便携式臭氧喷雾装置防治害虫的实验

便携式臭氧喷雾装置防治害虫的实验

 

作者 :高川圭辅1、上野健二1、长原子健雅1、三木富明1、池谷富明1、上原健二2、中村野彦3、桥本幸夫3、山下吉坂

1.科技研究院、熊本大学

2.环境与能源实验室

3.三和高科技有限公司

摘要：研制了一种用于农场害虫防治的便携式臭氧雾系统。臭氧具有很强的氧化能力，它们似乎能有效地杀死蠕虫和昆虫等害虫。为了增强臭氧对害虫控制的作用，通过表面介电屏障放电产生臭氧气体，并与喷嘴喷出的水雾混合。研究了臭氧雾对蚜虫的杀灭作用。处理5秒后，蚜虫的存活率为3.3%。

1. 介绍

        杀虫剂具有较快的杀虫效果，能够提高作物产量，因此普遍用于农场防治害虫。然而，农药造成了一些问题，土壤和地下水污染和作物中残留的化学品对消费者有害。近年来，从全球环境和人类健康的角度来看，在农业中需要替代农药的方法。

        臭氧具有良好的杀菌效果，而且没有持续性毒性，因为它在正常情况下可以在半小时内分解成氧气。臭氧在适当使用方面不受环境污染和健康损害。农业中的臭氧杀菌似乎是确保食品安全的很有前途的技术之一。臭氧已被公认为是有用的消毒剂，并被应用于水处理和食品加工领域。在食品加工的情况下，臭氧保持加工食品的新鲜或保存食品。在水处理的情况下，用臭氧代替氯对自来水进行消毒。有一项研究通过使用臭氧水[1]去除蔬菜中的农药残留。低溶解臭氧水平(1.4mg/l)的臭氧氧化水可在30min内有效地在家用水溶液中氧化四种农药，降解主要在5min内完成。

        我们用臭氧[2][3]检测了土壤处理或害虫控制。臭氧已应用于各个领域，但其在害虫防治方面的应用尚未得到充分的研究。本文提出了一种用于农业领域害虫防治的便携式臭氧雾系统。该系统还旨在防止由害虫传播的病毒引起的作物病害。该系统具有足够的杀虫能力，可以同时杀菌细菌和病毒，因为它们对臭氧的耐受性低于害虫。臭氧和含水雾的混合物是由我们开发的喷嘴系统产生的。通过测定臭氧雾处理后蚜虫的存活率，研究了便携式臭氧雾系统的杀虫效果。目标害虫是红蚜虫，它们传播在烟草和番茄田间发现的花叶病毒。

2.实验设置

        图1显示了我们开发的便携式臭氧雾系统。该系统由一个臭氧发生器、一个直流-交流逆变器、一个水容器、锂离子电池和一个小氧气缸组成。臭氧气体，在氧流量为1L/min时，很大浓度为86g/m3，由表面介电屏障放电产生。本系统设计供现场使用，因此可在背面携带和操作，无需外部电源。该系统的总重量为20公斤，包括装满5升水的水箱。臭氧雾产生了我们开发的喷嘴系统。臭氧气体通过外面的中央导管输送。在臭氧导管周围喷洒含水雾，以抑制臭氧气体的扩散。然后，将臭氧气体与含水雾混合，产生臭氧雾。

        图1A便携式臭氧雾系统1.臭氧发生器2.DC-AC inverter3 .水的容器4。氧气缸

        大多数致病性病毒，如花叶病毒，都是由蚜虫传播的。用臭氧雾处理的红蚜虫的存活率来检验臭氧雾系统的影响。在臭氧浓度、流量、喷洒时间和处理地点等不同条件下喷洒臭氧雾。大部分的实验都是在室外场地的无风条件下进行的。

3.结果与讨论

        图2为臭氧发生器的放电电流波形和电压波形。施加于臭氧发生器的频率和电压分别为10kHz和4.5kV。放电开始于电压约为2kV的电压。用利萨朱斯图测量的放电功率为24.4W。图3显示了臭氧浓度作为氧气流量的函数。臭氧浓度随氧气流量的增加而降低。便携式臭氧雾系统以1L/min的氧气流量运行。杀虫实验的结果如下。在氧气流量为1L/min时，表面介电屏障放电产生的臭氧气体浓度为86g/m3。含水雾的流速为300ml/min。臭氧气体出口喷嘴与蚜虫的距离为d=50mm。

图2：放电电流和电压的波形。

图3臭氧浓度随氧气流量的变化情况。

        将蚜虫暴露于臭氧雾中5秒，观察其行为。臭氧雾的影响通过蚜虫的存活率来评价，即没有任何运动的蚜虫的百分比。测定了三组蚜虫的存活率。图4显示了蚜虫的存活率作为杀菌失效时间的函数。在实验中发现了较大的色散度。这可能是由于蚜虫对臭氧的耐受性不同所致。体型较大的蚜虫对臭氧有更强的免疫力。臭氧雾处理5秒后的很低存活率约为3.3%。很高生存率约为26.9%。所有蚜虫在喷洒臭氧雾后立即冻结，因此，由于其定义，图4中t=为0时的存活率为0。蚜虫在t=30min或t=60min时开始移动，之后其存活率保持不变或有下降的趋势。考虑到臭氧浓度为86g/m3，流速为1L/min，暴露时间为5秒，臭氧用量约为7.2mg。

        雾抑制臭氧气体的扩散，臭氧气体直接暴露于蚜虫之中。蚜虫具有疏水性，叫做呼吸器的呼吸器官将空气吸入身体。在使用杀虫剂的情况下，蚜虫的气门被杀虫剂堵塞，然后使蚜虫窒息。另一方面，臭氧气通过气门进入身体，会导致细胞的破坏。因此，暴露高浓度的臭氧气体是一种有效的防治害虫。

        图4红蚜虫的存活率与杀菌后通过时间的关系

        我们从这些结果中获得了足够的杀虫效果。还有另一项研究表明，高浓度的臭氧气体对昆虫的影响。当暴露于500ppm的臭氧[4]时，100%的成虫在60min内被杀死。我们的研究表明，利用高浓度的臭氧气体和我们开发的臭氧雾喷嘴系统，可以在很短的时间内控制害虫。该系统可以通过进一步缩短处理时间，成为一种很有前途的农业杀虫方法。缩短治疗时间的应用目前正在研究中。

4.总结

        我们开发了便携式臭氧系统和臭氧雾喷嘴系统，用于农业领域和温室的害虫防治。在氧气流速为1L/min时，表面介电屏障放电产生的臭氧气体浓度为86g/m3，并由喷嘴系统产生臭氧雾。研究了臭氧雾喷雾杀菌对昆虫的影响。臭氧雾暴露于蚜虫5秒后，蚜虫的存活率约为3.3%，证实了足够的杀虫效果。我们的研究表明，利用高浓度的臭氧气体和我们开发的臭氧雾喷嘴系统，可以在很短的时间内控制害虫。该系统通过缩短处理时间，将成为一种很有前途的农业杀虫方法。

5.本研究部分得到了日本中小企业和区域创新组织的支持。