海洋海气界面气溶胶微生物的原位培养装置及收集方法

摘要

本发明属于海洋气溶胶微生物培养和收集技术领域，公开了一种海洋海气界面气溶胶微生物的原位培养装置及收集方法，制透光微生物培养槽，特制透光培养槽盖，可调节角度的培养槽固定部件，多层可调高度的培养架，气溶胶收集器，气溶胶微生物收集瓶可自由组合用于收集及原位培养海气界面气溶胶微生物，海面风浪监测部件，温湿度监测部件，气压、气体成分检测部件用于实时监测海气界面的环境参数。本发明可以兼顾多种复杂海洋环境，多效组合装置用于收集或是原位培养气溶胶微生物，可以用来研究各种海气界面的微生物种类鉴定，区域分布及微生物传播特征等，未来还有希望运用于海滨浴场的传染病原体监测及海洋微生物传播的预报等。

说明书

技术领域

本发明属于海洋气溶胶微生物培养和收集技术领域，尤其涉及一种海洋海气界面气溶胶微生物的原位培养装置及收集方法。

背景技术

目前：海洋衍生的空气传播微生物在地球气候系统和人类健康中扮演着重要角色，“海洋—大气”气溶胶微生物的传播和存活可能受到颗粒大小、相对湿度、温度、环境组成等的影响，但对控制微生物从海洋到大气传播的因素知之甚少。由于海洋覆盖了地球71％的面积，并包含了世界上60-90％的原核生物，因此，海洋气溶胶是一个重要的但在很大程度上尚未被研究的空气传播细菌和病毒来源。现在对海洋气溶胶的微生物种类，分布丰度和传播方式等缺乏相关的技术手段进行检测和评估。现缺乏“海洋—大气”界面气溶胶微生物的研究手段，并未有关于海洋气溶胶微生物相关的装置和技术，主要原因在于，现阶段我们对海洋微生物的重要性认识不够全面，特别是对于一些特殊或者极端环境下的海洋气溶胶微生物缺乏必要的研究手段，以致于我们长期对这类微生物在自然界中的存在没有进行广大的证实和报道，未能引起大众和科研人员的关注。然而，当前，人们对疫情防控和生物安全的意识已经上升到前所未有的高度，有必要加强和深入海洋气溶胶微生物领域的技术储备，以应对未来的不时之需。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术缺乏“海洋—大气”界面气溶胶微生物的研究手段，并未有关于海洋气溶胶微生物相关的装置和技术。

解决以上问题及缺陷的难度为：海洋气溶胶微生物的生存环境条件复杂，现在所能观测或者检测的环境参数较为有限，甚至，有许多海洋气溶胶微生物的生存法则已经超出我们现有知识水平。所以，我们很难在现有实验室条件下充分的模拟“海洋—大气”界面的气溶胶环境进行微生物的培养。传统的通过收集后再移到实验室或者培养箱的方法，也只能培养或者复苏一小部分的海洋气溶胶微生物种群，这是目前我们认识和研究海洋气溶胶微生物最大的技术缺陷。

解决以上问题及缺陷的意义为：为最大限度的解决上述问题和技术缺陷，本发明提出通过海洋海气界面气溶胶微生物的原位培养装置及收集方法，充分利用现实的海洋气溶胶环境条件进行微生物的培养和收集。可较大幅度提高培养海洋气溶胶微生物种群和进行微生物收集的效率，可以未来我们对海洋气溶胶的微生物种类，分布丰度和传播方式的检测和评估提供更加有力的技术支持。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种海洋海气界面气溶胶微生物的原位培养装置及收集方法。

本发明是这样实现的，一种海洋海气界面气溶胶微生物的原位培养装置，所述海洋海气界面气溶胶微生物的原位培养装置设置有：

浮筏搭载平台；

特制透光微生物培养槽，特制透光培养槽盖，可调节角度的培养槽固定部件，多层可调高度的培养架，气溶胶收集器，气溶胶微生物收集瓶，海面风浪监测部件，温湿度监测部件均呈开放式固定在浮筏搭载平台上；

特制透光微生物培养槽，特制透光培养槽盖，可调节角度的培养槽固定部件，多层可调高度的培养架，气溶胶收集器，气溶胶微生物收集瓶可自由组合用于收集及原位培养海气界面气溶胶微生物，海面风浪监测部件，温湿度监测部件，气压、气体成分检测部件用于实时监测海气界面的环境参数。

进一步，所述可调节角度的培养槽固定部件位于浮筏搭载平台四周的边缘，所述的制透光微生物培养槽通过固定部件连接，制透光微生物培养槽自带刻度标尺。

进一步，所述制透光微生物培养槽盖用于封闭培养槽内的固体培养基。

进一步，所述根多层可调高度的培养架固定于浮筏搭载平台的四角上。

进一步，所述多层可调高度的培养架底部为大尺寸内径筛网，固体培养平板可倒扣在培养架上；多层可调高度的培养架自带刻度标尺，自由组合根据需要设置不同高度。

进一步，所述气溶胶收集器固定于搭载平台的四面，用于收集四个方位的气溶胶微生物；气溶胶收集器呈喇叭口状，底部有导管连接气溶胶微生物收集瓶；

所述气溶胶微生物收集瓶由封闭的无菌收集瓶，设有进去导管和出去导管，收集瓶内装有无菌水用于沉降微生物颗粒，或者装有液体培养基用于原位培养气溶胶微生物；

所述气溶胶收集器由自带刻度标尺支撑架固定，自由组合根据需要设置不同高度。

进一步，海面风浪监测部件，温湿度监测部件，气压、气体成分检测部件、锚泊部件均设于浮筏搭载平台上，用于实时监测所在区域与气溶胶微生物相关的环境参数，包括风向、风速、浪高、温度、湿度、气压、气体成分。

本发明的另一目的在于提供一种所述海洋海气界面气溶胶微生物的原位培养装置的收集方法，所述收集方法包括：

第一步，将特制透光微生物培养槽、多层可调高度的培养架、气溶胶收集器和气溶胶微生物收集瓶等按上述的搭载方式，呈对称开放的搭载于浮筏和搭载平台的四个方位；

跌入，浮筏搭载平台和装置可移动运输远海和近海，通过锚固定于海面，进行远海和近海海面的气溶胶微生物的监测评估。

本发明的另一目的在于提供一种海气界面的微生物种类鉴定、区域分布及微生物传播特征的方法，所述海气界面的微生物种类鉴定、区域分布及微生物传播特征的方法使用所述海洋海气界面气溶胶微生物的原位培养装置。

本发明的另一目的在于提供一种海滨浴场的传染病原体监测及海洋微生物传播的预报方法，所述海滨浴场的传染病原体监测及海洋微生物传播的预报方法使用所述海洋海气界面气溶胶微生物的原位培养装置。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明的可调节角度的培养槽固定部件位于浮筏搭载平台四周的边缘，制透光微生物培养槽通过固定部件连接，制透光微生物培养槽自带刻度标尺，呈倒扣并与海水界面保持一定角度，可自下而上，以不同高度的原位培养海气界面微生物。所述的制透光微生物培养槽盖可用于封闭培养槽内的固体培养基，方便于携带，减少运输过程的染及后期室内封闭培养等。

本发明的多层可调高度的培养架固定于浮筏搭载平台的四角上；多层可调高度的培养架底部为大尺寸内径筛网，微生物等颗粒可以自由通过筛网，固体培养平板可倒扣在培养架上；多层可调高度的培养架自带刻度标尺，可以自由组合根据需要设置不同高度，可自下而上，以不同高度的原位培养海气界面微生物。

本发明的气溶胶收集器固定于搭载平台的四面，用于收集四个方位的气溶胶微生物。气溶胶收集器呈喇叭口状，底部有导管连接气溶胶微生物收集瓶。所述的气溶胶微生物收集瓶由封闭的无菌收集瓶，设有进去导管和出去导管，收集瓶内装有无菌水用于沉降微生物颗粒，或者装有液体培养基用于原位培养气溶胶微生物。所述的气溶胶收集器由自带刻度标尺支撑架固定，可以自由组合根据需要设置不同高度，可自下而上，以不同高度的收集或者原位培养海气界面微生物。

本发明可以兼顾多种复杂海洋环境，多效组合装置用于收集或是原位培养气溶胶微生物，可以用来研究各种海气界面的微生物种类鉴定，区域分布及微生物传播特征等，未来还有希望运用于海滨浴场的传染病原体监测及海洋微生物传播的预报等。本发明可以有效的对不同高度海气界面的微生物进行原位培养，并实现海气界面不同高度空间区域的微生物收集，可填补海洋气溶胶微生物相关装置和方法的空白。后续可利用流式细胞仪和高通量DNA测序技术进一步较为系统的表征海气界面不同区域单元的微生物种类、大小分布、丰度表征，助于研究阐明海洋气溶胶化机制影响微生物和病毒传播方式，填补了海洋气溶胶微生物相关装置和方法的空白。

本发明搭建了可进行气溶胶微生物原位培养的多种方式。综合考虑到海面风向和浪高两个因素对气溶胶微生物的原位培养干扰最为明显，本发明所采用装置同时朝四个方向呈开发式搭载，可以有效消除风浪干扰的影响。现实运用中，可以依据不同的海洋环境条件，自由组合、相互搭配使用，可较系统全面的实现海气界面气溶胶微生物的培养。本发明所采用的浮筏搭载方式，便于移动运输，安装简单，操作简便，可运用于远海和近海的海洋气溶胶微生物的监测评估，填补海洋气溶胶微生物相关装置和方法的空白，值得推广。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的海洋海气界面气溶胶微生物的原位培养装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的海洋海气界面气溶胶微生物的原位培养装置的收集方法流程图。

图3是本发明实施例提供的特制透光微生物培养槽及特制透光培养槽盖示意图；

图中：A立体图；B正视图。

图4是本发明实施例提供的多层可调高度的培养架示意图；

图中：A立体图；B正视图。

图5是本发明实施例提供的气溶胶收集器和气溶胶微生物收集瓶示意图；

图6是本发明实施例提供的特制透光微生物培养槽的搭载方式示意图；

图7是本发明实施例提供的多层可调高度的培养架的搭载方式示意图；

图8是本发明实施例提供的气溶胶收集器和气溶胶微生物收集瓶的搭载方式示意图；

图9是本发明实施例提供的海洋赤潮爆发相关的气溶胶细菌和病毒的检测示意图；

图中：1、特制透光微生物培养槽；2、特制透光培养槽盖；3、带刻度标尺支撑架；4、大尺寸内径筛网；5、倒扣的装有固体培养基的培养皿；6、喇叭口状的收集器；7、带刻度标尺支撑架；8、进气导管；9、出气导管；10、封闭的收集瓶；11、用于沉降微生物的无菌水或者液体培养基；12、装收集瓶的样品盒；13、风速及风向测量仪；14、搭载的浪高、温度、湿度、气压、气体成分测量仪器部件；15、搭载的特制透光微生物培养槽；16、搭载平台；17、浮筏；18、锚；19、搭载的多层可调高度的培养架；20、搭载的气溶胶导入部件和气溶胶微生物收集部件。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种海洋海气界面气溶胶微生物的原位培养装置及收集方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1、图3-图8所示，本发明提供的海洋海气界面气溶胶微生物的原位培养装置包括：特制透光微生物培养槽1、特制透光培养槽盖2、带刻度标尺支撑架3、大尺寸内径筛网4、倒扣的装有固体培养基的培养皿5、喇叭口状的收集器6、带刻度标尺支撑架7、进气导管8、出气导管9、封闭的收集瓶10、用于沉降微生物的无菌水或者液体培养基11、装收集瓶的样品盒12、风速及风向测量仪13、搭载的浪高、温度、湿度、气压、气体成分测量仪器部件14、搭载的特制透光微生物培养槽15、搭载平台16、浮筏17、锚18、搭载的多层可调高度的培养架19、搭载的气溶胶导入部件和气溶胶微生物收集部件20。

特制透光微生物培养槽1与特制透光培养槽盖2配套连接，构成搭载的特制透光微生物培养槽15。带刻度标尺支撑架3与大尺寸内径筛网4固定连接，用于盛放倒扣的装有固体培养基的培养皿5，并构成搭载的多层可调高度的培养架19。喇叭口状的收集器6连接进气导管8和出气导管9一端，进气导管8和出气导管9另一端连接于封闭的收集瓶10，用于沉降和收集获得微生物。多个不同高度的喇叭口状的收集器6用带刻度标尺支撑架7固定，多个封闭的收集瓶10用装收集瓶的样品盒12进行固定，共同构成搭载的气溶胶导入部件和气溶胶微生物收集部件20。以上搭载的特制透光微生物培养槽15，搭载的多层可调高度的培养架19和搭载的气溶胶导入部件和气溶胶微生物收集部件20等分布固定或者连接于搭载平台16的四个方位。风速及风向测量仪13，搭载的浪高、温度、湿度、气压、气体成分测量仪器部件14等固定或连接于搭载平台16上用于实时监测海洋气溶胶环境参数。搭载平台16与浮筏17和锚18连接，用于浮筏搭载平台和装置的移动和运输。

并已搭载其他全部检测部件，包括风速及风向测量仪13，浪高、温度、湿度、气压、气体成分测量仪器部件14等。

如图2所示，本发明提供的海洋海气界面气溶胶微生物的原位培养装置的收集方法包括以下步骤：

S201：将特制透光微生物培养槽、多层可调高度的培养架、气溶胶收集器和气溶胶微生物收集瓶等按上述的搭载方式，呈对称开放的搭载于浮筏和搭载平台的四个方位；

S202：浮筏搭载平台和装置可移动运输远海和近海，通过锚固定于海面，进行远海和近海海面的气溶胶微生物的监测评估。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。

如图1所示，本发明实施例中涉及的海洋海气界面气溶胶微生物原位培养及收集装置的工作状态，并已搭载其他全部检测部件，包括风速及风向测量仪13，浪高、温度、湿度、气压、气体成分测量仪器部件14等。将特制透光微生物培养槽、多层可调高度的培养架、气溶胶收集器和气溶胶微生物收集瓶等按上述的搭载方式，呈对称开放的搭载于浮筏和搭载平台的四个方位，装置布局方式不受此限制。现实运用中，可以依据不同的海洋环境条件，自由组合、相互搭配使用。浮筏搭载平台和装置可移动运输远海和近海，通过锚固定于海面，进行远海和近海海面的气溶胶微生物的监测评估。装置中涉及的多种微生物气溶胶培养和收集装置，各有优点，可以相互弥补，以最全面系统的实现海气界面气溶胶微生物的培养。

如图3所示，本发明实施例中涉及的特制透光微生物培养槽1及特制透光培养槽盖2部分，其采用透明钢化玻璃或者耐高温塑料制成，规格200×5.0×1.0cm，但不限于此规格，培养槽带有刻度标尺。将普通海水固体培养基(如2216E培养基)高压灭菌后，待冷却至50℃，倒于特制培养槽内，制成长条状的海气界面微生物培养基，凝固后盖上特制透光培养槽盖，封闭后可方便携带，在后期室内微生物培养过程中可减少污染。

如图4所示，本发明实施例中涉及的多层可调高度的培养架，由3根带刻度标尺架支撑3，可根据需要调节、设置不同高度和层数，如设置6层，每层高度为20cm。每层嵌入大尺寸内径筛网4，筛网直径大小为16cm，规格为10目，但不限于此规格，规格要求只要不影响气溶胶微生物和颗粒的流动即可。将普通海水固体培养基(如2216E培养基)平板5，如直径9cm的培养皿倒扣在筛网内，即可进行气溶胶微生物培养。

如图5所示，本发明实施例中涉及的气溶胶收集器和气溶胶微生物收集瓶。喇叭口状的收集器6采用塑料材质，可采用圆形(如直径20cm)或者正方形口径，(如大小20×20cm)，深度约15cm，但不限于此规格。为分别收集多个高度的气溶胶颗粒，喇叭口状的收集器可多个叠加使用，并用带刻度标尺支撑架7进行固定。气溶胶微生物由封闭的收集瓶10收集，收集瓶内装有无菌水用于沉降微生物，或者液体培养基进行微生物培养。收集瓶设有进气口和出气口，其中进气口通过进气导管8与喇叭口状的收集部件底部连接。多个收集瓶收置于样品盒内12，并固定于搭载平台。

如图6所示，本发明实施例中涉及的特制透光微生物培养槽的搭载方式，倒扣的培养槽通过夹具固定在浮筏搭载平台16的边缘，并保持与海面呈一定角度。为了便于换算与海面的高度，可以为45°或者30°等，但不限于此角度。经原位培养48小时后，取回微生物培养槽，封闭后，如有必要可在特定温度继续培养1-2天，可直接在显微镜下观察微生物菌落，并计算对应高度的微生物菌落数。随机挑取微生物菌落进行菌种的鉴定。

如图7所示，本发明实施例中涉及的多层可调高度的培养架的搭载方式，将设置好的多层培养架固定在浮筏搭载平台16的四角，并尽可能靠近海面的位置。固定好后，将普通海水固体培养基(如2216E培养基)平板倒扣与每层的筛网内，经原位培养48小时后，取回微生物培养皿，封闭后，如有必要可在特定温度继续培养1-2天，可直接在显微镜下观察微生物菌落，并用菌落数计数器进行菌落计算。随机挑取微生物菌落进行菌种的鉴定。

如图8所示，本发明实施例中涉及的气溶胶收集器和气溶胶微生物收集瓶的搭载方式。将设置好的多层气溶胶收集器固定在浮筏搭载平台16的四面，并尽可能靠近海面的位置，用于尽可能定点收集四个方向的气溶胶微生物，减少因为风浪所带来的干扰。固定好后，收集瓶内装有无菌水用于沉降微生物。经原位收集48小时后，取回各个高度的气溶胶微生物收集瓶，过滤后，可直接上机流式细胞仪进行分析气溶胶微生物细胞大小及个数分布。也可提取总DNA后进行高通量测序，进一步对气溶胶微生物种类和基因进行分析研究。

上述的特制透光微生物培养槽15，搭载的多层可调高度的培养架19和搭载的气溶胶导入部件和气溶胶微生物收集部件20等还可以但不限于固定在滨海湿地、海岸沙滩、河流、湖面等位置以及陆地等其他设施，进行气溶胶微生物的原位培养和收集。除此之外，本发明的涉及的其他装置还可以固定连接在船舶，观测站或者检测塔等设施，用于临时或者实时的进行海洋气溶胶微生物的数据监测。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。

实施例一，海洋赤潮爆发相关气溶胶微生物的监测与赤潮的预警。

海洋赤潮爆发时，导致海水中某些浮游植物、细菌和病毒呈爆发性增殖或高度聚集，而引起水质的变化，对海洋渔业的重点灾害，目前对赤潮的监测与赤潮的技术也相关欠缺。利用本发明用本发明的气溶胶微生物收集装置进行赤潮气溶胶细菌和病毒的收集，同时采集赤潮表层海水进行比较。然后提取总DNA后进行高通量测序，进一步分析于赤潮相关的细菌和病毒种类和基因。分析结果如图9所示，表明赤潮表层海水与赤潮气溶胶细菌和病毒在物种分类和丰度上有较高的一致性，因此通过本发明的装置进行赤潮气溶胶细菌和病毒的收集在一定程度上可以体现赤潮海水的微生物状态。此外，我们发现通过监测赤潮爆发相关气溶胶微生物动态变化比监测表层海水更具有提前性，能提前发现气溶胶微生物种群的时空变化，因此未来有望利用本发明的装置可以用于赤潮的预警，在渔业上生产和病害检测中具有应用价值。

实施例二，海滨浴场白色念珠菌的原位培养与检疫应用。

白色念珠菌是常见的病原菌，可造成正常人口腔，上呼吸道，肠道及阴道感染，容易对机体免疫功能或一般防御力下降的人群引起疾病。通过对海滨浴场A和B进行气溶胶的原位培养和采集，A、B浴场分别设置6个采集点。利用本发明的3个装置进行气溶胶白色念珠菌原位培养，培养效率的分析结果，见表一，以气溶胶微生物收集装置的培养效率最高(浴场A和B的平均值分别为544.7和230CFU)>特制透光微生物培养槽装置的培养效率(浴场A和B的平均值分别为320.7和96CFU)>可调高度的培养皿装置(浴场A和B的平均值分别为284.3和89.5CFU)。经过浴场A和B的比较，3个装置均指出白色念珠菌在浴场A的丰度均显著高于浴场B，认为海滨浴场A可能存在较高的白色念珠菌的感染风险。应用本发明的装置可以提醒海滨浴场A的人群做好适当防护，并建议加强浴场卫生的清洁和消毒工作。

表一，海滨浴场A，B的气溶胶白色念珠菌的采集培养与CFU结果

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。