一種原位自動(dòng)富集浮游植物定性采樣裝置的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

孫大明

(遼寧省大連水文局，遼寧 大連 116023)

浮游植物是指在水中以浮游生活的微小植物，通常指浮游藻類。藻類分布很廣、數(shù)量極多，在整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中占有非常重要的地位，此外藻類還與人類的生產(chǎn)、生活密切相關(guān)，具有重要的漁業(yè)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和藥用價(jià)值[1-2]。但隨著環(huán)境的改變，大量含有氮、磷的工業(yè)廢水和生活污水被排放到水體中，導(dǎo)致許多湖泊、水庫、河流等水體富營養(yǎng)化，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生水華現(xiàn)象，對水資源、水環(huán)境與水生態(tài)安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[3-5]。目前，藻類監(jiān)測已經(jīng)成為水生態(tài)監(jiān)測的一個(gè)重要組成部分。

目前，市場上的浮游植物定性采樣裝置在使用時(shí)往往存在以下缺點(diǎn)：需要大量人力，實(shí)際操作時(shí)，整個(gè)采樣網(wǎng)要全部浸入水體，極大地消耗了采樣人員的體力；按照標(biāo)準(zhǔn)常規(guī)方法采集的過水體積存在較大差異，即使是定性分析，其結(jié)果也會(huì)有偏差；受限于浮游植物網(wǎng)伸縮桿的長度，對藻類監(jiān)測結(jié)果產(chǎn)生影響；采樣裝置離水體較近，連續(xù)長時(shí)間的用力循環(huán)拖動(dòng)，易發(fā)生墜水意外；易于損壞，耗材成本高[6-9]。

為了解決上述定性采樣裝置存在的問題，本文設(shè)計(jì)了一種原位自動(dòng)富集浮游植物定性采樣裝置，并應(yīng)用該裝置對大連地區(qū)8月的5座水庫進(jìn)行采樣分析，獲得了滿意的結(jié)果。

1 原位自動(dòng)富集定性采集裝置設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)原理

《內(nèi)陸水域浮游植物監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》(SL 733—2016)中規(guī)定，浮游植物定性樣品采集應(yīng)使用25號浮游生物網(wǎng)，其孔徑為64μm。生物網(wǎng)的應(yīng)用原理是將浮游生物網(wǎng)不斷在水中做“∞”形巡回拖動(dòng)約3～5min，通過生物網(wǎng)截留，使浮游植物不斷富集[7]。

在原位自動(dòng)富集浮游植物定性采樣裝置設(shè)計(jì)中，依據(jù)定性樣品采集的原理，將25號浮游生物網(wǎng)固定在采樣管末端，通過蠕動(dòng)泵將水中的浮游植物多次通過生物網(wǎng)而被截留富集。整個(gè)富集過程不需要巡回拖動(dòng)生物網(wǎng)，并且采樣管位置固定，達(dá)到了原位自動(dòng)富集采樣效果。

1.2 設(shè)計(jì)思路

為節(jié)省人力，提高自動(dòng)化程度，采用蠕動(dòng)泵抽水，蠕動(dòng)泵上設(shè)有調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的功能，可有效控制和計(jì)算通過的水樣體積。蠕動(dòng)泵的動(dòng)力源來自電瓶，實(shí)驗(yàn)室充滿電后，保證在野外可以連續(xù)作業(yè)3h以上。選用伸縮桿支撐采樣管，伸縮桿可根據(jù)需要設(shè)計(jì)為4～6節(jié)，伸長時(shí)可達(dá)到3～5m，收縮后約80cm，便于攜帶。伸縮桿前端設(shè)有下沉桿，保證采樣管達(dá)到指定采樣深度；伸縮桿后端設(shè)有支架，方便采樣人員控制，實(shí)現(xiàn)原位自動(dòng)采樣。采樣管的末端綁上25號篩絹，材質(zhì)與標(biāo)準(zhǔn)方法中浮游生物網(wǎng)相同。

1.3 結(jié)構(gòu)組成

原位自動(dòng)富集浮游植物定性采集裝置見圖1。蠕動(dòng)泵由電瓶提供能量，采樣管穿過伸縮桿，通過蠕動(dòng)泵，一端插入水中 ，另一端綁上篩絹。

圖1 原位自動(dòng)富集浮游植物定性采集裝置設(shè)計(jì)圖

1.4 實(shí)際操作

a.樣品采集時(shí)，首先打開蠕動(dòng)泵，先對采樣管進(jìn)行清洗。

b.調(diào)整采樣桿和下沉桿，確定采樣位置，然后在采樣管末端綁上25號篩絹，控制轉(zhuǎn)速和時(shí)間，使水體通過采樣管，濾過篩絹進(jìn)行排出。

c.蠕動(dòng)泵停止后，取下篩絹，用洗瓶進(jìn)行反洗，收集反洗液至定性樣品瓶，篩絹每次采樣后進(jìn)行更換。

2 實(shí)驗(yàn)方法比對

利用原位自動(dòng)富集定性采樣裝置與傳統(tǒng)常規(guī)采樣方式對大連地區(qū)8月的5座水庫藻類定性樣品進(jìn)行采樣，收集定性樣品體積控制在30～40mL，利用萊卡DM2000正置顯微鏡進(jìn)行鏡檢。采用標(biāo)準(zhǔn)方法鑒別藻類種屬[10]，兩種采樣方式獲得的藻類種群結(jié)構(gòu)及優(yōu)勢種群見表1。

表1 原位自動(dòng)富集定性采樣轉(zhuǎn)置與常規(guī)生物網(wǎng)采樣監(jiān)測結(jié)果對比

從表中1可以看出，利用原位自動(dòng)富集浮游植物定性采集裝置獲得的水樣定性分析結(jié)果與傳統(tǒng)常規(guī)方法相比，浮游藻類的群落結(jié)構(gòu)基本一致，結(jié)果在誤差允許范圍之內(nèi)，同時(shí)兩種裝置所得到的浮游植物優(yōu)勢種群相同，這表明本文設(shè)計(jì)的原位自動(dòng)富集浮游植物定性采樣裝置對水中浮游植物的定性采樣檢測結(jié)果準(zhǔn)確度高，具備實(shí)施可行性。此外該裝置與常規(guī)裝置相比還有以下優(yōu)勢：

a.自動(dòng)化操作。操作人員只需啟動(dòng)蠕動(dòng)泵，水中的藻類便可逐漸富集在篩絹上，再對篩絹進(jìn)行反洗就可以收集到藻類定性樣品。實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化采樣，大大減少了人為操作。

b.樣品統(tǒng)一性高。由于采用機(jī)械進(jìn)行采樣，蠕動(dòng)泵的轉(zhuǎn)速和時(shí)間確定，可以保證采集的每個(gè)樣品所經(jīng)過的過水體積是一致的，保證了富集在篩絹上藻類的統(tǒng)一性。

c.采樣位置更精確。該裝置中用于支撐采樣管的伸縮桿最大可伸長至5m，前端還設(shè)有下沉桿，采樣管進(jìn)水口固定在下沉桿上，便于采樣位置達(dá)到指定深度。

d.操作安全。取消了操作人員擺動(dòng)采樣桿的過程，消除了操作的安全隱患。

e.降低成本。為保證采集樣品的準(zhǔn)確性，需每次更換新的篩絹，但是只需大概5cm×5cm大小的篩絹，用料約是原方法生物網(wǎng)的1/100，減少了消耗。電瓶可循環(huán)充電，所需能源少。

3 結(jié) 語

浮游植物作為水生態(tài)監(jiān)測的重要指標(biāo)，是生態(tài)文明建設(shè)的一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)性工作。當(dāng)前浮游植物監(jiān)測越來越受到各部門的重視，面對日益增加的浮游植物監(jiān)測任務(wù)，需不斷提高監(jiān)測效率。本文通過設(shè)計(jì)一種原位自動(dòng)富集浮游植物定性采樣裝置，在確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了藻類定性采樣的自動(dòng)化、安全化和節(jié)約化，極大地提高了檢測人員的工作效率。本裝置的設(shè)計(jì)開發(fā)不僅提高了浮游植物監(jiān)測實(shí)驗(yàn)人員的工作效率，還在保障供水，服務(wù)水資源的監(jiān)督、管理及保護(hù)等方面具有廣泛而深遠(yuǎn)的意義。