利用黑白瓶法測(cè)定海洋初級(jí)生產(chǎn)力的模擬現(xiàn)場(chǎng)培養(yǎng)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及浮游植物和海洋初級(jí)生產(chǎn)力的培養(yǎng)裝置，具體涉及一種利用黑白瓶測(cè)氧法測(cè)定海洋初級(jí)生產(chǎn)力的模擬現(xiàn)場(chǎng)培養(yǎng)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]海洋初級(jí)生產(chǎn)力是指海洋中初級(jí)生產(chǎn)者(主要是浮游植物)通過(guò)光合作用或化學(xué)合成生產(chǎn)有機(jī)物的能力或速率，它是海洋生態(tài)系統(tǒng)中其他異養(yǎng)生物的生存基礎(chǔ)，并從根本上影響著全球生物地球化學(xué)循環(huán)與氣候變化。因此，海洋初級(jí)生產(chǎn)力的精確測(cè)試已成為各國(guó)研究活性有機(jī)體與無(wú)機(jī)碳庫(kù)之間的碳循環(huán)、海洋固碳能力以及氣候變化的重要樞紐。測(cè)定海洋浮游植物初級(jí)生產(chǎn)力的方法有很多，目前在海洋與湖泊應(yīng)用最廣泛的是C-14示蹤法和黑白瓶測(cè)氧法。相比于C-14示蹤法對(duì)實(shí)驗(yàn)條件和設(shè)備要求較高的特點(diǎn)，黑白瓶測(cè)氧法具有操作簡(jiǎn)易、費(fèi)用低、無(wú)放射性污染等優(yōu)點(diǎn)，從20世紀(jì)前半葉一直使用至今。而且，黑白瓶測(cè)氧法通過(guò)培養(yǎng)前后水樣中溶解氧變化，可以同時(shí)計(jì)算出凈初級(jí)生產(chǎn)力、總初級(jí)生產(chǎn)力和呼吸作用率，這是C-14示蹤法難以做到的。該方法的原理是基于光合作用反應(yīng)公式:H20+C02— (CH 20)n+02丨，該反應(yīng)的逆反應(yīng)即為呼吸作用；由于氧生成量與有機(jī)物質(zhì)生成量之間或氧消耗量與有機(jī)物質(zhì)消耗量之間均存在一定的當(dāng)量關(guān)系，所以通過(guò)測(cè)定水體中溶解氧含量的變化，可以間接計(jì)算有機(jī)物質(zhì)的生成量和消耗量，進(jìn)而計(jì)算出光合作用率和呼吸作用率及總初級(jí)生產(chǎn)力。
[0003]該技術(shù)在實(shí)際操作中可分為兩種方法:“原位”現(xiàn)場(chǎng)培養(yǎng)法和“模擬”現(xiàn)場(chǎng)培養(yǎng)法，前者要求將培養(yǎng)瓶在加入水樣后放置在預(yù)定的水下深度，并且要求考察船拋錨等待24小時(shí)(甚至更長(zhǎng)時(shí)間)直至培養(yǎng)結(jié)束，所以難度高、耗時(shí)且費(fèi)力；而后者則通過(guò)工程技術(shù)來(lái)模擬現(xiàn)場(chǎng)條件，從而實(shí)現(xiàn)模擬原位的培養(yǎng)過(guò)程。
[0004]以往雖然有一些“模擬”現(xiàn)場(chǎng)培養(yǎng)的技術(shù)方法，但這些技術(shù)存在如下幾個(gè)方面的不足之處:
[0005](I)難以精確控制培養(yǎng)過(guò)程中的溫度。海洋水體溫度始終處于變化中，這不僅表現(xiàn)在大尺度的季節(jié)變化，還表現(xiàn)在一日內(nèi)晝夜交替的周期變化。而且，海洋水體具有垂向立體維度，不同水深溫度也不同。以往模擬培養(yǎng)技術(shù)在將水樣取出后，就再也難以控制水體的溫度變化，更難以將水樣溫度嚴(yán)格控制在其原本所在的深度的溫度。以往研究表明，溫度對(duì)浮游植物初級(jí)生產(chǎn)力和碳同化系數(shù)影響極大，這勢(shì)必導(dǎo)致初級(jí)生產(chǎn)力測(cè)試結(jié)果的誤差。
[0006](2)難以精確控制培養(yǎng)過(guò)程中的光照強(qiáng)度。光照是影響海洋初級(jí)生產(chǎn)力的關(guān)鍵因素，因?yàn)楣庹帐歉∮沃参锿ㄟ^(guò)光合作用產(chǎn)生有機(jī)碳的原動(dòng)力。以往部分模擬培養(yǎng)技術(shù)雖然采用了日光燈等模擬太陽(yáng)光照條件，但往往難以精確控制器光照的強(qiáng)度，難以與水樣原深度的光照強(qiáng)度統(tǒng)一起來(lái)；即使部分培養(yǎng)技術(shù)能調(diào)整日光燈光照強(qiáng)度，但由于不是完全密封的環(huán)境，導(dǎo)致周圍自然光照對(duì)浮游植物產(chǎn)生難以預(yù)期的影響，進(jìn)而導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果的誤差。
[0007](3)難以模擬物理水動(dòng)力環(huán)境。海洋水體時(shí)刻處于運(yùn)動(dòng)中，而這種物理運(yùn)動(dòng)對(duì)浮游植物初級(jí)生產(chǎn)力具有較大影響。以往模擬培養(yǎng)技術(shù)在把水樣從深海中取出后，往往再也難以模擬浮游植物原本所具備的海洋動(dòng)力環(huán)境。這必將使得所測(cè)初級(jí)生產(chǎn)力與真實(shí)結(jié)果有難以預(yù)期的偏差。
[0008](4)難以同時(shí)對(duì)多個(gè)水層的水樣進(jìn)行模擬培養(yǎng)。海洋水體具有垂向立體維度，不同水深的光照、溫度和物理環(huán)境等均不同；相應(yīng)的，浮游植物的生物量、物種組成和生理特征等也會(huì)發(fā)生變化；因此，從原水深獲取水樣后，最好能在與原水深類似生態(tài)環(huán)境中對(duì)水樣進(jìn)行培養(yǎng)。而后期計(jì)算區(qū)域初級(jí)生產(chǎn)力，則需要對(duì)不同水層所獲生產(chǎn)力值在真光層深度上進(jìn)行積分，一般而言所獲水層生產(chǎn)力值越多，所得最終區(qū)域初級(jí)生產(chǎn)力值越準(zhǔn)確。然而，在實(shí)際操作中，科學(xué)考察船的有限空間和海洋水體動(dòng)蕩環(huán)境均給多層原位培養(yǎng)帶來(lái)了極大的操作難度。
[0009](5)難以準(zhǔn)確測(cè)定培養(yǎng)水樣中溶解氧的精確變化。目前測(cè)定溶解氧常用的方法有碘量法(即Winkler法)、氧電極法等等。前者雖然測(cè)量準(zhǔn)確度高，但是一種純化學(xué)檢測(cè)方法，不僅耗時(shí)長(zhǎng)、程序繁瑣，而且需要將密閉培養(yǎng)瓶打開(kāi)取樣，才能觀測(cè)到培養(yǎng)過(guò)程中的溶解氧變化。氧電極法是一種電化學(xué)檢測(cè)方法，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)測(cè)量，具有方便、快速的特點(diǎn)。此外，還有一些新開(kāi)發(fā)的分光光度法和熒光淬滅法等。因此，如何將既簡(jiǎn)便快捷、同時(shí)又精確度高的測(cè)氧方法靈巧地應(yīng)用于實(shí)際操作中也是一個(gè)有待解決的難點(diǎn)。
[0010]總之，以往利用測(cè)氧法測(cè)定海洋初級(jí)生產(chǎn)力的培養(yǎng)技術(shù)雖能模擬1-2個(gè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)，但在科學(xué)考察船有限空間和動(dòng)蕩環(huán)境下難以完美模擬真實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)物理化學(xué)環(huán)境；難以開(kāi)展多層水樣現(xiàn)場(chǎng)模擬培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)；難以將更精確的測(cè)氧方法完善地應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)模擬操作工程中，從而容易導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的誤差。這些都是以往多種模擬培養(yǎng)技術(shù)難以攻克的難點(diǎn)，也恰恰是本實(shí)用新型做出突破和改進(jìn)的地方。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0011]本實(shí)用新型旨在提供一種“模擬”現(xiàn)場(chǎng)培養(yǎng)裝置，以解決現(xiàn)有培養(yǎng)裝置操作難度大、耗時(shí)長(zhǎng)、操作要求高、測(cè)試結(jié)果不準(zhǔn)確等問(wèn)題；同時(shí)，充分利用黑白瓶測(cè)氧法操作簡(jiǎn)單、費(fèi)用低、無(wú)放射性污染等優(yōu)點(diǎn)，完美解決在科學(xué)考察船上測(cè)定海洋初級(jí)生產(chǎn)力和開(kāi)展相關(guān)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的難題，為海洋科學(xué)調(diào)查和研究提供技術(shù)支撐。
[0012]—種利用黑白瓶法測(cè)定海洋初級(jí)生產(chǎn)力的模擬現(xiàn)場(chǎng)培養(yǎng)裝置，包括培養(yǎng)單元、溫度及水流模擬控制單元、光照模擬控制單元；培養(yǎng)單元包括若干個(gè)培養(yǎng)子單元，所述培養(yǎng)子單元包括圓柱體形狀的水浴罩，在圓柱體的沿中軸線處設(shè)置中央轉(zhuǎn)軸，中央轉(zhuǎn)軸外周設(shè)置培養(yǎng)瓶旋轉(zhuǎn)支架，培養(yǎng)瓶旋轉(zhuǎn)支架上可拆卸地固定若干個(gè)培養(yǎng)瓶，所述各培養(yǎng)子單元以中央轉(zhuǎn)軸為軸線串聯(lián)設(shè)置，各培養(yǎng)子單元之間存在間隙；所述溫度及水流模擬控制單元包括循環(huán)水浴鍋，循環(huán)水浴鍋與水浴罩上的入水口和出水口分別連接；光照模擬控制單元包括光面板、日光燈管，日光燈管設(shè)置在光面板上，日光燈管連接電源，光照模擬控制單元設(shè)置在位于最外側(cè)的培養(yǎng)子單元的外側(cè)。
[0013]所述培養(yǎng)子單元的數(shù)量為至少2個(gè)，每個(gè)水浴罩對(duì)應(yīng)一個(gè)水層的水樣，在實(shí)際使用中，根據(jù)海洋水體深度來(lái)確定使用幾個(gè)水浴罩比較合適；如果所需的水層更多，可以增加中央轉(zhuǎn)軸長(zhǎng)度，并添加更多水浴罩即可解決。
[0014]所述每個(gè)培養(yǎng)子單元中培養(yǎng)瓶的數(shù)量為6個(gè)，包括3個(gè)白培養(yǎng)瓶和3個(gè)黑培養(yǎng)瓶，白培養(yǎng)瓶和黑培養(yǎng)瓶間隔排布。所述白培養(yǎng)瓶為透明材質(zhì)培養(yǎng)瓶，所述黑培養(yǎng)瓶為不透光的培養(yǎng)瓶，可采用外表涂黑或不透明玻璃材質(zhì)制作。
[0015]所述培養(yǎng)瓶之間以中央轉(zhuǎn)軸為對(duì)稱軸對(duì)稱設(shè)置，使其配平，避免在旋轉(zhuǎn)時(shí)不穩(wěn)。
[0016]所述培養(yǎng)瓶口設(shè)置在水浴罩的外側(cè)并固定在培養(yǎng)瓶旋轉(zhuǎn)支架上，方便加樣取樣等操作，且不存在水浴罩中水通過(guò)瓶口滲進(jìn)培養(yǎng)瓶?jī)?nèi)的風(fēng)險(xiǎn)。
[0017]所述培養(yǎng)瓶為斜口設(shè)置，即瓶口方向與瓶身方向具有夾角，而非常規(guī)的方向一致。將培養(yǎng)瓶的瓶口改成斜向，并固定在培養(yǎng)瓶旋轉(zhuǎn)支架上，方便向瓶中添加水樣、也方便培養(yǎng)后的清洗工作；圓柱體形水浴罩可從圓柱體底面打開(kāi)來(lái)更換培養(yǎng)瓶，如調(diào)整培養(yǎng)瓶的數(shù)量、更換不同透光度、體積的培養(yǎng)瓶等等；而在培養(yǎng)過(guò)程中，水浴罩和培養(yǎng)瓶均處于封閉狀態(tài)。
[0018]所述各培養(yǎng)瓶?jī)?nèi)均放置一個(gè)溶解氧傳感探頭，可實(shí)時(shí)測(cè)定溶解氧的微量變化；傳感探頭連接數(shù)據(jù)線，并將所有數(shù)據(jù)線集成在中空的中央轉(zhuǎn)軸內(nèi)，通過(guò)中央轉(zhuǎn)軸在底部探出來(lái)，并將數(shù)據(jù)線連接至溶解氧探測(cè)器或電腦。溶解氧傳感探頭優(yōu)選設(shè)置在培養(yǎng)瓶的中心位置，測(cè)量結(jié)果更準(zhǔn)確。
[0019]所述水浴罩采用透明材料制成，如玻璃、高透光度塑料等，透明材料不會(huì)影響光照的射入。水浴罩可以固定在中央轉(zhuǎn)軸上。
[0020]所述的溫度及水流模擬控制單元通過(guò)循環(huán)水浴鍋提供恒溫水