizer treatm ent的原理是,強(qiáng)氧化劑在營養(yǎng)液中發(fā)生氧化還原反應(yīng),迅速分解溶液中的病原微生物。用于營養(yǎng)液消毒的氧化劑主要是臭氧(O 3。臭氧是很強(qiáng)的氧化劑,在溶液中產(chǎn)生氧化能力很強(qiáng)的單原子氧和羥基,可以和所有的活有機(jī)物(也包括螯合鐵發(fā)生反應(yīng),殺滅微生物。殺菌效果與暴露時(shí)間及臭氧濃121度有關(guān)。營養(yǎng)液用臭氧消毒前需要過濾,以減少有機(jī)物的含量,提高殺菌效率。同時(shí)降低營養(yǎng)液的pH值,以提高臭氧的穩(wěn)定性。在回液量大的情況下,營養(yǎng)液需要分批進(jìn)行消毒(每批12m3。營養(yǎng)液被送入密閉的容器里

8、,同時(shí)注入臭氧。研究表明,每m3溶液中每小時(shí)注入10g臭氧,暴露時(shí)間1h就可以殺滅所有病原菌2。臭氧消毒的成本較高,營養(yǎng)液需要一些預(yù)處理及防護(hù)措施,雖然研究結(jié)果表明臭氧消毒效果較好,但在生產(chǎn)中的應(yīng)用并不普遍。過氧化氫價(jià)格低廉,作為替代物也用于營養(yǎng)液消毒。過氧化氫是弱氧化劑,單獨(dú)使用殺菌效果較差,可以通過添加催化劑(弱酸提高殺菌效果。1.3紫外線消毒近些年來紫外線消毒(ultraviolet radiatio n treatm ent比較受歡迎。紫外線是電磁輻射,其殺菌原理是通過紫外線對(duì)微生物的照射,以破壞其機(jī)體內(nèi)核蛋白或DNA的結(jié)構(gòu),使其立即死亡或喪失繁殖能力。具有殺菌效果的紫外線是UV-C,

9、波長在200280nm,254 nm的殺菌效果最好,因?yàn)镈NA對(duì)254nm的紫外線吸收最強(qiáng)。紫外線消毒的使用劑量因殺滅對(duì)象的不同而不同。殺死細(xì)菌和真菌需要的劑量是100mJ/cm2;殺死病毒的劑量是250mJ/cm24。紫外線消毒的效果還受紫外線在溶液中透射因子(transmission facto r的影響。隱藏在懸浮顆粒背后的病菌將難以被殺死。因此,營養(yǎng)液在消毒前要經(jīng)過5070nm的過濾器過濾,以去除植物殘骸或其它顆粒物,提高殺菌效果。1.4過濾消毒用于消毒的過濾分為膜過濾(membrane filtr ation和慢砂過濾(slo w sand filtration兩種。膜過濾根據(jù)所用膜

10、的不同,又分為反滲透(r ev erse osmosis、高(hyper-、極細(xì)(nano-、超(ultra-和微濾(micro filtratio n等。反滲透過濾可以濾除溶液中的所有離子,因此主要用作消毒水源,包括消毒收集的雨水。高濾或微濾雖然從原理上可以濾除病菌,但生產(chǎn)上使用成本較高,而且由于堵塞或破漏造成性能不穩(wěn)定,也會(huì)濾掉部分鹽分積累的營養(yǎng)液(br ine,所以,膜過濾在生產(chǎn)上很少使用2。近10年來,荷蘭、德國、西班牙等國的科學(xué)家對(duì)慢砂過濾用于營養(yǎng)液消毒進(jìn)行了大量研究。慢砂過濾的原理是,浮于砂層上部的營養(yǎng)液慢慢滴過砂層,濾除病菌。這種方法不會(huì)改變營養(yǎng)液的化學(xué)組成。慢砂過濾可以消滅所有

11、疫霉屬和腐霉屬的真菌,但鐮刀菌、病毒和線蟲只能去除90%99.9%2。慢砂過濾使用的過濾介質(zhì)不僅有砂,還可以用珍珠巖、粒狀巖棉、玻璃絲、礫石等。研究發(fā)現(xiàn),滅菌效果較好的過濾速度是100300 L/(m2h5。慢砂過濾的具體步驟是,回收的營養(yǎng)液被泵到高處的容器里,然后流入過濾器上部,經(jīng)過過濾層的過濾,營養(yǎng)液流過控制過濾速度的流量計(jì),重新收集使用。2營養(yǎng)液消毒方法的成本與效果消毒效果與消毒設(shè)施投資及運(yùn)行成本是決定該方法能否應(yīng)用于生產(chǎn)的兩個(gè)主要因素。2.1成本由表1可見,高溫消毒的設(shè)施投資比較大,一般適用于面積較大的無土栽培溫室(大于1hm2。在荷蘭用于加熱營養(yǎng)液的能源是天然氣,將1m3的營養(yǎng)液從8

12、0加熱到95大約需要1m3的天然氣(約相當(dāng)于32mJ或8.8kWh的能量,運(yùn)行成本也較高。目前,通過降低消毒溫度、延長消毒時(shí)間的方法可以降低成本。紫外線消毒根據(jù)殺菌程度的不同分為高低兩種成本。完全殺菌指殺滅所有的病原菌,部分殺菌主要?dú)⑺勒婢图?xì)菌。殺死病毒所需的劑量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于殺死真菌與細(xì)菌,所以完全殺菌的設(shè)備與運(yùn)行成本高于有選擇的部分殺菌。紫外線消毒成本還與紫外燈的選擇有關(guān)。水銀燈有高壓和低壓兩種,兩者的殺菌效果相同,但能源利用率不同。以2000W的高壓水銀燈為例,可以產(chǎn)生8%的紫外線,其中50%為UV-C,真正用于消毒的能量是:2000W×8%×50%=80W。40W的低壓

13、水銀燈,可以產(chǎn)生40%的紫外線,其中85%為UV-C,用于消毒的能量是:40W×40%×85%=13.6W。1個(gè)高壓燈的消毒能力約相當(dāng)于6個(gè)低壓燈。但一個(gè)高壓燈耗能2000 W,6個(gè)低壓燈耗能240W,只有高壓燈的12%。因此,低壓燈的能源利用率大大高于高壓燈。臭氧消毒的設(shè)施投資與運(yùn)行成本都非常高,運(yùn)行成本1.19歐元/m3是各種消毒方法中最高的。過氧化氫加催化劑的消毒方法與臭氧消毒相比,成本只有后者的1/3,大大降低,但殺菌效果也有所降低。膜過濾的設(shè)施投資非常大,加上穩(wěn)定性差,在生產(chǎn)上很少使用。慢砂過濾的設(shè)施投資和運(yùn)行成本是各種消毒方法中最低的。過濾池的大小由每小時(shí)需要過

14、濾的營養(yǎng)液量來決定。1hm2的溫室每小時(shí)的營養(yǎng)液灌溉量在高峰時(shí)間最大為10m3,按25%的回液量計(jì)算,每小時(shí)需要消毒的營養(yǎng)液量是2.5m3。面積20m2的慢砂過濾池每小時(shí)可過濾26m3的營養(yǎng)液,面積70m2的慢砂過濾池每小時(shí)可過濾721m3的營養(yǎng)液。慢砂過濾適用于各種規(guī)模的無土栽培溫室。表11hm2無土栽培溫室營養(yǎng)液消毒成本T able1D isinfectio n co st s o f nut rient so lution in1hm2soilless cult ur e gr eenhouse消毒方法設(shè)備投資/歐元運(yùn)行成本/歐元m-3高溫191000.89紫外線(完全103000.54

15、紫外線(部分80000.40臭氧27500 1.19 H2O2+催化劑93000.42膜過濾2270031800慢砂過濾47000.27不論哪一種消毒方法都需要設(shè)備投入與運(yùn)行成本,這是限制營養(yǎng)液消毒技術(shù)推廣的重要因素。慢砂過濾和122農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)2005年紫外線消毒的成本相對(duì)較低,是有望在中國逐步推廣的技術(shù)。2.2效果高溫消毒和紫外線消毒是目前世界上應(yīng)用最廣泛的營養(yǎng)液消毒方法。對(duì)慢砂過濾的研究起步較晚,該方法對(duì)多種病原菌的消滅效果還有待進(jìn)一步研究。表2各種消毒方法的消毒效果T able2Per for mances o f different disinfectio n methods消毒方法

16、效果高溫好紫外線好臭氧好H2O2+催化劑中等膜過濾不穩(wěn)定慢砂過濾好3慢砂過濾-營養(yǎng)液消毒的新理念最早的慢砂過濾設(shè)備出現(xiàn)于1804年的蘇格蘭,由Jo hn Gibb開發(fā),用于生產(chǎn)純凈水。之后,這一方法被廣泛用作凈化飲用水的步驟8。直到20世紀(jì)90年代中期,這一方法成為營養(yǎng)液消毒的熱門研究課題,過濾裝置也有了很多改進(jìn)。3.1裝置慢砂過濾裝置的基本結(jié)構(gòu)如圖2。裝置中的介質(zhì)由多層不同粒徑的材料組成。上部的細(xì)砂層是過濾層, Collins和Graham研究認(rèn)為,砂層的厚度應(yīng)在80cm以 上。下部三層由細(xì)到粗的礫石層既可以防止上部的細(xì)砂隨營養(yǎng)液由排液管流失,又有利于營養(yǎng)液的排出。砂層上表面與營養(yǎng)液接觸的地

17、方會(huì)形成一層特殊的結(jié)構(gòu),被稱為濾皮(filter skin。整個(gè)過濾器的高度為14m。圖2慢砂過濾裝置剖面圖F ig.2Cr oss sectio n o f slo w sand filter慢砂過濾器的設(shè)計(jì)很靈活,可以是金屬罐(圖3或塑料容器,也可以是室外的人工池塘(圖4。過濾器的大小由無土栽培溫室面積及過濾速度決定。圖3金屬制慢砂過濾器F ig.3Slo w sand filt er made of met al圖4人工池塘式慢砂過濾器Fig.4A rt ificial poo l sty le slow sand filter3.2除菌機(jī)理慢砂過濾的除菌機(jī)理包括機(jī)械作用、物理作用和生物

18、作用三方面。前兩種作用指的是過濾介質(zhì)對(duì)病原菌的阻擋與吸附等。生物作用是慢砂過濾與眾不同的特點(diǎn)。在過濾介質(zhì)的表面會(huì)自然形成一層生物膜(bio film,這層生物膜由細(xì)菌、真菌、藻類和原生動(dòng)物等組成。營養(yǎng)液流過時(shí),其中的病原菌附著在生物膜上,被膜中的微生物分解,最終被礦化。近幾年來,營養(yǎng)液消毒的理念有了轉(zhuǎn)變。以往的消毒方法都是消滅營養(yǎng)液中所有的微生物,使?fàn)I養(yǎng)液完全無菌,如高溫、紫外線、臭氧消毒,這些稱為主動(dòng)消毒?，F(xiàn)123增刊劉偉等:無土栽培營養(yǎng)液消毒技術(shù)研究與應(yīng)用在人們認(rèn)識(shí)到,無土栽培系統(tǒng)并不是一個(gè)無菌系統(tǒng),殺死營養(yǎng)液中所有的微生物未必是最好的選擇。營養(yǎng)液中天然存在著微植物群(micro flo

19、ra,它們可以抑制病原菌的增殖9。例如,在一個(gè)無菌的環(huán)境里,疫霉菌的增殖會(huì)很快,而在一個(gè)有菌的環(huán)境里其增殖會(huì)慢很多。慢砂過濾正符合這一理念。它不會(huì)殺死營養(yǎng)液中所有的微生物,可以利用有益微生物抑制病原微生物,這是慢砂過濾與主動(dòng)消毒最大的區(qū)別,稱為被動(dòng)消毒。研究者認(rèn)為,這是一種更具可持續(xù)性的營養(yǎng)液消毒方式。3.3影響除菌效果的因素3.4發(fā)展前景慢砂過濾用于營養(yǎng)液消毒還需要進(jìn)一步研究與完善,如開發(fā)新的過濾材料、完善過濾器的設(shè)計(jì)、探明微植物群的作用等。雖然慢砂過濾不能100%地去除病毒、線蟲及部分細(xì)菌,但消除率達(dá)到90%99%。結(jié)合作物自身的抗性及無土栽培系統(tǒng)中有益微生物的抑制作用,作物感染病害的幾率

20、很低。慢砂過濾還具有成本低、適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。因此,慢砂過濾被認(rèn)為是最有發(fā)展前景的營養(yǎng)液消毒方法。4小結(jié)中國無土栽培面積1000多hm2,其中封閉式系統(tǒng)的面積約1%。目前,營養(yǎng)液消毒在生產(chǎn)上應(yīng)用很少,技術(shù)研究的相對(duì)滯后和成本問題是主要原因。中國無土栽培面積近年來增長迅速,封閉式系統(tǒng)是發(fā)展趨勢。研究開發(fā)適合中國國情的營養(yǎng)液消毒技術(shù)與設(shè)備迫在眉睫。慢砂過濾與紫外線消毒可以作為切入點(diǎn)。參考文獻(xiàn)1E A v an Os.Clo sed so illess g ro wing sy st ems:asustainable solutio n fo r Dutch g reenhouse ho rticu

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