利用黑白瓶法测定海洋初级生产力的模拟现场培养系统

摘要

本发明涉及一种利用黑白瓶测样法测定海洋初级生产力的模拟现场培养系统，包括培养单元、温度及水流模拟控制单元、光照模拟控制单元；培养单元包括若干个培养子单元，所述培养子单元包括圆柱体形状的水浴罩，在圆柱体的沿中轴线处设置中央转轴，中央转轴外周设置培养瓶旋转支架，培养瓶旋转支架上可拆卸地固定若干个培养瓶，所述各培养子单元以中央转轴为轴线串联设置，各培养子单元之间存在间隙；所述温度及水流模拟控制单元包括循环水浴锅，循环水浴锅与水浴罩上的入水口和出水口分别连接；光照模拟控制单元包括光面板、日光灯管，日光灯管设置在光面板上，日光灯管连接电源，光照模拟控制单元设置在位于最外侧的培养子单元的外侧。

权利要求

1.一种利用黑白瓶法测定海洋初级生产力的模拟现场培养系统，其特征在于，包括培养单元、温度及水流模拟控制单元、光照模拟控制单元；培养单元包括若干个培养子单元，所述培养子单元包括圆柱体形状的水浴罩（12），在圆柱体的沿中轴线处设置中央转轴（15），中央转轴（15）外周设置培养瓶旋转支架（16），培养瓶旋转支架（16）上可拆卸地固定若干个培养瓶，所述各培养子单元以中央转轴（15）为轴线串联设置，各培养子单元之间存在间隙；所述温度及水流模拟控制单元包括循环水浴锅（5），循环水浴锅（5）与水浴罩（12）上的入水口（3）和出水口（11）分别连接；光照模拟控制单元包括光面板（10）、日光灯管（19），日光灯管（19）设置在光面板（10）上，日光灯管（19）连接电源（22），光照模拟控制单元设置在位于最外侧的培养子单元的外侧；

在每个水浴罩（12）面向光照模拟控制单元的一侧设置光量子计（17），光量子计（17）紧贴水浴罩（12），且位于以圆柱体形水浴罩（12）底面圆心为圆心、圆心到培养瓶中间部位距离为半径的圆的圆周上，光量子计（17）与电脑连接；

所述培养子单元之间，设置一个滤光板（4）；

所述培养系统除循环水浴锅（5）外均设置在不透光的遮光罩（2）内，而且遮光罩（2）的一个侧面使用不透光且密闭的拉帘，遮光罩（2）采用刚性材质，形体为四方体；

所述培养瓶为斜口设置，培养瓶口（1）设置在水浴罩（12）的外侧并固定在培养瓶旋转支架（16）上。

2.根据权利要求1所述的利用黑白瓶法测定海洋初级生产力的模拟现场培养系统，其特征在于，所述每个培养子单元中培养瓶的数量为6个，包括3个白培养瓶（13）和3个黑培养瓶（7），白培养瓶（13）和黑培养瓶（7）间隔排布，培养瓶之间以中央转轴（15）为对称轴对称设置。

3.根据权利要求1或2所述的利用黑白瓶法测定海洋初级生产力的模拟现场培养系统，其特征在于，所述各培养瓶内均放置一个溶解氧传感探头（8），溶解氧传感探头（8）设置在培养瓶的中心位置；溶解氧传感探头（8）连接数据线（14），并将所有数据线（14）集成在中空的中央转轴（15）内，通过中央转轴（15）在底部探出来，并将数据线（14）连接至溶解氧探测器或电脑（18）。

4.根据权利要求1或2所述的利用黑白瓶法测定海洋初级生产力的模拟现场培养系统，其特征在于，所述入水口（3）与出水口（11）设置在圆柱体形水浴罩（12）的侧面上，正对培养瓶的旋转轨迹。

5.根据权利要求1或2所述的利用黑白瓶法测定海洋初级生产力的模拟现场培养系统，其特征在于，所述光面板（10）与圆柱体形水浴罩（12）的底面平行。

6.根据权利要求1或2所述的利用黑白瓶法测定海洋初级生产力的模拟现场培养系统，其特征在于，所述日光灯管（19）和电源（22）之间还设置电流控制器（20）和/或定时器（21）。

说明书

利用黑白瓶法测定海洋初级生产力的模拟现场培养系统

技术领域

[0001] 本发明涉及浮游植物和海洋初级生产力的培养系统，具体涉及一种利用黑白瓶测氧法测定海洋初级生产力的模拟现场培养系统。

背景技术

[0002] 海洋初级生产力是指海洋中初级生产者(主要是浮游植物)通过光合作用或化学合成生产有机物的能力或速率，它是海洋生态系统中其他异养生物的生存基础，并从根本上影响着全球生物地球化学循环与气候变化。因此，海洋初级生产力的精确测试已成为各国研究活性有机体与无机碳库之间的碳循环、海洋固碳能力以及气候变化的重要枢纽。测定海洋浮游植物初级生产力的方法有很多，目前在海洋与湖泊应用最广泛的是C-14示踪法和黑白瓶测氧法。相比于C-14示踪法对实验条件和设备要求较高的特点，黑白瓶测氧法具有操作简易、费用低、无放射性污染等优点，从20世纪前半叶一直使用至今。而且，黑白瓶测氧法通过培养前后水样中溶解氧变化，可以同时计算出净初级生产力、总初级生产力和呼吸作用率，这是C-14示踪法难以做到的。该方法的原理是基于光合作用反应公式：H2O+CO2→(CH2O)n+O2↑，该反应的逆反应即为呼吸作用；由于氧生成量与有机物质生成量之间或氧消耗量与有机物质消耗量之间均存在一定的当量关系，所以通过测定水体中溶解氧含量的变化，可以间接计算有机物质的生成量和消耗量，进而计算出光合作用率和呼吸作用率及总初级生产力。

[0003] 该技术在实际操作中可分为两种方法：“原位”现场培养法和“模拟”现场培养法，前者要求将培养瓶在加入水样后放置在预定的水下深度，并且要求考察船抛锚等待24小时(甚至更长时间)直至培养结束，所以难度高、耗时且费力；而后者则通过工程技术来模拟现场条件，从而实现模拟原位的培养过程。

[0004] 以往虽然有一些“模拟”现场培养的技术方法，但这些技术存在如下几个方面的不足之处：

[0005] (1)难以精确控制培养过程中的温度。海洋水体温度始终处于变化中，这不仅表现在大尺度的季节变化，还表现在一日内昼夜交替的周期变化。而且，海洋水体具有垂向立体维度，不同水深温度也不同。以往模拟培养技术在将水样取出后，就再也难以控制水体的温度变化，更难以将水样温度严格控制在其原本所在的深度的温度。以往研究表明，温度对浮游植物初级生产力和碳同化系数影响极大，这势必导致初级生产力测试结果的误差。

[0006] (2)难以精确控制培养过程中的光照强度。光照是影响海洋初级生产力的关键因素，因为光照是浮游植物通过光合作用产生有机碳的原动力。以往部分模拟培养技术虽然采用了日光灯等模拟太阳光照条件，但往往难以精确控制器光照的强度，难以与水样原深度的光照强度统一起来；即使部分培养技术能调整日光灯光照强度，但由于不是完全密封的环境，导致周围自然光照对浮游植物产生难以预期的影响，进而导致测试结果的误差。

[0007] (3)难以模拟物理水动力环境。海洋水体时刻处于运动中，而这种物理运动对浮游植物初级生产力具有较大影响。以往模拟培养技术在把水样从深海中取出后，往往再也难以模拟浮游植物原本所具备的海洋动力环境。这必将使得所测初级生产力与真实结果有难以预期的偏差。

[0008] (4)难以同时对多个水层的水样进行模拟培养。海洋水体具有垂向立体维度，不同水深的光照、温度和物理环境等均不同；相应的，浮游植物的生物量、物种组成和生理特征等也会发生变化；因此，从原水深获取水样后，最好能在与原水深类似生态环境中对水样进行培养。而后期计算区域初级生产力，则需要对不同水层所获生产力值在真光层深度上进行积分，一般而言所获水层生产力值越多，所得最终区域初级生产力值越准确。然而，在实际操作中，科学考察船的有限空间和海洋水体动荡环境均给多层原位培养带来了极大的操作难度。

[0009] (5)难以准确测定培养水样中溶解氧的精确变化。目前测定溶解氧常用的方法有碘量法(即Winkler法)、氧电极法等等。前者虽然测量准确度高，但是一种纯化学检测方法，不仅耗时长、程序繁琐，而且需要将密闭培养瓶打开取样，才能观测到培养过程中的溶解氧变化。氧电极法是一种电化学检测方法，可实现现场连续测量，具有方便、快速的特点。此外，还有一些新开发的分光光度法和荧光淬灭法等。因此，如何将既简便快捷、同时又精确度高的测氧方法灵巧地应用于实际操作中也是一个有待解决的难点。

[0010] 总之，以往利用测氧法测定海洋初级生产力的培养技术虽能模拟1-2个现场环境参数，但在科学考察船有限空间和动荡环境下难以完美模拟真实的现场物理化学环境；难以开展多层水样现场模拟培养实验；难以将更精确的测氧方法完善地应用于现场模拟操作工程中，从而容易导致测量结果的误差。这些都是以往多种模拟培养技术难以攻克的难点，也恰恰是本发明做出突破和改进的地方。

发明内容

[0011] 本发明旨在提供一种“模拟”现场培养系统，以解决现有培养系统操作难度大、耗时长、操作要求高、测试结果不准确等问题；同时，充分利用黑白瓶测氧法操作简单、费用低、无放射性污染等优点，完美解决在科学考察船上测定海洋初级生产力和开展相关科学实验的难题，为海洋科学调查和研究提供技术支撑。

[0012] 一种利用黑白瓶法测定海洋初级生产力的模拟现场培养系统，包括培养单元、温度及水流模拟控制单元、光照模拟控制单元；培养单元包括若干个培养子单元，所述培养子单元包括圆柱体形状的水浴罩，在圆柱体的沿中轴线处设置中央转轴，中央转轴外周设置培养瓶旋转支架，培养瓶旋转支架上可拆卸地固定若干个培养瓶，所述各培养子单元以中央转轴为轴线串联设置，各培养子单元之间存在间隙；所述温度及水流模拟控制单元包括循环水浴锅，循环水浴锅与水浴罩上的入水口和出水口分别连接；光照模拟控制单元包括光面板、日光灯管，日光灯管设置在光面板上，日光灯管连接电源，光照模拟控制单元设置在位于最外侧的培养子单元的外侧。

[0013] 所述培养子单元的数量为至少2个，每个水浴罩对应一个水层的水样，在实际使用中，根据海洋水体深度来确定使用几个水浴罩比较合适；如果所需的水层更多，可以增加中央转轴长度，并添加更多水浴罩即可解决。

[0014] 所述每个培养子单元中培养瓶的数量为6个，包括3个白培养瓶和3个黑培养瓶，白培养瓶和黑培养瓶间隔排布。所述白培养瓶为透明材质培养瓶，所述黑培养瓶为不透光的培养瓶，可采用外表涂黑或不透明玻璃材质制作。

[0015] 所述培养瓶之间以中央转轴为对称轴对称设置，使其配平，避免在旋转时不稳。

[0016] 所述培养瓶口设置在水浴罩的外侧并固定在培养瓶旋转支架上，方便加样取样等操作，且不存在水浴罩中水通过瓶口渗进培养瓶内的风险。

[0017] 所述培养瓶为斜口设置，即瓶口方向与瓶身方向具有夹角，而非常规的方向一致。将培养瓶的瓶口改成斜向，并固定在培养瓶旋转支架上，方便向瓶中添加水样、也方便培养后的清洗工作；圆柱体形水浴罩可从圆柱体底面打开来更换培养瓶，如调整培养瓶的数量、更换不同透光度、体积的培养瓶等等；而在培养过程中，水浴罩和培养瓶均处于封闭状态。

[0018] 所述各培养瓶内均放置一个溶解氧传感探头，可实时测定溶解氧的微量变化；传感探头连接数据线，并将所有数据线集成在中空的中央转轴内，通过中央转轴在底部探出来，并将数据线连接至溶解氧探测器或电脑。溶解氧传感探头优选设置在培养瓶的中心位置，测量结果更准确。

[0019] 所述水浴罩采用透明材料制成，如玻璃、高透光度塑料等，透明材料不会影响光照的射入。水浴罩可以固定在中央转轴上。

[0020] 所述的温度及水流模拟控制单元通过循环水浴锅提供恒温水流来达到控温及模拟水流的目的。控温原理如下：从循环水浴锅流出的恒温水流通过入水口快速充入透明水浴罩，并在水浴罩内循环转动，再从出水口流出返回循环水浴锅。如果水层之间温度相差不大，可通过将水浴罩串联的方式来用同一温度的恒温水流控制温度；如果水层之间温度相差较大，则可通过不同温度的恒温水流来为每个水浴罩提供各自对应的水层温度。模拟水流原理如下：循环水浴锅产生的恒温水流从入水口快速注入封闭的圆形透明水浴罩，从而驱动培养瓶转动，培养瓶进而驱动培养瓶旋转支架，从而所有培养瓶和旋转支架围绕中央转轴在圆形的透明光罩内循环转动起来。通过控制注入水流的速度，来控制转动速度；从而模拟物理水动力条件及波浪、水流对浮游植物生态环境的扰动和影响。如各水层之间的水流动力差别不是太大，则可以通过串联方式使用一个循环水浴系统来控制培养瓶的转动速度；如果水动力条件相差较大，则可以为不同的水浴罩单独提供不同速度的恒温水流，从而最大程度地模拟原水层水动力环境。

[0021] 因此，各水浴罩内的温度及水流可以由同一台循环水浴锅统一控制或分别由不同循环水浴锅分别控制。

[0022] 所述入水口与出水口设置在圆柱体形水浴罩的侧面上，正对培养瓶的旋转轨迹，两者相距越远越好，使从循环水浴锅注入的水在水浴罩内完全循环。

[0023] 所述光面板与圆柱体形水浴罩的底面平行，使位于同一培养子单元内各培养瓶接受到的光照强度相同。

[0024] 在每个水浴罩面向光照模拟控制单元的一侧设置光量子计，光量子计紧贴水浴罩，且位于以圆柱体形水浴罩底面圆心为圆心、圆心到培养瓶中间部位距离为半径的圆的圆周上。光量子计与电脑连接，用于实时检测光强度，来确保光强度数值准确。

[0025] 所述培养子单元之间，设置一个滤光板，滤光板采用具有一定透明度的蓝色玻璃或塑料，如雾蓝材料(Mist Blue,Lee Filters No.061)等；滤光板用于控制照射到不同水层培养瓶的光照强度，可结合光量子计对光强的监测值，使照射到培养瓶上的光强与原水层完全一致。

[0026] 所述日光灯管和电源之间还可以设置电流控制器和/或定时器。

[0027] 所述培养单元经中央转轴串联后固定在支架上，串联的培养子单元可以纵向设置也可以横向设置。

[0028] 所述培养系统除循环水浴锅外均设置在不透光的遮光罩内。为避免外部自然光线的干扰，采用全封闭的不透光的外部遮光罩，而且遮光罩的一个侧面使用不透光且密闭的拉帘，这样既可在培养过程中起到封闭光照的效果，也可以在培养前后拉开窗帘来进行加样或洗涤。外部遮光罩采用刚性材质，这样在科学考察船上晃动或搬动时，可以保护里面的透明水浴罩。循环水浴锅放在遮光罩外的原因在于：一是节省遮光罩的空间，二是放在外面容易散热，三是方便操作。

[0029] 所述遮光罩采用刚性材质，形体为四方体，因此可以方便累加叠放；同时，如果针对不同地理位置的采样站点所获得的水样进行培养，可以多个此类设备叠放在一起，进而节省在考察船上所占用的空间。

[0030] 相比于现有技术，本发明的有益效果体现在：

[0031] (1)针对难以精确控制培养过程中温度的缺点，本发明的温度模拟控制单元采用圆形透明水浴罩为培养瓶提供了一个全封闭培养环境，并通过循环水浴设备驱动从培养瓶外持续流过的恒温水流，温控误差仅±0.1℃；而且，水浴的控温范围在0℃-100℃之间，覆盖了几乎所有海洋浮游植物所能生存的温度范围。因此，本发明不仅能精确模拟水样在海洋原深度的水温，而且适用于全球任何海洋水域。

[0032] (2)针对难以精确控制培养过程中光照强度的缺点，本发明的光照模拟控制单元采用电流强度控制器和计时器控制日光灯管和光面板，从而严格控制了光照强度和光照模式，并且通过光量子计进一步严格检查光强度，确保光强度与水样在原海洋水体的光强度完全一致；而且，培养瓶和其外面的圆柱体形水浴罩均为高透明材质，不会影响光线透射，能完美地模拟海洋光照强度。此外，本发明最为关键的一点是采取外部遮光罩将整个培养设备(循环水浴设备除外)都封闭起来，这样有效地减少了周围环境中自然光照对培养瓶的影响，从而使测试结果更为准确。

[0033] (3)针对难以模拟物理水动力环境的缺点，本发明利用循环水浴所驱动的水流推动培养瓶和旋转支架围绕中央转轴持续转动，从而模拟了海洋水体物理运动；而培养瓶本身在水流作用下不仅被动接受水流带来恒温效应，而且起到了推动转轮的作用，可谓一举两得。瓶内的水样由于培养瓶前后或上下转动，在离心力或自然重力的作用下，可以左右混合或上下运动。此外，通过调节恒温水流的流速来控制培养瓶转动的速度，从而最大程度地模拟海洋动力环境。

[0034] (4)针对难以同时对多个水层的水样进行模拟培养的缺点，本发明采用多个培养子单元串联在一起同时同步模拟培养。在光照方面，每两个培养子单元之间，均采用滤光板来控制照射到不同水层培养瓶的光照强度，并通过光量子计严格检查光照强度，使照射到培养瓶上的光强与原水层完全一致；在温度控制方面，如果水层之间温度相差不大，则可通过将水浴罩串联的方式来用恒温水流控制温度；如果水层之间温度相差较大，则针对不同的水浴罩提供不同温度的恒温水浴水流。类似的，在模拟水动力方面，也可以采用串联方式，或者单独提供不同的水浴水流强度。

[0035] (5)针对难以准确测定培养水样中溶解氧的精确变化的缺点，本发明采用在瓶内放置溶解氧传感探头的方式，可以实时监测培养瓶内溶解氧的微量变化，并将探头所测定的数据通过数据线实时传输至外置电脑中；传感探头与数据线的接口固定在瓶盖上，并确保探头和瓶盖、以及瓶盖与培养瓶之间完全密封；将培养瓶瓶口改为斜体口且固定在旋转支架上，这样可以方便加样、取样和洗涤。

附图说明

[0036] 图1本发明培养系统结构示意图；

[0037] 图2本发明培养子单元结构示意图；

[0038] 图3光照模拟控制单元结构示意图。

[0039] 图中：1-培养瓶口；2-遮光罩；3-入水口；4-滤光板；5-循环水浴锅；7-黑培养瓶；8-溶解氧传感探头；9-支架；10-光面板；11-出水口；12-水浴罩；13-白培养瓶；14-数据线；15-中央转轴；16-培养瓶旋转支架；17-光量子计；18-电脑；19-日光灯管；20-电流控制器；21-定时器；22-电源。

[0040] 图2中箭头表示水流方向。

具体实施方式

[0041] 下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

[0042] 如图1-2所示的利用黑白瓶法测定海洋初级生产力的模拟现场培养系统，包括培养单元、温度及水流模拟控制单元、光照模拟控制单元。

[0043] 培养单元包括5个培养子单元，每个培养子单元包括圆柱体形状的水浴罩12，在圆柱体的沿中轴线处设置中央转轴15，中央转轴15外周设置培养瓶旋转支架16，培养瓶旋转支架16上可拆卸地固定6个培养瓶，包括3个白培养瓶13和3个黑培养瓶7，白培养瓶13和黑培养瓶7间隔排布，并以中央转轴15为对称轴对称设置。所有培养瓶均为斜口设置，且培养瓶口1设置在水浴罩12的外侧。水浴罩12上设置入水口3和出水口11，入水口3设置在圆柱体形水浴罩12的侧面上并正对培养瓶的旋转轨迹，出水口11设置在与入水口3相对的侧面上。

[0044] 各培养子单元以中央转轴15为轴线串联设置，各培养子单元之间存在间隙，因而不会影响到对各培养子单元的操作。

[0045] 在各培养瓶内均放置一个溶解氧传感探头8，溶解氧传感探头8设置在培养瓶的中心位置，可实时测定溶解氧的微量变化；传感探头8连接数据线，并将所有数据线14集成在中空的中央转轴15内，通过中央转轴15在底部探出来，并将数据线14连接至电脑18。

[0046] 水浴罩12采用高透光度塑料制成，不会影响光照的射入，且质轻不易碎，方便搬运。

[0047] 温度及水流模拟控制单元包括循环水浴锅5，由于本实施例中各水层之间温度和水流动力相差不大，因此采用将水浴罩12串联的方式用同一循环水浴锅5来控制温度及水流。循环水浴锅5与第一个水浴罩12的入水口3相连，第一个水浴罩12的出水口11与第二个水浴罩12的入水口3相连，第二个水浴罩12的出水口11与第三个水浴罩12的入水口3相连，第三个水浴罩12的出水口11与第四个水浴罩12的入水口3相连，第四个水浴罩12的出水口11与第五个水浴罩12的入水口3相连，第五个水浴罩12的出水口11与循环水浴锅5相连。控温过程如下：从循环水浴锅5流出的恒温水流通过第一个水浴罩12的入水口3进入第一培养子单元，并依次进入后续培养子单元，恒温水流在各水浴罩12内循环转动，最后从第五个水浴罩的出水口11流出返回循环水浴锅5。恒温水流在控温的同时，驱动培养瓶转动，培养瓶进而驱动培养瓶旋转支架16，从而所有培养瓶和旋转支架16围绕中央转轴15在圆柱体形的透明水浴罩12内循环转动起来。通过控制注入水流的速度，来控制培养瓶转动速度；从而模拟物理水动力条件及波浪、水流对浮游植物生态环境的扰动和影响。

[0048] 如图3所示的光照模拟控制单元设置在位于最外侧的培养子单元的外侧，包括光面板10、日光灯管19，日光灯管19设置在光面板10上，日光灯管19、电流控制器20、定时器21和电源22依次连接。

[0049] 光面板10与圆柱体形水浴罩12的底面平行，使位于同一培养子单元内各培养瓶接受到的光照强度相同。

[0050] 在每个水浴罩12面向光照模拟控制单元的一侧设置光量子计17，光量子计17紧贴水浴罩12，且位于以圆柱体形水浴罩12底面圆心为圆心、圆心到培养瓶中间部位距离为半径的圆的圆周上。光量子计17与电脑连接，用于随时检测光强度，来确保光强度数值准确。

[0051] 在每两个培养子单元之间，设置一个滤光板4，滤光板4采用雾蓝材料(Mist Blue),型号为Lee Filters No.061；滤光板4用于控制照射到不同水层培养瓶的光照强度，结合光量子计17对光强的测定，使照射到培养瓶上的光强与原水层完全一致。

[0052] 整个培养单元固定在支架9上，本实施例中采用了将各串联的培养子单元纵向设置的方式。

[0053] 本培养系统除循环水浴锅外均设置在不透光的遮光罩2内。为避免外部自然光线的干扰，采用全封闭的不透光的外部遮光罩2，而且遮光罩2的一个侧面使用不透光且密闭的拉帘，这样既可在培养过程中起到封闭光照的效果，也可以在培养后拉开窗帘来进行取样。外部遮光罩2采用刚性材质，这样在科学考察船上晃动或搬动时，可以保护里面的透明水浴罩12。遮光罩2的形体为四方体，因此可以方便累加叠放；同时，如果针对不同地理位置的采样站点所获得的水样进行培养，可以多个此类设备叠放在一起，进而节省在考察船上所占用的空间。循环水浴锅放在遮光罩2外的原因在于：一是节省遮光罩2的空间，二是放在外面容易散热，三是方便操作。