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臭氧水处理技术中激光除藻的生物效应有哪些


      激光对生物体的作用效应大致可以从光、热、压力、电磁场等几个方面加以考虑:
      1、光效应
  一般来说,光和物质的相互作用是个基础。有机物由于吸收了光,而发生分解和电解,发生荧光产生热,这符合一般地光化学反应过程,即只有被吸收了的那一部分光,才可能对有机物发生作用。因此,研究激光对有机物的影响时,激光波长地透射率(T)和吸收率(A)就成为重要的因素,TA值大,光效应就强。另外,由于激光具有能量密度极高的特点,还可能导致有机物发生多光子吸收的非线形效应和其它效应,而使有机体产生较大的突变效应。
  各种生物有机体由于其形态、结构和化学组成的不同,对不同波长的激光的反应是不同的,为了获得理想的光效应,需要反复实验,才能确定其有效的作用光谱范围。在用普通的紫外光诱发突变的实验中,已经明确其有效的作用光谱为2000-3000埃,而以2600-2650埃最为明显,这是和DNA的吸收光谱相一致的。至于激光的作用光谱是否与此符合,要通过实验来回答。
      2、热效应
  激光是时空上的相干辐射,它对有机体的热效应十分显著,而且不同于一般的光热效应。如将脉冲振荡的红宝石激光器和钕玻璃激光器的激光,聚焦于有机物的微小部分,持续几微秒的时间,就能使这部分的温度上升几百度,并且其温度下降的速度,比激光以外的任何方法都要来得慢。遗传学的研究证明,激温是诱发突变的一个因素。例如用不同温度处理果蝇,在14℃下突变率为0.086%,22℃时为0.191%,28℃时为0.347%。依此计算,在一定的温度范围内,温度较常温每升高10℃,突变率可以增加一倍。激温能够引起突变的原因,可从量子变化规律来理解。据估算每一基因是由大约1000个原子所组成的分子,热能运动在代谢过程中经常进行,基因中的原子就可能受到高能量的作用而改变位置,变成异构分子,因而引起突变。
      3、力效应
  压力效应来自两方面:
      ① 激光聚焦后会产生极大的功率密度,因而会产生很大的辐射压力。例如,当功率密度为108瓦/厘米2时,其辐射压力可达3.4×104达因/厘米2,即3.4×10-2大气压。
      ②由于聚焦激光在有机体组织中产生的局部瞬间热效应,造成组织的膨胀、汽化、变形,从而产生所谓的次生冲击波压力。
  光压和次生冲击波构成的总压力可能引起有机体结构和组成的改变,从而引起性状的变异。
      4、电磁场效应
  激光是一种高能量的电磁波,伴随着激光的强光必然也产生一个强的电磁场。例如,当激光的功率密度达到5×1014瓦/厘米2时,就可产生4×108伏特/厘米2的强大电场,从而可使有机体组织的分子、原子离化以及产生自由基等。这些变化可以引起DNA分子中氢键的断裂和碱基的替换,即使基因物质发生了改变。改变了的基因在复制其自身时就能产生突变。
  总之,激光可能通过光、热、压力和电磁场效应对生物有机体发生作用,由于作用强度的不同,使有机体表现出刺激或抑制的效应,至于哪一种效应占主导地位,需视具体条件而定,但是其中的光效应无疑是基础。
      激光在除藻工艺中的应用可能性
  藻类是自养生物,凭借自身的叶绿素,吸收阳光、水分、CO2等,发生光化学反应,制造有机物,从而生长、繁殖。所有的光生物学过程都具有如下特征:色素分子的光吸收,光激发,分子内能级之间的跃迁,能量向反应中心的转移。毫无疑问,光是其中的重要因素,也就是说,我们可以通过控制、改变光作用的条件,来影响和研究光化学反应,也即是影响和研究生物体(如藻类)的生物特性。改变光作用的条件,可以是改变光闪烁的持续时间、光的能量、功率、功率密度等等。通过这样的一系列实验得到的结果,我们就可以研究初级光反应动力学的规律性及各个阶段的特性。
  如前所述,激光是一种新型的光源,它具有普通光源所没有的高单色性、高亮度、大能量、大功率和功率密度、极短的发光时间等特性。现在,由于有机染料激光器等技术的发明,制造从短的真空紫外到长的远红外光谱区域的辐射频率可调的激光器都不成问题。着对于生物学研究是非常重要的,因为目前在生物体的光谱学里所采利用的主要波段为2000埃到10000埃。选择上述的光谱区域,主要是根据包含在生物组织的组成里的复杂有机分子的电子吸收光谱的结构资料。所以,在目前的研究工作中利用激光器这种新型光源是可能的和需要的。
      激光辐射法除藻的研究
  按其作用和方法激光器在生物学中的应用可以从不同的方面予以实现,具体到我们目前的课题,我们就仅研究激光辐射同生物体系(藻类)的相互作用和它对物质交换的各个方面的影响的机制和特征。
  研究激光辐射对生物细胞的大量交换过程的影响是研究激光辐射同生物体相互作用机制的关键,因为最后的效果(死亡、延续、生命活动的改变)首先由能量上和生命上的重要过程(呼吸、氧化的磷酸化作用,蛋白质和核酸的合成,光合作用和核器管的作用)的破坏所决定。

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