基于空化效应的超声波灭菌除污技术性能评价_颜晓晗.pdf

收稿日期:2022-08-03 基金项目:国家自然科学基金（52101392），山东省自然科学基金（ZR2020QD081,ZR2021QD060）和大学生创新训练项目（YD2021033）共同资助。作者简介:颜晓晗，硕士研究生。E-mail：*通信作者:赵晓栋，博士，教授。E-mail： 安徽农业大学学报,2023,50(3):529-536 Journal of Anhui Agricultural University DOI 10.13610/ki.1672-352x.20230625.003 网络出版时间：2023-06-26 15:14:17 URL https:/ 基于空化效应的超声波灭菌除污技术性能评价 颜晓晗1，杨宏宾1，高 雅2，葛心如1，荣源源1，韩瑞芳1，朱秀林3，赵晓栋1*(1.烟台大学海洋学院，烟台 264005；2.天津环科环境咨询有限公司，天津 300191；3.山东明潮环保科技有限公司，烟台 264043)摘 要：为验证基于空化效应的超声波技术灭菌除污和净化污水的能力，采用比浊法测定了球形赖氨酸芽孢杆菌(Lysinibacillus sphaericus)的生长曲线，通过平板菌落计数法对超声处理后的芽孢杆菌进行了活菌计数，采用开路电位(OCP)、交流阻抗谱(EIS)等电化学手段表征了芽孢杆菌溶液中碳钢的电化学行为，以及测量了污染水样超声处理前后不同时间的化学需氧量(COD)，结果表明经超声处理的芽孢杆菌菌落数量与未经处理的相比明显减少，尤其是当超声处理时间为 2 h 时，芽孢杆菌菌落数量由 9.1 106 cfu mL-1减少为 7.7 106 cfu mL-1。电化学实验中经超声处理后的芽孢杆菌体系与未处理体系相比腐蚀速率显著降低，并且经超声处理后污水 COD 值明显下降，低浓度与高浓度水样的 COD 值分别从 51 mg L-1和 850 mg L-1降低为 8.4 mg L-1和 740 mg L-1。以上表明，超声波处理对芽孢杆菌具有明显的杀灭效果，可在短期内减缓芽孢杆菌对 Q235 碳钢的腐蚀，对化学需氧量有明显的降低效果。关键词：海洋生物污损；超声波；灭菌除污；电化学；水处理 中图分类号：X55 文献标识码：A 文章编号：1672-352X(2023)03-0529-08 Evaluation of ultrasonic sterilization and decontamination technology based on cavitation effect YAN Xiaohan1,YANG Hongbin1,GAO Ya2,GE Xinru1,RONG Yuanyuan1,HAN Ruifang1,ZHU Xiulin3,ZHAO Xiaodong1(1.School of Ocean,Yantai University,Yantai 264005;2.Tianjin Environmental Consulting Co.,Ltd.,Tianjin 300191;3.Shandong Mingchao Environmental Protection Technology Co.,Ltd.,Yantai 264043)Abstract:To verify the ability of ultrasonic sterilization and decontamination based on cavitation effect,the growth curve of Lysinibacillus sphaericus was measured by turbidimetry,and the viable count of L.sphaericus after ultrasonic treatment was carried out by plate colony counting method.Electrochemical methods such as open cir-cuit potential(OCP)and electrochemical impedance spectroscopy(EIS)were used to characterize the electro-chemical behavior of carbon steel in L.sphaericus solution,and the chemical oxygen demand(COD)of contami-nated water samples before and after ultrasonic treatment was measured.The results showed that the number of L.sphaericus colonies after ultrasonic treatment was significantly reduced compared with that without treatment,especially when the ultrasonic treatment time was 2 h,the number of L.sphaericus decreased from 9.1 106 cfu mL-1 to 7.7 106 cfu mL-1.During electrochemical experiments,the corrosion rate of the L.sphaericus system treated with ultrasound was markedly lower compared to the untreated system.Furthermore,the ultrasonic treat-ment effectively reduced the COD value of the wastewater.Notably,the COD values of low and high-concentration wastewater samples also decreased remarkably from 51 mg L-1 to 8.4 mg L-1,and 850 mg L-1 to 740 mg L-1,respectively.The results presented above indicate that ultrasonic treatment has a significant bacte-ricidal effect on L.sphaericus,effectively slowing down the corrosion of Q235 carbon steel caused by L.sphaer-icus over a short period of time,and also substantially reducing the chemical oxygen demand.Key words:marine biofouling;ultrasound;sterilization and decontamination;electrochemistry;water treatment 530 安 徽 农 业 大 学 学 报 2023 年 随着我国海洋强国战略的提出，海洋开发建设项目蓬勃发展，海洋开发和海洋生态环境保护成为当下国家建设发展重点1-3。但是，在大力推进各项海洋开发与建设项目的过程中，海洋生物污损始终是一个绕不开的巨大问题。海洋生物污损是指微生物和海藻等海洋生物在海洋设备浸没表面的不良积聚4。这是一个复杂的问题，不仅威胁海洋生态环境，同时对经济社会发展也造成一些弊端，无法真正有效满足当下的海洋可持续发展战略5-6。当细菌、硅藻和藻类孢子等生物污染船体或其他人造海洋结构物表面时，这些设备操作和维护的成本会显著增加，并且对设备频繁的清洗也增加了成本，降低了设备的工作时间。另外，在海洋运输的背景下，海洋生物污损会造成船舶载重增大，增加船只在行驶中产生的摩擦阻力，减少船舶前进效率和机动性，进而提高燃油损耗，导致有害化合物排放和经济成本的增加7-9。同时，在进行海洋开发的过程中，人类活动造成的环境污染逐渐加剧，许多沿海和公海地区受到不同原料加工和工业化合物或产品制造过程中排放的废水影响，导致污染物的混合累积超过自然水平，对水生生态系统和沿海居民产生有害影响10-12。调查研究表明13，目前针对海洋生物污损的传统防治方法主要有涂层法和非涂层法。最常用的两种非涂层法分别为电化学水解法和机械除污法。电化学水解主要是通过次氯酸达到对海洋污染生物的杀灭以防治海洋生物污染；机械除污法则是对已经附着的海洋生物，通过各种机械设备进行定期清理。上述两种方法虽然操作简便，但是受限于复杂的作用环境或机械设备庞大的体积。对于涂层法而言，研究表明含有生物杀菌剂的涂层已被证明在减少生物污染方面具有良好的效果；然而，其中一些化合物在海洋环境中存在非常持久，并对非目标生物有负面影响，危害海洋环境7。目前对环境友好的防治海洋生物污染的方法主要包括环境友好型防污涂层和超声波防污。然而，自然污染过程中，不同的微生物，如细菌和硅藻，通过共享信息和生命材料，被纳入到细胞外聚合物基质中，形成一个动态平衡；每一种生物膜在空间和时间上都是独特的和异质的，并且对环境条件的变化很敏感，如盐度、营养物质和光照制度，因此在实验室中具有良好性能的环境友好型防污涂层在自然海洋环境中可能不能很好地发挥作用14。可见，以上防治方法的应用均受到处理效率、能源需求、工程专业知识、经济效益和基础设施等多种因素限制，简单安全高效的防污处理方法对目前来讲尤为重要。超声波防污为纯物理的污水处理方法，产生的噪声低、异味少，对周围环境无影响，对人员无辐射。研究表明，超声波清洗可以去除和防止工业结构中的污垢，提高化学清洗速度15，对多种微生物具有杀灭效果16，并能有效促进沉积物中的重金属释放到水体中，有利于水生植物对重金属的吸收17。以上表明，超声波处理在灭菌除污和净化生化污水领域具有重要作用或潜力，因此本研究的开展具有一定的科研价值和实际意义。超声波最基本的定义是指频率大于或等于 20 kHz 的声波18。超声波灭菌除污能力主要归因于其产生的空化效应。超声波通过物体时，如果波的振幅足够大，就会产生气泡或空腔，其气泡核被超声波激活，表现为气泡核的震荡、生长、收缩、崩溃等一系列动力学过程。当气泡最终破裂时，会瞬间产生高压（高达 100 MPa）和高温（高达 5 000 K），同时会产生具有强烈冲击力的微束流，引发热学、力学、生物和化学等效应19-20，即为空化效应。超声空化效应产生的高温高压可以导致细胞的死亡以及污染物的热解，同时产生的冲击力会导致分子链断裂，加快大分子污染物的降解，并且在液体中空化效应会使水发生声分解产生多种具有杀菌、降解污染物能力的自由基21。本研究通过平板菌落计数法对超声处理前后芽孢杆菌的菌悬液进行活菌计数，评价超声波处理对芽孢杆菌的杀灭影响，采用开路电位（OCP）、交流阻抗谱（EIS）等电化学手段研究碳钢在芽孢杆菌环境中的电化学行为影响，以及通过测量污染水样超声处理前后不同时间的化学需氧量（COD），对超声波灭菌除污技术进行综合性能评价。1 材料与方法 1.1 生长曲线测定 本实验使用的菌样为从舰载机燃油系统的污染油样中获得的球形赖氨酸芽孢杆菌（Lysinibacillus sphaericus）。使用以舰载机燃油系统中的航空煤油为唯一碳源的无机盐培养基进行富集培养、利用平板划线法进行分离纯化获得球形赖氨酸芽孢杆菌（L.sphaericus）。依据细菌样液的浑浊程度与微生物数量成正比，采用紫外可见分光光度计在 600 nm 波长下测得菌液的吸光度 OD 值，通过 OD 值间接表征溶液中微生物数量，吸光度越高代表微生物数量越多22。50 卷 3 期 颜晓晗等:基于空化效应的超声波灭菌除污技术性能评价 531 首先配置适合细菌生长的液体和固体的LB培养基，用 1 mol L-1的 NaOH 调节 LB 培养基 pH 值在 7.27.4 之间。用移液枪移取配置好的液体培养基 10 mL于试管中，将其与固体培养基一起置于高压灭菌锅中 121 灭菌 30 min，随后进行细菌样品接种培养，然后将培养好的球形赖氨酸芽孢杆菌（L.sphaericus）菌液以 1200 的体积比例加入到 500 mL LB液体培养基中，设置无菌培养基作为平行样，放置在 30、150 r min-1摇床中进行培养。每隔 2 h 测吸光度。1.2 超声波灭菌实验 配置适合细菌生长的液体和固体的LB培养基，用 1 mol L-1的 NaOH 调节 LB 培养基 pH 值在 7.27.4 之间。用移液枪移取配置好的液体培养基 10 mL于试管中，将其与固体培养基一起置于高压灭菌锅中 121 灭菌 30 min。随后进行细菌样品接种培养，将培养好的球形赖氨酸芽孢杆菌（L.sphaericus）菌液以 15 的体积比例加入到 250 mL LB 液体培养基中制成菌悬液，对此菌悬液进行超声处理，设置未经处理的相同菌悬液作为平行样。分别于 0 h、1 h、2 h、3 h对两个菌悬液进行取样，随后用无菌水稀释 10 000倍。等待灭菌后的固体培养基冷却至 80 后，在超净工作台中用量桶量取 25 mL 固体培养基，再用移液枪移取 100 L 稀释后的菌液混合均匀倒入培养皿中，静置凝固。放置 10 min 置于培养箱中 32 培养 1824 h 观察结果，进行菌落计数。超声波设备来自山东明潮环保科技有限公司开发的 M-1A02 型超声波清洗设备。设备主体由电源发生器和换能器两个部分组成，电源发生器采用380 V、50 Hz 供电，最大负荷功率为 150 W。1.3 电化学实验测试 实验所用的 Q235 碳钢成分为 C（0.12%0.20%）、Si（0.30%）、Mn（0.30%0.70%）、S（0.045%）、P（0.045%）、Cr（0.30%）、Ni（0.30%）和 Cu（0.30%）。将碳钢试样加工成10 mm 10 mm 2 mm 的薄片，用导电胶带将铜质导线与试样连通，放置在圆柱体塑料管中用环氧树脂密封，使暴露出的工作面积为 10 mm 10 mm，从而制作成电化学测试实验工作电极。依次用8002 000目的金相砂纸在磨抛机上将试样工作面进行打磨，然后用蒸馏水、无水乙醇冲洗后置于干燥箱中备用。用 1 mol L-1的 NaOH 调节 LB 培养基 pH 值在7.27.4 之间，然后将配置好的培养基在灭菌锅中灭菌 30 min，灭菌结束后转移至无菌操作台自然冷却。将前期单独培养的球形赖氨酸芽孢杆菌（L.sphaericus）菌液以 1200 的体积比加入到 LB 培养基中，通过超声处理和无超声处理，建立经超声处理的芽孢杆菌实验体系、未经超声处理的芽孢杆菌实验体系以及LB液体培养基作为细菌空白体系，置于 30、150 r min-1摇床中培养。电化学实验采用传统三电极体系，工作电极为碳钢，辅助电极为 Pt 电极，参比电极为饱和 KCl甘汞电极。实验开始前装置在紫外光下照射 30 min灭菌，以确保实验过程中不会被其他杂菌污染。将灭菌后的试样浸泡在各体系中，使用 PARSTAT 2 273 电化学工作站进行电化学分析测试。浸泡后间隔一定时间，先进行开路电位（OCP）的测定。待开路电位稳定后，进行电化学阻抗（EIS）测试，频率扫描范围 10510-2 Hz，正弦波电位幅值为 10 mV，使用 ZSimpWin 软件对数据进行处理，使用C-view 软件进行数据分析。1.4 超声波降低污水化学需氧量的实验研究 实验用实际污水试样取自本地水务公司废水和印染厂污水。超声波降低污水化学需氧量的实验研究按照 HJ/T 399-2007 标准23进行。取出干燥的反应管分别移入经超声处理 0 h、1 h、2 h、3 h 的 2 mL 污水样品，并预先加入 0.05 g硫酸汞以消除水样中氯离子的影响。根据样品浓度不同，移入 3 mL 对应不同浓度的专用氧化剂，随后盖紧盖子，将反应管反复颠倒，充分混合试剂和样品，待用。对 COD-571 型化学需氧量（COD）测定仪进行校正，按上述 3 个步骤，用重蒸馏水代替样品作零点校准液，用 150 mg L-1或 1 500 mg L-1COD 标准溶液作满度校准液。零点校准液和满度校准液均需加入 0.05 g 硫酸汞（根据需要）和3 mL 相应的专用氧化剂，并经过消解后用于校正。不同浓度的样品选用不同的专用试剂及测量方法。将消解后的溶液使用 COD 测定仪进行测量。2 结果与分析 2.1 生长曲线分析 图1显示了通过比浊度测定的芽孢杆菌系统17天的 OD600值，OD 值代表被检测物质吸收的光密度，OD 值越高代表细菌数量越多。因此，如图 2所示，芽孢杆菌数量在 08 d 内逐渐增加，然后在817 d 内减少，进入下降阶段。生长曲线的确定为后续实验的分析提供了理论依据。在后续电化学实验中，每 3 d 更换 1/3 的细菌培养基，以始终保持细菌活性。532 安 徽 农 业 大 学 学 报 2023 年 图 1 球形赖氨酸芽孢杆菌的生长曲线 Figure 1 Growth curve of L.sphaericus 2.2 超声波灭菌效果实验分析 图 2 和图 3 分别为未经超声处理的球形赖氨酸芽孢杆菌菌悬液和经过超声处理的球形赖氨酸芽孢杆菌菌悬液在不同取样时间经无菌水稀释10 000倍后平板培养的菌落生长情况。如图 2 和图 3 所示，图 2(c)和图 2(d)的菌落生长情况明显好于图 3(c)和图 3(d)，其次如图 4 所示，未经超声处理和经过超声处理的球形赖氨酸芽孢杆菌的平板菌落生长数量虽然都呈现下降的趋势，但是经过超声处理的球形赖氨酸芽孢杆菌的下降趋势更为明显，在 1 h、2 h、3 h 时经过超声处理的球形赖氨酸芽孢杆菌的生长数量均低于未经超声处理球形赖氨酸芽孢杆菌的生长数量，由此可见，超声波对球形赖氨酸芽孢杆菌具有明显的杀灭效果。(a)0 h;(b)1 h;(c)2h;(d)3 h。图 2 未经超声处理的球形赖氨酸芽孢杆菌的生长情况 Figure 2 Growth of L.sphaericus without ultrasound treatment (a)0 h;(b)1 h;(c)2 h;(d)3 h。图 3 经过超声处理的球形赖氨酸芽孢杆菌的生长情况 Figure 3 Growth of L.sphaericus treated by ultrasound 图 4 不同处理的球形赖氨酸芽孢杆菌的菌落数量 Figure 4 Number of colonies of growth of L.sphaericus treated with different treatment 2.3 电化学实验分析 从图 1 球形赖氨酸芽孢杆菌的生长曲线中可以看出，在整个实验周期 7 d 内，球形赖氨酸芽孢杆菌的数量处于上升趋势，并未到达衰落期，对实验没有影响。选择图 5 的等效电路对 Q235 碳钢在各个体系中浸泡不同时间的阻抗谱图进行拟合作图。图 5 用于拟合 Q235 碳钢 EIS 实验数据的等效电路 Figure 5 The equivalent electrical circuit used to fit the EIS experimental data for Q235 carbon steel 从图 6 和图 7 的 Nyquist 图中可以看出，有菌体系和无体系形状都是近似半圆的容抗弧，其半径代表了阻抗值的大小24。无菌体系中容抗弧半径明显大于有菌体系。容抗弧的半径大小与电极表面电荷转移电阻 Rct的大小成正比，Rct越大，说明碳钢腐蚀速率越小25。由此可见，球形赖氨酸芽孢杆菌对碳钢具有加速腐蚀的作用。50 卷 3 期 颜晓晗等:基于空化效应的超声波灭菌除污技术性能评价 533 图 6 Q235 碳钢在无菌环境中中浸泡不同时间的 Nyquist(a)图和 Bode(b)图 Figure 6 Nyquist(a)and Bode(b)plots of Q235 carbon steel immersed in aseptic environment for different time 图 7 Q235 碳钢在未经超声处理的球形赖氨酸芽孢杆菌菌悬液中浸泡不同时间的 Nyquist(a)图和 Bode(b)图 Figure 7 Nyquist(a)and Bode(b)plots of Q235 carbon steel immersed in L.sphaericus suspension without ultrasonic treatment for different time 图 8 Q235 碳钢在经过超声处理的球形赖氨酸芽孢杆菌菌悬液中浸泡不同时间的 Nyquist(a)图和 Bode(b)图 Figure 8 Nyquist(a)and Bode(b)plots of Q235 carbon steel immersed in ultrasonic treated L.sphaericus suspension for different time 如图 7 的 Nyquist 图所示，浸泡在未经过超声处理的球形赖氨酸芽孢杆菌菌悬液的体系其容抗弧在浸泡 12 h 时达到最大值，这是因为球形赖氨酸芽孢杆菌以及其代谢分泌的的胞外聚合物在试样表面贴附形成了生物膜，可以阻碍金属表面与溶液之间的电荷传递，减缓了碳钢的腐蚀26。随着 Q235 碳钢的浸泡时间增加，此体系的容抗弧呈现减小的趋势，说明碳钢腐蚀速率越来越大，这是由于随着浸泡时间的增加材料表面的生物膜逐渐脱落，对电荷转移阻碍效果减弱。而如图 8 的 Nyquist 图所示，浸泡在经过超声处理的球形赖氨酸芽孢杆菌菌悬液的体系其容抗弧在浸泡 1 d 时达到最大值，且最大值小于未经过超声处理的球形赖氨酸芽孢杆菌菌悬液的体系，这是因为超声波的振动作用减缓了球形赖氨酸芽孢杆菌以及其代谢分泌的胞外聚合物在试样表面的贴附，影响了生物膜在碳钢表面的生成，起到的保护作用较弱。随着 Q235 碳钢的浸泡时间增加，除第 7 天外，此体系的容抗弧基本处于稳定的状态，说明超声波处理减缓了其腐蚀速率。从图 9(a)中可以看出 Q235 碳钢在两种体系中浸泡 1 h 时，二者的容抗弧半径大小基本一致，说明Q235碳钢在这两种体系中的初始状态基本一致。如图 9(b)所示，Q235 碳钢浸泡在未经过超声处理的球形赖氨酸芽孢杆菌菌悬液的体系中的容抗弧半径 534 安 徽 农 业 大 学 学 报 2023 年 (a)1 h;(b)12 h;(c)1 d;(d)2 d;(e)3 d;(f)5 d;(g)7 d。图 9 Q235 碳钢经过超声处理或未经处理不同周期后的 Nyquist 图 Figure 9 Nyquist plots of Q235 carbon steel after ultrasonic treatment or untreated for different time 图 10 低浓度水样(a)和高浓度水样(b)的 COD 值随超声波设备处理时间变化 Figure 10 The COD value of low concentration sample(a)and high concentration sample(b)changes with the treatment time 远大于其浸泡在经过超声处理的球形赖氨酸芽孢杆菌菌悬液的体系，这是因为超声波的振动作用减缓了球形赖氨酸芽孢杆菌以及其代谢分泌的的胞外聚合物在试样表面的贴附，影响了生物膜在碳钢表面的生成，起到的保护作用较弱。如图 9(c)所示，随着实验周期的进一步延长，Q235 碳钢在这两种体系中表面的生物膜都趋于稳定，所以在浸泡 1 d 时，Q235 碳钢在这两种体系中的容抗弧半径大小基本一致。随着实验周期的进一步增加，如图 9(d)、图9(e)、图 9(f)所示，Q235 碳钢浸泡在经过超声处理的球形赖氨酸芽孢杆菌菌悬液的体系中的容抗弧半径远大于其浸泡在未经超声处理的球形赖氨酸芽孢杆菌菌悬液的体系，此时，Q235 碳钢浸泡在经过超声处理的球形赖氨酸芽孢杆菌菌悬液的体系中的腐蚀速率明显小于其浸泡在未经超声处理的球形赖氨酸芽孢杆菌菌悬液的体系，说明超声波通过对球形赖氨酸芽孢杆菌杀灭效果延缓了其对 Q235 碳钢的腐蚀。而如图 9(g)所示，两种体系的容抗弧半径明显减小，这说明在 7 d 时，Q235 碳钢的腐蚀速率出现转折点，这是因为浸泡时间太长，碳钢表面的生50 卷 3 期 颜晓晗等:基于空化效应的超声波灭菌除污技术性能评价 535 物膜逐渐脱落，失去了对碳钢的保护作用。而 Q235碳钢浸泡在未经超声处理的球形赖氨酸芽孢杆菌菌悬液的体系中的容抗弧半径大于其浸泡在经过超声处理的球形赖氨酸芽孢杆菌菌悬液的体系，这是因为由于超声波的震动作用，在 7 d 时，浸泡在经过超声波处理的球形赖氨酸芽孢杆菌体系中的 Q235碳钢表面生物膜的脱落情况远远超过浸泡在未经超声处理的球形赖氨酸芽孢杆菌体系。2.4 超声波降低污水化学需氧量的实验分析 化学需氧量（COD）是指标水体有机污染的一项重要指标，可大致表示污水中的有机物量，能够反应出水体的污染程度。如图 10 所示，对比未经超声波设备处理的水样和经超声设备处理后的水样的COD 值，水样的 COD 值随超声波设备处理时间，数值趋于减小，由此可见，超声波设备具备净化生化污水能力。3 讨论与结论 超声与细菌生命系统的相互作用主要通过 3 种途径发生，即热（生热）、化学（自由基形成）和机械（剪切应力、液体射流、冲击波）3 种途经，每一种途径都会触发特定的效应27。首先空化泡振荡崩塌时造成的高温高压环境可以引起细胞壁的变薄甚至裂解从而导致细菌抵御外界威胁的能力降低28。同时其崩塌时伴有的冲击波、微射流、湍流、剪切力等可以轻易击穿细胞膜，而且在超声波能量周期循环过程中产生的周期性压力会加大细菌细胞膜磷脂双分子的振频振幅，导致细胞膜穿孔，泄露细胞基质，加快细菌死亡27。另外微射流还会干扰胞内蛋白质成分的化学构像，使其发生改变，进而导致胞内酶失活，抑制细菌的代谢，而且膜内的流体静压能够诱发细胞核裂解并释放 DNA，这都对细菌的杀灭有重要作用29。在气泡破裂过程中，能量释放使得水进行声分解，其反应过程大致可用以下公式表示30：H2O OH+H （1）O2 2O （2）O+H2O 2OH （3）O2+H OOH （4）O2+H OH+O （5）OH+OH H2O2 （6）2H H2 （7）水的声分解产生的 OH（羟自由基）、H（氢自由基）等自由基和 H2O2（过氧化氢）具有重要的杀菌作用，DNA 是细菌细胞中这些自由基攻击的主要靶点，它们沿着 DNA 延伸使其断裂产生碎片，并且过氧化氢浓度的增加会引起脂质膜的强烈氧化，影响负责ATP产生的蛋白质复合物的酶活性以及干扰细胞内部溶质浓度的维持，从而影响遗传物质导致细菌细胞死亡31。同时 H、O（氧自由基）和 OH等自由基进一步生成的 OOH（超氧自由基）和 H2O2会促进胞内硝酸、亚硝酸等物质的释放进而改变溶液酸碱度，破坏细菌生长环境32。超声波在液体中传播时，引起媒介质点的振动，加快分子的碰撞速度，使得质点受到较大的机械力的冲击，从而除去介质表面附着的污垢或污损33，同时空化效应产生的冲击波、微射流、湍流、剪切力也可以剥离介质表面的污垢或污损，另外在液体中超声波具有直流作用，即液体沿着声的传播方向产生流动的直进流，介质表面的污垢或污损被其搅拌，同样可以达到清理介质表面的作用34。由于超声波的清洗作用，在电化学实验超声体系中的碳钢表面的生物膜形成受到了抑制，同时随着实验周期的增长，超声波的清洗作用也大大加快了超声体系中的碳钢表面生物膜的脱落。在液体中，超声波空化效应主要产生的作用有：热分解作用、机械作用、自由基氧化作用。首先空化效应产生的高温高压可以使液体中挥发疏水性的有机物热解，其次超声波传播时产生的冲击波、微射流、湍流、剪切力会导致分子链的断裂，降解大分子有机物。最后空化效应产生的诸多自由基和过氧化氢可以实现对液体中有机污染物的氧化去 除35。水体中有机污染物的减少导致了其化学需氧量的降低。超声波对球形赖氨酸芽孢杆菌具有明显的杀灭效果。由于对球形赖氨酸芽孢杆菌的杀灭作用，超声处理可以在短期内减缓其对 Q235 碳钢的腐蚀，在 5 d 以内都具有减缓其腐蚀 Q235 碳钢的作用，但随着实验周期的增加，超声波的清洗作用在一定程度上会破坏 Q235 碳钢的表面并且加速其表面生物膜的脱落，此时会一定程度上加速 Q235 碳钢的腐蚀。超声波对化学需氧量有明显的降低效果，无论是较高浓度化学需氧量的污水还是低浓度化学需氧量的污水，均表明超声波具有有净化生化污水的作用。参考文献：1 樊丛维.中国科技兴海视域下海洋强国战略研究D.长春:吉林大学,2021.2 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