CN108676710B - 模拟蓝藻分解对温室气体产生和释放的影响的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种模拟蓝藻分解对温室气体产生和释放的影响的方法和装置，包括培养柱、温控装置、供气装置；培养柱内从下至上依次为沉积物层、上覆水层和气体层；培养柱上端通过橡胶塞封闭，橡胶塞上开设贯通孔，软管穿过贯通孔连接培养柱气体层和培养柱外的供气装置；供气装置包括纯氧供气装置和氮气供气装置；培养柱上覆水层处侧壁设有进气孔，纯氧供气装置通过进气软管连接进气孔，向上覆水层通氧；氮气供气装置经软管向气体层通氮气；温控装置用于调节培养柱温度。本发明的装置和方法能够模拟不同强度蓝藻分解过程对温室气体产生和释放的影响，模拟自然环境中的藻类分解，并可模拟不同氧气梯度在蓝藻分解时对温室气体产生和释放的影响。
Description
技术领域
本发明属于环境监测技术领域，尤其涉及一种模拟蓝藻分解对温室气体产生和释放的影响的方法和装置。
背景技术
湖泊生态系统是自然生态系统中重要的温室气体释放源。有研究发现，随着湖泊富营养化加剧，以及由此导致的水体蓝藻暴发，会加剧湖泊生态系统温室气体，尤其是甲烷的释放。由于湖泊在全球温室气体释放源中占有重要地位，因此关注湖泊生态系统蓝藻暴发对湖泊生态系统温室气体释放的影响就显得尤为重要。
就目前来看，蓝藻水华大多暴发在海岸带和浅水湖水体中。太湖作为典型浅水湖泊，蓝藻的频繁暴发给周边生态环境以及人类生产生活用水造成了极大的困扰。太湖蓝藻的暴发具有持续周期长、暴发密度大等特点。大量的蓝藻暴发极有可能在水体形成蓝藻团聚体，不仅可以给微生物提供附着场所，还可能在内部形成局部厌氧条件，堆积蓝藻在厌氧条件下分解，使得富氧水体也能够产生温室气体。同时每到夏秋季水体蓝藻大量衰亡经常释放出大量可溶性易降解有机物、其分解过程中耗尽水体中大部分溶解氧导致水体缺氧。这一过程同样可能促进水体成为温室气体的主要生产场所。因此，浅水湖泊蓝藻暴发会促进温室气体释放存在理论上可能。
目前，针对这一现象，研究人员已通过长期野外监测与原位围隔实验进行了验证。研究发现，在夏季蓝藻暴发季节，水体溶解性温室气体，如甲烷浓度在迅速增加。在人工添加较多蓝藻的条件下，围隔水柱中的温室气体浓度也逐渐在增加。尽管通过野外监测与原位控制实验能够初步发现蓝藻分解对水体溶解性温室气体浓度的影响，但是在整个蓝藻暴发前后过程中，除了藻密度会有较大变化之外，各种环境因子，如温度、溶氧、采样点等变量均有不同变化。因此，蓝藻密度对温室气体浓度影响机制，以及有氧水体中是否能够发生明显的产甲烷活动依然不够明确。在野外自然条件下，对这些因素进行调控可操作性差。因此，通过控制环境变量，模拟自然湖泊生态系统蓝藻分解的研究方法和装置就存在很强的现实意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的问题，提供一种模拟在不同氧条件下蓝藻分解对温室气体产生和释放的影响的方法和装置。
本发明解决上述问题的技术方案为：
一种模拟蓝藻分解对温室气体产生和释放的影响的装置，包括培养柱、温控装置、供气装置；
所述培养柱内从下至上依次为沉积物层、上覆水层和气体层；培养柱上端通过橡胶塞封闭，橡胶塞上开设贯通孔，软管穿过所述贯通孔连接培养柱气体层和培养柱外的供气装置；所述供气装置包括纯氧供气装置和氮气供气装置；培养柱上覆水层处侧壁设有进气孔，纯氧供气装置通过进气软管连接进气孔，向上覆水层通氧；氮气供气装置经所述软管向气体层通氮气；所述温控装置用于调节培养柱温度。
所述软管上设有三通阀。橡胶塞上开设第一贯通孔和第二贯通孔；第一贯通孔连接第一软管，第一软管上设置第一三通阀，用于平衡气压；第二贯通孔连接第二软管，第二软管上设置第二三通阀，连接培养柱外的供气装置。为了使用时第二三通阀松动，将第二三通阀作为固定三通阀，再在第二三通阀上通过软管连接第三三通阀，氮气供气装置依次经第三三通阀、第二三通阀连接气体层。
进气软管位于上覆水层一端设有曝气砂头，纯氧供气装置经曝气砂头向上覆水层供气。
所述进气软管、第二软管上设有流量计，用于流量测量，便于控制实验氧气浓度。
所述温控装置为采用水浴加热的水箱，便于加热均匀，水箱内设有感温加热器，实现加热时恒温控制。
所述橡胶塞和软管间采用硅橡胶密封，确保不会漏气。
所述培养柱外设置固定支架，固定培养柱。
所述培养柱材质为有机玻璃。
本发明还提供了利用上述装置用于模拟蓝藻分解对温室气体产生和释放的影响的方法，包括如下步骤：
（1）盖上橡胶塞，向气体层通入氮气，将气体层中原先的气体排净；
（2）根据实验所需的氧气浓度，向上覆水层通入纯氧；
（3）藻类自然生长；
（4）通过软管抽取气体层气体，测定其中的温室气体浓度；之后打开橡胶塞，抽取上覆水，测定上覆水中的温室气体浓度。
本发明的装置和方法能够模拟不同强度蓝藻分解现象对温室气体释放的影响，所述温室气体指甲烷、二氧化碳等通常意义的温室气体。本发明通过模拟自然环境中的藻类生长，并采用两种供气装置实现氧气浓度的调节，测定不同氧气梯度对蓝藻分解时对温室气体产生和释放的影响。
附图说明
图1是本发明的装置结构示意图；
图2是多氧组气体层测定的甲烷释放速率；
图3是少氧组气体层测定的甲烷释放速率；
图4是厌氧组气体层测定的甲烷释放速率；
图5是多氧组上覆水层测定的溶解性甲烷浓度；
图6是少氧组上覆水层测定的溶解性甲烷浓度；
图7是厌氧组上覆水层测定的溶解性甲烷浓度；
图中：1、纯氧供气装置；2、氮气供气装置；3、流量计；4、三通阀；4a、第一三通阀；4b、第二三通阀；4c第三三通阀；5、曝气砂头；6、感温加热器；7、培养柱；8、水箱；9、沉积物层；10、上覆水层。
具体实施方式
实施例1
本实施例具体说明本发明的装置结构。
如图1所示的装置，包括培养柱7、温控装置和供气装置；培养柱7内从下至上依次为沉积物层9、上覆水层10和气体层；培养柱7外设置固定支架，固定培养柱7；培养柱7上端通过橡胶塞封闭，橡胶塞上开设贯通孔，软管穿过所述贯通孔连接培养柱7气体层和培养柱7外的供气装置，橡胶塞和软管间采用硅橡胶密封；供气装置包括纯氧供气装置1和氮气供气装置2，本实施例中采用氧气罐1和氮气罐2；培养柱7上覆水层10处侧壁设有进气孔，氧气罐1通过进气软管连接进气孔，向上覆水层10通氧；氮气罐2经所述软管向气体层通氮气；进气软管、第二软管上设有流量计3；温控装置包括水箱8和感温加热器6，感温加热器6放置于水中进行恒温控制，培养柱放置于水箱8中，水箱8内水面与上覆水水面齐平。
软管上设有三通阀4，橡胶塞上开设第一贯通孔和第二贯通孔；第一贯通孔连接第一软管，第一软管上设置第一三通阀4a，用于平衡气压；第二贯通孔连接第二软管，第二软管上设置第二三通阀4b，连接培养柱7外的供气装置。第二软管上还设有第三三通阀4c，氮气罐2依次经第三三通阀4c、第二三通阀4b连接气体层。
进气软管位于上覆水层10一端设有曝气砂头5，氧气罐1经曝气砂头5向上覆水层10供气。
当采用多个培养柱7进行实验时，可在供气装置上连接气体分流阀，通过气体分流阀将气体均匀分散至不同培养柱7中。
实施例2
本实施例以甲烷为例，说明采用实施例1的装置进行模拟实验的方法。
在太湖原位采集沉积物与上覆水混合样品，使沉积物高度统一为20cm，上覆水溢满至顶部。采样柱两端用聚乙烯材质橡胶塞封盖，保证不会漏气。运回实验室，抽取顶部上覆水全部上覆水体，用浮游植物过滤后，将滤液注入培养柱7中，本实施例中培养柱7材质为有机玻璃（聚甲基丙烯酸甲酯），高55cm，内径为9cm。整个培养柱7由25cm沉积物、17cm上覆水以及8cm顶部空气组成。
水箱8中设置两个功率200W感温加热器6，保持恒定温度25℃。
本实施例中，培养柱7顶部橡胶塞上的两个贯通孔内径为4mm，直径4mm，长5cm的PVC软管穿过贯通孔与三通阀4连接，通过调节三通阀4开关转向，隔绝或连通培养柱7内外。第二三通阀4b上通过内径8mm的PVC橡胶管连接第三三通阀4c。
采用上述装置进行模拟蓝藻分解对湖泊水体甲烷产生和释放的影响的步骤如下：
步骤一：在实验初期，在培养系统加入定量的蓝藻，依据实际采样点的蓝藻密度，结合培养柱7中水体量，设置三个处理组，三个处理组水柱中藻密度分别为实际水体藻密度的0、0.5、5倍三个分组。样品在采集回来之初，在室内恒温水浴箱中静置两天，使其达到稳定状态。
步骤二：藻密度组分设置完成后，对每个处理组设定不同氧浓度梯度。采用氧气罐1、氮气罐2充入氮气和氧气，实现氧浓度梯度的调节。氧浓度的测定通过便携式溶氧仪测定，纯氧组的氧浓度维持在15-21mg/L。少氧组氧浓度维持在5-7mg/L。厌氧组通过三通阀4将培养柱7中顶部空气置换成高纯氮，并盖塞，关闭三通阀4保持厌氧（氧浓度<0.2mg/L）。同时设定一组不进行任何气体处理的参照组。
步骤三：在所有处理组别设定完成后，进行蓝藻的自然生长，培养20天，每天进行气体采集。在采样前的半小时，将所有培养柱7橡胶塞盖上，通过三通阀将所有培养柱顶部气体全部置换为高纯氮气，确保顶部无其他气体。因为有多个培养柱7处理组，将氮气罐2连接气体分流阀进行多个培养柱7一次性气体置换。培养30分钟之后，采用注射器通过第三三通阀4c抽取气体层气体10mL，采用气相色谱法测定其中甲烷浓度。气体取样完成后，去除橡胶塞，通过注射器直接抽取10mL上覆水层10中的水体，随后测定其中溶解性甲烷浓度。
气体层的甲烷释放速率如图2~图4所示；可以看出，不同氧处理条件下，蓝藻量对甲烷释放速率的影响效果是不同的。在厌氧条件下，蓝藻添加量为多藻时，其甲烷释放速率要显著高于无藻与少藻处理组；而多氧和少氧条件下，蓝藻添加量对甲烷释放速率的影响可以忽略不计。
上覆水层10的溶解性甲烷浓度如图5~图7所示，可以看出不同氧处理条件下，蓝藻量对溶解性甲烷浓度的影响效果是不同的。在厌氧条件下，蓝藻添加量为多藻时，其溶解性甲烷浓度要显著高于无藻与少藻处理组；而多氧和少氧条件下，蓝藻添加量对溶解性甲烷浓度的影响随也较为显著，但与厌氧处理组相比，之间的数值差距则明显小很多。
Claims (6)
1.一种模拟蓝藻分解对温室气体产生和释放的影响的方法，其特征在于，所述方法使用的装置包括培养柱、温控装置和供气装置；
所述培养柱内从下至上依次为沉积物层、上覆水层和气体层；培养柱上端通过橡胶塞封闭，橡胶塞上开设贯通孔，软管穿过所述贯通孔连接培养柱气体层和培养柱外的供气装置；
所述供气装置包括纯氧供气装置和氮气供气装置；培养柱上覆水层处侧壁设有进气孔，纯氧供气装置通过进气软管连接进气孔，向上覆水层通氧；氮气供气装置经所述软管向气体层通氮气；
所述橡胶塞上开设第一贯通孔和第二贯通孔；第一贯通孔连接第一软管，第一软管上设置第一三通阀，用于平衡气压；第二贯通孔连接第二软管，第二软管上设置第二三通阀，连接培养柱外的供气装置；所述第二软管上还设有第三三通阀，氮气供气装置依次经第三三通阀、第二三通阀连接气体层；
所述温控装置用于调节培养柱温度；
所述方法包括如下步骤：
步骤一：在实验初期，在培养系统加入定量的蓝藻，依据实际采样点的蓝藻密度，结合培养柱中水体量，设置三个处理组，三个处理组水柱中藻密度分别为实际水体藻密度的0、0.5、5倍三个分组；样品在采集回来之初，在室内恒温水浴箱中静置两天，使其达到稳定状态；
步骤二：藻密度组分设置完成后，对每个处理组设定不同氧浓度梯度；采用纯氧供气装置、氮气供气装置充入氮气和氧气，实现氧浓度梯度的调节；氧浓度的测定通过便携式溶氧仪测定，纯氧组的氧浓度维持在15-21mg/L；少氧组氧浓度维持在5-7mg/L；厌氧组通过三通阀将培养柱中顶部空气置换成高纯氮，并盖塞，关闭三通阀保持厌氧；同时设定一组不进行任何气体处理的参照组；
步骤三：在所有处理组别设定完成后，进行蓝藻的自然生长，培养20天，每天进行气体采集；在采样前的半小时，将所有培养柱橡胶塞盖上，通过三通阀将所有培养柱顶部气体全部置换为高纯氮气，确保顶部无其他气体；因为有多个培养柱处理组，将氮气供气装置连接气体分流阀进行多个培养柱一次性气体置换；培养30分钟之后，采用注射器通过第三三通阀抽取气体层气体；采用气相色谱法测定其中甲烷浓度；气体取样完成后，去除橡胶塞，通过注射器直接抽取上覆水层中的水体，随后测定其中溶解性甲烷浓度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进气软管位于上覆水层一端设有曝气砂头，纯氧供气装置经曝气砂头向上覆水层供气。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述进气软管、第二软管上设有流量计。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述温控装置为采用水浴加热的水箱，水箱内设有感温加热器。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述橡胶塞和软管间采用硅橡胶密封。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述培养柱外设置固定支架，固定培养柱。
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