鱼类呼吸在线观测系统

 
 
鱼类与水生生物呼吸在线观测系统是由丹麦奥尔堡大学和哥本哈根大学研制的世界上最著名、最为广泛应用的水生生物特别是鱼类呼吸测量仪器，主要用于鱼类、水生无脊椎动物、鱼卵及其胚胎乃至浮游生物的耗氧量测量，同时还可以配置CO2传感器和PH计以测量CO2排放、PH值等，与摄像头和行为分析软件配合进行行为轨迹观测分析等。广泛应用于海洋淡水鱼类等水生生物生态学、水体环境毒理学、水产养殖、鱼类行为生理生态、水生动物发育生态及水族箱等研究。右下图为幼体虹鳟鱼的呼吸代谢测量，可以看出，在开始时由于处理鱼时造成的应急反应，耗氧量很高，随后即达到一个较低的平稳水平——相当于其基础代谢率。从图中还可以看出，本系统有很高的时间解析度，可以反应突然的耗氧量变化。

鱼类与水生生物呼吸观测系统采用“间歇式”测量原理，集合了“开放式”（实时测量）和“封闭式”（测量简单但精度差）的优点，同时又克服了开放式测量时间解析度差、封闭式不能连续长时间测量等缺点。“间歇式”测量的呼吸室放置在水浴槽（周边水体）内，循环泵可以确保呼吸室内水体的均一并保证有足量的水体流经传感器，而水体交换泵可以使周边水体与呼吸室内水体进行交换。测量时水体交换泵关闭（呼吸室类似封闭式），然后由计算机控制开启交换泵，周边水体被泵入呼吸室从而使氧气水平达到测量前的水平。整个过程分3个步骤：测量、水体交换、等待，测量时循环泵开启，水体交换时交换泵开启循环泵关闭，等待时交换泵关闭循环泵开启，每10分钟即可测量1次。如此以来，象“开放式”一样，实验可以无限期地进行下去，从而进行长时间的实验分析监测。在每个测量期，由于动物的呼吸耗氧，溶解氧浓度随着测量时间的延长而降低并呈直线相关关系，动物耗氧率（每小时每公斤体重消耗的毫克氧气）等于相关曲线的斜率乘以呼吸室的静体积除以动物的体重。
 
功能特点：
 

• “间歇式”测量，在线即时观测溶解氧及鱼类等水生生物的呼吸率（耗氧率）
• 有一通道、四通道、八通道测量系统可供选择，多通道系统可同时测量多条鱼或其它水生生物的呼吸代谢情况，以便设计梯度对照实验等
• 可在线测量氨浓度及排氨率（选配）
• 可在线测量调控水体温度、溶解氧、pH/CO2、盐度等环境因子（选配），并测量分析环境因子与呼吸率的关系
• 可同时在线测量观测自然水体呼吸（藻类及细菌等）和鱼类呼吸
• 可选配静态呼吸室或游泳呼吸室，以便测量观测鱼类在静态条件下的基础呼吸代谢率及在不同游泳速度的情况下的呼吸代谢率
• 可根据实验研究及经费预算情况选配原电池氧电极传感器或光纤荧光氧传感器
• 可选配行为观测配件以观测研究鱼类的行为，包括活动时间与非活动时间、运行速度、加速度、移动距离、活动方向、活动取向、在某一区域的逗留时间、在某一区域的出现次数及对兴趣点的接触次数等

 
配置方案：
 
系统主要包括数据采集及分析单元、O₂等测量单元、水环境控制单元、呼吸室及其它配件或备选件。根据需求，有单通道、4通道、8通道及更多通道测量系统，可以同时连接多个呼吸室以测量多个动物的呼吸代谢情况。根据溶解氧传感器的不同，又有原电池氧电极传感器组成的系统和光纤荧光氧气传感器组成的系统两种。
 

• 原电池氧电极技术：适于50g以上的鱼类呼吸测量及水环境溶解氧控制，具体有1通道、4通道、8通道供选择

 

• 光纤荧光传感器技术：高精度高稳定性，可用于鱼卵、昆虫、蚌类、螃蟹、鱼类乃至水体藻类呼吸测量，具体有1通道、4通道、8通道供选择

 
呼吸室有微型呼吸室、各种静态呼吸室和游泳室（活动呼吸室）等：
 微型呼吸室                 斑马鱼呼吸室              蚌类及螃蟹呼吸室
 
静态呼吸室测量
 

游泳室测量
 
技术性能指标

1）、数据采集和分析单元：包括主机和软件，主机有数据采集和继电控制作用，为8通道（同时对8个静态呼吸室的鱼进行测量实验），USB接口，与计算机连接使用，主要性能指标如下：

• 可以接光纤荧光氧气传感器或原电池氧电极；
• 程序控制水体交换泵的开启时间
• 实时记录显示呼吸室内O2随时间的变化；
• 实时记录显示周边水体（水浴槽）O2随时间变化；
• 实时记录耗氧率随时间的变化；
• 自动计算显示平均耗氧量、相关系数R²；
• 实施记录显示温度随时间的变化；
• 解析度16bit，模拟输出6 x 0-5VDC
• 测量数据自动储存成Excel文档和所有原始数据的txt文档
• 重量1.4kg，大小21x20x74cm。

2）、O2等测量单元：O2传感器有光纤氧气传感器、原电池氧电极供选配。

• 荧光光纤氧气传感器具有很高的时空分辨率，但价格昂贵。检测极限可达15ppb，可在线测量水体和空气中的氧气，可长期在线监测，稳定性极强，响应时间小于1秒。对于小型鱼类及其它微小生物、需要高分辨率的实验等情况下必须选择此类传感器；具体性能指标： Mini型荧光光纤氧传感器， Mini光纤氧探头外径2.8mm，内径2.0mm，被覆有光隔离材料以避免生物自发光造成的干扰，因而可以测量藻类等（有叶绿素荧光）具有内部自发光的生物耗氧；零氧耗、高稳定性，响应时间快于6秒（气相测量）；可测量液相和气相氧浓度，测量范围0-50%空气氧、0 - 22.5 mg/L，测量极限0.15 %空气氧、15 ppb溶解氧；氧浓度在线温度补偿，不受电磁信号干扰
• 原电池氧电极价格低，但精度也低，需要一些维护措施和校对，具温度补偿，测量精度好于±1％，响应时间低于20秒时间，一般在传感器和数采中间加一个前置放大器配合使用；

3）、水环境控制模块包括水温监测控制系统、氧气监测与调节系统及CO2/pH监测与控制系统等，每个监测控制系统又有单通道和4通道供选配。

• 水温监测控制系统包括控制器主机、温度传感器、潜水泵、不锈钢撒热旋管等；Pt100温度传感器，测量范围-200°C至850°C；Eheim潜水泵；温度调控范围-20°C 至 60°C ，最大功耗3.5瓦，响应时间1-60妙，精度优于0.2°C
• 氧气监测与调节系统包括控制器主机、原电池氧电极、螺线阀等；原电池氧电极，测量范围0-200%；响应时间0.4-60妙，精度读数的0.1%，最大功耗3.5瓦。系统通过程控螺旋阀加氧或加氮以控制水质处于过氧或缺氧状态
• CO2/pH监测控制系统包括控制器主机、pH机、螺旋阀、气石及CapCTRL调控软件等， 通过监测PH值间接确定水中CO2含量并调节控制水的PH和CO2含量并实时监测，PH值测量范围0-14，分辨率0.01.用于监测和控制水体pH或pCO2。

4）、静态呼吸室：玻璃或丙烯酸有机玻璃，直径3.3cm到190cm各种规格供选配，长度根据用户需求而定（取决于鱼类的长度），还可根据动物性状及用户需求配置其它各种类型的呼吸室，如适于斑马鱼的呼吸室、比目鱼呼吸室、螃蟹呼吸室等等。
5）、 潜水泵为离心式，流速每分钟4.5升到57升各种规格供选配，技术规格如下：

流速(L/min)	4.5	5	10	20	40	57
功率(Watt)	4	5	10	28	65	80

6）、游泳室：包括外部温控水浴池、活动室、马达、潜水泵等，不同型号技术指标如下表：
 

产品编码	体积[l]	实验截面 [cm]	鱼大小 [g]	水速[cm/s]	长宽[cm]
SW10000	170ml	ID2.64 X L10	1-4	3-37
SW10030	1.5	ID5.5 X 20	4-12	3-50
SW10050	5	30x7,5x7,5	20-80	3-110	117x40
SW10100	10	40x10x10	50-150	3-110	128x45
SW10150	30	55x14x14	175-500	3-110	147x53
SW10200	90	70x20x20	450-1500	5-150	188x71
SW10250	185	87,5x25x25	750-5000	10-225	227x91

7）、微型呼吸室，硼硅酸盐玻璃，直径有11.2、14.5mm、18.5mm及22.2mm各种规格供选配，与微型被覆玻璃的磁力搅拌棒及非损伤性荧光光纤氧传感器配合使用。微型搅拌器适于0.1-5ml体积的搅拌，功率为0.1-0.25W，可遥控1-4个微型磁力搅拌棒的搅
 
产地：欧洲