CN103698330A - 一种测定植物呼吸作用的实验装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测定植物呼吸作用的实验装置及其方法，实验装置主要由气体给排单元、由PLC控制器控制的水冷可控温可控压可控湿度式呼吸室及可实时控制的CO₂吸收测定单元组成；该实验装置采取的技术方案是：植物在去除了CO₂的空气载气中进行呼吸，通过PLC控制器自动调控植物呼吸室内部的温度、湿度和压强保持恒定状态，最后利用碱吸收方法实现可控环境条件下植物呼吸作用的实时定量研究，该装置及其方法能够最大程度地模拟自然状态下整株植物长时间多次连续的呼吸强度测定，其测定方法简单、易于操作，避免使用昂贵的监测仪器和复杂的操作程序，提高了测定整株植物呼吸强度的准确性。

Description

一种测定植物呼吸作用的实验装置及其方法

技术领域

本专利涉及一种植物呼吸作用监测技术领域，具体涉及一种测定植物呼吸作用的实验装置及其方法。 

背景技术

呼吸作用是有机体生命活动的基本代谢过程，是植物生长进行的最重要的生理活动之一。植物呼吸代谢与多种大分子物质的合成、分解代谢过程密切相关，能为它们的生命活动提供所需能量和必要的中间物质，对植物有着十分重要的意义。目前的研究工作中，关于植物呼吸作用的测定方法较多，包括密闭静止法、气流法、气相色谱法、红外线CO₂分析仪等多种方法，其中气相色谱法、红外线CO₂分析仪等方法都需要使用很昂贵的检测仪器、操作程序和方法较复杂，并且一般只是针对植物组织如叶片进行的，不能测定和评价整株植物呼吸作用情况；密闭静止法实验装置较简易，不需要特殊设备，但由于装置的密闭性不能长时间保证呼吸室内部环境正常（如温度、湿度和气压等），所以密闭静止法一般只针对种子呼吸作用的测定，同时准确性也较差；一般常用气流法由于密闭环境的温度、湿度、气压等环控因子的扰动，不能进行长时间、连续性的测定；可见，目前植物呼吸作用的测定方法仍存在一定程度的不足，亟待开发一种简单易行、可靠精准的实验装置。 

该实验装置是植物在去除了CO₂的空气载气中进行呼吸，通过PLC控制器自动调控植物呼吸室内部的温度、湿度和压强保持恒定状态，最后利用碱吸收方法实现可控环境条件下植物呼吸作用的实时定量研究，该装置及其方法能够最大程度地模拟自然状态下整株植物长时间多次连续的呼吸强度测定，其测定方法简单、易于操作，避免使用昂贵的监测仪器和复杂的操作程序，提高了测定整株植物呼吸强度的准确性。 

发明内容

本发明创造的目的在于提供一种结构简单、操作方便、可连续多次长时间测定植物呼吸作用的实验装置及其方法，能够对植物呼吸室中温度、湿度和压强进行自动调控，并实现实时定量监控植物呼吸作用产生的CO₂含量。为实现上述研究目的，采取的技术方案是：该测定植物呼吸作用的实验装置是使植物处于接近实验环境状态中进行呼吸，可在一定条件下进行长时间多次性连续测定，测定时以去除了CO₂的空气作为载气；通过气泵将呼吸室中植物呼吸时释放的CO₂气体主动带入收集瓶，被收集瓶中定量的Ba(OH)₂溶液和少量正丁醇混合溶液所吸收，加入适量酚酞指示剂用草酸滴定后，根据反应关系式计算出CO₂量，呼吸强度可用单位时间内每千克植物样品在呼吸过程中释放出的CO₂的量表示；期间可准确计时设定若干不同时间段进行重复实验，不需要打开呼吸室重复操做或间断实验即可实现；它包括气体给排单元20、由PLC控制器23控制的水冷可控温可控压可控湿度式呼吸室21及可实时控制的CO₂吸收测定单元22。 

气体给排单元20，由用气管或导线连接装有去除了CO₂气体的空气载气气瓶12、进气泵11、进气电磁阀门18、压强传感器10、排气口7、排气阀门8、气泵28，干燥管29、干燥管31、第一气阀17、第二气阀26、第三气阀27、第四气阀33和第五气阀34组成；压力传感器10通过PLC控制器23连接进气泵 11和进气电磁阀门18，PLC控制器23通过反馈信号来调节并保持植物呼吸室3内部压强恒定不变，可避免呼吸作用消耗O₂和CO₂被吸收后植物呼吸室3内部压强改变而导致呼吸作用测定的不准确性；气泵28主动抽气将植物呼吸作用产生的气体送入CO₂收集瓶15中被Ba(OH)₂溶液和少量正丁醇混合溶液14吸收，其余气体通过出气口返回植物呼吸室3中循环，保证植物呼吸产生的CO₂完全被Ba(OH)₂溶液和少量正丁醇混合溶液14吸收，同时维持植物呼吸室3内部气体的良好流动性；干燥管29是固定除湿部件，其作用是去除植物在密闭环境中进行呼吸作用产生的水汽，干燥管31是选择性除湿部件，其作用是去除气体通过Ba(OH)₂溶液和少量正丁醇混合溶液14后产生的水汽，干燥管31选择性使用能够有效控制植物呼吸室3内部的湿度；第四气阀33与U型管32连接，用于检测实验装置是否漏气时使用，检漏完成后即关闭第四气阀33；第五气阀34通过硅胶塞25一端接入CO₂收集瓶15上部，另一端与外部环境连通，在试验期间第五气阀34始终处于关闭状态，仅在实验完成用草酸滴定时，打开第五气阀34，有利于滴定反应产生气体的排放。 

由PLC控制器23控制的水冷可控温可控压可控湿度式呼吸室21由恒温水循环器1、植物呼吸室3、PLC控制器23和水冷板2组成；恒温水循环器1的进出水孔分别连接水冷板2的进出水孔，恒温水循环器1通过PLC控制器23连接植物呼吸室3内部的温度传感器5，通过信号反馈PLC控制器23来调节植物呼吸室3底部水冷板2的温度，恒温水循环器1设定温度与植物呼吸室3所需温度差为1～10℃，从而达到有效控制植物呼吸室3的温度；为了能精确测定植物暗呼吸作用，避免植物光合作用吸收CO₂影响测定结果，植物呼吸室3整体表面是不透光材质制成，内部可以放置待测植物样品16；植物呼吸室3上方配有不透明密闭盖24，密闭盖24顶部使用硅胶塞19进行密封，硅胶塞19连接进气管为待测植物样品提供呼吸所需的气体，密闭盖24内壁有光源设备LED灯条4，LED灯条4由红、蓝和远红光LED灯组成，各色LED灯开关独立控制并安装有调光器，可根据不同植物品种或不同光色下植物的不同需求来调节光谱和光强，它不仅能在实验人员需要观察植物呼吸室3内部时提供光源，还可以满足不同实验人员在实验过程中对植物光源的需求；植物呼吸室3内壁安装有温度传感器5、监控摄像头6、风扇9、U型管32、压力传感器10和湿度传感器30；监控摄像头6可实时监控植物呼吸室3内部的植物样品和固件设备运行情况；风扇9可以给植物呼吸室通风并混匀内部气体；湿度传感器30通过PLC控制器23与第二气阀26和第三气阀27连接，当植物呼吸室3内部湿度高于设定值，PLC控制器23自动控制打开第二气阀26，同时关闭第三气阀27，此时气体流动经过干燥管31可有效降低植物呼吸室3内部湿度逐渐达到设定值；当植物呼吸室3内部湿度低于设定值时，PLC控制器23自动控制打开第三气阀27，同时关闭第二气阀26，此时气流不经过干燥管31从而有效增加植物呼吸室3内部湿度逐渐达到设定值；U型管32内部装有适量的水，其作用是检查植物呼吸作用实验装置是否漏气。 

可实时控制的CO₂吸收测定单元22由CO₂收集瓶15和注射器13组成，CO₂收集瓶15上部使用硅胶塞25密封，硅胶塞25分别连接进气管第一气阀17、出气管第二气阀26及第三气阀27，第二气阀26 和第三气阀27通过一个三通接口连接，连接第一气阀17的进气管一端通过硅胶塞25插入CO₂收集瓶15内部盛放的Ba(OH)₂溶液和少量正丁醇混合溶液14中，其中正丁醇可增加CO₂吸收效率；另一端与植物呼吸室3底部连通；连接第二气阀26和第三气阀27出气管一端通过硅胶塞25进入CO₂收集瓶15上部即可，另一端与植物呼吸室3上部连通；CO₂收集瓶15侧壁装有硅胶膜固定注射器13，注射器13中含有一定浓度的H₂C₂O₄溶液；当定时测量完成后关闭第一气阀17、第二气阀26和第三气阀27，同时打开第五气阀34，注射器13缓慢注入一定量H₂C₂O₄溶液，中和Ba(OH)₂溶液和少量正丁醇混合溶液14中Ba(OH)₂吸收CO₂产生的白色沉淀，滴定并计算呼吸作用产生的CO₂含量。 

所述水冷板2，位于植物呼吸室3底部，内部均匀排布不锈钢水管，外部包裹保温棉，水管直径为5～20mm； 

所述硅胶塞19，硬度为30～100A； 

所述硅胶塞25，硬度为40～90A； 

所述干燥管29和干燥管31，盛装无水硫酸铜颗粒； 

上述所用的Ba(OH)₂溶液和少量正丁醇混合溶液14，其中Ba(OH)₂溶液浓度为0.1～1.0mol/L，体积为0.01～1.0L；正丁醇，加入体积为0.1～1mL； 

上述所用的H₂C₂O₄溶液浓度为0.05～0.5mol/L； 

有益效果：本发明不仅可以实时定量测定活体整株植物或植物器官（果实、种子、蔬菜等）呼吸作用释放出的CO₂量，为了避免植物呼吸一段时间后产生一定热量、水或氧分压的改变影响测量数据的准确性，该实验装置通过PLC控制器全自动控制植物呼吸室内部温度、湿度和压强的持续稳定；植物呼吸室温度调控实现方式是通过水冷板热传导和风扇通风散热两种方式协同；植物呼吸室压强主要是通过PLC控制器控制进气阀和进气泵输入去除了CO₂气体的空气载气来实现；植物呼吸室湿度主要是通过PLC控制器自动控制气阀开关，气流选择性的是否通过装配有干燥管的管路来实现；植物呼吸室内壁安装监控摄像头可以随时观测植物呼吸室内部植物的动态变化；植物呼吸室的密封盖上设有由红、蓝和远红光LED灯组成的LED灯条，各色LED灯开关独立控制并安装有调光器，可根据不同植物品种或不同光色下植物的不同需求来调节光谱和光强，它不仅能在实验人员需要观察植物呼吸室3内部时提供光源，还可以满足不同实验人员在实验过程中对植物光源的需求；本发明实验装置及其方法能够最大程度地模拟自然状态下整株植物长时间多次连续的呼吸强度测定，其测定方法简单、易于操作，避免使用昂贵的监测仪器和复杂的操作程序，提高了测定整株植物呼吸强度的准确性。 

附图说明

图1为本发明实验装置整体结构示意图； 

图中：1.恒温水循环器，2.水冷板，3.植物呼吸室，4.LED灯条，5.温度传感器，6.监控摄像头，7.排气口，8.排气阀门，9.风扇，10.压强传感器，11.进气泵，12.气瓶，13.注射器，14.Ba(OH)₂溶 液和少量正丁醇混合溶液，15.CO₂收集瓶，16.待测植物样品，17.第一气阀，18.进气电磁阀门，19.密封塞，20.气体给排单元，21.由PLC控制器23控制的水冷可控温可控压可控湿度式呼吸室单元，22.可实时控制的CO₂吸收测定单元，23.PLC控制器，24.密封盖，25.硅胶塞，26.第二气阀，27.第三气阀，28.气泵，29.干燥管，30.湿度传感器，31.干燥管，32.U型管，33.第四气阀，34.第五气阀 

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明做进一步说明。 

如图1所示，本发明装置主要由气体给排单元20、由PLC控制器，23控制的水冷可控温可控压式呼吸室21及可实时控制的CO₂吸收测定单元22。具体操作过程如下： 

1.实验装置的气密性检查 

按照图1所示，首先，关闭PLC控制器23和压强传感器10的连接；其次，关闭第一气阀17、第二气阀26、第三气阀27、第五气阀34和排气阀门8，打开第四气阀33；最后，打开进气阀门18和进气泵11持续约2s～100s后，此时U型管32中水的液位上升，关闭进气阀门18和进气泵11，静止等待5～15min后，如果U型管32中水的液位没有改变，说明整个系统气密性良好，否则应检查各接口是否漏气；检测漏气完毕后关闭第四气阀33，保持植物呼吸室3内部处于不漏气状态。 

2.植物呼吸室平衡 

准确称量所要测定待测植物样品重量（m），将材料放入植物呼吸室3，打开排气阀门8、进气阀门18和进气泵11持续运行5～30min后，排气口7持续进行排气，使植物呼吸室3中充满不含CO₂气体的空气载气后，关闭排气阀门8、进气阀门18和进气泵11，打开PLC控制器23和压强传感器10、温度传感器5和湿度传感器30的连接，打开气泵28、第一气阀17和第三气阀27准备开始实验。 

3.空白测定 

用移液管吸取一定量的Ba(OH)₂溶液和少量正丁醇混合溶液14放入三角瓶中，稍微摇晃混匀，然后加入酚酞指示剂2滴，最后用一定浓度的H₂C₂O₄溶液滴定至粉红色消失即为终点，记录滴定量，重复三次，取平均值，即为空白滴定量（V₁），所述Ba(OH)₂溶液和少量正丁醇混合溶液、酚酞指示剂和H₂C₂O₄溶液的体积和浓度与实验装置中可实时控制的CO₂吸收测定单元22中各溶液保持一致。 

4.样品测定 

当植物呼吸室气体平衡后即可开始实验，设定一定时间（t）后准确计时，设定实验时间计时到，使用注射器13注射酚酞指示剂2滴，再用一定浓度的H₂C₂O₄溶液滴定，操作同空白滴定，记录滴定量（V₂）；实验期间，植物呼吸室3内部的温度传感器5、湿度传感器30和压强传感器10可以通过反馈信号由PLC控制器23全自动控制植物呼吸室3内部的温湿度和压强，为植物提供一个稳定良好的环境，提高实验的精确性。 

5.结果计算方法 

呼吸强度以每小时每千克植物样品释放的CO₂的质量表示，计算公式如下： 

呼吸强度（mg·kg^-1·s^-1）=（V₁-V₂）×c×22／m·t 

式中c——H₂C₂O₄溶液物质的量浓度，mol/L； 

V₁——空白滴定中草酸溶液用量，mL； 

V2——测定滴定中草酸溶液用量，mL； 

m——植物样品质量，Kg； 

t——测定时间，s； 

22——测定中NaOH与CO₂的质量转换数（=44/2，“44”为CO₂摩尔质量，“2”指吸收过程中消耗2mol NaOH相当吸收1mol CO₂的量）。 

Claims (5)

1.一种测定植物呼吸作用的实验装置及其方法，其特征在于包括气体给排单元（20）、由PLC控制器（23）控制的水冷可控温可控压可控湿度式呼吸室单元（21）及可实时控制的CO₂吸收测定单元（22）。 

2.根据权利要求1所述的一种测定植物呼吸作用的实验装置及其方法，其特征是气体给排单元（20），由用气管或导线连接装有去除了CO₂气体的空气载气气瓶（12）、进气泵（11）、进气电磁阀门（18）、压强传感器（10）、排气口（7）、排气阀门（8）、气泵（28），干燥管（29）、干燥管（31）、第一气阀（17）、第二气阀（26）、第三气阀（27）、第四气阀（33）和第五气阀（34）组成；压力传感器（10）通过PLC控制器（23）连接进气泵（11）和进气电磁阀门（18），PLC控制器（23）通过反馈信号来调节并保持植物呼吸室（3）内部压强恒定不变；气泵（28）主动抽气将呼吸作用产生的气体送入CO₂收集瓶（15）中被Ba(OH)₂溶液和少量正丁醇混合溶液（14）吸收，其余气体通过出气口进入植物呼吸室（3）中循环，保证植物呼吸产生的CO₂完全被Ba(OH)₂溶液和少量正丁醇混合溶液（14）吸收，同时维持植物呼吸室（3）内部气体的良好流动性；干燥管（29）是固定除湿部件，其作用是去除植物在密闭环境中进行呼吸作用产生的水汽，干燥管（31）是选择性除湿部件，其作用是去除气体通过Ba(OH)2溶液和少量正丁醇混合溶液（14）后产生的水汽，干燥管（31）选择性使用能够有效控制植物呼吸室（3）内部的湿度；第四气阀（33）与U型管（32）连接，用于检测实验装置是否漏气时使用，检漏完成后立即关闭第四气阀（33）；第五气阀（34）通过硅胶塞（25）一端接入CO₂收集瓶（15）上部，一端与外部环境连通，在试验期间第五气阀（34）始终处于关闭状态，仅在实验完成用草酸滴定时，打开第五气阀（34），有利于滴定反应产生气体的排放。 

3.根据权利要求1所述的一种测定植物呼吸作用的实验装置及其方法，其特征是由PLC控制器（23）控制的水冷可控温可控压可控湿度式呼吸室（21），由恒温水循环器（1）、植物呼吸室（3）、PLC控制器（23）和水冷板（2）组成；恒温水循环器（1）的进出水孔分别连接水冷板（2）的进出水孔，恒温水循环器（1）通过PLC控制器（23）连接植物呼吸室（3）内部的温度传感器（5），通过信号反馈PLC控制器（23）来调节植物呼吸室（3）底部水冷板（2）的温度，恒温水循环器（1）设定温度与植物呼吸室（3）所需温度差为1～10℃；植物呼吸室（3）整体表面是不透光材质制成，内部可以放置待测植物样品（16）；植物呼吸室（3）上方配有不透明密闭盖（24），密闭盖（24）顶部使用硅胶塞（19）进行密封，硅胶塞（19）连接进气管为待测植物样品提供呼吸所需的气体，密闭盖（24）内壁有光源设备LED灯条（4），LED灯条（4）由红、蓝和远红光LED灯组成，各色LED灯开关独立控制并安装有调光器，可根据不同植物品种或不同光色下植物的不同需求来调节光谱和光强，它不仅能在实验人员需要观察植物呼吸室（3）内部时提供光源，还可以满足不同实验人员在实验过程中对植物光源的需求；植物呼吸室（3）内壁安装有温度传感器（5）、监控摄像头（6）、风扇（9）、U型管（32）、压力传感器（10）和湿度传感器（30）；监控摄像头（6）可实时监控植物呼吸室（3）内部的植物样品和固件设备运行情况；风扇9可以给植物呼吸室通风并混匀内部气体；湿度传感器（30）通过PLC控制器（23）与第二气阀（26）和第三气阀（27）连接， 当植物呼吸室（3）内部湿度高于设定值，PLC控制器（23）自动控制打开第二气阀（26），同时关闭第三气阀（27），此时气体流动经过干燥管（31）可有效降低植物呼吸室（3）内部湿度逐渐达到设定值；当植物呼吸室（3）内部湿度低于设定值时，PLC控制器（23）自动控制打开第三气阀（27），同时关闭第二气阀（26），此时气流不经过干燥管（31）从而有效增加植物呼吸室（3）内部湿度逐渐达到设定值；U型管（32）内部装有适量的水，其作用是检查植物呼吸作用实验装置是否漏气；所述水冷板（2），位于植物呼吸室（3）底部，内部均匀排布不锈钢水管，外部包裹保温棉，水管直径为5～20mm；所述硅胶塞（19），硬度为30～100A；所述硅胶塞（25），硬度为40～90A。 

4.根据权利要求1所述的一种测定植物呼吸作用的实验装置及其方法，可实时控制的CO₂吸收测定单元（22），由CO₂收集瓶（15）和注射器（13）组成，CO₂收集瓶（15）上部使用硅胶塞（25）密封，硅胶塞（25）分别连接进气管第一气阀（17）、出气管第二气阀（26）及第三气阀（27），第二气阀（26）和第三气阀（27）通过一个三通接口连接，连接第一气阀（17）进气管一端通过硅胶塞（25）插入CO₂收集瓶（15）内部盛放的Ba(OH)₂溶液和少量正丁醇混合溶液（14）中，其中正丁醇可增加CO₂吸收效率，另一端与植物呼吸室（3）底部连通；连接第二气阀（26）和第三气阀（27）出气管一端通过硅胶塞（25）进入CO₂收集瓶（15）上部即可，另一端与植物呼吸室（3）上部连通；CO₂收集瓶（15）侧壁装有硅胶膜固定注射器（13），注射器（13）中含有一定浓度的H₂C₂O₄溶液；当定时测量完成后关闭第一气阀17、第二气阀26和第三气阀27，同时打开第五气阀34，注射器（13）缓慢注入一定量H₂C₂O₄溶液，中和Ba(OH)₂溶液和少量正丁醇混合溶液14中Ba(OH)₂吸收CO₂产生的白色沉淀，滴定并计算呼吸作用产生的CO₂含量；上述所用的Ba(OH)₂溶液和少量正丁醇混合溶液（14），其中Ba(OH)₂溶液浓度为0.1～1.0mol/L，体积为0.01～1.0L；正丁醇加入体积为0.1～1mL；上述所用的H₂C₂O₄溶液浓度为0.05～0.5mol/L；所述干燥管29和干燥管31，盛装无水硫酸铜颗粒。 

5.一种测定植物呼吸作用的实验方法，使用如权利要求1所述的一种测定植物呼吸作用的实验装置，其特征在于，包括以下操作步骤： 

（1）实验装置的气密性检查 

按照图1所示，首先，关闭PLC控制器（23）和压强传感器（10）的连接；其次，关闭第一气阀（17）、第二气阀（26）、第三气阀（27）、第五气阀（34）和排气阀门（8），打开第四气阀（33）；最后，打开进气阀门（18）和进气泵（11）持续约2s～100s后，此时U型管（32）中水的液位上升，关闭进气阀门（18）和进气泵（11），静止等待5～15min后，如果U型管（32）中水的液位没有改变，说明整个系统气密性良好，否则应检查各接口是否漏气；检测完毕后关闭第四气阀（33），保持植物呼吸室（3）内部处于不漏气状态。 

（2）植物呼吸室平衡 

准确称量所要测定待测植物样品重量（m），将材料放入植物呼吸室（3），打开排气阀门（8）、进气阀 门（18）和进气泵（11）持续运行5～30min后，排气口（7）持续进行排气使植物呼吸室（3）中充满不含CO₂气体的空气载气后，关闭排气阀门（8）、进气阀门（18）和进气泵（11），打开PLC控制器（23）和压强传感器（10）、温度传感器（5）和湿度传感器（30）的连接，打开气泵（28）、第一气阀（17）和第三气阀（27）准备开始实验。 

（3）空白测定 

用移液管吸取一定量的Ba(OH)2溶液和少量正丁醇混合溶液（14），稍微摇晃混匀，然后加入酚酞指示剂2滴，最后用一定浓度的H₂C₂O₄溶液滴定至粉红色消失即为终点，记录滴定量，重复三次，取平均值，即为空白滴定量（V₁），所述Ba(OH)₂溶液和少量正丁醇混合溶液、酚酞指示剂和H₂C₂O₄溶液的体积和浓度与实验装置中可实时控制的CO₂吸收测定单元（22）中各溶液保持一致。 

（4）样品测定 

当植物呼吸室气体平衡后即可开始实验，设定一定时间（t）后准确计时，设定实验时间计时到，使用注射器（13）注射酚酞指示剂2滴，再用一定浓度的H₂C₂O₄溶液滴定，操作同空白滴定，记录滴定量（V₂）；实验期间，植物呼吸室（3）内部的温度传感器（5）、湿度传感器（30）和压强传感器（10）可以通过反馈信号由PLC控制器（23）全自动控制植物呼吸室（3）内部的温湿度和压强，为植物提供一个稳定良好的环境，提高实验的精确性。 

（5）结果计算方法 

呼吸强度以每小时每千克植物样品释放的CO₂的质量表示，计算公式如下： 

呼吸强度（mg·kg^-1·s^-1）=（V₁-V₂）×c×22／m·t 

式中c——H₂C₂O₄溶液物质的量浓度，mol/L； 

V₁——空白滴定中草酸溶液用量，mL； 

V2——测定滴定中草酸溶液用量，mL； 

m——植物样品质量，Kg； 

t——测定时间，s； 

22——测定中NaOH与CO₂的质量转换数（=44/2，“44”为CO₂摩尔质量，“2”指吸收过程中消耗2mol NaOH相当吸收1mol CO₂的量）。