便攜式臭氧噴霧裝置防治害蟲(chóng)的實(shí)驗(yàn)

 

作者 :高川圭輔1、上野健二1、長(zhǎng)原子健雅1、三木富明1、池谷富明1、上原健二2、中村野彥3、橋本幸夫3、山下吉坂

1.科技研究院、熊本大學(xué)

2.環(huán)境與能源實(shí)驗(yàn)室

3.三和高科技有限公司

摘要：研制了一種用于農(nóng)場(chǎng)害蟲(chóng)防治的便攜式臭氧霧系統(tǒng)。臭氧具有很強(qiáng)的氧化能力，它們似乎能有效地殺死蠕蟲(chóng)和昆蟲(chóng)等害蟲(chóng)。為了增強(qiáng)臭氧對(duì)害蟲(chóng)控制的作用，通過(guò)表面介電屏障放電產(chǎn)生臭氧氣體，并與噴嘴噴出的水霧混合。研究了臭氧霧對(duì)蚜蟲(chóng)的殺滅作用。處理5秒后，蚜蟲(chóng)的存活率為3.3%。

1. 介紹

        殺蟲(chóng)劑具有較快的殺蟲(chóng)效果，能夠提高作物產(chǎn)量，因此普遍用于農(nóng)場(chǎng)防治害蟲(chóng)。然而，農(nóng)藥造成了一些問(wèn)題，土壤和地下水污染和作物中殘留的化學(xué)品對(duì)消費(fèi)者有害。近年來(lái)，從全球環(huán)境和人類健康的角度來(lái)看，在農(nóng)業(yè)中需要替代農(nóng)藥的方法。

        臭氧具有良好的殺菌效果，而且沒(méi)有持續(xù)性毒性，因?yàn)樗谡Ｇ闆r下可以在半小時(shí)內(nèi)分解成氧氣。臭氧在適當(dāng)使用方面不受環(huán)境污染和健康損害。農(nóng)業(yè)中的臭氧殺菌似乎是確保食品安全的很有前途的技術(shù)之一。臭氧已被公認(rèn)為是有用的消毒劑，并被應(yīng)用于水處理和食品加工領(lǐng)域。在食品加工的情況下，臭氧保持加工食品的新鮮或保存食品。在水處理的情況下，用臭氧代替氯對(duì)自來(lái)水進(jìn)行消毒。有一項(xiàng)研究通過(guò)使用臭氧水[1]去除蔬菜中的農(nóng)藥殘留。低溶解臭氧水平(1.4mg/l)的臭氧氧化水可在30min內(nèi)有效地在家用水溶液中氧化四種農(nóng)藥，降解主要在5min內(nèi)完成。

        我們用臭氧[2][3]檢測(cè)了土壤處理或害蟲(chóng)控制。臭氧已應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，但其在害蟲(chóng)防治方面的應(yīng)用尚未得到充分的研究。本文提出了一種用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域害蟲(chóng)防治的便攜式臭氧霧系統(tǒng)。該系統(tǒng)還旨在防止由害蟲(chóng)傳播的病毒引起的作物病害。該系統(tǒng)具有足夠的殺蟲(chóng)能力，可以同時(shí)殺菌細(xì)菌和病毒，因?yàn)樗鼈儗?duì)臭氧的耐受性低于害蟲(chóng)。臭氧和含水霧的混合物是由我們開(kāi)發(fā)的噴嘴系統(tǒng)產(chǎn)生的。通過(guò)測(cè)定臭氧霧處理后蚜蟲(chóng)的存活率，研究了便攜式臭氧霧系統(tǒng)的殺蟲(chóng)效果。目標(biāo)害蟲(chóng)是紅蚜蟲(chóng)，它們傳播在煙草和番茄田間發(fā)現(xiàn)的花葉病毒。

2.實(shí)驗(yàn)設(shè)置

        圖1顯示了我們開(kāi)發(fā)的便攜式臭氧霧系統(tǒng)。該系統(tǒng)由一個(gè)臭氧發(fā)生器、一個(gè)直流-交流逆變器、一個(gè)水容器、鋰離子電池和一個(gè)小氧氣缸組成。臭氧氣體，在氧流量為1L/min時(shí)，很大濃度為86g/m3，由表面介電屏障放電產(chǎn)生。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)供現(xiàn)場(chǎng)使用，因此可在背面攜帶和操作，無(wú)需外部電源。該系統(tǒng)的總重量為20公斤，包括裝滿5升水的水箱。臭氧霧產(chǎn)生了我們開(kāi)發(fā)的噴嘴系統(tǒng)。臭氧氣體通過(guò)外面的中央導(dǎo)管輸送。在臭氧導(dǎo)管周?chē)鷩姙⒑F，以抑制臭氧氣體的擴(kuò)散。然后，將臭氧氣體與含水霧混合，產(chǎn)生臭氧霧。

        圖1A便攜式臭氧霧系統(tǒng)1.臭氧發(fā)生器2.DC-AC inverter3 .水的容器4。氧氣缸

        大多數(shù)致病性病毒，如花葉病毒，都是由蚜蟲(chóng)傳播的。用臭氧霧處理的紅蚜蟲(chóng)的存活率來(lái)檢驗(yàn)臭氧霧系統(tǒng)的影響。在臭氧濃度、流量、噴灑時(shí)間和處理地點(diǎn)等不同條件下噴灑臭氧霧。大部分的實(shí)驗(yàn)都是在室外場(chǎng)地的無(wú)風(fēng)條件下進(jìn)行的。

3.結(jié)果與討論

        圖2為臭氧發(fā)生器的放電電流波形和電壓波形。施加于臭氧發(fā)生器的頻率和電壓分別為10kHz和4.5kV。放電開(kāi)始于電壓約為2kV的電壓。用利薩朱斯圖測(cè)量的放電功率為24.4W。圖3顯示了臭氧濃度作為氧氣流量的函數(shù)。臭氧濃度隨氧氣流量的增加而降低。便攜式臭氧霧系統(tǒng)以1L/min的氧氣流量運(yùn)行。殺蟲(chóng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如下。在氧氣流量為1L/min時(shí)，表面介電屏障放電產(chǎn)生的臭氧氣體濃度為86g/m3。含水霧的流速為300ml/min。臭氧氣體出口噴嘴與蚜蟲(chóng)的距離為d=50mm。

圖2：放電電流和電壓的波形。

圖3臭氧濃度隨氧氣流量的變化情況。

        將蚜蟲(chóng)暴露于臭氧霧中5秒，觀察其行為。臭氧霧的影響通過(guò)蚜蟲(chóng)的存活率來(lái)評(píng)價(jià)，即沒(méi)有任何運(yùn)動(dòng)的蚜蟲(chóng)的百分比。測(cè)定了三組蚜蟲(chóng)的存活率。圖4顯示了蚜蟲(chóng)的存活率作為殺菌失效時(shí)間的函數(shù)。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了較大的色散度。這可能是由于蚜蟲(chóng)對(duì)臭氧的耐受性不同所致。體型較大的蚜蟲(chóng)對(duì)臭氧有更強(qiáng)的免疫力。臭氧霧處理5秒后的很低存活率約為3.3%。很高生存率約為26.9%。所有蚜蟲(chóng)在噴灑臭氧霧后立即凍結(jié)，因此，由于其定義，圖4中t=為0時(shí)的存活率為0。蚜蟲(chóng)在t=30min或t=60min時(shí)開(kāi)始移動(dòng)，之后其存活率保持不變或有下降的趨勢(shì)。考慮到臭氧濃度為86g/m3，流速為1L/min，暴露時(shí)間為5秒，臭氧用量約為7.2mg。

        霧抑制臭氧氣體的擴(kuò)散，臭氧氣體直接暴露于蚜蟲(chóng)之中。蚜蟲(chóng)具有疏水性，叫做呼吸器的呼吸器官將空氣吸入身體。在使用殺蟲(chóng)劑的情況下，蚜蟲(chóng)的氣門(mén)被殺蟲(chóng)劑堵塞，然后使蚜蟲(chóng)窒息。另一方面，臭氧氣通過(guò)氣門(mén)進(jìn)入身體，會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞的破壞。因此，暴露高濃度的臭氧氣體是一種有效的防治害蟲(chóng)。

        圖4紅蚜蟲(chóng)的存活率與殺菌后通過(guò)時(shí)間的關(guān)系

        我們從這些結(jié)果中獲得了足夠的殺蟲(chóng)效果。還有另一項(xiàng)研究表明，高濃度的臭氧氣體對(duì)昆蟲(chóng)的影響。當(dāng)暴露于500ppm的臭氧[4]時(shí)，100%的成蟲(chóng)在60min內(nèi)被殺死。我們的研究表明，利用高濃度的臭氧氣體和我們開(kāi)發(fā)的臭氧霧噴嘴系統(tǒng)，可以在很短的時(shí)間內(nèi)控制害蟲(chóng)。該系統(tǒng)可以通過(guò)進(jìn)一步縮短處理時(shí)間，成為一種很有前途的農(nóng)業(yè)殺蟲(chóng)方法?？s短治療時(shí)間的應(yīng)用目前正在研究中。

4.總結(jié)

        我們開(kāi)發(fā)了便攜式臭氧系統(tǒng)和臭氧霧噴嘴系統(tǒng)，用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域和溫室的害蟲(chóng)防治。在氧氣流速為1L/min時(shí)，表面介電屏障放電產(chǎn)生的臭氧氣體濃度為86g/m3，并由噴嘴系統(tǒng)產(chǎn)生臭氧霧。研究了臭氧霧噴霧殺菌對(duì)昆蟲(chóng)的影響。臭氧霧暴露于蚜蟲(chóng)5秒后，蚜蟲(chóng)的存活率約為3.3%，證實(shí)了足夠的殺蟲(chóng)效果。我們的研究表明，利用高濃度的臭氧氣體和我們開(kāi)發(fā)的臭氧霧噴嘴系統(tǒng)，可以在很短的時(shí)間內(nèi)控制害蟲(chóng)。該系統(tǒng)通過(guò)縮短處理時(shí)間，將成為一種很有前途的農(nóng)業(yè)殺蟲(chóng)方法。

5.本研究部分得到了日本中小企業(yè)和區(qū)域創(chuàng)新組織的支持。