CN104459074B - 一种测定水体富营养化驱动力因子的实验方法 - Google Patents
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Abstract
一种测定水体富营养化驱动力因子的实验方法，取包含污泥以及各个水深处的水样，向其中接种藻液并进行为期10天的培养，测定水样中单位时间内藻密度的变化量，如果藻密度持续增大，则水体富营养化驱动力因子为正值，水体存在藻类爆发的风险；如果藻密度持续减小，则水体富营养化驱动力因子为负值，水体不利于藻类的生长繁殖；同时，单位时间内藻密度变化量越大，说明发生藻类大量繁殖的驱动力越大，水体的健康状况也越差；本发明利用取样工具，在取样阶段、过滤阶段和运行阶段组合搭配，实现了上述方法，本发明专利实用性强，运行效果好，能较为准确地测定水体富营养化驱动力因子。
Description
技术领域
本发明属于水体富营养化调研技术领域，特别涉及一种测定水体富营养化驱动力因子的实验方法。
背景技术
水体富营养化(eutrophication)是指由于大量的氮、磷等元素排入到流速缓慢、更新周期长的地表水体，使藻类等水生生物大量地生长繁殖，使有机物产生的速度远远超过消耗速度，水体中有机物积蓄，破坏水生生态平衡的过程。富营养化会影响水体的水质，会造成水的透明度降低，使得阳光难以穿透水层，从而影响水中植物的光合作用，可能造成溶解氧的过饱和状态。溶解氧的过饱和以及水中溶解氧少，都对水生动物有害，造成鱼类大量死亡。同时，因为水体富营养化，水体表面生长着以蓝藻、绿藻为优势种的大量水藻，形成一层“绿色浮渣”，致使底层堆积的有机物质在厌氧条件分解产生的有害气体和一些浮游生物产生的生物毒素也会伤害鱼类。
针对目前水体富营养化的现状，大多学者只是研究了水体中藻类的生长状况，包括藻类的种类和数量，与藻类生长情况密切相关的水质参数包括有机物以及氮磷等营养元素含量，以及水体中的藻类去除方法等内容。然而，一个水体是否健康，是否会发生富营养化，不仅与水中的有机物及氮磷等营养元素的含量有关，还与水体的流动状态及存在于天然水体和底泥中的生态系统类型密切相关。一个藻密度很高的水体可能由于系统水力状态和生态系统的变化变得不利于藻类的生长繁殖，目前藻密度低的水体也可能由于水利条件和生态系统的变化更有利于藻类的生长。因此，现有的水体富营养化的评价方法难以有效的表征天然水体发生富营养化的驱动作用。这种驱动作用我们用驱动力因子k来表示，驱动力因子k：单位时间内藻密度的变化量，
k＝(A-A’)/(B-B’)＝ΔA/ΔB。
其中：
A-表示第B天时主体反应器(3)中的藻密度。
A’-表示第B’天时主体反应器(3)中的藻密度。
ΔA-表示在时间段ΔB内主体反应器(3)中藻密度的变化量。
B，B’-表示观测天数，且B、B’∈(0,10)。
如果驱动力因子为正值则说明水体有利于藻类生长，即便水体目前没有发生富营养化，水体也会有向富营养化发展的趋势；反之，如果驱动力因子为负值则说明水体不利于藻类生长，即没有向富营养化发展的趋势。驱动力因子越大则水体发生藻类爆发的风险越大，反之则越小。
发明内容
为了完善现有水体富营养化的评价方法，本发明的目的在于提供一种测定水体富营养化驱动力因子k的实验方法，在模拟天然水体及保留原来生态群落结构的基础上，能较准确的测定水体富营养化驱动力因子k的大小，填补了这项技术的空白，能给学者今后更好地研究水体富营养化问题提供一些帮助和依据。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种测定水体富营养化驱动力因子的实验方法，取包含污泥以及各个水深处的水样，向其中接种藻液，测定水样中单位时间内藻密度的变化量；如果藻密度持续增大，则水体富营养化驱动力因子为正值，如果藻密度持续减小，则水体富营养化驱动力因子为负值；单位时间内藻密度的变化量越大表明水体发生藻类大量繁殖的驱动力越强。
其中接种藻液后可进行为期10天的培养，然后再进行测定。水体富营养化驱动力因子为正值时，表明水体存在藻类爆发的风险；水体富营养化驱动力因子为负值时，表明水体不利于藻类的生长繁殖。发生藻类大量繁殖的驱动力越强则表明水体的健康状况也越差。
优选地，所述水样在获取之后，使其混合均匀，然后过滤使水样不含藻类及浮游生物，之后再向其中接种藻溶液。所述藻液的接种量可以为每毫升水样中藻细胞8-10个或50-60个；藻液的接种方法为：将处于对数生长期的小球藻细胞溶液稀释至浓度为9000个/ml，之后吸取并接种至水样中。
优选地，所述单位时间可以为1天。
优选地，接种藻液之后，通过水力循环系统，保持富营养化驱动力因子的测定过程的水力条件与天然水体的水力条件相同，例如，保持水力流动。
所述取水样的方法为：
利用不锈钢管1、渐扩管2和主体反应器3组成取样工具，不锈钢管1连接渐扩管2的窄口部，主体反应器3连接渐扩管2的阔口部，主体反应器3为圆柱形，位于取样工具的最下方，将取样工具垂直插进湖泊的底泥中，待取样工具进入泥层5-10cm时，缓缓从水中提出，此时取样工具中含有底泥及各个水深处的水样，取样结束。
所述主体反应器3上带有出水孔9，水样在获取之后，从出水孔9放出，在外部混合均匀，然后取下不锈钢管1，在渐扩管2与主体反应器3的连接处设置过滤结构4，将混合均匀的水样从渐扩管2的窄口部倒入，通过过滤结构4进行过滤，之后向主体反应器3中的水样接种藻液。
所述主体反应器3上带有进水孔8，进水孔8位于出水孔9的上方，且二者关于主体反应器3的中心轴对称，所述过滤过程中，关闭出水孔9，打开进水孔8且进水孔8通过连接管6与真空泵5连接，打开真空泵5直至过滤结束。
所述藻液接种后，打开进水孔8和出水孔9，将二者用带有抽水循环泵7的连接管6连接，打开抽水循环泵7，保持水样的流动，维持系统与天然水体具有相同的水力状态，直至最后一次测定完藻密度。
与现有技术相比，本发明设计合理，操作便捷，所取水样包含了水体层、底泥层，较好地模拟了天然生态水体，保证了装置有较好的取泥效果，同时保证了所取的水样包含了各个水深，而底泥和水体是按原有层次结构一次性的同时从天然水体中取出来的，保持了天然水体原有的生态系统不受破坏，从而使实验结果比较有代表性。本发明在模拟实际天然水体的基础上，能较准确地测定水体富营养化的驱动力因子，实用性强，运行效果好，通过水力循环系统，保持富营养化驱动力因子的测定过程的水力条件与天然水体的水力条件相同。
附图说明
图1是本发明取样工具结构示意图(整体)。
图2是本发明取样工具结构示意图(剖面)。
图3是本发明取样工具结构示意图(过滤阶段)。
图4是本发明取样工具结构示意图(运行阶段)。
图5是本发明实施例1中藻密度随时间的变化关系图。
图6是本发明实施例2中藻密度随时间的变化关系图。
图7是本发明实施例3中藻密度随时间的变化关系图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
本发明一种测定水体富营养化驱动力因子的实验方法，取包含污泥以及各个水深处的水样，向其中接种藻液并进行为期10天的培养，测定水样中单位时间内藻密度的变化量。
本发明首先需要最大限度地模拟实际的天然水体系统，因此需要保证取用包含污泥以及各个水深处的水样，可通过取样工具来完成。
该取样工具结构如图1和图2所示，包括不锈钢管1、渐扩管2和主体反应器3，不锈钢管1连接渐扩管2的窄口部，主体反应器3连接渐扩管2的阔口部，主体反应器3为圆柱形，分为上、下两部分，上部分为水体层，采用有机钢化玻璃材质，下部分为底泥层，采用不锈钢材质，内壁设置磨砂结构10，保证了能较好地固定所取的底泥，同时下部的泥层具有水封的作用，省去了同类产品复杂的水封结构。水体层上部开一个进水孔8、水体层下部开一个出水孔9，进水孔8与出水孔9关于主体反应器3的中心轴对称，主体反应器3的最底部有一圈垂直向下延伸的刀刃状结构11，保证了装置有较好的取泥效果。
本实施例的一种参数选择：
主体反应器3底径95mm、高215mm，进水孔8距离主体反应器3的水体层顶部20mm，出水孔9距离主体反应器3的下部底泥层顶部20mm，进水孔8、出水孔9外径均为15mm，主体反应器3底泥层的高度100mm、主体反应器3水体层的高度115mm，渐扩管2的底径95mm，高200mm，不锈钢圆管1的长度2000mm。
根据上述工具，本发明试验方法如下：
取样阶段：将进水孔8、出水孔9拧紧堵头，然后将取样工具垂直插进湖泊的底泥中，待取样工具进入泥层5-10cm时，缓缓从水中提出，此时取样工具已含有底泥及各个水深处的水样，取样结束。这种取样方式，由于主体反应器3中的水和底泥是按原有的层次结构一次性同时从自然水体中取出来的，所以可保持天然水体原有的生态系统不受破坏。
过滤阶段：取样结束后，将出水孔9的堵头拧开，使取样工具中的水样流出，并将流出来的水样混合均匀，等待过滤。过滤时，如图3所示，将可拆卸的不锈钢管1拆掉，在渐扩管2与主体反应器3的连接处安装过滤结构4，将出水孔9的堵头拧紧，将进水孔8的堵头拧下，并使进水孔8通过连接管6与真空泵5连接，将一定量的混合好的水样倒入渐扩管2中，打开真空泵5的开关，开始过滤，待渐扩管2中水过滤完，关闭真空泵5的开关，过滤结束。通过过滤，使得水样中不含藻类或其他浮游生物。
运行阶段：过滤结束后，将渐扩管2拆掉，将过滤结构4取出，并将藻液接种到主体反应器3中，接种结束后，如图4所示，将进水孔8、出水孔9的堵头拧开，使进水孔8、出水孔9通过连接管6与抽水循环泵7连接，运行时，打开抽水循环泵7的开关，保持主体反应器3中的水体流动即可。在装置正常运行阶段，每隔2-3天用显微镜数主体反应器3中水体的藻密度。
根据结果，如果藻密度持续增大，则水体富营养化驱动力因子为正值，说明水体存在藻类爆发的风险，有向富营养化发展的趋势，如果藻密度持续减小，则水体富营养化驱动力因子为负值，说明水体不利于藻类的生长繁殖，没有向富营养化发展的趋势，水体富营养化驱动力因子的大小代表了水体发生藻类爆发风险的大小。
以下为利用本发明专利来测定水体富营养化驱动力因子的实验：
实施例一
本实验所用的底泥、水样采自西安市汉城湖，接种的藻是处于对数生长期的小球藻，该藻购买于武汉水生所，用藻类计数框和光学显微镜数藻。
利用本发明采样装置进行采样，经计算所采底泥为400ml，水样900ml，将所采的900ml水样取出并混合均匀，然后过滤500ml混合均匀的水样，使过滤后的水样不含藻类及其他浮游生物，过滤结束后，等待接种藻细胞，具体步骤为：将处于对数生长期的小球藻细胞溶液稀释至密度为9000个/ml，然后吸取0.5ml藻密度为9000个/ml的藻溶液接种至反应器中，此时反应器中的藻密度为0.5*9000个/500ml＝9个/ml，接种结束，将反应器置于正常自然条件下，并使之正常运行。
反应器正常运行期间，每隔2-3天观测一次藻细胞密度，数藻具体步骤为：在反应器中用100μl的移液枪吸取100μl含藻溶液，并将所吸取的藻溶液滴入藻类计数板中，慢慢盖上盖玻片，此过程要避免藻类计数框中形成气泡，然后将藻类计数框置于光学显微镜下数藻即可，图5为本实验反应器中藻密度随时间的变化关系图。
由图5可知：藻密度随时间的变化关系为y＝8.0867x+11.514，其中斜率即水体富营养化驱动力因子k1＝8.0867，可知水体富营养化的驱动力因子为正值，水体存在藻类爆发的风险，有向富营养化发展的趋势。
实施例二
本实验所用的底泥、水样采自西安市黑河水库，本实验中水样的采集，藻的接种以及藻密度的观测均与实施例一中的方法一致，在此不做赘述，本实验反应器接种的藻初始密度为9个/ml，图6为本次实验反应器中藻密度随时间的变化关系图。
由图6可知：藻密度随时间的变化关系为：y＝4.0411x+7.9778,其中斜率即水体富营养化驱动力因子k2＝4.0411，可知水体富营养化的驱动力因子为正值，水体存在藻类爆发的风险，有向富营养化发展的趋势。
实施例三
本实验所用的底泥、水样采自西安市地下水，本实验中水样的采集，藻的接种以及藻密度的观测均与实施例一、二中的方法一致，在此不做赘述，本实验反应器接种的藻初始密度为56个/ml，图7为本次实验反应器中藻密度随时间的变化关系图。
由图7可知：藻密度随时间的变化关系为：y＝-5.7025x+55.994，其中斜率即水体富营养化驱动力因子k3＝-5.7025,可知水体富营养化驱动力因子为负值，水体不利于藻类的生长繁殖，没有向富营养化发展的趋势。
由以上三个实施例我们可得出：实施例一、二中水体的富营养化驱动力因子k1、k2为正值，水体存在藻类爆发的风险，k1>k2说明实施例一中的水体发生藻类大量繁殖的驱动力比实施例二中的大，即实施例一中水体的健康状况比实施例二中的差；实施例三中水体的富营养化驱动力因子k3为负值，水体不利于藻类的生长繁殖，水体的健康状况也较好。
Claims (6)
1.一种测定水体富营养化驱动力因子的实验方法，其特征在于，取包含污泥以及各个水深处的水样，向其中接种藻液，测定水样中单位时间内藻密度的变化量；如果藻密度持续增大，则水体富营养化驱动力因子为正值，如果藻密度持续减小，则水体富营养化驱动力因子为负值；单位时间内藻密度的变化量越大表明水体发生藻类大量繁殖的驱动力越强；
所述取水样的方法为：
利用不锈钢管(1)、渐扩管(2)和主体反应器(3)组成取样工具，不锈钢管(1)连接渐扩管(2)的窄口部，主体反应器(3)连接渐扩管(2)的阔口部，主体反应器(3)为圆柱形，位于取样工具的最下方，将取样工具垂直插进湖泊的底泥中，待取样工具进入泥层5-10cm时，缓缓从水中提出，此时取样工具中含有底泥及各个水深处的水样，取样结束；
所述主体反应器(3)上带有出水孔(9)，水样在获取之后，从出水孔(9)放出，在外部混合均匀，然后取下不锈钢管(1)，在渐扩管(2)与主体反应器(3)的连接处设置过滤结构(4)，将混合均匀的水样从渐扩管(2)的窄口部倒入，通过过滤结构(4)进行过滤，之后向主体反应器(3)中的水样接种藻液；
所述主体反应器(3)上带有进水孔(8)，进水孔(8)位于出水孔(9)的上方，且二者关于主体反应器(3)的中心轴对称，所述过滤过程中，关闭出水孔(9)，打开进水孔(8)且进水孔(8)通过连接管(6)与真空泵(5)连接，打开真空泵(5)直至过滤结束；
所述藻液接种后，打开进水孔(8)和出水孔(9)，将二者用带有抽水循环泵(7)的连接管(6)连接，打开抽水循环泵(7)，维持系统与天然水体具有相同的水力状态，直至最后一次测定完藻密度。
2.根据权利要求1所述测定水体富营养化驱动力因子的实验方法，其特征在于，所述水样在获取之后，使其混合均匀，然后过滤使水样不含藻类及浮游生物，之后再向其中接种藻溶液。
3.根据权利要求2所述测定水体富营养化驱动力因子的实验方法，其特征在于，所述藻液的接种量为每毫升水样中藻细胞8-10个或50-60个。
4.根据权利要求1所述测定水体富营养化驱动力因子的实验方法，其特征在于，所述藻液的接种方法为：将处于对数生长期的小球藻细胞溶液稀释至浓度为9000个/ml，之后吸取并接种至水样中。
5.根据权利要求1所述测定水体富营养化驱动力因子的实验方法，其特征在于，所述单位时间为1天。
6.根据权利要求1所述测定水体富营养化驱动力因子的实验方法，其特征在于，接种藻液之后，通过水力循环系统，保持富营养化驱动力因子的测定过程的水力条件与天然水体的水力条件相同。
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