孢子捕捉儀采集農(nóng)業(yè)生物信息數(shù)據(jù)

1、孢子捕捉儀采集農(nóng)業(yè)生物信息數(shù)據(jù) 摘要：設(shè)計(jì)一臺在野外使用的、能連續(xù)7天進(jìn)行捕捉空中真菌孢子的儀器，該儀器可以對作物周圍環(huán)境中的真菌孢子相對數(shù)量或密度進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，從而對作物病害進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測，是采集農(nóng)業(yè)生物信息數(shù)據(jù)，保證環(huán)境和農(nóng)產(chǎn)品安全的有效工具。 我國危害農(nóng)作物的重要病害有550多種，其中很多是由真菌引起的。一部分真菌病害主要是通過孢子在空氣中傳播對作物進(jìn)行侵染和再侵染。對作物周圍環(huán)境中的孢子相對密度的監(jiān)測，成為植物病害預(yù)測和防治的重要依據(jù)。目前我國對空中孢子量的測定方法多采用玻片法或旋轉(zhuǎn)玻片法。這些方法的缺點(diǎn)是儀器存在一些問題。孢子捕捉效率和效果易受氣候變化影響，或不能進(jìn)行連續(xù)捕捉等。這直接

2、影響我國農(nóng)業(yè)生物信息的合理采集、病害預(yù)報(bào)工作的準(zhǔn)確性和防治的有效性。為此，設(shè)計(jì)了連續(xù)式空中孢子捕捉器TPBZ3。 1 設(shè)計(jì)基本原則 大多數(shù)植物病原物的個(gè)體微小或計(jì)數(shù)單元無法劃分，很難測定。只有一些病原菌的傳播體如孢子、菌核等可直接測定，但也只能測定它們的相對數(shù)量，空中孢子捕捉即出于這一目的u J。為適合野外工作、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，設(shè)計(jì)的孢子捕捉器應(yīng)能連續(xù)7d工作，并能防雨防蟲。采集到的樣品應(yīng)便于顯微鏡下觀察，并能反映每小時(shí)空中孢子數(shù)量的變化。在任何風(fēng)向條件下能達(dá)到很好的捕捉效果。 2 連續(xù)式孢子捕捉儀的結(jié)構(gòu)和工作原理 TPBZ3孢子捕捉器由浙江托普儀器設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)包含捕捉帶及捕捉帶驅(qū)動(dòng)裝置、進(jìn)氣嘴及

3、吸氣裝置、捕捉倉及捕捉倉轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、支架等組成。如圖1所示，孢子捕捉器工作時(shí)，吸氣裝置使捕捉倉(e)內(nèi)形成負(fù)壓，外面夾帶著孢子的空氣就由進(jìn)氣嘴(d)吸入捕捉倉內(nèi)，以一定速度進(jìn)入捕捉倉的孢子撞到粘性捕捉帶(a)上被粘住，這樣就完成了對孢子的捕捉。捕捉帶固定在捕捉帶驅(qū)動(dòng)裝置上，由捕捉帶驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速為每7天轉(zhuǎn)一圈，捕捉帶每小時(shí)轉(zhuǎn)過2mm，即捕捉帶可連續(xù)紀(jì)錄7d中每小時(shí)空中孢子的數(shù)據(jù)。孢子捕捉器能夠在風(fēng)向改變的狀況下通過捕捉倉轉(zhuǎn)動(dòng)裝置自動(dòng)調(diào)整取樣方向。圖1連續(xù)式空中孢子捕捉器工作原理示意圖 3 主要部件設(shè)計(jì) 31捕捉帶及捕捉帶驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì) 311捕捉帶 以往的捕捉方法和捕捉器采用涂抹凡士林

4、的載玻片u J或膠棒作捕捉載體。這兩種捕捉載體都不適 于連續(xù)捕捉。借鑒產(chǎn)孢量測定方法中的粘貼法?1，本儀器采用透明膠帶作為捕捉載體。透明膠帶柔軟可彎折，采樣長度相對不受限制，適于連續(xù)采樣。因采樣的透明膠帶取回室內(nèi)需以乳酚油作浮載劑將其粘于載玻片上放到顯微鏡下計(jì)數(shù)孢子，還因載玻片寬度為26mm，所以采用20ram寬的透明膠帶作捕捉帶。為能實(shí)現(xiàn)連續(xù)孢子捕捉，每一時(shí)段空中孢子的數(shù)據(jù)應(yīng)記錄在捕捉帶不同的區(qū)域上。同樣為便于顯微鏡下計(jì)數(shù)，設(shè)計(jì)將空中孢子一小時(shí)的數(shù)據(jù)記錄在捕捉帶2mm的長度上，即每小時(shí)取樣面積為20mm×2mm。本儀器為連續(xù)7d工作，所以可以計(jì)算出捕捉帶的最小長度為336mm。 3

5、12捕捉帶驅(qū)動(dòng)裝置 為實(shí)現(xiàn)本儀器的連續(xù)工作，捕捉帶應(yīng)能運(yùn)動(dòng)或捕捉嘴應(yīng)能運(yùn)動(dòng)。分析后認(rèn)為，實(shí)現(xiàn)捕捉帶運(yùn)動(dòng)相對比較容易。 捕捉帶驅(qū)動(dòng)裝置是孢子捕捉器的核心部件，它應(yīng)保證捕捉帶以2rnmh的速度移動(dòng)、并可連續(xù)工作7d。由于捕捉帶的運(yùn)動(dòng)速度低、本儀器又是野外工作，這給捕捉帶驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)帶來一定的困難?？紤]了以下幾種方案：(1)采用電機(jī)、減速器傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，但電機(jī)速度高，使減速器 復(fù)雜，且電源不易解決；(2)由PCL控制繼電器每小時(shí)通斷電一次，繼電器中的銜鐵每小時(shí)作一次直線運(yùn)動(dòng)，將間歇的直線移動(dòng)通過一些機(jī)械機(jī)構(gòu)可使捕捉帶間歇運(yùn)動(dòng)，這種結(jié)構(gòu)可行，但機(jī)械部分有些復(fù)雜；(3)由指針式鐘表得到啟示，可用鐘表

6、式的驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)捕捉帶運(yùn)動(dòng)。鐘表體積小、運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確可靠等。 經(jīng)過幾個(gè)方案的比較，本設(shè)計(jì)采用鐘表作為捕捉帶驅(qū)動(dòng)裝置的動(dòng)力部件。經(jīng)與多個(gè)鐘表廠家進(jìn)行聯(lián)系，選用山東煙臺北極星鐘表公司提供的石英式定時(shí)鐘。該鐘體積小，價(jià)格便宜；輸出軸每7天轉(zhuǎn)一圈，輸出軸每轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角誤差為±0064度(7d取樣長度誤差±006ram)，工作可靠；電源為5號干電池，可連續(xù)工作。 捕捉帶驅(qū)動(dòng)裝置由捕捉盤(b)、定時(shí)鐘(C)等組成(圖1)。捕捉盤與定時(shí)鐘輸出軸相連，帶動(dòng)捕捉帶移動(dòng)。由于定時(shí)鐘輸出軸轉(zhuǎn)速為每7天一轉(zhuǎn)，捕捉帶移動(dòng)速度為2mmh，所以根據(jù)以下計(jì)算可得知捕捉盤工作直徑D值： 32 進(jìn)氣嘴及吸氣裝置設(shè)計(jì) 捕

7、捉載體應(yīng)在密閉的箱體中才能適于連續(xù)的野外工作，只有在箱體中形成負(fù)壓造成空氣的流動(dòng)捕捉帶才能在任何環(huán)境下捕獲足夠的孢子。進(jìn)氣嘴及吸氣裝置的結(jié)構(gòu)尺寸及參數(shù)決定孢子捕捉器的捕捉效果。 321進(jìn)氣嘴 為實(shí)現(xiàn)每小時(shí)的捕捉面積和好的捕捉效果并防止蚜蟲或其他昆蟲的進(jìn)入，進(jìn)氣嘴上進(jìn)氣口的截面大小設(shè)計(jì)為15mm X 20mm，進(jìn)氣嘴的安裝應(yīng)正對捕捉帶訓(xùn)2。 322 吸氣裝置 捕捉效果取決于吸氣裝置的排氣量。排氣量在1520Lrain之間的捕捉效果最好。形成負(fù)壓的裝置有真空泵、排風(fēng)扇。真空泵體積大、排氣量大、功率大、成本高，不適于孢子捕捉器使用。本設(shè)計(jì)選擇我國臺灣CPFAN公司生產(chǎn)的H05350789T型風(fēng)扇作為

8、本機(jī)的吸氣裝置。風(fēng)扇外形大小為25ram×25mm X 10mm，最大風(fēng)量為08CFM(19Lrain)，轉(zhuǎn)速為9000rmin，額定功率為073KW，額定電壓為直流6V，額定電流為0145A。該風(fēng)扇體積小、價(jià)格便宜，可采用蓄電池供電，適于野外作業(yè)。圖2連續(xù)式空中真菌孢子捕捉器結(jié)構(gòu)簡圖 33 捕捉倉及捕捉倉轉(zhuǎn)動(dòng)裝置 為獲得較好的捕捉真菌孢子效果，捕捉倉應(yīng)能轉(zhuǎn)動(dòng)，使捕捉嘴始終處于迎風(fēng)狀態(tài)。本設(shè)計(jì)捕捉倉的轉(zhuǎn)動(dòng)是通過風(fēng)力推動(dòng)實(shí)現(xiàn)的舊J。 捕捉倉轉(zhuǎn)動(dòng)裝置由捕捉倉(d)、測風(fēng)板(f)、軸(j)、軸承(m)、檔雨板(i)等組成(圖2)。本儀器應(yīng)能在風(fēng)速為2-20ms的范圍正常工作。 設(shè)計(jì)時(shí)將捕捉

9、倉轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)部分的各組成零件一字排列，并經(jīng)過力平衡的計(jì)算。軸承主要承受的是軸向力，故軸承選用一盤單向推力球軸承、一盤深溝球軸承。經(jīng)分析捕捉倉的轉(zhuǎn)動(dòng)阻力主要來自推力球軸承的摩擦阻力，只要在風(fēng)速2ms時(shí)在測風(fēng)板產(chǎn)生的推力力距大于軸承的摩擦阻力力矩，捕捉倉就可自由轉(zhuǎn)動(dòng)。下面是計(jì)算過程4：Fl=q=491×00025=0123N.(2) 1、12F1。rl2 0123×002252 00028Nin(3)1 F2=i1×032×7075×10 4×123×103×22Z =527N(4) T2=F2。r2=557

10、15;0128=071N。ITI。 F，推力球軸承所受摩擦力(N)； q捕捉倉轉(zhuǎn)動(dòng)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)部分質(zhì)量(kg)； 弘推力球軸承摩擦系數(shù)； T，推力球軸承摩擦力轉(zhuǎn)距(Nm)； rl摩擦力作用半徑m)； F，測風(fēng)板所受風(fēng)力(N)； CD系數(shù)，查設(shè)計(jì)手冊為CD=032； A測風(fēng)板面積(m2)； D空氣密度，p=123×103kgm3； “風(fēng)速，為2ms； T，測風(fēng)板風(fēng)力轉(zhuǎn)距(NIn)； r2風(fēng)力作用部分質(zhì)心半徑(m)。 由以上計(jì)算可知，T2T1。所以在220ms風(fēng)速下，捕捉倉可由風(fēng)力吹動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，由于測風(fēng)板兩面承受風(fēng)力，因此當(dāng)力達(dá)到平衡后，捕捉倉將不再轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)捕捉口沖著風(fēng)來的方向。 4 試驗(yàn)及結(jié)果分析 試驗(yàn)地點(diǎn)選在石油物探局安新基地果園，該園種植的蘋果品種主要有富士、紅星、青香蕉等，采取混合種植，往年都有斑點(diǎn)落葉病發(fā)生。試驗(yàn)結(jié)果表明連續(xù)式孢子捕捉器可以連續(xù)、準(zhǔn)確、方便地獲取農(nóng)作物周圍環(huán)境中的病原真菌孢子，監(jiān)視孢子數(shù)量和密度的動(dòng)態(tài)變化，準(zhǔn)確預(yù)測植物病害以便準(zhǔn)時(shí)精確噴施農(nóng)藥(圖4)?；诖?，孢子捕捉器將是各科研院所、植保站進(jìn)行病害預(yù)報(bào)的重要工具，也是建