臭氧在储粮害虫防治中的应用研究进展

毕 洁，文明明，喻莉君，潘 登，戴 煌，贺艳萍，肖安红，舒在习

武汉轻工大学 食品科学与工程学院，湖北 武汉 430023

粮食是国之根本，是关系国计民生和国民经济安全的重要战略物资。目前我国的粮食储备中有40%～50%来自农户粮食储备[1],普通农户的储粮技术较落后，仓储防护措施不够，致使储粮遭受虫、鼠、霉害，损失率高达8%～10%[2]。储粮害虫不仅使粮食损失严重，也会导致粮食品质下降、发热霉变，继而降低粮食的加工品质。同时，害虫的排泄物也可能引起疾病的传播，危害人类的身体健康。因此，储粮害虫防治工作一直是粮食储备的工作重心。

目前，国内储粮害虫的防治主要采用磷化氢熏蒸或有机磷酸盐、拟除虫菊酯杀虫剂喷洒拌粮等方式[3]，此类方法具有杀虫效果较好、不会对植物产生毒害作用、使用方便等优点。但是，长期使用化学熏蒸剂，害虫的耐药性、抗药性会越来越强；与此同时，熏蒸剂在粮食上存在化学残留，对人体的健康产生影响[4]。为解决粮食在储藏过程中由害虫造成的粮食损失问题，大量学者展开了安全、绿色、智能的仓储科技创新工作[5-8]。臭氧作为一种强氧化剂，能够起到杀菌、脱色、除臭、防霉、杀虫等作用，并能快速地进入机体，通过破坏细菌、真菌等微生物的细胞壁来分解机体内的有机质，从而改变机体细胞膜的通透性，起到灭菌杀虫的作用[9-12]。关于臭氧在储粮中的应用在我国起步较晚，最早由李国长等[13]在实仓条件下利用臭氧处理小麦，防治储粮害虫。臭氧在储粮中的处理主要分为3个方面：利用臭氧防治储粮霉变、在粮食储藏期间采用臭氧杀虫及利用臭氧降解粮食表面的残留农药。作者综述了臭氧的生产方法、杀虫机理以及臭氧在储粮害虫防治方面的应用现状，并对未来的应用前景做出展望。

1 臭氧的简介

1.1 臭氧生产方法及装置

臭氧是由Schonbein于1839年发现的，在20世纪初被用于水处理[14]。它是一种具有刺激性气味的无色气体，具有强氧化性。在自然界中，闪电或高能紫外辐射作用于地球大气层会产生臭氧，雨后空气中特有的清新气味也是由臭氧散发出来的。此外，光化学氧化反应过程产生的副产物中也存在臭氧。

在工业中，以干燥的空气或氧气为前体，采用5～25 kV的交流电压使氧原子发生重新排列，从而得到臭氧。在高压情况下，由于电离作用，氧分子(O2)分解成了游离氧(O)，然后这些O通过和其他O2结合发生分子重排生成臭氧(O3)。利用紫外线辐射和电晕放电法形成自由基，从而产生臭氧：当紫外线波长为140～190 nm时，氧原子随着氧气的分解而产生，随后与氧分子结合形成了臭氧，但是这种方法的得率低从而限制了其应用；电晕放电是商业上常用的一种生成臭氧方法。此外，臭氧也可以通过其他方法产生，如化学、热、电解等[15]。由陶瓷电介质分离的两个电极存在一个小的放电间隙，分成高压和低压两部分，因此，电子有足够的动能(6～7 eV)分离O2，从而产生游离氧。正常情况下，当大气通过臭氧发生器时，产生的臭氧量可达到1%～3%，氧气的纯度与可产生的臭氧量密切相关，如果氧气的纯度较高，则臭氧产量可达到16%。由于生成臭氧的反应过程可逆，且臭氧的性质不稳定，因此在生产中臭氧浓度不会再增加[16]。

目前，在储粮实际应用中，采用的是小型化、集成化、产量大的臭氧发生装置。此类装置寿命长，一般情况下，可使用3 000～5 000 h；且臭氧杀虫、杀菌所需的浓度和时间比磷化氢的要求低很多。另外，与同类型的二氧化碳和氮气气调储粮相比，臭氧对仓房的气密性要求不高，这也为臭氧在储粮领域的广泛应用提供了便利条件。

1.2 臭氧在杀虫方面的优势

臭氧是一种强氧化剂，在食品工业中广泛应用于果蔬保鲜[17-18]、饮用水处理[19-21]、杀菌消毒[22-23]、降解真菌毒素[24-25]和农药残留[26-27]等方面。在杀虫方面，臭氧有明显的优势[28-30], 与磷化氢熏蒸相比，臭氧熏蒸对温度要求不高，条件相对容易实现；害虫对化学熏蒸剂有抗药性，而对臭氧不存在抗性；臭氧对仓房的气密性要求不高，便于大规模推广；臭氧不仅可以杀虫，而且还可以除霉、除菌，对成虫和虫卵均有较好的杀灭效果。此外，臭氧制备简单，所需原料易得；臭氧能够在大气中分解为氧气，不会造成污染。

2 臭氧在储粮领域研究进展

大量研究表明，粮食中的蛋白质、脂肪、淀粉等物质均不受臭氧的干扰，且储藏物中的害虫和微生物能够被臭氧高效杀灭[31-32]。近年来，臭氧在储粮害虫防治领域也逐渐崭露头角，具有替代化学农药的潜质[33-34]。

2.1 臭氧杀菌及杀虫机理

臭氧超强的氧化作用使微生物的生物膜受损，以实现杀菌作用。不同于其他杀菌剂，臭氧杀菌的整个过程较为迅速，能快速地氧化细菌细胞壁的脂类，与双键发生反应，然后扩散至菌体的内部，通过与蛋白、脂多糖反应而改变细胞的渗透性，最终致使细菌死亡。同时，臭氧还可以通过作用于细胞内的核物质，如核酸中的嘌呤和嘧啶，从而破坏DNA[35]。然而，当臭氧与储粮害虫接触后，通过气门进入害虫体内，氧化昆虫细胞膜中的不饱和脂肪酸，破坏害虫细胞膜的磷脂，使昆虫因体液流失而死亡；另外，臭氧会降低空间内的氧气浓度，因此储粮害虫会调节其气门开启的时间，再通过失水与窒息一起发挥作用进而杀死储粮害虫；除此之外，还可以通过低氧气浓度、低湿度和臭氧的联合作用达到更好的杀灭储粮害虫的效果[36]。

2.2 臭氧对储粮害虫不同发育阶段的影响

臭氧是一种高度氧化的不稳定气体，对植物、昆虫以及人类组织细胞等有机体具有生理诱变作用。大部分储粮害虫的生命周期包括从卵、幼虫、蛹、成虫到死亡的整个生长发育过程[37]。在生长过程中，害虫会经历不同的生长形态，同时对外界环境的生活需求也在发生改变。

Erdman[38]用96 mg/m3的高剂量臭氧对赤拟谷盗和杂拟谷盗两种储粮害虫野生品系进行试验，选择发育阶段分别为15日龄和20日龄的幼虫、23日龄白色蛹、28日龄有色蛹以及成虫，结果表明：在较长时间的臭氧熏蒸下，赤拟谷盗比杂拟谷盗更敏感；昆虫的幼虫阶段是最敏感的，蛹期则是次敏感阶段。Hansen等[39]对锯谷盗进行了臭氧处理，发现75 mg/m3下持续暴露6 d后，所有生长阶段的死亡率均为100%。

昆虫在有无食物的条件下对臭氧的敏感性差异较大。一般来说，当提供食物给昆虫时，半致死浓度(LC50)和99%的致死率浓度(LC99)通常高于没有食物供给时。Mahroof等[40]探讨了臭氧对不同发育阶段的锯谷盗的杀虫效果，研究发现，在没有食物的情况下暴露1 h，卵的LC99为1～24 g/m3。在相同暴露时间，有食物供给的条件下幼虫的LC99大约是在没有食物情况下的3倍。在没有食物的情况下，成虫需要在210 mg/m3的臭氧中暴露7.7 h能杀死99%的成虫；同样地，当给成虫提供食物时，则需要更长的暴露时间。当给锯谷盗提供食物时，成虫对臭氧的耐受性最强；当不给锯谷盗提供食物时，虫卵对臭氧的耐受性最强。不论是否提供食物，相比于其他发育阶段，锯谷盗幼虫对臭氧的耐受性最差。Xinyi等[41]评估了臭氧对赤拟谷盗、锯谷盗、玉米象和米象的防治效果，将昆虫暴露于430 mg/m3的臭氧下，分别在不含小麦和含有10 g小麦中处理，统计5 d后的死亡率。结果发现：在没有食物的情况下，锯谷盗99%个体致死所需时间(LT99)为9.05 h，赤拟谷盗LT99为25.81 h；在有食物的情况下，锯谷盗LT99为11.18 h，赤拟谷盗LT99为29.89 h。类似地，Sousa等[42]将未交配的赤拟谷盗和锯谷盗暴露于320 mg/m3的臭氧下，在没有食物的情况下，以8 d死亡率计算，赤拟谷盗和锯谷盗的LT99分别为22.17～37.90 h和11.03～18.72 h。Lemic等[43]测试了有无食物条件下臭氧暴露对谷象的影响，在臭氧中处理120 min，7 d后观察，没有谷物的谷象死亡率为100%；在有谷物的处理中，第15天才有最大死亡率(死亡率>95%)。

Amoah等[44]研究了烟草甲的不同发育阶段对臭氧的敏感性，测定所有发育阶段暴露于210～860 mg/m3、每小时110 mg/m3增量的臭氧浓度与死亡率的关系。试验中部分烟草甲加入了由全麦面粉和啤酒酵母所制的食物中，而未加食物处理的烟草甲需要更高浓度才能达到99%的死亡率。在没有食物的情况下，烟草甲幼虫对臭氧的耐受度最高，成虫对臭氧的耐受度最低，LC99分别为34、8 g/m3。在有食物的情况下，卵的耐受性最高，蛹的耐受性最低。

2.3 臭氧对储粮昆虫行为的影响

昆虫会对杀虫剂产生多种反应[45]。防治储粮害虫常用的熏蒸剂为磷化氢，经过不同时间的熏蒸，试虫会出现不同的行为状态：活跃、缓慢移动和不移动[46-47]。储粮害虫经过臭氧熏蒸后运动状态也会受到干扰，行走反应会随着臭氧处理时间的延长而降低，臭氧亦可降低昆虫的行走距离和速度。

Lemic等[43]在臭氧对谷象抑制作用的研究中发现臭氧除能增加昆虫的死亡率之外，在臭氧处理120 min后，第2天谷象的行走反应明显较低，直到试验结束，其行走反应一直处于最低水平。很明显，臭氧暴露120 min后，对谷象的移动速度有负面影响。Sousa等[48]在对30个玉米象种群的研究中发现，当玉米象持续暴露于110 mg/m3臭氧时，玉米象种群之间的行走活动存在差异，每个种群的玉米象均受到臭氧的干扰，但没有耐臭氧的迹象；总体上，臭氧暴露降低了玉米象行走的距离和步行速度，休息时间增加。而在对玉米象种群毒性的研究中，Sousa等[49]以玉米象为研究对象，研究了臭氧对玉米象产生抗性的可能性并在每个臭氧选择周期后评估运动模式(行走距离、休息时间和行走速度)。通过将种群中的亲本暴露于臭氧中，以80%个体致死所需时间(LT80)为标准，幸存下来的昆虫被收集起来以获得子代，然后子代成虫再通过O3进行筛选。结果表明：在有O3和无O3的处理组，观察到同一种群之间的行走距离和行走速度存在显著差异；在O3选择压力下，这些参数在各代之间没有显著变化，说明了在受到O3选择压力的两个玉米象种群中没有发现O3抗性发展的证据。孟宏杰等[50]探究了臭氧熏蒸1 h后，对不同磷化氢抗性的储粮害虫行为的影响。结果发现，昆虫在不同时间内的行为状态主要包括正常爬行、非正常爬行和死亡3种行为状态；试虫在第1天行为状态出现极显著差异，正常爬行、非正常爬行和死亡的试虫量分别占26%～72%、24%～66%和4%～22%；一般在散气10 d后非正常爬行状态才完全消失，同时发现，非正常爬行状态的试虫小部分彻底死亡(6%～24%)，另一部分则恢复到正常爬行状态(16%～60%)。此种现象表明，臭氧熏蒸试验散气后需要较长时间的观察期(至少10 d)才能得到准确的死亡率。

2.4 臭氧对储粮昆虫呼吸作用及酶活性的影响

昆虫的气体交换系统是有毒气体进入昆虫体内的主要途径，昆虫对气体的吸收量是由其呼吸速率决定的。研究证实，磷化氢熏蒸会影响昆虫的行为和呼吸作用[51-52]。类似地，臭氧熏蒸影响着昆虫的行走活动，伴随着新陈代谢的改变，继而影响其呼吸作用。因此，臭氧浓度的变化就有可能影响昆虫呼吸作用的速率。在研究臭氧熏蒸对储粮害虫的影响试验中，通过对CO2的浓度测定可以揭示臭氧对储粮害虫呼吸作用的影响。

Lu等[53]在23～25 ℃和RH 50%的条件下，将米象、谷蠹和赤拟谷盗成虫暴露于含有不同浓度臭氧的空气中，用气相色谱仪测定CO2的产量反映昆虫的呼吸速率。试验表明，臭氧对昆虫呼吸的影响分为两个不同的阶段。第一阶段，昆虫的呼吸速率较低，反映了昆虫对臭氧的本能防御。1 h后，臭氧质量浓度分别为0、0.1、0.2、0.4 μg/mL时，米象呼吸产生的CO2产量为3.19、2.63、2.27、1.99 μL/mg。随着臭氧浓度的增加，米象和赤拟谷盗的呼吸速率降低。第二阶段，随着臭氧向氧气的降解，3种昆虫的呼吸速率均增加。7 h后，因为测试瓶中仍残留少量臭氧且昆虫正处于恢复正常代谢过程，与对照组(正常空气)相比，臭氧组昆虫的CO2产量减少；随着臭氧降解为氧气，臭氧处理组的含氧水平高于对照组，臭氧组昆虫的CO2产量也有所增加。

Sousa等[42]研究了320 mg/m3臭氧熏蒸对赤拟谷盗、谷蠹和锯谷盗不同种群的影响。结果表明：所有的昆虫种群均对臭氧敏感，每种昆虫不同种群的呼吸率不同，但呼吸率与其对臭氧的敏感性没有显著关联；赤拟谷盗、谷蠹、锯谷盗不同种群的CO2产量差异分别为49.10%、32.61%、45.68%；另外，这些昆虫种群之间的体质量也有很大差异，但呼吸速率不随体质量的增加而增加。Sousa等[48]探讨了臭氧对玉米象的呼吸和体质量的影响，选取了30个不同种群的玉米象持续暴露于110 mg/m3臭氧中，结果表明：玉米象种群间呼吸速率差异为41.24%，玉米象的个体体质量之间也有差异，呼吸速率与体质量呈正相关。

Silva等[54]评估了臭氧处理对小麦中的谷蠹的防治效果，在小麦中施加质量浓度为1.61 mg/L、流速为2.0 L/min的臭氧，处理60 d后，谷蠹的瞬时增长率有显著差异，除10%个体致死所需时间(LT10)外，臭氧处理的所有暴露期的瞬时增长率与对照组比均有显著降低，随着暴露时间的延长，谷蠹的瞬时增长率降低。

关于臭氧对昆虫体内酶的影响，文献报道较少。Abu Elela等[55]研究了臭氧对昆虫生理性能的影响，通过将甲虫暴露于臭氧中23 d，测量甲虫中的酶活性。结果表明，臭氧浓度的升高导致总抗氧化活性更高，而α-酯酶和β-酯酶活性有所降低，这一现象可能表明甲虫对逆境的抵抗力增强。

2.5 臭氧处理对储粮害虫的杀虫效果评价

粮食在储藏期间很容易遭受储粮害虫的危害。不同浓度的臭氧对害虫具有不同的杀虫效果。目前对臭氧浓度的控制主要是通过调节施加臭氧的时间。大量研究测定了臭氧浓度与害虫死亡时间的关系。阎永生等[56]将臭氧对玉米象、赤拟谷盗、锯谷盗等害虫进行熏蒸，结果在9～14 d大部分害虫都死亡。李国长等[13]在臭氧杀虫技术研究中发现，用臭氧间歇处理，长时间维持臭氧浓度在6～60 mg/m3，对害虫种群有明显的抑制作用，20 d以上就能有效杀死害虫个体，达到无活虫的目的。施国伟等[57]在研究中利用高抗性锈赤扁谷盗进行臭氧处理24、48、60 h，臭氧质量浓度分别达到24、40、42 mL/m3时，锈赤扁谷盗死亡率分别为0、60%、100%，由此可见臭氧对高抗性的锈赤扁谷盗具有较好的杀灭效果。付晓记等[9]的研究表明不同浓度的臭氧对害虫的有效杀死时间不同，浓度越高杀死储粮害虫用时越短，100 mL/m3的臭氧杀死印度谷螟和玉米象分别需要7 d和4 d，其中玉米象对臭氧更敏感，同样浓度下杀死玉米象比印度谷螟用时更短。Kells等[58]研究评价了臭氧熏蒸剂对储藏期玉米的杀虫灭菌效果，用107 mg/m3臭氧处理8.9 t玉米3 d，导致赤拟谷盗、玉米象成虫和印度谷螟幼虫死亡率达92%～100%，籽粒表面真菌污染水平降低了63%。

臭氧在实仓应用方面也有一定的研究。吴峡等[59]在杀虫除霉实仓试验中用213～256 mg/m3的臭氧在房式仓中对储藏的稻谷进行墙角局部(粮面处理范围面积约2 m2)杀虫，杀死所有的玉米象需要3 d、谷蠹需要6 d、赤拟谷盗需要10 d。对PH3具有抗性的储粮害虫品系对O3的反应更为敏感，其耐受程度普遍较非抗性品系低1～2 d，尤其是谷蠢表现最为突出。同时粮食的上、中、下层的平均水分由处理前的14.6%降至11.5%。孟宪兵[28]在臭氧杀虫除菌实仓应用试验中证明，在O3质量浓度为30 mg/m3的条件下，常温3～7 d能杀死所有的害虫。臭氧处理3 d后，深l、2、4 m的上、中、下层所有的玉米象全部死亡，所有的谷蠢在6 d后死亡，赤拟谷盗在10 d后全部死亡。在O3为30 mg/m3条件下虫卵和各种霉菌灭杀率100%。在实仓条件下对粮食进行较大规模臭氧处理，能够取得较好的杀虫、杀卵和除菌防霉效果，尤其是杀卵方面效果更为突出。

3 展望

由于化学农药的长期使用，使得其对储粮害虫的作用效果越来越不明显，且易残留，对土壤及粮食都有严重危害，故防治储粮害虫农药的安全性尤为重要。我国现允许使用的化学农药越来越少，常用的熏蒸剂为溴甲烷和磷化氢，溴甲烷由于破坏大气臭氧层而被禁止使用；磷化氢的过度使用也使害虫对其产生明显抗药性。在一些地区，部分储粮害虫对磷化氢的抗药性已经达到1 000多倍[60]。臭氧作为一种能够自我降解、无污染、使用成本低的熏蒸剂具有杀灭储粮害虫、防霉、降解农药残留以及对粮食品质没有显著不利影响的优点，是储粮害虫防治中绿色环保的防治手段。目前国内外关于臭氧在储粮领域的应用已有较多的研究，臭氧防治技术也逐渐成熟，随着绿色食品和有机食品在日常生活中逐渐受到重视，人们对无公害、无污染、优质食品的需求将迅速增加，臭氧防治策略必将在粮食储藏领域得到越来越广泛的应用。