大空间尺度野外便携微宇宙实验装置及方法与流程

本发明属于生态学及环境科学领域，具体涉及大空间尺度野外便携微宇宙实验装置及方法。

背景技术：

近年来，生物多样性对于生态系统稳定性的影响在生态学领域中受到越来越大的重视。一些研究表明，物种多样性的提高会增加生态系统的稳定性，也有些研究表明生物多样性的提高会降低生态系统的稳定性。然而研究人员因为解释这些实验结果，而产生了非常激烈的辩论，因为有两种机制都可能会导致这个结果，其中一个是生态位互补，另一个是“抽样效应”。从上世纪90年代开始，科学家进行了一系列实验来检验生态系统功能与生物多样性之间的关系，并试图揭示生物多样性对于生态系统功能的作用机制。由于微宇宙实验有着高度的可控性，近年来许多研究生态系统稳定性与生物多样性及其之间可靠度的关系都采用微宇宙实验这一方法。而且由于细菌、藻类等微生物的生命周期比较短，因此在微宇宙系统中检测物种多样性的长期效应就会变得可行。

生物多样性的空间格局是生态学的核心主题，然而，驱动这些模式的机制仍不清楚。气候因素，特别是温度，被认为是广泛空间尺度上多样性梯度的主要驱动因素，温度变化可能会影响物种的丰富程度，因为温度与初级生产力相关，限制物种的分布范围并推动物种形成率。温度升高可能有利于更高的物种丰富度，但也会导致较冷地区的特有物种灭绝，例如在高海拔和高纬度地区。人类影响，如营养盐的浓度增加，已被确定为近几十年来生物多样性丧失的主要驱动因素之一。较高的温度和营养物质富集将增加生态系统的初级生产力，这可能进一步影响物种的丰富程度。而且近些年气候变化和人类活动对生物多样性的影响多用于植物和动物的研究，微生物方面的研究还比较少，因此，目前对于大空间尺度野外便携微宇宙的实验上仍存在较大空缺，亟待一简单便携实用的装置来开展野外微宇宙实验。

技术实现要素：

本发明针对目前大空间尺度野外便携微宇宙实验在野外操作过程中存在的诸多不便性，提出新的便携实验装置和实验方法，用来进行大空间尺度上的野外微宇宙实验。该装置制作简单，价格低廉，所占空间小，便于携带以及取样，可做长期培养，可适用于大多数团队对于微生物野外培养的要求。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种大空间尺度野外便携微宇宙实验装置，包括培养器、密封盖、固定架和微孔封口膜，所述培养器包括伸缩部和底座，所述伸缩部为伸缩管状，所述伸缩部下端与所述底座螺纹密封连接，所述底座内设置有培养腔，所述伸缩部的顶部敞口，所述密封盖与所述敞口相适应，

所述密封盖包括气孔和电极孔，所述气孔处设置有气孔塞，所述电极孔处设置有电极孔塞，

所述培养器通过所述固定架竖直设置。

进一步的，所述培养器为透明材质。

进一步的，所述伸缩部为波纹管状。

进一步的，所述伸缩部的侧壁中部还设置有第一取样孔，所述第一取样孔由第一孔塞堵塞密封。所述第一孔塞优选为透明材质。

进一步的，所述底座侧壁还设置有第二取样孔，所述第二取样孔由第二孔塞堵塞密封。所述第二孔塞优选为透明材质。

进一步的，所述电极孔有4个。

进一步的，所述培养器有多个，所述固定架为多孔框架，每个所述培养器竖直放置于一个孔内。

进一步的，所述固定架为由空心管和连接头组装的框架。便于拆装携带。

进一步的，所述微孔封口膜的孔径为0.22微米。

本发明还提供一种采用上述装置进行大尺度野外微宇宙实验的方法，包括如下步骤：

（1）将所述培养器通过所述伸缩部伸长至最大，之后将所述培养器通过固定架竖直设置于野外实验区域，将实验样品和水放入所述培养器内进行培养，并使用微孔封口膜将培养器封口；

（2）待培养到中期以后，打开电极孔塞，将测试用电极插入电极孔，之后移除微孔封口膜，用密封盖将培养器封口，打开所述气孔塞，压缩所述伸缩部，使得电极能够接触到培养器内的液面，关闭气孔塞，记录电极显示的数据；

（3）去除密封盖并将所述伸缩部伸长至最大，使用微孔封口膜将培养器封口；

（4）继续培养一段时间后，根据实验需要重复或不重复步骤（2）和（3）；

（5）培养结束后，将所述伸缩部和所述底座分离，取出所述底座内留存的样品。

进一步的，步骤（2）还包括，将注射器穿过所述第一孔塞吸取样品。

进一步的，步骤（2）还包括，将注射器穿过所述第二孔塞吸取样品。

进一步的，对于设置有4个电极孔的密封盖，步骤（2）还包括同时将ph电极、温度电极、溶解氧电极和氧化还原电极穿过所述电极孔的步骤。

本发明的有益效果在于：

本发明装置适用于在大空间尺度上的野外微宇宙实验，可用于观测和研究生物群落结构演替以及初级生产力变化等；其制作简单，价格低廉，所占空间小，便于携带以及取样，可做长期培养，适用于大多数科研团队对于野外微宇宙实验的要求。对于非商业用途，可根据本发明内容，自行加工或改装成类似的实验装置。

附图说明

图1为本发明所述大空间尺度野外便携微宇宙实验装置的俯视结构示意图。

图2为本发明大空间尺度野外便携微宇宙实验装置的侧视结构示意图。

图3为培养器压缩状态示意图。

图4为培养器伸长状态示意图。

图5为所述密封塞的结构示意图。

图6是实施例1所得到的营养盐浓度梯度表示图。

图7是实施例1所得到的ph与营养盐浓度梯度的关系图。

图中，1是培养器，2是固定架，3是密封盖，4是伸缩部，5是第二孔塞，6是底座，7是第一孔塞，8是气孔，9是电极孔。

具体实施方式

如图1-5所示一种大空间尺度野外便携微宇宙实验装置，包括培养器、密封盖和固定架，所述培养器包括伸缩部和底座，所述伸缩部为伸缩管状，所述伸缩部下端与所述底座螺纹密封连接，所述底座内设置有培养腔，所述伸缩部的顶部敞口，所述密封盖与所述敞口相适应，

所述密封盖包括气孔和电极孔，所述气孔处设置有气孔塞，所述电极孔处设置有电极孔塞，

所述培养器通过所述固定架竖直设置。

所述培养器为透明材质。

所述伸缩部为波纹管状。

所述伸缩部的侧壁中部还设置有第一取样孔，所述第一取样孔由第一孔塞堵塞密封。所述第一孔塞为透明材质。

所述底座侧壁还设置有第二取样孔，所述第二取样孔由第二孔塞堵塞密封。所述第二孔塞为透明材质。

所述电极孔有4个。

所述培养器有多个，所述固定架为多孔框架，每个所述培养器竖直放置于一个孔内。

所述固定架为由空心管和连接头组装的框架。便于拆装携带。

所述实验装置还包括微孔封口膜。

所述微孔封口膜的孔径为0.22微米。

实施例1

采用上述装置进行大尺度野外微宇宙实验，包括如下步骤：

（1）到达样点之后，搭建成固定架；

（2）将培养器通过所述伸缩部拉伸到最大的程度，然后依次放入固定架中。

（3）取下密封盖，将水和沉积物等实验用品放入培养器中；

（4）在培养器的敞口封上孔径为0.22微米的膜。

（5）培养到中期以后，打开电极孔塞，将通用电极、ph电极、温度电极等电极插入电极孔中，将密封盖放回到培养器上。

（6）打开气孔塞，将培养器向下收缩，直到各个电极可以接触到培养器内的液面为止，关闭气孔塞，并记录各个电极显示的数据。

（7）取下密封盖和电极，将培养器拉伸到最大程度，如果培养器内的水位太低，可向培养器内加入水继续培养，并封上孔径为0.22微米的膜。

（8）使用注射器，将针头插入第一孔塞，抽取水样装入采样瓶中，并盖好采样瓶。

（9）继续培养一段时间时候，采用步骤（8）的方法收取样品。

（10）重复步骤（5）、（6）。

（11）采用步骤（8）的方法收取样品。

（12）培养结束后，将所述伸缩部和所述底座分离，小心将底座内存留的水倒出，然后用小勺子将底部的沉积物刮到采样瓶中，并盖好采样瓶。

（13）将培养器的底座装回培养器上，向下压缩培养器到最小体积，盖好密封盖，收好培养器。

（14）将固定架拆卸为空心管和三通，收入包装袋中。

（15）清点仪器配件，实验结束。

为说明该装置的实施过程，我们采用太湖沉积物，利用青藏高原南缘的海拔梯度所造成的温度变化来进行野外微宇宙实验，来测定温度和营养盐浓度对于微生物群落结构和生物多样性的影响。上述野外实验因为要设计营养盐的浓度梯度和对照组，所以一组样品至少需要培养器30个，所需培养器的数量和体积对于野外实验来说都比较大，而且在培养器在野外固定也相对比较麻烦，取样时的操作也较为繁琐，此外，由于需要利用海拔梯度，所以在设置样品的过程中。对于实验器材的便携性和重量也有比较高的要求。本发明针对上述难点，设计简单便携，便于携带的实验装置，提供一套完备的使用方案。就上述实验的研究对象和实验设计，我们提供下述解决方案和实施方法，详细如下：

在青藏高原800-3600米的海拔范围设置3个样点，每个点准备30个培养器，40根空心管，营养盐以及沉积物底泥。首先将40根空心管快速安装成可放置30个培养腔体的固定架，然后将培养器拉伸到最大高度，放入固定架内，每个培养器放入一个格子里。打开培养器的密封盖，将原位水加入到培养器内，液面高度为培养器最高处下方2cm处。然后依次向培养器内加入事先灭菌好的太湖底泥以及有浓度梯度的营养盐，从0--10共计10个浓度梯度，因为此次实验不需要密闭空间，需要与外界发生交流，所以在瓶口设置一层0.22微米的膜，保证外界细菌不会进入。全部设置好10个样点之后在原位培养30天。中期检测时将膜取下，然后盖上密封盖，打开气孔塞，将培养器向下收缩，直到密封盖快接触到液面为止，然后盖上气孔塞，打开电极孔塞，将ph、温度等电极插入，用于检测中期数据。培养好之后是取样的过程，首先到达每个样品的放置地点，从上方取水样20ml装到20ml取样瓶内，然后将针筒插入第一孔塞和第二孔塞中，从培养器中抽出20ml水，装入取样瓶，然后小心取出每个培养器，取出过程尽量不要晃动，然后从下方拧下培养底座，将剩余的水倒出以后，将底部沉积物用小勺子刮入20ml取样瓶中，采样即可完成。采样完成之后，将培养器压缩到最小高度，将固定系统拆卸为40根空心管带走。最后可以做到不会留下垃圾在野外。

我们此次的实验结果如图6和图7所示，从营养盐低浓度到高浓度有明显的绿色梯度，并且随着营养盐浓度的升高，ph也逐渐升高，说明营养盐的升高会导致生物群落的增加，进而导致光合作用的增加，与我们预期的试验结论比较符合。