CN109880741A - 一种混合微藻的稳定培养装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种混合微藻的稳定培养装置，包括密闭设置的培养单元，其主体为双层玻璃反应釜，内层为水华培养室，外层为水浴腔；所述培养单元的进样口和出样口位于水华培养室的顶部，所述水浴腔的下部和上部各设置有一个与所述水浴腔连通的水浴口，两个所述水浴口连接有恒温冷水机；所述水华培养室内还设置有用于搅拌培养液的搅拌机构；所述水华培养室下部设置有通气口，所述通气口通过管道连接泵气机构；所述培养装置还包括用于输送营养物的进样单元、光源单元和藻液回流单元，保证微藻的连续稳定培养。本装置不仅可用于混合微藻的稳定培养，还可用于不同微藻间竞争关系的研究，具有良好的应用前景。

Description

一种混合微藻的稳定培养装置

技术领域

本发明涉及藻类培养装置技术领域，特别的涉及一种混合微藻的稳定培养装置。

背景技术

水华是目前全球许多国家所面临的环境问题，在很多富营养的湖泊或水库中，藻类异常繁殖，在局部湖区或库区堆积，并在高温下分解，形成恶臭；特别是当藻类在水源地取水口附近大量集聚时，就有可能引起水源地的水质恶化，危及供水安全。因此，在研究水华治理方法的同时，发展模拟水华并对水华进行预测、预报技术，可提高环境管理部门的决策能力，并有利于相关部门及时采取应急措施应对水华污染。

目前，从野外分离的群体微藻经过室内培养，常以单细胞形式存在；但野外自然条件下，大多数微藻常以群体形式存在，所以室内培养出的微藻与野外微藻生理性能方面存在一定差距，因此用其来研究水华形成机理及治理措施时往往存在很大的误差。一方面，野外微藻都是混合藻，环境介质中有浮游动物和细菌，而室内研究采用的是无菌纯培养，缺少种间或种内之间的互惠、共生、竞争、合作等相互作用；另一方面，微藻受环境条件影响较大，试验时难以捕捉到藻类细胞生理状态，导致传统培养体系在开展微藻生理特性、代谢物质传递及营养盐利用研究具有局限性。但是传统微藻培养采用的是间歇培养，微藻通常经过迟缓期、对数期、稳定期和衰亡期，体系内环境条件将随着培养时间的变化而变化，故微藻生理特性也会随着培养时间的变化而变化，主要用于纯藻培养。而野外水华由多种微藻组成，周围存在细菌、浮游动物，若采用传统微藻培养方法对其进行培养，体系内微藻生理特性、种类及数量均会处于不断变化中，获得的微藻具有随机性，对于后续实验的进行无法提供生理状态、种类及数量一致的藻源。因此，如何提供一种稳定培养水华的装置，通过该装置实现类似于野外水华的稳定培养，为水华形成机理或治理措施的探究提供稳定藻源具有十分重要的作用。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供了一种混合微藻的稳定培养装置，解决现有培养方法存在获得的微藻种类单一、生理性能与自然水体微藻存在差异，导致微藻研究结果误差大以及难以捕捉到藻类细胞生理状态的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：一种混合微藻的稳定培养装置，包括培养单元，其主体为双层玻璃反应釜，内层为水华培养室，外层为水浴腔；所述培养单元的进样口和出样口位于水华培养室的顶部，所述水浴腔的下部和上部各设置有一个与所述水浴腔连通的水浴口，两个所述水浴口连接有恒温冷水机；采用上述结构，恒温冷水机将从水浴腔返回的循环水加热或冷却至恒定温度后，再次输送至水浴腔，输送至水浴腔的循环水与水华培养室内的藻液进行热量交换后再次回到恒温冷水机加热或冷却，往复循环，对水华培养室内的藻液起到恒温作用。

所述水华培养室内还设置有用于搅拌培养液的搅拌机构；所述水华培养室下部设置有通气口，所述通气口通过管道连接泵气机构；所述培养装置还包括用于输送营养物的进样单元和藻液回流单元。

所述进样单元包括进样瓶，所述进样瓶通过进样管道与培养单元上的进样口相连接，并位于水华培养室的液面上方，所述进样管道还设置有进样泵。这样，当水华培养室内微藻培养液的磷氮营养不适宜时，通过调节进样瓶中的营养物质来调节微藻的生物量或改变优势藻种。

所述藻液回流单元包括密闭设置的回流瓶和过滤瓶，所述回流瓶和过滤瓶通过水系过滤膜连通设置；所述回流瓶上连接有主动回流管道和被动回流管道，所述主动回流管道的一端伸入所述回流瓶的液面下，另一端连接有回流蠕动泵，所述回流蠕动泵通过主动回流管道连接至所述水华培养室内，并位于水华培养室的液面上方，所述被动回流管道的一端与培养单元上的出样口相连接并伸入所述水华培养室中，另一端连接至所述回流瓶的液面上方；所述过滤瓶通过出水管道连接有出水泵，所述出水管道伸入所述过滤瓶的液面下方。

采用上述结构，当藻液体积增加时，过多的藻液从反应釜的中通过被动被动回流管排出并直接进入回流瓶，回流瓶与过滤瓶之间以水系过滤膜连通，水系过滤膜只允许回流瓶中的水通过，进入过滤瓶，过滤瓶中过滤水经出水泵进入出水瓶，使过滤瓶和回流瓶之间存在液位差，促进回流瓶中的水进入过滤瓶，而浓缩后的藻液留在回流瓶，回流瓶中的浓缩藻液就可以经过回流泵回流至水华培养室。因此，可以根据培养体系内培养微藻的浓度及营养盐的具体需要来自主调控回流比和稀释率，这样可以获得不同比生长速率的微藻，也可以根据目标微藻的比生长速率范围对其他微藻进行淘汰，从而获得想要的水华微藻，其中，所述稀释率为进水速率（ml·d^-1）与培养体系藻液体积（ml）之比，所述回流比为回流速率（ml·d^-1）与进水速率（ml·d^-1）之比。

作为优选的，所述搅拌机构包括可转动地竖向设置在所述水华培养室内的搅拌轴和沿所述搅拌轴径向设置的搅拌件，所述搅拌轴上端延伸至反应釜外，并与电机的输出轴相连接，使搅拌轴在电机的控制下旋转。进一步，所述搅拌件沿搅拌轴周向均布设置的三组双叶叶片；再进一步，所述叶片为45°斜叶，且每组叶片之间互呈60°。

采用上述结构，叶面与运动方向成一定倾斜角，所以在叶片运动时，除有水平环流外，还有轴向分流，增加了搅拌面积和搅拌效率，保证了气液、藻液均匀混合。

作为优选的，所述水系过滤膜的孔径为0.45~2μm。只允许水通过，使微藻保留于回流瓶中。

作为优选的，所述反应釜的水华培养室中还包括用于混合水华的塑料珠，所述塑料珠的密度与水的密度相接近。这样，塑料珠随搅拌叶的转动，而呈悬浮状均匀转动，悬浮于培养液中，增加了搅拌面积和搅拌效率，保证了气液、藻液均匀混合。

作为优选的，所述培养装置中的管道均采用硅胶管，所述硅胶管与瓶之间以胶套方式连接。这样，既保证了反应釜的密闭性，且避免了反应釜内压力过大，保证了培养装置的安全性。

作为优选的，所述被动回流管道的一端伸入所述水华培养室内并位于初始藻液的液面处，并且液面未没过被动回流管的开口。这样，当水华培养室内藻液液面升高并没过被动回流管的开口时，过多的藻液通过压力作用沿被动回流管进入回流瓶，然后通过藻液回流系统将浓缩后的藻液部分回流到水华培养室，避免因藻液流失过快使得微藻生物量过低，同时也避免藻液浓度变化过大，对微藻的生长和繁殖产生较大的影响。

作为优选的，所述泵气机构包括空气泵，所述空气泵通过管道与通气口相连，所述空气泵上还设置有气体流量计，所述气体输送管上设置有空气过滤头。这样，经过空气过滤头从通气口向水华培养室通入无菌空气，通过气体流量计对通气流量进行控制。

作为优选的，所述培养装置还设有光源单元，所述光源单元包括沿所述反应釜的顶部及四围均布设置的led灯。这样，通过时控开关对培养过程中的光照、黑暗进行控制，以模拟自然水体的白天黑夜环境。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明的培养装置，通过设置双层的水华培养单元、进样单元、出样单元、藻液回流和温控单元，对微藻进行培养，保证了气液、藻液均匀混合；同时，通过藻液回流单元将藻液浓缩回流，避免因流失率过大导致的微藻生物量过低的问题；另外，通过多个蠕动泵分别实现了对进样、通气、藻液回流和出样中流量的调控，且互不干扰，可根据反应釜内微藻生长情况进行调节，适用于不同营养盐浓度、不同水华的培养，解决室内培养存在获得的微藻种类单一、生理性能与自然水体微藻存在差异，导致微藻研究结果误差大的问题以及难以捕捉到藻类细胞生理状态。

2、本发明通过搅拌、塑料球和底部通气的方式保证了气液、藻液均匀混合；瓶与管道之间采用套用连接方法，保证了整个装置的密闭性，且避免了反应釜内压力过大，保证了培养装置的使用安全。本装置解决了传统微藻培养装置用于野外水华培养存在的诸多问题本装置不仅可用于混合微藻的稳定培养，还可用于不同微藻间竞争关系的研究，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为混合微藻的稳定培养装置的结构示意图；

图2为图1中搅拌件的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

一、一种混合微藻的稳定培养装置

参见图1和图2，一种混合微藻的稳定培养装置，包括密闭设置的培养单元1，其主体为双层玻璃反应釜，内层为水华培养室11，外层为水浴腔12；所述培养单元的进样口和出样口位于水华培养室11的顶部，所述水浴腔12的下部和上部各设置有一个与所述水浴腔12连通的水浴口，两个所述水浴口连接有恒温冷水机7；采用上述结构，恒温冷水机将从水浴腔返回的循环水加热或冷却至恒定温度后，再次输送至水浴腔，输送至水浴腔的循环水与反应釜内层藻液进行热量交换后再次回到恒温冷水机加热或冷却，往复循环，对反应釜内层藻液起到恒温作用。

所述水华培养室11内还设置有用于搅拌培养液的搅拌机构4；所述反应釜的底部设置有与所述水华培养室11相通的通气口5，所述通气口5通过管道连接有泵气机构；所述培养装置还包括用于输送营养物的进样单元和藻液回流单元。

所述进样单元包括进样瓶21，所述进样瓶21通过进样管道与培养单元1上的进样口相连接，并位于水华培养室11的液面上方，所述进样管道还设置有进样泵22。这样，当水华培养室内藻液磷氮营养不适宜时，通过调节进样瓶中的营养物质来调节微藻的生物量或改变优势藻种。

所述藻液回流单元包括密闭设置的回流瓶62和过滤瓶64，所述回流瓶62和过滤瓶64通过水系过滤膜63连通设置；所述回流瓶62上连接有主动回流管道和被动回流管道，所述主动回流管道的一端伸入所述回流瓶62的液面下，另一端连接有回流蠕动泵61，所述回流蠕动泵61通过主动回流管道连接至所述水华培养室内，并位于水华培养室11的液面上方，所述被动回流管道的一端与培养单元1上的出样口相连接并伸入所述水华培养室11中，另一端连接至所述回流瓶62的液面上方；所述过滤瓶64通过管道连接有出水泵65，所述出水管伸入所述过滤瓶64的液面下方。

采用上述结构，当藻液体积增加时，过多的藻液从反应釜的出样口排出并直接进入回流瓶，回流瓶与过滤瓶之间以水系过滤膜连通，水系过滤膜只允许回流瓶中的水通过，进入过滤瓶，过滤瓶中过滤水经出水泵进入出水瓶，使过滤瓶和回流瓶之间存在液位差，促进回流瓶中的水进入过滤瓶，而浓缩后的藻液留在回流瓶，回流瓶中的部分藻液经过回流泵回流至水华培养室。

实施时，所述回流瓶上端设置有排水口，所述排水口通过管道与排样瓶31相连，用于收集回流瓶中过多的藻液，避免回流瓶中的藻液过多，压力过大；所述排水泵65通过管道与排水瓶32相连，用于收集经出水泵65排出的过滤水。其中，排样瓶31和排水瓶32与管道未密闭设置。

实施时，所述搅拌机构包括可转动地竖向设置在所述水华培养室内的搅拌轴41和沿所述搅拌轴径向设置的搅拌件42，所述搅拌轴上端延伸至反应釜外，并与电机的输出轴相连接，使搅拌轴在电机的控制下旋转。进一步，所述搅拌件42沿搅拌轴41周向均布设置的三组双叶叶片；再进一步，所述叶片为45°斜叶，且每组叶片之间互呈60°。

采用上述结构，叶面与运动方向成一定倾斜角，所以在叶片运动时，除有水平环流外，还有轴向分流，增加了搅拌面积和搅拌效率，保证了气液、藻液均匀混合。

实施时，所述水系过滤膜63的孔径为0.45~2μm。

实施时，所述反应釜的水华培养室中还包括用于混合水华的塑料珠8，所述塑料珠的相对密度与水的密度接近，能悬浮于培养液中。这样，塑料珠随搅拌叶的转动，而呈悬浮状均匀转动，增加了搅拌面积和搅拌效率，保证了气液、藻液均匀混合。

实施时，所述培养装置中的管道均采用硅胶管，所述硅胶管与所述瓶（包括培养装置中的反应釜、回流瓶、进样瓶、过滤瓶）之间以胶套方式连接。这样，既保证了反应釜的密闭性，且避免了反应釜内压力过大，保证了培养装置的安全性。

实施时，所述被动回流管道的一端伸入所述水华培养室11内并位于初始藻液的液面处，但液面未没过被动回流管的开口。这样，当水华培养室内藻液液面升高并没过被动回流管的开口时，过多的藻液通过压力作用沿被动回流管进入回流瓶，然后将浓缩后的藻液部分回流到水华培养室，避免因藻液流失过快使得微藻生物量过低，同时也避免藻液浓度变化过大，对微藻的生长和繁殖产生较大的影响

实施时，所述泵气机构包括空气泵53，所述空气泵通过管道与通气口5相连，所述空气泵上还设置有气体流量计52，所述气体输送管上设置有空气过滤头51。这样，经过空气过滤头从通气口向水华培养室通入无菌空气，通过气体流量计对通气流量进行控制。

实施时，所述光源单元包括沿所述反应釜的顶部及四围均布设置的led灯。这样，通过时控开关对培养过程中的光照、黑暗进行控制，模拟自然水体的白天黑夜环境。

二、本混合微藻的稳定培养装置的应用举例

一种混合微藻的稳定培养方法，包括以下步骤：

1）从微囊藻水华湖泊中采集表层0.5 m水体1000 mL，去除肉眼可见的杂质，密封后，备用。

2）采集自然水体并经过0.45μm膜过滤后，测定其中TN、TP浓度，然后向其中添加0.5mg/mLNaNO₃（以N计）、0.05mg/mlKH₂PO₄（以P计）和纯水，调节TN为0.5mg/L，TP为0.05mg/L，最后高温灭菌，冷却后即得到微藻培养液；

在无菌环境下将步骤1）得到的微藻接种到2L所述微藻培养液中，置于光照培养箱中扩培4d，培养条件为温度25℃、光照2000~2500 lux、光暗比12h:12h、通气100 ml/min；然后将扩培后的微藻以5000rpm转速离心5min弃上清，并用所述微藻培养液润洗2~3次。

3）将步骤2）得到的微藻在无菌环境中接种到上述结构的混合微藻的稳定培养装置中于温度25℃、光照2000~2500 lux、光暗比12h:12h、通气100 ml/min条件下进行培养。其中该装置的稀释率为0.2，搅拌速度为150r/min，回流比为1:1，出水为0.7Q（Q为进水流量）、出液为0.3Q。培养11d后达到稳定。即得到稳定的混合微藻。

稳定水华特征：经鉴定本实施例得到的混合微藻主要包括7属微藻，其中蓝藻门3属，绿藻门4属。藻细胞密度为24.08×10⁴cells/mL，其中蓝藻占了92%以上，形成的以蓝藻为主的水华，达到水华界定标准，即采在本发明的装置能实现混合微藻的稳定培养，获得的微藻为混合微藻，生理性能与自然水体微藻无明显差异，能在室内更好的模拟野外水华现象，提高了结果的准确性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不以本发明为限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种混合微藻的稳定培养装置，其特征在于，包括密闭设置的培养单元（1），其主体为双层玻璃反应釜，内层为水华培养室（11），外层为水浴腔（12）；所述培养单元（1）的进样口和出样口位于水华培养室（11）的顶部，所述水浴腔（12）的下部和上部各设置有一个与所述水浴腔（12）连通的水浴口，两个所述水浴口连接有恒温冷水机（7）；所述水华培养室（11）内还设置有用于搅拌培养液的搅拌机构（4）；所述水华培养室（11）下部设置有通气口（5），所述通气口（5）通过管道连接泵气机构；

所述稳定培养装置还包括用于输送营养物的进样单元和藻液回流单元，所述进样单元包括进样瓶（21），所述进样瓶（21）通过进样管道与培养单元（1）上的进样口相连接，并位于水华培养室（11）的液面上方，所述进样管道还设置有进样泵（22）；所述藻液回流单元包括密闭设置的回流瓶（62）和过滤瓶（64），所述回流瓶（62）和过滤瓶（64）通过水系过滤膜（63）连通设置；所述回流瓶（62）上连接有主动回流管道和被动回流管道，所述主动回流管道的一端伸入所述回流瓶（62）的液面下，另一端连接有回流蠕动泵（61），所述回流蠕动泵（61）通过主动回流管道连接至所述水华培养室内，并位于水华培养室（11）的液面上方，所述被动回流管道的一端与培养单元（1）上的出样口相连接并伸入所述水华培养室（11）中，另一端连接至所述回流瓶（62）的液面上方；所述过滤瓶（64）通过出水管道连接有出水泵（65），所述出水管道伸入所述过滤瓶（64）的液面下方。

2.根据权利要求1所述混合微藻的稳定培养装置，其特征在于，所述搅拌机构包括可转动地竖向设置在所述反应釜内层的搅拌轴（41）和沿所述搅拌轴径向设置的搅拌件（42），所述搅拌轴上端延伸至反应釜外，并与电机的输出轴相连接，使搅拌轴在电机的控制下旋转。

3.根据权利要求2所述混合微藻的稳定培养装置，其特征在于，所述搅拌件（42）为沿搅拌轴（41）周向均布设置的三组双叶叶片。

4.根据权利要求3所述混合微藻的稳定培养装置，其特征在于，所述叶片为45°斜叶，且每组叶片之间互呈60°。

5.根据权利要求1所述混合微藻的稳定培养装置，其特征在于，所述水系过滤膜（63）的孔径为0.45~2μm。

6.根据权利要求1所述混合微藻的稳定培养装置，其特征在于，所述水华培养室（11）中还包括用于混合水华的塑料珠（8），所述塑料珠的密度与水的密度相近。

7.根据权利要求1所述混合微藻的稳定培养装置，其特征在于，所述培养装置中的管道均采用硅胶管，所述硅胶管与瓶之间以胶套方式连接。

8.根据权利要求1所述混合微藻的稳定培养装置，其特征在于，所述被动回流管道的一端伸入所述水华培养室（11）内并位于藻液的液面处。

9.根据权利要求1所述混合微藻的稳定培养装置，其特征在于，所述泵气机构包括空气泵（53），所述空气泵通过管道与通气口（5）相连，所述空气泵上还设置有气体流量计（52），所述气体输送管上设置有空气过滤头（51）。

10.根据权利要求1所述混合微藻的稳定培养装置，其特征在于，还包括光源单元，所述光源单元由若干led灯组成，均布设置于培养装置的顶部及四围。