一种大型海洋藻类长期酸化适应性研究的系统及研究方法与流程

本发明属于海洋环境监测领域，具体地涉及一种大型海洋藻类长期酸化适应性研究的系统及研究方法。

背景技术：

受全球气候变化与人类活动的双重影响，大气中二氧化碳(co2)排放量持续增加。海洋作为一个天然的二氧化碳储存库，约吸收了人类排放二氧化碳总量的30％，引起海洋酸化现象。工业革命以来，海洋表层ph值已经下降了0.1个单位。到2100年，该值预计将进一步下降0.3至0.4个单位。海水酸性的增加，将改变海水化学的种种平衡，使依赖于化学环境稳定性的多种海洋生物乃至生态系统面临巨大威胁。在不可逆转的海洋酸化进程中，藻类必然要进行生理生化以及分子水平的调节以适应日益增强的胁迫。

大型绿藻、褐藻和红藻统称为“海草”，是近岸初级生产力的主要组成部分，具有重要的固碳和海水化学体系调节功能；大型海藻也是近岸“海底森林”的主要支撑者，可以为幼鱼、无脊椎动物、珊瑚等提供孵化基地和避难所。近岸生态系统中不同种属大型藻类群落占据着不同的生态位，具有不同的生理习性，生态功能不尽相同。因此，开展海洋酸化对大型藻类生物学响应机制研究具有重要的生态学理论意义和实践价值。

目前，关于大型藻类海洋酸化的研究主要集中于实验室水平的短期模拟实验，研究发现，海洋酸化对于大型藻类的生长发育具有正负双重效应，不同种属藻类对酸化的应答和适应性存在显著差异。然而，越来越多的研究发现室内模拟实验具有空间局限性，且实验周期较短，难以反映自然条件下藻类应对海洋酸化的生理适应性；另一方面，虽然少数国外学者利用自然海区ph差异开展长期适应性研究，但是难以维系相对稳定的海水碳酸盐体系，实验可重复性较差。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是建立一种相对稳定的大型海洋藻类长期酸化适应性研究系统及研究方法。本发明通过车间长流水二氧化碳加富系统与自然海区联通的方法，建立了一种相对稳定的大型藻类海水酸化培养系统，利用该系统实现了自然条件下开展大型藻类长期酸化适应性的中试规模研究。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种大型海洋藻类长期酸化适应性研究系统，它包括养殖车间和车间长流水系统；

(1)养殖车间：车间设置在距离自然海区1km以内，车间房顶为半透明玻璃钢瓦；

所述车间选址距离自然海区1km以内是为了便于自然海水泵入车间，实现车间长流水系统与自然海区联通，保持海水温度一致。

所述车间房顶采用半透明玻璃钢瓦搭建是为了实现海区大型海藻养殖区光照强度与车间长流水培养系统培养光强一致。

(2)车间长流水系统：车间长流水系统包括蓄水池、二氧化碳加富池和藻类养殖池；三者采用引流管联通，引流管配置阀门控制进水量和排水量；二氧化碳加富池中设置有二氧化碳加富器，采用二氧化碳加富器充气法调整海水ph值；

进一步，所述蓄水池长、宽、高分别为4m、2m、2m，采用潜水泵将海水从自然海区泵至蓄水池内；所述二氧化碳加富池长、宽、高分别为4m、2m、1m，蓄水池中海水引入二氧化碳加富池后，采用二氧化碳加富器充气法调节海水ph；所述藻类养殖池长、宽、高分别为1m、4m、0.6m，二氧化碳加富池中ph值稳定的海水经引流管进入藻类养殖池。

所述三者采用引流管联通，引流管配置阀门控制进水量和排水量。采用此操作，实现车间长流水系统与自然海区联通，保持两者水温一致。

本发明还提供所述系统的运行方法，具体步骤如下：

(1)在藻类养殖池中放入待测试藻类；

(2)二氧化碳加富池中设置不同梯度ph，ph的调整采用二氧化碳加富器充气法维持；

(3)通过调整引流管配置阀门大小控制蓄水池、二氧化碳加富池和藻类养殖池三者间的流水速度，同时控制藻类的培养密度，以维持藻类养殖池、二氧化碳加富池中的ph稳定。

进一步，当所述蓄水池长、宽、高分别为4m、2m、2m；二氧化碳加富池长、宽、高分别为4m、2m、1m；藻类养殖池长、宽、高分别为1m、4m、0.6m时，蓄水池、二氧化碳加富池和藻类养殖池三者间的流水速度2.5l/min；同时为了减少藻类呼吸作用和光合作用对海水ph的影响，藻类培养密度不超过5gfwl^-1。

本发明与现有技术相比的有益效果：

本发明通过搭建车间长流水酸化培养体系开展大型藻类长期酸化适应性研究，1)相比室内短期酸化模拟实验，本发明系统通过限定选址距离和设置半透明玻璃钢瓦顶棚，使系统内的光照强度基本与自然海区一致；同时采用养殖系统长流水培育，并与自然海水联通，使系统内水温基本与自然海区一致，从而更加真实地反映自然条件下藻类应对长期海水酸化的生理适应性；

2)本发明通过二氧化碳加富器充气法调整二氧化碳加富池中海水ph，通过二氧化碳加富器设定一定比例浓度的二氧化碳和空气混合气体，混合气体经二氧化碳加富器泵入海水中，通过实时检测海水ph值变化达到预先设定的ph水平，维系预设海水ph变化范围小于0.1。相比海区自然酸化海区实验，本发明系统可以更加精准地控制并检测海水酸碱度；

3)本发明的技术方案为国内外开展大型藻类长期酸化适应性研究提供重要参考，所得生理实验数据为构建海洋藻类应对未来气候变化模型提供重要数据支持。

附图说明

图1车间长流水酸化培养系统；

图2车间长流水不同酸化培养系统ph水平；

图3不同酸化体系下海带培养结果；

图4车间长流水系统与联通海区温度对比；

图5车间长流水系统与联通海区光强对比。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明的技术方案作进一步的解释，但本发明的保护范围不受实施例任何形式上的限制。

实施例1

一种大型海洋藻类长期酸化适应性研究系统，它包括养殖车间和车间长流水系统；

(1)养殖车间：养殖车间设置在距离自然海区1km以内，养殖车间房顶为半透明玻璃钢瓦；

所述车间选址距离自然海区1km以内是为了便于自然海水泵入车间，实现车间长流水系统与自然海区联通，保持海水温度一致。

所述车间房顶采用半透明玻璃钢瓦搭建是为了实现海区大型海藻养殖区光照强度与车间长流水培养系统培养光强一致。

(2)车间长流水系统：车间长流水系统包括蓄水池、二氧化碳加富池和藻类养殖池；蓄水池、二氧化碳加富池和藻类养殖池三者采用引流管联通，引流管配置阀门控制进水量和排水量；二氧化碳加富池中设置有二氧化碳加富器，以充气法调整海水ph值；

所述蓄水池长、宽、高分别为4m、2m、2m，采用潜水泵将海水从自然海区泵至蓄水池内；所述二氧化碳加富池长、宽、高分别为4m、2m、1m，蓄水池中水引入二氧化碳加富池后，采用二氧化碳加富器充气法调节海水ph；所述藻类养殖池长、宽、高分别为1m、4m、0.6m，二氧化碳加富池中ph值稳定的海水经引流管进入藻类养殖池。所述三者采用引流管联通，引流管配置阀门控制进水量和排水量。采用此操作，实现车间长流水系统与自然海区联通，保持两者水温一致。

实施例2

利用实施例所构建的大型海洋藻类长期酸化适应性研究系统进行实验

1)实验用大型藻类选择大型褐藻—海带(saccharinajaponica)，取自采自山东省荣成市桑沟湾海域。选择尺度大小一致的海带幼苗，清理表面污损生物后用于实验。

2)车间长流水酸化系统：在山东省荣成市桑沟湾海域距离海边1km处搭建车间长流水酸化系统。车间长流水酸化系统共计五组，用于模拟现在及未来大气二氧化碳浓度变化趋势，设置400μatm、700μatm、1000μatm、1500μatm、2000μatm五个co2浓度梯度。车间长流水系统由蓄水池、二氧化碳加富池和藻类养殖池组成。三者采用引流管联通，引流管配置阀门控制进水量和排水量。二氧化碳加富池中采用二氧化碳加富器充气法调整海水ph值；蓄水池长、宽、高分别为4m、2m、2m，采用潜水泵将海水从自然海区泵至蓄水池内；二氧化碳加富池长、宽、高分别为4m、2m、1m，蓄水池中水引入二氧化碳加富池后，采用二氧化碳加富器充气法调节海水ph；藻类养殖池长、宽、高分别为1m、4m、0.6m，二氧化碳加富池中ph值稳定的海水经引流管进入藻类养殖池。为了维系稳定的海水ph水平，培养过程中通过调整引流管配置阀门大小控制蓄水池、二氧化碳加富池和藻类养殖池三者间的流水速度为2.5l/min。采用直径为0.5cm聚乙烯绳夹固实验用海带幼苗，并置于藻类养殖池中培养，为了减少藻类呼吸作用和光合作用对海水ph的影响，实验培养密度为5gfwl^-1。

3)车间长流水系统海水ph及海带生长性状检测：实验周期为6个月，从2017年10月至2018年3月。实验期间每天检测海水不同酸化体系中ph水平，每月测定不同酸化体系中海带平均鲜重。

4)车间长流水系统和自然海区温度、光照强度对比：采用水质分析仪每天检测车间长流水系统和自然海区温度，计算每月平均水温，对比分析车间长流水系统和自然海区温度的差异；采用光量子计每天检测车间长流水系统和自然海区光照强度，计算每月平均光强，对比分析车间长流水系统和自然海区光照强度的差异。

实验结果：

1)车间长流水不同酸化体系ph变化

采用车间长流水系统共设置400μatm、700μatm、1000μatm、1500μatm、2000μatm五个co2浓度梯度(如图1)，实验持续共计6个月。不同酸化培养体系中ph水平变化如图2所示，随着co2浓度梯度的增加，ph值由400μatm分压下的8.15±0.03下降至2000μatm分压下的7.52±0.04，差异显著；另一反面，随着培养时间的延长，各co2浓度梯度下ph水平变化不显著，变化范围小于0.1。

2)不同酸化体系下海带培养结果

车间长流水系统中不同酸化系统下海带培养结果如图3所示，随着培养时间的延长，各酸化体系下海带鲜重均显著增加；随着培养co2浓度由400μatm、700μatm、1000μatm、1500μatm增加至2000μatm时，海带鲜重呈现先增加后减少的趋势，并在700μatm取得最大值。

3)车间长流水系统与联通海区温度、光强对比

同步检测车间长流水系统与自然海区温度、光强，如图4和图5所示。检测结果显示，2017年10月至2018年3月期间，海水温度呈现下降趋势明显，由19.15±0.07℃减少到3.15±0.07℃。对比分析车间长流水系统与联通海区温度差异不显著，差异幅度小于0.5℃；实验期间，车间长流水系统与自然海区培养光照强度差异不显著，平均培养光强分别为101±9.4μmolm^-2s^-1和103±9.8μmolm^-2s^-1。

本次实验从2017年10开始，到2018年3月止。通过构建车间长流水酸化培养体系，研究了长期海水酸化对海带生长发育的影响。实验结果发现。适度海水酸化(700μatm、1000μatm、1500μatm)可以显著促进海带生长，过强酸化(2500μatm)则抑制海带生长。车间长流水酸化培养体系相比室内酸化培养装置显著延长了培养时间，体现了海带应对长期酸化的生理适应性；相比自然酸化海区实验，车间长流水酸化培养体系可以精准控制海水酸碱度，ph变化范围小于0.1；此外，车间长流水酸化培养体系在酸化培养过程中与自然海区联通，海水温度和培养光照与自然海区差异不显著，可以较为真实地反映自然条件下大型藻类应对未来海洋酸化的生理适应性。