便攜式臭氧噴霧裝置防治害蟲的實驗

 

作者 :高川圭輔1、上野健二1、長原子健雅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)境與能源實驗室

3.三和高科技有限公司

摘要：研制了一種用于農(nóng)場害蟲防治的便攜式臭氧霧系統(tǒng)。臭氧具有很強的氧化能力，它們似乎能有效地殺死蠕蟲和昆蟲等害蟲。為了增強臭氧對害蟲控制的作用，通過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。研究了臭氧霧對蚜蟲的殺滅作用。處理5秒后，蚜蟲的存活率為3.3%。

1. 介紹

        殺蟲劑具有較快的殺蟲效果，能夠提高作物產(chǎn)量，因此普遍用于農(nóng)場防治害蟲。然而，農(nóng)藥造成了一些問題，土壤和地下水污染和作物中殘留的化學(xué)品對消費者有害。近年來，從全球環(huán)境和人類健康的角度來看，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，而且沒有持續(xù)性毒性，因為它在正常情況下可以在半小時內(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，用臭氧代替氯對自來水進行消毒。有一項研究通過使用臭氧水[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]檢測了土壤處理或害蟲控制。臭氧已應(yīng)用于各個領(lǐng)域，但其在害蟲防治方面的應(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)域害蟲防治的便攜式臭氧霧系統(tǒng)。該系統(tǒng)還旨在防止由害蟲傳播的病毒引起的作物病害。該系統(tǒng)具有足夠的殺蟲能力，可以同時殺菌細菌和病毒，因為它們對臭氧的耐受性低于害蟲。臭氧和含水霧的混合物是由我們開發(fā)的噴嘴系統(tǒng)產(chǎn)生的。通過測定臭氧霧處理后蚜蟲的存活率，研究了便攜式臭氧霧系統(tǒng)的殺蟲效果。目標(biāo)害蟲是紅蚜蟲，它們傳播在煙草和番茄田間發(fā)現(xiàn)的花葉病毒。

2.實驗設(shè)置

        圖1顯示了我們開發(fā)的便攜式臭氧霧系統(tǒng)。該系統(tǒng)由一個臭氧發(fā)生器、一個直流-交流逆變器、一個水容器、鋰離子電池和一個小氧氣缸組成。臭氧氣體，在氧流量為1L/min時，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)計供現(xiàn)場使用，因此可在背面攜帶和操作，無需外部電源。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)生了我們開發(fā)的噴嘴系統(tǒng)。臭氧氣體通過外面的中央導(dǎo)管輸送。在臭氧導(dǎo)管周圍噴灑含水霧，以抑制臭氧氣體的擴散。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，都是由蚜蟲傳播的。用臭氧霧處理的紅蚜蟲的存活率來檢驗臭氧霧系統(tǒng)的影響。在臭氧濃度、流量、噴灑時間和處理地點等不同條件下噴灑臭氧霧。大部分的實驗都是在室外場地的無風(fēng)條件下進行的。

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。放電開始于電壓約為2kV的電壓。用利薩朱斯圖測量的放電功率為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的氧氣流量運行。殺蟲實驗的結(jié)果如下。在氧氣流量為1L/min時，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。

        將蚜蟲暴露于臭氧霧中5秒，觀察其行為。臭氧霧的影響通過蚜蟲的存活率來評價，即沒有任何運動的蚜蟲的百分比。測定了三組蚜蟲的存活率。圖4顯示了蚜蟲的存活率作為殺菌失效時間的函數(shù)。在實驗中發(fā)現(xiàn)了較大的色散度。這可能是由于蚜蟲對臭氧的耐受性不同所致。體型較大的蚜蟲對臭氧有更強的免疫力。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時的存活率為0。蚜蟲在t=30min或t=60min時開始移動，之后其存活率保持不變或有下降的趨勢。考慮到臭氧濃度為86g/m3，流速為1L/min，暴露時間為5秒，臭氧用量約為7.2mg。

        霧抑制臭氧氣體的擴散，臭氧氣體直接暴露于蚜蟲之中。蚜蟲具有疏水性，叫做呼吸器的呼吸器官將空氣吸入身體。在使用殺蟲劑的情況下，蚜蟲的氣門被殺蟲劑堵塞，然后使蚜蟲窒息。另一方面，臭氧氣通過氣門進入身體，會導(dǎo)致細胞的破壞。因此，暴露高濃度的臭氧氣體是一種有效的防治害蟲。

        圖4紅蚜蟲的存活率與殺菌后通過時間的關(guān)系

        我們從這些結(jié)果中獲得了足夠的殺蟲效果。還有另一項研究表明，高濃度的臭氧氣體對昆蟲的影響。當(dāng)暴露于500ppm的臭氧[4]時，100%的成蟲在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發(fā)的臭氧霧噴嘴系統(tǒng)，可以在很短的時間內(nèi)控制害蟲。該系統(tǒng)可以通過進一步縮短處理時間，成為一種很有前途的農(nóng)業(yè)殺蟲方法?？s短治療時間的應(yīng)用目前正在研究中。

4.總結(jié)

        我們開發(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)域和溫室的害蟲防治。在氧氣流速為1L/min時，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昆蟲的影響。臭氧霧暴露于蚜蟲5秒后，蚜蟲的存活率約為3.3%，證實了足夠的殺蟲效果。我們的研究表明，利用高濃度的臭氧氣體和我們開發(fā)的臭氧霧噴嘴系統(tǒng)，可以在很短的時間內(nèi)控制害蟲。該系統(tǒng)通過縮短處理時間，將成為一種很有前途的農(nóng)業(yè)殺蟲方法。

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。