高压脉冲电场对黄粉虫幼虫杀灭效果研究

马 荣 赵龙庆 何 超

(1. 西南林业大学土木工程学院，云南 昆明 650224；2. 西南林业大学汽车与交通学院，云南 昆明 650224)

黄粉虫 (Tenebriomolitor) 俗称面包虫，在昆虫分类学上隶属于鞘翅目，拟步行虫科，粉甲虫属 (拟步行虫属)。鞘翅目是昆虫纲中乃至动物界种类最多、分布最广的第一大目，较为常见且对林业危害较大的蛀干害虫，如天牛 (Cerambycidae)、小蠹 (Scolytidae)、象甲 (Curculionidae) 等都属于鞘翅目。蛀干害虫对园林树木的危害严重，主要以幼虫蛀食枝干进行危害，引起树体生长势衰弱，严重时会使被害枝干甚至全株枯死，且危害较隐蔽不易被发现，危害性极大[1-2]。

脉冲电场 (PEF) 改变生物行为或杀灭微生物的概念在1967年首次由Hamihon和Sale提出，在细胞膜两侧施加外部电场时，会产生跨膜电位[3]。关于HPEF的作用机理，经各国学者研究，形成了细胞膜穿孔效应、电磁机理模型、电崩解、电解产物效应、臭氧效应等观点[4]。与传统的杀菌灭虫方式相比，高压脉冲电场的非热物理处理技术，具有处理时间短、温升小、低能环保和灭杀效果明显等特点，目前已在食品杀菌、污水处理等领域得到了一定的研究成果[5-12]，形成较为成熟的技术。近年国内在电杀虫领域的相关研究发现，高压脉冲电流可杀死松材线虫，且寄主植物组织对电流具有一定抗性[7-8]，在土壤杀虫的研究中也有一定效果[9]。高压脉冲电场 (HPEF) 作为一种新兴的物理杀虫杀菌技术，已具备较为成熟的理论及应用的尝试。因此本实验以黄粉虫幼虫为代表研究电场对以鞘翅目幼虫为主的蛀干害虫的杀灭条件及作用效果。

1 实验装置与方法

以J1210型高压发生器教学仪作为脉冲高压电源，该仪器可产生5、10、20 kV和50 kV电压的高频电脉冲。该发生器输入端接220 V、50 Hz市电，主要由储电电容器、放大器和基本控制电路、输出选择开关组成。电容器将输入电能储存并瞬间释放从而产生高压，连续的储能放电循环构成高压脉冲。

实验中将高压脉冲电施加在由绝缘材料制成的处理室的两端电极上，如图1所示。绝缘处理室主要由聚苯乙烯泡沫材料构成，处理室为四方体空间，正上方不封闭用以实验操作和观察。在处理室两对称侧面放置电极，电极间距离可调，实验以环境空气作为介质。本实验中分别设定电极间距为2、3、4、5 cm，高压脉冲电通过击穿两电极间空气构成回路。极板选用石墨电极板，极针选用金属钉。

图1高压脉冲电源
Fig.1 High voltage pulse power supply

实验对象选取宽度为1.5～2.0 mm，长度均在2～2.5 cm之间，且活性良好的幼虫，将黄粉虫幼虫自由放置在处理室中，施加电场观察其状态并在实验后1 h观察活性及有无假死现象。实验中设定不同电压和电极间距下的放电时长分别为5、15、30 s和60 s。用以测试放电时长、电压及电极间距对杀灭效果的影响。每一固定电极间距，电压大小和放电时长下各选取10只幼虫进行实验，当实验后判定幼虫死亡并无假死现象，则计算致死率，结果用百分数表示。

2 高压脉冲电场杀灭黄粉虫实验

2.1 板-板电极

将2块石墨电极板平行固定在处理室两端，为测定电极间距对环境空气介质下黄粉虫的致死效果，分别设定电极板间距为2、3、4 cm和5 cm。表1～4分别为不同放电时长下的黄粉虫致死率。

表1 板-板电极5 s放电时长致死率Table 1 Lethal rate of 5 s discharge time on plane-plane electrode %

表2 板-板电极15 s放电时长致死率Table 2 Lethal rate of 15 s discharge time on plane-plane electrode %

表3 板-板电极30 s放电时长致死率Table 3 Lethal rate of 30 s discharge time on plane-plane electrode %

表4 板-板电极60 s放电时长致死率Table 4 Lethal rate of 60 s discharge time on plane-plane electrode %

从以上分析结果可知，当电极间距小于黄粉虫长度时 (2 cm)，通电时电极与虫体间电弧明显，各级电压及放电时长的致死率均为100%；当电极间距略大于黄粉虫长度时 (3 cm)，除5 kV级脉冲电压外，其余各级电压及放电时长致死率也均达到100%，电极与虫体间产生电弧也较为明显。当电极间距较宽时，短时间 (5 s) 放电致死率为0；4 cm电极间距时，在10、20、50 kV档有较低的致死率，实验中出现不同程度的短时间假死现象；当电极长度达到黄粉虫长度2倍时则致死率均为0，此时电极与虫体间无明显电弧产生。通电时长达到15 s之后对黄粉虫致死率无明显影响。

由此可知，对于板-板电极，电极间距大于虫体长度时，5 kV放电电压对黄粉虫的致死效果不明显，电极间距达到虫体2倍以上时对黄粉虫几乎无杀灭效果。当电压高于10 kV且维持15 s以上较长的放电时长则杀灭效果较为理想。

2.2 针-针电极

将2根金属钉 (有尖端) 作为放电电极对称固定在处理室两端，同样设定极针放电尖端的间距为2、3、4 cm和5 cm，不同放电时长对黄粉虫的杀灭效果见表5～8。

表5 针-针电极5 s放电时长致死率Table 5 Lethal rate of 5 s discharge time on needle-needle electrode %

表6 针-针电极15 s放电时长致死率Table 6 Lethal rate of 15 s discharge time on needle-needle electrode %

表7 针-针电极30 s放电时长致死率Table 7 Lethal rate of 30 s discharge time on needle-needle electrode %

表8 针-针电极60 s放电时长致死率Table 8 Lethal rate of 60 s discharge time on needle-needle electrode %

从表中结果可见，当电极间距小于黄粉虫长度时 (2 cm)，通电时电极与虫体间出现较为明显的电弧，但由于虫体有显著的抽搐现象使虫体与电极间距变化，导致在电压较低为5 kV时致死率较低，电压较高时则杀灭效果明显；当电极间距略大于黄粉虫长度时 (3 cm)，5 kV级电压致死率为0，其余各级电压及放电时长致死率均为100%且电极与虫体间产生电弧较明显。当电极间距较宽时有较高的比率出现短时间假死现象，短时间 (5 s) 放电致死率为0；4 cm电极间距时，在10、20、50 kV档有较低的致死率；5 cm电极间距仅在较长放电时间且电压为50 kV时存在较低的致死率。通电时长在15 s后各电场环境下的致死率有略微提高。

相比板-板电极而言，采用针-针电极放电时在电极间距较长时依然对黄粉虫有杀灭效果，这是由于采用针-针电极时，极针尖端的电荷十分密集，使尖端附近的电场强度更大。当电极表面有电荷堆积时，电荷密度与导体表面的形状有关，在凹的部位电荷密度接近零，在平缓的部位较小，在尖的部位最大[13]，因此极针的电荷密度要高于极板，针-针电极间电场强度也更高。但由于实验中放电时黄粉虫的抽搐现象导致虫体与电极间距变化，当施加的脉冲电压较低时，杀灭效果有所降低。

2.3 针-板电极

分别设置两端电极为金属钉和石墨板，构成针-板电极。设定极针尖端和极板间距为2、3、4 cm和5 cm，放电时长分别为5、15、30、60 s。测得对黄粉虫杀灭效果如表9～12所示。

表9 针-板电极5 s放电时长致死率Table 9 Lethal rate of 5 s discharge time on needle-plane electrode %

表10 针-板电极15 s放电时长致死率Table 10 Lethal rate of 15 s discharge time on needle-plane electrode %

表11 针-板电极30 s放电时长致死率Table 11 Lethal rate of 30 s discharge time on needle-plane electrode %

表12 针-板电极60 s放电时长致死率Table 12 Lethal rate of 60 s discharge time on needle-plane electrode %

由以上结果可知，针-板电极对黄粉虫的杀灭效果相比板-板电极和针-针电极而言较好，其在5 kV电压档的杀灭效果明显高于前述2种电极形式。随着放电时间的延长，在60 s放电时长时，除采用5 kV在5 cm电极间距外，各电压档下不同电极间距时均有一定的杀灭效果。

可以确定针-板电极的形式对于以空气为介质的电场杀虫效果在上述3种电极形式中最优，因其结合了极针和极板的优点：极针可将电荷集中于较小区域提高电场强度；极板可提高电极产生面积，当虫体被电击产生抽搐体位发生变化时对位置的适应性较好。

3 结论与讨论

由以上实验可得出结论如下：1) 放电电压增高可导致电场强度增大，在一定范围的电场环境中可提高对黄粉虫的杀灭效果。同时电极的间距也影响电场强度大小，同样电压下电极间距越近则电场强度越大，对虫体的致死率越高。2) 针电极放电时针尖端使电荷聚集可提高电场强度，板电极可适应较宽的电场范围。3种电极组合方式中，针-板电极形成的电场处理室对黄粉虫的杀灭效果最好。3) 不同电场环境下通电时间达到一定时长后对黄粉虫的杀灭效果提高并不明显。5 s的短时间放电对黄粉虫致死率相对较低；放电时间延长至15 s之后致死率相对稳定；60 s放电时长的杀灭效果最好，从能耗和效率考虑15 s为最佳时间。

由于实验采用小功率高压脉冲放电设备，整体电场强度不高。当两端均为板电极时，两电极板之间会形成相对均匀的电场，但电场强度较弱；而当电极板变为极针后，产生火花放电，电场形成区域为两电极之间较窄的 “纺锤形”，由于阳极极针针尖电荷集中，与阴极形成的区域间电场强度较高；针-板电极以针电极为阳极，板电极为阴极，此时形成较微弱的电晕放电形式，此种放电形式在阳极周围由于电荷集中可形成较强电场，阴极的板电极使电场分布更加均匀。

在平行布置的板电极处理室中，虫体一端会与极板接触距离较近的某一区域产生可见的电弧放电现象，虫体受电击产生抽搐时虫体与极板间的电弧位置也随即改变，证明此种电极对虫体位置适应性较好，缺点是电场强度低杀灭效果较弱；在对称布置的针-针电极处理室中，虫体的一端只与金属针尖端产生电弧放电现象，由于极针位置固定，电场存在于较窄的放电区域内，只有当虫体置于两电极之间时才产生抽搐现象，当虫体位置改变后，有可能导致虫体与电极间距超过可以产生电弧的距离而无法达到电击效果。而本研究采用的针-板电极形式可改善上述2种电极处理室的缺陷，其对黄粉虫的杀灭效果也最好，其形成的电晕电场在水处理、食品杀菌等领域被证明有较好的应用效果[14-15]。

[参 考 文 献]

[1] 段一凡. 我国古树研究文献分析[J]. 林业科技情报, 2010, 42(3): 8-11.

[2] 孙光明, 宋瑞珍, 冯少锋, 等. 古树名木保护及复壮措施初探[J]. 河南林业科技, 2002, 22(4): 51-52.

[3] Sale A J H, Hamilton W A. Effects of high electric fields on microorganism. Ⅲ. Lysis of erythroeytes and protoplasts[J]. Biochimica et Biophysica Acta, 1968(163): 37-43.

[4] 赵文峰, 康云艳. 便携式高压脉冲电场灭菌装置实验[J]. 江苏农业科学, 2013, 41(2): 260-262.

[5] Sennikov P G, Golubev S V, Shashkin V I, et al. Kinetics of sterilization ofLactobacillusbreviscells by the application of high voltage pulses[J]. Biotechnology and Bioengineering, 1992, 40(11): 1412-1420.

[6] Van Loey A, Verachtert B, Hendrickx M. Effects of high electric field pulses on enzymes[J]. Trends in Food Science & Technology, 2002, 12: 94-102.

[7] 梁军, 王翔凤, 王振朝, 等. 高压脉冲电流对松材线虫活力和繁殖的影响[J]. 林业科学, 2008, 44(9): 106-112.

[8] 姚陈果, 王剑飞. 脉冲电场诱导细胞脂双层膜电穿孔的仿真分析[J]. 高电压技术, 2010, 36(2): 423-427.

[9] Satoshi U, Makoto H, Fumiyoshi T. Efficient sterilization of bacteria bypulse electric field in micro-gap[J]. Journal of Electrostatics, 2008, 66: 427-431.

[10] 冯叙桥, 王月华, 徐方旭. 高压脉冲电场技术在食品质量与安全中的应用进展[J]. 食品与生物技术学报, 2013, 32(4): 337-346.

[11] Huang K, Tian H, Gai L, et al. A review of kinetic models for inactivating microorganisms and enzymes by pulsed electric field processing[J]. Journal of Food Engineering, 2012, 111: 191-207.

[12] Seo H N, Bo Y J, Tran H T, et al. Influence of pulsed electric field on growths of soil bacteria and pepper plant[J]. Korean Journal of Chemical Engineering, 2010, 27(2): 560-566.

[13] 余刚, 余奇, 叶丹, 等. 单电极尖端放电等离子体NOX还原特性实验研究[J]. 西安交通大学学报, 2004, 38(3): 322-326.

[14] Miron C, Zhuang J, Sava I, et al. Dielectric spectroscopy of polyimide films treated by nanosecond high voltage pulsed driven electrical discharges in water[J]. Plasma Processes and Polymers, 2016, 13(2): 253-257.

[15] 谢瑞, 陈超, 李武华, 等. 气液相等离子体放电水处理反应器及苯酚降解分析[J]. 高压电技术, 2010, 36(11): 2791-2796.