冷大气等离子体和脉冲电场：循环水养殖系统去污新技术的希望之光

在循环水养殖系统（RAS）中，传统的紫外线（UV）和臭氧去污技术存在弊端。研究人员开展了关于冷大气等离子体（CAP）和脉冲电场（PEF）作为替代去污技术的研究。结果显示二者对革兰氏阴性菌灭活效果较好，且可与 UV 结合。这为 RAS 去污提供了新方向。

　　随着全球人口增长和气候变化，渔业面临诸多挑战。一方面，气候变暖导致水温上升，鱼类死亡率增加、繁殖能力下降；另一方面，人们对海鲜的需求不断攀升，过度捕捞问题日益严重。在这样的背景下，循环水养殖系统（RAS）成为保障鱼类和海鲜可持续供应的关键。然而，RAS 中常用的水去污方法 —— 紫外线（UV）和臭氧，存在不少问题。UV 的抗菌效果会因水质浑浊而降低，且灯具老化后需要频繁更换；臭氧若浓度过高，不仅对鱼类有害，还会增加有毒臭氧残留，对操作人员也有危害。因此，寻找更高效、安全的替代技术迫在眉睫。
德国的研究人员针对这些问题展开研究。他们聚焦于冷大气等离子体（CAP）和脉冲电场（PEF）这两种新兴技术，试图探索其在 RAS 水去污方面的潜力，并与传统的 UV 技术进行对比。最终研究发现，CAP 和 PEF 在灭活鱼类致病微生物方面表现出良好的效果，尤其是对革兰氏阴性菌，二者还可能与 UV 结合，确保鱼类生产的卫生安全并提升鱼类福利。该研究成果发表在《Aquacultural Engineering》杂志上，为 RAS 的发展提供了新的思路和方向。
在研究过程中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先，对 RAS 水和模型养殖水进行多种离子成分（如通过离子交换色谱法分析阴离子和阳离子）、生化需氧量（BOD₅）、化学需氧量（COD）、总有机碳（TOC）、pH 值和电导率等指标的分析，以了解水质特性；其次，分别采用 CAP、PEF 和 UV 对水样进行处理，并通过测定处理前后微生物的活菌计数，计算对数减少因子（log₁₀-RF）来评估抗菌效果；最后，根据各技术的物理设置测定其能量消耗，并引入技术效率系数（TEC）来综合评估技术性能。
研究结果如下：

• RAS 水和模型养殖水的分析：通过对 RAS 水的分析，确定了其离子组成、（生物）化学需氧量和总有机碳等指标。在 CAP 处理后，RAS 水中的硝酸盐、亚硝酸盐和铵离子浓度有所变化，BOD₅、COD 和 TOC 也发生改变。模型养殖水则是基于 RAS 水分析结果配置而成，其在 CAP 处理前后的相关指标变化与 RAS 水相似，验证了模型养殖水可作为 RAS 水的替代用于后续研究。
• 抗菌效果研究：在 RAS 水中，CAP 处理使微生物的初始负载从 2.7×103 cfu/mL 降低，log₁₀-RF 达到 2.1，15 分钟后活菌数降至检测限以下。对于模型养殖水，CAP、PEF 和 UV 对不同微生物的灭活效果不同，但总体上对革兰氏阴性菌的灭活效果优于革兰氏阳性菌。其中，CAP 对革兰氏阴性菌的 log₁₀-RF 可达 1.0 - 5.9，PEF 为 1.8 - 5.5，UV 为 2.8 - 5.5。
• 能量消耗和技术效率系数：研究测定了三种技术的能量消耗，发现 UV 的能量需求最低，PEF 最高，CAP 的能量消耗是 UV 的四倍。通过计算 TEC 发现，所有技术对革兰氏阴性菌的处理效率均高于革兰氏阳性菌，且 CAP 和 PEF 的 TEC 值高于 UV，意味着在目前阶段，它们在能量利用和微生物灭活的综合表现上不如 UV，但仍有改进和发展的潜力。
  在结论和讨论部分，研究表明 CAP 和 PEF 作为 RAS 的替代去污技术具有一定的前景，特别是对常见的鱼类病原体如弧菌（Vibrio）和气单胞菌（Aeromonas）有较高的灭活率。虽然目前 CAP 和 PEF 在能量效率方面与 UV 相比仍有差距，但考虑到 UV 在浑浊水中的局限性，以及 CAP 和 PEF 独特的灭活机制，如 CAP 产生的长效活性物种具有抗菌特性，它们与 UV 或 PEF 结合可能实现更全面或更节能的消毒效果。此外，后续研究可进一步优化技术参数、扩大处理规模，在实际 RAS 设施中进行验证，并关注对鱼类福利的影响。该研究为 RAS 的技术改进提供了重要参考，有望推动水产养殖行业朝着更可持续的方向发展。