CN108414429B - 一种微生物附着实验方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微生物附着实验方法及装置，包括容器、加热单元、试件固定单元、搅拌组件和控制单元；容器内盛装有含有微生物的菌液；加热单元包括加热组件和上盖，包覆在容器的外周；加热组件内设置有温度传感器和热阻；试件固定单元包括挂环、试件固定杆和夹子，夹子能用于夹持待测试件；搅拌组件包括电机、电机轴和叶片，控制单元包括信号采集器和与信号采集器相连接的控制器，电机、温度传感器和热阻均与信号采集器相连接。本发明构造简单、操作方便，能够科学合理的评价微生物在基材表面附着特性，利于研究基材的微生物腐蚀机理，同时为水体生态环境的改善提供材料上的支持。
Description
技术领域
本发明涉及材料科学与工程技术领域，特别是一种微生物附着实验方法及装置。
背景技术
随着世界能源危机的加剧和未来陆地资源的日益枯竭，海洋经济已列入各沿海国家的发展战略。海洋经济的兴起带动海洋工程的建设发展，如海港建筑、滨海电站建筑、海岸堤坝建筑、海洋隧道、桥梁建筑、海上堤坝工程、人工岛等工程。海洋工程所使用的材料中，大宗用量的是钢铁、水泥混凝土、砌块类硅酸盐制品。
人类在海洋中活动的增加，对海洋生物腐蚀的关注度也随之增加，主要是海洋微生物腐蚀和海洋污损生物腐蚀。一些腐蚀微生物，如硫酸盐还原细菌（SRB）、铁细菌（IOB）等，导致海上油田管线平台、船舶、钢结构等发生严重的微生物腐蚀。海洋污损生物，如藻类、藤壶、牡蛎、苔藓虫等黏附在基材上，增加构筑物荷载，增大船舶航行阻力，影响船舶水动力性能。
另外，利用微生物在基材表面的附着特性，可用于改善水域生态环境，也可进行水体生物栖息地和渔场修复，促进水产资源的增殖。微生物在人工礁表面的富集、生长，使得人工礁成为鱼类、贝类的索饵场所，不仅有助于资源倍增或数十倍的增加，还能起到净化海水的作用。石块、混凝土、废旧轮胎、玻璃钢、钢材等均可用来建设人工鱼礁。
综上，设计构造简单、操作方便、科学合理的评价微生物在基材表面附着特性的实验方法及装置，有利于研究基材的微生物腐蚀机理，同时，也能更好的为水体生态环境的改善提供材料上的支持。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种微生物附着实验装置，该微生物附着实验装置构造简单、操作方便，能够科学合理的评价微生物在基材表面附着特性，利于研究基材的微生物腐蚀机理，同时为水体生态环境的改善提供材料上的支持。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种微生物附着实验装置，包括容器、加热单元、试件固定单元、搅拌组件和控制单元。
容器顶部开口设置，容器内壁面为疏水层，容器内盛装有含有微生物的菌液。
加热单元包括加热组件和上盖，加热组件的形状与容器的形状相同，并包覆在容器的外周；加热组件内设置有温度传感器和热阻，加热组件的高度大于容器的高度；上盖与加热组件的顶部相盖合。
试件固定单元包括挂环、试件固定杆和夹子；挂环放置在位于上盖下方的容器顶部，挂环具有中心通孔；位于容器内的挂环下表面布设有若干根试件固定杆，每根试件固定杆的底部固设一个夹子，夹子能用于夹持待测试件。
搅拌组件包括电机、电机轴和叶片，电机轴的一端与电机相连接，电机轴的另一端依次穿过上盖和挂环的中心通孔并伸入容器中部，叶片设置在位于容器内的电机轴上。
控制单元包括信号采集器和与信号采集器相连接的控制器，电机、温度传感器和热阻均与信号采集器相连接。
加热组件为双层结构，外层为导热系数小的保温绝热层，内层是导热系数高的传热层。
容器采用高导热系数材料制备，呈桶形结构，容器外径小于加热组件内径0.1mm~1mm。
挂环外径大于容器内径0.1mm以上，且小于加热组件内径0.1 mm以上。
加热组件能使容器内的菌液升温速率在0~20℃/min可调。
上盖为由不低于两片的弧形片组成的圆环，内孔孔径大于电机轴1~20mm，上盖外径大于加热组件内径0.2mm以上。
本发明还提供一种微生物附着实验方法，该微生物附着实验方法操作方便，能够科学合理的评价微生物在基材表面附着特性，利于研究基材的微生物腐蚀机理，同时为水体生态环境的改善提供材料上的支持。
一种微生物附着实验方法，包括如下步骤。
步骤一：菌液制备：选择和配制培养基，在培养基中进行微生物接菌与菌种培养；培养基及所用器皿均采用高压蒸汽灭菌。
步骤二：待测试件制备：制备待测试件，并进行灭菌处理。
步骤三：实验装置灭菌：将实验装置中的容器、试件固定单元、电机轴、叶片和上盖均进行高压灭菌处理。
步骤四：待测试件安装：将步骤三灭菌后的叶片安装在电机轴上，电机轴与电机联接；接着，将步骤一制备的菌液倒入容器中；再将步骤二制备的待测试件采用夹子固定在挂环底部的试件固定杆上；随后，将挂环安放在容器顶部，所有待测试件均浸没在容器中的菌液中；然后，再将容器置于加热组件中，调整电机固定杆位置，合上上盖。
步骤五：微生物附着实验：通过控制器设置温度和电机转速随时间的变化，进行实验；实验中，温度传感器和热阻将对加热温度和加热速率进行检测。
步骤六：微生物附着特性检测：到设定的时间后，取出步骤五中的待测试件；通过分析待测试件表面微生物附着量、种类或形貌，进而分析微生物在对应待测试件材料表面的附着性。 步骤一中培养基的制备方法为：以30 g/L氯化钠、5.0 g/L酵母提取物、10 g/L胰蛋白胨、0.8 g/L氯化钾、1.3 g/L氯化钙、6.6 g/L无水硫酸镁进行配制，然后用碳酸钠调节培养基pH值至8.03。
步骤一中微生物接菌与菌种培养时，菌种为从某一海域海水中滤膜过滤、分离出的微生物，接菌量为培养基溶液体积的千分之一。
步骤二中待测试件为两种规格，分别为玻璃试件和水泥净浆试件；其中，玻璃试件的制备方法为：将厚度2mm的玻璃划成40mm × 40mm × 2mm正方形，进行高压蒸汽灭菌；水泥净浆试件的制备方法为：采用强度等级42.5普通硅酸盐水泥，水灰比为0.4，成型40mm ×40mm×2mm水泥净浆试件，置于温度20℃±2℃、相对湿度95%以上的标准养护箱内，养护3d取出，浸泡在无水乙醇中，24h取出，60±0.5℃烘至恒重。
本发明具有如下有益效果：
1、调整加热单元参数，可模拟不同温度下，基材表面的微生物附着特性；
2、调整电机转速，可模拟不同流体（菌液）作用力下，基材表面微生物附着特性；
3、调整试件固定单元，改变试件与流体运动的方向，可模拟不同流体（菌液）作用力、不同作用力方向下，基材表面微生物附着特性。
附图说明
图1显示了本发明一种微生物附着实验装置的结构示意图。
图2显示了图1中挂环的结构示意图。
图3显示了水泥净浆试件表面絮状物示意图。
图4显示了水泥净浆试件表面附着物示意图。
其中有：1-加热组件；2-容器；3-挂环；4-上盖；5-电机轴；6-叶片；7-试件固定杆；8-电机；9-电机固定杆；10-电机支座；11-温度传感器；12-热阻；13-信号采集器；14-控制器；15-夹子。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，一种微生物附着实验装置，包括容器2、加热单元、试件固定单元、搅拌组件和控制单元。
容器顶部开口设置，容器内壁面为疏水层，容器内盛装有含有微生物的菌液。容器优选采用高导热系数材料制备，呈桶形结构，容器外径小于下述加热组件内径0.1mm~1 mm。
加热单元包括加热组件1和上盖4，加热组件的形状与容器的形状相同，均优选呈桶形。加热组件包覆在容器的外周；加热组件内设置有温度传感器11和热阻12，加热组件的高度大于容器的高度；上盖与加热组件的顶部相盖合。
加热组件优选为双层结构，外层为导热系数小的保温绝热层，内层是导热系数高的传热层。加热组件优选能使容器内的菌液升温速率在0~20℃/min可调。
上盖优选由不低于两片的弧形片组成的圆环，内孔孔径大于电机轴1~20mm，上盖外径大于加热组件内径0.2mm以上。
试件固定单元包括挂环3、试件固定杆7和夹子15。
如图2所示，挂环3优选由同心三个圆环和径向固定杆组成，挂环放置在位于上盖下方的容器顶部，挂环具有中心通孔。
挂环外径优选大于容器内径0.1mm以上，且优选小于加热组件内径0.1 mm以上。
位于容器内的挂环下表面布设有若干根试件固定杆，每根试件固定杆的底部固设一个夹子，夹子能用于夹持待测试件。
搅拌组件优选包括电机8、电机轴5和叶片6。
电机优选通过电机固定杆9固定在电机支座10上，电机轴的一端与电机相连接，电机轴的另一端依次穿过上盖和挂环的中心通孔并伸入容器中部，叶片设置在位于容器内的电机轴上。
控制单元包括信号采集器13和与信号采集器相连接的控制器14，控制器优选为计算机。电机、温度传感器和热阻均与信号采集器相连接。
容器、试件固定组元、电机轴和叶片、上盖均优选采用满足高压蒸汽灭菌条件的材料制成。
一种微生物附着实验方法，包括如下步骤。
步骤一：菌液制备：选择和配制培养基，在培养基中进行微生物接菌与菌种培养；培养基及所用器皿等均采用高压蒸汽灭菌，高压蒸汽灭菌调节优选为：103.4kPa ，121℃，20min，以下类同。
步骤一中培养基的制备方法优选为：以30 g/L氯化钠、5.0 g/L酵母提取物、10 g/L胰蛋白胨、0.8 g/L氯化钾、1.3 g/L氯化钙、6.6 g/L无水硫酸镁进行配制，然后用碳酸钠调节培养基pH值至8.03。上述培养基及制备方法为申请人所做的一个优选方法，也可以为现有技术中的其他培养基及制备方法。
微生物接菌与菌种培养时，菌种优选为从某一海域海水中滤膜过滤、分离出的微生物，接菌量为培养基溶液体积的千分之一。
上述菌种也可以从淡水中过滤分离等，也在本发明的保护范围之内。
步骤二：待测试件制备：制备待测试件，并进行灭菌处理，试件垂直于菌液流动方向。
步骤二中待测试件优选为两种规格，分别为玻璃试件和水泥净浆试件；其中，玻璃试件的制备方法为：将厚度2mm的玻璃划成40mm × 40mm × 2mm正方形，进行高压蒸汽灭菌；水泥净浆试件的制备方法为：采用强度等级42.5普通硅酸盐水泥，水灰比为0.4，成型40mm × 40mm×2mm水泥净浆试件，置于温度20℃±2℃、相对湿度95%以上的标准养护箱内，养护3d取出，浸泡在无水乙醇中，24h取出，60±0.5℃烘至恒重。
当然，作为替换，上述待测试件也可以为一种规格或多种规格，均在本发明的保护范围之内。
步骤三：实验装置灭菌：将实验装置中的容器、试件固定单元、电机轴、叶片和上盖均进行高压灭菌处理。
步骤四：待测试件安装：将步骤三灭菌后的叶片安装在电机轴上，电机轴与电机联接；接着，将步骤一制备的菌液倒入容器中；再将步骤二制备的待测试件采用夹子固定在挂环底部的试件固定杆上；随后，将挂环安放在容器顶部，所有待测试件均浸没在容器中的菌液中；然后，再将容器置于加热组件中，调整电机固定杆位置，合上上盖。
步骤五：微生物附着实验：通过控制器设置温度和电机转速随时间的变化，进行实验；实验中，温度传感器和热阻将对加热温度和加热速率进行检测，使实验温度控制在：20℃±1℃，菌液流动速度控制在0.2m/s。
步骤六：微生物附着特性检测：到设定的时间后，取出步骤五中的待测试件；通过分析待测试件表面微生物附着量、种类或形貌，进而分析微生物在对应待测试件材料表面的附着特性。
玻璃试件和水泥净浆试件的实验结果如下：
将水泥净浆试件表面的絮状物和附着物涂在载玻片上，置于油镜下观察，见图3和图4。图3是中水泥净浆试件表面在漂洗时观察到的絮状物，大片红色区域（也即图中深色区域）为微生物及其菌丝密集、缠绕所致。图4是水泥净浆试件表面附着物，随机分布的红色杆状区域（也即图中深色杆状区域）为微生物及其菌丝；经革兰氏染色后，微生物呈红色，故可确定图3和图4中的深色区域均为革兰氏阴性菌聚集。
测试在菌液中3h、10h和24h，水泥净浆试件和玻璃试件表面微生物附着量分别如下：
1. 水泥净浆试件表面微生物附着量分别为1.07×105 cfu/mm2、0.63×105 cfu/mm2、0.70×105 cfu/mm2。
2. 玻璃试件表面微生物附着量分别为0.05×104cfu/mm2、0.12×104 cfu/mm2、1.50×104cfu/mm2。以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种微生物附着实验方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：菌液制备：选择和配制培养基，在培养基中进行微生物接菌与菌种培养；培养基及所用器皿均采用高压蒸汽灭菌；其中，培养基的制备方法为：以30 g/L氯化钠、5.0 g/L酵母提取物、10 g/L胰蛋白胨、0.8 g/L氯化钾、1.3 g/L氯化钙、6.6 g/L无水硫酸镁进行配制，然后用碳酸钠调节培养基pH值至8.03；
步骤二：待测试件制备：制备待测试件，并进行灭菌处理；
步骤三：实验装置灭菌：将实验装置中的容器、试件固定单元、电机轴、叶片和上盖均进行高压灭菌处理；
步骤四：待测试件安装：将步骤3灭菌后的叶片安装在电机轴上，电机轴与电机联接；接着，将步骤一制备的菌液倒入容器中；再将步骤二制备的待测试件采用夹子固定在挂环底部的试件固定杆上；随后，将挂环安放在容器顶部，所有待测试件均浸没在容器中的菌液中；然后，再将容器置于加热组件中，调整电机固定杆位置，合上上盖；
步骤五：微生物附着实验：通过控制器设置温度和电机转速随时间的变化，进行实验；实验中，温度传感器和热阻将对加热温度和加热速率进行检测；
步骤六：微生物附着特性检测：到设定的时间后，取出步骤中的待测试件；通过分析待测试件表面微生物附着量、种类或形貌，进而分析微生物在对应待测试件材料表面的附着特性，利于研究基材的微生物腐蚀机理，同时为水体生态环境的改善提供材料上的支持；
通过调整加热单元参数，模拟不同温度下，基材表面的微生物附着特性；
通过调整电机转速，模拟不同菌液作用力下，基材表面微生物附着特性；
通过调整试件固定单元，改变试件与菌液运动的方向，模拟不同菌液作用力、不同作用力方向下，基材表面微生物附着特性。
2.根据权利要求1所示的微生物附着实验方法，其特征在于：步骤一中微生物接菌与菌种培养时，菌种为从某一海域海水中滤膜过滤、分离出的微生物，接菌量为培养基溶液体积的千分之一。
3.根据权利要求1所示的微生物附着实验方法，其特征在于：步骤二中待测试件为两种规格，分别为玻璃试件和水泥净浆试件；其中，玻璃试件的制备方法为：将厚度2mm的玻璃划成40mm × 40mm × 2mm正方形，进行高压蒸汽灭菌；水泥净浆试件的制备方法为：采用强度等级42.5普通硅酸盐水泥，水灰比为0.4，成型40mm × 40mm×2mm水泥净浆试件，置于温度20℃±2℃、相对湿度95%以上的标准养护箱内，养护3d取出，浸泡在无水乙醇中，24h取出，60±0.5℃烘至恒重。
4.一种微生物附着实验装置，基于权利要求1-3任一项所述的微生物附着实验方法，其特征在于：包括容器、加热单元、试件固定单元、搅拌组件和控制单元；
容器顶部开口设置，容器内壁面为疏水层，容器内盛装有含有微生物的菌液；
加热单元包括加热组件和上盖，加热组件的形状与容器的形状相同，并包覆在容器的外周；加热组件内设置有温度传感器和热阻，加热组件的高度大于容器的高度；上盖与加热组件的顶部相盖合；
试件固定单元包括挂环、试件固定杆和夹子；挂环放置在位于上盖下方的容器顶部，挂环具有中心通孔；位于容器内的挂环下表面布设有若干根试件固定杆，每根试件固定杆的底部固设一个夹子，夹子能用于夹持待测试件；
搅拌组件包括电机、电机轴和叶片，电机轴的一端与电机相连接，电机轴的另一端依次穿过上盖和挂环的中心通孔并伸入容器中部，叶片设置在位于容器内的电机轴上；
控制单元包括信号采集器和与信号采集器相连接的控制器，电机、温度传感器和热阻均与信号采集器相连接。
5.根据权利要求4所述的微生物附着实验装置，其特征在于：加热组件为双层结构，外层为导热系数小的保温绝热层，内层是导热系数高的传热层。
6.根据权利要求4所述的微生物附着实验装置，其特征在于：容器采用高导热系数材料制备，呈桶形结构，容器外径小于加热组件内径0.1mm~1 mm。
7.根据权利要求4所述的微生物附着实验装置，其特征在于：挂环外径大于容器内径0.1mm以上，且小于加热组件内径0.1 mm以上。
8.根据权利要求4所述的微生物附着实验装置，其特征在于：加热组件能使容器内的菌液升温速率在0~20℃/min可调。
9.根据权利要求4所述的微生物附着实验装置，其特征在于：上盖由不低于两片的弧形片组成的圆环，内孔孔径大于电机轴1~20mm，上盖外径大于加热组件内径0.2mm以上。
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