一种生物污损评价实验装置及方法

1.本发明属于生物污损研究技术领域，具体涉及一种生物污损评价实验装置及方法。


背景技术：

2.生物污损指的是活的生物在水淹没表面的积累，以海水环境下最为常见，如船舶底部被海藻、贻贝等海洋生物的大面积附着，在淡水领域也有涉及，如水质监测(如溶解氧监测、ph值监测、温度监测等)设备探头被短绒藻、水棉藻等淡水藻的附着污染。生物污损对海洋和淡水装备的危害较大，能够直接降低海洋船舶的船速，加速燃油消耗，附着的生物分泌的物质还能直接加速船底金属的腐蚀，威胁船舶的服役安全，淡水养殖中测量设备的生物污损将会直接导致测得的数据失真，从而影响养殖人员的决策和营养物质的投放，每年需要耗费大量的人力、财力来清除传感器上的污垢。
3.防生物污损是国内外专家学者聚焦的一项“世界级”难题，由于生物种类的多样性和复杂性，开展生物污损的评价是至关重要的。国内外对于生物污损的评价主要通过两种方法进行：实际外场试验和实验室模拟。实际外场试验能够真实的反应所开发的材料防生物污损的效果，但试验成本高、风险性大、周期长，更重要的是无法准确确定对某种污损生物的作用，因而，开展实验室内模拟环境的生物污损评价显得极为重要。
4.传统的实验室内生物污损模拟通常采用疏水角等指标间接反映材料的防污损能力，或者采用含有某些特定生物(如藻类和细菌等)的培养液进行材料防污损能力的研究，难以模拟真实的生物污损环境，同时无法实时评价制备材料的抗附着能力。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种结构简单、操作方便、运行成本低，能够较为真实地反应自然环境下的生物污损情况，实现全水域水生生物的培养，并实现生物在不同材料表面的附着量和污损情况在线评价的实验装置，可用于进行不同材料抗生物污损能力的评定。
6.具体地，本发明的生物污损评价实验装置包括循环过滤系统、光照系统、生物培养系统、附着测试评价系统。
7.所述生物培养系统包括水缸、供氧气泵、控温器、温度计，水缸采用超白玻璃等透明材料，水缸侧面可以设置溢水孔以方便对缸内水体进行更换。所述供氧气泵、控温器、温度计设置于水缸内部，通过控温器控制系统内的水体温度至最适宜水生生物生长的温度，通过温度计监测水体温度，通过小型供氧气泵为生物培养系统内的生物提供氧气。
8.水缸内部装有要研究的水体水样，可以是淡水或海水水样，水缸内还包含引种基质(附有可以造成生物污损的水生生物的基质，比如藻石、石头、原液等)和常见水生生物(指能存活于要研究中的水体环境中的，为生态系统提供营养物质的生物)，构成简易生态系统，可以进行长时间的附着测试和观察。
9.优选地，所述控温器的加热装置为防爆石英玻璃制成的加热棒，能够提升加热的
安全性。
10.所述循环过滤系统包括进水管、过滤桶、水泵、出水管，过滤桶内设置过滤棉或/和生化滤材，能够实现对进入过滤桶的水进行物理或/和生化过滤，进水管和出水管均连通过滤桶与水缸内部，水泵设置于进水管处，循环过滤系统运行时水泵将水缸中的水泵出，经过滤桶内的物理和生化过滤后，通过出水管返回实验系统内部。
11.可以采用的一种过滤桶的构造如下：包括进水导管、生化滤材隔板、若干个进水格、桶盖、排气阀，所述生化滤材隔板设置于过滤桶内的下端，所述若干个进水格设置于过滤桶内生化滤材隔板上部，进水格相互间以格栅分隔，进水格内部设置过滤棉。
12.所述桶盖上设置排气阀，排气阀进气口与过滤桶内部连通，出气口连通过滤桶外部。
13.所述进水导管一端连通进水管，另一端通向生化滤材隔板底部，进水导管将进入过滤桶的水引入生化隔板底部，进入过滤桶的水从下至上经过生化滤材隔板和多个进水格上的过滤棉的过滤，经由顶部连通的出水管回到水缸内。
14.使用这种过滤桶时，首先将进水管插入水中，打开桶盖上的排气阀，利用抽气泵等方式通过排气阀对过滤桶内抽真空，通过虹吸原理使水进入过滤桶并注满过滤桶，之后打开水泵，即可开始循环过滤。
15.上述过滤桶可以同时实现生化滤材的生化过滤和过滤棉的物理过滤，实现一桶多用，并且不会破坏水缸整体结构，可以整体设置于水缸外，配置灵活。还可以采用多桶串联的方式，即上一个过滤桶的出水管连通下一过滤桶的进水管，最后一个过滤桶出水管连通水缸内部，理论上可以无限增大过滤空间，过滤效率高，成本低廉。
16.过滤桶内可以设置防水紫外灯，可以根据需要开启，用于消灭水中部分浮游生物，同时过滤桶外壁采用遮光材料进行避光处理，开启后不会对周边造成影响。
17.所述附着测试评价系统包括托架、滑轨、高速摄像机。所述托架设置于水缸上方或内部，用于固定样品，样品可通过线或塑料夹之类的方式悬吊固定于托架上并置入水中。所述滑轨设置于水缸外部附近，高速摄像机设置于滑轨之上，能够通过滑轨进行滑动。具体来说，滑轨可以为设置在三脚架上的丝杠滑台式的滑轨机构，便于高速摄像机的移动和旋转。
18.所述光照系统为亮度可调的全光谱led灯具，设置于水缸上方或水缸周围，能够通过波长和亮度的调节，适应不同水生生物生长的光照需要，或者模拟实际日出日落的光照。
19.本发明的实验装置具体应用在对常见易附着水生生物的培养以及进行材料防生物污损性能的评价方面，采用上述实验装置进行实验的方法包括以下步骤：
20.s1：根据要研究的水体环境，采集水样和附有水生生物的引种基质(如藻石等)，将引种基质放入水缸中，同时向缸内注入水样；如果设置溢水孔，则需保持水位线低于溢水口，以免水样流出。
21.s2：打开循环过滤系统，开启控温器和供氧气泵，待水缸中水样的环境(包括水流流速、温度、氧含量等)稳定后，放入若干常见水生生物。比如如果是要研究淡水水体，常见水生生物可以是草金鱼，大约放入1～10条，每条长度可在3～5cm左右。
22.优选地，控温器将水缸内的环境温度控制在0～35℃，覆盖大部分水体温度。冬天时可以开启加热模式，防止生物因气温过低而死亡；夏天可以开启降温模式，防止生物因气温过高而死亡。同时用户可以将控温器设置为指定温度，保持缸内恒温，不受外部环境温差
的影响。
23.s3：调节光照系统的波长和亮度，为水生生物的生长提供光照，将水缸置于光照下进行水生生物的培养，通过常见水生生物的粪便等给生态系统提供营养，通过在具体水体环境中采集的藻石等引种基质完成水生生物的培养以及常见微生物的引种。
24.通过调节光照系统灯具的色温、波段、光照强度、照明时间等，可以模拟日出日落，比如设置8/16h的光照/黑暗时间，或者也可以调节最适宜所需生物生长的光照以实现加速培育的效果。
25.s4：将要进行试验的材料样板通过托架吊于水中，调整滑轨使样板处于高速摄像机的取景框内，通过高速摄像机捕捉材料样板表面的画面，观察材料样板表面的微生物附着情况。
26.s5：根据材料样板表面附着生物的种类、被附着的面积大小等生物附着情况对其防生物污损能力进行评价。另外还可以根据水缸缸壁上所附着的生物情况以及水体颜色判断微生物生长情况。
27.高速摄像机为首次应用在本领域，可以通过高速摄像机拍到的图片观察着生类水生生物的附着过程、宏观附着机理，并采用摄像机搭配内置软件的方式，实时在线评估培养装置内放置的材料样板的生物附着情况和抗生物污损的能力。
28.本发明具有以下有益效果：
29.本发明提供了一种能够进行海洋和淡水等水体中水生生物的培养，并对于不同水体环境下材料抗生物污损能力进行评定的实验装置及方法，弥补了现有的实验装置和方法难以反映自然环境下生物污损情况的缺陷。本发明所设计的实验装置制作方法简单，价格低廉，操作方便，无需专业的电力设备，适用于室内模拟实验，解决了海水及淡水中不同材料表面抗生物污损能力评定的难题，能够同时培养多种不同种类的水生生物，并可以实现对材料在线实时地进行防污损性能评价。
附图说明
30.图1为本发明具体实施方式中的装置整体结构图。
31.图2为本发明具体实施方式中的装置侧视图。
32.图3为本发明具体实施方式中的过滤桶结构示意图。
33.其中：1-水缸，2-供氧气泵，3-控温器，4-托架，5-滑轨，6-高速摄像机，7-样板，8-三脚架，9-灯具，10-进水管，11-过滤桶，12-出水管，13-快接弯头，14-生化滤材隔板，15-进水格，16-格栅，17-进水导管，18-排气阀，19-引种基质，20-草金鱼。
具体实施方式
34.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。除非特别说明，本发明实施例采用的原料和设备为本技术领域常规的原料和设备。
35.如图1和图2所示，本实施例提供一种同时完成常见水生生物的培养和不同材料表面生物附着情况进行捕捉和记录，进而对材料的抗生物污损能力进行评价的实验装置，包括循环过滤系统，光照系统、生物培养系统以及附着测试评价系统。
36.生物培养系统包括超白玻璃水缸1、供氧气泵2、控温器3、温度计，水缸为长方体，
容积为65l，可以分别培养常见浮游生物和着生生物，水缸侧面设置直径2.5cm的溢水孔以方便对缸内水体进行更换。
37.所述供氧气泵、控温器、温度计设置于水缸内部，通过控温器控制系统内的水体温度至最适宜水生生物生长的温度，通过温度计(图中未画出)监测水体温度，通过小型供氧气泵为生物培养系统内的生物提供氧气。
38.控温器外壁和加热棒采用高强度防爆石英玻璃，内部则采用镍铬合金电阻丝以及r22冷媒，控温器内置hic恒温芯片，能够精确控制水体温度。
39.附着测试评价系统包括托架4、滑轨5、高速摄像机6。本实施例中，托架为卡在水缸顶部两侧的两条不锈钢板，中间通过金属线连接固定。实验的材料样板7为两个不同材质的金属块，材料样板通过塑料夹和鱼线，悬吊于托架下方，浸入水缸中。
40.滑轨设置于水缸外部附近，所述滑轨为电动滚珠丝杠和滑台组成的滑轨机构，滑台能够根据所需的拍照距离自动移动，滑台上设置有卡扣，所述高速摄像机固定于滑台上的卡扣中，卡扣及高速摄像机在滑台上具有三个自由度，可以任意方位旋转。滑轨下方通过三脚架8支撑稳定。通过滑轨可以轻松移动高速摄像机，并精准控制移动距离。
41.光照系统为一组全光谱led灯具9，能够提供28种不同波长的光以及0-100％的亮度以适应不同水生生物生长的光照需要。灯具内置控制器，能够通过手机app控制其光照强度、光照谱波段以及定时开关等功能，实现淡水、海水生物的全覆盖式培养，可以为不同的生物提供不同的光照，或者在室内模拟真实环境下的日出日落。
42.循环过滤系统包括进水管10、过滤桶11、水泵和出水管12，过滤桶是半径为15cm，高为40cm的有盖圆柱体，顶部设有直径为2cm的出水口，出水口通过一快接弯头13与出水管连通，底部设有直径为2cm的进水口，进水口和出水口安装位置错开。水泵在图中未画出，但本领域技术人员可以理解，水泵可以置于进水管上，以实现水缸中的水被抽入进水管，通过过滤桶和出水管流回水缸，实现循环过滤。
43.过滤桶内透视结构如图3所示，其内部下端设置生化滤材隔板14，生化滤材隔板之上设置若干个进水格15，进水格彼此间以格栅16分隔，进水格中设置过滤棉。进水导管17一端连通进水管，另一端通过进水口进入过滤桶底部，通向生化滤材隔板底部。进水导管将进入过滤桶的水引入生化隔板底部，进入过滤桶的水从下至上经过生化滤材隔板和多个进水格上的过滤棉的过滤，经由出水管，回到水缸内。
44.应用上述过滤桶和循环系统时，首先将进水管插入水中，打开桶盖上的排气阀18，利用抽气泵等方式通过排气阀对过滤桶内抽真空，通过虹吸原理使水进入过滤桶并注满过滤桶，之后打开水泵，即可开始循环过滤。
45.应用上述实验装置的操作步骤为：
46.s1、首先采集水样和附有附生生物的石头作为引种基质19，将石头放入水缸中，注入水样。
47.本实施例中引种基质为待测试水域附着有待评测水生生物的石头，本领域技术人员也可以采用来源于测试海岸或者河岸的其他引种基质，比如藻石、原液等等。
48.s2、打开循环过滤系统，开启控温器和供氧气泵，待循环过滤系统运行3～4小时，水缸中水样的环境稳定后，向水中投入常见水生生物，本实施例中为3-5cm的草金鱼20(草金鱼不可太小，以避免被过滤系统吸入)。
49.s3、根据实验模拟需要设置全光谱led灯的开关时间、光照强度、照明波段等参数，为水生生物的生长提供光照，将水缸置于光照下进行水生生物的培养。
50.s4、本实验的材料样板为两个不同材质的金属块，样板通过鱼线悬吊于托架下方，浸入水中。调整滑轨使试样处于高速摄像机的取景框内，通过高速摄像机捕捉的画面观察料板表面微生物的附着情况。
51.s5、根据材料样板表面上的附着生物的种类、被附着的面积大小等生物附着情况对其防生物污损能力进行评价。另外还可以根据水缸缸壁上所附着的生物情况以及水体颜色判断微生物生长情况。
52.本发明与其他的防附着测试实验装置和方法相比，可通过调节不同光的波段和水环境状态模拟，还原不同水域，如海洋及河流原始的水流、水温和光照衰减环境，使获得的数据更加准确，且能同时完成常见浮游生物和着生生物的培养，更好地模拟自然环境下的生物污损情况。