蔬菜无土栽培营养液灭菌除藻研究进展

　　摘要：营养液中病原菌和藻类的安全高效灭除是封闭式蔬菜无土栽培的重要技术环节。本文综述了蔬菜无土栽培营养液中病原菌和藻类的种类、侵染方式，不同灭菌除藻技术的原理、发展利用现状，并提出了新的技术途径和若干科学问题，以期为后续深入研究和推广应用提供理论依据。

　　关键词：无土栽培；营养液；病原菌；藻类；消毒；综述

　　封闭式无土栽培通过特定设施营造出洁净、稳定的蔬菜生长环境，营养液的循环利用避免了一次性废弃而产生的环境污染，是化肥减施增效的重要技术途径，已成为发达的主要无土栽培模式（杨其长等，2012）。营养液是无土栽培的主要养分来源，保持营养液的健康环境是无土栽培管理的核心环节。相比土壤栽培，无土栽培中各种有害因子虽已大幅减少，但病原菌、藻类等仍然存在，极易在营养液循环过程中蔓延，影响植物生长。针对无土栽培营养液病原菌消毒的研究已有很多，但对藻类控制的关注较少。鉴于营养液中病原菌和藻类可能存在协同共生或竞争抑制，灭除原理与技术途径相似性高，营养液中病原菌和藻类系统的防控对于蔬菜作物无土栽培十分重要。

　　1营养液中病原菌、藻类的种类及侵染方式

　　和自然水体类似，营养液中可能出现的有害生物包括病原微生物（细菌、真菌）、浮游动植物（藻类、原生动物）、线虫等，可通过空气、水、种子、基质、器具、人工操作等途径进入栽培系统。与藻类相比，病原菌对植物影响较大，相关研究较多。营养液主要与植物根部接触，其中致病菌多为根部病害（Reyetal.，1996；刘士哲等，2016）。如叶用莴苣（生菜）水培营养液中，常存在腐霉Pythiumdissotocum感染，虽然无明显外观病症，但严重影响产量（李国景等，2001）。番茄、黄瓜营养液中病害多由腐霉菌、疫霉菌引起，其次是尖孢镰孢菌和烟草花叶病毒，侵入方式为病原菌传播、幼苗带菌或种子传染，易造成番茄根腐病、枯萎病、青枯病、花叶病毒病和黄瓜疫病等（刘向辉等，2005）。

　　无土栽培设施内壁和营养液中因富含养分，在阳光照射下极易滋生藻类，以绿藻门藻种最为常见。少量藻类一般对植物影响不大，大量繁殖时会与植物产生资源竞争。熊自立等（2002）发现绿藻每周可造成营养液中的N、P、K、Ca、Mg损失达10.6%、5.6%、6.9%、1.1%、10.9%，使EC值下降0.21mS·cm-1，pH值下降0.2，溶氧降低以及叶菜类蔬菜叶片褪绿，瓜果类蔬菜坐果不良、产量及品质下降等。藻类的活体及残体易附着堆积于植物的根茎部和管道壁，会形成腐殖质层，影响蔬菜外观商品性，滋生病菌和蚊蝇，堵塞管道。部分藻类产生藻毒素，危害植物生长和食品安全。研究发现，营养液中低密度的藻类会促进蕹菜根系增长，但高密度的藻类会导致蕹菜生长减缓，蓝藻、绿藻种间竞争及化感作用也会限制蕹菜根系发展，导致叶片脱落和生物量降低（阚元卿等，2014）。

　　2营养液灭菌除藻的研究进展

　　营养液中病原菌的灭杀消毒是无土栽培的研究热点，但藻类的去除一直未受到足够重视，仅在花卉生产中有过相关报道（赵习武等，2012），针对蔬菜的研究极少。鉴于藻类与病原菌在灭除方法上有较大相似性，灭除工作应同时进行，根据灭杀原理，营养液中杀菌除藻的方法可分为物理方法、化学方法、生物方法3类。不同方法在灭杀效率、专一性和经济性等方面有明显差异。

　　2.1物理灭除研究

　　实际生产中，营养液中病原菌、藻类的灭除以物理方法为主，技术相对成熟，特点是对环境和产品无毒无害，但对设备要求较高，操作相对复杂；缺点是在灭除有害生物的同时，有益生物也不能幸免（杨其长等，2012）。物理灭除法主要包括利用紫外线、加热及制冷、氧化剂、过滤等进行灭除。紫外线照射是目前应用最多的方法之一。通过紫外线对水中微小生物进行照射，破坏其机体内蛋白质和DNA的结构，使其立即死亡或丧失繁殖能力，对真菌、细菌均有较好的灭杀效果（刘超然等，2017）。

　　紫外线辐照对不同藻类也有抑制效果，波长在200～400nm的紫外光对椭圆小球藻、普通小球藻等常见绿藻都有灭活作用，通过抑制藻细胞生长、减低藻密度、破坏细胞完整性、增大藻细胞比重使其沉降至底部等进行除藻，并控制藻毒素和胞内外有机物释放（贾沛莉等，2017）。但其效果易受营养液中透射因子影响，紫外强度越高，营养液浊度低时灭杀效果越好，但隐藏在悬浮颗粒背后的病原菌和藻类难以被杀死（张永吉和刘文君，2005）。刘向辉等（2005）研究发现，杀灭细菌和真菌的紫外线射线剂量是100mJ·cm-2，而杀灭病毒的剂量则需250mJ·cm-2，且杀灭真菌相比细菌需要更强的射线强度。国内外已有大量紫外线杀菌装备，且朝着可同时实现营养液消毒和营养液成分自动化管理方式发展（李东星等，2011），这些设备对藻类的灭杀效果还需要深入研究。高强度长时间的紫外线照射会使消毒达到饱和，从而降低效率，大量研究从病原菌存活率、紫外线辐射量和营养液体积之间的关系着手，或利用模拟系统推导动力学方程，对各种紫外消毒仪器进行参数改进及评价，在营养液水培黄瓜、番茄等研究中取得了较好的灭除效果，灭菌率达到92%～100%（刘向辉等，2004；王伟琳等，2018；Tsunedomietal.，2018；马万征等，2019）。牛培平等（2015）利用流体力学数值模拟分析优化了现有紫外线消毒仪的挡流板设计，发现采用4孔型挡流板时，颗粒受到的辐射剂量最小值、平均值较另外2种挡流板设计分别提高33.4%和4.2%。

　　2.2化学灭除研究

　　化学灭除法指利用各种化学药剂进行杀菌除藻，通常效果迅速，但产生的二次污染和化学药剂的生物富集易对人体和环境产生负面影响，正逐渐被取代。化学灭除的常用化学药剂包括各种含氯化合物、卤素、金属离子、表面活性剂等。

　　2.3生物灭除研究

　　利用拮抗微生物抑制营养液中的病原菌已有应用实践，此类方法作用缓慢，效果有限，但使用成本低，发展前景较好。李国景和李跃珍（2001）将5种细菌混合而成的Poly-A接种于芹菜NFT种植系统，发现其可显著抑制水藻，且对植株生长无影响。在生菜NFT种植系统中接种拮抗真菌Trichoderma后，可减轻腐霉病感染率，提高生菜品质（李国景等，2001）。某些放线菌、假单胞菌、镰孢菌产生的次生代谢物被证明对腐霉、疫霉等病菌孢子有明显防治效果（张彩英，1999）。假单胞菌是无土栽培系统中的一类常见根际微生物，其产生的生物表面活性剂已被证实对诸如辣椒疫霉等多种游动孢子繁殖的蔬菜病害有抑制作用（Nielsenetal.，2006；Hultbergetal.，2010）。接种假单胞菌Pseudomonaskoreensis2.74后产生的生物表面活性剂，对生菜循环系统中的一种致病卵菌灭杀率可达50%（Hultbergetal.，2011）。Folman等（2004）发现溶杆菌株Lysobacterenzymogenesisolate3.1T8产生的活性物质，对黄瓜无土栽培营养液中的隐皮腐霉有明显的生防效果。利用木霉对水培蔬菜进行生物防治已有深入研究及应用，哈茨木霉能够长期定殖于水培黄瓜根部，并诱导其对枯萎病产生抗性（Zhangetal.，2013）。将大麦秸秆或其提取物投入水中，对蓝藻等藻类产生了很好的控制作用（Everall&Lees，1996）。由此可见，植物或微生物的化感作用及化感物质可能为营养液中微生物和藻类的灭除提供一种安全低成本的解决途径，但急需相关研究支撑。

　　2.4复合方法灭除研究

　　利用一种方法对营养液进行灭菌除藻存在一定的缺陷，将多种方法联合使用，可提高灭杀的广度和深度。如先将营养液经过滤装置滤除植物残体和部分藻类，并吸附一部分病原菌，然后经臭氧、紫外线共同作用，最后再通过加热器处理。已有研究证明，臭氧+紫外线比二者单独处理时臭氧化速率提高10～104倍，能氧化臭氧难以降解的有机物（Loebetal.，2012）。臭氧+紫外线的组合式消毒方式具有协同效应，可使番茄无土栽培中的细菌、真菌、放线菌等主要病原体的总消毒效果达到89.9%（宋卫堂等，2011）。李洪等（2016）对甘蓝漂浮育苗的研究发现，紫外灯加臭氧的杀菌效果优于加热处理，且能增加营养液中硝态氮含量，降低铵态氮、磷酸盐含量和pH。薛晓莉等（2017）利用微纳米气泡发生技术制成微纳米气泡臭氧水，与紫外线消毒器发挥协同消毒作用，证明了紫外线可通过提高有机物分子能量，增加活化分子比例，促进臭氧生成反应活性更高的羟基自由基，从而实现更佳的灭菌效果。

　　3问题与展望

　　随着消费者对高品质安全农产品需求的增加，以及生态环境保护意识的提高，封闭式无土栽培的应用规模将继续扩大，循环营养液中病原菌和藻类的灭除成为无土栽培的核心技术环节。物理和生物灭除方法已发展成为营养液灭菌除藻的优先解决方案，且更加依赖多种方法联合使用来提高效果。新型植保、水处理技术不断为营养液的灭菌除藻提供可借鉴的技术，如利用生物活性炭、氧化还原电位水、功能微生物和过滤形成的生物膜进行灭菌除藻都具备一定发展前景，但灭除效果和机理大多还处于研究阶段。藻类与病原菌共存于营养液中，藻类生态及其次生代谢物对病原菌和植物会产生何种影响仍具有不确定性。将植物间套种植应用于无土栽培，利用植物的化感作用来控制藻类和微生物也许是一种安全低成本的解决途径，这方面研究尚十分缺乏。上述诸多新方法在应用于实际生产时，其可靠性、经济性仍有待进一步验证，但无疑会为蔬菜无土栽培提供新的技术途径。

　　参考文献

　　柴仕淦，贾钗，李欣怡，邹其超，张金枝．2016．季铵盐型Gemini表面活性剂去除铜绿微囊藻．环境工程技术学报，6（1）：8-15．

　　陈诗雯，贾沛莉，周燕平，代瑞华．2017．预氧化强化混凝去除富营养化水体中藻类研究回顾．净水技术，36（12）：44-49．

　　贾沛莉，陈诗雯，代瑞华．2017．紫外线辐照技术去除藻类的研究进展．水资源保护，33（5）：138-144．

　　金元欢，周全，吴焕，马紫霞．2016．城市黑臭河道治理与景观修复刍议．建设科技，（1）：18-20．

　　陈磊夫刘志雄吴金平矫振彪郭凤领邱正明袁伟玲*

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