蔬菜無土栽培營養(yǎng)液滅菌除藻研究進展

　　摘要：營養(yǎng)液中病原菌和藻類的安全高效滅除是封閉式蔬菜無土栽培的重要技術環(huán)節(jié)。本文綜述了蔬菜無土栽培營養(yǎng)液中病原菌和藻類的種類、侵染方式，不同滅菌除藻技術的原理、發(fā)展利用現(xiàn)狀，并提出了新的技術途徑和若干科學問題，以期為后續(xù)深入研究和推廣應用提供理論依據(jù)。

　　關鍵詞：無土栽培；營養(yǎng)液；病原菌；藻類；消毒；綜述

　　封閉式無土栽培通過特定設施營造出潔凈、穩(wěn)定的蔬菜生長環(huán)境，營養(yǎng)液的循環(huán)利用避免了一次性廢棄而產(chǎn)生的環(huán)境污染，是化肥減施增效的重要技術途徑，已成為發(fā)達的主要無土栽培模式（楊其長等，2012）。營養(yǎng)液是無土栽培的主要養(yǎng)分來源，保持營養(yǎng)液的健康環(huán)境是無土栽培管理的核心環(huán)節(jié)。相比土壤栽培，無土栽培中各種有害因子雖已大幅減少，但病原菌、藻類等仍然存在，極易在營養(yǎng)液循環(huán)過程中蔓延，影響植物生長。針對無土栽培營養(yǎng)液病原菌消毒的研究已有很多，但對藻類控制的關注較少。鑒于營養(yǎng)液中病原菌和藻類可能存在協(xié)同共生或競爭抑制，滅除原理與技術途徑相似性高，營養(yǎng)液中病原菌和藻類系統(tǒng)的防控對于蔬菜作物無土栽培十分重要。

　　1營養(yǎng)液中病原菌、藻類的種類及侵染方式

　　和自然水體類似，營養(yǎng)液中可能出現(xiàn)的有害生物包括病原微生物（細菌、真菌）、浮游動植物（藻類、原生動物）、線蟲等，可通過空氣、水、種子、基質、器具、人工操作等途徑進入栽培系統(tǒng)。與藻類相比，病原菌對植物影響較大，相關研究較多。營養(yǎng)液主要與植物根部接觸，其中致病菌多為根部病害（Reyetal.，1996；劉士哲等，2016）。如葉用萵苣（生菜）水培營養(yǎng)液中，常存在腐霉Pythiumdissotocum感染，雖然無明顯外觀病癥，但嚴重影響產(chǎn)量（李國景等，2001）。番茄、黃瓜營養(yǎng)液中病害多由腐霉菌、疫霉菌引起，其次是尖孢鐮孢菌和煙草花葉病毒，侵入方式為病原菌傳播、幼苗帶菌或種子傳染，易造成番茄根腐病、枯萎病、青枯病、花葉病毒病和黃瓜疫病等（劉向輝等，2005）。

　　無土栽培設施內(nèi)壁和營養(yǎng)液中因富含養(yǎng)分，在陽光照射下極易滋生藻類，以綠藻門藻種最為常見。少量藻類一般對植物影響不大，大量繁殖時會與植物產(chǎn)生資源競爭。熊自立等（2002）發(fā)現(xiàn)綠藻每周可造成營養(yǎng)液中的N、P、K、Ca、Mg損失達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，溶氧降低以及葉菜類蔬菜葉片褪綠，瓜果類蔬菜坐果不良、產(chǎn)量及品質下降等。藻類的活體及殘體易附著堆積于植物的根莖部和管道壁，會形成腐殖質層，影響蔬菜外觀商品性，滋生病菌和蚊蠅，堵塞管道。部分藻類產(chǎn)生藻毒素，危害植物生長和食品安全。研究發(fā)現(xiàn)，營養(yǎng)液中低密度的藻類會促進蕹菜根系增長，但高密度的藻類會導致蕹菜生長減緩，藍藻、綠藻種間競爭及化感作用也會限制蕹菜根系發(fā)展，導致葉片脫落和生物量降低（闞元卿等，2014）。

　　2營養(yǎng)液滅菌除藻的研究進展

　　營養(yǎng)液中病原菌的滅殺消毒是無土栽培的研究熱點，但藻類的去除一直未受到足夠重視，僅在花卉生產(chǎn)中有過相關報道（趙習武等，2012），針對蔬菜的研究極少。鑒于藻類與病原菌在滅除方法上有較大相似性，滅除工作應同時進行，根據(jù)滅殺原理，營養(yǎng)液中殺菌除藻的方法可分為物理方法、化學方法、生物方法3類。不同方法在滅殺效率、專一性和經(jīng)濟性等方面有明顯差異。

　　2.1物理滅除研究

　　實際生產(chǎn)中，營養(yǎng)液中病原菌、藻類的滅除以物理方法為主，技術相對成熟，特點是對環(huán)境和產(chǎn)品無毒無害，但對設備要求較高，操作相對復雜；缺點是在滅除有害生物的同時，有益生物也不能幸免（楊其長等，2012）。物理滅除法主要包括利用紫外線、加熱及制冷、氧化劑、過濾等進行滅除。紫外線照射是目前應用最多的方法之一。通過紫外線對水中微小生物進行照射，破壞其機體內(nèi)蛋白質和DNA的結構，使其立即死亡或喪失繁殖能力，對真菌、細菌均有較好的滅殺效果（劉超然等，2017）。

　　紫外線輻照對不同藻類也有抑制效果，波長在200～400nm的紫外光對橢圓小球藻、普通小球藻等常見綠藻都有滅活作用，通過抑制藻細胞生長、減低藻密度、破壞細胞完整性、增大藻細胞比重使其沉降至底部等進行除藻，并控制藻毒素和胞內(nèi)外有機物釋放（賈沛莉等，2017）。但其效果易受營養(yǎng)液中透射因子影響，紫外強度越高，營養(yǎng)液濁度低時滅殺效果越好，但隱藏在懸浮顆粒背后的病原菌和藻類難以被殺死（張永吉和劉文君，2005）。劉向輝等（2005）研究發(fā)現(xiàn)，殺滅細菌和真菌的紫外線射線劑量是100mJ·cm-2，而殺滅病毒的劑量則需250mJ·cm-2，且殺滅真菌相比細菌需要更強的射線強度。國內(nèi)外已有大量紫外線殺菌裝備，且朝著可同時實現(xiàn)營養(yǎng)液消毒和營養(yǎng)液成分自動化管理方式發(fā)展（李東星等，2011），這些設備對藻類的滅殺效果還需要深入研究。高強度長時間的紫外線照射會使消毒達到飽和，從而降低效率，大量研究從病原菌存活率、紫外線輻射量和營養(yǎng)液體積之間的關系著手，或利用模擬系統(tǒng)推導動力學方程，對各種紫外消毒儀器進行參數(shù)改進及評價，在營養(yǎng)液水培黃瓜、番茄等研究中取得了較好的滅除效果，滅菌率達到92%～100%（劉向輝等，2004；王偉琳等，2018；Tsunedomietal.，2018；馬萬征等，2019）。牛培平等（2015）利用流體力學數(shù)值模擬分析優(yōu)化了現(xiàn)有紫外線消毒儀的擋流板設計，發(fā)現(xiàn)采用4孔型擋流板時，顆粒受到的輻射劑量最小值、平均值較另外2種擋流板設計分別提高33.4%和4.2%。

　　2.2化學滅除研究

　　化學滅除法指利用各種化學藥劑進行殺菌除藻，通常效果迅速，但產(chǎn)生的二次污染和化學藥劑的生物富集易對人體和環(huán)境產(chǎn)生負面影響，正逐漸被取代?；瘜W滅除的常用化學藥劑包括各種含氯化合物、鹵素、金屬離子、表面活性劑等。

　　2.3生物滅除研究

　　利用拮抗微生物抑制營養(yǎng)液中的病原菌已有應用實踐，此類方法作用緩慢，效果有限，但使用成本低，發(fā)展前景較好。李國景和李躍珍（2001）將5種細菌混合而成的Poly-A接種于芹菜NFT種植系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)其可顯著抑制水藻，且對植株生長無影響。在生菜NFT種植系統(tǒng)中接種拮抗真菌Trichoderma后，可減輕腐霉病感染率，提高生菜品質（李國景等，2001）。某些放線菌、假單胞菌、鐮孢菌產(chǎn)生的次生代謝物被證明對腐霉、疫霉等病菌孢子有明顯防治效果（張彩英，1999）。假單胞菌是無土栽培系統(tǒng)中的一類常見根際微生物，其產(chǎn)生的生物表面活性劑已被證實對諸如辣椒疫霉等多種游動孢子繁殖的蔬菜病害有抑制作用（Nielsenetal.，2006；Hultbergetal.，2010）。接種假單胞菌Pseudomonaskoreensis2.74后產(chǎn)生的生物表面活性劑，對生菜循環(huán)系統(tǒng)中的一種致病卵菌滅殺率可達50%（Hultbergetal.，2011）。Folman等（2004）發(fā)現(xiàn)溶桿菌株Lysobacterenzymogenesisolate3.1T8產(chǎn)生的活性物質，對黃瓜無土栽培營養(yǎng)液中的隱皮腐霉有明顯的生防效果。利用木霉對水培蔬菜進行生物防治已有深入研究及應用，哈茨木霉能夠長期定殖于水培黃瓜根部，并誘導其對枯萎病產(chǎn)生抗性（Zhangetal.，2013）。將大麥秸稈或其提取物投入水中，對藍藻等藻類產(chǎn)生了很好的控制作用（Everall&Lees，1996）。由此可見，植物或微生物的化感作用及化感物質可能為營養(yǎng)液中微生物和藻類的滅除提供一種安全低成本的解決途徑，但急需相關研究支撐。

　　2.4復合方法滅除研究

　　利用一種方法對營養(yǎng)液進行滅菌除藻存在一定的缺陷，將多種方法聯(lián)合使用，可提高滅殺的廣度和深度。如先將營養(yǎng)液經(jīng)過濾裝置濾除植物殘體和部分藻類，并吸附一部分病原菌，然后經(jīng)臭氧、紫外線共同作用，最后再通過加熱器處理。已有研究證明，臭氧+紫外線比二者單獨處理時臭氧化速率提高10～104倍，能氧化臭氧難以降解的有機物（Loebetal.，2012）。臭氧+紫外線的組合式消毒方式具有協(xié)同效應，可使番茄無土栽培中的細菌、真菌、放線菌等主要病原體的總消毒效果達到89.9%（宋衛(wèi)堂等，2011）。李洪等（2016）對甘藍漂浮育苗的研究發(fā)現(xiàn)，紫外燈加臭氧的殺菌效果優(yōu)于加熱處理，且能增加營養(yǎng)液中硝態(tài)氮含量，降低銨態(tài)氮、磷酸鹽含量和pH。薛曉莉等（2017）利用微納米氣泡發(fā)生技術制成微納米氣泡臭氧水，與紫外線消毒器發(fā)揮協(xié)同消毒作用，證明了紫外線可通過提高有機物分子能量，增加活化分子比例，促進臭氧生成反應活性更高的羥基自由基，從而實現(xiàn)更佳的滅菌效果。

　　3問題與展望

　　隨著消費者對高品質安全農(nóng)產(chǎn)品需求的增加，以及生態(tài)環(huán)境保護意識的提高，封閉式無土栽培的應用規(guī)模將繼續(xù)擴大，循環(huán)營養(yǎng)液中病原菌和藻類的滅除成為無土栽培的核心技術環(huán)節(jié)。物理和生物滅除方法已發(fā)展成為營養(yǎng)液滅菌除藻的優(yōu)先解決方案，且更加依賴多種方法聯(lián)合使用來提高效果。新型植保、水處理技術不斷為營養(yǎng)液的滅菌除藻提供可借鑒的技術，如利用生物活性炭、氧化還原電位水、功能微生物和過濾形成的生物膜進行滅菌除藻都具備一定發(fā)展前景，但滅除效果和機理大多還處于研究階段。藻類與病原菌共存于營養(yǎng)液中，藻類生態(tài)及其次生代謝物對病原菌和植物會產(chǎn)生何種影響仍具有不確定性。將植物間套種植應用于無土栽培，利用植物的化感作用來控制藻類和微生物也許是一種安全低成本的解決途徑，這方面研究尚十分缺乏。上述諸多新方法在應用于實際生產(chǎn)時，其可靠性、經(jīng)濟性仍有待進一步驗證，但無疑會為蔬菜無土栽培提供新的技術途徑。

　　參考文獻

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