再谈臭氧在设施农业\畜牧业中的应用

我国农业正处于从传统农业向高产、优质、高效为目的的现代化农业方向发展的阶段，设施农业是我国今后较长时期内农业发展的一个主要方向。以北京为例，至2012年，全市每年新建设施农业面积2667hm2(4万亩)左右，至2012年全市设施农业面积将达到23333hm2(35万亩)左右。由于大棚温室的大量应用，为病菌、病虫提供了适宜的生存环境，防治病害的困难增加，农药防病防虫不但易造成药害，还可使菌群和病虫产生抗体，防治效果降低，用药效果越来越不明显，且药害残留对人们身体健康的影响与日俱增。

近年来国家对无公害食品的要求和人们对无公害食品的需求量不断增加，国家对农产品农药残留量进行了严格限制，使得一大批剧毒农药退出市场，农业生产者急需低毒或无毒病虫害防治技术。臭氧(O3)是广谱杀虫、灭菌消毒剂，具有很强的氧化作用，在库房消毒、食品用具消毒、蔬菜保鲜等领域应用比较广泛。实验证明臭氧可在常温下很快分解而转变为氧气，故对环境绝对无污染，只要控制好浓度对植物不会产生危害。将臭氧应用于设施栽培作物病虫害防治能够降低蔬菜生产成本、保护生态环境、简化生产环节、促进农业结构调整和农业可持续发展，具有较好的应用前景，已经得到科研工作者和农户的重视。因此，研发适用于设施生产，操作简单，便于自动控制，且省工、省时的臭氧发生器势在必行。随着其大范围的推广应用，定将在设施农业防治病毒感染与病虫害和无公害食品生产中发挥重要作用。

1　臭氧消毒灭菌机理

臭氧具有广谱的杀虫灭菌作用，并具备很强的氧化能力，氧原子可以氧化细菌的细胞膜，直至穿透细胞膜与其体内的不饱和键化合而夺取细菌生命，相关反应是即刻完成的。臭氧几乎对所有病菌、病毒、霉菌、真菌、原虫及卵囊都具有明显的灭活效果，且灭菌速度是氯的300～600倍，紫外线的3000倍。浓度为0.3mg／L的臭氧水溶液作用1min，大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀灭率均达100％。

臭氧杀菌机理以氧化作用破坏微生物膜的结构实现杀菌作用。臭氧首先作用于细胞膜，使膜构成分受损伤而导致新陈代谢障碍，臭氧继续渗透，穿透膜而破坏膜内脂蛋白和脂多糖，改变细胞的通透性，导致细胞溶解、死亡。而臭氧杀灭病毒则认为是氧化作用直接破坏其核糖酸DNA物质而完成的，属于溶菌性杀菌过程，相当彻底。臭氧气体在空间中可以消除空气和物品的霉菌、异味，并能降解有害物质，分解甲醛、苯系物、硫化物、一氧化碳、乙烯等，使其氧化，转化为无害物质。可归纳为两点：

1.1臭氧对细菌灭活的机理

臭氧对细菌的灭活反应总是进行的很迅速。与其他杀菌剂不同的是：臭氧能与细菌细胞壁脂类双键反应，穿入菌体内部，作用于蛋白和脂多糖，改变细胞的通透性，从而导致细菌死亡。臭氧还作用于细胞内的核物质，如核酸中的嘌呤和嘧啶破坏DNA。

1.2臭氧对病毒的灭活机理

臭氧对病毒的作用首先是病毒的衣体壳蛋白的四条多肽链，并使RNA受到损伤，特别是形成它的蛋白质。噬菌体被臭氧氧化后，电镜观察可见其表皮被破碎成许多碎片，从中释放出许多核糖核酸，干扰其吸附到寄存体上。

由上可见臭氧具有较好的杀毒效果，且所有臭氧化学反应的最终产物均为H2O、CO2、O2等。同时作为暂态(需要依靠外加能量才能存在的物质状态)存在的臭氧，当外加电场停止提供能量后，经过一定时间(半衰期)的挥发，臭氧本身会分解还原成为自然界中存在的氧气，或在250～320nm的紫外线照射下自然分解成氧气，是没有二次污染的消毒方式。

2　在设施农业与畜禽生产中臭氧的主要作用

2.1消毒杀菌

臭氧对细菌、霉菌、病菌等微生物具有极强的杀灭力。它杀灭病毒是通过直接破坏其RNA和NDA物质来完成的；而杀灭细菌等微生物的过程则是臭氧首先作用于细薄腊，继而破坏腊内组织直至溶解死亡。下文介绍几组试验供参考：

2.1.1臭氧对蚜虫的防效在63％～86％，但对白粉虱、红蜘蛛、斑潜蝇无明显防效。浓度为1.2mL／m3的臭氧能在30min内使白粉虱、红蜘蛛失活，120min使斑潜蝇失活，但会在瞬间破坏掉植物叶片的光合系统，因此，臭氧不能用于虫害防治。

2.1.2臭氧水浓度在8mg／L时不伤害植物叶片，也有一定的防治效果。

试验表明：对照中通入空气对培养液中的枯萎病病原菌和青枯病病原菌菌数均无明显的影响，而当通入臭氧后两种病原菌的菌数均随着臭氧处理时间的增加而明显减少。臭氧处理45min后青枯病病原菌菌数降至原有菌数的50％左右，90min后则起到了完全的杀菌效果；相比之下臭氧对枯萎病病原菌的杀菌效果不及青枯病病原菌明显，50％菌数死亡所需时间为60min，而达到全部孢子死亡所需时间则为120min。

另一试验显示：对同一种目标菌，臭氧浓度提高，杀灭率提高。臭氧浓度为0.24mg／L，接触时间2.min时，对番茄枯萎病病原菌的杀灭率平均达到97.85％；臭氧浓度为0.48 mg／L，接触时间5min时，杀灭率达到100％。因此，可以认为，营养液中臭氧浓度2min达到0.24mg／L、5min达到0.48mg／L时，对番茄枯萎病病原菌杀灭率可以达到100％。营养液中臭氧浓度2min达到0.36mg／L、5min达到0.6mg／L时，对十字花科软腐病病原菌杀灭率也可以达到99.7％。此后，臭氧浓度升高到1.08mg／L，接触时间延长到20min，杀菌率均在99.7％左右，没有达到100％，原因可能是病原细菌起始浓度高。

2.1.3栽培沥出液中通入臭氧(6g／h)，发现在75～80min，水中的氧化还原电位达到754mV，而在75min时黄瓜花叶病毒全部被杀灭。

2.1.4可以根据不同的水质推荐不同的臭氧投加总量，以保证杀菌率。蒋莉等的试验结果证明：含蛋白胨菌悬液随实验用臭氧水量的增加，杀菌效果增强。当臭氧水用量由5mL增加至160mL时，作用1min，对大肠杆菌杀灭率由51.80％增加到100％(其中10mL、20mL、40mL、80mL的臭氧水杀菌率分别为59.00％，80.31％，99.92％，99.99％)，可见杀菌效果与臭氧水的量(臭氧投加总量)有非常明显的正相关关系。

2.1.5另外还发现温度对结果有影响：在实验室水源中，臭氧浓度为1mgm，要达到99％的杀菌率，温度每降低10℃，所需要的时间大概要延长1倍，在自然水源中所需时间要变为原来的4.5倍。

2.1.6臭氧对营养液浓度影响研究发现：营养液中Fe的原始浓度为2.9mg／L，通气30min后浓度未变，

通气60～90min时下降到2.7～2.8mg／L，下降了约3.4％～6.9％，通气120min时下降到2.5mg／L，下降了约13.8％，通气240min时下降到2.3mg／L，下降了约20.1％；营养液中Mn的原始浓度为0.5mg／L，通气30min后浓度未变，通气60～240min时下降到0.4mg／L，下降了20％，可见，随着通气时间的延长，Fe和Mn的浓度逐步下降，30min内，浓度不变，4h后浓度下降20％左右。

臭氧对营养液经过4次处理后铁的浓度低于最适浓度，经过10次处理后低于最低浓度，植物可能出现缺铁症状，营养液经过5次处理后锰的浓度低于最适浓度，经过8次处理后低于最低浓度，将出现缺锰症状。可见，在上述假设下，配制营养液时取铁和锰的最高浓度，经过4～5次臭氧处理后，铁和锰的浓度降低到最适浓度左右，经过8～10次处理后，降低到最低浓度，此时营养液已经应用一段时间，其他营养元素虽不受臭氧影响，也被植物吸收了一部分，需对营养液进行全面的调配。

2.2除异臭味

臭氧去除霉、腥、臭等异味效果极好，它可以快速氧化分解装修产生异味的化学物质。快速有效分解装修带来的甲醛、苯等的有害物质。

2.3冷库或保鲜库防霉保鲜

臭氧为弥漫性气体，消毒无死角，可实现机器自行运行而杀菌防霉。对水果菜类不但能杀菌防霉、延长保鲜期，而且可快速分解果菜呼吸排出的令其加快成熟的乙烯气体。

2.4种子处理

臭氧可对作物种子进行消毒处理，7mg／m3浓度的臭氧水以10L／min的流量流过50kg种子，处理1h后，其发病率为2.4％，而未处理的种子为52.6％。

2.5水质消毒

通过专用装置将一定浓度的臭氧投入水中使其产生臭氧水达到消毒效果。在使用臭氧设备时，臭氧在水中的加入量一般在1～3mg／L，接触时间10～15min即可，选型时可根据用水量计算参考。如对鱼虾池消毒，浓度在0.5～1.2mg／L就可全部杀死水中细菌，作为预防性使用，0.5～0.7mg／L就足够了。

2.6对畜禽舍以及畜禽饮用水进行消毒、除臭

2.6.1可进行杀菌、脱臭、解毒、漂白作用，可去除部分重金属离子，降解农药、化肥及其他有毒、有害有机物的作用等，其杀菌快速、高效、不留死角，杀菌力可达氯气的300～2000倍。

2.6.2激活畜禽机体免疫细胞，提高自身抗病能力，提高成活率。

2.6.3促进畜禽有氧代谢，增强消化吸收功能，提高饲料转化率，生长发育快。

2.6.4绿色环保，净化养殖环境，无毒害残留物质，不产生二次污染。

2.6.5安全、方便、经济实用，全天候自动工作，是一种安全、无残毒的氧化剂、杀菌消毒剂，不会造成二次污染。臭氧杀菌能力为紫外线灯的1.5～5倍，比氯高一倍，在水中的杀菌速度比氯快600～3000倍。

3　臭氧消毒设备选型及臭氧水的制作

3.1常用臭氧发生器的分类

3.1.1空气型

直接产生臭氧气体弥漫于空间对周围空气和物体表面进行消毒。但此方法需要多台机组分布使用且臭氧分布不均匀，目前已很少使用。

3.1.2水型

臭氧发生器产生的臭氧溶入水中对土壤和营养液进行消毒。

3.1.3水和空气并用型

能够通过管道或将臭氧溶解于水中实现消毒效果，一机多用。

臭氧发生器按照冷却方式还可以划分为空气冷却(利用风机进行冷却)、水循环冷却(利用水泵循环水冷却)、水和空气联合冷却3种形式。

3.2农业用臭氧发生器选型

臭氧制作方法有点晕放电法、电解法、紫外线法和无声放电法等。最常见的是点晕放电法，此法在应用中方法简便、完全、可靠、经济。

由于农业应用的特殊性，如果空间臭氧浓度过小，达不到迅速杀菌消毒的目的，只能起到清新空气的作用；而浓度过大，又会对蔬菜造成危害。为了确定臭氧在温室中生产无公害蔬菜的理想浓度范围，2003年5月份起笔者就开始对臭氧在杀灭蔬菜病毒的作用和对蔬菜的伤害方面进行了大量试验，实验结果表明：臭氧在密闭的空气达到5～10mg／m3浓度(相当于2.5～5mg／kg)的范围内不会对蔬菜造成伤害。当臭氧浓度>30mg／m3时能够造成某些蔬菜叶面烧灼。

臭氧发生器可以根据W=CV／(1－S)经验公式进行选型。W为预选臭氧发生器类型，即发生量；C为所需臭氧浓度，单位mg；V为消毒空间，单位m3；S为臭氧在空气中的半衰期，一般为61％。

例如：目前温室大棚一般在1000～1600m3左右，臭氧在空气中每小时的半衰期为61％，要求环境空间臭氧浓度为5mg／m3，计算结果为W=5×1000／(1－61％)=12.7g／h，因此选用发生量14～20g／h的臭氧发生器较合适，而且对作物是绝对安全的。目前市面出现的XF-G-3-20和XF-B-3-20臭氧发生器能满足其要求。

由于农业用臭氧发生器大部分在恶劣环境(尤其要面对高温、高湿环境)下工作，应选择设有除湿降温装置的臭氧消毒机。设施农业中臭氧发生器的选择还需考虑以下因素：

3.2.1长期稳定性好：农业设施使用环境比工业更恶劣，如高温、高湿、空气中有害气体等。因此对环境适应性要求较强，必要时需增加除湿、防尘等装置。

3.2.2优良的性能价格比：由于中国特殊国情，根据自己目前实际应用情况需要在性能和价格之间寻找合适的平衡点，产品选择更具有针对性和合理性。

3.2.3尽量选购一机多用产品，既可以用于空气消毒也可用于水质消毒。

3.2.4根据环境空间选用相应产气量的臭氧发生器，因为使用空间越大，臭氧在空气中浓度越低；使用空间越小，臭氧在空气中浓度越高。在实际使用中，多台小设备比单台大设备浓度分布更加均匀。选型时尽量选用多台小设备，以获得均匀的浓度分布。

3.2.5售后服务，由于使用对象是农民，因此及时优质的售后服务及培训尤为关键。

3.3臭氧水制作

利用臭氧发生器在设施农业中制取臭氧水一直是困扰臭氧应用的难题，如何降低臭氧水制取成本是当前相关应用研究的重要问题。现将几种方法简述如下供参考：

3.3.1爆气头法

用爆气头将臭氧爆到水中，检测表明，爆气法混合效率只有千分之一到百分之二。臭氧水浓度只有0.1mg／L以下。该方法因为混合效率低，现在仅用于小型生活用品中。

3.3.2爆气塔法

该方法因为爆气塔内部结构差别很大，效率也有很大差别，一般混合效率在5％～20％。使用特殊材料和特别水压，可以提高混合效率。在混合效

率相同的情况下，爆气塔的体积是混合泵体积的100倍以上。因为体积庞大，混合效率低，已经渐渐被淘汰。

3.3.3水射流器法

水射器采用文丘里原理，是目前很多臭氧行业广泛使用的方法，成本低。在3～4kg水压下，1t以下水射器混合效率在5％～15％之间。1～5t水射器混合效率在20％～30％。5～100t混合效率在30％～40％。

3.3.4水气混合泵法

因传统混合方法效率低，导致臭氧系列设备大量浪费。水气混合泵的混合效率是水射器的3～5倍，但其价格昂贵。随着经济的发展水气混合泵必将会在农业生产中得以推广，其技术将会应用于消除土壤中的病毒残留，解决作物重茬障害问题。

4　臭氧发生器使用中的几点意见

4.1由于臭氧浓度过大会对植物造成伤害，利用臭氧对于蔬菜作物虫害、菌类进行防治是一个长期作用的过程。只要浓度合适，在不伤害蔬菜的情况下长期使用可以起到较好的效果，为生产无公害蔬菜提供一个新的途径。另外，对于害虫的防治主要目的是将其消灭于虫卵时期，在使用臭氧防治时配合使用防虫网可达到最终防治虫害的目的。

4.2从伤害试验结果看，臭氧对蔬菜的损害浓度有一个上限，不同的蔬菜或同一蔬菜的不同生育期对蔬菜损害浓度的上限也不同。臭氧对病菌的杀灭浓度范围远小于对蔬菜的伤害浓度，研究中发现当浓度过大出现伤苗现象后立即停止臭氧的供给或减少臭氧的发生量，种苗还可以在几天内恢复。

4.3蔬菜早期发生虫害使用农药后，利用臭氧水可以将蔬菜表面的农药残留降解。

4.4臭氧发生器价格昂贵是目前阻碍该项技术在农村推广的关键，因此研究生产多功能、多用途的臭氧发生器比较容易在农村推广，能够降低使用成本。

4.5由于臭氧在空间的半衰减期与室温的高低有关，所以研究不同的室温下臭氧的产生浓度(一般用臭氧发生器产气量和发生时间控制)尤为重要。浓度掌握是臭氧发生器使用的关键，不同的用途应有不同的浓度和时间来配合，比如一般的除臭、除味及臭氧保健等，浓度一般不超过0.05mg／kg(即0.098mg／m3)，而用于室内灭菌消毒则控制在0.1～1mg／kg(0.196～1.96 mg／m3)；用于食品保鲜或物体表面消毒则为1～5mg／kg(1.96～9.8mg／m3)。浓度使用不当会对人体呼吸道和果蔬造成伤害，应该特别注意避免人与臭氧接触。

希望广大植保工作者在臭氧防病害方面加强研究，为生产更多的无公害食品而做出贡献。