CN102539794A - 海洋浮游微生物含量实时监测及赤潮预警装置及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种以TOC自动分析为基础的海洋浮游微生物量实时监测及赤潮预警装置及工艺。通过增大进样管尺寸和提高氧化反应器的氧化能力，可对海水中包括浮游微生物在内的总有机碳(TOC)进行在线自动连续测定；依据海洋浮游微生物量指标(个数、叶绿素含量、生物浊度等)与TOC间的对应关系，对海洋浮游微生物量进行实时监测；根据海洋浮游微生物量的变化趋势，对赤潮灾害提供早期预警。其它分析方法相比，更加简便、准确。

Description

海洋浮游微生物含量实时监测及赤潮预警装置及工艺

技术领域

本发明涉及一种海洋浮游微生物量实时监测及赤潮预警的装置及工艺。 

背景技术

地球表面70％以上的面积为海洋，全球的初级生产力40％以上来自海洋浮游微生物的光合作用。海洋浮游微生物作为最重要的初级生产者，位于海洋生物食物链的第一级，因此其种类组成和数量，将直接影响到水体总生产力的水平。然而，在某些情况下，如果海洋浮游微生物突然爆发性的增殖，并形成“赤潮”，将对海洋环境及海洋生态带来极为严重的不利影响。因此，掌握海洋浮游微生物量及其变化动态，对于海洋生物资源的开发，具有非常重要的意义。 

所有的海洋浮游微生物，无不含有基本组成元素——碳。而碳的含量与微生物的生物量指标(个数、叶绿素含量、生物浊度等)必然存在一定的关联性。对于某一海域而言，浮游微生物种群结构一般具有相对稳定性，此时，微生物量与含碳量之间可呈现一定的对应关系。只要查明微生物量与含碳量之间的对应关系，便可通过对微生物态TOC的测量反映出微生物的量及其变化。然而，海水中的碳，可以呈无机态的碳酸盐、可溶于水的有机物、以及作为生命体的微生物等多种形式存在。而只有微生物态的碳，才与微生物量存在数量上的相关性。 

不过，由于海洋系统的自我平衡能力，当不发生特殊情况时，其系统中各种形态的碳含量是相对固定的。当排除无机碳的干扰后，如果总有机碳(TOC)发生较大波动或异常变化，则只有两种可能，即要么是海水遭到了有机污染，如石油污染、陆源有机物污染、海水养殖场饲料投放等；要么是海洋浮游微生物出现大量的增殖。如果排除了海水污染的可能性，便可根据TOC的变化量反映海洋浮游微生物的增减量。如果发现一段时间内海洋浮游微生物量出现异常增高趋势时，便可做出是否即将发生赤潮的预警。 

目前，对海洋浮游微生物的监测主要有(1)显微镜分析法、(2)图像分析法、(3)液相色谱法、(4)吸收光谱法、(5)分子探针法、(6)荧光分析法、(7)化学发光流动注射法、(8)遥感分析法法等。其中，(1)、(2)两种方法用于生物识别，而用于含量测定时速度较慢；(3)、(4)主要用于测定叶绿素含量，测试前需对样品进行浓缩或萃取，因此只能用于实验室测定，不能用于在线测定；(5)、(6)、(7)虽有实现在线自动测定的可能性，但只适用用于已知结构的特殊生物种属，因而其全面性尚存在不足；(8)虽可实现在线自动测定，但易受天气因素的影响，且成本代价较高。为此，本专利提出以总有机碳分析技术为基础，旨在研制开发一种全面精确、稳定可靠、运行简便、价格低廉的海洋浮游微生物量在线实时监测方法。运用该方法可以实现全天候对海洋浮游微生物量进行在线自动连续监测，对于及时了解某海域的初级生产力水平，指导渔业生产尤其是海水养殖业的科学饲养，以及对可能发生的赤潮进行早期预警等，均具有重要的现实意义。 

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种海洋浮游微生物量实时监测及赤潮预警装置及工艺。 

本发明提供的海洋浮游微生物量实时监测及赤潮预警装置，主要包括依次相连的采样器、酸化器、气水分离器、氧化反应器、冷凝脱水器、离子阱和红外CO₂检测器，所述气水分离器设有排气口，所述冷凝脱水器设有排水管，所述的氧化反应器设有紫外灯和电热套，所述采样器主要包括采样口、试剂瓶、载气瓶，采样口通过过滤器、流量传感器、蠕动泵与酸化器相连，试剂瓶通过流量传感器、蠕动泵与酸化器相连，载气瓶通过三通电磁阀分为两路后，其中一路与酸化器相连通。 

所述的海洋浮游微生物量实时监测及赤潮预警装置，其优选的是，所述采样口与酸化器之间的进样管内径不小于1mm。更加优选的是，所述进样管内径为1.0-2.0mm。 

所述的海洋浮游微生物量实时监测及赤潮预警装置，其优选的是，所述过滤器筛孔尺寸不小于2mm。更加优选的是，所述过滤器筛孔尺寸为2.0-3.0mm。 

所述的海洋浮游微生物量实时监测及赤潮预警装置，其优选的是，所述的氧化反应器总长度不小于10cm。更加优选的是，所述的氧化反应器总长度为15-20cm。 

所述的海洋浮游微生物量实时监测及赤潮预警装置，其优选的是，所述的紫外灯为多股折叠棒状，采用波长为185nm的紫外光源。 

所述的海洋浮游微生物量实时监测及赤潮预警装置，其优选的是，所述试剂瓶盛有酸化剂和氧化剂按比例制成的溶液，优选的，酸化剂(所述的酸化剂是磷酸或硫酸)和氧化剂(所述的氧化剂是过硫酸钠、过硫酸钾或过硫酸铵)的质量比例是1∶4-4∶1。 

所述的海洋浮游微生物量实时监测及赤潮预警装置，其优选的是，所述有机CO₂检测器可通过集成电路与数据处理器、显示器或数据发送器相连。 

本发明还提供了利用所述的海洋浮游微生物量实时监测及赤潮预警装置进行海洋浮游微生物量实时监测及赤潮预警的工艺，是通过采样装置连续不断地采集包含浮游微生物的海水表层水样，先在酸化器内生成无机源的CO₂，随后通过气水分离器将无机源的CO₂排除；排除无机碳的水样进入氧化反应器后，水中所含的有机物，包括浮游微生物，被氧化为有机源的CO₂；有机源的CO₂在载气的推动下继续前进，当经过冷凝脱水器时除去夹杂的水汽、经过离子阱时消除掉干扰离子，最后进入红外CO₂检测器；将CO₂检测器探测到的信息和标准溶液标定的标准曲线，通过数据处理器换算为水中总有机碳(TOC)的含量，再根据浮游微生物量与TOC含量的对应关系，换算为浮游微生物指标量(个数、叶绿素含量或生物浊度等)，然后通过数据通讯系统将测量数据实时传送到监测部门的主服务器上，并以连续曲线、分钟平均值、小时平均值、天平均值等形式显示出来，亦或在仪器表盘上进行显示。 

本发明的技术优势是： 

1.本方法虽然沿用了TOC分析的技术路线，但将进样管内径由0.1-0.5mm扩大到1.0-2.0mm；过滤器网孔尺寸由微米级扩大到毫米级。以保证测定的水样既包括可溶性有机碳，又包括微生物态有机碳。 

2.提高了氧化反应器的氧化能力。为确保微生物态的有机物可在短时间内被完全氧化为CO₂，本专利对传统的TOC分析仪的氧化器在结构、功能、外形和体积方面进行了改造。如一般的氧化反应器采用的紫外光源为波长256nm的紫外光，而本方法采用了波长为185nm的紫外光源；又如现有的紫外氧化反应器，其紫外灯一般呈盘管状置于玻璃氧化器的反应腔周围，此时，由于玻璃的阻隔作用，进入反应腔内部的紫外光强会产生很大的衰减，而本氧化器将折叠为3-4股的棒状紫外灯直接插入反应腔内部，使紫外光直接与水样接触分解 其中的有机物质，因此光能利用率大大提高。再如一般的紫外氧化器长度不足10cm，水样在氧化器内的停留时间不足1s，而本氧化器的总长度达15cm以上，可用容积达50mL以上，可保证水样在氧化器内的停留时间在2s以上。此外，多数现有的紫外氧化器没有单独设置加热单元，而本氧化器设置了专门的电加热套，可保证氧化器内的水温不低于93℃，从而进一步提高了氧化器的反应能力。 

3.本方法通过研究微生物量指标与总有机碳(TOC)之间的对应关系，运用改良的TOC自动分析技术，实现了对海洋浮游微生物量的在线实时监测。与其它分析方法相比，更加简便、准确。 

本方法系根据海水总有机碳含量(TOC)与海洋浮游微生物量的相关性，通过对TOC的连续自动测定，实现对海洋浮游微生物量的在线实时监测，并可根据海洋浮游微生物量的变化趋势，对赤潮提供早期预警。 

常规的TOC分析在事实上只能测定可溶性的有机碳，而本方法不仅可连续测定海水中的可溶性有机碳，而且还包括微生物态的有机碳，即真正的总有机碳。在不遭受突然性有机污染的正常情况下，海水中的可溶性有机碳含量是基本稳定的，TOC的升高主要是由于浮游微生物(主要为微藻)因光合作用从大气中吸收CO₂所致。因此，通过连续测定海水中的TOC，便可推导出海洋浮游微生物的量。倘若发现一段时间内浮游微生物量突然升高，若非水体遭受了有机污染事件，便可判断为浮游微生物的异常增殖。因此，本方法除可用于监测海洋浮游微生物量状况外，还可为赤潮提供早期预警。 

本方法由采样器、酸化器、氧化反应器、气水分离器、冷凝脱水器、离子阱、CO₂探测器、数据处理器、数据通讯和显示器等部件组成一个连续自动测定系统，通过连续采集包含浮游微生物的表层海水水样，先除去无机碳，然后将所有有机物完全氧化为CO₂，最后通过测定CO₂的含量，折算为有机碳的含量。再根据有机碳含量与浮游微生物量的对应关系，换算为浮游微生物的量。从而实现对海洋浮游微生物量的在线连续自动监测。 

附图说明

图1为实施例1海洋浮游微生物含量实时监测及赤潮预警装置的结构示意图。其中，1-采样口；2-过滤器；3-蠕动泵；4-酸化器；5-试剂瓶；6-载气瓶；7-气水分离器；8-排气口；9-氧化反应器；10-电热套；11-紫外灯；12-冷凝脱水器；13-离子阱；14-红外CO₂检测器；15-数据处理器；16-显示器；17-数据发送器；18-电子阀；19-废液排出管；20-余液排出管；21-排水管；22-流量传感器。图中实箭头表示液体流向，虚箭头表示气体流向。 

图2为绿色巴甫藻生物量与TOC的对应关系曲线。 

图3为盐藻生物量与TOC的对应关系曲线。 

图4为小球藻生物量与TOC的对应关系曲线。 

图5为绿色巴甫藻叶绿素A含量与TOC的对应关系曲线。 

图6为盐藻叶绿素A含量与TOC的对应关系曲线。 

图7为小球藻叶绿素A含量与TOC的对应关系曲线。 

图8为盐藻生物浊度与TOC的对应关系曲线。 

图9为小球藻生物浊度与TOC的对应关系曲线。 

具体实施方式

下面结合实施例和附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。 

实施例1海洋浮游微生物量实时监测及赤潮预警装置，其主要包括依次相连的采样器、酸化器4、气水分离器7、氧化反应器9、冷凝脱水器12、离子阱13和红外CO₂检测器14，所述气水分离器7设有排气口8，所述冷凝脱水器设有排水管21，所述的氧化反应器9设有紫外灯11和电热套10，所述采样器主要包括采样口1、试剂瓶5、载气瓶6，采样口1通过过滤器2、流量传感器22、蠕动泵3与酸化器4相连，试剂瓶5通过流量传感器22、蠕动泵3与酸化器4相连，载气瓶6通过三通电磁阀分为两路后，其中一路与酸化器4相连通。 

采样口与酸化器之间的进样管内径为1.5mm。过滤器筛孔尺寸为2.0mm。所述的氧化反应器总长度为20cm。所述的紫外灯为4股折叠棒状，采用波长为185nm的紫外光源。所述试剂瓶盛有酸化剂和氧化剂按比例预先制成的溶液，酸化剂(所述的酸化剂是磷酸)和氧化剂(所述的氧化剂是过硫酸钠)的质量比例是1∶4。所述有机CO₂检测器14还通过集成电路与数据处理器15、显示器16或数据发送器17相连。 

其工作过程是：待测水样在蠕动泵3的抽吸下，从采样口1吸入，流经筛孔尺寸不小于2mm的过滤器2清除杂物，然后通过内径不小于1mm的采样管进入酸化器4。与此同时，将磷酸和过硫酸盐按1∶4(质量比)事先配制好的溶液由试剂瓶5，通过蠕动泵3亦吸入酸化器4内。具有不低于大气压力的氧气自载气瓶6喷出后通过三通电磁阀被分为两路，其中一路通至酸化器4中。在酸化器4内，无机碳酸盐与磷酸，在载气的搅动下发生如下化学反应： 

3MeCO₃+2H₃PO₄→Me₃(PO₄)₂+3H₂O+3CO₂                  (1) 

酸化后的流体在载气的推动下继续流向氧化反应器9。在进入氧化反应器9之前，酸化流体中由无机物酸化所产生的CO₂，在流经气水分离器7时由排气口8排出，从而消除了无机碳对测试结果的影响。在氧化反应器9内，由电热套10将流体加热到93-95℃，其中的有机物(包括微生物)，在紫外灯11照射和过硫酸盐的双重作用下，发生如下一系列化学反应，最终被全部氧化为CO₂。 

有机碳+S₂O₃ ^2-+H₂O→H₂SO₄+¹/₂CO₂       (2) 

H₂O+h v→H·+·OH                     (3) 

H·+·H→H₂                           (4) 

有机碳+2·OH→¹/₂CO₂+H₂O              (5) 

有机碳+O₂+h v→CO₂                    (6) 

在载气的推动下，含CO₂的气体通过上部出气口进入恒温温度不高于4℃的冷凝脱水器12，在此低沸点的物质(主要是水蒸汽)发生冷凝，由排水管21排出，而多余的液体则由余液排出管20排出。脱除水分后的干燥气体从冷凝脱水器12排出后进入离子阱13，气体中可能存在的氯元素与离子阱中的银盐吸收剂发生如下化学反应，以消除Cl对CO₂探测的干扰和影响。 

Ag+·Cl→AgCl                (7) 

2Ag₂O+4Cl^-→4AgCl+O₂         (8) 

随后，纯净的载气及有机来源的CO₂进入红外CO₂检测器14，通过对CO₂特征谱线的测量得到CO₂的红外吸收强度信号以及运用标准溶液标定的标准曲线，通过数据处理器15处理，可将CO₂的吸收强度信号换算为CO₂的含量，进而折算为水样中总有机碳(TOC)的浓度，再 根据TOC浓度与浮游微生物量的对应关系，换算为海洋浮游微生物量指标，如生物个数、叶绿素含量、生物浊度等，并由显示器16显示或打印，亦可将测量数据通过数据发送器17直接传送到监测中心的主服务器上，进行数据处理，显示为数据统计图表。 

当发生意外断电而续电后，系统将优先开启电子阀18，将管路内残余的未测试样从废液排出管19排出，并冲洗管路。待循环一段时间后，电磁阀自动关闭，系统恢复正常运行。如出现管路堵塞，仪器会通过流量传感器22发出报警信号并自动停机。 

结合图1，本发明提供的本工艺系基于TOC自动分析技术发展而来。通过自动采样器连续不断地采集包含浮游微生物的海水表层水样，先在酸化器内用磷酸与碳酸盐反应生成无机源的CO₂，随后通过气水分离器将无机碳排除。排除无机碳的水样进入氧化反应器后，在恒温93℃，内置185nm紫外灯和过硫酸盐的联合作用下，水中所含的有机物，包括浮游微生物，均被氧化为有机源的CO₂。有机源的CO₂在载气的推动下继续前进，当经过冷凝脱水器时除去夹杂的水汽、经过离子阱时消除掉Cl^-、SO₄ ^2-、NO₃ ^-、PO₄ ^3-等干扰离子，最后进入红外CO₂检测器。将CO₂检测器探测到的红外吸收光谱信号和运用标准溶液标定的标准曲线，通过数据处理器换算为水中包含微生物态碳在内的总有机碳(TOC)的含量，通过TOC与浮游微生物量的对应关系，进而将TOC的连续测量数据转换为实时浮游微生物量数据。然后通过数据通讯系统可将测量数据实时传送到监测部门的主服务器上，并以连续曲线、分钟平均值、小时平均值、天平均值等形式显示出来，亦可在仪器表盘上进行显示。在正常情况下，水中的可溶性有机碳是相对稳定的，总有机碳含量的变化主要取决于浮游微生物数量变化，当浮游微生物生长时，由于其光合作用可吸收空气中的CO₂，从而增加水中总有机碳(TOC)的含量。当发现监测水域浮游微生物量异常增高时，若非系水体遭到了有机污染事件，便可对是否即将发生赤潮进行判断。 

实施例2海洋浮游微生物量实时监测及赤潮预警装置，与实施例1不同的是，所述采样口与酸化器之间的进样管内径为2.0mm。所述过滤器筛孔尺寸为3.0mm。所述试剂瓶中酸化剂是硫酸，氧化剂是过硫酸铵，硫酸与过硫酸铵的质量比例是4∶1。 

实验例1分别选用绿色巴甫藻、盐藻、小球藻进行培养。培养容器选用20L的通光性的玻璃容器。培养过程如下：先将玻璃容器用1∶5的HCl浸泡处理后，再用蒸馏水和二次蒸馏水冲洗，最后洗净后蒸汽灭菌(121℃，0·56kg·cm^-2，30min)并烘干后待用，以保持容器的无菌性，使培养的藻类更有益的生长。选取培养藻类的海水经孔径为0.45μm的滤膜过滤后，用高压锅煮沸灭菌(121℃，0·56kg·cm^-2，30min)，静置平衡24小时后，按f/2配方配制营养液，以提高藻类有利的营养环境。实验藻种于光照强度分别为10000lx和15000lx(400～700nm)的光照条件下培养，明暗周期12h:12h，为微藻生长提高足够的光照。使用气泵为微藻进行24小时爆气，以确保为微藻生长提供充足的空气。用立式空调保持室温在(20±1)℃，确保微藻生长的有利温度环境。培养期15d，每1d取1次藻液进行分析测定。利用显微镜直接记数法，使用BA400/450型号的显微镜，利用血球记数板进行生物量测定。根据公式：细胞数/mL＝(5个中方格内的细胞数/80)×400×1000得到微藻个数。与此同时，用本装置及实例1所示的方法，对藻液进行总有机碳TOC的测定。通过对TOC与微藻个数的对应值，进行拟合度计算。其试验结果如图2-4。 

图2表明，绿色巴甫藻生物量与TOC的拟合度为0.9315。图3表明盐藻生物量与TOC的拟合度为0.9554。图4表明小球藻生物量与TOC的拟合度为0.9340。 

实验例2首先取10ml藻液在离心机5000rpm的作用下离心10分钟后，将上清液倒掉并让藻泥用90％的丙酮液体5ml来提取，并放致在-4到4摄氏度的条件下避光保存24小时；将提取完毕后的试样再次在离心机5000rpm作用下进行第二两次离心10分钟，取上层液体用于紫外分光光度仪测定，测定的紫外波长分别为665nm、645nm、635nm。利用如下公式进行叶绿素A含量计算。叶绿素A含量(mg/L)＝11.6*D1(665)-0.14*D2(630)-1.31*D3(645)，其中，D——分光光度计的吸光值。 

其它与实验例1相同。实验结果如图5-7。图5表明，绿色巴甫藻叶绿素A含量与TOC的拟合度为0.9585。图6表明盐藻叶绿素A含量与TOC的拟合度为0.8539。图7表明小球藻叶绿素A含量与TOC的拟合度为0.9290。 

实验例3利用QZ201型散射式浊度仪对藻液进行生物浊度测定。其它同实验例1。实验结果如图8和9。图8表明盐藻生物浊度与TOC的拟合度为0.8615。图9表明小球藻生物浊度与TOC的拟合度为0.917。 

上述实验表明，海洋浮游微生物在增殖过程中，随着生物量的增加，其叶绿素A含量、生物浊度以及海水的TOC数值也在同步增长。TOC对浮游微生物量、叶绿素A和生物浊度的相关系数大于0.85，亦即采用TOC测量结果对海洋浮游生物量进行实时监测的准确性概率至少要大于85％。当发现海水中TOC含量出现异常增大趋势时，在排除海水遭受突然性有机污染的情况下，很可能是由于浮游微生物暴发性增殖的前兆，为此可做出是否为赤潮爆发的判断。与目前用其它方法对赤潮预报仅有30％左右的准确率相比，该装置及方法对赤潮的预报准确率有较大幅度的提高。 

Claims (10)

1.海洋浮游微生物量实时监测及赤潮预警装置，其特征是，主要包括依次相连的采样器、酸化器、气水分离器、氧化反应器、冷凝脱水器、离子阱和红外CO₂检测器，所述气水分离器设有排气口，所述冷凝脱水器设有排水管，所述的氧化反应器设有紫外灯，紫外灯直接插入氧化反应器的反应腔内，所述的氧化反应器外部设有电加热套，所述采样器主要包括采样口、试剂瓶、载气瓶，采样口通过过滤器、流量传感器、蠕动泵与酸化器相连，试剂瓶通过流量传感器、蠕动泵与酸化器相连，载气瓶通过三通电磁阀分为两路后，其中一路与酸化器相连通。

2.根据权利要求1所述的海洋浮游微生物量实时监测及赤潮预警装置，其特征是，所述采样口与酸化器之间的进样管内径不小于1mm。

3.根据权利要求2所述的海洋浮游微生物量实时监测及赤潮预警装置，其特征是，所述进样管内径为1.0-2.0mm。

4.根据权利要求1所述的海洋浮游微生物量实时监测及赤潮预警装置，其特征是，所述过滤器筛孔尺寸不小于2mm。

5.根据权利要求1所述的海洋浮游微生物量实时监测及赤潮预警装置，其特征是，所述过滤器筛孔尺寸为2.0-3.0mm。

6.根据权利要求1所述的海洋浮游微生物量实时监测及赤潮预警装置，其特征是，所述的氧化反应器总长度不小于10cm，有效容积不小于50mL。

7.根据权利要求1所述的海洋浮游微生物量实时监测及赤潮预警装置，其特征是，所述的紫外灯为多股折叠棒状，采用波长为185nm的紫外光源。

8.根据权利要求1所述的海洋浮游微生物量实时监测及赤潮预警装置，其特征是，所述试剂瓶盛有酸化剂和氧化剂按比例制成的溶液，优选的，酸化剂(所述的酸化剂是磷酸或硫酸)和氧化剂(所述的氧化剂是过硫酸钠、过硫酸钾或过硫酸铵)的质量比例是1∶4-4∶1。

9.根据权利要求1所述的海洋浮游微生物量实时监测及赤潮预警装置，其特征是，所述有机CO₂检测器通过集成电路与数据处理器、显示器或数据发送器相连。

10.根据权利要求1-9任一所述的海洋浮游微生物量实时监测及赤潮预警装置进行海洋浮游微生物量实时监测及赤潮预警的工艺，其特征是，通过采样装置连续不断地采集包含浮游微生物的海水表层水样，先在酸化器内生成无机源的CO₂，随后通过气水分离器将无机源的CO₂排除；排除无机碳的水样进入氧化反应器后，水中所含的有机物，包括浮游微生物，被氧化为有机源的CO₂；有机源的CO₂在载气的推动下继续前进，当经过冷凝脱水器时除去夹杂的水汽、经过离子阱时消除掉干扰离子，最后进入红外CO₂检测器；根据CO₂检测器探测到的信息和标准溶液标定的标准曲线，运用数据处理器换算为水中总有机碳TOC的含量，再根据浮游微生物量与总有机碳TOC含量的对应关系，换算为浮游微生物指标量(个数、叶绿素含量或生物浊度等)，然后通过数据通讯系统将测量数据实时传送到监测部门的主服务器上，并以连续曲线、分钟平均值、小时平均值、天平均值等形式显示出来，亦或在仪器表盘上进行显示。

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