CN106969935B - 一种水下生物膜采集系统及采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水下生物膜采集系统及采集方法，水下生物膜采集系统包括下潜定位装置，附着装置和采集收集装置，下潜定位装置包括悬挂钢索和配重块，附着装置纵向悬挂于悬挂钢索下端，配重块悬挂于附着装置下方，为整套装置提供固定及寻址功能；附着装置主要部分是一个具有双空腔的壳体，其中稳定空腔提供吸附于物体表面的动力支持，收集空腔为生物膜的采集场所；采集收集装置是带有刮取刷的动力装置，下部空腔与外环境通孔兼具排水和生物膜收集作用。与现有技术相比，本发明的有益效果在于：可用于水库、大坝，桥墩等处水下部位表面生物膜的采集工作，结构紧凑，操作简单，拓展性强，采集效果优秀，可出色完成水下较深部位生物膜的采集工作。

Description

一种水下生物膜采集系统及采集方法

技术领域

本发明属于环境科学领域，涉及一种水下生物膜采集系统及采集方法。

背景技术

近年，随着微生物研究在各领域的不断深入，对于微生物的生存状态、群落结构及演替规律的探究已成为检测和评价水生生态系统健康状况及相关研究领域里最有效最直接的手段。相较于物理化学等检测方法，微生物检测可更加灵敏更加准确的表达不同影响因子，不同污染物等物质的影响。因而，微生物的检测方法已成生态评价和相关研究领域的重要研究分析手段。同时，微生物在水生环境中常常以生物膜的形式存在，依附于相应载体介质生长发育，因而对于微生物生物膜的采集需要根据研究内容的不同而使用不同的采集器械，采用不同的采集方式。其中水面以下平整面(如，水库，大坝，桥墩)的生物膜采集是现今阶段难以实现的采集过程，因此，在相应研究中，急需开发一种可用于水下生物膜的采集装置。

现有的采集方式中，常见以使用简单的器具如刀片，镊子等方式采集，多适用于表面或深度较浅的生物膜采集需要。与此同时，部分新设计的生物膜样品采集装置考虑到了水下生物膜的采集需求，申请号为201110434672.X，刘静玲等人研究开发了一种可用于水面下生物膜采集的野外生物膜采集器，但该发明对于水下生物膜的采集考量比较单一，无法准确针对某一表面的生物膜稳定高效的采集。

但目前就水面下生物膜的采集存在以下缺点：

(1)多数仍采用人工采集的方式，借助某些可下潜的器械，对水面以下深度较浅的部位进行生物膜等样品的采集且效率低下；

(2)水库或大坝等竖直潜深大、常年蓄水工作的建筑物水下表面无法下潜而难以采集。

发明内容

本发明的主要目的就是，构建一套完整、稳定、高效的水下生物膜采集系统及采集方法。

本发明是针对上述现有技术的不足，而提供一种可用于水下生物膜采集的稳定、高效的生物膜采集装置以及采集方法，此方法可以解决水下平整面生物膜采集困难和定点定性采集生物膜的要求。

为达到以上目的，本发明采用了如下技术方案：

一种水下生物膜采集系统，包括下潜定位装置，附着装置和采集收集装置，下潜定位装置包括悬挂钢索和配重块，附着装置纵向悬挂于悬挂钢索下端，配重块悬挂于附着装置下方，附着装置的纵截面呈帽状，包括帽体部和分置于帽体部两端的帽沿部，帽体部向内凹入的空腔为收集空腔，收集空腔外包覆一层供水流动的稳定空腔，稳定空腔贯通帽体部和分置于帽体部两端的帽沿部，稳定空腔的侧壁上连接水流入口管，稳定空腔位于帽沿部的两端分别设有水流出口，附着装置通过向稳定空腔两端的水流出口排水形成的负压吸附于目标墙壁的相应位置，采集收集装置包括电动机和旋桨式刷片，旋桨式刷片置于收集空腔内，旋桨式刷片的轴心套接于电动机的输出轴上，收集空腔的一侧壁连接冲洗管路，收集空腔的另一侧壁连接生物膜收集腔，水流入口管与冲洗管路分别与水泵连接。

下潜定位装置还包括绞盘、左定位钢索、右定位钢索、上定位桁架、下定位桁架和4个定位扣，其中2个定位扣分别固定在上定位桁架的两近端部，另外2个定位扣分别滑动连接在下定位桁架的两个滑轨上，配重块的数量为2块，附着装置的两侧分别设有通槽，左定位钢索、悬挂钢索和右定位钢索的上端均连接在绞盘上，上定位桁架与下定位桁架相互平行，且刚性连接，左定位钢索和右定位钢索分别依次穿过上定位桁架和下定位桁架上的定位扣，并向下分别穿过附着装置两侧的通槽，且于各自下端分别悬挂一个配重块，悬挂钢索与下定位桁架活动连接。冲洗管路位于生物膜收集腔的上游。

电动机的机身设于稳定空腔位于帽体部的外侧壁，电动机的输出轴伸入收集空腔内。

水流入口管连接于稳定空腔位于帽体部处的外侧壁上。

电动机通过工作电路与电源连接。

电动机设于密封防水的机箱内。

稳定空腔位于帽沿部的外侧壁上设有应力板。

一种水下生物膜采集系统的采集方法，包括以下步骤：

步骤一、将本系统下潜至目标位置：

先将上定位桁架固定于待测地点，旋松定位扣，使用绞盘将装置下潜至所需深度，达到下潜深度时，将位于下定位桁架上的2个定位扣同时拨动至滑轨的两外边侧，此时左定位钢索、右定位钢索和下定位桁架形成三角稳定结构，使附着装置稳定置于待测深度；

步骤二、通过附着装置吸附于目标位置的墙壁上：

由水泵抽水泵入水流入口管，稳定空腔内形成一定流速的水流，水流经稳定空腔两端的水流出口流出，此时稳定空腔内流速高，压强小，而稳定空腔外壁流速低，压强大，在水压强的作用下，附着装置将受到水平指向垂直平面的作用力，压住收集空腔并稳定于水下垂直平面的表面；

步骤三、通过采集收集装置采集生物膜：

电动机驱动旋桨式刷片转动，旋桨式刷片刮掉所附着面上的生物膜，生物膜碎片悬浮于收集空腔内，水泵抽水泵入冲洗管路，将收集空腔内的生物膜碎片悬浮液冲入生物膜收集腔内，完成生物膜收集。

本发明所达到的增益效果：

(1)本发明集成了水面下生物膜稳定采集过程中所需的定位，固定和自动化的功能，整套装置结构紧凑，操作简单，使用方便，能为相关研究方向样品的采集工作提供高效、稳定的技术支持。

(2)定位系统的整体使用，使得整套装置的适用性和可操作性大幅度提高，通过桁架、绞盘、悬挂配重的互相配合，使得作业深度大幅度提高，同时兼具稳定性与拓展特性。

(3)附着装置是本发明的重要组成部件，附着装置的设计，利用流体力学中伯努利方程，通过动力管路的水流供给，能够将采样装置紧靠在水下待取样面上，使后续采集收集工作更加准确与可行。

(4)采集收集装置为本发明提供了自动化的采集生物膜的装置，省去多余人工，高效率的进行样品采集工作。

附图说明

图1为本发明的水下生物膜采集系统的结构示意图；

图2为附着装置的纵向剖视图；

图3为附着装置内部水流流向及受力示意图；

图4为下潜定位装置下潜状态图；

图5为下潜定位装置定位状态图；

图6为附着装置的正面结构示意图；

图7为附着装置的吸附面的结构示意图；

图8为采集收集装置的结构示意图。

其中，1-下潜定位装置，2-附着装置，3-采集收集装置，4-下定位桁架，5- 滑轨，6-左定位钢索，7-悬挂钢索，8-右定位钢索，9-绞盘，10-配重块，11-收集空腔，12-稳定空腔，14-通槽，15-冲洗管路，16-水流入口管，17-工作电路，18-应力板，19-电动机，20-旋浆式刷片，21-生物膜收集腔，22-定位扣。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种水下生物膜采集系统，包括下潜定位装置1，附着装置2 和采集收集装置3，下潜定位装置1包括悬挂钢索7和配重块10，附着装置2纵向悬挂于悬挂钢索7下端，配重块10悬挂于附着装置2下方，下潜定位装置1提供了定位与寻址的基本功能。

如图2和图3所示，附着装置2的纵截面呈帽状，包括帽体部和分置于帽体部两端的帽沿部，帽体部向内凹入的空腔为收集空腔11，收集空腔11外包覆一层供水流动的稳定空腔12，稳定空腔12贯通帽体部和分置于帽体部两端的帽沿部，稳定空腔12的侧壁上连接水流入口管16，稳定空腔12位于帽沿部的两端分别设有水流出口，附着装置2通过向稳定空腔12两端的水流出口排水形成的负压吸附于目标墙壁的相应位置.

如图2和图8所示，采集收集装置3包括电动机19和旋桨式刷片20，旋桨式刷片20置于收集空腔11内，旋桨式刷片20的轴心套接于电动机19的输出轴上，收集空腔11的一侧壁连接冲洗管路15，收集空腔11的另一侧壁连接生物膜收集腔21，水流入口管16与冲洗管路15分别与水泵连接。

如图4和图5所示，下潜定位装置1还包括绞盘9、左定位钢索6、右定位钢索8、上定位桁架、下定位桁架4和4个定位扣22，其中2个定位扣22分别固定在上定位桁架的两近端部，另外2个定位扣22分别滑动连接在下定位桁架4的两个滑轨5上，配重块10的数量为2块，附着装置2的两侧分别设有通槽14，左定位钢索6、悬挂钢索7和右定位钢索8的上端均连接在绞盘9上，上定位桁架与下定位桁架4相互平行，且刚性连接，保证整套装置的稳定及可拓展性，左定位钢索6和右定位钢索8分别依次穿过上定位桁架和下定位桁架4上的定位扣22，并向下分别穿过附着装置2两侧的通槽，且于各自下端分别悬挂一个配重块 10，悬挂钢索7与下定位桁架4活动连接。

如图4所示，下定位桁架4与附着装置2之间的左定位钢索6和右定位钢索 8保持平行时，绞盘9可将附着装置2灵活下潜至下潜至所需深度。如图5所示，将位于下定位桁架4上的2个定位扣22同时拨动至滑轨5的两外边侧，此时左定位钢索6、右定位钢索8和下定位桁架4形成三角稳定结构，使得附着装置2 无法左右摆动，稳定置于待测深度，便于进行接下来的操作。

冲洗管路15位于生物膜收集腔21的上游。

电动机19的机身设于稳定空腔12位于帽体部的外侧壁，电动机19的输出轴伸入收集空腔11内。

水流入口管16连接于稳定空腔12位于帽体部处的外侧壁上。

电动机19通过工作电路17与电源连接。

电动机19设于密封防水的机箱内。

稳定空腔12位于帽沿部的外侧壁上设有应力板18。

一种水下生物膜采集系统的采集方法，包括以下步骤：

步骤一、将本系统下潜至目标位置：

先将上定位桁架固定于待测地点，旋松定位扣22，使用绞盘9将装置下潜至所需深度，达到下潜深度时，将位于下定位桁架4上的2个定位扣22同时拨动至滑轨5的两外边侧，此时左定位钢索6、右定位钢索8和下定位桁架4形成三角稳定结构，使附着装置2稳定置于待测深度；

步骤二、通过附着装置2吸附于目标位置的墙壁上：由水泵抽水泵入水流入口管16，稳定空腔12内形成一定流速的水流，水流经稳定空腔12两端的水流出口流出，根据伯努利流体力学方程可知，此时稳定空腔12内流速高，压强小，而稳定空腔12外壁流速低，压强大，在水压强的作用下，附着装置2将受到水平指向垂直平面的作用力，压住收集空腔11并稳定于水下垂直平面的表面；

步骤三、通过采集收集装置3采集生物膜：电动机19驱动旋桨式刷片20转动，旋桨式刷片20刮掉所附着面上的生物膜，生物膜碎片悬浮于收集空腔11内，水泵抽水泵入冲洗管路15，将收集空腔11内的生物膜碎片悬浮液冲入生物膜收集腔21内，完成生物膜收集。

需要再次指出的是，本发明提供了一种水下生物膜收集采集装置及相关方法但根据不同研究内容和采集样品的要求，对于整体装置的各系统尺寸均应根据实际情况加以调整改善，以求更搞笑，更稳定的完成水下生物膜的采集收集工作。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种水下生物膜采集系统，其特征在于：包括下潜定位装置（1），附着装置（2）和采集收集装置（3），下潜定位装置（1）包括悬挂钢索（7）和配重块（10），附着装置（2）纵向悬挂于悬挂钢索（7）下端，配重块（10）悬挂于附着装置（2）下方，附着装置（2）的纵截面呈帽状，包括帽体部和分置于帽体部两端的帽沿部，帽体部向内凹入的空腔为收集空腔（11），收集空腔（11）外包覆一层供水流动的稳定空腔（12），稳定空腔（12）贯通帽体部和分置于帽体部两端的帽沿部，稳定空腔（12）的侧壁上连接水流入口管（16），稳定空腔（12）位于帽沿部的两端分别设有水流出口，附着装置（2）通过向稳定空腔（12）两端的水流出口排水形成的负压吸附于目标墙壁的相应位置，采集收集装置（3）包括电动机（19）和旋桨式刷片（20），旋桨式刷片（20）置于收集空腔（11）内，旋桨式刷片（20）的轴心套接于电动机（19）的输出轴上，收集空腔（11）的一侧壁连接冲洗管路（15），收集空腔（11）的另一侧壁连接生物膜收集腔（21），水流入口管（16）与冲洗管路（15）分别与水泵连接。

2.如权利要求1所述的一种水下生物膜采集系统，其特征在于：下潜定位装置（1）还包括绞盘（9）、左定位钢索（6）、右定位钢索（8）、上定位桁架、下定位桁架（4）和4 个定位扣（22），其中2 个定位扣（22）分别固定在上定位桁架的两近端部，另外2 个定位扣（22）分别滑动连接在下定位桁架（4）的两个滑轨（5）上，配重块（10）的数量为2 块，附着装置（2）的两侧分别设有通槽，左定位钢索（6）、悬挂钢索（7）和右定位钢索（8）的上端均连接在绞盘（9）上，上定位桁架与下定位桁架（4）相互平行，且刚性连接，左定位钢索（6）和右定位钢索（8）分别依次穿过上定位桁架和下定位桁架（4）上的定位扣（22），并向下分别穿过附着装置（2）两侧的通槽，且于各自下端分别悬挂一个配重块（10），悬挂钢索（7）与下定位桁架（4）活动连接。

3.如权利要求1所述的一种水下生物膜采集系统，其特征在于：冲洗管路（15）位于生物膜收集腔（21）的上游。

4.如权利要求1所述的一种水下生物膜采集系统，其特征在于：电动机（19）的机身设于稳定空腔（12）位于帽体部的外侧壁，电动机（19）的输出轴伸入收集空腔（11）内。

5.如权利要求1所述的一种水下生物膜采集系统，其特征在于：水流入口管（16）连接于稳定空腔（12）位于帽体部处的外侧壁上。

6.如权利要求1所述的一种水下生物膜采集系统，其特征在于：电动机（19）通过工作电路（17）与电源连接。

7.如权利要求1所述的一种水下生物膜采集系统，其特征在于：电动机（19）设于密封防水的机箱内。

8.如权利要求1所述的一种水下生物膜采集系统，其特征在于：稳定空腔（12）位于帽沿部的外侧壁上设有应力板（18）。

9.如权利要求2所述的一种水下生物膜采集系统的采集方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、将本系统下潜至目标位置：

先将上定位桁架固定于待测地点，旋松定位扣（22），使用绞盘（9）将装置下潜至所需深度，达到下潜深度时，将位于下定位桁架（4）上的2 个定位扣（22）同时拨动至滑轨（5）的两外边侧，此时左定位钢索（6）、右定位钢索（8）和下定位桁架（4）形成三角稳定结构，使附着装置（2）稳定置于待测深度；

步骤二、通过附着装置（2）吸附于目标位置的墙壁上：由水泵抽水泵入水流入口管（16），稳定空腔（12）内形成一定流速的水流，水流经稳定空腔（12）两端的水流出口流出，此时稳定空腔（12）内流速高，压强小，而稳定空腔（12）外壁流速低，压强大，在水压强的作用下，附着装置（2）将受到水平指向垂直平面的作用力，压住收集空腔（11）并稳定于水下垂直平面的表面；

步骤三、通过采集收集装置（3）采集生物膜：电动机（19）驱动旋桨式刷片（20）转动，旋桨式刷片（20）刮掉所附着面上的生物膜，生物膜碎片悬浮于收集空腔（11）内，水泵抽水泵入冲洗管路（15），将收集空腔（11）内的生物膜碎片悬浮液冲入生物膜收集腔（21）内，完成生物膜收集。