本發(fā)明涉及生物培養(yǎng)，具體是一種人工基質(zhì)上原位培養(yǎng)及收集周叢生物的裝置及培養(yǎng)基質(zhì)和改性多孔鈦酸鈣片狀載體的制備方法。

背景技術(shù)：

1、周叢生物普遍存在于濕地各類基質(zhì)的表面上，是濕地生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的重要生物指標(biāo)。目前，國內(nèi)外對周叢生物的研究大多以實(shí)驗(yàn)室封閉式培養(yǎng)及收集為主，側(cè)重研究不同環(huán)境因子(光照、ph、水流流速、基質(zhì)等)對周叢生物群落結(jié)構(gòu)的影響，以及周叢生物去除水體和土壤中污染物的機(jī)制等。

2、由于自然環(huán)境中周叢生物大多存在于水-土界面之間，環(huán)境中影響因素眾多，實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)難以模擬與自然環(huán)境相一致的周叢生物生長條件，所以實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)具有種類少、豐富度較低的特點(diǎn)，因此人為模擬自然環(huán)境培養(yǎng)的周叢生物不能夠完全替代原位環(huán)境下自然生長的周叢生物。自然環(huán)境中周叢生物可分為附石周叢生物、附木周叢生物、附植周叢生物，在使用工具采集自然周叢生物樣品中，由于周叢生物與自然基質(zhì)表面的貼合度較高，且普遍存在于水中，往往能夠采集到的生物量較少，采集不穩(wěn)定，因而單純使用工具采集難度較高。

3、目前已有在自然環(huán)境中原位培養(yǎng)周叢生物的裝置，其內(nèi)部為用于培養(yǎng)周叢生物的人工基質(zhì)，外部多為箱體結(jié)構(gòu)，可為周叢生物提供生長空間并與外界環(huán)境進(jìn)行水分養(yǎng)分等物質(zhì)交換，以達(dá)到富集培養(yǎng)自然環(huán)境條件下生長的周叢生。但是在培養(yǎng)過程中，水體泥沙等顆粒物或其他雜質(zhì)會進(jìn)入并沉淀于原位培養(yǎng)裝置中，從而導(dǎo)致培養(yǎng)得到的周叢生物往往出現(xiàn)難以完整收集、附著雜質(zhì)較多等情況，最終影響后續(xù)周叢生物的研究與應(yīng)用。

4、另外，目前周叢生物的培養(yǎng)基質(zhì)也存在以下幾點(diǎn)不足，一是使用的材料不環(huán)保，長期使用會產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)，或者使用的天然材料容易被降解，造成使用壽命比較短；二是一些比表面積比較小的材料，培養(yǎng)的周叢生物群落結(jié)構(gòu)單一，且性質(zhì)不穩(wěn)定，易造成脫落的現(xiàn)象，造成周叢生物生物量不高，活性不強(qiáng)，不能滿足周叢生物的研究和應(yīng)用需求；三是，培養(yǎng)基質(zhì)不能為周叢生物提供充足和長期的營養(yǎng)物質(zhì)，不能形成穩(wěn)定和多功能的微生物群落，更無法形成穩(wěn)態(tài)的微型生態(tài)系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種人工基質(zhì)上原位培養(yǎng)及收集周叢生物的裝置及培養(yǎng)基質(zhì)和改性多孔鈦酸鈣片狀載體的制備方法，克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，通過太陽能發(fā)電板以實(shí)現(xiàn)自動供能，以為水泵提供電力，進(jìn)而通過水泵能夠?yàn)橹軈采锏纳L保持固定流速的水流，通過收集器主體的可拆卸的功能，以方便對生長的周叢生物進(jìn)行收集，從而有效實(shí)現(xiàn)了原位培養(yǎng)與收集兩大功能。并通過將改性鈦酸鈣吸附載體片作為負(fù)載基體材料，并對其進(jìn)行鋇鐵氧體磁粉改性，通過形成磁場以加強(qiáng)周叢生物細(xì)菌在鈦酸鈣表面的初步吸附，以利于后續(xù)生物膜的穩(wěn)定生長；并通過將絲素蛋白涂刷于載體表面，以為周叢生物在載體上的生長持續(xù)提供有機(jī)碳和養(yǎng)分元素。

2、為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

3、一種人工基質(zhì)上原位培養(yǎng)及收集周叢生物的裝置，包括收集器主體，所述收集器主體前側(cè)面開設(shè)有放置槽口，所述放置槽口的左右兩側(cè)嵌接有可拆卸式圍板，所述放置槽口內(nèi)安裝有培養(yǎng)基質(zhì)，所述培養(yǎng)基質(zhì)外側(cè)設(shè)置有緩沖格柵，所述緩沖格柵兩端卡接在可拆卸式圍板內(nèi)側(cè)；

4、所述收集器主體后側(cè)面安裝有防護(hù)罩，所述防護(hù)罩內(nèi)部安裝有水泵，所述水泵的進(jìn)水端與進(jìn)水管路的一端相連接，所述進(jìn)水管路的另一端依次穿過防護(hù)罩和收集器主體且與放置槽口內(nèi)腔相連通；所述水泵的出水端與出水管路的一端相連接，所述出水管路的另一端延伸至防護(hù)罩外部。

5、優(yōu)選地，所述防護(hù)罩上方還安裝有太陽能發(fā)電板，所述太陽能發(fā)電板通過供電電路與水泵相連。

6、優(yōu)選地，所述防護(hù)罩中還安裝有ph計(jì)，所述ph計(jì)的檢測探頭依次穿過防護(hù)罩和收集器主體且位于放置槽口內(nèi)腔中，用于檢測放置槽口內(nèi)的水質(zhì)ph指標(biāo)。

7、優(yōu)選地，所述ph計(jì)的檢測探頭高于進(jìn)水管路。

8、優(yōu)選地，所述放置槽口左右兩側(cè)的內(nèi)壁上設(shè)置有嵌接槽，所述可拆卸式圍板插接到嵌接槽中；所述可拆卸式圍板內(nèi)壁設(shè)置有限位溝槽，所述緩沖格柵的兩端固定卡接在限位溝槽中。

9、優(yōu)選地，所述進(jìn)水管路包括一個進(jìn)水總管和多個進(jìn)水支管，所述進(jìn)水總管的一端與水泵的進(jìn)水端相連，所述進(jìn)水總管的另一端通過連通管與各個進(jìn)水支管的一端相連通，各個進(jìn)水支管的另一端沿收集器主體的水平軸向均勻排列且與放置槽口內(nèi)腔相連通，各個進(jìn)水支管均垂直于培養(yǎng)基質(zhì)設(shè)置且與培養(yǎng)基質(zhì)之間相隔一段距離。

10、優(yōu)選地，所述收集器主體的下方和防護(hù)罩的下方均分別安裝有至少兩個支撐柱。

11、優(yōu)選地，所述支撐柱包括固定柱和調(diào)節(jié)柱，所述固定柱的上端分別固定在收集器主體的下方和防護(hù)罩的下方，所述固定柱下端面沿軸向開設(shè)有調(diào)節(jié)孔，所述調(diào)節(jié)柱上端插接在安裝孔內(nèi)，所述固定柱的側(cè)面沿軸向均勻開設(shè)有多個外孔，所述調(diào)節(jié)柱的側(cè)面沿軸向均勻開設(shè)有多個內(nèi)孔，所述外孔與內(nèi)孔相互對應(yīng)，所述內(nèi)孔中設(shè)置有螺紋，螺絲依次穿過外孔和內(nèi)孔且通過螺紋與內(nèi)孔相連接固定。

12、優(yōu)選地，所述收集器主體和可拆卸式圍板均采用不銹鋼材質(zhì)制成；所述緩沖格柵采用聚氯乙烯材料制成。

13、優(yōu)選地，所述培養(yǎng)基質(zhì)為鈦酸鈣基緩釋培養(yǎng)基質(zhì)，其制備方法包括以下步驟：

14、步驟s1：配置復(fù)合培養(yǎng)液，所述復(fù)合培養(yǎng)液中含有的成分和濃度分別為：葡萄糖：360mg/l、乳酸鈉：3.50g/l、nh4cl：1.00g/l、k2hpo4：0.50g/l、mgcl2·6h2o：0.04g/l、cacl2·2h2o：0.04g/l、na2so4：1.50g/l；

15、步驟s2：將改性多孔鈦酸鈣片狀載體浸沒于復(fù)合培養(yǎng)液中，在25℃溫度下靜置至載體對養(yǎng)分吸附飽和；浸泡結(jié)束后取出負(fù)載養(yǎng)分的載體并自然晾干；

16、步驟s3：將15-25g絲素蛋白溶解于1.5-2.5l去離子水中，在80℃下攪拌40-50分鐘形成溶液，再向溶液中加入質(zhì)量百分濃度為2％的冰醋酸，以300rpm的轉(zhuǎn)速繼續(xù)保溫機(jī)械攪拌40-50分鐘后靜置，得到絲素蛋白緩釋溶液；

17、步驟s4：將步驟s3中的制得的絲素蛋白緩釋溶液均勻涂刷于步驟s2中所得負(fù)載養(yǎng)分的載體表面，40℃干燥處理；再重復(fù)涂刷和干燥步驟3-5次，最終制得附著有100-200μm厚絲素蛋白膜的鈦酸鈣基緩釋培養(yǎng)基質(zhì)。

18、優(yōu)選地，所述步驟s2中，改性多孔鈦酸鈣片狀載體的制備方法包括以下步驟：

19、步驟s21：將鈦酸鈣塊狀原料在90-100℃烘箱中充分干燥；

20、步驟s22：將干燥后向鈦酸鈣中加入無水乙醇，鈦酸鈣和無水乙醇的質(zhì)量體積比為5g:2ml，再以氧化鋯球?yàn)榍蚰ソ橘|(zhì)，在球磨罐內(nèi)以200r/min的轉(zhuǎn)速球磨12h；

21、步驟s23：將球磨得到的漿料放入80-90℃烘箱中烘干10-12h，并過100目篩得到鈦酸鈣粉末；

22、步驟s24：將鈦酸鈣粉末、fe(no3)3·9h2o和ba(no3)2按質(zhì)量比50:10:1同時溶于水中，機(jī)械攪拌完全溶解后，再使用氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)ph至9，持續(xù)攪拌進(jìn)行共沉淀3-7h；將沉淀物過濾并用去離子水洗滌至濾液ph＝7，再將濾膜上截留物烘干研磨，得到鋇鐵氧體改性鈦酸鈣粉末；

23、步驟s25：將步驟s24中得到的鋇鐵氧體改性鈦酸鈣粉末加入到質(zhì)量百分百濃度為30％的聚乙烯醇漿液中，鋇鐵氧體改性鈦酸鈣粉末和質(zhì)量百分百濃度為30％的聚乙烯醇漿液的質(zhì)量體積比為1g:5-10ml，70-90℃攪拌1-3h；再將上述混合液倒入在90℃預(yù)熱過的模具中成型，成型溫度-10～-20℃，成型時間20-30h；

24、步驟s26：將步驟s25所得到的成型片狀材料放入馬弗爐中150℃預(yù)燒30min，再以10℃/min升溫至1100℃煅燒8h，冷卻至室溫得到改性多孔鈦酸鈣片狀載體。

25、本發(fā)明還公開了一種培養(yǎng)基質(zhì)的制備方法，包括以下步驟：

26、步驟s1：配置復(fù)合培養(yǎng)液，所述復(fù)合培養(yǎng)液中含有的成分和濃度分別為：葡萄糖：360mg/l、乳酸鈉：3.50g/l、nh4cl：1.00g/l、k2hpo4：0.50g/l、mgcl2·6h2o：0.04g/l、cacl2·2h2o：0.04g/l、na2so4：1.50g/l；

27、步驟s2：將改性多孔鈦酸鈣片狀載體浸沒于復(fù)合培養(yǎng)液中，在25℃溫度下靜置至載體對養(yǎng)分吸附飽和；浸泡結(jié)束后取出負(fù)載養(yǎng)分的載體并自然晾干；

28、步驟s3：將15-25g絲素蛋白溶解于1.5-2.5l去離子水中，在80℃下攪拌40-50分鐘形成溶液，再向溶液中加入質(zhì)量百分濃度為2％的冰醋酸，以300rpm的轉(zhuǎn)速繼續(xù)保溫機(jī)械攪拌40-50分鐘后靜置，得到絲素蛋白緩釋溶液；

29、步驟s4：將步驟s3中的制得的絲素蛋白緩釋溶液均勻涂刷于步驟s2中所得負(fù)載養(yǎng)分的載體表面，40℃干燥處理；再重復(fù)涂刷和干燥步驟3-5次，最終制得附著有100-200μm厚絲素蛋白膜的鈦酸鈣基緩釋培養(yǎng)基質(zhì)。

30、優(yōu)選地，所述步驟s2中，改性多孔鈦酸鈣片狀載體的制備方法包括以下步驟：

31、步驟s21：將鈦酸鈣塊狀原料在90-100℃烘箱中充分干燥；

32、步驟s22：將干燥后向鈦酸鈣中加入無水乙醇，鈦酸鈣和無水乙醇的質(zhì)量體積比為5g:2ml，再以氧化鋯球?yàn)榍蚰ソ橘|(zhì)，在球磨罐內(nèi)以200r/min的轉(zhuǎn)速球磨12h；

33、步驟s23：將球磨得到的漿料放入80-90℃烘箱中烘干10-12h，并過100目篩得到鈦酸鈣粉末；

34、步驟s24：將鈦酸鈣粉末、fe(no3)3·9h2o和ba(no3)2按質(zhì)量比50:10:1同時溶于水中，機(jī)械攪拌完全溶解后，再使用氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)ph至9，持續(xù)攪拌進(jìn)行共沉淀3-7h；將沉淀物過濾并用去離子水洗滌至濾液ph＝7，再將濾膜上截留物烘干研磨，得到鋇鐵氧體改性鈦酸鈣粉末；

35、步驟s25：將步驟s24中得到的鋇鐵氧體改性鈦酸鈣粉末加入到質(zhì)量百分百濃度為30％的聚乙烯醇漿液中，鋇鐵氧體改性鈦酸鈣粉末和質(zhì)量百分百濃度為30％的聚乙烯醇漿液的質(zhì)量體積比為1g:5-10ml，70-90℃攪拌1-3h；再將上述混合液倒入在90℃預(yù)熱過的模具中成型，成型溫度-10～-20℃，成型時間20-30h；

36、步驟s26：將步驟s25所得到的成型片狀材料放入馬弗爐中150℃預(yù)燒30min，再以10℃/min升溫至1100℃煅燒8h，冷卻至室溫得到改性多孔鈦酸鈣片狀載體。

37、本發(fā)明還公開了一種改性多孔鈦酸鈣片狀載體的制備方法，包括以下步驟：

38、步驟s21：將鈦酸鈣塊狀原料在90-100℃烘箱中充分干燥；

39、步驟s22：將干燥后向鈦酸鈣中加入無水乙醇，鈦酸鈣和無水乙醇的質(zhì)量體積比為5g:2ml，再以氧化鋯球?yàn)榍蚰ソ橘|(zhì)，在球磨罐內(nèi)以200r/min的轉(zhuǎn)速球磨12h；

40、步驟s23：將球磨得到的漿料放入80-90℃烘箱中烘干10-12h，并過100目篩得到鈦酸鈣粉末；

41、步驟s24：將鈦酸鈣粉末、fe(no3)3·9h2o和ba(no3)2按質(zhì)量比50:10:1同時溶于水中，機(jī)械攪拌完全溶解后，再使用氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)ph至9，持續(xù)攪拌進(jìn)行共沉淀3-7h；將沉淀物過濾并用去離子水洗滌至濾液ph＝7，再將濾膜上截留物烘干研磨，得到鋇鐵氧體改性鈦酸鈣粉末；

42、步驟s25：將步驟s24中得到的鋇鐵氧體改性鈦酸鈣粉末加入到質(zhì)量百分百濃度為30％的聚乙烯醇漿液中，鋇鐵氧體改性鈦酸鈣粉末和質(zhì)量百分百濃度為30％的聚乙烯醇漿液的質(zhì)量體積比為1g:5-10ml，70-90℃攪拌1-3h；再將上述混合液倒入在90℃預(yù)熱過的模具中成型，成型溫度-10～-20℃，成型時間20-30h；

43、步驟s26：將步驟s25所得到的成型片狀材料放入馬弗爐中150℃預(yù)燒30min，再以10℃/min升溫至1100℃煅燒8h，冷卻至室溫得到改性多孔鈦酸鈣片狀載體。

44、本發(fā)明提供了一種人工基質(zhì)上原位培養(yǎng)及收集周叢生物的裝置。具備以下有益效果：

45、1、通過太陽能發(fā)電板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，不需要外加電源，為水泵提供電力，以實(shí)現(xiàn)水力流動，為周叢生物生長創(chuàng)造條件。

46、2、通過緩沖格柵可使培養(yǎng)基質(zhì)能夠完全限定在放置槽口內(nèi)部，以避免培養(yǎng)基質(zhì)受水流沖刷而受破損問題，并也能夠?qū)^大粒徑的物質(zhì)進(jìn)行格擋，以有效防止其他雜物附著在培養(yǎng)基質(zhì)上或者對培養(yǎng)基質(zhì)造成損壞而影響周叢生物的生長，同時可以緩沖流速較大的水流。

47、3、通過設(shè)置可自由拆卸的可拆卸式圍板和緩沖格柵，從而方便對生長的周叢生物進(jìn)行收集，繼而有效實(shí)現(xiàn)了原位培養(yǎng)與收集兩大功能。

48、4、通過設(shè)置支撐柱，可根據(jù)環(huán)境地勢調(diào)整裝置整體的傾斜度以保持水平的狀態(tài)。

49、5、通過將改性鈦酸鈣吸附載體片作為培養(yǎng)基質(zhì)中n和p等養(yǎng)分的負(fù)載基體材料，對其進(jìn)行鋇鐵氧體磁粉改性，通過形成磁場以加強(qiáng)周叢生物細(xì)菌在鈦酸鈣表面的初步吸附，以利于后續(xù)生物膜的穩(wěn)定生長；同時，鈣可作為細(xì)胞膜中磷酸根和蛋白質(zhì)羧基間聯(lián)系的橋梁，可以維持周叢生物膜的結(jié)構(gòu)，形成穩(wěn)定的微型生態(tài)系統(tǒng)。

50、6、通過將絲素蛋白涂刷于載體表面，以形成一層具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的緩釋膜，為周叢生物在載體上的生長持續(xù)提供有機(jī)碳和養(yǎng)分元素。同時，絲素蛋白還具有良好的生物相容性、細(xì)胞粘附性和機(jī)械強(qiáng)度，有利于周叢生物的附著生長和鈦酸鈣載體的穩(wěn)定性。