CN110408517A - 自然淡水浮游生物微宇宙体系构建装置及方法 - Google Patents

自然淡水浮游生物微宇宙体系构建装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供自然淡水浮游生物微宇宙体系构建装置及方法，利用烧杯构建体系微宇宙系统，水体环境为利用自然淡水配制的培养基，并添加纤维素，自然淡水取自自然环境的水体，浮游生物为自然淡水中存在的物种；利用自然淡水浮游生物微宇宙体系构建装置的控温水循环系统、光照控制装置和溶解氧含量控制与实时监测系统使微宇宙体系始终处于稳定的环境条件；微宇宙体系运行37d，其中0d‑9d为适应期，9‑37d为实验期；每周取样两次，每次取样100‑200mL进行相关指标的测定，及时补充纯水。本发明通过添加培养基与纤维素，更加便捷的实现了自然淡水微宇宙体系营养盐的全面补充，并在一定程度上提高了不同研究结果间的可比性。

Description

自然淡水浮游生物微宇宙体系构建装置及方法
技术领域
本发明属于生态学技术领域，具体涉及一种自然淡水浮游生物微宇宙体系构建装置及方法。
背景技术
微宇宙(Microcosm)是指小生态系统或者是在实验室模拟的生态系统。与常规毒性试验相比，微宇宙可提供更多的信息，包括：污染物的间接效应，微宇宙系统内的补偿效应和污染物影响的季节变化等。微宇宙技术是在可控条件下进行生态系统水平研究的有效手段，考虑了种内和种间关系，更接近真实的自然环境。保护高层次的生态组织(群落，生态系统)是环境保护的主要目标，微宇宙技术现已被广泛应用于污染物高层次水平生态风险评价，成为改善风险评估生态现实性的有力工具。
浮游植物是水体环境中的初级生产者，处于营养金字塔的底层，其覆盖广、对环境变化响应敏感，群落结构与水环境因子关系密切。浮游动物作为次级生产者，是水生态系统食物网中的重要环节。浮游动物种类和数量的变化直接或间接地对较其营养等级较高(鱼类)和较低的水生生物(浮游植物)的种类、分布和丰度产生影响。浮游生物在水生态系统中具有独特的生态功能，可作为指示生物群落，利用浮游生物构建淡水微宇宙系统，对于探究污染物的生态效应具有重要意义。
目前，利用浮游生物微宇宙技术进行污染物的生态风险评价主要依赖人工组合微宇宙与自然微宇宙两种方式。其中，人工组合微宇宙最初的生物群落可控制，简化了自然水体的食物网结构，从而可获得重复性好的结果，但难以将试验结果外推至自然生态系统。想要获得更接近真实环境的生态风险评价结果，解决实际污染问题需要构建基于自然水体的微宇宙体系，但自然水生态系统十分复杂，将其进行室内模拟时难度大、稳定性低。因此，为保证微宇宙体系的正常运行，目前基于自然水体微宇宙体系进行的研究，需要研究者在前期针对各自的试验环境和试验需求进行大量的工作进行培养条件的探究，这种构建方式费时费力、实用性低、适用范围窄。因此，提供一种简单、快捷地构建可稳定健康运行的自然淡水浮游生物微宇宙体系，提高自然微宇宙技术的实用性和适用性是进行污染物生态风险评价的根本保证。
发明内容
本发明提供自然淡水浮游生物微宇宙体系构建装置及方法，通过对比实际微宇宙系统运行期间的环境条件与预设环境条件间的差距，对比微宇宙体系内与自然生态系统浮游生物的种类、数量及群落多样性间的差距，判定构建实验室内自然淡水浮游生物微宇宙的设计方案是否可行。为阐明污染物在群落及以上水平的生态效应，实现污染物高层次生态风险评价提供方法。
具体技术方案为：
一种自然淡水浮游生物微宇宙体系构建装置，控温水循环系统、光照控制装置和溶解氧含量控制与实时监测系统；
所述的控温水循环系统包括水浴缸与温度控制单元；微宇宙体系置于水浴缸中，水浴缸置于不锈钢架上，水浴缸通过管道与温度控制单元相连，管道包括进水管和出水管，进水管置于不锈钢架上，进水管上设有可调节水流大小的水流开关，水箱中的水通过温控机组实现控温，利用喷射泵将恒定温度的水补充到水浴缸内，出水管与温度控制单元相连，用于控制水浴缸内水体总量，一旦水面高于出水管高度，通过压力与增压泵将多余水排出到温度控制单元的水箱中进而重新控温；
所述的光照控制装置包括LED灯管、定时开关和光照强度调节装置；LED灯管置于不锈钢铁架上，位于微宇宙体系上方；利用定时开关和光照强度调节装置控制LED灯管实现不同强度光照的补给并控制光周期，定时开关与光照强度调节装置置于不锈钢铁架上；
所述的溶解氧含量控制与实时监测系统包括氧气泵、增氧沙头、氧气管、调节开关与光纤测氧仪，可实现溶解氧含量的补充与实时监控，维持稳定的溶解氧水平。
所述的微宇宙体系，包括烧杯，烧杯内有纤维素、自然淡水配制的培养基。
自然淡水浮游生物微宇宙体系构建方法，包括以下步骤：
利用5L烧杯构建体系为4.5L的微宇宙系统，水体环境为利用自然淡水配制的培养基(T82MV与T86MVK培养基均可，优选T86MVK培养基)，并添加0.75g纤维素，自然淡水取自自然环境的水体，浮游生物为自然淡水中存在的物种；
利用所述的自然淡水浮游生物微宇宙体系构建装置使微宇宙体系始终处于稳定的环境条件；
微宇宙体系运行37d，其中0d-9d为适应期，9-37d为实验期；
实验期每周取样两次，每次取样100-200mL进行相关指标的测定，及时补充纯水。
本发明提供的自然淡水浮游生物微宇宙体系构建装置为微宇宙的健康运行提供了适宜、稳定的环境条件。同时，相较于现有的不同研究按试验环境和试验需要所制定的不同培养方案，本发明通过添加培养基与纤维素，更加便捷的实现了自然淡水微宇宙体系营养盐的全面补充，并在一定程度上提高了不同研究结果间的可比性。本发明具有构建方法简单快捷，实用性和适用性高，包含真实完整的淡水生态系统浮游生物信息等优点。
附图说明
图1a为实施例不同微宇宙体系浮游植物丰度；
图1b为实施例不同微宇宙体系浮游动物丰度；
图2a为实施例不同微宇宙体系浮游植物多样性指数H；
图2b为实施例不同微宇宙体系浮游植物丰富度指数M；
图2c为实施例不同微宇宙体系浮游植物均匀度指数J；
图3a为实施例不同微宇宙体系浮游动物多样性指数H；
图3b为实施例不同微宇宙体系浮游动物丰富度指数M；
图3c为实施例不同微宇宙体系浮游动物均匀度指数J；
图4为本发明的结构示意图；
图中：1.不锈钢架；2.微宇宙体系；31.水浴缸；32.温度控制单元；321.水箱；322.温控机组；323.喷射泵；33.进水管；34.水流开关；35.出水管；36.增压泵；41.LED灯管；42.定时开关；43.光照强度调节装置；51.氧气泵；52.增氧沙头；53.氧气管；54.调节开关；55.光纤测氧仪。
具体实施方法
结合实施例说明本发明的具体技术方案。
如图4所示，本实施例采用的自然淡水浮游生物微宇宙体系构建装置，控温水循环系统、光照控制装置和溶解氧含量控制与实时监测系统；
所述的控温水循环系统包括水浴缸31与温度控制单元32；微宇宙体系2置于水浴缸31中，水浴缸31置于不锈钢架1上，水浴缸31通过管道与温度控制单元32相连，管道包括进水管33和出水管35，进水管33置于不锈钢架1上，进水管33上设有可调节水流大小的水流开关34，温水箱321中的水通过温控机组322实现控温，利用喷射泵323将恒定温度的水补充到水浴缸31内，出水管35与温度控制单元32相连，用于控制水浴缸31内水体总量，一旦水面高于出水管35高度，通过压力与增压泵36将多余水排出到温度控制单元32的温水箱321中进而重新控温；
所述的光照控制装置包括LED灯管41、定时开关42和光照强度调节装置43；LED灯管41置于不锈钢铁架1上，位于微宇宙体系2上方；利用定时开关42和光照强度调节装置43控制LED灯管41实现不同强度光照的补给并控制光周期，定时开关42与光照强度调节装置43置于不锈钢铁架1上；
所述的溶解氧含量控制与实时监测系统包括氧气泵51、增氧沙头52、氧气管53、调节开关54与光纤测氧仪55，可实现溶解氧含量的补充与实时监控，维持稳定的溶解氧水平。
所述的微宇宙体系2，包括烧杯，烧杯内有纤维素、自然淡水配制的培养基。
利用所述的自然淡水浮游生物微宇宙体系构建装置使微宇宙体系2始终处于稳定的环境条件；微宇宙运行期间设定的环境条件见表1。
表1微宇宙体系运行期间设定的环境条件
本实施例利用5L烧杯(烧杯直径17cm、高27cm)构建体系为4.5L的微宇宙系统，水体环境为利用自然淡水配制的T86MVK培养基(T82MV与T86MVK培养基均可，优选T86MVK培养基)，并添加0.75g纤维素，自然淡水取自南开大学津南校区，浮游生物为自然淡水中存在的物种，其生物信息见表2。T86MVK培养基和纤维素的添加，是为了给浮游生物的生长提供良好的营养条件。
表2实验所用自然水体浮游生物信息
为满足不同的研究目的，本实施例构建了两种自然淡水浮游生物微宇宙体系，每种3个平行：一种自然淡水浮游生物微宇宙体系为多物种浮游植物微宇宙体系(Phytoplankton)，另一种自然淡水浮游生物微宇宙体系为多物种包含浮游植物-浮游动物食物链微宇宙体系(Phytoplankton+Zooplankton)。
实验运行37d，其中0d-9d为适应期，9-37d为实验期。多物种浮游植物微宇宙体系(Phytoplankton)于0d采集自然淡水，利用浮游生物网过滤浮游动物；多物种包含浮游植物-浮游动物食物链微宇宙体系(Phytoplankton+Zooplankton)于0d采集自然淡水，利用浮游生物网过滤浮游动物，于9d在体系中添加浮游动物(浮游动物为4.5L自然淡水过滤所得)。
每周取样两次，每次取样100-200mL进行相关指标的测定。微宇宙体系每周约蒸发100-150mL水，根据记录的体积在每次取样后添加纯水。浮游生物的鉴定依据为《淡水微型生物图谱》和《中国内陆水域常见藻类图谱》。
生物群落多样性是生态系统维持稳定和健康的关键因素,本研究利用Shannon多样性指数(H)、Pielou均匀度指数(J)和Margalef丰富度指数(M)三种生物群落多样性指数对浮游生物数据进行分析，作为判别构建自然淡水浮游生物微宇宙体系的设计方案是否可行的依据，其计算公式如下：
H＝-∑Pilog2Pi
M＝(S-1)/log2N
J＝H/lnS
式中，Pi为第i种的个体数与总体数的比值，Pi＝ni/N，ni为第i种个体数，N为样品总个体数，S是种类数。
实验期间，利用控温水循环系统、光照控制装置和溶解氧含量控制与实时监测系统维持微宇宙体系环境条件，其具体情况见下表3。
表3微宇宙运行期间环境条件
微宇宙体系内浮游生物数据结果表明，在多物种浮游植物微宇宙体系(Phytoplankton)中，共捕获浮游植物53种，其中22种属于绿藻门，17种属于蓝藻门，10种属于硅藻门，2种属于甲藻门，裸藻门和隐藻门各有1种。在为期28d的实验期(9-37d)中，浮游植物增长迅速，丰度从28.43×106ind./L增长到82.77×106ind./L，如图1a所示。物种多样性指数H、丰富度指数M和均匀度指数J的变化范围分别在2.34±0.07到2.72±0.15，2.99±0.05到5.08±0.53和0.75±0.02到0.84±0.04之间，如图2a、图2b、图2c所示。
在多物种包含浮游植物-浮游动物食物链微宇宙体系(Phytoplankton+Zooplankton)中，共捕获浮游植物52种，其中20种属于绿藻门，18种属于蓝藻门，10种属于硅藻门，2种属于甲藻门，裸藻门和隐藻门各有1种。实验期开始时(9d)浮游植物丰度为21.13×106ind./L，实验结束时(37d)浮游植物丰度为48.43×106ind./L，如图1a所示。浮游植物物种多样性指数H、丰富度指数M和均匀度指数J的变化范围分别在2.50±0.02到2.81±0.03，3.07±0.11到4.50±0.08和0.83±0.02到0.88±0.01之间，如图2a到图2c所示。共捕获浮游动物35种，其中轮虫28种，枝角类3种，桡足类4种。在为期28d的实验期(9-37d)中，浮游动物增长迅速，丰度从9400ind./L增长到26916.67ind./L，如图1b所示。浮游动物物种多样性指数H、丰富度指数M和均匀度指数J的变化范围分别在1.97±0.06到2.66±0.11，2.66±0.27到4.30±0.08和0.71±0.03到0.85±0.03之间，如图3a到图3b所示。
本实施例利用自然淡水浮游生物微宇宙体系构建装置维持了微宇宙运行的环境条件，通过添加T86MVK培养基与纤维素实现了自然淡水微宇宙体系营养盐的快速补充。通过监测微宇宙运行期间的各环境条件(光照强度、光周期、温度和溶解氧含量)和浮游生物信息评估所提供的构建方法的科学性和合理性。结果表明，在为期37d的实验中(适应期9d，实验期28d)，微宇宙系统各环境条件指标均满足预设定水平，并且误差小，可稳定维持。浮游生物持续增长，现存量较高，种类丰富，群落结构完整，群落结构多样性指标与背景值相近，说明本发明可用于实验室条件下自然淡水浮游生物微宇宙体系的构建。

Claims (4)

1.自然淡水浮游生物微宇宙体系构建装置，其特征在于，包括控温水循环系统、光照控制装置和溶解氧含量控制与实时监测系统；
所述的控温水循环系统包括水浴缸与温度控制单元；微宇宙体系置于水浴缸中，水浴缸置于不锈钢架上，水浴缸通过管道与温度控制单元相连，管道包括进水管和出水管，进水管置于不锈钢架上，进水管上设有可调节水流大小的水流开关，水箱中的水通过温控机组实现控温，利用喷射泵将恒定温度的水补充到水浴缸内，出水管与温度控制单元相连，用于控制水浴缸内水体总量，一旦水面高于出水管高度，通过压力与增压泵将多余水排出到温度控制单元的水箱中进而重新控温；
所述的光照控制装置包括LED灯管、定时开关和光照强度调节装置；LED灯管置于不锈钢铁架上，位于微宇宙体系上方；利用定时开关和光照强度调节装置控制LED灯管实现不同强度光照的补给并控制光周期，定时开关与光照强度调节装置置于不锈钢铁架上；
所述的溶解氧含量控制与实时监测系统包括氧气泵、增氧沙头、氧气管、调节开关与光纤测氧仪，可实现溶解氧含量的补充与实时监控，维持稳定的溶解氧水平。
2.根据权利要求1所述的自然淡水浮游生物微宇宙体系构建装置，其特征在于，所述的微宇宙体系，包括烧杯，烧杯内有纤维素、自然淡水配制的培养基。
3.自然淡水浮游生物微宇宙体系构建方法，其特征在于，权利要求1或2所述的自然淡水浮游生物微宇宙体系构建装置的构建方法，包括以下步骤：
利用烧杯构建体系微宇宙系统，水体环境为利用自然淡水配制的培养基，并添加纤维素，自然淡水取自自然环境的水体，浮游生物为自然淡水中存在的物种；
利用所述的自然淡水浮游生物微宇宙体系构建装置使微宇宙体系始终处于稳定的环境条件；
微宇宙体系运行37d，其中0d-9d为适应期，9-37d为实验期；
实验期每周取样两次，每次取样100-200mL进行相关指标的测定，及时补充纯水。
4.根据权利要求3所述的自然淡水浮游生物微宇宙体系构建方法，其特征在于，所述的培养基为T82MV培养基或T86MVK培养基。
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