测量生物扰动对污染物在沉积物中分布的装置

摘要

本发明公开了一种测量生物扰动对污染物在沉积物中分布的装置，属于湖泊生态学及环境保护领域，包括通气盖、外壳、底座、内衬、取样台、取样铲及升降底座；通气盖扣在外壳上，内衬设置于外壳内，外壳与底座连接；通气盖的顶部设有通气孔，通气盖的底部设有出气孔；取样时，将通气盖及底座去掉，升降底座与外壳的底部相连，升降台底座上设置有升降台，将取样台套在外壳上，取样台设有向内伸展的沿，且在取样台一侧上有一支撑的平台，平台上有两条凸起的导轨，取样铲放在取样台的导轨上。该装置实现了既可以模拟实验培养过程，又可以实现取样过程中的精确和快速，简化了实验流程，缩短了实验时间，提高了工作效率。

说明书

技术领域

本发明属于湖泊生态学及环境保护领域，具体涉及测量生物扰动对污染物在沉积物中分布的装置。

背景技术

随着人类生活水平的提高，生活污水以及工业废水的肆意排放，伴随而来的就是天然水环境的污染日益严重，如今近海海岸的海水、河流、湖泊等都受到了污染物的影响。其中，最重要的一类污染物为重金属，它具有低浓度、毒性大、生物积累效应、不可降解性等问题，严重威胁水生生物的生存和人类健康，对附近的水环境中的生物造成严重危害。

天然水体沉积物是水体生态系统的重要组成部分,它作为底栖生物的栖息场所和食物来源，并且对水体中的污染物具有吸附作用。而生物扰动是指底栖生物通过摄食、建管和筑穴等使沉积物的物理和化学结构发生重要变化的过程。沉积物表面的生物扰动行为对于沉积物不同深度的重金属的浓度具有一定的影响。

为了研究底栖生物的生物扰动对沉积物中重金属的形态和浓度的影响，进而研究其机理，需要对不同深度沉积物进行测定。传统测量方法是用柱状采样器把沉积物采回实验室，用分层压滤法挤出间隙水，但是这种方法会扰动沉积物，改变沉积物样品的结构和物理化学条件，甚至可能把沉积物的不同层次的成分混在一起，引起测量的系统误差，在这样的条件下重金属浓度的空间分布状况很难测量。

发明内容

为了克服传统测量生物扰动对沉积物中重金属的形态和浓度的影响的装置存在的不足，如实验操作不专业、实际测量不精准、没有专业的试验模拟装置等，本发明提出了一种可以研究生物扰动对水/沉积物体系中重金属的空间分布影响的模拟实验装置。

本发明通过如下方案实现：

一种测量生物扰动对污染物在沉积物中分布的装置，包括通气盖1、外壳2、底座3、内衬4、取样台5、取样铲6及升降底座7；通气盖1扣在外壳2上，内衬4设置于外壳2内，外壳2与底座3连接；通气盖1的顶部设有通气孔9(通气孔通过塑料管外接曝气装置，用于实验时通入氧气)，通气盖1的底部设有出气孔10(为水/沉积物体系通入空气)，出气孔外接毛细玻璃管或毛细硅胶管；内衬4为缺少顶面和一个侧面的长方体，内衬4的一个侧面带有刻度的标尺12；取样时，将通气盖1及底座3去掉，升降底座7与外壳2的底部相连，升降台底座7上设置有升降台8，将取样台5套在外壳2上，取样台5设有向内伸展的沿，且在取样台5一侧上有一支撑的平台，平台上有两条凸起的导轨15，取样铲6放在取样台5的导轨上。

进一步地，所述的通气盖1为中空结构，所述的外壳2为无盖的长方体。

进一步地，所述的底座3、升降底座7均通过螺纹和O型密封圈与外壳2的底部相连。

进一步地，所述的标尺12的两端均有零刻度线。

进一步地，所述的取样铲6为缺少一个侧面的长方体匣子，其底部有两条与取样台5上凸起的导轨15相对应的凹槽16，侧面设置有把手17；取样铲的数量为若干个。

进一步地，所述的升降底座7的底部为正六边形，以提升实验时装置的稳定性，升降底座7的外壁设置有摇把18(可通过摇把让内部升降台8上升，以带动内衬4上升)；所述的升降台8的顶面为平面19。

进一步地，所述的通气盖1、外壳2、底座3、内衬4、取样台5及升降底座7的材质均为有机玻璃，取样铲6的材质为食品级304不锈钢，升降台8材质为铝氧化材质。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)结构构造简单，装置专业性强，操作便捷；

(2)实现了既可以模拟实验培养过程，又可以实现取样过程中的精确和快速，简化了实验流程，缩短了实验时间，提高了工作效率。

(3)本装置材料的选取，其透明度可以实现培养过程中随时观察的要求。

(4)本装置只需通过一个升降底座即可实现对多个模拟样品的取样，提高了装置的利用率；

(5)本装置拆卸组合方便，且有多种规则高度的取样铲，其使用范围广泛。

附图说明

图1为本发明的测量生物扰动对污染物在沉积物中分布的装置的结构示意图；

图2为本发明的测量生物扰动对污染物在沉积物中分布的装置的取样部分的结构示意图；

图3为本发明的测量生物扰动对污染物在沉积物中分布的装置的通气盖1的结构示意图；

图4为本发明的测量生物扰动对污染物在沉积物中分布的装置的外壳2的结构示意图；

图5为本发明的测量生物扰动对污染物在沉积物中分布的装置的内衬4的结构示意图；

图6为本发明的测量生物扰动对污染物在沉积物中分布的装置的底座3的结构示意图；

图7为本发明的测量生物扰动对污染物在沉积物中分布的装置的取样台5的结构示意图；

图8为本发明的测量生物扰动对污染物在沉积物中分布的装置的取样铲6的结构示意图；

图9为本发明的测量生物扰动对污染物在沉积物中分布的装置的升降底座7的结构示意图；

图10为本发明的测量生物扰动对污染物在沉积物中分布的装置的升降台8的结构示意图；

图11为本发明实施例2的模拟实验示意图；

图12为本发明的不同生物密度对Cd浓度的空间分布图；

图中：通气盖1、外壳2、底座3、内衬4、取样台5、取样铲6、升降底座7、升降台8、通气孔9、出气孔10、内螺纹11、标尺12、外螺纹13、内沿14、导轨15、凹槽16、把手17、摇把18、顶面19。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步地说明，但并不对本发明构成限制。

实施例1

本发明选用设备分别定制的实验升降机：铝氧化材质，顶板规格75mm*75mm，升降范围50-300mm。

毛细玻璃管：硬质中性玻璃，内径1.0mm，壁厚0.1mm，管长120mm，500支/筒，重为110克。

一种测量生物扰动对污染物在沉积物中分布的装置，该装置在模拟结束后还能将沉积物进行精确、无污染的分层取样，包括通气盖1、外壳2(126mm*126mm*250mm)、底座3、内衬4(120mm*120mm*240mm)、通气盖1扣在外壳2上，内衬4紧密放入外壳2内，外壳2通过内外螺纹和O型密封圈与底座3连接。通气盖1为中空结构，其顶部设有一个通气孔9(Φ8mm，用于实验通氧，其通过塑料管外接曝气装置)，底部设有4个出气孔(Φ1mm，为水/沉积物体系通入空气)，外接毛细硅胶管(外径Φ1mm，长120mm)；外壳2外形为无盖的长方体，其底部为圆形的带有内螺纹11的接口(Φ110mm，该接口有10mm深的螺纹)；内衬4为缺少一个顶面和侧面的长方体，其能够放入外壳2中，一个侧面带有刻度的标尺12(长240mm,宽15mm)，且标尺12两端均有零刻度线，内衬4可放在外壳2圆形接口(Φ110mm，该接口有10mm深的螺纹)上面，保证其不滑出外壳2；底座3其底部为正六边形，带有圆形外螺纹的接口(Φ110mm，该接口有10mm深的螺纹)，底座直径大于接口，以增强实验时装置的稳定性。

取样时，去掉通气盖1和底座3，取样台5(130mm*130mm*50mm)套在外壳2上，取样铲6(150mm*114mm*10mm)放在取样台5上，升降底座7通过内外螺纹和O型密封圈与外壳2相连。取样台5设有向内伸展的沿(2mm)，且在取样台5一侧上有一支撑的平台(130mm*30mm)，平台上有两条凸起的导轨(高1mm)；取样铲6为缺少一个侧面的长方体匣子，其材质为食品级304不锈钢，其底部有两条凹槽(深1mm)；升降底座7(Φ110mm*100mm)顶部有外螺纹13，其内部为定制的升降台8，升降台8顶面为平面19，壁的外面有一个突出的摇把18，可通过摇把让内部升降台8上升，以带动内衬4(120mm*120mm*240mm)上升，升降底座7的底部为正六边形，以提升实验时装置的稳定性。

实施例2

实验前，将取自河流表层5-20cm的沉积物过60目网筛，以去除碎石、动植物残体和塑料垃圾等杂质，然后将沉积物进行冷冻处理，杀灭沉积物中可能存在的小型动物。扰动生物选取颤蚓(俗称鱼虫)购买于花鸟鱼虫市场，在微量矿物盐(MMS)溶液中培养适应一周，每天分早晚各换一次水，使颤蚓适应室内模拟实验。颤蚓在二次去离子水中冲洗干净，用镊子挑选出长度相近，为2±0.3cm的颤蚓，把2、5、8、10、15条颤蚓分别放到干净的培养皿中，在电子分析天平秤取前用吸水纸吸净颤蚓表面多余的水分，避免测量误差。颤蚓数量与鲜重之间的线性关系进行颤蚓定量，如表1所示。使用Cd(NO₃)₂·4H₂O试剂配好初始浓度为20μmol/L的含Cd污染物溶液。

表1颤蚓数量与鲜重之间的定量关系

条数2581015重量/g0.010.02470.03770.04660.0701

注:y＝0.0046x，R²＝0.997

x表示颤蚓的数量，y表示颤蚓的重量，R为相关系数

为研究颤蚓密度对水/沉积物体系对重金属Cd空间分布的影响，本次实验设置生物密度为120000int/m²、50000int/m²和0int/m²，通过表1对吸净表面多余水分的颤蚓鲜重的计算值，算出相对应密度的颤蚓的鲜重数值，在电子分析天平上分别称取。污染物溶液选择配好的初始浓度为20μmol/L的重金属Cd，装置中沉积物高度为10cm，含重金属Cd溶液1L，再将装置放在24℃恒温水槽中进行实验(如图11所示)。

实验时，选用通气盖1、外壳2、底座3和内衬4组成，首先将底座3通过外螺纹13、O型密封圈与外壳2的内螺纹11连接，再将内衬4放入外壳2内，此时可以将处理过的沉积物放入内衬，本次实验放入沉积物高度为10cm，将沉积物在装置内静置使其均匀分布、表面平坦。为防止表面沉积物被冲溅起来，可将1L的污染物溶液通过一次性输液管沿着装置壁缓慢引流到装置内，将设定密度的颤蚓挑选出来，放入装置的溶液内，将装置放在恒温水槽中。此时可以将通气盖1扣在外壳2上，通气盖1的通气孔9通过塑料管与曝气装置连接，四个出气孔10与毛细玻璃管相连，毛细玻璃管浸入溶液中，打开曝气装置给实验体系中缓慢通入空气，将装置放在恒温水槽中。颤蚓在装置中适应24小时后再开始计时，实验至预定的时间。

取样时，拆除通气盖1,将装置从恒温水槽中取出，用注射器将体系中的溶液取出，拧下底座3，此时将升降底座7通过外螺纹13、O型密封圈与外壳2的内螺纹11连接，将取样台5套在外壳2上，预设好需要采样的深度，0-0.5cm，0.5-1cm，1-2cm，2-3cm，3-5cm，5-10cm，自上而下记好标尺相对应的刻度值，14.0-14.5cm，15-16cm，16-17cm，17-19cm，19-24cm。通过用手摇升降底座7的摇把18，升降底座7内部的升降台8带动内衬上升，到达预设的标尺12刻度时，暂停摇动摇把18，将取样铲6的凹槽对准取样台5的平面的凸起导轨上，保证取样的平直，将取样铲6逐渐推入，推到内衬4的内壁时，再将取样铲6推出，作好取样铲6内样品的标记，此时取样铲6内的样品即为此深度的样品；若还需要下一个深度的样品，则可换一个取样铲6(避免污染)，取掉已推出的沉积物，再用手摇升降底座7的摇把18，直至到达预设的标尺12刻度时，暂停摇动摇把18，用换下的取样铲6的凹槽对准取样台5的平面的凸起导轨上，进行取样，作好取样铲6内样品的标记；若需要继续取样，重复以上操作即可。将取下不同深度的样品进行相对应的处理，通过Tessier连续萃取法测定重金属Cd形态分析，原子吸收光谱仪测定样品的金属Cd浓度，即可得到生物扰动对污染物在沉积物中分布影响。

本实验在培养至56天后,用注射器去除沉积物上溶液，用取样铲取出不同层次各组沉积物样品，取泥深度分别为0-0.5cm，0.5-1cm，1-2cm，2-3cm，3-5cm，5-10cm，对应使用高度为0.5cm，1cm，2cm，5cm的取泥铲，分别混匀各泥层，测定含水率、重金属Cd形态和重金属Cd含量，计算不同深度沉积物(干重)中重金属浓度，以便研究颤蚓密度对水/沉积物体系对重金属Cd浓度空间分布的影响(如图12所示)。结果显示无颤蚓组其重金属Cd主要分布在沉积物上表面1cm深度，且重金属Cd浓度没有降低，加上沉积物本身含有重金属Cd本底值，在深度0-0.5cm位置的Cd浓度大于初始浓度；而添加颤蚓组，在表层0-0.5cm深度Cd的浓度值均低于Cd初始浓度,且在深度2cm以下部位，Cd浓度值大于无颤蚓组。这进一步说明颤蚓的生物扰动能够降解重金属Cd的浓度，并且能够让重金属Cd在沉积物深处迁移，而在颤蚓密度0-120000int/m²范围内随着颤蚓密度的增加，对重金属Cd的降解和迁移效果越明显。