CN111691360B - 一种模拟溪流生态系统的室内人工溪流装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种模拟溪流生态系统的室内人工溪流装置：顶部敞口的回形水槽，回形水槽中间为一实体部位，该实体部位中间设有一凹陷处，该凹陷用于放置营养盐添加装置；回形水槽中均匀放置相同数量的采自欲研究溪流的石头；回形水槽的正上方安装有可伸缩的钢结构支架，钢结构支架上安装有日光灯和光照调控装置，以及温湿度监测仪；回形水槽两侧的内壁设置有数个凹口型插口；马达连接电机转速控制器，马达的连接轴上固定有轮桨，在回形水槽内形成可循环流动的水流；回形水槽设有进水口和出水口，进水口和出水口分别连接水泵和软管，软管与水泵连接处装有筛网；室内人工溪流装置上设有光度计。本发明还公开了利用上述装置进行实验的方法。

Description

一种模拟溪流生态系统的室内人工溪流装置及方法

技术领域

本发明属于生态学及环境科学领域，更具体涉及一种用于模拟溪流生态系统的室内人工溪流装置。

本发明还涉及利用上述装置进行实验的方法。

背景技术

人工溪流是生态学研究的有效工具，克服了传统野外实验不确定性因素多、重复性差等缺点，可以在不破坏溪流生态环境的条件下展开相关研究。

此外，当前各种新兴污染物(如药物及个人护理品、微塑料、纳米材料、基因毒素等)在水环境中频繁检出，严重影响水生生态系统的结构与功能。传统的研究大多是针对某一营养级的模式动物的暴露实验，无法很好的模拟真实环境，准确地评估污染物对整个生态系统产生的影响。专利申请号 201910163367.8公开了一种野外条件下模拟环境变化的人工溪流装置，主要是为了解决现有装置模拟多种环境因素(温度，流速，营养盐等)的研究系统不足的问题，但其组成部件较多，可操作性较差。另外，笔直形人工溪流是非封闭系统，回形水槽的应用有利于探究封闭系统中某种环境要素改变带来的影响。

目前，人工溪流模拟装置是研究溪流生态系统理论基础之一，因此对于构建实验室内准确反应野外真实的水文环境及人工设施至关重要。准确的并能较真实的反映实际溪流环境、可操作性强以及低成本的物理模拟装置将会更加受到科研人员的关注。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于模拟溪流生态系统的室内人工溪流装置。

本发明的又一目的是提供一种利用上述装置进行实验的方法。

为实现上述目的，本发明提供的模拟溪流生态系统的室内人工溪流装置为可循环流动的闭环流动系统，可置于地面上、桌子或架子上；包括：

顶部敞口的回形水槽，回形水槽中间为一实体部位，该实体部位中间设有一凹陷处，该凹陷用于放置营养盐添加装置，进行营养盐的添加；

回形水槽中均匀放置相同数量的采自欲研究溪流的石头；

回形水槽的正上方安装有可伸缩的钢结构支架，钢结构支架上安装有日光灯和光照调控装置，以及监控人工溪流装置温度和湿度的温湿度控制仪；

回形水槽两侧的内壁设置有数个凹口型插口，用于固定模拟水坝的挡板；

一马达，与电机转速控制器和手持激光光电转速计固定在一架子上，马达连接电机转速控制器，马达的连接轴上贴有反光带，手持激光光电转速计位于马达前方，手持激光光电转速计发出的激光束对准反光带以检测马达转速；

马达的连接轴上固定有轮桨，连接轴置于回形水槽上方，轮桨置于回形水槽内，由轮桨的叶片带动在回形水槽内形成可循环流动的水流；

回形水槽设有进水口和出水口，进水口和出水口分别连接水泵和软管，软管与水泵连接处装有筛网；

室内人工溪流装置上设有光度计，用于检测人工溪流阵列中的光度变化。

所述的室内人工溪流装置，其中，室内人工溪流装置为多组平行设置，马达的连接轴上相对应每个室内人工溪流装置均设有一轮桨，各轮浆的叶片浸在水面下的高度为一致。

所述的室内人工溪流装置，其中，回形水槽材质为玻璃纤维，回形水槽的四周为椭圆形。

所述的室内人工溪流装置，其中，回形水槽内设有监控水位变化的金属尺。

所述的室内人工溪流装置，其中，轮桨有5个叶片。

所述的室内人工溪流装置，其中，营养盐添加装置由玻璃瓶和分液器组成，玻璃瓶放入水槽中部的凹陷处。

所述的室内人工溪流装置，其中，软管与水泵连接处的筛网为孔径 30-100目的尼龙滤网。

本发明利用上述室内人工溪流装置进行实验的方法是：

1)人工溪流装置的运行：将水加入回形水槽中，开动马达，使水以一定速度循环流动；

2)生物群落的定殖：刮取欲研究溪流的石头上的物质，制成细菌悬浮液，倒入人工溪流装置中生长以提供实验需要的细菌；移接完整的生物膜驯化；

3)环境因素的控制：日光灯模拟光照条件，一周补充两次营养盐以维持生物的正常生长，一定时间间隔内测定各个人工溪流的光照条件、温度、湿度、轮桨的转速并记录；

4)通过水泵和软管换水。

所述的方法，其中，需探究水坝对溪流生态系统的影响时，根据需求设置挡板高度、数量以及位置，改变水流状态。

所述的方法，其中，步骤1中加入回形水槽中的水量为40-70L，马达转速为16-20rpm。

与现有技术相比，本发明具有以下优势：

1)本发明通过回形水槽形成可循环流动的闭环流动系统，能够更准确模拟多种环境情景下溪流封闭生态系统，相比于单一物种毒性试验来讲，本发明能够预测某一污染物或多种污染物共存对整个生态系统的复杂影响。

2)循环流动的溪流提供了相对封闭的系统，各营养级生物的生长、繁殖、呼吸、代谢等都是在封闭系统中进行的，因此可测的生态系统指标多样，如总初级生产量和群落呼吸作用、生态系统净产量、养分吸收、落叶分解、生物积累、生物降解和次生产物等。此外，本发明还可应用于探究溪流生态系统中各营养级对某一目标污染物的生物放大作用。

3)增设的模拟水坝可以模拟修建水坝对溪流生态系统的影响，水坝的数目、间隔、高度均可根据需要调节，扩大了人工溪流装置的使用范围。

4)本发明操作简单，用途广泛，装置可重复使用。可根据需要同时建立多个并行运行的人工溪流，多个人工溪流装置并行运行时，基本环境要素可控(温度、光照、营养盐、流速、生物群落组成、干扰等)，且装有可实时监测各个环境要素变化的装置，有利于对实验过程的掌控和实验结果的分析，其结果也能更好地外推至天然生态系统。

附图说明

图1是本发明室内人工溪流装置主体结构俯视图。

图2是本发明室内人工溪流装置三组平行实验并行时的主体结构俯视图。

图3是本发明的回形水槽主视图。

图4是本发明悬挂轨道式凹口型插口示意图。

图中标识说明：

1马达；2电机转速控制器；3轮桨；4营养盐添加装置；5回形水槽； 6溪流基质鹅卵石；7日光灯；8钢结构支架；9导轨及滑轮；10凹口型插口。

具体实施方式

针对目前缺乏用于研究环境胁迫对人工溪流影响的实验装置，无法针对整个溪流生态系统进行研究，本发明提供了可在人为控制下，探究单一或组合环境要素改变对溪流生态系统影响的实验装置。

以下结合附图对本发明作进一步的描述。

本发明模拟溪流生态系统的室内人工溪流装置，包括人工溪流单元，流速调控单元、环境要素监控单元、进出水单元。

所述人工溪流单元为顶部敞口的回形水槽5，可在轮桨3的叶片的带动下形成可循环流动的水流，其中回形槽两侧内壁可设置悬挂轨道式3-5 个凹口型插口10，凹口型插口10的上方设有导轨及滑轮9，用于推拉和固定模拟水坝的挡板。回形水槽中均匀放置相同数量的采自欲研究溪流的石头(溪流基质鹅卵石)6。

所述流速调控单元包括马达1、电机转速控制器2、轮桨3、连接轴、手持激光光电转速计，所述叶片嵌入回形水槽的凹槽内且固定于连接轴上，所述连接轴置于回形水槽上方，末端与马达连接，电机转速控制器用于调控对应马达的转速，使马达工作时带动轮桨以一定转速(16-30rpm)旋转，所述手持激光光电转速计用于监控马达转速，定期观察人工溪流阵列中各马达的转速是否以预期的转速在转动，各马达转速是否一致，以便做出及时的调整，尽可能控制非目标因素一致。

所述环境要素调控单元包括光照调控、营养盐添加 装置4。

所述进出水单元包括水泵和软管，抽水软管与水泵连接处装有筛网，筛网可防止把生物和石头抽走。

所述回形水槽可置于地面上、桌子和架子上，视实验场地大小和实验需要选择。

进一步的，回形水槽的四周为椭圆形，没有死角，有利于维持水体清洁，便于清洗。

进一步的，回形水槽材质为玻璃纤维，也可根据实验需求更改。

进一步的，回形水槽内有金属尺，监控水位的变化。

进一步的，所述回形水槽设有多个，可设置多组重复实验。根据统计学规定，一组实验至少有四组平行，多组实验人工溪流应随机放置，减少环境差异带来的误差。

进一步的，所述连接轴长度视回形水槽个数、尺寸而定，一个连接轴可安装多个轮桨，连接轴必须笔直，保证一个马达所带动的轮桨均以相同的速度旋转。

进一步的，所述轮桨有5个叶片，叶片应浸在液面下3-6cm，若有多个轮桨时，浸在液面下的高度须保持一致。

进一步的，所述流速调控系统还包括小木架，所述马达、电机转速控制器、手持激光光电转速计置于一小架上。

进一步的，所述马达的电动机杆上贴有反光带，手持激光光电转速计位于马达前方，其发出的激光束对准反光带以检测马达转速。

进一步的，回形水槽中间实体部位装有可伸缩钢结构支架8。

进一步的，所述光照调控装置由日光灯与光度计组成，日光灯7安装于每个回形水槽的正上方，固定于钢结构支架上。光度计部署于所有人工溪流，来监测人工溪流阵列中光的空间变化。

进一步的，回形水槽中部凹陷处放置营养盐添加装置，可进行定量的营养盐添加。

进一步的，营养盐添加装置由玻璃瓶和分液器组成，玻璃瓶恰好可放入水槽中部设计的凹陷处，将提前配置好的一定浓度的营养盐溶液装入玻璃瓶内，调节分液器刻度，泵入定量营养盐溶液，通过水流的流动，营养盐均匀地混入人工溪流中。

进一步的，营养盐添加装置也可以作为药物投加装置使用。

进一步的，所述筛网为孔径30-100目的尼龙滤网。

进一步的，所述水槽中间钢结构支架上装有温湿度控制器，监控人工溪流阵列的温度和湿度。

进一步的，进出水单元独立于回形水槽之外，以保证回形水槽为封闭系统。

本发明提供的上述一种模拟溪流生态系统的室内人工溪流装置的使用方法：

1)人工溪流装置的运行：使用软管将水加入回形水槽中，水量为40-70L，实验所用的水可以是地下水、自来水等。开动马达，使水一定速度循环流动，转速控制在16-20rpm，不可过快，防止水花溅出。若需探究水坝对溪流生态系统的影响，可根据需求设置挡板高度、数量以及位置，改变水流状态。

2)生物群落的定殖：在正式实验开始之前有一个生物群落的定殖过程。刮取所研究溪流的石头上的物质，制成细菌悬浮液，倒入人工溪流装置中生长两个月，提供实验需要的细菌；移接完整的生物膜，如鹅卵石、树叶等，在正式实验开始前驯化几天。培养周期视实验目的和所用的实验生物而定，数周到数月不等。

3)环境因素的控制：日光灯模拟光照条件，一周补充两次营养盐以维持生物的正常生长，一定时间间隔内测定各个人工溪流的光照条件、温度、湿度、轮桨的转速等，做好记录。

4)用水泵和软管换水。

本发明的室内人工溪流装置实际操作情况如下：

实施例1

模拟的人工溪流属于中宇宙尺度生态系统，目的是探究精神活性药物氯胺酮(又称K粉)对溪流生态系统的影响。所设计的水槽外围尺寸为 170cm×40cm×16cm，轮桨叶片尺寸为13cm长×14cm宽。设置一个和实际环境中接近的环境暴露水平的药物浓度(0.2μg/L)以及一个空白对照组，每一浓度设置4个重复，共8个水槽，8个水槽随机放置于桌子上，4个为一组，也即一个马达带动4个轮桨转动。每个水槽放入60L去氯自来水，流速控制为0.30m/s，模拟自然光暗循环进行日光灯的开、关。在正式实验开始之前，每个水槽内放入已知体积的6块景观石，刮取所研究京密引水渠溪流的石头上的物质，制成细菌悬浮液，倒入人工溪流装置中生长两个月，提供实验需要的细菌，此外，每个水槽中均匀放置相同数量的采自所研究溪流的石头，以提供藻类、细菌、水生昆虫。每周添加两次营养盐 (铵盐和磷酸盐)，将营养液配置好放入营养盐添加装置中，定量添加到流动的水流中。正式实验周期为22天，开始时按计算好的量将氯胺酮添加到人工溪流中，做好记录，并在分别在运行大约25min后和实验结束后取水样测定氯胺酮浓度。在实验期间每天在相同时间检查三次温度、湿度、转速、光照强度是否一致，并做好记录，检查水体是否因自然蒸发等因素减少，若有减少添加至原始刻度线。分别在实验进行的1、5、8、22天检测生物膜的叶绿素、无灰干重、以及初级生产总量、群落呼吸作用、细菌群落结构等，生物膜样品是通过刮取鹅卵石上的生物膜制成悬浮液而得到的，收集数据探究这些指标的变化规律。

加入氯胺酮后25min取水样测得氯胺酮浓度为0.18μg/L(理论值为 0.2μg/L)，在人工溪流运行第22天，测得溪流水样中氯胺酮浓度为 0.027μg/L，浓度平均降低85％，说明存在氯胺酮的生物吸收和降解。

加入氯胺酮的人工溪流运行22天后，与空白对照相比，每无灰干重的生物膜叶绿素a下降41.8％，生物膜初级生产量下降79.5％，并且改变了生物膜中的细菌和硅藻的组成。悬浮物的无灰干重增加22.7％，悬浮物的群落呼吸作用下降28.2％。以上数据表明氯胺酮对溪流生态系统存在显著影响。

实施例2

本实施例是为探究水坝对溪流生态系统的影响，装置尺寸同上，8个水槽分为两组，一组水槽插入5cm高度的挡板来模拟水坝阻隔形成的上游和下游，另一组为空白对照，除有无挡板外，其他初始条件均一致，水槽的随机放置、人工溪流的运行以及数据监测同实例1，观察溪流上下游生物群落的变化以及水坝有无对整个溪流生态系统呼吸作用、光合作用等产生影响。

Claims (10)

1.一种模拟溪流生态系统的室内人工溪流装置，为可循环流动的闭环流动系统，包括：

顶部敞口的回形水槽，回形水槽中间为一实体部位，该实体部位中间设有一凹陷处，该凹陷用于放置营养盐添加装置，进行营养盐的添加；

回形水槽中均匀放置相同数量的采自欲研究溪流的石头；

回形水槽的正上方安装有可伸缩的钢结构支架，钢结构支架上安装有日光灯和光照调控装置，以及监控人工溪流装置温度和湿度的温湿度监测仪；

回形水槽两侧的内壁设置有数个凹口型插口，凹口型插口的上方设有导轨及滑轮，用于推拉和固定模拟水坝的挡板；

其中回形水 槽两侧内壁可设置3-5 个 悬挂轨道式凹口型插口（ 10）；

一马达，与电机转速控制器和手持激光光电转速计固定在一架子上，马达连接电机转速控制器，马达的连接轴上贴有反光带，手持激光光电转速计位于马达前方，手持激光光电转速计发出的激光束对准反光带以检测马达转速；

马达的连接轴上固定有轮桨，连接轴置于回形水槽上方，轮桨置于回形水槽内，由轮桨的叶片带动在回形水槽内形成可循环流动的水流；

回形水槽设有进水口和出水口，进水口和出水口分别连接水泵和软管，软管与水泵连接处装有筛网；

室内人工溪流装置上设有光度计，用于检测人工溪流阵列中的光度变化。

2.根据权利要求1所述的室内人工溪流装置，其中，室内人工溪流装置为多组平行设置，马达的连接轴上相对应每个室内人工溪流装置均设有一轮桨，各轮桨 的叶片浸在水面下的高度为一致。

3.根据权利要求1或2所述的室内人工溪流装置，其中，回形水槽材质为玻璃纤维，回形水槽的四周为椭圆形。

4.根据权利要求1所述的室内人工溪流装置，其中，回形水槽内设有监控水位变化的金属尺。

5.根据权利要求1所述的室内人工溪流装置，其中，轮桨有5个叶片。

6.根据权利要求1所述的室内人工溪流装置，其中，营养盐添加装置由玻璃瓶和分液器组成，玻璃瓶放入水槽中部的凹陷处。

7.根据权利要求1所述的室内人工溪流装置，其中，软管与水泵连接处的筛网为孔径30-100目的尼龙滤网。

8.一种 利用权利要求1所述室内人工溪流装置进行实验的方法：

1)人工溪流装置的运行：将水加入回形水槽中，开动马达，使水以一定速度循环流动；

2)生物群落的定殖：刮取欲研究溪流的石头上的物质，制成细菌悬浮液，倒入人工溪流装置中生长以提供实验需要的细菌；移接完整的生物膜进行驯化；

3)环境因素的控制：日光灯模拟光照条件，一周补充两次营养盐以维持生物的正常生长，一定时间间隔内测定人工溪流阵列的光照条件、温度、湿度、轮桨的转速并记录；

4)通过水泵和软管换水。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，需探究水坝对溪流生态系统的影响时，根据需求设置挡板高度、数量以及位置，改变水流状态。

10.根据权利要求8所述的方法，其中，步骤1中加入回形水槽中的水量为40-70L，马达转速为16-20rpm。

Images