CN108308013A - 一种大型钙化海藻室内循环水培养系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大型钙化海藻的室内循环水培养系统，包括一个多层不锈钢支架，中间两层并排摆放着若干培养箱，置于培养箱上端的进水口经输水管与抽水泵连接，各层培养箱上部设置的出水管向下伸入到装有过滤海绵的接水槽中，再通过水管与过滤池连接，构成循环水回路；各层培养箱上方的不锈钢支架上安装太阳灯；各层培养箱之间安装可拆卸的隔光板；培养箱里放置造浪泵和控温棒。本发明采用立体分层多通道连通培养箱结构，通过水阀控制海水流速自上而下不断循环，同时模拟自然海域的海浪，最大程度的利用空间、水温和光照等条件，提供不同的培养界面，以达到最真实的模拟大型钙化海藻自然生长环境，为探究钙化藻生长生理特性提供优质平台。

Description

一种大型钙化海藻室内循环水培养系统
技术领域
本发明属于海洋资源利用技术领域，涉及一种室内循环水培养系统，具体涉及一种大型钙化海藻室内可控环境因子循环水净化循环系统。
背景技术
海洋生态系统是地球三大生态系统之一，是地球能量平衡、气候调节以及地球生物化学循环的重要组成部分，更是生命的摇篮和人类资源宝库。近年来，由于工农业污染物的无序排放、超容量海水养殖活动、海洋矿产资源的无节制开采、渔业资源捕捞强度的不断增大和人类大型工程的开发等原因，海洋生态系统已发生严重退化。因此，国内外科研工作者针对如何保护和修复海洋环境与生物，展开了一系列研究。
大型海藻是海洋生态系统中重要的初级生产者之一，是海洋食物链的起点，而且参与了近岸海洋有机物质的循环，是构成海洋生物地球化学循环的重要组成部分。围绕大型海藻的研究逐渐成为国内外学者的关注热点，通过在室内培养系统模拟海区实况环境来探寻大型海藻生理生长特性是一种重要研究方法之一。然而，传统的水族箱培养存在着一系列的弊端，如水质易恶化、微生物滋生和水体透明度下降等，频繁的更换海水必然增加许多工作量，且难以模拟前场海况等。而现有的室内循环水多应用于商业生产活动，造价昂贵。而适用于室内科学研究的小型循环水培养装置则要求经济耐用、可模拟控制相关海区环境因子，如光照、水流和水温等，且能有效地净化水质。
发明专利内容
本发明的目的在于提供一种大型海藻室内循环水培养系统，既有利于藻类的生长和培育，又能对影响海藻生长的主要环境因子进行人工调控，同时该装置结构紧凑，减少室内空间占用率，材料成本相对较低。
为实现以上目的，本发明提出了以下的技术方案：
一种大型钙化海藻室内循环水培养系统，包括一不锈钢框架，所述框架由隔板间隔成若干层培养架界面，由上往下的第二层至倒数第二层，摆放若干排培养箱，最底层界面设置有过滤池，每层相邻两排的培养箱之间设置有接水槽，所述培养箱的上端设置有进水口与出水口，所述进水口连接有进水管，进水管上安装有阀门，通过阀门控制进水速度；所述出水口通过管道和接水槽连接，接水槽内设置有净化材料，形成第一道净化程序；接水槽通过水管和过滤池连接，所述过滤池内亦设置有净化材料，层层净化；
还包括双机组轮换供水系统，为整个培养系统提供水循环动力；
照明装置，所述照明装置安装于每层放置了培养箱的培养界面上部；
隔光装置，所述隔光装置安装于培养箱的培养界面和框架上的支架侧面；
供电系统，所述供电系统为整个循环水培养系统提供电力；
环境模拟装置，所述环境模拟装置与内接插座连接，以优化大型钙化海藻的培养环境，所述环境模拟装置包括造浪泵、充气装置、控温棒和CO2控制器，所述造浪泵、控温棒和CO2控制器设置于所述培养箱体内，所述充气装置设置于所述框架的顶层，所述充气装置通过充气管与培养箱连接，所述充气管上设置有进气阀门。
所述净化装置内的净化材料为活性炭/海绵/细碎沙石。
所述充气装置为装置提供的气体为空气。
所述隔光装置包括安装卡槽与隔光板，所述安装卡槽成对设置于上下两相邻的界面上，所述隔光板可拆卸并可滑动地设置于所述成对的安装卡槽内。
所述照明装置为太阳灯管，为钙化藻的生长提供全辐射光谱。
所述太阳灯管通过微电脑控制。
所述培养架界面由亚克力材料板构成。
所述过滤池包括一大滤池与一小滤池，所述小滤池设置于大滤池小格上方，所述接水槽通过水管与小滤池连接，所述小滤池内放置细碎沙石，所述大滤池分隔成长度不等的三格，在长度较小的两个隔间内放置有活性碳或海绵。
所述培养架的四根支撑柱下方分别安装有万向轮。
本发明有益效果：
采用立体多层次循环水培养结构，可以有效地利用室内空间；培养箱的每层通过隔离板，可以形成一个独立的培养单元，有利于培养过程中对光照强度的控制，同时可以造浪泵和控温棒调节水流和温度；适合不同环境梯度下大型钙化海藻的培养；
利用太阳灯为钙化藻的生长提供全辐射光谱，有利于促进海藻的光合作用和钙化作用；光照周期可以通过在微电脑装置上设置开关程序智能控制，减少人工时间，进一步优化大型钙化海藻的生长环境；
用于净化海水的材料易获取，主要由活性炭、细碎沙石和海绵等组成；净化装置可拆卸，方便使用过程中材料的更换；净化装置的增加可以最大程度上利用海水，减少人工清洗和增加更换的周期；
整套培养系统所需材料均可在市场上轻易获得，造价低廉；合理的空间结构可以为减少室内占地面积，提高空间利用率；在培养海水中添加钙化海藻生长所需的营养盐和钙镁离子等，以及充气装置的使用，为钙化藻的培养提供最佳条件。
附图说明
图1为本发明大型海藻室内循环水培养系统的结构示意图。
图2为本发明大型海藻室内循环水培养系统的主视图。
图3为本发明大型海藻室内循环水培养系统的侧视图。
图4为培养箱进水示意图。
图5为过滤池结构示意图。
图6为培养架界面结构示意图。
图7为不同温度条件下圆柱状仙掌藻的Chl a含量。
图8为不同温度条件下圆柱状仙掌藻的MDA和脯氨酸(Proline)含量图表。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。
一种大型钙化海藻室内循环水培养系统，包括一个4层不锈钢培养架10，在培养架的中间2层培养架界面11上，各并排摆放2排8个培养箱40，与充气装置接通，每层培养箱上端的进水管上设置有阀门，以控制进水流速；各层培养箱上部设置的出水管向下伸入到接水槽50中，接水槽50中装有海绵进行第一步过滤大颗粒物质，2层的接水槽50通过水管和过滤池60、循环水泵连接，构成一套完整的循环水回路；在各培养箱上方的培养架上纵向安装8根并联灯管20，每根灯管有独立的开关以控制光照强度；在培养架中间2层各设置6个可滑动的内隔光板，两个侧面各有2张可滑动的外隔光板，以控制局部光照强度。
该大型钙化海藻室内循环水培养系统的具体结构如下：
培养架10每层由4根横向和5根纵向的不锈钢管焊接而成，构成培养架的主要承重结构；培养架10四根支撑柱12下方分别安装有万向轮13，以方便移动。
培养架界面11每层由白色亚克力材料板构成；第二、第三和底层界面分别是有两块小亚克力板组合而成，以便组装和拆卸，为更好的和不锈钢架子嵌合，临近不锈钢架子的4个角分别有一个缺口。
光照装置包括培养架中间两层各有纵向排列的8根太阳灯管20，每根灯管独立开关，用于调节光照强度，设置光照梯度；光照周期通过微电脑装置设置程序进行智能控制。
隔光装置由4张外隔光板(未图示)、12张内隔光板(未图示)和隔光卡托 (未图示)、卡槽31组成；所述外、内隔光板均由PP材料制成；在培养架的两个侧面设置3对卡槽31，每对卡槽31位于第二、第三和底层上部外侧，用于放置外隔光板；在培养架10中间两层每层设置有有3对卡托，对应的培养界面11 上设置有3对卡槽34；根据需要可以抽拉，使中间两层每层可以独立成4个小隔间。
培养箱40由透明亚克力板组成，在培养架10中间两层上各摆放8个，共计16个，用于培养海藻；
培养箱40上部设置有出水口，出水口通过由塑料软管构成的出水管41对外连接到接水槽50。
净化装置主要由接水槽50、过滤池60和净化材料三部分组成，过滤池60 和接水槽50均由的亚克力板构成；一端设置有排水口，排水口于水管相连，第二层和第三层的接水槽50通过水管连接到小过滤池61中，中间两层的接水槽 50中平铺海绵，形成第一道净化程序；过滤池由一个小滤池61和一个大滤池 62构成，小滤池61主要放置细碎沙石，形成第二道反硝化净化程序；大滤池 62里有两道隔板，第一道隔板下方有一个滤口，第二道隔板上方是一个的滤口，将大滤池62分为三个长度不等的隔间，在长度较小的两个隔间内放置活性炭和海绵等材料，形成第三道净化程序，过滤和吸附颗粒物质等。
供电系统分为外源插头和内接插座，外源插头连接外部电源为整套室内循环水培养系统提供电源；在第二层和第三层右上方位置分别设置一个内接防水插座，控制太阳灯的开关与防水插座并排安装，以保持培养架整体美观和用电安全；内接插座可以为内部小功率用电器提供电源。
双机组轮换供水系统包括双循环水泵(未图示)与水管71，双循环水泵设置有控制阀72，双循环水泵放置在大过滤池62中，为系统提供充足的循环水动力，通过水管71与各培养箱40、接水槽50连接；控制阀72在双循环水泵上方，以控制循环水的整体流速；水管71沿着培养架依次连接到培养箱上方，再由软管连接入培养箱中，培养箱上方的水管装有小水阀，用于分别调节流入各培养箱的流速和水量。
环境模拟装置主要包括充气装置、造浪泵、控温棒和CO2控制器等，环境模拟装置可根据需要安装，造浪泵可模拟自然海域的海浪，附有的充气装置为大型钙化海藻的生长提供充足的氧气，控温棒和CO2控制器的使用可以人工调节海水温度和海水酸化程度，以便于开展实验研究。
以下为基于本发明大型钙化海藻室内循环水培养系统而进行的实验设计：
实施案例
1.实验设计
圆柱状仙掌藻(Halimeda cylindracea Decaisne)属于绿藻门 (Chlorophyta)、松藻科(Codiaceae)、仙掌藻属(Halimeda)，为一种在我国南海广泛分布的大型钙化海藻，是珊瑚礁区重要的钙质沉积物源。通过搭载航次，从南海珊瑚礁区采集圆柱状仙掌藻，带回中国科学院南海海洋研究所藻类培养室内暂养7d，暂养水温为28℃，盐度33-34，使用微电脑装置将光照周期设为12L:12D，调节光照强度为150μmol photons m-2s-1。
设定24℃、28℃、32℃、34℃和36℃共计5个温度组，以28℃为对照组，每个温度组设3个平行。选取生长状态良好的圆柱状仙掌藻5株放入各梯度温度的培养箱中，水温以24℃为起始温度，每隔12h增加1℃的水温，直至达到预设温度。培养箱里海水交换速度控制在0.5-0.6L/min，以维持培养箱内部水温稳定。实验周期为28天，每隔4天测量圆柱状仙掌藻PS II最大光化学量子产量(Fv/Fm)、叶绿素a(Chl a)、丙二醛(MDA)和脯氨酸(Proline)，实验开始和结束分别测定每个温度组的新叶片数、特定生长率(SGR)和钙化速率(Gnet)。
本实验中Fv/Fm有效光量子产量用德国Walz公司生产的便携式调制荧光仪(MINI-PAMⅡ)进行测定；Chl a含量用甲醇研磨萃取24h后用紫外分光光度计测定；MDA含量测定参考Peever和Higgins(1989)的方法；脯氨酸含量测定参照Bates等(1956)的方法；利用浮重法测定圆柱状仙掌藻的钙化速率 (Gnet)，具体方法参照Jokiel等(1978)。实验最终数据用SPSS 13.0进行显著性比较，用Origin 8.0作图。
2.实验结果
(1)实验结束时，28℃时圆柱状仙掌藻生长最好，新节片产率为54.55％， SGR和Gnet平均值分别为1.644±0.253％d-1，20.082±2.482mg g-1d-1； 24℃和32℃时新节产率、SGR和Gnet平均值依次分别为34.78和37.50％、 0.652±0.102和1.157±00.302％d-1、14.775±2.003和8.282±1.934mg g-1 d-1；34℃和36℃时圆柱状仙掌藻生长状态显著下降(P<0.01)，对比与对照组，34℃条件下海藻生长速率和钙化速率下降及显著，SGR和Gnet平均值为 0.364±0.145％d-1和3.246±0.923mg g-1d-1；36℃时此海藻逐渐白化，无生长。
表1.不同温度条件下圆柱状仙掌藻生长情况
(2)实验期间，不同温度组Fv/Fm值和Chl a含量变化极显著(P<0.01)。 24℃-32℃时，Fv/Fm值变化不显著，在0.737-0.756之间，在34℃时，Fv/Fm 值下降到0.649，而在36℃时，仅为0.407。圆柱状仙掌藻组织中Chl a含量变化趋势和Fv/Fm值基本一致。24℃-32℃时，Chl a含量在226.8-297.1μg g-1FW之间，其中，在28℃条件下，Chl a含量在20d以后达到最高，为343.3 μg g-1FW；随着温度的升高，Chl a含量下降极显著(P<0.01)，36℃时下降到112.2μg g-1FW，与24℃-32℃时的含量相比，下降了50.53％-62.23％，如图7所示。
(3)在逆境条件下，植物体内会发生膜脂过氧化反应，丙二醛(MDA)是膜脂过氧化的最终分解产物；同时脯氨酸会大量积累，以维持细胞质内渗透压平衡，且有稳定生物大分子结构的作用。24℃与32℃条件下，MDA与脯氨酸含量先升高，培养16-20d后，逐渐降低；28℃时含量最低，MDA平均值为 0.353±0.101μmol g-1，脯氨酸平均含量为1.380±0.280μgml-1；34℃时含量一直处于较高水平；36℃前20天含量较高，随后则显著降低(P＜0.01)，如图8所示。
以上显示和描述了本发明专利的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (9)

1.一种大型钙化海藻室内循环水培养系统，其特征在于：包括一不锈钢培养架，所述培养架由隔板间隔成若干层界面，由上往下的第二层至倒数第二层，摆放若干排培养箱，最底层界面设置有过滤池，每层相邻两排的培养箱之间设置有接水槽，所述培养箱的上端设置有进水口与出水口，所述进水口连接有进水管，进水管上安装有阀门，通过阀门控制进水速度；所述出水口通过管道和接水槽连接，接水槽内设置有净化材料，形成第一道净化程序；接水槽通过水管和过滤池连接，所述过滤池内亦设置有净化材料，层层净化；
还包括照明装置，安装于每层放置了培养箱的培养界面上部；
隔光装置，所述隔光装置安装于培养箱的培养界面和培养支架的侧面；
供电系统，所述供电系统为整个循环水培养系统提供电力；
环境模拟装置，所述环境模拟装置与内接插座连接，以优化大型钙化海藻的培养环境，所述环境模拟装置包括造浪泵、充气装置、控温棒和CO2控制器，所述造浪泵、控温棒和CO2控制器设置于所述培养箱体内，所述充气装置设置于所述框架的顶层，所述充气装置通过充气管与培养箱连接，所述充气管上设置有进气阀门；
双机组轮换供水系统，为整个培养系统提供水循环动力，所述双机轮换供水系统包括双循环水泵，所述双循环水泵设置于过滤池中。
2.根据权利要求1所述的大型钙化海藻室内循环水培养系统，其特征在于：所述净化材料为活性炭/海绵/细碎沙石。
3.根据权利要求2所述的大型钙化海藻室内循环水培养系统，其特征在于：所述充气装置为装置提供的气体为空气。
4.根据权利要求1所述的大型钙化海藻室内循环水培养系统，其特征在于：所述隔光装置包括安装卡槽与隔光板，所述安装卡槽成对设置于上下两相邻的界面上，所述隔光板可拆卸并可滑动地设置于所述成对的安装卡槽内。
5.根据权利要求1所述的大型钙化海藻室内循环水培养系统，其特征在于：所述照明装置为太阳灯管，为钙化藻的生长提供全辐射光谱。
6.根据权利要求6所述的大型钙化海藻室内循环水培养系统，其特征在于：所述太阳灯管通过微电脑控制。
7.根据权利要求1所述的大型钙化海藻室内循环水培养系统，其特征在于：所述培养架界面由亚克力材料板构成。
8.根据权利要求1所述的大型钙化海藻室内循环水培养系统，其特征在于：所述过滤池包括一大滤池与一小滤池，所述小滤池设置于大滤池小格上方，所述接水槽通过水管与小滤池连接，所述小滤池内放置细碎沙石，所述大滤池分隔成长度不等的三格，在长度较小的两个隔间内放置有活性碳或海绵。
9.根据权利要求1所述的大型钙化海藻室内循环水培养系统，其特征在于：所述培养架的四根支撑柱下方分别安装万向轮。
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