專利名稱：藍(lán)藻菌在水體中蔓延的控制方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及藍(lán)藻菌的控制，更準(zhǔn)確地講，藍(lán)綠色藻類和/或紅潮類細(xì)菌的方法與
>J-U裝直。另外，本發(fā)明還涉及單獨(dú)使用或與最新手段相結(jié)合使用的本發(fā)明裝置，預(yù)防或抑 制藍(lán)藻菌在水體中的生長。再者，本發(fā)明還涉及用來預(yù)防和抑制藍(lán)藻菌蔓延的本裝置的使用和/或發(fā)明方法。
背景技術(shù)：
近年來，世界各地發(fā)起了多種多樣通過超聲波消滅藍(lán)藻菌的行動。大多數(shù)情況下，目標(biāo)都集中在藍(lán)藻菌內(nèi)所形成的偽液泡上，這些偽液泡懸浮于水面，從而因陽光的作用而產(chǎn)生葉綠素。據(jù)了解，I. 7MHz的超聲波可有效地消滅偽液泡。然而,超聲波的頻率越高,其在傳播介質(zhì)中的衰減越快。I. 7MHz的頻率對于要使超聲波在水中播長的距離有些過高，因此對于較大的擴(kuò)散區(qū)域而言(比如湖泊)，不是一種有效的解決方案。據(jù)了解，I. 7MHz的超聲波可有效地消滅偽液泡(Jiao Wen Tang、Qing Yu Wu>HongWei Hao、Yifang Chen、Minsheng Wu :“1. 7MHz超聲對氣液泡藍(lán)藻菌和氣液泡負(fù)藍(lán)藻菌的影響”)，見《膠體與表面B輯生物表界面》(Colloids and Surfaces B:Biointerfaces)第36 期(2004 年)115-121)。當(dāng)嘗試處理偽液泡時(HongweiHao、Minsheng Wu、Yifang Chen、Jiaowen Tang和Qingyu Wu 通過20KHz和I. 7MHz控制藍(lán)藻菌繁殖”，環(huán)境科學(xué)與保健雜志JOURNAL OFENVIRONMENTAL SCIENCE AND HEALTH) A輯-有毒/危險(xiǎn)物質(zhì)與環(huán)境工程，第A39卷，第6號，第1435-1446頁，2004年)，注意到超聲波對藻青蛋白的影響，而且確認(rèn)了輔助色素(如藻青蛋白)與葉綠素a之間化學(xué)鏈的終結(jié)，隨后便是藻青蛋白化學(xué)結(jié)構(gòu)的破壞。然而，這些文檔都沒有描述任何基于超聲波的可有效地控制藍(lán)藻菌在受污染地點(diǎn)蔓延的裝置。鑒于此，需要一種可用于在污染地點(diǎn)現(xiàn)場有效地控制藍(lán)藻菌蔓延的、基于超聲技術(shù)的裝置。

發(fā)明內(nèi)容
一種用于控制藍(lán)藻菌的裝置，包括浮動式平臺，其上裝有錨定機(jī)構(gòu)以在水體中定位所述平臺；超聲波發(fā)生器，固定于所述平臺上并適合在所述水體下方和頂部產(chǎn)生超聲波；以及供應(yīng)工具，以致使所述超聲波發(fā)生器懸浮于既定深度上，以既定的頻率、既定的功率級發(fā)出超聲波，以切斷均在藍(lán)藻菌的光合作用系統(tǒng)中出現(xiàn)的，輔助色素與與葉綠素之間所存在的化學(xué)鏈；以及一種用于防止、控制或禁止藍(lán)藻菌在水體中滋生蔓延的方法。下文的詳細(xì)描述和附圖將展現(xiàn)關(guān)于所提議概念的這個方面及其他方面的更多詳情。


圖I是360VPP激勵電壓下頻率的函數(shù)的藍(lán)藻菌熒光變化的圖示說明，其試樣根據(jù)《試樣制備協(xié)議》(PROTOCOL FOR PREPARING SAMPLES)制備；圖2是一個類似于圖I的圖示，說明200Vpp激勵電壓下頻率的函數(shù)的藍(lán)藻菌熒光變化，其試樣根據(jù)《試樣制備協(xié)議》(PROTOCOL FOR PREPARING SAMPLES)制備；圖3是關(guān)于裝置原理的等距視圖，根據(jù)本發(fā)明的首個首選實(shí)施例，用于消滅藍(lán)綠藻，其頂部裝有太陽能電池板；圖4是圖3所示裝置原理的截面視圖，可看到浮動平臺10、太陽能電池板11、在浮動平臺內(nèi)部所實(shí)現(xiàn)的電子驅(qū)動電路(14和15)、換能器16和擴(kuò)散部件12 ；圖5是根據(jù)圖3和圖4的裝置內(nèi)換能器所產(chǎn)生的低剖面超聲場示意圖；
圖6是根據(jù)圖3、圖4和圖5繪制的裝置電子驅(qū)動電路框圖。圖7是裝置的簡化等距視圖，根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例，用于消滅藍(lán)綠藻；圖8至圖11是在根據(jù)圖7繪制的壓電換能器的各種視圖，適合在裝置內(nèi)產(chǎn)生裝置的低剖面波瓣(窄波束);圖12是根據(jù)圖7繪制的裝置內(nèi)太陽能系統(tǒng)的等距視圖；圖13是360Vpp功率級下頻率的函數(shù)的藍(lán)藻菌熒光變化圖示；圖14是一個與圖13類似的圖示，說明200Vpp功率級下頻率的函數(shù)的藍(lán)藻菌熒光變化；圖15是換能器所產(chǎn)生頻率瓣(窄波束)的示意圖。
具體實(shí)施例方式初步定義水體本質(zhì)上含水的任何水體，但本質(zhì)上并不指水本身，例如可能包含可能產(chǎn)生藍(lán)藻菌污染的液體或固體污染物，也可能包含自身或與水體的其他組份相結(jié)合而滋生的有機(jī)生物，它們可能具有自然或人類或工業(yè)根源。水體意指已被污染的水體或可能被污染的水體。窄超聲波束以其擴(kuò)散范圍被限制于一定區(qū)域和/或受控為特征的超聲波束。半徑就打斷藻青蛋白與葉綠素a之間的化學(xué)鍵而言，不考慮超聲波束效能大小情況下的擴(kuò)散面積指標(biāo)。操作半徑就打斷藻青蛋白與葉綠素a之間的化學(xué)鍵而言，超聲波束效能達(dá)到最大情況下的擴(kuò)散面積半徑。色素本應(yīng)用框架中為由植物的有機(jī)體所產(chǎn)生的天然有色物質(zhì)，如與藍(lán)藻菌相關(guān)的藻青蛋白(藍(lán)綠色)和墨角藻黃素(紅色)。輔助色素某些作者用這一名詞來指代在前段中所定義的色素。根據(jù)本發(fā)明的首個大方面，本發(fā)明提供了一些用于控制藍(lán)藻菌(如藍(lán)綠和/或紅潮類)的裝置，該裝置包括浮動式平臺，其上裝有錨定機(jī)構(gòu)，以在水體中既定的大致穩(wěn)定位置定位所述平臺，所述平臺上裝有超聲波發(fā)生器，適合在所述水體頂部表面上及下方產(chǎn)生既定的頻率，供應(yīng)工具可致使所述超聲波發(fā)生器以既定的功率級發(fā)出所述既定頻率，以打斷輔助色素(如藻青蛋白或墨角藻黃素)與葉綠素a之間的化學(xué)鏈，如打斷藍(lán)藻菌光合作用系統(tǒng)中藻青蛋白與葉綠素a之間的化學(xué)鍵，尤其是所述藍(lán)綠和/或紅藻類的化學(xué)鍵。該裝置最好用于控制在藍(lán)綠藻類中所滋生的以及化學(xué)鏈存在于藻青蛋白與葉綠素a之間的藍(lán)藻菌。其次，該裝置也可用于控制在紅潮類藻群中所滋生的以及化學(xué)鏈存在于墨角藻黃素與葉綠素a之間的藍(lán)藻菌。根據(jù)首選實(shí)施例，即最好用于控制藍(lán)綠藻類中的藍(lán)藻菌，該裝置包括-浮動式平臺，其上裝有在水體中定位所述平臺的錨定機(jī)構(gòu)；-超聲波發(fā)生器，固定于所述平臺上且適合在所述水體表面的下方和頂部產(chǎn)生超聲波；
-供應(yīng)工具，以致使所述超聲波發(fā)生器懸浮于既定的深度，以既定的頻率、既定的功率級發(fā)出所述超聲波，以打斷在藍(lán)藻菌的光合作用系統(tǒng)中雙雙滋生的藻青蛋白與葉綠素a之間所存在的化學(xué)鍵。更可取的是，超聲頻率發(fā)生器是一種配備擴(kuò)散器(波導(dǎo)向部件)的壓電換能器，經(jīng)配置以產(chǎn)生可控制方位的窄超聲波束。窄超聲波束最好可形成環(huán)形擴(kuò)散區(qū)，根據(jù)首選實(shí)施例，該環(huán)形擴(kuò)散區(qū)的半徑為100米。根據(jù)首選實(shí)施例，本發(fā)明的裝置設(shè)計(jì)用于產(chǎn)生環(huán)形擴(kuò)散區(qū)，具備0到3米，最好是0到2米的平均深度(從所述水體的表面向底部測量)。更可取的是，該環(huán)形擴(kuò)散區(qū)具備范圍為75到100米的超聲操作半徑，該半徑最好為約100米。擴(kuò)散器部件最好是一種倒立的錐體，在所述換能器的下方以既定的距離固定于支撐座上。該既定的在所述換能器向下的距離可以在10到20厘米的范圍內(nèi)，10到15厘米更好，13厘米最好。在本發(fā)明的裝置中，擴(kuò)散器錐體部件的特征為，錐體基座的直徑最好大于或等于換能器的直徑。錐體基座的角度可以在30到80度的范圍內(nèi)，40到50度更好，45度最好。根據(jù)首選實(shí)施例，供應(yīng)工具是一種能源供應(yīng)機(jī)構(gòu)，最好具備11. 5到18伏的電壓范圍，具備12伏電壓的能源最可取。根據(jù)另一個首選實(shí)施例，供應(yīng)工具包括電池或電池充電器或太陽能電池板系統(tǒng)，或者后者至少兩項(xiàng)的任意組合。在本發(fā)明的裝置中，換能器最好發(fā)出以低于或等于350KHZ的頻率為特征的波，該頻率范圍可以是150到250KHz，約為170KHz更好，約為220KHz最佳。更可取的是，換能器發(fā)出正弦波，換能器發(fā)出連續(xù)的正弦波更好。根據(jù)本發(fā)明的第二個大方面，本發(fā)明提供了一種控制藍(lán)藻菌滋生和蔓延的方法。比如，此類藍(lán)藻菌在藍(lán)綠和/或紅潮中滋生和蔓延。該方法要求使藍(lán)藻菌受既定聲學(xué)功率級下既定頻率波的作用，以打斷將藻青蛋白連接到光合作用系統(tǒng)的化學(xué)鍵，從而抑制產(chǎn)生葉綠素a和作為其生命機(jī)能之一的獨(dú)特藍(lán)藻菌。
本發(fā)明提供了一種通過破壞所述藍(lán)藻菌的光合作用過程控制藍(lán)藻菌在水體中滋生和蔓延的方法，最好是藍(lán)綠藻類藍(lán)藻菌。根據(jù)其最廣泛的含義，本發(fā)明方法的特征是藍(lán)藻菌的滋生和蔓延可通過抑制葉綠素a的產(chǎn)生進(jìn)行控制。根據(jù)另一個實(shí)施例，該方法抑制藍(lán)藻菌的至少一個生命機(jī)能。在該方法中，藍(lán)藻菌的光合作用過程將通過打斷藻青蛋白(藍(lán)藻菌的捕光色素)與其光合作用系統(tǒng)之間的化學(xué)鍵發(fā)生改變。在該方法中，所述藍(lán)藻菌的光合作用過程將通過打斷墨角藻黃素(藍(lán)藻菌的捕光色素)與其光合作用系統(tǒng)之間的化學(xué)鍵發(fā)生改變。更可取的是，藍(lán)藻菌的滋生和蔓延通過將藍(lán)藻菌暴露于既定頻率的超聲波中進(jìn)行 控制；該既定頻率最好是低于或等于350KHz。該頻率在150到250KHz的范圍內(nèi)，或者約為 170KHz 或 220KHz 最好。當(dāng)將藍(lán)藻菌暴露于7到20聲瓦范圍既定功率級的波中時，該方法將達(dá)到較高的效率，功率級范圍為10到15聲瓦更好，約為10聲瓦最好。更可取的是，本發(fā)明的方法還包括以下步驟-將浮動式平臺定位在水體中既定的大致穩(wěn)定位置，所述平臺帶有至少一個直接安裝于其下的換能器；-給所述超聲換能器通電，以產(chǎn)生在所述水體的頂面擴(kuò)散的既定超聲場。既定的超聲場最好在自頂部表面一到兩米的深度上擴(kuò)散。更可取的是，超聲波發(fā)生器采用壓電換能器，最好由壓電陶瓷、壓電復(fù)合材料或Tonpilz (朗之萬/Langevin換能器)技術(shù)制造。根據(jù)本發(fā)明更可取的實(shí)施例，換能器可包括聲學(xué)匹配層，以最大限度地提高到達(dá)傳播介質(zhì)的傳輸能。超聲波發(fā)生器最好由專用電子系統(tǒng)驅(qū)動，該系統(tǒng)包含雙T型橋式RC振蕩器、LC過濾器、相位逆變器和電源電路。當(dāng)既定的頻率在約10聲瓦既定功率級下約為170KHZ時，該方法可達(dá)到非常高的效率。當(dāng)既定的頻率在來自約10聲瓦的既定功率級下約為220KHZ時，該方法可達(dá)到非
常高的效率。當(dāng)運(yùn)用于藍(lán)綠藻類和/或紅潮類藻群時，該方法可達(dá)到非常高的效率。本發(fā)明的另一個方面是使用如在本發(fā)明的第一個方面中所定義的儀器控制藍(lán)藻菌，最好是藍(lán)綠藻類或紅潮類藻群的藍(lán)藻菌。本發(fā)明的另一個方面是使用如在本發(fā)明的第一個方面中所定義的儀器預(yù)防水體中藍(lán)藻菌的生長，最好是藍(lán)綠藻類或紅潮類藻群的藍(lán)藻菌。本發(fā)明的另一個方面是使用如在本發(fā)明的第一個方面中所定義的儀器抑制水體中藍(lán)藻菌的生長，最好是藍(lán)綠藻類和/或紅潮類藻群的藍(lán)藻菌。可更可取的使用方法是與以下至少一種技術(shù)結(jié)合使用水?dāng)噭?、水氧化、水過濾和任何適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)或機(jī)械處理。不同的細(xì)胞類型(即藍(lán)藻菌的類型)和環(huán)境條件可能要求特定的頻率或能量功率級。不同的物種還會要求超聲頻率、能級或治療劑的協(xié)同組合。實(shí)例協(xié)議一在此項(xiàng)工作中，申請人尋求確定相當(dāng)于給定熒光級的細(xì)胞個數(shù)。在對藍(lán)藻菌的各種已知的稀釋中，突光采用Mark Turner Designs的突光計(jì)進(jìn)行測量。他們通過使用熒光圖上的直線數(shù)據(jù)，根據(jù)稀釋比率確定了這一儀器的最優(yōu)讀數(shù)。借助Neubauer的血細(xì)胞計(jì)算器對選定稀釋中細(xì)胞的計(jì)算，此后使得產(chǎn)生藍(lán)藻菌的細(xì)每毫升胞個數(shù)，以用于每一種所試驗(yàn)物種的每一次計(jì)算成為了可能。視覺計(jì)算方法會有較大的誤差范圍。所試驗(yàn)的采樣與對比采樣之間所記錄的細(xì)胞個數(shù)之差必須大于33%才被認(rèn)定為有效。再者，根據(jù)Zhang和Al的觀點(diǎn)，需要最少每升5x10s個細(xì)胞(500 000個細(xì)胞/升)方可獲得可接受的計(jì)數(shù)精度。然而，這些約束不會影響熒光計(jì)的結(jié)果，它為150到150. 000個細(xì)胞/毫升(150000 到 I. 500. 000 細(xì)胞 / 升)。
通過熒光計(jì)所獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果確認(rèn)打斷了藻青蛋白與葉綠素A之間的化學(xué)鍵。當(dāng)這一鍵被打斷時，由藻青蛋白向葉綠素所收集的能的轉(zhuǎn)移則無法再完成，而且藻青蛋白重新以熒光的形式發(fā)射能。當(dāng)此現(xiàn)象發(fā)生時，藻青蛋白所用的熒光將增加。另外，當(dāng)細(xì)胞失去光合作用的機(jī)能時，它們便失去了求生和蔓延的能力。這通過根據(jù)超聲照射，在潛伏三天后重新對懸浮液(處理過的和對比采樣)中的細(xì)胞進(jìn)行計(jì)數(shù)得到了驗(yàn)證。處理過的采樣與對比采樣之間細(xì)胞個數(shù)大于33%的偏差表明，超聲波大大地影響了藍(lán)藻菌的生長。相比之下，葉綠素的熒光保持相對穩(wěn)定，因此說明超聲波對此沒有影響。每一次測量均輔以常規(guī)的實(shí)驗(yàn)室調(diào)整或改型儀器來進(jìn)行，以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)的自動化管理，即:-一種LABView應(yīng)用程序，通過輸入和分析熒光的讀數(shù)，用于以固定頻率級處理藍(lán)藻菌和綜合管理所用的每一種儀器，尤其是通過控制固定頻率的超聲波激發(fā)；-—種超聲放大器，使用具備高絕緣電壓和低容量的布線與配備壓電換能器的超聲放大器互聯(lián)；-一種電路，用于自動捕獲熒光計(jì)數(shù)據(jù)和與LABView采集系統(tǒng)互聯(lián)；-換能器在熒光計(jì)試驗(yàn)管中的集成。它們之間約有3.8毫升的容積，總體外形尺寸為12x12x4. 3毫米。壓電膜如換能器那樣發(fā)揮作用。頻率的發(fā)射和控制由這些壓電電源來執(zhí)行；以及-處理過程，期限為3分鐘，方式為頻率按IOKHz的增量從80到250KHz連續(xù)蠕動，所用功率范圍為200到360Vpp。在每兩次處理之間，都將使用熒光計(jì)記錄發(fā)光和葉綠素率的讀數(shù)并通過LABView程序進(jìn)行輸入。以下實(shí)例僅以范例的形式提供，不應(yīng)視為是對本發(fā)明施加任何限制。例I——第一個首選實(shí)施例申請人:開發(fā)了完全計(jì)算機(jī)化的試驗(yàn)臺，其中集成了一臺專門為了這些需要而改裝的現(xiàn)場熒光計(jì)。試驗(yàn)臺試驗(yàn)還要求有專業(yè)設(shè)備，如能夠達(dá)到峰值電壓400伏(峰值對峰值)的具備lMHz±3dB最大帶寬的電力發(fā)電機(jī)、由微處理器驅(qū)動的低通量模擬第8順序過濾器和為虛擬研究儀器適應(yīng)模擬信號的調(diào)節(jié)器。整個過程由原創(chuàng)的LABView應(yīng)用程序來引導(dǎo)，它支持每一臺設(shè)備，協(xié)調(diào)各項(xiàng)任務(wù)，并記錄和分析在近3000次對不同頻率的測試中所采集的數(shù)據(jù)。這一過程的主要優(yōu)點(diǎn)在于可在非常短暫的時間內(nèi)進(jìn)行自動測試并識別最具希望的線索。然后對重大結(jié)果重新測試，以確認(rèn)其一致性。結(jié)果隨后將采用更傳統(tǒng)的方法進(jìn)行計(jì)數(shù)器檢查，包括目測計(jì)數(shù)(Neubauer血球計(jì))。打斷藻青蛋白與葉綠素之間所存在的化學(xué)鍵由藻青蛋白所產(chǎn)生熒光的初始增減反映出來，然后由當(dāng)色素的晶體結(jié)構(gòu)被超聲損壞時熒光的減少反映出來。申請人驚奇地發(fā)現(xiàn)，這一機(jī)制可導(dǎo)致藍(lán)藻菌的死亡。為了比較光合作用色素的超聲敏感性，將四種不同的藍(lán)藻菌菌株暴露到頻率為SOkHz的超聲波中。暴露后驚奇地發(fā)現(xiàn)了藻青蛋白熒光的增加，但并沒有觀察到計(jì)數(shù)細(xì)胞個數(shù)的增加。因此，申請人確定超聲波已打斷藍(lán)藻菌的藻青蛋白與光合作用系統(tǒng)之間的化學(xué)鏈。鑒于此，試驗(yàn)臺試驗(yàn)解決方案可讓我們快速獲得試驗(yàn)結(jié)果，從而達(dá)到通過增加熒光測量頻率對藻青蛋白和光合作用影響的目的。然而，它是一種附加的藍(lán)藻菌計(jì)數(shù)試驗(yàn)，能夠觀察超聲處理后的致死效應(yīng)。藻青蛋白的增加態(tài)勢由數(shù)小時后成活藍(lán)藻菌的減少反映出來。在新的試驗(yàn)中使用各種各樣的菌株 均可驚奇地獲得同樣的結(jié)果。因此可得出這樣的結(jié)論藻青蛋白對特定低超聲頻率是敏感的，而且打斷光合作用系統(tǒng)中的化學(xué)鏈會不可避免地導(dǎo)致藍(lán)藻菌的死亡。申請人:驚奇地檢測到藍(lán)藻菌處理的兩個有希望的頻率。為了確保對其他水生植物沒有影響，還對葉綠素a的水平進(jìn)行了測量。在每一種情況下，均未觀察到葉綠素a水平有任何顯著變化。以下圖I和圖2中的表格說明了載頻條件下的試驗(yàn)結(jié)果。170KHZ (圖I)和220KHz (圖2)的頻率具備顯著影響。頻率170KHz——施加360Vpp的激勵電壓達(dá)3分鐘導(dǎo)致熒光增加了 14.45%。目測計(jì)數(shù)期間觀察到藍(lán)藻菌減少了 27. 1%。頻率220KHz施加200Vpp的激勵電壓3分鐘后終止。為了避免測量系統(tǒng)出現(xiàn)空穴和飽和，減小了激勵振幅。不過，注意到熒光增加了 13.08%。另外，目測計(jì)數(shù)期間還注意到藍(lán)藻菌減少了 20.8%。假設(shè)激勵振幅減小44. 4%，與170KHz相比，采用220KHz的頻率似乎可獲得更理想的結(jié)果。主要目的是設(shè)計(jì)一種如圖3到圖6所示的獨(dú)立設(shè)備(可再生能源)。這一選擇是因換能器必須在其之中執(zhí)行任務(wù)的環(huán)境和條件(通常為不與電源接觸的水生環(huán)境)而不得不作出的。因此，選擇了借助太陽能電池板11整合到浮動式平臺10上的太陽能電源。這一基本結(jié)構(gòu)使換能器16能夠獨(dú)立浮動和操作。另外，當(dāng)通過位于機(jī)殼13上的專用驅(qū)動電路激活并由安裝于印刷電路板15上的電子部件14制作時，還允許換能器16管理其自身的操作和校正。換能器16生成超聲束17，然后由擴(kuò)散器12擴(kuò)散到狹窄的超聲場18中，這一傳播僅在水表面19的下方進(jìn)行。圖6中的框圖描繪的是專用電子電路。它由雙T型橋式RC振蕩器20、LC過濾器21和180°相位逆變器22以及電源電路23組成。振蕩器20的特征是高通量和低通量過濾器，允許選擇操作頻率。它可借助電位計(jì)簡便地進(jìn)行調(diào)節(jié)。它由運(yùn)算放大器和一些無源部件組成。LC過濾器21執(zhí)行噪音過濾并檢測不需要的諧波。它由無源部件組成。相位逆變器22產(chǎn)生第二個具備180相移的竇性波。它由運(yùn)算放大器組成。電源電路23專用于從低振幅竇性波向能夠承受電源負(fù)載的高振幅竇性波的轉(zhuǎn)換。壓電電源超聲換能器24是連接到電路上的最后一個元件。它可使用Tonpilz、陶瓷或壓電復(fù)合技術(shù)。另外，還對裝置的12伏版本進(jìn)行了設(shè)計(jì)。例2申請人:開發(fā)了完全計(jì)算機(jī)化的試驗(yàn)臺，其中他集成了一臺專門為了這些實(shí)驗(yàn)需要的改裝現(xiàn)場熒光計(jì)。試驗(yàn)臺試驗(yàn)還要求有專業(yè)設(shè)備，如能夠達(dá)到峰值電壓400伏(峰值對峰值)的具備lMHz±3dB最大帶寬的電力發(fā)電機(jī)、由微處理器驅(qū)動的低通量模擬第8順序過濾器和為虛擬研究儀器適應(yīng)模擬信號的調(diào)節(jié)器。整個過程由原創(chuàng)的LABView應(yīng)用程序引導(dǎo)，它支持每一臺設(shè)備，協(xié)調(diào)各項(xiàng)任務(wù)，并記錄和分析在近3000次對不同頻率的測試中所采集的數(shù)據(jù)。這一過程的主要優(yōu)點(diǎn)在于可在非常短暫的時間內(nèi)進(jìn)行自動測試并識別最具希望的線索。重大結(jié)果然后將重新測試，以確認(rèn)其一致性。結(jié)果隨后將采用更傳統(tǒng)的方法進(jìn)行計(jì)數(shù)器檢查，包括目測計(jì)數(shù)(Neubauer血球計(jì))。打斷藻青蛋白與葉綠素a之間所存在的化學(xué)鍵由藻青蛋白所產(chǎn)生熒光的初始增減反映出來，然后由當(dāng)色素的晶體結(jié)構(gòu)被超聲波損壞時熒光的減少反映出來。申請人驚奇地發(fā)現(xiàn)，這一機(jī)制可導(dǎo)致藍(lán)藻菌的死亡。為了比較光合作用色素的超聲敏感性，將四束不同的藍(lán)藻菌菌株暴露在頻率為SOkHz的超聲波中。經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，藻青蛋白熒光增加，而計(jì)數(shù)細(xì)胞的個數(shù)卻沒有增加。因此，申請人確定超聲打斷藍(lán)藻菌的藻青蛋白與光合作用系統(tǒng)之間的化學(xué)鏈。鑒于此，試驗(yàn)臺試驗(yàn)解決方案允許快速訪問試驗(yàn)結(jié)果，從而達(dá)到通過增加熒光測量頻率對藻青蛋白和光合作 用影響的目的。然而，這是一種附加的藍(lán)藻菌計(jì)數(shù)試驗(yàn)，能夠觀察超聲處理后的致死效應(yīng)。藻青蛋白的增加態(tài)勢可由數(shù)小時后成活藍(lán)藻菌的減少反映出來。在新的試驗(yàn)中使用各種各樣的菌株均可獲得同樣的結(jié)果。因此可以確定藻青蛋白對特定低超聲頻率是敏感的，而且打斷光合作用系統(tǒng)中的化學(xué)鏈不可避免地導(dǎo)致藍(lán)藻菌的死亡。此過程檢測到藍(lán)藻菌處理的兩個有希望的頻率。為了確保對其他水生植物沒有影響，還對葉綠素a的水平進(jìn)行了測量。在每一種情況下，均未觀察到葉綠素a水平有任何顯著變化。以下各表說明了載頻下的試驗(yàn)結(jié)果。頻率Hz 4 (第一個表)和Hz 9 (第二個表)具備顯著影響。頻率Hz 4——360Vpp下達(dá)3分鐘導(dǎo)致熒光增加了 14.45%。目測計(jì)數(shù)期間觀察到了藍(lán)藻菌27. 1%的減少。頻率Hz 9在200Vpp下3分鐘后終止。為了避免測量系統(tǒng)出現(xiàn)空穴和飽和，減小了振幅。不過，申請人注意到熒光增加了 13.08%。另外，申請人還觀察到目測計(jì)數(shù)期間藍(lán)藻菌減少了 20.8%。假設(shè)激勵振幅減小44.4%，采用Hz 9的頻率似乎可獲得更理想的結(jié)果。主要目的是設(shè)計(jì)一種如圖7到圖15所示的獨(dú)立換能器(可再生能源)。這一選擇是因換能器必須在其之中執(zhí)行任務(wù)的環(huán)境和條件(不與電源接觸的水生環(huán)境)而不得不作出的。因此選擇了太陽能動力超級電容器。浮動式平臺IOa (參見圖7)還設(shè)計(jì)并裝備了不同角度的太陽能電池板11a，允許在世界的各個地區(qū)進(jìn)行恰當(dāng)?shù)娜照铡Ａ硗?，還設(shè)計(jì)了可將系統(tǒng)指向南方的錨定系統(tǒng)12a。這一基本結(jié)構(gòu)使換能器13a能夠以獨(dú)立方式浮動和操作。另夕卜，當(dāng)激活時，還允許換能器管理其自身的操作和校正。再者，還設(shè)計(jì)了 12伏版本。除了這種超聲設(shè)備的低能源要求外，申請人還希望確保有較高的產(chǎn)出。盡管換能器像教規(guī)那樣以較狹窄的橢圓角(50米的距離上約30° )發(fā)射，如圖15所示，但申請人選擇了發(fā)射一種圍繞換能器的受控形式，比如說具備約100米預(yù)期半徑的I到2米深圓圈。在這樣的背景下，由于較高的頻率傳播距離較近，因此申請人采用了低于250kHz的頻率，以最大限度地增大其在水下的傳播潛能。換能器13a屬于Tonpilz-Langevin (郎之萬)換能器型(放置于不同密度金屬(鋼和鋁)間的面對面壓電陶瓷夾心部件14a)。因此可提高功率發(fā)射，而且完全被引向阻抗適配器(密度較小的金屬)，允許增加與水的耦合。根據(jù)密度、形狀、吸收和范圍計(jì)算的建模，讓我們可對功率進(jìn)行優(yōu)化。波導(dǎo)向部件是倒立錐15a，用于在水面16a上分配超聲波。我們申請人特別注意了其相對于能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)的位置。金屬的選用以其可最大限度地減少超聲波吸為原則。17a的浮動保持平臺18a隨之浮動。電池19a儲放于浮動部件的內(nèi)室中，提供所需的電能。太陽能電池板Ila (參見圖7和12)為電池充電，并且面朝太陽方向。本發(fā)明的裝置令人驚奇地呈現(xiàn)了相對輕巧、高效、可靠、獨(dú)立和明亮擴(kuò)散區(qū)等特點(diǎn)。另外，相應(yīng)的方法也顯現(xiàn)出不僅特別高效，而且不會對環(huán)境造成任何損害性影響的特點(diǎn)。這一點(diǎn)由在例I和例2的框架下所進(jìn)行的無數(shù)次重復(fù)成功試驗(yàn)得到了確認(rèn)。盡管借助具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但應(yīng)該明白的是，多種變化和修改還可以融合到所述實(shí)施例中，而且本發(fā)明包含將在本發(fā)明所屬活動領(lǐng)域周知或已成為常規(guī)的此類修改、使用或調(diào)整，并且可運(yùn)用于以上所提到的重要因素中。·
權(quán)利要求
1.一種用于控制藍(lán)藻菌的裝置，所述裝置包含 -浮動式平臺，其上裝有用來在水體中定位所述平臺的錨定機(jī)構(gòu)； -超聲波發(fā)生器，固定于所述平臺上且適合在所述水體的下方和頂部產(chǎn)生超聲波；以及 -供應(yīng)工具，以致使所述超聲波發(fā)生器懸浮于既定的深度，以既定的頻率、既定的功率級發(fā)出所述超聲波，以切斷均在藍(lán)藻菌的光合作用系統(tǒng)中出現(xiàn)的，輔助色素與葉綠素之間所存在的化學(xué)鏈，
2.權(quán)利要求I中所述的裝置，其中的藍(lán)藻菌是在藍(lán)緑藻類中滋生的藍(lán)菌及化學(xué)鏈?zhǔn)窃谠迩嗟鞍着c葉綠素a之間。
3.權(quán)利要求I所述的裝置，其中的藍(lán)藻菌是在紅潮類藻群中滋生的藍(lán)菌，及化學(xué)鏈?zhǔn)窃谀窃妩S素與葉綠素a之間。
4.權(quán)利要求I到3中任何一項(xiàng)所述的裝置，其特征是所述的超聲頻率發(fā)生器是ー種配備擴(kuò)散器(波導(dǎo)向部件)的壓電換能器，經(jīng)配置以產(chǎn)生可控制方位的窄超聲波束。
5.權(quán)利要求4所述的裝置，其特征是所述窄超聲波束具有一個環(huán)形的擴(kuò)散區(qū)。
6.權(quán)利要求5所述的裝置，其特征是窄超聲束具有ー個半徑為100米的擴(kuò)散區(qū)。
7.權(quán)利要求6所述的裝置，其特征是所述環(huán)形擴(kuò)散區(qū)具有從所述水體的表面向底部測量的平均深度，該深度的范圍為O到3米，最好是O到2米。
8.權(quán)利要求6或7所述的裝置，其特征是所述的環(huán)形擴(kuò)散區(qū)具有范圍為75到100米的超聲操作半徑，該半徑最好為大約100米。
9.權(quán)利要求I到8中任何一項(xiàng)所述的裝置，其特征是所述的擴(kuò)散器部件是ー種倒立的錐體，在所述換能器的下方以既定的距離固定于支撐座上。
10.權(quán)利要求9所述的裝置，其特征是在所述換能器下方的既定距離范圍為10到20厘米，10到15厘米更好，13厘米最好。
11.權(quán)利要求9或10所述的裝置，其特征是錐體基座的直徑大于或等于換能器的直徑。
12.權(quán)利要求9到11中任何一項(xiàng)所述的裝置，其特征是錐體基座的角度范圍為30到80度，40到50度更好，45度最好。
13.權(quán)利要求I到12中任何一項(xiàng)所述的裝置，其特征是所述供應(yīng)工具為ー種電能供應(yīng)，電壓更可取范圍為11. 5至18伏，電壓最好能為12伏左右。
14.權(quán)利要求I到13中任何一項(xiàng)所述的裝置，其特征是供應(yīng)工具包括電池或電池充電器或太陽能電池板系統(tǒng)，或者這些選項(xiàng)的任意組合。
15.權(quán)利要求I到14中任何一項(xiàng)所述的裝置，其特征是換能器所發(fā)射波的頻率低于或等于350KHz。此頻率更可取范圍為150至250KHz，而最可能范圍為170至220KHz之間。
16.權(quán)利要求15中所述的裝置，其特征是換能器發(fā)射正弦波。
17.權(quán)利要求16中所述的裝置，其特征是換能器發(fā)射正弦波，最好是連續(xù)正弦波。
18.—種通過破壞所述藍(lán)藻菌的光合作用過程，來控制在水體中出現(xiàn)的(最好是藍(lán)綠藻類或紅潮藻類)藍(lán)藻菌的方法。
19.權(quán)利要求18所述的方法，其特征是可通過抑制葉綠素a的產(chǎn)生來控制藍(lán)藻菌的滋生和蔓延。
20.權(quán)カ要求18或19中所述的方法，其特征是藍(lán)藻菌至少有ー種生命機(jī)能被禁止。
21.權(quán)利要求18到20中任何一項(xiàng)中所規(guī)定的方法，其特征是所述藍(lán)藻菌的光合作用過程通過打斷藻青蛋白(對紅潮藻類而言為聚光色素)及其光合作用系統(tǒng)之間的化學(xué)鍵來進(jìn)行修改。
22.權(quán)利要求21中所述的方法，其特征是所述藍(lán)藻菌的光合作用過程通過打斷墨角藻黃素(對藍(lán)緑藻類而言為聚光色素)及其光合作用系統(tǒng)之間的化學(xué)鍵來進(jìn)行修改。
23.權(quán)利要求18到20中任何一項(xiàng)中所規(guī)定的方法，其特征是藍(lán)藻菌的滋生與蔓延是通過使藍(lán)藻菌暴露在ー種既定頻率的超聲波中來進(jìn)行控制的。
24.權(quán)利要求23中所述的方法，其特征是將藍(lán)藻菌暴露在頻率低于或等于350KHZ的超聲波中。其更可取和頻率范圍為150至250KHz，并且最好為約170至220KHz。
25.權(quán)利要求23或24中所規(guī)定的方法，其特征是藍(lán)藻菌被暴露在既定功率(7至20聲瓦)的波中，更可取功率范圍為10至15聲瓦，并且最好為約10聲瓦。
26.權(quán)利要求18到25中任何一項(xiàng)中所規(guī)定的方法，其特征是包括下述步驟 -將浮動式平臺定位在水體中既定的大致穩(wěn)定位置上，所述平臺帶有至少ー個可直接安裝于其下方的換能器； -給所述超聲換能器通電，以產(chǎn)生可在所述水體的頂部擴(kuò)散的既定頻率和功率的既定超聲場。
27.權(quán)利要求26中所規(guī)定的方法，其特征是既定超聲場在頂部表面以下一到兩米的深度上擴(kuò)散。
28.權(quán)利要求18到27中任何一項(xiàng)中所規(guī)定的方法，其特征是所述超聲波發(fā)生器使用一種最好是由壓電陶瓷、壓電復(fù)合材料甚至或Tonpilz (朗之萬/Langevin換能器)技術(shù)來制造。
29.權(quán)利要求28中所規(guī)定的方法，其特征是所述換能器可包括一個聲學(xué)匹配層以使轉(zhuǎn)送到傳播介質(zhì)的能量最大化。
30.權(quán)利要求18到29中任何一項(xiàng)中所規(guī)定的方法，其特征是所述換能器由一個專用的電子系統(tǒng)來驅(qū)動。此系統(tǒng)包括一個雙橋RC振蕩器、ー個LC濾波器、一個相逆變器和ー個電源電路。
31.權(quán)利要求18到30中任何一項(xiàng)中所規(guī)定的方法，其特征是既定功率等級約為10聲瓦時所述既定頻率為大約170KHz。
32.權(quán)利要求18到31中任何一項(xiàng)中所規(guī)定的方法，其特征是既定功率等級約為10聲瓦時所述既定頻率為大約220KHz。
33.權(quán)利要求I到26中任何ー項(xiàng)中所述的裝置，其用途是控制藍(lán)藻菌，更可取的是控制藍(lán)綠藻類的藍(lán)藻菌或紅潮藻類的藍(lán)菌。
34.根據(jù)權(quán)利要求33，其用途是防止藍(lán)藻菌，特別是藍(lán)綠藻類或紅潮藻類藍(lán)菌在水體中的生長。
35.根據(jù)權(quán)利要求33，其用途是抑制藍(lán)藻菌，特別是藍(lán)綠藻類或紅潮藻類藍(lán)菌在水體中的生長。
36.要根據(jù)權(quán)利要求33到35中的任何ー項(xiàng)，與以下技術(shù)中的至少ー項(xiàng)結(jié)合使用 -水?dāng)噭? -水氧化-水過濾 -任何適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)和或機(jī)械處理。
全文摘要
一種藍(lán)藻菌控制裝置，包括浮動式平臺，其上裝有錨定機(jī)構(gòu)以在水體中定位所述平臺；超聲波發(fā)生器，固定于所述平臺上并適合在所述水體表面下方和頂部產(chǎn)生超聲波；和供應(yīng)工具，以致使所述超聲波發(fā)生器可懸浮于既定深度，以既定頻率、既定功率級別發(fā)射超聲波，以打斷在藍(lán)藻菌的光合作用系統(tǒng)中所雙雙滋生的輔助色素與葉綠素a之間存在的化學(xué)鍵；另外也是一種防止、控制或抑制藍(lán)藻菌在水體中滋生蔓延的方法。
文檔編號C02F1/36GK102834359SQ201080059522
公開日2012年12月19日 申請日期2010年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月3日
發(fā)明者M·布廷, D·卡隆, L·耶格奧 申請人:普羅杜伊特森股份有限公司