CN102564794A - 一种野外生物膜采集器悬挂及洗脱装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种野外生物膜采集器悬挂及洗脱装置。它由采集车和洗脱器两部分组成，采集车由挂钩(1)、浮漂(2)、滑轮(3)、防水线(4)、伸缩臂(5)、绕线轴(6)、手柄(7)、支撑架(8)、旋转轴(9)、暗插销(10)、定位圆盘(11)、底盘车(12)和水平调节丝杆(13)构成，洗脱器由超声波清洗仪(14)、开关(15)、水泵(16)、排水管(17)和底盘(18)构成，通过螺丝将清洗仪、水泵固定在底盘上，再将整个装置固定在采集车上。本发明主要用于悬挂野外生物膜采集器并实现生物膜野外洗脱，可以广泛应用于不同流域获取高质量的生物膜进行生态监测。与现有技术相比，本发明可准确采集不同水深的生物膜并在野外完成洗脱，易于悬挂及收取采集器，可调节采集器与岸边距离，在复杂地形条件下保证采样装置水平，且方便移动。

Description

一种野外生物膜采集器悬挂及洗脱装置

技术领域

本发明涉及环境污染监测与评价和生态恢复领域，用于以生物膜为对象的生态监测，可实现在野外快速的天然水体中生物膜采集器的悬挂和洗脱，完成生物膜的采集。 

背景技术

水体中现有的生物群都是长期地理变迁和生物进化的结果，监测和评价水生态系统健康的最直接和有效的方法就是对生态系统中的生物状态进行监测。与化学或物理检测相比，生物群落是对水体中各种化学、物理、生物因子的综合直接的反应，更能体现水生生态系统的健康状态。因此生物评价法已经成为评价生态系统健康状况的重要手段。生物膜由于分布广，体积小，生命周期短，对各种人为干扰敏感，近年来逐渐成为水质生物监测与评价的重要手段。目前应用于生态监测研究以人工基质暴露培养为主，培养一定时间后还需回到实验室进行生物膜刮取，需要较高人力投入，自动化水平低。且在野外采集时都需要人工操作，在复杂地形的条件下，难以找到合适的采样器悬挂装置。因此在生态监测中急需开发集悬挂和洗脱于一体的采集装置。从而进行生物膜监测用于测试确定水质和生态系统健康状态。 

张万友等人(2000)研究开发了一种新型好氧生物膜过滤装置，能有效地降低污水中的CODCr、BOD5、NH3-N和SS等；杨宇等人(2010)采用多孔弹性材料设计了一种新型生物膜一体化装置，并利用该装置对碱法草浆中段废水进行处理实验；凯利·S·史密斯和克劳迪娅·德苏扎在公开号为CN1446314的专利中公开了一种方法和装置，用于测定不同试剂对生物材料(生物膜)的生长、微生物影响的腐蚀及有机和无机污染物的沉积的影响；Hadi R等人(2010)比较了两种生物反应器检测方法，使用医疗器械清洁剂去除生物膜。 

但目前的生物膜培养和过滤装置都存在以下缺点： 

(1)仪器多用于实验室培养和监测，不方便与野外培养和提取生物膜；(2)由于水体生物膜结构与功能变化与水深、光照强度和温度密切相关，不同水深的生物膜可提供重要的生态信息为管理服务，而现有的生物膜培养与采集装置不能同时满足野外操作方便与采集不同水深的生物膜要求。 

本发明的目的就是为了克服上述不足，构建一套野外生物膜采集器悬挂及洗脱装置。 

发明内容

本发明的目的是提供一种可以在野外悬挂生物膜采集器并洗脱的装置。此装置可以解决在野外培养和采集不同水深的生物膜并完成洗脱的要求。 

为达到上述目的，本发明采用了如下技术方案： 

野外生物膜采集器悬挂及洗脱装置由采集车和洗脱器两部分组成(见附图1)。采集车由挂钩(1)、浮漂(2)、滑轮(3)、防水线(4)、伸缩臂(5)、绕线轴(6)、手柄(7)、支撑架(8)、旋转轴(9)、暗插销(10)、定位圆盘(11)、底盘车(12)和水平调节丝杆(13)构成，洗脱器由超声波清洗仪(14)、开关(15)、水泵(16)、排水管(17)和底盘(18)构成，通过螺丝将清洗仪、水泵固定在底盘上，再将整个装置固定在采集车上。底盘车是整个 装置的承载工具，可携带整个装置移动，旋转伸展臂及吊挂装置用以吊挂采样器向指定位置固定，清洗及排水装置可完成超声波清洗采集片并将溶解液排入到容器中。 

本发明的效果和益处是，由于浮漂的设计解决了在野外采样过程中，能够保证放置在水中的采样器始终在水面以下固定的深度富集生物膜使生物膜在较为稳定的阳光、温度、光线和水文条件下生长。解决了当生态水位变化时，水中采样器在水面以下深度变化的问题。本发明伸缩臂的设计可以使采样器与岸边保持一定距离，旋转伸展臂收起时长度1200mm，最大伸展有效臂长(外管加内管)2000mm。旋转轴的设计解决了将放置在水中的采样器提出水面的问题，可使在岸边的操作人员容易获取到放置在水中的采样器。 

与现有技术相比，本发明可准确采集不同水深的生物膜并在野外完成洗脱，易于悬挂及收取采集器，可调节采集器与岸边距离，在复杂地形条件下保证采样装置水平，且方便移动。 

本发明结构简单、实用性强，与其他功能类似的装置相比具有成本低廉、方便快捷等特点。可以广泛应用于各种天然水体的生物膜培养，适用于环境科学与生态监测领域。 

附图说明

图1野外生物膜采集器悬挂及洗脱装置 

1为挂钩，2为浮漂，3为滑轮，4为防水线，5为伸缩臂，6为绕线轴，7为手柄，8为支撑架，9为旋转轴，10为暗插销，11为定位圆盘，12为底盘车，13为水平调节丝杆，14为超声波清洗仪，15为开关，16为水泵，17为排水管，18为底盘。 

图2水质变化对生物膜的影响 

藻密度、叶绿素a、chlb/chla、多糖含量、碱性磷酸酶活性、β-葡萄糖苷酶活性和亮氨酸肽酶活性都与水质等级呈正相关关系，；而chlc/chla，细菌多样性指数H，细菌均匀度指数E，细菌丰富度指数与水质等级呈负相关关系。夏季生物膜各指标都略高于冬季。 

图3冗余分析结果示意图 

生物膜的群落结构主要受温度、溶解氧浓度、氟化物浓度、氨氮浓度，BOD5、营养状态指数和透明度的影响，这些环境因子可以解释生物膜60.6％的变化。 

具体实施方式

下面基于附图详细叙述本发明的原理和实施实例。 

本发明由挂钩(1)、浮漂(2)、滑轮(3)、防水线(4)、伸缩臂(5)、绕线轴(6)、手柄(7)、支撑架(8)、旋转轴(9)、暗插销(10)、定位圆盘(11)、底盘车(12)、水平调节丝杆(13)、超声波清洗仪(14)、开关(15)、水泵(16)、排水管(17)和底盘(18)构成。 

仪器的整体尺寸是1350×600×680mm，底盘车(12)大小为1350×425×280mm。伸缩臂(5)收起时长度1200mm，有效臂长1000mm，内管最大伸展值800mm，最大伸展有效臂长(外管加内管)2000mm。底盘(18)直径400mm，厚20mm，旋转轴(9)长300mm。吊挂装置牵引线长3m×2，滑轮(3)直径40，轮距145mm。 

超声波清洗机外形和内槽尺寸分别为325×265×280mm和300×240×150mm，排水管长800mm。 

底盘车(12)是整个装置的承载工具，可携带整个装置移动。旋转伸展臂(5)及吊挂装置可吊挂采样器向指定位置固定。清洗及排水装置可清洗采集片并将溶解液排入到容器中。 

采样之前，将整个装置放置在岸边，调节水平调节丝杆(13)，保证整个装置在有坡度的岸边处于水平。通过摇动手柄(7)，可调节采样器在水面下的深度，由于有浮漂(2)，保证了采样器在水面下的培养深度。可通过调节伸缩臂(5)的长度，将采样器放置在距离岸边的合适距离。固定暗插销(10)后，伸缩臂(5)不动。经过一段时间的培养，摇动手柄(7)，防水线通过绕线轴和滑轮，将采样器提升出水面。拔下暗插销(10)，以旋转轴为支点旋转伸缩臂180°。将采样器取下，放到超声波清洗仪中，打开清洗仪开关进行生物膜洗脱。洗脱完成后可通过排水装置将溶解了生物膜的混合液排入容器中带回实验室进行生态监测。 

实施案例 

在河北省某个草型湖泊，利用本发明作为野外生物膜采集器悬挂及洗脱装置，监测生物膜群落对复合污染的响应。 

以活性碳纤维为基质，培养10-15天，在不同季节布设采样点采集生物膜，分析不同采样点间生物膜结构功能变化，同时测定其水质变化，分析人为干扰对生物膜的效应。监测指标包括生物膜非灰干重(AFDW)，附着藻密度(AD)，叶绿素a，b，c(CHLA，CHLB，CHLC)，叶绿素比值(CHLB/A，CHLC/A)，硅藻、绿藻、蓝藻占总附着藻细胞的百分比(DIAT，CHOL，CYBA)，碱性磷酸酶活性(APA)，β-葡萄糖苷酶活性(GLU)，亮氨酸氨基肽酶活性(LEU)，多糖含量(POLY)，附着细菌shanon-wiener多样性指数(H)，附着细菌均匀度指数(E)，附着细菌丰富度指数(Dmg)和附着细菌优势度指数(d)。水质变化对生物膜的影响见附图2. 

根据生物膜各指标与水质等级的比较，可以看出藻密度、叶绿素a、chlb/chla、多糖含量、碱性磷酸酶活性、β-葡萄糖苷酶活性和亮氨酸肽酶活性都与水质等级呈正相关关系，水质等级越高，以上各指标数值越大；而chlc/chla，细菌多样性指数H，细菌均匀度指数E，细菌丰富度指数与水质等级呈负相关关系，水质等级越高，指标数值越小。由于受温度等其他条件的影响，夏季生物膜各指标都略高于冬季。 

为了进一步明确各水质指标与生物膜结构、组成、分布的关系，应用冗余分析的方法分析了生物膜各指标与环境各指标的关系(附图3)。 

结果表明，生物膜的群落结构主要受温度、溶解氧浓度、氟化物浓度、氨氮浓度，BOD5、营养状态指数和透明度的影响，这些环境因子可以解释生物膜60.6％的变化。第一个数轴反映了生物膜结构与温度、可生化降解有机物的正相关和生物膜结构与氨氮、透明度、溶解氧的负相关性，可以解释变化的46.2％。这些指标都与水体营养状态相关，因此，第一数轴反映的是白洋淀湿地的富营养状况。Chlc/a和硅藻百分比与高透明度和溶解氧相关，chlb/a、藻密度和亮氨酸酶与低溶解氧、高BOD5和氨氮浓度相关。第二数轴与温度正相关，与氟化物浓度负相关，解释了变化的14.4％。 

Claims (10)

1.一种野外生物膜采集器悬挂及洗脱装置，其特征在于在各种天然水体中，构建一种天然水体生物膜采集器的悬挂及洗脱装置。将生物膜采集器通过防水线悬挂在采集车上，通过调节伸缩臂和防水线长度，实现将采集器固定在距离岸边和水面下一定深度。经过一段时间的培养后，利用采集车上伸缩臂可通过旋转轴旋转的特点，获取到天然水体中附着在采样器上的藻类、细菌、原生生物，经过洗脱装置的洗脱，生物膜样品可带回实验室进行生态监测。

2.根据权利要求1所述的野外生物膜采集器悬挂及洗脱装置是由采集车和洗脱器组成。所述的采集车由挂钩(1)、浮漂(2)、滑轮(3)、防水线(4)、伸缩臂(5)、绕线轴(6)、手柄(7)、支撑架(8)、旋转轴(9)、暗插销(10)、定位圆盘(11)、底盘车(12)和水平调节丝杆(13)构成，洗脱器由超声波清洗仪(14)、开关(15)、水泵(16)、排水管(17)和底盘(18)构成，通过螺丝将清洗仪、水泵固定在底盘上，再将整个装置固定在采集车上。

所述的浮漂(2)通过防水线(4)和滑轮(3)悬挂在伸缩臂(5)上。由内外管组成的伸缩臂(5)可通过内外管的相对位置移动调节伸缩臂的长度，防水线(4)缠绕在绕线轴(6)上，摇动手柄(7)可调节防水线(4)长度，进而控制采样器在水体中培养的深度。挂钩(1)上可以悬挂生物膜采样器。伸缩臂(5)与底盘车(12)通过钢制支撑架(8)连接。插好暗插销(10)可使伸缩臂(5)固定在超声波清洗仪(14)一侧。拔下暗插销(10)时，可使伸缩臂(5)围绕旋转轴(9)水平旋转180度，从而将采样器放置于天然水体中。定位圆盘(11)、超声波清洗仪(14)和水泵(16)都焊接在底盘车(12)上。水平调节丝杆(13)通过螺丝连接在底盘车(12)上。

将采样器，通常是有机玻璃或活性碳纤维等材料通过防水线(4)悬挂在挂钩(1)上，并置于水体中，经过一定时间的培养后，将采样器取出并放置在超声波清洗仪(14)中洗脱，则可以完成生物膜采样器的悬挂和洗脱。

3.根据权利要求1和2所述的野外生物膜采集器悬挂及洗脱装置，其特征在于，所述浮漂可调节采样器在水体中深度(水面以下20厘米)，有利于生物膜获取阳光和适宜温度，使生物膜生长均匀。

4.根据权利要求1和2所述的野外生物膜采集器悬挂及洗脱装置，其特征在于，通过摇动手柄，使防水线在绕线轴上缠绕，在放置采样器和提取采样器时，通过滑轮调整采样器和浮漂的深度，培养不同水深的生物膜，并可以根据需要调节绳长，以便获取所需要深度的生物膜。

5.根据权利要求1和2所述的野外生物膜采集器悬挂及洗脱装置，其特征在于，所述采样器可控制在水体中深度，光线可以自由透过，更接近自然状态，利于生物膜生长。

6.根据权利要求1和2所述的野外生物膜采集器悬挂及洗脱装置，其特征在于，所述暗插销可控制支撑架与定位圆盘的相对位置。插上暗插销，可将支撑架固定在定位圆盘上，附着生物膜时，使采样器不动；拔下暗插销，可伸缩臂以旋转轴为轴在水平方向转动到所需角度，使操作人员在野外岸边方便安装和卸去采样器。

7.根据权利要求1和2所述的野外生物膜采集器悬挂及洗脱装置，其特征在于，所述伸缩臂可调节采样器与岸边距离，1.0-1.8米的调节区间。

8.根据权利要求1和2所述的野外生物膜采集器悬挂及洗脱装置，其特征在于，所述打眼套扣，可记录长度并防止伸缩臂内、外管相对旋转。

9.根据权利要求1和2所述的野外生物膜采集器悬挂及洗脱装置，其特征在于，所述定位圆盘为铝圆盘直径400mm，中孔安装轴承。

10.根据权利要求1和2所述的野外生物膜采集器悬挂及洗脱装置，其特征在于，所述底盘车上安装的水平调节丝杠可使底盘车的四个腿实现相对升降，使整个装置在凹凸不平的野外地形上保持水平。

Images