一种用于测定湿地净化氮污染效率和氮循环的稳态培养设备的制作方法

本实用新型属于滨海湿地学、生物地球化学技术领域，具体涉及一种用于测定湿地净化氮污染效率和氮循环的稳态培养设备。

背景技术：

氮循环是描述自然界中氮单质和含氮化合物之间相互转换过程的生态系统的物质循环，是全球生物地球化学循环的重要组成部分。全球每年通过人类活动新增的“活性”氮导致全球氮循环严重失衡，并引起水体富营养化、水体酸化、温室气体排放等一系列环境问题。湿地土壤中氮素含量及其迁移转化过程也显著影响着湿地生态系统的结构和功能以及湿地生产力。湿地氮循环包含湿地植被或水域浮游植物有机氮的合成、氨化作用、硝化作用、反硝化作用和固氮作用等一系列环节。在过去半个世纪，受到人类活动和全球气候变化的双重影响，我国水域(含湖泊、河流、海洋等)中的氮含量增加显著。以渤海为例，据不完全统计，过去五十年间，渤海溶解无机氮(DIN)含量增长了至少10倍以上，这远远高于世界上其他海域(比如，美国路易斯安那州近海水域DIN含量仅增长3倍左右)，因此，排污除氮已经成为刻不容缓的环境问题。

湿地具有极强的自净能力和净化污水的能力，被称为“地球之肾”。近年来，诸多人工和自然湿地开始被尝试用于污水处理系统，因其具有廉价、绿色环保等优点，而且可避免常规污水处理厂费用高、能源消耗高、运行管理复杂等缺陷，正逐渐成为一种高效的排污除氮方法，受到科研人员和政府部门越来越多的重视。然而值得注意的是，目前尚未有非常明确的方法调查和评估含氮水体流经湿地土壤时，土壤及其微生物对氮元素的去除效率；而且，也缺乏合适的方法对净化过程与氮循环中所发生的诸多生物化学反应、微生物作用机理进行系统性研究。

湿地中氮循环不但可影响生态系统的结构、功能、稳定与健康，而且还在一定程度上决定着湿地生态系统的演化方向，同时与全球变暖、臭氧层破坏以及酸沉降等一系列全球环境问题息息相关，因此是全球变化研究的重要研究领域；如何利用湿地净化能力服务于氮污染处理是各国科研人员和政府部门关注的焦点。

前期调查发现，目前现有技术具有如下缺点和问题：

(1)以往设计在“获取土壤柱状样”与“反应釜培养”这两个环节的衔接方面有待改进。以往实验设置经常是先设置好反应釜，然后去野外获取土壤柱状样，随后将柱状样转移入反应釜内培养。这样一方面容易改变土壤柱状样的结构、粒度、水分和含氧量等重要参数，另一方面，在转移过程中也容易被周围环境所污染，导致培养失败或所获结果不真实。

(2)以往设计缺乏对环境因子的精准模拟和掌控。以往实验装置往往仅能模拟和控制有限的环境状态参数，难以全部地精确控制湿地土壤和地表水的温度(T)、盐度(S)、光照、溶解氧(DO)浓度、水流动力、营养盐浓度等全部的水文环境条件。比如对湿地的营养盐输入速率和浓度就很难控制，这可能导致微生物进行生化反应的模式和机制不稳定；而对溶解氧和温度的缺乏精确控制，则会导致难以把控生态系统的厌氧、缺氧和好氧状态，其中的生物化学反应和微生物氮循环机制也具有很大差异，而且在排污除氮方面的效率也具有不确定性和难以预测的变化。

(3)以往设计的稳定性较差、重复性较差：以往实验装置多未采用稳态培养方式，即使采用问题培养方式，也未能完全模拟所有可能存在的环境因子变化，因此不同实验间重复性差，难以重复验证实验结果。尤其在对培养系统进行取样时，取样过程易对系统平衡产生扰动，导致整个系统难以保持在稳定状态。

(4)以往设计多采用非密闭环境，易被污染和干扰。现有实验设计多采用敞开式分批培养，这使得湿地土壤和地表水系统容易受到外界微生物和细菌等的干扰，导致培养之后湿地土壤和地表水中内在生物体系与外来细菌和病毒等微生物共存，为进一步的分析和测试带来困难。而且，由于污染干扰，实验结果也不准确，降低实验参考价值。

(5)以往设计多未采用无污染取样方式。以往取样操作往往是采取抽取或培养后一次性取样等方式。这些方式都不是最佳的，因为容易扰动湿地土壤微生物和地表水浮游植物生态系统的连续稳态生长状态，而且容易带来污染。如果停止培养来进行取样，也会打断湿地土壤和地表水生物系统的生化平衡。而且培养结束后取样难以实时观测到湿地土壤和地表水生物系统中水文环境参数的变化，如DO状态、温度状况、水体浮游植物细胞数、细胞成分变化、细胞生长机理和参数变化等等。

因此，如何研发一种新型用于测定湿地净化氮污染效率和氮循环的稳态培养设备，具有重要的现实意义。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的装置稳定性差、重复性差、取样难、多参数控制难、易污染以及缺乏对环境因子的精准模拟等技术问题，本实用新型的目的在于提供一种用于测定湿地净化氮污染效率和氮循环的稳态培养设备。

本实用新型采取的技术方案为：

一种用于测定湿地净化氮污染效率和氮循环的稳态培养设备，包括反应釜、温度控制系统、营养液供给系统、营养液排出系统、气体供给系统、取样系统和检测系统；所述反应釜的内层设置为中空取样筒，取样筒采用顶部加压的方式夯入土壤中，将自然填充其内的湿地土壤柱状样同时取出，取样筒的顶端和底端分别旋设釜顶盖和釜底盖进行密封；反应釜的外层设置为填充循环水浴的夹套，夹套套设在取样筒外壁上且与循环水浴的温度控制系统连通；所述湿地土壤柱状样的表面填充有湿地地表水，湿地地表水分别和气体供给系统、取样系统连通，湿地地表水和釜顶盖之间的空腔分别和营养液供给系统、营养液排出系统连接；检测系统包括参数探头a和参数探头b，参数探头a和参数探头b分别插设在湿地地表水内部和湿地土壤柱状样内。

进一步的，所述温度控制系统包括循环水浴池，循环水浴池设置为中空圆柱桶体结构，其四周呈环形等间距排布开设有限位通孔，反应釜安装在限位通孔内。

更进一步的，所述反应釜内层的取样筒和外层的夹套均采用透明硬塑料材质制备形成，取样筒设置为内部中空的直立柱状结构，取样筒的壁厚度大于夹套的壁厚度，夹套上分别设置有循环水浴出水口和循环水浴入水口，循环水浴池分别与夹套的循环水浴出水口和循环水浴入水口连接。

进一步的，所述营养液供给系统包括营养液储备室和蠕动泵，营养液储备室顶端通入气管a，营养液储备室内的液体通过导管和蠕动泵连接，蠕动泵和营养液导管连接，营养液导管延伸插设在反应釜釜顶盖上。

进一步的，所述营养液排出系统包括量筒和溢出流导流管，溢出流导流管的一端插设在反应釜釜顶盖上，溢出流导流管的另一端插设在量筒内。

进一步的，所述气体供给系统包括气泵和气管b，气泵和气管b连接，气管b的末端插设至湿地地表水中。

进一步的，所述取样系统包括取样管、抽气取样瓶、真空抽泵，真空抽泵通过管道和抽气取样瓶连接，抽气取样瓶和取样管连通，取样管的末端延伸至湿地地表水中，取样管和气体供给系统的气管b通过三通旋塞阀连通。

进一步的，所述检测系统的参数探头a和参数探头b分别通过导线和电源、探测仪、电脑连接。

进一步的，还设置有搅拌器和加样孔，加样孔贯穿设置在釜顶盖上，搅拌器穿过釜顶盖延伸至湿地地表水中，搅拌器通过釜顶盖的马达驱动。

进一步的，还设置有光照控制系统，光照控制系统包括光面板、光源灯，光面板嵌设在釜顶盖上，光源灯安装在光面板上，光源灯通过定时器和电源连接。

本实用新型的有益效果为：

针对现有技术中存在的几个问题，本实用新型主要是通过以下技术方案来解决的：

(1)针对“获取土壤柱状样”与“反应釜培养”这两个环节不易衔接的问题：本设计所采用的反应釜的内层为内部中空的直立柱状结构，内壁采用透明硬塑料材质，可直接置于湿地土壤表面，然后采用顶部加压的方式，将反应釜内层(取样筒)夯入土壤中，当将反应釜内层(取样筒)取出时，可将自然填充其内的湿地土壤柱状样同时取出，并立即盖上反应釜釜底盖和釜顶盖进行密封；反应釜的外层(夹套)可在取到土壤柱状样后套装在反应釜的内层(取样筒)上，然后与循环水浴的温度控制系统连通。此外，如有必要，可对反应釜提前进行清洗或灭菌处理，以此来排除环境污染。可见，这样的设计取样快速便捷，最大程度避免了对湿地土壤样的扰动和潜在人为污染。

(2)针对以往设计缺乏对环境因子的精准模拟和掌控的问题：本设计利用反应釜双层结构与循环水浴设备来控制反应釜在整个培养过程的温度；利用蠕动泵精确控制导入反应釜的营养液输入速率；利用搅拌器搅动湿地样品表层水来模拟湿地的水流波动；利用气泵充入无菌空气流来模拟空气条件，从而控制湿地地表水和土壤的溶解氧含量；利用多参数探测仪实施监测湿地地表水和土壤柱状样品中的温度、盐度、溶解氧、氧化还原电势等水文环境参数；从而确保对环境因子的精确掌控和模拟。

(3)针对以往设计的稳定性较差、重复性较差的问题，本设计利用全封闭的稳态恒化培养模式，是指在条件相对恒定的系统中对湿地土壤和水体中的微生物和浮游生物进行培养；该系统中的营养液总量保持不变，由外界以恒定速率供给，并连续提取培养物；该培养物生长速率可通过限制某种营养成分的供给速率来进行精确控制，此法不但可提高设备利用率，也有利于开展高精度要求的培养实验。因此在本设计中，所有环境条件甚至营养液的输入和输出速率等都是精确可控的，整个系统稳定可靠，且当环境条件控制得当时，整个实验具有可重复性。

(4)针对以往设计多采取非密闭环境且易被污染和干扰的问题，本设计采取全封闭设计，所有导管或出口均具有开关阀门，且通入系统中的空气或氧气亦通过滤筛进行过滤(过滤筛优选孔径为0.22μm，可过滤杂质及微生物等，保证无菌空气的注入)。

(5)针对以往设计中取样方法可能导致污染的问题，本专利设计了两种取样方式：①一种通过三通旋塞阀门控制，当将旋塞拧动到一定角度，则会封闭无菌空气导入管(气管b)，而与取样管联通，这样就可通过无菌的抽气取样瓶和真空抽泵创造负压，将表层水样品从反应釜中抽取而出；②另一种则是设置了溢出流导流管，因反应釜内不断加入营养液，表层水必然增多而水面上升，溢出流导流管一端紧贴着湿地地表水的表层水面，当水体增多到一定程度，就会将溢流导出，从而维持系统的稳定。因反应釜内始终有无菌空气充入，在溢出流导流管一端始终是单向气流和液体导出，因此不会有外界空气倒灌而污染反应釜内表层水的问题。以上两种方法很好的避免了因取样而改变反应釜内恒化培养的系统平衡问题。此外，常规的参数，如温度、盐度、pH、DO等等，则可通过置于表层水和土壤内的多参数探头实时监测，亦不存在污染反应釜内部样品的问题。

综上所述，相对于现有技术，本实用新型的有益效果体现在：

本专利设计一种可模拟自然湿地土壤和地表水氮循环的稳态恒化培养系统设备，通过稳态模型计算湿地土壤和湿地地表水在净化氮污染方面的效率，同时也可用于对氮循环过程和机理进行系统研究。本设计巧妙利用稳态恒化培养的模式避免了以往设计中一系列问题，可对诸多环境因子进行精准模拟和掌控，具有模拟效果好、可重复性强、全封闭模式无污染、取样设计巧妙等优点，可安全、可靠地用于湿地土壤和地表水净化氮污染的调查和开展湿地土壤和水体氮循环的相关实验研究。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图。

图2为本实用新型中循环水浴池的整体结构示意图。

图3为本实用新型中光照控制系统的结构示意图。

其中，1、营养液储备室；2、气管a；3、蠕动泵；4、营养液导管；5、参数探头a；6、气泵；7、气管b；8、三通旋塞阀；9、取样管；10、抽气取样瓶；11、真空抽泵；12、加样孔；13、釜顶盖；14、搅拌器；15、湿地地表水；16、循环水浴出水口；17、湿地土壤柱状样；18a、夹套；18b、取样筒；19、釜底盖；20、循环水浴入水口；21、参数探头b；22、溢出流导流管；23、量筒；24、循环水浴池；25、限位通孔；26、光面板；27、光源灯。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本实用新型。

实施例1

如图1所示，一种用于测定湿地净化氮污染效率和氮循环的稳态培养设备，包括反应釜、温度控制系统、营养液供给系统、营养液排出系统、气体供给系统、取样系统和检测系统；所述反应釜的内层采用透明硬塑料材质设置为中空取样筒18b，取样筒18b设置为内部中空的直立柱状结构，可直接置于湿地土壤表面，然后采用顶部加压的方式，将反应釜内层(取样筒18b)夯入土壤中，当将反应釜内层(取样筒18b)取出时，可将自然填充其内的湿地土壤柱状样17同时取出，并立即盖上反应釜底盖19进行密封；反应釜的外层(夹套18a)可在取到湿地土壤柱状样17后套装在反应釜内层(取样筒18b)上，然后与循环水浴的温度控制系统连通；反应釜的外层(夹套18a)可采用较薄的透明塑料材质，其上分别设置有循环水浴出水口16和循环水浴入水口20，循环水浴池24分别与反应釜的循环水浴出水口16和循环水浴入水口20连接；湿地土壤柱状样17的表面填充有湿地地表水15，湿地地表水15分别和气体供给系统、取样系统连通，湿地地表水15和釜顶盖13之间的空腔分别和营养液供给系统、营养液排出系统连接；检测系统包括参数探头a5和参数探头b21，参数探头a5和参数探头b21分别插设在湿地地表水15内部和湿地土壤柱状样17内。

所述反应釜的釜底盖19通过螺纹旋拧的方式安装在反应釜的底部，反应釜的釜壁外层可充入循环水浴的水流以精确控制反应釜的温度，湿地地表水15没过反应釜内放置的土壤柱状样的表层，湿地地表水15的深度远远低于土壤柱状样的深度。

反应釜釜顶盖13具有多功能特点，首先它可密封于反应釜釜体，釜盖上依次贯穿营养液导入管、无菌空气导入管、多参数探头/探测仪、搅拌器14和转子、加样孔12(顶部用橡胶封闭，可打开、可用注射器加入液体)、溢流导流管。

如图2所示，温度控制系统包括循环水浴池24，循环水浴池24设置为中空圆柱桶体结构，其四周呈环形等间距排布开设有限位通孔25，反应釜安装在限位通孔25内。

反应釜的外层上分别设置有循环水浴出水口16和循环水浴入水口20，循环水浴池24分别与反应釜的循环水浴出水口16和循环水浴入水口20连接。

循环水浴出水口16和循环水浴入水口20呈相对排布分别设置在反应釜的顶端和底端，二者的距离相对较远，可保证反应釜外层中水循环的充分性。所述反应釜的制作材料优选透明材料，如硬质塑料或钢化玻璃，便于随时观察内部的反应情况，同时也有利于顶部光面板26的将光线投入湿地地表水15。

循环水浴池24内部设置有支撑架，支撑架上设置紧固夹，紧固夹夹在反应釜的釜体和釜顶盖13的接合处。

营养液供给系统包括营养液储备室1和蠕动泵3，营养液储备室1顶端通入气管a2，营养液储备室1内的液体通过导管和蠕动泵3连接，蠕动泵3和营养液导管4连接，营养液导管4延伸插设在反应釜釜顶盖13上。

蠕动泵3将营养液从营养液储备室1抽出并按照设定的速率通过营养液导管4输入反应釜中，营养液导管4出口要高于液面，便于及时补充营养液；蠕动泵3的转速可调、内设导管直径可调，以此来控制导入营养液的速率；营养液储备室1顶部用橡胶塞密封，橡胶塞上贯穿着第一空气过滤筛，过滤筛优选孔径为0.22μm，可过滤杂质及微生物等，保证无菌空气的注入。

营养液排出系统包括量筒23和溢出流导流管22，溢出流导流管22的一端插设在反应釜釜顶盖13上，溢出流导流管22的另一端插设在量筒23内。

溢出流导流管22可将反应釜内过多的液体导出至量筒23，并用于后续分析。因反应釜内不断加入营养液，表层水必然增多而水面上升，溢出流导流管22一端紧贴着表层水面，当水体增多到一定程度，就会将溢流导出，从而维持系统的稳定。因反应釜内始终有无菌空气充入，在溢出流导流管22一端始终是单向气流和液体导出，因此不会有外界空气倒灌而污染反应釜内表层水的问题。

气体供给系统包括气泵6和气管b7，气泵6和气管b7连接，气管b7的末端插设至湿地地表水15中，即气管b7的出气孔在湿地地表水15的液面以下。气体供给系统的气管b7上均设置有气体过滤筛，过滤筛优选孔径为0.22μm，可以过滤杂质及微生物等，保证无菌空气的注入，气泵6将空气导入第二空气过滤筛(优选孔径为0.22μm)，经过滤后，无菌空气被气管b7经过三通旋塞阀8门导入反应釜内的湿地地表水15中。

取样系统包括取样管9、抽气取样瓶10、真空抽泵11，真空抽泵11通过管道和抽气取样瓶10连接，抽气取样瓶10和取样管9连通，取样管9的末端延伸至湿地地表水15中。

气体供给系统的气管b7和取样系统的取样管9通过三通旋塞阀8进行连通，所述三通旋塞阀8门具有调流的作用，当调整到第一个角度，则可将无菌空气输入反应釜，此时与取样管9的连接是关闭的；当调整到第二角度，则封闭输入无菌空气的气管b7，而与取样管9联通，可通过抽气取样瓶10和真空抽泵11形成负压，而将反应釜的水流取出。

检测系统的参数探头a5和参数探头b21分别通过导线和电源、探测仪、电脑连接。由参数探头a5和参数探头b21组成的多参数探头/探测仪中的一个探头插入水体中，另一个探头则插入土壤中，可实时监测水体和土壤的温度、盐度、pH、DO、氧化还原电势等多种水文环境参数，探测仪与电脑和电源相连，可从电脑上实时读取结果进行监测。

还设置有搅拌器14和加样孔12，加样孔12贯穿设置在釜顶盖13上，搅拌器14穿过釜顶盖13延伸至湿地地表水15中，搅拌器14通过釜顶盖13的马达驱动。所述搅拌器14为单根针形状，顶部具有转子，可按照设定的转速搅动湿地土壤的湿地地表水15，从而模拟自然水体中的波动状况。

加样孔12为一细小玻璃管孔，加样孔12顶部平时加盖或使用橡胶隔膜封住，橡胶塞可拆卸，也可用注射针穿透来注入液体(比如示踪剂等)。

如图3所示，还设置有光照控制系统，光照控制系统包括光面板26、光源灯27，光面板26嵌设在釜顶盖13上，光源灯27安装在光面板26上，光源灯27通过定时器和电源连接。定时器控制光照时间，可以设置为连续照射，或者昼夜交替照射，用于随时检测光强度，来确保光强度数值准确。

用于测定湿地净化氮污染效率和氮循环的稳态培养设备在使用前，先将反应釜各部件组装好，然后与温度控制系统、营养液供给系统、营养液排出系统、气体供给系统、取样系统和检测系统按顺序组装，然后一起进行灭菌处理。反应釜内层(取样筒18b)呈长条形，圆柱，内壁很厚，用于直接打钻，获取土壤柱状样，获取后，下面用釜底盖19封住；然后套上预先设计好的反应釜外层夹套18a，外层夹套18a要比反应釜内壁较短一些，密封后就是循环水浴的夹套18a，将反应釜整体放置到循环水浴池24中，循环水浴池24分别与反应釜的循环水浴出水口16和循环水浴入水口20连接。将营养液储备室1中的培养液经蠕动泵3持续地滴入到反应釜内部，直至土壤柱状样上表面的湿地地表水15达到预定液面时，开启温度控制系统、搅拌器14、光照控制系统和气体供给系统。待温度恒定、系统稳定时，通过用注射针穿透加样孔12来注入液体(比如同位素示踪剂等)。其中各系统的工作方式如下：温度控制系统通过循环水浴池24对水加热(可用于模拟全球气候变化所导致的增温效应，或降温)，加热(或降温)后的水进入循环水浴入水口20，在夹层内充分循环后经循环水浴出水口16流出并返回循环水浴池24再次加热(或降温)来恒温。气体供给系统通过可控制速率的充气泵6输入无菌空气(或增加其中CO2含量来模拟日益增加的大气二氧化碳浓度)，无菌空气经三通旋塞阀8门开关后，导入反应釜，再经导流管导入湿地地表水15中，气体以气泡形式从湿地地表水15底部向上层溢出。营养液供给系统通过蠕动泵3将营养液储备室1中的培养液经营养液导管4持续滴入反应釜内部。营养液排出系统的营养液溢出管的下端位于湿地地表水15表面，与液面紧密接触，由于无菌气体持续充入，使得反应釜湿地地表水15表面上层空间保持一定的稳定压力；随着营养液的不断滴入，内部压力稍微增大，与外界压力之间会产生微小压力差，该压力差可迫使多余的培养液经营养液溢出管不断流出至量筒23中。搅拌器14可以搅动反应釜内的湿地地表水15，从而模拟自然水体中的波动状况。取样系统通过控制三通旋塞阀8门，并用真空抽泵11抽取实现湿地地表水15沿着取样管9进入抽气取样瓶10内；取样前，通过三通旋塞阀8改变气体通道，在外部用真空抽泵11抽取湿地地表水15，进行取样，由于整个过程是液体单方向流动，这样可以减少取样过程的污染。在整个培养过程中，保持蠕动泵3的运作；为减小取样时对连续培养稳态的干扰效应，每次取样的体积不得超过在两个取样点期间充入反应釜内的培养液体积，并不得超过反应釜总体积的6％。光照控制系统的光面板26和光源灯27提供并反射光照，且可控制光强度；定时器控制光照时间，可以设置为连续照射，或者昼夜交替照射，用于随时检测光强度，来确保光强度数值准确。

以上所述并非是对本实用新型的限制，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型实质范围的前提下，还可以做出若干变化、改型、添加或替换，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。