专利名称：一种利用分子离子谱判别环境中藻类暴发成因的方法
技术领域：
本发明涉及一种通过非损伤方式检测静态及动态分子离子谱，判别环境中藻类暴 发成因的方法，特别是涉及藻类在其真实生存环境中生理活动过程与环境因素关系信息的 光机电一体化技术，属于环境保护技术领域。
背景技术：
藻类是原生生物界的一类真核生物，主要水生，能进行光合作用。一些专家将藻类 归入植物，但藻类没有真正的根、茎、叶，也没有维管束，与传统意义上的植物不同。正常繁 殖的藻类在环境中具有重要的生态功能。但由于一些环境因素的改变，藻类可能出现大规 模不受节制的生长繁殖即暴发过程。藻类暴发时，严重威胁鱼类等其它水生生物的生存，造 成大量水生生物死亡。它们的尸体死后分解，消耗大量氧气，同时一些藻类还能分泌有毒物 质，这进一步加剧了水生生物的死亡过程。藻类暴发往往导致水体环境的生态灾难，如“赤 潮”等。近年来藻类暴发在世界各地的不同水域频繁发生，已成为威胁生态环境的重要因素 之一。判别藻类暴发成因是合理和有针对性的治理和防范藻类暴发的基础。通行的研究方 法难以将藻类真实生存环境中生理活动过程和环境因素直接联系起来，因而难以判别藻类 暴发的内在成因及主要环境影响因素，难于提出有针对性的高效防治措施，导致对藻类暴 发的防治存在效率低、成本高、工作量大、需要众多人员参与等缺点。离子/分子选择性电极是一种电化学传感器，可以配合扫描选择性电极技术以不 接触被测材料的非损伤方式测量进出被测材料离子/分子的信息，得到静态及动态分子离 子谱。近年来，随着离子/分子选择性电极种类的不断增多，电子线路技术和计算机硬件软 件技术的巨大发展，显微镜技术、成像技术得到了越来越广泛的应用，并与自动控制技术相 结合，给非损伤微测技术提供了一个良好的平台。但是，利用非损伤自动化微测原理得到的 静态及动态分子离子谱判别环境中藻类暴发成因的技术还未见报道。
发明内容
本发明提供一种通过非损伤方式检测静态及动态分子离子谱，判别环境中藻类暴 发成因的方法。不接触处于真实生存环境中藻类的前提下，以手动或编程的方式按照研究 人员的设定方便、快捷、三维地实时测量进出藻类表面且与藻类在环境中暴发成因相关的 离子/分子绝对浓度、流动速率及三维运动方向等参数，从而得到与藻类在环境中暴发成 因相关的静态及动态分子离子谱；该方法也可以采用多个电极测量多种离子/分子，能更 全面的获得进出藻类的离子和分子信息，提高了数据采集量；该方法对藻类样品无损伤，分 析准确性和分析效率高，节约人力财力成本。本发明的主要技术方案一种利用分子离子谱判别环境中藻类暴发成因的方法， 该技术系统包括离子/分子信息检测电极单元1、数据采集/放大系统2、显微成像系统3、 可编程三维运动系统4以及自动控制/数据处理系统5，其特征在于单个或多个具有选择 性或特异性的离子/分子电极置于真实生存环境中的藻类表面近距离处，采集其反馈的电压或电流信号等去噪、放大后经过数据分析软件分析得到进出藻类样品的多种离子/分子的绝对浓度、流动速率及三维运动方向等参数。根据测定的多种离子/分子的不同，相应的 多个离子/分子选择性电极1-2固定在三维步进电机4-2的机械臂上，自动控制/数据处 理系统5连接并控制电极运动控制器4-1，电极运动控制器4-1连接并控制三维步进电机 4-2，从而带动多个离子/分子选择性电极1-2在整个测量过程中进行三维的非接触测量， 多个离子/分子选择性电极1-2的引线与数据采集/放大系统2连接，各个离子/分子检 测信号经数据采集/放大系统输出到自动控制/数据处理系统5，自动控制/数据处理系统 5与显微成像系统3连接，电极运动控制器4-1还与显微成像系统3的显微镜3-1连接。藻类生物在自然界分布广泛，具有丰富的形态结构，并与其它生物一样，具有相对 固定的生存环境。上述的藻类形态结构，包括单细胞体、群体及多细胞体等。单细胞体指藻类只由一 个细胞构成，该细胞行使生命活动的全部功能。群体指藻类由许多单细胞聚集而成，但这些 细胞间没有紧密的生理联系。多细胞体指藻类由许多单细胞聚集而成，这些细胞间有非常 密切的生理联系甚至形成功能分化，构成不可分割的整体。多细胞体又分为丝状体、叶状体 等不同形态。上述的藻类生存环境，特指水生环境。既包括海洋咸水环境、湖泊咸水环境、河流 湖泊淡水环境等广域水环境，也包括局域水环境，如在潮湿陆地表面形成的局部水环境。本发明测试中将上述藻类样品放入其真实生存环境中，离子/分子选择性电极实 时测量进出藻类表面离子/分子的绝对浓度、流动速率及三维运动方向等参数，从而得到 与藻类在环境中暴发成因相关的静态及动态分子离子谱。这些谱图直接反映藻类在真实生 存环境中生理活动过程与环境因素关系的有效信息，通过计算机处理这些信息得出环境中 藻类暴发的成因。本发明的测量静态及动态分子离子谱的方法可以用于判别环境中藻类暴发成因。本发明的效果(1)方便、快捷、多维地实时测量藻类在其真实生存环境中与环境 因素有关的生理活动信息，如光合作用强度等；(2)测试信息能够准确的判别环境中藻类 暴发的成因，如光致暴发、营养物致暴发等；(3)对藻类样品无损伤，分析准确性及分析效 率高，节约人力财力成本。
图1为静态及动态分子离子谱技术系统的组成示意图。图2为暗-光转换时H+和O2流速变化的示意图。图3为光-暗转换时H+和O2流速变化的示意图。图2和图3中的横坐标代表时间，纵坐标代表流速。纵坐标绝对值的大小表示流 速的大小。大于O的纵坐标值表示外流，小于0的纵坐标值表示内流。H+和O2的纵坐标值 采用不同的标度。图4为浒苔不同发育阶段在不同光照强度下O2流速的变化曲线图。图中大于0的 纵坐标值表示外流，小于0的纵坐标值表示内流。
具体实施例方式下面用实施例对本发明进一步说明，但本发明不限于这一实施例。实施例本实施例以浒苔为例。浒苔，水生藻类植物，绿藻门石莼科的一属。2008年7月在 胶州湾海域大面积暴发，造成严重危害。将浒苔样品放入其生长海域的海水中，用离子/分子选择性电极实时测量进出浒 苔的有关离子/分子的信息。在黑暗环境中时，进出浒苔表面的H+和O2流变化很平缓；夕卜 加光强为536 μ mol/m2 · s的光照后，流出浒苔表面的O2急剧上升，而 H+则流入浒苔表面， 如图2所示。与之对应，撤去光照后，浒苔表面的O2外流迅速减弱，H+和O2流又转变为平 缓状态，如图3所示。暗-光和光-暗转变下浒苔表面离子分子流的变化表明在黑暗环境 中时，浒苔的光合作用和呼吸作用基本保持平衡；而在光照条件下，浒苔的光合作用急剧增 强，远远超过呼吸作用。在此基础上，采用选择性离子/分子电极测量不同发育阶段浒苔在不同光照强度 下O2外流的变化情况，发现浒苔幼苗和产孢子体的O2外流量较大，幼体的O2外流量相对较 小，而成体的O2外流量最小，如图4所示。此外，处在不同发育阶段的浒苔基本都是中等光 强下的O2外流量最大，光合作用最为强烈。综上可知，浒苔的暴发成因是一种典型的光致暴发。春夏之交日照时间逐步增长， 特别是清晨和傍晚中等光强的日照时间迅速增加，浒苔产孢子体强大的光合作用能力导致 其加速繁殖，而幼苗强大的光合作用能力导致其迅速生长。夏至前后长日照时间的积累造 成浒苔7月的大面积暴发。施加光合作用抑制剂或在春夏之交日照时间开始增长时提早防 治都可以遏制浒苔的暴发。
权利要求
一种利用分子离子谱判别环境中藻类暴发成因的方法，该技术系统包括离子/分子信息检测电极单元(1)、数据采集/放大系统(2)、显微成像系统(3)、可编程三维运动系统(4)以及自动控制/数据处理系统(5)，其特征是，单个或多个具有选择性或特异性的离子/分子电极置于真实生存环境中的藻类表面近距离处，采集其反馈的电压或电流信号，去噪、放大后经过数据分析软件分析得到进出藻类的多种离子/分子的绝对浓度、流动速率及三维运动方向等参数，根据测定的离子/分子的不同，相应的多个离子/分子选择性电极(1-2)固定在三维步进电机(4-2)的机械臂上，自动控制/数据处理系统(5)连接并控制电极运动控制器(4-1)，电极运动控制器(4-1)连接并控制三维步进电机(4-2)，从而带动多个离子/分子选择性电极(1-2)在整个测量过程中进行三维的非接触测量，多个离子/分子选择性电极(1-2)的引线与数据采集/放大系统(2)连接，各个离子/分子检测信号经数据采集/放大系统(2)输出到自动控制/数据处理系统(5)，自动控制/数据处理系统(5)还与显微成像系统(3)连接，电极运动控制器(4-1)还与显微成像系统(3)的显微镜(3-1)连接。
2.根据权利要求1所述的离子/分子选择性电极，其特征是，所述的离子/分子选择性 电极(1-2)根据测定的离子/分子来选定添加，可以是玻璃电极、金属电极、碳丝电极、光纤 电极、其他选择性电极或特异性电极。
3.根据权利要求1所述的的藻类，其特征是，所述藻类为水生藻类，可以是单细胞水生 藻类、多细胞水生藻类或其它类型的水生藻类。
4.根据权利要求1所述的藻类，其特征是，所述藻类的生存环境为水生环境，可以是海 洋环境、河流环境、湖泊环境或其它适合于藻类生存的水生环境。
5.根据权利要求1所述的利用分子离子谱判别环境中藻类暴发成因的方法，其特征 是，将所述的藻类样品放入其真实生存环境中，离子/分子选择性电极实时测量进出藻类 表面离子/分子的绝对浓度、流动速率及三维运动方向等参数，从而得到与藻类在环境中 暴发成因相关的静态及动态分子离子谱，这些谱图直接反映藻类在真实生存环境中生理活 动过程与环境因素关系的有效信息，通过计算机处理这些信息得出环境中藻类暴发的成 因。
全文摘要
本发明提供一种通过非损伤方式检测分子离子谱，判别环境中藻类暴发成因的方法。该技术系统包括离子/分子信息检测电极单元(1)、数据采集/放大系统(2)、显微成像系统(3)、可编程三维运动系统(4)以及自动控制/数据处理系统(5)。该方法在不接触处于真实生存环境中藻类的前提下，以手动或编程的方式按照研究人员的设定实时测量进出藻类表面离子/分子的绝对浓度、流动速率及三维运动方向等参数以得到与藻类在环境中暴发相关的分子离子谱，直接表征藻类在真实生存环境中的生理活动过程与环境因素的关系。该方法对藻类无损伤，数据采集全面，分析结果快速准确，能有效节约人力财力成本。
文档编号G01N27/416GK101858883SQ20091008174
公开日2010年10月13日 申请日期2009年4月9日 优先权日2009年4月9日
发明者许越 申请人:旭月(北京)科技有限公司