CN104597229B - 一种测定养殖生物沉积物降解的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种测定养殖生物沉积物降解的装置及方法，属于实验装置技术领域，它包括大圆筒、小圆筒、中央圆筒、圆盘、支架、磁转子和搅拌器；为研究水产养殖过程中养殖生物排泄的大量粪便的降解机制提供便利，本发明装置对生态学、磁动力学、生物学、形态学等学科进行交叉运用，可以对生物沉积物的降解过程，包括：生物沉积物降解速率、营养盐释放规律，以及降解过程生物沉积物形态变化进行直观可量化的测定。

Description

一种测定养殖生物沉积物降解的装置及方法

技术领域

本发明属于实验装置技术领域，具体地涉及一种测定养殖生物沉积物降解的装置及方法。

背景技术

我国是世界第一养殖大国,全国水产养殖面积8088.40千公顷，全国水产品总产量5907.68万吨。其中，养殖产量4288.36万吨，占总产量的72.59％，养殖鱼类产量2436.95万吨，甲壳类359.26万吨，贝类1234.32万吨，以上在养殖过程中可排泄大量粪便的养殖种类占养殖总产量的93.99％。

近年来，由于国内外水产品市场需求量日益增长的刺激，全国水产养殖在大量增加养殖面积的同时亦增加了养殖密度，在整个养殖周期内，生物沉积物(粪和假粪)是养殖生物的主要污染物。高密度养殖排泄的大量沉积物必然会对生态系统产生影响，进而影响养殖业自身的发展，养殖生物对海洋环境造成的影响主要通过生物沉积物和营养盐再生完成的。养殖生物不能全部利用所食用的食物，其中大部分以粪和假粪的形式排出，有报道称此比例可高达95％。以贝类为例，山东省桑沟湾养殖区，每公顷养殖面积的栉孔扇贝每天排粪量65.88公斤(干重)，一年排粪可达18520吨(干重)，加上其他养殖贝类的排粪，养殖区年产粪便量将近4万吨，这其中还不包括大量的假粪。大量的贝类粪便和假粪的沉积，改变了海底沉积物的成分，进而可能影响底栖生态环境，引起底栖动物种类大大减少，而耐缺氧的多毛类开始占优势。桑沟湾扇贝养殖后底栖动物种类数仅有59种，远少于养殖前的215种，同时软体动物的种类数大大降低，多毛类动物则占明显优势。

养殖生物形成的生物沉积物经矿化和再悬浮后又可使营养盐重新进入水体。而营养盐的再生是生物养殖污染的另一重要体现。生物性沉积导致了有机沉积物的增加，增加了氧的消耗，加速了硫的还原，增强了解氮作用。养殖生物的代谢活动可产生铵盐、磷酸盐等营养盐。因此，在浅海养殖区，由于养殖生物的排泄活动，增加了水体营养盐的浓度，能够引起藻类在春夏季的大量繁殖，极易形成赤潮灾害。但查阅相关文献，对生物沉积物的矿化速率及营养盐释放规律研究极少，为保持养殖水域生态稳定，水产养殖业的可持续发展，对生物沉积物降解规律的探究已迫在眉睫。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种测定养殖生物沉积物降解的装置及方法，为研究水产养殖过程中养殖生物排泄的大量粪便的降解机制提供便利，本发明装置对生态学、磁动力学、生物学、形态学等学科进行交叉运用，可以对生物沉积物的降解过程，包括：生物沉积物降解速率、营养盐释放规律，以及降解过程生物沉积物形态变化进行直观可量化的测定。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种测定养殖生物沉积物降解的装置，包括大圆筒、小圆筒、中央圆筒、圆盘、支架、磁转子和搅拌器；

所述的大圆筒为底端封闭，上端是敞开，大圆筒创造了一个相对独立的实验环境，避免实验过程受外界太大干扰；大圆筒内上下各放置一可拆卸的圆盘，圆盘中央具有一个大圆孔，大圆孔周边具有2-12个的小圆孔，所述的大圆筒内上下两圆盘上的大圆孔、小圆孔一一上下对应；

小圆筒上端开口，并配有橡胶塞封口使小圆筒封闭，小圆筒放置在两圆盘上下对应的小圆孔内，所述的圆盘是放置在大圆筒内的；小圆筒即为生物沉积物降解实验进行的容器；

所述的中央圆筒放置在两圆盘上下对应的大圆孔内；

所述的支架是由支柱两端各连接一个小圆盘组成，底端小圆盘起支撑作用，上端小圆盘可拆卸，上端小圆盘有透水孔，利于水体上下交换，支架竖直放置在小圆筒内，在小圆筒内支架的上端小圆盘上放置一个磁转子；

所述的搅拌器包括搅拌机主体、搅拌杆、搅拌扇片，搅拌扇片处加工固定有磁铁，搅拌机主体固定在中央圆筒上，搅拌杆深入中央圆筒底部，在搅拌机转动时由固定在搅拌扇片处的磁铁带动小圆筒中的磁转子转动，进而起到搅拌水流模拟原位海水涡流的作用。

进一步，所述的大圆筒的高40cm以上，内直径20cm以上。

进一步，所述的圆盘的直径与大圆筒的内直径相等，圆盘上大圆孔的直径为10-12cm，大圆孔周围的小圆孔直径为3-7cm。

进一步，用于封闭所述的小圆筒上端开口的橡胶塞上具有孔，孔处插有玻璃管，作为试验过程中与外界环境进行气体交换的出口。

进一步，所述的支架高度12-14cm，磁转子的直径0.5-1.2cm，长3.0-4.0cm，磁转子与固定在搅拌扇片处的磁铁处于相同的高度。

进一步，所述的小圆筒上带有刻度。

一种测定养殖生物沉积物降解的方法，将某种养殖生物沉积物小心添加到本发明装置的小圆筒内，每个小圆筒作为一个重复，同时设有对照组，开动搅拌器，固定在搅拌杆上的磁铁转动，从而带动小圆筒内的磁转子运动，进而起到搅拌水流模拟原位海水涡流的作用；通过测定不同时间小圆筒内海水的营养盐变化情况，对试验周期内的生物沉积物降解速率、营养盐释放规律进行测定。为测定生物沉积物在不同温度、pH、光照等条件下的降解规律可对圆筒中实验组样品进行相应的处理。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1、本养殖生物沉积物降解研究装置设计巧妙，整个实验过程处于封闭的大圆筒内，减少了外界环境对实验过程的干扰，沉积物的降解反应位于小圆筒内，本发明装置可以同时放置多个小圆筒，可以根据需要，使处于相同大环境条件下的多个生物沉积物降解小圆筒进行不同小环境条件下的生物沉积物降解探究，测量准确。

2、本法明通过磁动力驱动海水的设计可以模拟现场海区风浪及潮汐等水流波动交换，同时磁力搅拌器转速可以进行调节，根据现场海区的不同情况进行合理设定。尽可能使沉积物与原位海区处于相同的降解环境中。

3、本装置操作简便，可操作性强，整体携带方便，便需清理，可多次重复利用。

附图说明

图1本发明装置组装图：1、大圆筒，2、小圆筒，3、中央圆筒，4、圆盘，5、支架，6、磁转子；

图2搅拌器：12、搅拌机主体，13、搅拌杆，14、搅拌扇片，15、磁铁；

图3橡胶塞：16、孔；

图4圆盘与大圆筒组装图：7、大圆孔，8、小圆孔；

图5支架：9、支柱，10、小圆盘，11、透水孔；

图6沉积物降解对海水总氮含量的影响；

图7沉积物降解对海水总磷含量的影响；

图8沉积物降解对海水硅酸盐含量的影响；

图9沉积物降解对海水可溶性活性磷酸盐含量的影响；

图10沉积物降解对海水无机氮含量的影响。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。但本发明的保护范围不受实施例任何形式上的限制。

实施例1

一种测定养殖生物沉积物降解的装置，如图1、2、3、4、5所示，包括大圆筒1、小圆筒2、中央圆筒3、圆盘4、支架5、磁转子6和搅拌器；

所述的大圆筒为底端封闭，上端是敞开，大圆筒创造了一个相对独立的实验环境，避免实验过程受外界太大干扰；大圆筒内上下各放置一可拆卸的圆盘4，圆盘中央具有一个大圆孔7，大圆孔周边具有2-12个小圆孔8，所述的大圆筒内上下两圆盘4上的大圆孔7、小圆孔8一一上下对应；

小圆筒上端开口，并配有橡胶塞封口使小圆筒封闭，小圆筒放置在两圆盘上下对应的小圆孔内，所述的圆盘是放置在大圆筒内的；小圆筒即为生物沉积物降解实验进行的容器；

所述的中央圆筒放置在两圆盘上下对应的大圆孔内；

所述的支架是由支柱8两端各连接一个小圆盘10组成，底端小圆盘起支撑作用，上端小圆盘可拆卸，上端小圆盘有透水孔11，利于水体上下交换，支架竖直放置在小圆筒内，在小圆筒内支架的上端小圆盘上放置一个磁转子；

所述的搅拌器包括搅拌机主体、搅拌杆、搅拌扇片，搅拌扇片处加工固定有磁铁，搅拌机主体固定在中央圆筒上，搅拌杆深入中央圆筒底部，在搅拌机转动时由固定在搅拌扇片处的磁铁带动小圆筒中的磁转子转动，进而起到搅拌水流模拟原位海水涡流的作用。

所述的大圆筒的高40cm，内直径30cm。

所述的圆盘的直径与大圆筒的内直径相等，圆盘上大圆孔的直径为12cm，大圆孔周围的小圆孔直径为6cm。

用于封闭所述的小圆筒上端开口的橡胶塞上具有孔，孔处插有玻璃管，作为试验过程中与外界环境进行气体交换的出口。

所述的支架高度13cm，磁转子的直径0.87cm，长3.47cm，磁转子与固定在搅拌扇片处的磁铁处于相同的高度。

所述的小圆筒上带有刻度。

实施例2海参生物沉积物降解实验。

1、海参生物沉积物获取

在寻山集团育苗场养殖车间，取50只10±2cm的海参，在海参养殖池中悬浮一60目过滤网，将试验用海参置于过滤网上，暂养24小时使其适应实验环境，实验开始，实验条件均按照养殖车间正常养殖条件进行。24小时后，用虹吸法吸取过滤网上的海参沉积物。

2、实验步骤

实验设定3组处理，3次重复、一组空白对照。分别为(A)沉积物、(B)沉积物+充气、(C)仅含过滤海水。在上述降解装置小筒中分别注入500ml经0.45μm醋酸纤维素膜过滤的海水。用体积衡量的方法在A、B处理中分别加入25ml海参沉积物。首先将支架主体部分(支撑柱和底部小圆盘)放入小圆筒中。然后加海参沉积物，为避免沉积物在加入过程中被扰动悬浮在水中，沉积物用移液枪缓慢的插到小圆筒底部注入沉积物，然后将支架顶部小圆盘放入小圆筒，在每个小圆筒内的顶部小圆盘上放入一个磁转子。为保证每个小圆筒所处实验环境与自然水体相同，除搅拌器位于水面之上，将整个装置放到海水中，静止30min。实验开始，B组处理在实验过程中始终充气，所述的充气方法为：B组小圆筒上方的橡胶塞上具有2个孔16，1个孔处插有玻璃管，作为试验过程中与外界环境进行气体交换的出口，另一个孔插入充气管，对小圆筒内的实验海水进行充气，搅拌器转速设定200r/min。每过7天的上午9:00，关闭搅拌器，静置30min。取其中3个沉积物、3个沉积物+充气、2个对照组小圆筒的水样，水样经0.45um醋酸纤维素膜进行过滤，并回实验室测定各组水样中的营养盐含量。

3、实验结果

该实验于2013.11.5-2013.12.3在寻山集团育苗场育苗车间进行，实验过程中流水温度条件从15.3℃下降到8.9℃。试验周期内各小筒内温度相似，相差±0.2℃内。三组处理间DO差别明显，试验周期内A处理(沉积物)DO变化范围为3±1.5㎎/L、B处理(沉积物+充气)DO变化范围为11±0.5㎎/L、C处理(仅含过滤海水)DO变化范围为8.5±0.5㎎/L。详细实验结果如图6-10。

实验组A、B处理总氮含量与对照组C相比变化极为显著，实验周期内对照组总磷含量变化范围0.86-0.90㎎/L与0天初始值0.88㎎/L基本相同。而实验组最大值达到1.45㎎/L，含量几乎增加一倍。实验组总氮含量的总体变化趋势是前7天增长缓慢甚至出现降低的状况，之后含量迅速增加，然后增速逐渐放缓。在两个实验组之间，由于实验条件的不同海水中总氮含量也出现了较大的差异，整个实验过程中实验组A总氮增量0.35㎎/L远低于实验组B0.60㎎/L的增量(图6)。

总磷的的实验初始含量为3.88μmol/L，对照组4.27-4.70μmol/L的波动范围与初始值基本保持一致。实验组在开始阶段经历了快速增长后，增速趋于放缓。但总体增量要超过初始值3倍左右，沉积物的降解使海水总磷含量达到12μmol/L。同时从总磷的含量变化还可看出沉积物+充气处理总磷释放量及释放速率要高于只含沉积物处理组(图7)。

由图8可以看出，海参沉积物降解实验中，海水硅酸盐含量的变化规律与上述总氮含量的变化规律类似，实验组同样在开始阶段海水硅酸盐含量快速增加，之后增速渐渐减缓。总体达到170-206μmol/L。在此期间与之形成鲜明对比的是，对照组硅酸盐含量与初始值60.56μmol/L仅有±4.89μmol/L的变化。基本保持不变。实验组A、B之间在前7天第一次取样时差别不大，在7-28天，实验组B硅酸盐含量相较实验组增长更加显著。

可溶性活性磷酸盐含量是增加最为显著的海水营养盐成分(图9)，由初始阶段的0.0025μmol/L至实验结束时增加值0.23-0.26μmol/L，快速增加100倍左右。实验组A、B释放速率同样是呈现首先处于快速增长之后增速逐渐降低的态势。开始阶段实验组A、B可溶性活性磷酸盐在海水中含量较低因而不易区别，差别不大。在21天后，可以清晰的看到实验过程中充气的实验组B释放量大于实验组A。并且差距在逐渐增大。

无机氮为NH4+-N、NO3-N及NO2-N含量之和。

海参生物沉积物降解实验中无机氮的变化规律呈现与上述营养因子完全不同的规律(图10)，实验开始后，第七天对照组海水无机氮含量由16.19μmol/L降至10.67μmol/L，之后在轻微波动中保持基本稳定。实验组A、B中海水无机氮含量在最初由初始值突降至4-5μmol/L，在之后的实验中其含量又逐渐回升，但在实验周期内并没有恢复到初始值所处的浓度水平。在实验组A、B之间，充气处理B在下降阶段及之后的恢复阶段无机氮浓度水平都要比实验组A高。

经过具体实验验证可以看出，使用该生物沉积物降解装置可以极好的测定养殖生物所排泄粪便沉积物的降解特性，降解过程营养盐的释放规律及速率，同时该装置具有操作简捷、现场操作性强的特性。能够快速准确的对生物沉积物降解过程探究。

Claims (7)

1.一种测定养殖生物沉积物降解的装置，其特征在于它包括大圆筒(1)、小圆筒(2)、中央圆筒(3)、圆盘(4)、支架(5)、磁转子(6)和搅拌器；

所述的大圆筒为底端封闭，上端是敞开，大圆筒创造了一个独立的实验环境，避免实验过程受外界太大干扰；大圆筒内上下各放置一可拆卸的圆盘(4)，圆盘中央具有一个大圆孔(7)，大圆孔周边具有2-12个小圆孔(8)，所述的大圆筒内上下两圆盘(4)上的大圆孔(7)、小圆孔(8)一一上下对应；

小圆筒上端开口，并配有橡胶塞封口使小圆筒封闭，小圆筒放置在两圆盘上下对应的小圆孔内，所述的圆盘是放置在大圆筒内的；小圆筒即为生物沉积物降解实验进行的容器；

所述的中央圆筒放置在两圆盘上下对应的大圆孔内；

所述的支架是由支柱(8)两端各连接一个小圆盘(10)组成，底端小圆盘起支撑作用，上端小圆盘可拆卸，上端小圆盘有透水孔(11)，利于水体上下交换，支架竖直放置在小圆筒内，在小圆筒内支架的上端小圆盘上放置一个磁转子；

所述的搅拌器包括搅拌机主体、搅拌杆、搅拌扇片，搅拌扇片处加工固定有磁铁，搅拌机主体固定在中央圆筒上，搅拌杆深入中央圆筒底部，在搅拌机转动时由固定在搅拌扇片处的磁铁带动小圆筒中的磁转子转动，进而起到搅拌水流模拟原位海水涡流的作用。

2.根据权利要求1所述的一种测定养殖生物沉积物降解的装置，其特征在于所述的圆盘的直径与大圆筒的内直径相等，圆盘上大圆孔的直径为10-12cm，大圆孔周围的小圆孔直径为3-7cm。

3.根据权利要求1所述的一种测定养殖生物沉积物降解的装置，其特征在于用于封闭所述的小圆筒上端开口的橡胶塞上具有孔，孔处插有玻璃管，作为试验过程中与外界环境进行气体交换的出口。

4.根据权利要求1所述的一种测定养殖生物沉积物降解的装置，其特征在于所述的支架高度12-14cm，磁转子的直径0.5-1.2cm，长3.0-4.0cm，磁转子与固定在搅拌扇片处的磁铁处于相同的高度。

5.根据权利要求1所述的一种测定养殖生物沉积物降解的装置，其特征在于所述的小圆筒上带有刻度。

6.根据权利要求1所述的一种测定养殖生物沉积物降解的装置，其特征在于所述的大圆筒的高40cm以上，内直径20cm以上。

7.一种利用权利要求1-6任何一项所述的装置测定养殖生物沉积物降解的方法，其特征在于将某种养殖生物沉积物小心添加到本发明装置的小圆筒内，每个小圆筒作为一个重复，同时设有对照组，开动搅拌器，固定在搅拌杆上的磁铁转动，从而带动小圆筒内的磁转子运动，进而起到搅拌水流模拟原位海水涡流的作用；通过测定不同时间小圆筒内海水的营养盐变化情况，对试验周期内的生物沉积物降解速率、营养盐释放规律进行测定。