CN104634936A - 一种用于测量河流底栖藻类演替规律的模拟装置 - Google Patents

一种用于测量河流底栖藻类演替规律的模拟装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于测量河流底栖藻类演替规律的模拟装置，属于环境检测领域。它包括环形藻类培养液管和曝气装置，所述环形藻类培养液管的顶部设有开口，所述开口所在的这一段培养液管的管壁上分布有模拟河流人工底质，所述曝气装置的曝气头伸入到所述环形藻类培养液管内的培养液中。本发明的优点在于能方便、快速、有效地模拟测定外源营养盐（氮和磷等）对河流底栖藻类演替规律的影响，克服野外实验不确定性的缺点。本发明模拟装置可以同时模拟多条河流，能够满足不同营养盐（氮和磷等）负荷输入比较研究。

Description

一种用于测量河流底栖藻类演替规律的模拟装置
技术领域
    本发明涉及一种用于测量河流底栖藻类演替规律的模拟装置，属于环境监测领域。
背景技术
    由频繁的人类活动输入过量外源氮负荷引起的水生生态系统失衡，已成为全球范围内的水环境问题之一。其中，藻类作为湖泊、河流和湿地等水生生态系统初级生产者的重要组成部分，其正常的生理繁殖能产生跨营养级的效应，因而对水生生态系统的平衡和稳定具有重大意义。模拟研究外源氮负荷对河流生态系统藻类演替的调控逐渐成为实验室研究的热点，然而目前尚未见有关于这方面的模拟装置的报道。因此，设计并研究一种用于测量河流底栖藻类演替规律的模拟装置，不仅有利于系统地探索外源氮负荷对特定河流优势藻类演替的影响，揭示河流沉积物-水-藻类微界面发生的地球化学过程对污染物迁移转化的控制作用，更有利于探讨富营养化对水生生态系统潜在的经济和生态风险，具有重大的现实意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于测量河流底栖藻类演替规律的模拟装置。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：本发明用于测量河流底栖藻类演替规律的模拟装置包括环形藻类培养液管和曝气装置，所述环形藻类培养液管的顶部设有开口，所述开口所在的这一段培养液管的管壁上分布有模拟河流人工底质，所述曝气装置的曝气头伸入到所述环形藻类培养液管内的培养液中。
进一步地，本发明所述培养液的pH值为7，且所述培养液包含：浓度为0.01-0.02g/L 的Na2CO3，浓度为0.0375-0.075g/L 的MgSO4·7H2O，浓度为0.018-0.036g/L的CaCl2·2H2O，浓度为0-0.006g /L的柠檬酸，浓度为0-0.006g/L的柠檬酸铁铵，浓度为0-0.001g/L 的EDTANa2，浓度为0-28.6mg/L的 H3BO3，浓度为0-18.6mg/L 的MnCl2·4H2O，浓度为0-2.2mg/L的 ZnSO4·7H2O，浓度为0-3.9mg/L的 Na2MoO4·2H2O，浓度为0-0.8mg/L的 CuSO4·5H2O，浓度为0-0.5mg/L的 Co(NO3)2·5H2O。
进一步地，本发明所述培养液还包括浓度为0.3-1.5 g/L 的NaNO3。
进一步地，本发明所述培养液还包括浓度为0.04-0.08 g/L的 K2HPO4。
本发明的优点是能方便、快速、有效地测定外源营养盐对河流底栖藻类演替规律的影响，尤其适用于针对多条河流同时开展底栖藻类演替规律的比较研究。
（1）方便、快速、有效：针对氮、磷等外源营养盐对河流底栖藻类演替规律的影响，模拟装置顶部设有开口，方便添加一系列不同浓度的藻类营养液到环形藻类培养液管中；测定分析时直接从营养液管顶部取出管壁上分布的模拟河流人工底质，方便快捷，省去了野外实验来回采样分析的时间成本；模拟装置中的曝气头伸入到环形藻类培养液管中，可以有效模拟不同河流的流速条件，比锥形瓶等培养方法更有参考价值。
（2）本装置主要由一套环形藻类培养液管和曝气装置组成，在实际研究过程中，可以有多套环形藻类培养液管和曝气装置同时运行，因而非常适用于针对多条河流同时开展底栖藻类演替规律的比较研究。
附图说明
    图1为本发明的模拟装置的结构示意图；
    图2为图1的俯视图；
    图3为使用本发明的模拟装置模拟河流1的底栖藻类演替规律分布图；
    图4为使用本发明的模拟装置模拟河流2的底栖藻类演替规律分布图；
    图5为使用本发明的模拟装置模拟河流3的底栖藻类演替规律分布图；
    图6为使用本发明的模拟装置模拟河流4的底栖藻类演替规律分布图；
图7为使用本发明的模拟装置模拟河流5的底栖藻类演替规律分布图；
图中：1. 模拟河流人工底质、2.培养液、3. 环形藻类培养液管、4. 曝气泵、5. 环形藻类培养液管顶部的小孔、6. 曝气头、7.软管、8. 环形藻类培养液管顶部的底壁、9. 环形藻类培养液管的开口所在一段的侧壁、10. 环形藻类培养液管顶部的未设开口的部分、11. 环形藻类培养液管顶部的开口。
具体实施方式
本发明用于测量河流底栖藻类演替规律的模拟装置主要包括环形藻类培养液管3和曝气装置。其中，曝气装置由通过软管7连接的曝气泵4和曝气头6构成。曝气装置的曝气头6伸入到环形藻类培养液管内的培养液2中，从而为培养液2的流动提供动力。培养液2通常为待测河流的水样和/或藻类培养液。
如1和图2所示，环形藻类培养液管3的顶部一段设有开口11，以便通过该开口11将模拟河流人工底质1布置在开口11所在的这一段培养液管的管壁（包括底壁8和侧壁 9）上。
模拟河流人工底质1可以是石块、瓷砖片或者木头材质。开展研究时，可以将多套本发明模拟装置并排放置，每一套本发明模拟装置中的环形藻类培养液管3代表一条拟研究的模拟河流。分别从各环形藻类培养液管3的顶部开口11处分别加入待测河流的水样或者藻类培养液，并使水样或者藻类培养液的液面高出模拟河流人工底质1cm左右，同时启动各曝气泵4使水样匀速流动。
    本发明模拟装置中的模拟河流的数量可以根据研究需要设定多条。为满足实验数据的准确性要求，模拟河流的数量可以是3的倍数，每3条河流作为一组平行实验，每3条河流加入相同体积的培养液，比如，12条河流可以模拟4种不同浓度梯度的NaNO3或K2HPO4，更有利于研究不同营养盐负荷单一和复合输入的情景。
以下以具体实施例进一步说明本发明模拟装置。
实施例1：模拟河流1的底栖藻类演替规律
    往12套模拟装置的环形藻类培养液管3中分别加入4L河流1的水样，每个环形藻类培养液管3分别代表一条河流1。每3个模拟装置为一组，分别标记为对照组、实验组1、实验组2和实验组3。
进一步地，往对照组的环形藻类培养液管3中再加入40ml河流1的水样；往实验组1的环形藻类培养液管3中再加入10mL培养液和30ml河流1的水样2；往实验组2的环形藻类培养液管3中再加入20mL培养液和20ml河流1的水样；往实验组3的环形藻类培养液管3中再加入40mL培养液。
上述培养液的pH为7，其组成及质量-体积浓度如下：0.3g/L NaNO3，0.04g/L K2HPO4，0.036g/L CaCl2·2H2O，0.0375 g/L MgSO4·7H2O ，0.006g/L柠檬酸铁铵，0.02g/L Na2CO3，18.6mg/L MnCl2·4H2O，3.9mg/L Na2MoO4·2H2O，0.5mg/L Co(NO3)2·5H2O。
每套模拟装置的环形藻类培养液管3顶部开口11所在的那一段培养液管的底壁8和侧壁9上的模拟河流人工底质呈均匀分布。
培养一周后，从每个实验组和对照组的环形藻类培养液管3中随机取出5块模拟河流人工底质1，用硬毛牙刷将模拟河流人工底质11上附着物刷除并冲洗干净，然后按4%（v/v）的比例用甲醛溶液固定以便作进一步观察。
除硅藻外的其他藻类可直接在显微镜下统计细胞的个数并计算藻类的相对丰度。硅藻的定量分析用折射率为1.704的Naphrax封片胶制作硅藻永久玻片，做好的玻片在显微镜下用10×100的油镜进行镜检，每个玻片镜检的硅藻壳数量在600个左右。最后统计的河流1底栖藻类演替规律如图3所示。
根据图3的结果可知，对照组中各藻类相对丰度分别为硅藻（49.3%）、绿藻（30%）、蓝藻（0.7%）和其他藻类（20%）。经过不同浓度的外源营养盐培养一周后，各实验组藻类演替的规律不尽相同。其中，加入40mL培养液的实验组3中蓝藻相对丰度增长最明显，从0.7%增长为4%，实验组3中绿藻相对丰度最高为46%，硅藻降低最为明显，从49.3%降至22%；加入20mL培养液和20ml河流1水样的实验组2中绿藻增长最高，从30%增长为50%，蓝藻亦增长一倍左右为1.5%；加入10mL培养液和30ml河流1水样的实验组1藻类演替后相对丰度分别为绿藻（45%）>硅藻（39%）>其他（15%）>蓝藻（1%）。
实施例2：模拟河流2的底栖藻类演替规律
往12套模拟装置的环形藻类培养液管3中分别加入4L河流2的水样，每个环形藻类培养液管3分别代表一条河流2。每3个模拟装置为一组，分别标记为对照组、实验组1、实验组2和实验组3。
进一步地，往对照组的环形藻类培养液管3中再加入40ml河流2的水样；往实验组1的环形藻类培养液管3中再加入10mL培养液和30ml河流2的水样2；往实验组2的环形藻类培养液管3中再加入20mL培养液和20ml河流2的水样；往实验组3的环形藻类培养液管3中再加入40mL培养液。
上述培养液的pH为7，其组成及质量-体积浓度如下：0.3g/L NaNO3，0.08g/L K2HPO4，0.075g/L MgSO4·7H2O，0.018 g/L CaCl2·2H2O，0.01 g/L Na2CO3，0.006g /L柠檬酸，0.001g/L EDTANa2，28.6mg/L H3BO3，2.2mg/L ZnSO4·7H2O，0.8mg/L CuSO4·5H2O。
每套模拟装置的环形藻类培养液管3顶部开口11所在的那一段培养液管的底壁8和侧壁9上的模拟河流人工底质呈均匀分布。
培养一周后，从每个实验组和对照组的环形藻类培养液管3中随机取出5块模拟河流人工底质1，用硬毛牙刷将模拟河流人工底质11上附着物刷除并冲洗干净，然后按4%（v/v）的比例用甲醛溶液固定以便作进一步观察。
除硅藻外的其他藻类可直接在显微镜下统计细胞的个数并计算藻类的相对丰度。硅藻的定量分析用折射率为1.704的Naphrax封片胶制作硅藻永久玻片，做好的玻片在显微镜下用10×100的油镜进行镜检，每个玻片镜检的硅藻壳数量在600个左右。最后统计的河流2底栖藻类演替规律如图4所示。
根据图4的结果可知，对照组中各藻类相对丰度分别为硅藻（47.5%）、绿藻（42%）、蓝藻（0.5%）和其他藻类（10%）。经过不同浓度的外源营养盐培养一周后，各实验组藻类演替的规律不尽相同。其中，加入40mL培养液的实验组3中蓝藻相对丰度增长最明显，从0.5%增长为4.8%，实验组3中绿藻相对丰度最高为42%，和对照组持平；加入20mL培养液和20ml河流2水样的实验组2中绿藻增长最高，从42%增长为56%，蓝藻亦增长5倍左右为3.2%；加入10mL培养液和30ml河流2水样的实验组1硅藻增长最明显，从47.5%增长为66.4%，绿藻降低最明显，从42%降至32%。
实施例3：模拟河流3的底栖藻类演替规律
往12套模拟装置的环形藻类培养液管3中分别加入4L河流3的水样，每个环形藻类培养液管3分别代表一条河流3。每3个模拟装置为一组，分别标记为对照组、实验组1、实验组2和实验组3。
进一步地，往对照组的环形藻类培养液管3中再加入40ml河流3的水样；往实验组1的环形藻类培养液管3中再加入10mL培养液和30ml河流3的水样2；往实验组2的环形藻类培养液管3中再加入20mL培养液和20ml河流3的水样；往实验组3的环形藻类培养液管3中再加入40mL培养液。
上述培养液的pH为7，其组成及质量-体积浓度如下：1.5g/L NaNO3，0.04g/L K2HPO4，0.075g/L MgSO4·7H2O，0.036g/L CaCl2·2H2O，0.02g/L Na2CO3，0.6mg/L柠檬酸，0.006g/L柠檬酸铁铵，0.1mg/L EDTANa2， 0.3mg/L H3BO3，18.6mg/L MnCl2·4H2O，0.2mg/L ZnSO4·7H2O，3.9mg/L Na2MoO4·2H2O，0.1mg/L CuSO4·5H2O，0.5mg/L Co(NO3)2·5H2O。
每套模拟装置的环形藻类培养液管3顶部开口11所在的那一段培养液管的底壁8和侧壁9上的模拟河流人工底质呈均匀分布。
培养一周后，从每个实验组和对照组的环形藻类培养液管3中随机取出5块模拟河流人工底质1，用硬毛牙刷将模拟河流人工底质11上附着物刷除并冲洗干净，然后按4%（v/v）的比例用甲醛溶液固定以便作进一步观察。
除硅藻外的其他藻类可直接在显微镜下统计细胞的个数并计算藻类的相对丰度。硅藻的定量分析用折射率为1.704的Naphrax封片胶制作硅藻永久玻片，做好的玻片在显微镜下用10×100的油镜进行镜检，每个玻片镜检的硅藻壳数量在600个左右。最后统计的河流3底栖藻类演替规律如图5所示。
根据图5的结果可知，对照组中各藻类相对丰度分别为硅藻（44.6%）、绿藻（50%）、蓝藻（0.4%）和其他藻类（5%）。经过不同浓度的外源营养盐培养一周后，各实验组藻类演替的规律不尽相同。其中，加入40mL培养液的实验组3中蓝藻相对丰度增长最明显，从0.4%增长为12%，实验组3中绿藻相对丰度降低最为明显，从50%降至28%，硅藻的相对丰度和对照组持平，为44%；加入20mL培养液和20ml河流3水样的实验组2藻类演替后相对丰度分别为硅藻（45%）>绿藻（40%）>其他（10%）>蓝藻（5%）；加入10mL培养液和30ml河流3水样的实验组1硅藻有小幅度增加，从44.6%到50%，而绿藻从50%降至32%。
实施例4：模拟河流4的底栖藻类演替规律
往12套模拟装置的环形藻类培养液管3中分别加入4L河流4的水样，每个环形藻类培养液管3分别代表一条河流4。每3个模拟装置为一组，分别标记为对照组、实验组1、实验组2和实验组3。
进一步地，往对照组的环形藻类培养液管3中再加入40ml河流4的水样；往实验组1的环形藻类培养液管3中再加入10mL培养液和30ml河流4的水样2；往实验组2的环形藻类培养液管3中再加入20mL培养液和20ml河流4的水样；往实验组3的环形藻类培养液管3中再加入40mL培养液。
上述培养液的pH为7，其组成及质量-体积浓度如下：1.5g/L NaNO3，0.08g/L K2HPO4，0.075g/L MgSO4·7H2O，0.036g/L CaCl2·2H2O，0.02g/L Na2CO3，0.006g /L柠檬酸，0.6mg/L柠檬酸铁铵，0.001g/L EDTANa2， 28.6mg/L H3BO3，0.2mg/L MnCl2·4H2O，2.2mg/L ZnSO4·7H2O，0.4mg/L Na2MoO4·2H2O，0.8mg/L CuSO4·5H2O，0.05mg/L Co(NO3)2·5H2O。
每套模拟装置的环形藻类培养液管3顶部开口11所在的那一段培养液管的底壁8和侧壁9上的模拟河流人工底质呈均匀分布。
培养一周后，从每个实验组和对照组的环形藻类培养液管3中随机取出5块模拟河流人工底质1，用硬毛牙刷将模拟河流人工底质11上附着物刷除并冲洗干净，然后按4%（v/v）的比例用甲醛溶液固定以便作进一步观察。
除硅藻外的其他藻类可直接在显微镜下统计细胞的个数并计算藻类的相对丰度。硅藻的定量分析用折射率为1.704的Naphrax封片胶制作硅藻永久玻片，做好的玻片在显微镜下用10×100的油镜进行镜检，每个玻片镜检的硅藻壳数量在600个左右。最后统计的河流4底栖藻类演替规律如图6所示。
根据图6的结果可知，对照组中各藻类相对丰度分别为硅藻（32%）、绿藻（32%）、蓝藻（4%）和其他藻类（32%）。经过不同浓度的外源营养盐培养一周后，各实验组藻类演替的规律不尽相同。其中，加入40mL培养液的实验组3中蓝藻相对丰度增长最明显，从4%增长为15%，实验组3中硅藻相对丰度最高为37%；加入20mL培养液和20ml河流4水样的实验组2中硅藻降低最明显，从32%降低为11%，蓝藻亦增长比较明显，为12%；加入10mL培养液和30ml河流4水样的实验组1绿藻增长最为明显，从32%升至52%，硅藻则从32%降至16%。
实施例5：模拟河流5的底栖藻类演替规律
往12套模拟装置的环形藻类培养液管3中分别加入4L河流5的水样，每个环形藻类培养液管3分别代表一条河流5。每3个模拟装置为一组，分别标记为对照组、实验组1、实验组2和实验组3。
进一步地，往对照组的环形藻类培养液管3中再加入40ml河流5的水样；往实验组1的环形藻类培养液管3中再加入10mL培养液和30ml河流5的水样2；往实验组2的环形藻类培养液管3中再加入20mL培养液和20ml河流5的水样；往实验组3的环形藻类培养液管3中再加入40mL培养液。
上述培养液的pH为7，其组成及质量-体积浓度如下： 0.01g/L Na2CO3， 0.0375g/L MgSO4·7H2O和0.018g/L的CaCl2·2H2O。
每套模拟装置的环形藻类培养液管3顶部开口11所在的那一段培养液管的底壁8和侧壁9上的模拟河流人工底质呈均匀分布。
培养一周后，从每个实验组和对照组的环形藻类培养液管3中随机取出5块模拟河流人工底质1，用硬毛牙刷将模拟河流人工底质11上附着物刷除并冲洗干净，然后按4%（v/v）的比例用甲醛溶液固定以便作进一步观察。
除硅藻外的其他藻类可直接在显微镜下统计细胞的个数并计算藻类的相对丰度。硅藻的定量分析用折射率为1.704的Naphrax封片胶制作硅藻永久玻片，做好的玻片在显微镜下用10×100的油镜进行镜检，每个玻片镜检的硅藻壳数量在600个左右。最后统计的河流5底栖藻类演替规律如图7所示。
根据图7的结果可知，对照组中各藻类相对丰度分别为硅藻（40%）、绿藻（40%）、蓝藻（6%）和其他藻类（14%）。经过不同浓度的培养液添加培养一周后，由于未添加外源氮、磷营养盐，各实验组藻类组成比例没有显著差异。其中，各实验组中蓝藻的相对丰度为5-7%，而硅藻和绿藻分别为38-44%和41-45%。
综上，针对同一实施例，通过藻类相对丰度可以比较某条河流中的特定藻类对不同营养盐的响应差异，如果针对不同河流的实施例采用相同的营养盐比例，亦可纵向比较出多条河流底栖藻类演替规律对同种外源营养盐的响应差异。同时，本发明在实际应用中，可以克服野外实验不确定性和时空的限制，方便、快速、有效地测定和比较外源营养盐（氮和磷）对多条河流底栖藻类演替规律的影响。

Claims (4)

1. 一种用于测量河流底栖藻类演替规律的模拟装置，其特征在于：包括环形藻类培养液管（3）和曝气装置，所述环形藻类培养液管的顶部设有开口（11），所述开口所在的这一段培养液管的管壁上分布有模拟河流人工底质（1），所述曝气装置的曝气头（6）伸入到所述环形藻类培养液管内的培养液（2）中。
2. 根据要求1所述的模拟装置，其特征在于：所述培养液的pH值为7，且所述培养液包含：
浓度为0.01-0.02g/L 的Na2CO3，浓度为0.0375-0.075g/L 的MgSO4·7H2O，浓度为0.018-0.036g/L的CaCl2·2H2O，浓度为0-0.006g /L的柠檬酸，浓度为0-0.006g/L的柠檬酸铁铵，浓度为0-0.001g/L 的EDTANa2，浓度为0-28.6mg/L的 H3BO3，浓度为0-18.6mg/L 的MnCl2·4H2O，浓度为0-2.2mg/L的 ZnSO4·7H2O，浓度为0-3.9mg/L的 Na2MoO4·2H2O，浓度为0-0.8mg/L的 CuSO4·5H2O，浓度为0-0.5mg/L的 Co(NO3)2·5H2O。
3. 根据要求2所述的一种用于测量河流底栖藻类演替规律的模拟装置，其特征在于，所述培养液还包括：浓度为0.3-1.5 g/L 的NaNO3。
4. 根据要求2或3所述的模拟装置，其特征在于：所述培养液还包括浓度为0.04-0.08 g/L的 K2HPO4。
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