CN107067927A - 一种藻类水平迁移模拟实验装置及模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种藻类水平迁移模拟实验装置，包括光照系统、风力系统、水下推流系统、上端开口的藻类迁移容器以及程序控制系统；所述光照系统设置在所述藻类迁移容器的底部和开口之间，用于模拟自然光照；所述风力系统设置在所述藻类迁移容器的开口处，用于吹动所述藻类迁移容器内的水体波动；所述水下推流系统设置在所述光照系统下方的所述藻类迁移容器的内壁上，用于改变水面下的水动力；所述程序控制系统分别连接所述光照系统、风力系统和水下推流系统，用于分别控制所述光照系统、风力系统和水下推流系统的作用强度、作用方向和/或作用时间。该装置能够模拟自然界的温度、光照、风向、风速和水动力，实现在室内对藻类水平迁移规律的研究。

Description

一种藻类水平迁移模拟实验装置及模拟方法

技术领域

本发明涉及生态工程技术领域，特别涉及一种藻类水平迁移模拟实验装置及模拟方法。

背景技术

每年春末夏初，随着气温的升高、光照的增强和风向风速等气候条件的改变，水体水-沉积物界面的理化性质和湖体的环境条件也发生了明显的变化，大量藻类细胞开始从湖底复苏并在有利的光照、温度和水动力学等条件下上浮至水体。由于受到水资源短缺和污水排放的影响，浅水湖泊水体的富营养化问题一直很突出，藻类水华的频繁暴发给城市建设和居民生活带来危害。为预防藻类水华的暴发，需要开展其发生机理与控制措施的相关研究。

藻类水华发生受理化因子和生物种类的影响，是多个环境因素在时间和空间上综合作用的结果。研究表明，营养物质、温度、光照、pH值及其他生物是影响藻类生长的重要因素。也有研究认为水动力和气象条件可通过影响湖泊水体的分层、混合与光照，进而直接或间接地影响藻类的细胞密度、种群组成和空间分布。然而，在野外不能获得单一环境因子与水华发生之间的关系，因此有必要开发一种室内藻类水平迁移模拟实验装置。

由于藻类“横向-纵向”迁移受到场地限制，目前研究进展尚没有用于室内藻类水平迁移的模拟装置可供借鉴，因此本发明旨在提供一种能够模拟自然光照、风速风向以及水动力等环境条件的装置，从而实现室内对自然藻类水平迁移的研究。

发明内容

为了弥补上述领域存在的不足，本发明提供一种藻类水平迁移模拟实验装置，能够模拟自然界的温度、光照、风向、风速和水动力，满足藻类水平迁移复杂实验设计需求，实现在室内对自然藻类水平迁移规律的研究。

一方面，本发明提供一种藻类水平迁移模拟实验装置，包括光照系统、风力系统、水下推流系统、上端开口的藻类迁移容器以及程序控制系统；

所述光照系统设置在所述藻类迁移容器的底部和开口之间，用于模拟自然光照；

所述风力系统设置在所述藻类迁移容器的开口处，用于吹动所述藻类迁移容器内的水体波动；

所述水下推流系统设置在所述光照系统下方的所述藻类迁移容器的内壁上，用于改变水面下的水动力；

所述程序控制系统分别连接所述光照系统、风力系统和水下推流系统，用于分别控制所述光照系统、风力系统和水下推流系统的作用强度、作用方向和/或作用时间。

所述光照系统通过控制电流强弱来实现自然光照强度的变化，能够模拟整个白天太阳光强弱变化规律。所述风力系统能够模拟自然风速，例如，采用每隔1～10秒进行脉冲式风速，同时每隔2～5秒摆动一次风力系统，即通过风力系统的旋转来模拟风向转换，从而实现空气动力的乱流功能，达到研究实验设计需求。所述水下推流系统可通过推流方向的改变，例如，每隔2～6秒使所述水下推流系统左右或者上下摆动一次，其中左右摆动角度在60°以内，上下摆动角度在90°以内，实现水下水动力的复杂模拟，达到藻类水平迁移复杂实验设计需求。所述藻类迁移容器用于承载水体，其大小能够满足藻类水平迁移实验的要求。所述程序控制系统可整体控制光照系统、风力系统和水下推流系统的运行程序，根据实验设计需要，设定光照、风速、水动力等参数，例如，控制光照强度范围在5lx～7000lx、风速强度范围在1～6级、水动力强度范围在0.05m/s～0.5m/s，并控制所述风力系统的风向转换和/或所述水下推流系统的水流方向转换，从而实现空气动力和水动力综合因素的复杂模拟，研究藻类水平迁移规律。

优选地，所述光照系统设置在高于所述藻类迁移容器内的水体液面30～50cm的位置；所述风力系统设置在高于所述藻类迁移容器内的水体液面60～120cm的位置；所述水下推流系统设置在低于所述藻类迁移容器内的水体液面20～30cm的位置。

所述光照系统、风力系统、水下推流系统与所述藻类迁移容器内液面之间的垂直距离决定了光照、风力和水动力是否能够有效作用于实验藻类，因此，为了准确模拟自然环境条件，发明人基于对藻类野外环境的大量考察、分析和统计数据，将所述光照系统优选设置在液面上方30～50cm的位置，所述风力系统优选设置在液面上方60～120cm的位置，所述水下推流系统优选设置在液面下20～30cm的位置。

优选地，所述光照系统包括多个对称布置的太阳灯，相邻的两个太阳灯之间的距离不小于30cm；和/或所述风力系统包括多个对称布置的鼓风机，相邻的两个鼓风机之间的距离不小于40cm；和/或所述水下推流系统包括多个对称布置的推流机，相邻的两个推流机之间的距离不小于25cm。

将所述太阳灯、鼓风机和/或推流机分别均匀布置，能够保证藻类水平迁移时所受到的光照、风力和/或水动力的均一性。

优选地，所述藻类迁移容器为有机玻璃箱体，长6m～10m、宽6m～10m、高1.6m～3.0m。

在一些实施例中，综合考虑实验结果的准确性、场地因素和研究成本，所述藻类迁移容器最优选采用有机玻璃制成长6m、宽6m、高1.6m的长方体。

优选地，所述光照系统包括9个太阳灯；所述风力系统包括8个鼓风机；所述水下推流系统包括8个推流机。

优选地，所述藻类迁移容器的底部设有支柱，用于支撑整个藻类迁移容器。

所述支柱用于支撑并抬高整个藻类迁移容器，方便观察藻类水平迁移过程。

优选地，所述藻类水平迁移模拟实验装置能够模拟的光照强度为5lx～7000lx、风速为1～6级、水流速度为0.05m/s～0.5m/s。

另一方面，本发明提供一种模拟藻类水平迁移的方法，采用任一上述的藻类水平迁移模拟实验装置，步骤如下：

(1)向所述藻类迁移容器中注入藻类培养液，液位高出所述水下推流系统20～30cm，然后放入实验藻类；

(2)开启所述程序控制系统并设定光照强度和光照时间，风速、风向和作用时间，以及水流速度、水流方向和作用时间；

(3)开始实验，并在不同时间点进行取样和/或观察。

采用本发明的藻类水平迁移模拟实验装置，能够准确模拟各种环境条件，用于研究光照、风速风向、水动力等因素中的单因子或多因子对藻类迁移的影响，满足不同实验要求和设计。所述实验藻类可以是任何藻类，所述藻类培养液能够为所述实验藻类提供生长、繁殖所需要的营养物质。

优选地，所述风向的模拟方法为：每隔1～10秒进行脉冲式鼓风，同时每隔2～5秒使所述风力系统摆动一次；所述水流方向的模拟方法为：每隔2～6秒使所述水下推流系统左右摆动或上下摆动一次，所述左右摆动的角度在60°以内，所述上下摆动的角度在90°以内。

经过大量的野外考察和实验研究发现，采用间隔1～10秒的脉冲式鼓风，间隔2～5秒的风向转换，可准确模拟自然环境下的风力风向；采用间隔2～6秒，60°以内的左右摆动或90°以内的上下摆动可准确模拟自然界中水流方向的转换，获得的实验数据更能反应自然环境中风力和水动力对藻类水平迁移的影响，使研究结果更具有参考性。

还在另一方面，本发明提供任一上述的藻类水平迁移模拟实验装置的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

采用上端开口的箱体作为藻类迁移容器；

在所述藻类迁移容器的底部和开口之间设置光照系统，用于模拟自然光照；

在所述藻类迁移容器的开口处设置风力系统，用于吹动所述藻类迁移容器内的水体波动；

在所述光照系统下方的所述藻类迁移容器的内壁上设置水下推流系统，用于改变水面下的水动力；

设置程序控制系统并分别连接所述光照系统、风力系统和水下推流系统，用于分别控制所述光照系统、风力系统和水下推流系统的作用强度、作用方向和/或作用时间。

附图说明

图1.藻类水平迁移模拟实验装置示意图，

其中，1-光照系统，2-风力系统，3-水下推流系统，4-藻类迁移容器，5-支柱，6-光照装置，7-程序控制系统。

图2.光照强度对藻类水平迁移的影响，

其中，横坐标为光照强度，纵坐标为藻类迁移实验3天后测定的藻类密度。

图3.风力对藻类水平迁移的影响，

其中，横坐标为风力等级，纵坐标为藻类迁移实验3天后在右观测点测定的藻类密度。

图4.水流速度对藻类水平迁移的影响，

其中，横坐标为水流速度，纵坐标为藻类迁移实验3天后测定的藻类密度。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明，需要理解的是，下述实施例仅作为解释和说明，不以任何方式限制本发明的范围。

以图1为例，本发明提供一种藻类水平迁移模拟实验装置，包括光照系统1、风力系统2、水下推流系统3、上端开口的藻类迁移容器4以及程序控制系统7；所述光照系统设置在所述藻类迁移容器的底部和开口之间，用于模拟自然光照；所述风力系统设置在所述藻类迁移容器的开口处，用于吹动所述藻类迁移容器内的水体波动；所述水下推流系统设置在所述光照系统下方的所述藻类迁移容器的内壁上，用于改变水面下的水动力；所述程序控制系统分别连接所述光照系统、风力系统和水下推流系统，用于分别控制所述光照系统、风力系统和水下推流系统的作用强度、作用方向和/或作用时间。

所述光照系统通过控制电流强弱来实现自然光照强度的变化，能够模拟整个白天太阳光强弱变化规律。所述风力系统能够模拟自然风速，例如，采用每隔1～10秒进行脉冲式风速，同时每隔2～5秒摆动一次风力系统，即通过风力系统的旋转来模拟风向转换，从而实现空气动力的乱流功能，达到研究实验设计需求。所述水下推流系统可通过推流方向的改变，例如，每隔2～6秒使所述水下推流系统左右或者上下摆动一次，其中左右摆动角度在60°以内，上下摆动角度在90°以内，实现水下水动力的复杂模拟，达到藻类水平迁移复杂实验设计需求。所述藻类迁移容器用于承载水体，可以是长方体、正方体、柱体或其它任何适合的形状，优选采用有机玻璃制成。所述程序控制系统整体控制光照系统、风力系统和水下推流系统的运行程序，根据实验设计需要，设定光照、风速、水动力等参数，例如，控制光照强度为5lx～7000lx、风力为1～6级、水流速度为0.05m/s～0.5m/s，并控制所述风力系统的风向转换和/或所述水下推流系统的水流方向转换，准确模拟所需环境，研究藻类水平迁移规律。

在一些实施例中，所述光照系统包括光照装置6和灯架，所述光照装置通过灯架固定在所述藻类迁移容器的侧壁上，也可以借助机械连接机构吊装在建筑物上。所述风力系统可通过支架固定在所述藻类迁移容器的侧壁上或合适的建筑物上。所述水下推流系统优选通过不锈钢铆钉结合玻璃胶密封方式固定在所述藻类迁移容器的内壁上。

在一些实施例中，所述光照系统优选设置在高于所述藻类迁移容器内的水体液面30～50cm的位置，更优选高于所述藻类迁移容器内的水体液面35～45cm的位置；所述风力系统优选设置在高于所述藻类迁移容器内的水体液面60～120cm的位置，更优选高于所述藻类迁移容器内的水体液面70～100cm的位置；所述水下推流系统优选设置在低于所述藻类迁移容器内的水体液面20～30cm的位置，更优选低于所述藻类迁移容器内的水体液面25～30cm的位置。

在一些实施例中，所述光照系统包括多个对称布置的太阳灯，相邻的两个太阳灯之间的距离不能小于30cm；和/或所述风力系统包括多个对称布置的鼓风机，相邻的两个鼓风机之间的距离不能小于40cm；和/或所述水下推流系统包括多个对称布置的推流机，相邻的两个推流机之间的距离为不能小于25cm。

在一些实施例中，将太阳灯安装在灯架上，将灯架的两端通过螺丝钉或其它连接方式固定在所述藻类迁移容器的侧壁上。在另一些实施例中，也可以将太阳灯吊装在建筑物或其它支撑结构上。

在一些实施例中，所述鼓风机和藻类迁移容器通过支架连接，所述支架通过螺丝钉或其它连接方式固定在所述藻类迁移容器的侧壁上。在另一些实施例中，也可以将鼓风机固定在建筑物或其它支撑结构上。

在另一些实施例中，也可以采用日光灯作为光源，使用风扇模拟自然风，利用曝气推流机制造水流。

在一些实施例中，所述程序控制系统可以分别控制每一个或每一组元件的作用强度、作用方向和/或作用时间。

在一些实施例中，所述藻类迁移容器为有机玻璃箱体，长6m～10m、宽6m～10m、高1.6m～3.0m，最优选为长6m、宽6m、高1.6m。

在一些实施例中，所述光照系统包括9个太阳灯；所述风力系统包括8个鼓风机；所述水下推流系统包括8个推流机。

在一些实施例中，所述藻类迁移容器的底部设有支柱5，使整个装置抬高，便于藻类迁移的观察和装置的搬运。

在另一些实施例中，所述藻类迁移容器底部没有支柱，可将藻类迁移容器放置在高度适于观察藻类水平迁移的支撑台上。

在一些实施例中，本发明的藻类水平迁移模拟实验装置可模拟的光照强度为5lx～7000lx、风速为1～6级、水流速度为0.05m/s～0.5m/s。

在本发明的一个具体实施例中，所述光照系统由9个太阳灯组成，用于模拟自然光照；所述风力系统由8个500瓦鼓风机组成，用于模拟自然风速和风向，吹动水体波动；所述水下推流系统由8个推流泵组成，用于改变水下动力；所述藻类迁移容器为长6m、宽6m、高1.6m的有机玻璃箱体，用于承载水体；所述程序控制系统由电源控制器和时程开关组成，用于控制太阳灯的光照强度和光照时间、鼓风机的风力和运转时间以及推流泵的作用强度和运转时长。太阳灯通过控制电流强弱实现自然光照强度的变化，比如整个白天太阳光强弱变化规律的模拟。鼓风机通过支架与有机玻璃箱体连接，能够进行旋转用于模拟风向转换，还能实现空气动力的乱流功能，已达到研究实验设计需求；所述推流机也能够通过推流方向的改变实现水下水动力的复杂模拟，达到藻类水平迁移复杂实验设计需求。

本发明还提供一种模拟藻类水平迁移的方法，采用任一上述的藻类水平迁移模拟实验装置，步骤如下：

(1)向所述藻类迁移容器中注入藻类培养液，液位高出所述水下推流系统20～30cm，然后放入实验藻类；

(2)开启所述程序控制系统并设定光照强度和光照时间，风速、风向和作用时间，以及水流速度、水流方向和作用时间；

(3)开始实验，并在不同时间点进行取样和/或观察。

在优选的实施例中，所述风向的模拟方法为：每隔1～10秒进行脉冲式鼓风，同时每隔2～5秒使风力系统摆动一次；所述水流方向的模拟方法为：每隔2～6秒使所述水下推流系统左右摆动或上下摆动一次，所述左右摆动的角度在60°以内，上下摆动的角度在90°以内。

本发明还提供任一上述的藻类水平迁移模拟实验装置的制备方法，包括如下步骤：

采用上端开口的箱体作为藻类迁移容器；

在所述藻类迁移容器的底部和开口之间设置光照系统，用于模拟自然光照；

在所述藻类迁移容器的开口处设置风力系统，用于吹动所述藻类迁移容器内的水体波动；

在所述光照系统下方的所述藻类迁移容器的内壁上设置水下推流系统，用于改变水面下的水动力；

设置程序控制系统并分别连接所述光照系统、风力系统和水下推流系统，用于分别控制所述光照系统、风力系统和水下推流系统的作用强度、作用方向和/或作用时间。

藻类水平迁移模拟实验

以下实验中未特别说明的生物化学试剂均为本领域常规试剂，可商购获得，规格为实验室纯级即可。

实验用藻类：采用《周连宁,王波,吴锋,等.培养条件对小球藻生长及油脂积累的影响研究[J].生物学杂志,2015(3):46-50.》文章中记载的小球藻作为实验种。

采用本发明的藻类水平迁移模拟实验装置和模拟藻类水平迁移的方法进行实验：

向所述藻类迁移容器中注入藻类培养液，液位高出所述水下推流系统25cm，然后放入实验用藻类小球藻，藻类培养液为水生6号培养液，具体配方为：藻类培养液按每升蒸馏水中加入土壤浸提液20ml、硝酸钙0.812g、硝酸钾0.506g、磷酸二氢钾0.136g(在配置过程中由于可溶性磷与土壤浸提液、硝酸钙、硫酸镁发生化学沉淀，开始实验时还需要对配置后的可溶性磷进行测定，使其浓度维持在1mg/L)、硫酸镁0.120g、酒石酸铁0.005g的比例配置藻类培养液。

土壤浸提液制作方法：取少量研究区岸边的土壤，加2～3倍去离子水，煮沸1个小时，冷却后用滤纸过滤后即可使用。

试验开始时测定原水样的藻密度，藻密度测定方法参照现有文献“于海燕，周斌，胡尊英，等.生物监测中叶绿素a浓度与藻类密度的关联性研究[J].中国环境监测，2009(06)：40-43.”中所记载的藻密度测定方法。

开启程序控制系统并设定实验参数，进行实验：

实验1：不同光照强度下藻类水平迁移模拟实验

设置5个平行实验，将光照强度分别设置为6200lx，5500lx，3650lx，2220lx和1210lx，室温维持在30摄氏度，无风，水体静止。开始实验，观测周期为30天，藻密度每3天观测并计数一次。

图2示出了实验3天后测定的藻密度，结果表明，在6200lx光照强度下藻类向表层富集密度最大，随着光照强度减弱，藻密度逐渐减小，由此可见，光照越强，藻类密度越大，越有利于藻类的水平迁移。

实验2：不同风力下藻类水平迁移模拟实验

设置5个平行实验，将风力等级分别设置为1级，1.5级，2级，2.5级，3级，每隔2秒鼓风一次，每次鼓风5秒，使风力系统的风从藻类迁移容器的左侧朝向右侧吹，室温维持在30摄氏度，光照强度为4000lx左右，水下推流系统不工作。开始实验，观测周期为30天，藻密度每3天观测并计数一次。

图3示出了实验3天后测定的藻密度，结果表明，风力越大，藻类密度越大，越有利于藻类的水平迁移。

实验3：不同水流速度下藻类水平迁移模拟实验

设置5个平行实验，将水流速度分别设置为0.05m/s、0.2m/s、0.3m/s、0.4m/s、0.5m/s，每隔2秒使水下推流系统左右摆动一次，所述左右摆动的角度在60°以内，室温维持在30摄氏度，光照强度为4000lx左右，无风。开始实验，观测周期为30天，藻密度每3天观测并计数一次。

图4示出了实验3天后测定的藻密度，结果表明，水流速度越大，水流末端水体藻类密度越大(即距离水下推流系统最远处)，越有利于藻类的水平迁移。

上述实验结果表明，本发明的藻类水平迁移模拟实验装置能够模拟自然环境下的光照、风力和水流，准确反应光照强度、风速和水流对藻类水平迁移的影响。

Claims (10)

1.一种藻类水平迁移模拟实验装置，其特征在于，包括光照系统、风力系统、水下推流系统、上端开口的藻类迁移容器以及程序控制系统；

所述光照系统设置在所述藻类迁移容器的底部和开口之间，用于模拟自然光照；

所述风力系统设置在所述藻类迁移容器的开口处，用于吹动所述藻类迁移容器内的水体波动；

所述水下推流系统设置在所述光照系统下方的所述藻类迁移容器的内壁上，用于改变水面下的水动力；

所述程序控制系统分别连接所述光照系统、风力系统和水下推流系统，用于分别控制所述光照系统、风力系统和水下推流系统的作用强度、作用方向和/或作用时间。

2.根据权利要求1所述的藻类水平迁移模拟实验装置，其特征在于，所述光照系统设置在高于所述藻类迁移容器内的水体液面30～50cm的位置；所述风力系统设置在高于所述藻类迁移容器内的水体液面60～120cm的位置；所述水下推流系统设置在低于所述藻类迁移容器内的水体液面20～30cm的位置。

3.根据权利要求1所述的藻类水平迁移模拟实验装置，其特征在于，所述光照系统包括多个对称布置的太阳灯，相邻的两个太阳灯之间的距离不小于30cm；和/或所述风力系统包括多个对称布置的鼓风机，相邻的两个鼓风机之间的距离不小于40cm；和/或所述水下推流系统包括多个对称布置的推流机，相邻的两个推流机之间的距离不小于25cm。

4.根据权利要求1所述的藻类水平迁移模拟实验装置，其特征在于，所述藻类迁移容器为有机玻璃箱体，长6m～10m、宽6m～10m、高1.6m～3.0m。

5.根据权利要求4所述的藻类水平迁移模拟实验装置，其特征在于，所述光照系统包括9个太阳灯；所述风力系统包括8个鼓风机；所述水下推流系统包括8个推流机。

6.根据权利要求1所述的藻类水平迁移模拟实验装置，其特征在于，所述藻类迁移容器的底部设有支柱，用于支撑整个藻类迁移容器。

7.根据权利要求1～6任一所述的藻类水平迁移模拟实验装置，其特征在于，所述藻类水平迁移模拟实验装置能够模拟的光照强度为5lx～7000lx、风速为1～6级、水流速度为0.05m/s～0.5m/s。

8.一种模拟藻类水平迁移的方法，其特征在于，采用权利要求1～7任一所述的藻类水平迁移模拟实验装置，步骤如下：

(1)向所述藻类迁移容器中注入藻类培养液，液位高出所述水下推流系统20～30cm，然后放入实验藻类；

(2)开启所述程序控制系统并设定光照强度和光照时间，风速、风向和作用时间，以及水流速度、水流方向和作用时间；

(3)开始实验，并在不同时间点进行取样和/或观察。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述风向的模拟方法为：每隔1～10秒进行脉冲式鼓风，同时每隔2～5秒使所述风力系统摆动一次；所述水流方向的模拟方法为：每隔2～6秒使所述水下推流系统左右摆动或上下摆动一次，所述左右摆动的角度在60°以内，所述上下摆动的角度在90°以内。

10.权利要求1～7任一所述的藻类水平迁移模拟实验装置的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

采用上端开口的箱体作为藻类迁移容器；

在所述藻类迁移容器的底部和开口之间设置光照系统，用于模拟自然光照；

在所述藻类迁移容器的开口处设置风力系统，用于吹动所述藻类迁移容器内的水体波动；

在所述光照系统下方的所述藻类迁移容器的内壁上设置水下推流系统，用于改变水面下的水动力；

设置程序控制系统并分别连接所述光照系统、风力系统和水下推流系统，用于分别控制所述光照系统、风力系统和水下推流系统的作用强度、作用方向和/或作用时间。