海水微塑料生态位原位研究的实验装置及使用方法与流程

本发明属于海洋环境领域,具体地涉及一种海水微塑料生态位原位研究的实验装置及使用方法。

背景技术：

塑料污染作为对海洋生物造成威胁日益严重的全球性问题，已经引起研究者的极大关注，它被认为是当前全球环境保护问题的重要新兴威胁。根据在第一届联合国环境大会开幕时发布的两份报告，海洋生态系统中塑料的存在所造成的总体财政损失，保守估计每年130亿美元。尽管塑料污染已引起国际关注，但是关于塑料尤其是微塑料在海洋环境中的行为的认识仍在发展。研究者曾指出塑料碎片是海洋碎片中群落结构最丰富的一种。目前发现海洋细菌包括一些海洋病原菌(弧菌等)可以黏附在微塑料上，并不断繁殖形成一个“塑料球”(plastisphere)，通过食物链转移到更高营养级的生物体，对海洋生物甚至人类造成伤害，因此搞清楚微塑料生态位特征是研究微塑料生物毒性效应的重要前提，也是微塑料生态毒理学研究中十分重要的一个研究方向。

在港口的半封闭环境中，研究者仅仅一周就观察到微生物生物膜的形成，之后细菌丰富度增高，随着细菌生物量的增加，细菌的分类组成逐渐发生变化。另外，研究还强调塑料球微生物群落结构组成主要与采样的季节、地理位置和塑料的特性有关。目前关于微塑料上微生物群落结构的研究都是基于现场取样调查方面的研究，而现场收集现场调查采集微塑料样品的多样性和不同步性造成的生态位分析的复杂性和不确定性，很难分析影响微塑料生态位特征的主导环境因素。目前，关于海水微塑料生态位原位研究的实验装置在国内尚未有相关工作的开展，国外也没有相关报道。本发明海水微塑料生态位原位研究的实验装置及其使用方法，通过营造与自然海水水温、盐都、ph、溶解氧、营养盐等海洋环境参数一致的实验条件，利用锚定系统、承载系统、压载舱系统和收集系统，保证微塑料在正常海流环境下与海洋微生物的充分接触，实现其对海洋微生物的富集，形成一个稳定的生态位，然后实时取样分析微塑料生态位中各种原核和真核生物的分布和富集情况，实现了相同类型微塑料的同步投放和实时分析，并为后期分析影响微塑料生态位特征的主要环境因素提供了可能性。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于提供一种海水微塑料生态位原位研究的实验装置及使用方法,利用本发明装置实现海洋环境中微塑料生态位的原位调查研究。

本发明是通过如下技术方案来实现的:

一种海水微塑料生态位原位研究的实验装置,它包括锚定系统、承载系统、压载系统和收集系统；锚定系统连接承载系统，压载系统连接在承载系统上方；收集系统用于收集获得的样品；

所述锚定系统包括锚、锚链和绳索，锚链两端分别连接锚和绳索，绳索连接承载系统；

所述承载系统包括外网笼和内网笼；内网笼放置在外网笼内；

所述压载系统包括一个连接在承载系统上方的有机玻璃密封箱，有机玻璃密封箱上设有进水阀和排水阀，有机玻璃密封箱内设置有氧气瓶、电磁阀、第一电线、控制板和第二电线，有机玻璃密封箱外设置有连接浮漂的电磁开关，电磁阀固定在氧气瓶的出气口处，由电磁开关控制氧气瓶出气口的开闭，第一电线连接电磁阀和控制板，第二电线一端连接控制板，另一端连接电磁开关，通过电磁开关的开或闭，协助承载系统上浮或下沉。

作为优化，所述外网笼为一个80cm×60cm×60cm矩形不锈钢网笼，外网笼孔径为6cm，矩形外网笼上面设有能够自由开合的一面网门；所述内网笼为不锈钢材料制成的圆柱型网笼，内网笼直径为8cm，内网笼高为15cm，内网笼孔径为0.5mm、1mm、2mm或5mm，在内网笼的外侧也设置有一个能够自由开合的盖子。

作为优化，所述有机玻璃密封箱的规格为长80cm，宽60cm，高60cm。

作为优化，所述收集系统包括支撑板、收集网、收集网架和支撑架；支撑架为圆台型不锈钢架，支撑架底部直径30cm，支撑架顶部直径10cm，高30cm，支撑架内部上端具有斜向下的不锈钢支撑板，支撑板在收集样品时起到支撑内网笼的作用；支撑架内设置有不锈钢收集网架，收集网架为圆柱型，收集网自由放置在收集网架上，收集网的孔径为0.2mm。

本发明还提供上述海水微塑料生态位原位研究的实验装置的使用方法，它包括以下步骤：

(1)打开承载系统的内网笼，将所要研究的不同粒径和材质的微塑料分别投放到内网笼中，然后关上内网笼的盖子，打开矩形外网笼的网门，将圆柱内网笼投放到矩形外网笼中，关闭外网笼网门；

(2)采用锚、锚链和绳索将承载系统和压载系统固定到海域调查站位附近；

(3)打开压载系统的进水阀，关闭出水阀，向压载系统的有机玻璃密封箱内灌入海水，在压载系统的压力作用下将承载系统浸入海水水面下0.4-0.6m，停止向有机玻璃密封箱灌水，关闭进水阀，开始微塑料生态位研究的原位实验；

(4)根据实验需要设计取样时间，收集样品时，首先按下连接浮漂的电磁开关，电磁信号通过压载系统中的控制板输入到电磁阀上，电磁阀接收到信号后，打开气瓶，氧气瓶释放氧气，增加压载系统的浮力，将承载系统浮出水面；然后，打开外网笼侧面的网门，取出内网笼；关上外网笼网门后，打开进水阀继续将承载系统沉入水下0.4-0.6m，然后关上进水阀，继续进行原位实验；重复多次后，海水和氧气已将有机玻璃密封箱充满，需打开出水阀将有机玻璃密封箱内的海水和气体排出，置换氧气瓶，然后关闭出水阀，再重新打开进水阀，将承载系统压入水下，继续进行后续实验；

(5)打开内网笼的盖子，收集微塑料；首先，将收集网铺设到收集网架上，用夹子夹住，然后打开内网笼侧面的盖子，将其置于收集系统的不锈钢支撑架的支撑板上，用提前过滤好的清洁海水，冲洗内网笼外侧，在水流作用下，内网笼中的微塑料迅速被冲刷到收集网中，然后将收集网网底剪下，将聚集在收集网网底的微塑料连同剪下的收集网一起放入冻存管，密封好后，在冻存管上写好标记，迅速放入液氮罐速冻，将收集的微塑料样品带回实验室进行生物学分析；

(6)收集样品的同时，监测微塑料投放区的水质特征，包括温度、溶解氧、ph、盐度，并收集一定体积水样带回实验室进行营养盐含量分析，将所测水质指标与不同类型微塑料中的生物特征分析结果相结合，进行微塑料生态位结构特征与养殖区环境因子的响应分析，计算微塑料类型以及环境因子与微塑料生态位结构特征的相关性，确定影响其结构特征的主导因素。

本发明海水微塑料生态位原位研究实验装置及其使用方法，通过营造与自然海水水温、盐度、ph和营养盐等环境参数一致的实验条件，利用锚定系统、承载系统和压载系统将不同类型的微塑料置于海洋环境中，进行原位实验，保证了研究对象和研究条件的确定性，实验时间的一致性，克服了现场调查收集微塑料材质、形状和大小的不确定性和复杂，以及实验室条件下难以还原真实海洋环境的缺点。同时，该装置中的压载系统实现了承载系统的自动上浮和下沉，方便了样品的投放和采集。另外，收集系统将内网笼牢固支撑在支撑架上，克服了船上操作协调性不好的缺点，实现了微塑料样品的快速收集，这一原位装置的应用为分析微塑料生态位特征，及其与环境因子相关性提供了重要保障。

附图说明

下面通过实施例结合附图对本发明海水微塑料生态位原位研究的实验装置及其使用方法作进一步说明：

图1为本发明的锚定系统、承载系统和压载系统的结构示意图：1-锚、2-锚链、3-绳索、4-外笼、5内笼、6压载舱、7-内置氧气瓶8-电磁阀、9-第一电线、10-控制板、11-第二电线、12-电磁开关、13-浮漂、14-进水阀和15排水阀。

图2是本发明实验装置中的收集系统结构示意图：16-支撑板、17-收集网、18-收集网架、19-支撑架。

具体实施方式

实施例1

一种海水微塑料生态位原位研究的实验装置,如图1所示，它包括锚定系统、承载系统、压载系统和收集系统；锚定系统连接承载系统，压载系统固定连接在承载系统上方；收集系统用于收集获得的样品；

所述锚定系统包括锚1、锚链2和绳索3，锚链两端分别连接锚和绳索，绳索连接承载系统；

所述承载系统包括外网笼和内网笼；内网笼放置在外网笼内；所述外网笼为一个80cm×60cm×60cm矩形不锈钢网笼，外网笼孔径为6cm，矩形外网笼上面设有能够自由开合的网门；所述内网笼为不锈钢材料制成的圆柱型网笼，内网笼直径为8cm，内网笼高为15cm，涂刷防腐漆，内网笼孔径为0.5mm,也可以设置成1mm、2mm或5mm，在内网笼的外侧也设置有一个能够打开的盖子。

所述压载系统包括一个连接在承载系统上方的有机玻璃密封箱6，有机玻璃密封箱的规格为长80cm，宽60cm，高60cm；有机玻璃密封箱上设有进水阀14和排水阀15，有机玻璃密封箱内设置有氧气瓶7、电磁阀8、第一电线9、控制板10，第二电线11和外置连接浮漂13的电磁开关12，电磁阀固定在氧气瓶的出气口处，以控制氧气瓶出气口的开闭，第一电线9连接电磁阀8和控制板10，第二电线11一端连接控制板10，另一端连接电磁开关12，所述氧气瓶体积为5升，通过电磁开关的开或闭，协助承载系统上浮和下沉。

所述收集系统如图2所示，它包括支撑架、收集网、收集网架和支撑板；支撑架为圆台型，底部和顶部均为圆形不锈钢圈，支撑架底部直径30cm，支撑架顶部直径10cm，高30cm，上、下不锈钢圈之间由六根不锈钢板连接。所述支撑板为焊接在支撑架不锈钢板侧面，接近上圆台的位置，用于支撑内网笼。支撑架内设置有收集网架，所述收集网架也是由不锈钢材质构成的一个多孔圆筒状结构(孔径3cm)，其顶部可以承接收集网，其上的小孔可以让冲洗下来的海水迅速从收集装置中流出。收集网的孔径为0.2mm。

本海水微塑料生态位原位研究的实验装置的使用方法包括以下步骤：

(1)首先打开承载系统内网笼的盖子，将所要研究的不同粒径和材质的微塑料分别投放到不同内网笼中，然后关上内网笼的盖子，打开矩形外网笼，将内网笼投放到矩形外网笼中，关上外网笼网门。

(2)采用锚、锚链和绳索将承载系统和压载系统固定到海域调查站位(经度：122°28.800′，纬度37°2.436′))附近。

(3)打开压载系统的进水阀，向压载系统灌入海水，在压载系统的压力作用下将承载系统浸入海水水面下0.5m左右，停止向压载系统灌水，关闭压载系统进水阀，开始微塑料生态位研究的原位实验。

(4)根据实验需要设计取样时间7d、14d、28d、56d、112d，收集样品时，首先按下连接浮漂的水上电磁开关，电磁信号通过压载系统内的控制板输入到连接在氧气瓶出气口处的电磁阀上，电磁阀接收到信号后，打开气瓶，氧气瓶释放氧气，增加压载系统的浮力，将承载系统浮出水面。然后，打开外网笼侧面的网门，取出内网笼。关上外网笼后，打开进水阀继续将承载系统沉入水下0.5m，然后关上进水阀，继续进行原位实验。重复多次后，海水和氧气已将压载系统的有机玻璃密封箱充满，打开有机玻璃密封箱上的出水阀将海水和气体排出，置换氧气瓶，然后再重新打开进水阀，将承载系统压入水下，然后继续进行后续实验。

(5)打开内网笼的盖子，收集微塑料。首先，将收集网铺设到收集网架上，用夹子夹住，然后打开内网笼的盖子，将其置于收集系统的不锈钢支撑架的支撑板上，用提前过滤好的清洁海水，冲洗内网笼外侧，在水流作用下，内网笼的微塑料迅速被冲刷到内置于支撑架的收集网中，然后将收集网的网底剪下，将包在其中并聚集在网底的微塑料连同剪下的网一起放入冻存管，密封好后，在冻存管上写好标记，迅速放入液氮罐速冻，将收集的微塑料样品带回实验室进行生物生物学特征分析。

(6)收集样品的同时，监测微塑料投放区的水质特征，包括温度、溶解氧、ph、盐度，并收集一定体积水样带回实验室进行营养盐含量(无机氮和磷酸盐)分析，将所测水质指标与不同类型微塑料中的生物特征分析结果相结合，进行微塑料生态位特征与养殖区环境因子的响应分析，计算微塑料类型以及环境因子与微塑料生态位结构特征(多样性和丰富度等)的相关性，确定影响微塑料生态位结构特征的主导因素。