CN104777011B - 一种滩涂沉积物采集、原位生态模拟装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种滩涂沉积物采集、原位生态模拟装置及其方法。它包括滩涂沉积物采集装置和滩涂沉积物原位生态模拟装置，滩涂沉积物采集装置包括采样/模拟管、鼠夹式采样头、带提手采样管盖、普通采样管盖，其中鼠夹式采样头下部开有环形空腔，环形空腔内装有左布罩和右布罩，左布罩和右布罩下端分别连有左弧形夹环和右弧形夹环，左弧形夹环和右弧形夹环中间由两个复位扭转弹簧连接；滩涂沉积物原位生态模拟装置包括采样/模拟管、模拟管顶盖和陀螺形模拟管底座，滩涂沉积物采集装置和滩涂沉积物原位生态模拟装置共用采样/模拟管。本发明集滩涂沉积物采集与原位生态模拟于一身，能避免样品互混、空气接触等因素对原位生态模拟产生的影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种滩涂沉积物采集、原位生态模拟装置及其方法。
背景技术
滩涂包括海滩、河滩和湖滩，指水陆交界处有时被水淹，有时不被水淹的滩地。滩涂是人类活动对水体，特别是海洋，影响最直接也是最严重的地方，例如：沿海滩涂养殖对海滩造成严重的富营养化污染。此外，陆地产生的废水、废渣，甚至海运产生的污染物对海滩也有重要影响。
由于滩涂时淹、时不淹的特性，造成滩涂中溶解氧、氧化还原电位等环境理化因子周期性变化，使得各种微生物都能在滩涂中生存，滩涂沉积物微生物种群多样性非常高，这些微生物具有多种代谢特性，能够降解许多污染物。由于滩涂中环境因素随沉积物的深度影响很大，使不同生理特性的微生物占据不同的深度，所以滩涂沉积物中微生物种群、数量呈现垂直分布特性。同深度的微生物间存在竞争、共生、捕食等种间、种内关系，不同深度的微生物间也存在着间接的影响，例如：表层好氧菌消耗氧气，使得底层厌氧菌免受氧气的毒害。
为了研究滩涂沉积物中与深度有关的污染物分布情况、微生物代谢特性以及微生物间的相互关系，需要采集不同深度的沉积物样品，并且采样时要避免不同深度沉积物之间的互混，此外，底层厌氧沉积物要尽量减少接触空气。为更加受控地研究滩涂沉积物中物质转换、微生物代谢特性，需要实验室模拟原位生态条件。上文提到，滩涂沉积物具有显著的深度特性，原位生态模拟时需要保持沉积物原本的深度，应尽量少地改变沉积物间的相对位置。
目前，国内外已经研制开发了多种沉积物采样装置，如：重力采样器、活塞式采样器、连杆式采样器、冷冻式采样器以及钻进式采样器等。这些采样装置虽然可以用于滩涂沉积物的采集，然而存在样品易流失、泥层易互混等问题，更严重的问题是，若要对沉积物进行生态模拟试验，需要将样品转移至生态模拟装置内，在转移过程中，改变了沉积物的分层特性，并使底层沉积物接触了空气。所以，为方便而有效地研究滩涂沉积物内微生物的特性，设计一种新型的集样品采集和生态模拟为一体的工具很有必要。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中滩涂沉积物采样管与生态模拟柱分离导致生态模拟结果易受样品互混、空气接触等因素影响的不足，提供一种滩涂沉积物采集、原位生态模拟装置及其方法。
滩涂沉积物采集、原位生态模拟装置包括滩涂沉积物采集装置、滩涂沉积物原位生态模拟装置，滩涂沉积物采集装置包括采样/模拟管、鼠夹式采样头、带提手采样管盖、普通采样管盖、第一硅胶密封垫片、第二硅胶密封垫片、提手； 其中，鼠夹式采样头包括环形空腔、左三角形卡扣槽、右三角形卡扣槽、左弧形夹环、右弧形夹环、前复位扭转弹簧、后复位扭转弹簧、左弹簧片、右弹簧片、左触发板、右触发板、左布罩和右布罩，鼠夹式采样头上部内侧攻有内螺纹，下部中间开有环形空腔，下部左外壁开有左三角形卡扣槽，下部右外壁开有右三角形卡扣槽，环形空腔内装有左布罩和右布罩，左布罩上端固定于环形空腔的顶部，下端连有左弧形夹环，右布罩上端固定于环形空腔的顶部，下端连有右弧形夹环，左弧形夹环和右弧形夹环之间连接有前复位扭转弹簧和后复位扭转弹簧，左弧形夹环左上端固定有左弹簧片，左弹簧片上端连有左触发板，右弧形夹环右上端固定有右弹簧片，右弹簧片上端连有右触发板；带提手采样管盖上端设有提手，内壁攻有内螺纹，内部垫有第一硅胶密封垫片；普通采样管盖内壁攻有内螺纹，内部垫有第二硅胶密封垫片；滩涂沉积物原位生态模拟装置包括采样/模拟管、模拟管顶盖和陀螺形模拟管底座，模拟管顶盖包括上覆水取样管、气体取样管和第一硅胶密封圈，陀螺形模拟管底座包括模拟管底座进液口、模拟管底座出液口、不锈钢穿孔板、滤膜和第二硅胶密封圈； 滩涂沉积物采集装置和滩涂沉积物原位生态模拟装置共用采样/模拟管，采样/模拟管上下两端外侧攻有外螺纹；模拟管顶盖上插有上覆水取样管和气体取样管，内壁攻有内螺纹，内部垫有第一硅胶密封圈；陀螺形模拟管底座上部内壁攻有内螺纹，中间设有不锈钢穿孔板，不锈钢穿孔板上垫有滤膜和第二硅胶密封圈，不锈钢穿孔板将陀螺形模拟管底座分割成上、下两部分，下部分的下端设有模拟管底座进液口，右上端设有模拟管底座出液口。
所述的采样/模拟管为圆筒形，外径为20～100mm，壁厚为4～8mm，长度为200～2000mm，材质为亚克力。所述的鼠夹式采样头主体为圆筒形，其内径与采样/模拟管外径的差值为1～3mm，壁厚为5～15mm，长度为50～150mm，材质为不锈钢。所述的环形空腔为圆筒形，与鼠夹式采样头主体为同心圆筒，空腔厚度为3～9mm，长度与鼠夹式采样头主体长度的比值为0.3～0.5：1。所述的左弧形夹环和右弧形夹环整体为弧形，弧度为150～160°，纵截面为等腰直角三角形，直角边长与鼠夹式采样头主体厚度的比值为1.1～1.2：1。所述的左弹簧片和右弹簧片为方形，长度为10～15mm，宽度为8～12mm；左触发板和右触发板也为方形，长度为20～40mm，宽度为8～12mm。所述的陀螺形模拟管底座上部为圆筒形，内径与采样/模拟管外径的差值为1～3mm，壁厚为2～4mm，长度为15～30mm；下部的上段为圆筒形，内径与上部圆筒内径的比值为0.7～0.9：1，壁厚为2～4mm，长度为20～100mm；下部的下段为圆锥形壳体，侧边母线与轴线的夹角为30～60°。
滩涂沉积物采集、原位生态模拟方法是：首先，采样/模拟管下端螺纹处拧上鼠夹式采样头，鼠夹式采样头朝下，将采样/模拟管竖直插入泥滩沉积物至指定深度，固定采样/模拟管，并在上端螺纹处拧上带提手采样管盖，将采样/模拟管水平绕自身中心轴旋转45～90°，利用提手往上拔采样/模拟管，此时，周围沉积物对左触发板和右触发板的向下阻力使左弹簧片和右弹簧片往外侧弯曲，左三角形卡扣槽和右三角形卡扣槽处的卡扣被打开，左弧形夹环和右弧形夹环在前复位扭转弹簧和后复位扭转弹簧的作用力下合拢，使鼠夹式采样头关闭，将采样/模拟管从沉积物中拔出，完成采样；然后，拧下鼠夹式采样头，换上普通采样管盖，将采样/模拟管竖直放置，运输至实验室；最后，取下带提手采样管盖，加入硝酸盐和硫酸盐污染的上覆水，换上模拟管顶盖，取下普通采样管盖，换上陀螺形模拟管底座，在陀螺形模拟管底座内灌入含铵盐、甲烷污染物的下层水，竖直安置在20℃的恒温室内，模拟原位沉积物对污染物的降解情况，从而研究滩涂沉积物中微生物的代谢特性和相互关系。
发明与现有技术相比具有的有益效果：1）滩涂沉积物采样管与生态模拟柱合二为一，避免了样品互混、空气接触等因素对原位生态模拟产生不利影响；2）设计鼠夹式的采样头，采样时，利用杠杆原理促动触发板，使采样头下端封闭，避免拔采样管时样品流失；3）拔采样管前，装上带提手采样管盖，利用大气压持留样品，避免样品从采样头缝隙流失；4）设计陀螺形模拟管底座，用于模拟铵盐、甲烷等由下往上扩散的污染物降解情况。
附图说明
图1是本发明的滩涂沉积物采集装置的结构示意图；
图2是本发明的滩涂沉积物原位生态模拟装置的结构示意图；
图3是本发明的普通采样管盖的结构示意图；
图4(a)是本发明的鼠夹式采样头采样前的剖面图；
图4(b)是本发明的鼠夹式采样头采样前的俯视图；
图5是本发明的鼠夹式采样头采样后的示意图；
图中：采样/模拟管1、鼠夹式采样头2、带提手采样管盖3、普通采样管盖4、模拟管顶盖5、陀螺形模拟管底座6、第一硅胶密封垫片7、第二硅胶密封垫片8、上覆水取样管9、气体取样管10、第一硅胶密封圈11、环形空腔12、左三角形卡扣槽13、右三角形卡扣槽14、左弧形夹环15、右弧形夹环16、前复位扭转弹簧17、后复位扭转弹簧18、左弹簧片19、右弹簧片20、左触发板21、右触发板22、左布罩23、右布罩24、模拟管底座进液口25、模拟管底座出液口26、不锈钢穿孔板27、滤膜28、第二硅胶密封圈29、提手30。
具体实施方式
如图所示，滩涂沉积物采集、原位生态模拟装置包括滩涂沉积物采集装置、滩涂沉积物原位生态模拟装置，滩涂沉积物采集装置包括采样/模拟管1、鼠夹式采样头2、带提手采样管盖3、普通采样管盖4、第一硅胶密封垫片7、第二硅胶密封垫片8、提手30； 其中，鼠夹式采样头2包括环形空腔12、左三角形卡扣槽13、右三角形卡扣槽14、左弧形夹环15、右弧形夹环16、前复位扭转弹簧17、后复位扭转弹簧18、左弹簧片19、右弹簧片20、左触发板21、右触发板22、左布罩23和右布罩24，鼠夹式采样头2上部内侧攻有内螺纹，下部中间开有环形空腔12，下部左外壁开有左三角形卡扣槽13，下部右外壁开有右三角形卡扣槽14，环形空腔12内装有左布罩23和右布罩24，左布罩23上端固定于环形空腔12的顶部，下端连有左弧形夹环15，右布罩24上端固定于环形空腔12的顶部，下端连有右弧形夹环16，左弧形夹环15和右弧形夹环16之间连接有前复位扭转弹簧17和后复位扭转弹簧18，左弧形夹环15左上端固定有左弹簧片19，左弹簧片19上端连有左触发板21，右弧形夹环16右上端固定有右弹簧片20，右弹簧片20上端连有右触发板22；带提手采样管盖3上端设有提手30，内壁攻有内螺纹，内部垫有第一硅胶密封垫片7；普通采样管盖4内壁攻有内螺纹，内部垫有第二硅胶密封垫片8；滩涂沉积物原位生态模拟装置包括采样/模拟管1、模拟管顶盖5和陀螺形模拟管底座6，模拟管顶盖5包括上覆水取样管9、气体取样管10和第一硅胶密封圈11，陀螺形模拟管底座6包括模拟管底座进液口25、模拟管底座出液口26、不锈钢穿孔板27、滤膜28和第二硅胶密封圈29； 滩涂沉积物采集装置和滩涂沉积物原位生态模拟装置共用采样/模拟管1，采样/模拟管1上下两端外侧攻有外螺纹；模拟管顶盖5上插有上覆水取样管9和气体取样管10，内壁攻有内螺纹，内部垫有第一硅胶密封圈11；陀螺形模拟管底座6上部内壁攻有内螺纹，中间设有不锈钢穿孔板27，不锈钢穿孔板27上垫有滤膜28和第二硅胶密封圈29，不锈钢穿孔板27将陀螺形模拟管底座6分割成上、下两部分，下部分的下端设有模拟管底座进液口25，右上端设有模拟管底座出液口26。
所述的采样/模拟管1为圆筒形，外径为20～100mm，壁厚为4～8mm，长度为200～2000mm，材质为亚克力。所述的鼠夹式采样头2主体为圆筒形，其内径与采样/模拟管1外径的差值为1～3mm，壁厚为5～15mm，长度为50～150mm，材质为不锈钢。所述的环形空腔12为圆筒形，与鼠夹式采样头2主体为同心圆筒，空腔厚度为3～9mm，长度与鼠夹式采样头2主体长度的比值为0.3～0.5：1。所述的左弧形夹环15和右弧形夹环16整体为弧形，弧度为150～160°，纵截面为等腰直角三角形，直角边长与鼠夹式采样头2主体厚度的比值为1.1～1.2：1。所述的左弹簧片19和右弹簧片20为方形，长度为10～15mm，宽度为8～12mm；左触发板21和右触发板22也为方形，长度为20～40mm，宽度为8～12mm。所述的陀螺形模拟管底座6上部为圆筒形，内径与采样/模拟管1外径的差值为1～3mm，壁厚为2～4mm，长度为15～30mm；下部的上段为圆筒形，内径与上部圆筒内径的比值为0.7～0.9：1，壁厚为2～4mm，长度为20～100mm；下部的下段为圆锥形壳体，侧边母线与轴线的夹角为30～60°。
滩涂沉积物采集、原位生态模拟方法是：首先，采样/模拟管1下端螺纹处拧上鼠夹式采样头2，鼠夹式采样头2朝下，将采样/模拟管1竖直插入泥滩沉积物至指定深度，固定采样/模拟管1，并在上端螺纹处拧上带提手采样管盖3，将采样/模拟管1水平绕自身中心轴旋转45～90°，利用提手30往上拔采样/模拟管1，此时，周围沉积物对左触发板21和右触发板22的向下阻力使左弹簧片19和右弹簧片20往外侧弯曲，左三角形卡扣槽13和右三角形卡扣槽14处的卡扣被打开，左弧形夹环15和右弧形夹环16在前复位扭转弹簧17和后复位扭转弹簧18的作用力下合拢，使鼠夹式采样头2关闭，将采样/模拟管1从沉积物中拔出，完成采样；然后，拧下鼠夹式采样头2，换上普通采样管盖4，将采样/模拟管1竖直放置，运输至实验室；最后，取下带提手采样管盖3，加入硝酸盐和硫酸盐污染的上覆水，换上模拟管顶盖5，取下普通采样管盖4，换上陀螺形模拟管底座6，在陀螺形模拟管底座6内灌入含铵盐、甲烷污染物的下层水，竖直安置在20℃的恒温室内，模拟原位沉积物对污染物的降解情况，从而研究滩涂沉积物中微生物的代谢特性和相互关系。
Claims (8)
1.一种滩涂沉积物采集、原位生态模拟装置，其特征在于包括滩涂沉积物采集装置和滩涂沉积物原位生态模拟装置，滩涂沉积物采集装置包括采样/模拟管（1）、鼠夹式采样头（2）、带提手采样管盖（3）、普通采样管盖（4）、第一硅胶密封垫片（7）、第二硅胶密封垫片（8）、提手（30）； 其中，鼠夹式采样头（2）包括环形空腔（12）、左三角形卡扣槽（13）、右三角形卡扣槽（14）、左弧形夹环（15）、右弧形夹环（16）、前复位扭转弹簧（17）、后复位扭转弹簧（18）、左弹簧片（19）、右弹簧片（20）、左触发板（21）、右触发板（22）、左布罩（23）和右布罩（24），鼠夹式采样头（2）上部内侧攻有内螺纹，下部中间开有环形空腔（12），下部左外壁开有左三角形卡扣槽（13），下部右外壁开有右三角形卡扣槽（14），环形空腔（12）内装有左布罩（23）和右布罩（24），左布罩（23）上端固定于环形空腔（12）的顶部，下端连有左弧形夹环（15），右布罩（24）上端固定于环形空腔（12）的顶部，下端连有右弧形夹环（16），左弧形夹环（15）和右弧形夹环（16）之间连接有前复位扭转弹簧（17）和后复位扭转弹簧（18），左弧形夹环（15）左上端固定有左弹簧片（19），左弹簧片（19）上端连有左触发板（21），右弧形夹环（16）右上端固定有右弹簧片（20），右弹簧片（20）上端连有右触发板（22）；带提手采样管盖（3）上端设有提手（30），内壁攻有内螺纹，内部垫有第一硅胶密封垫片（7）；普通采样管盖（4）内壁攻有内螺纹，内部垫有第二硅胶密封垫片（8）；滩涂沉积物原位生态模拟装置包括采样/模拟管（1）、模拟管顶盖（5）和陀螺形模拟管底座（6），模拟管顶盖（5）包括上覆水取样管（9）、气体取样管（10）和第一硅胶密封圈（11），陀螺形模拟管底座（6）包括模拟管底座进液口（25）、模拟管底座出液口（26）、不锈钢穿孔板（27）、滤膜（28）和第二硅胶密封圈（29）；滩涂沉积物采集装置和滩涂沉积物原位生态模拟装置共用采样/模拟管（1），采样/模拟管（1）上下两端外侧攻有外螺纹；模拟管顶盖（5）上插有上覆水取样管（9）和气体取样管（10），内壁攻有内螺纹，内部垫有第一硅胶密封圈（11）；陀螺形模拟管底座（6）上部内壁攻有内螺纹，中间设有不锈钢穿孔板（27），不锈钢穿孔板（27）上垫有滤膜（28）和第二硅胶密封圈（29），不锈钢穿孔板（27）将陀螺形模拟管底座（6）分割成上、下两部分，下部分的下端设有模拟管底座进液口（25），右上端设有模拟管底座出液口（26）。
2.根据权利要求1所述的一种滩涂沉积物采集、原位生态模拟装置，其特征在于：所述的采样/模拟管（1）为圆筒形，外径为20～100mm，壁厚为4～8mm，长度为200～2000mm，材质为亚克力。
3.根据权利要求1所述的一种滩涂沉积物采集、原位生态模拟装置，其特征在于：所述的鼠夹式采样头（2）主体为圆筒形，其内径与采样/模拟管（1）外径的差值为1～3mm，壁厚为5～15mm，长度为50～150mm，材质为不锈钢。
4.根据权利要求1所述的一种滩涂沉积物采集、原位生态模拟装置，其特征在于：所述的环形空腔（12）为圆筒形，与鼠夹式采样头（2）主体为同心圆筒，空腔厚度为3～9mm，长度与鼠夹式采样头（2）主体长度的比值为0.3～0.5：1。
5.根据权利要求1所述的一种滩涂沉积物采集、原位生态模拟装置，其特征在于：所述的左弧形夹环（15）和右弧形夹环（16）整体为弧形，弧度为150～160°，纵截面为等腰直角三角形，直角边长与鼠夹式采样头（2）主体厚度的比值为1.1～1.2：1。
6.根据权利要求1所述的一种滩涂沉积物采集、原位生态模拟装置，其特征在于：所述的左弹簧片（19）和右弹簧片（20）为方形，长度为10～15mm，宽度为8～12mm；左触发板（21）和右触发板（22）也为方形，长度为20～40mm，宽度为8～12mm。
7.根据权利要求1所述的一种滩涂沉积物采集、原位生态模拟装置，其特征在于：所述的陀螺形模拟管底座（6）上部为圆筒形，内径与采样/模拟管（1）外径的差值为1～3mm，壁厚为2～4mm，长度为15～30mm；下部的上段为圆筒形，内径与上部圆筒内径的比值为0.7～0.9：1，壁厚为2～4mm，长度为20～100mm；下部的下段为圆锥形壳体，侧边母线与轴线的夹角为30～60°。
8.一种使用如权利要求1所述装置的滩涂沉积物采集、原位生态模拟方法，其特征在于：首先，采样/模拟管（1）下端螺纹处拧上鼠夹式采样头（2），鼠夹式采样头（2）朝下，将采样/模拟管（1）竖直插入泥滩沉积物至指定深度，固定采样/模拟管（1），并在上端螺纹处拧上带提手采样管盖（3），将采样/模拟管（1）水平绕自身中心轴旋转45～90°，利用提手（30）往上拔采样/模拟管（1），此时，周围沉积物对左触发板（21）和右触发板（22）的向下阻力使左弹簧片（19）和右弹簧片（20）往外侧弯曲，左三角形卡扣槽（13）和右三角形卡扣槽（14）处的卡扣被打开，左弧形夹环（15）和右弧形夹环（16）在前复位扭转弹簧（17）和后复位扭转弹簧（18）的作用力下合拢，使鼠夹式采样头（2）关闭，将采样/模拟管（1）从沉积物中拔出，完成采样；然后，拧下鼠夹式采样头（2），换上普通采样管盖（4），将采样/模拟管（1）竖直放置，运输至实验室；最后，取下带提手采样管盖（3），加入硝酸盐和硫酸盐污染的上覆水，换上模拟管顶盖（5），取下普通采样管盖（4），换上陀螺形模拟管底座（6），在陀螺形模拟管底座（6）内灌入含铵盐、甲烷污染物的下层水，竖直安置在20℃的恒温室内，模拟原位沉积物对污染物的降解情况，从而研究滩涂沉积物中微生物的代谢特性和相互关系。
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