CN113804492B - 根际信息一体化无损采样装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及根际信息采集设备技术领域，具体涉及根际信息一体化无损采样装置。具体技术方案为：根际信息一体化无损采样装置，包括根系独立生长模块，所述根系独立生长模块包括套设在一起的外管和内管，所述内管的两端分别伸出外管的两端，所述外管和内管上分别设置有若干个根系无法穿过的微孔，所述内管的一端通过橡胶塞密封，另一端连接有观察管，所述观察管的另一端连通有根系生长导引模块。本发明所提供的根际信息一体化无损采样装置，能够对根系分泌物、根际微生物与根际气体进行一体化便携收集。

Description

根际信息一体化无损采样装置

技术领域

本发明涉及根际信息采集设备技术领域，具体涉及根际信息一体化无损采样装置。

背景技术

根际是受植物根系影响，在物理、化学和生物特性上不同于非根际的土壤微区域，是根系-微生物-土壤界面三者相互作用的场所。研究表明，根际范围约为0.5～4mm，因此对于根际信息收集装置的设计，首先要确保能精准收集到根际样品，但目前大多数收集装置忽略了这一点。同时，关于根系分泌物收集的一系列方法和装置能收集到不同组分的根系分泌物，但是却忽视了根际微生物、根际气体等因素与根系之间进行的相互作用。

根系分泌物作为土壤微生物的营养源和信号分子，从而在根系附近形成微生物群落；根际微生物产生次生代谢产物，影响根系分泌物的组成和含量。根际气体是生物地球化学过程的关键驱动力，根际气体能作为能源或通讯分子，具有改变微生物群落结构和功能的潜力。根系分泌物通过直接或间接影响土壤微生物的活动来影响根际气体的产生和排放。因此，植物根系、根系分泌物、根际微生物与根际气体之间的相互作用尤为重要。

目前还未见有根系分泌物、根际微生物与根际气体一体化便捷收集装置。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了根际信息一体化无损采样装置，能够对根系分泌物、根际微生物与根际气体进行一体化便携收集。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

本发明公开了根际信息一体化无损采样装置，包括根系独立生长模块，所述根系独立生长模块包括套设在一起的外管和内管，所述内管的两端分别伸出外管的两端，所述外管和内管上分别设置有若干个根系无法穿过的微孔，所述内管的一端通过橡胶塞密封，另一端连接有观察管，所述观察管的另一端连通有根系生长导引模块。

优选的，所述外管包括两个扣合固定的弧形中空管。

优选的，所述外管和内管之间设置有长度小于外管的隔离气囊，所述隔离气囊上设置有进气管，所述进气管贯穿所述外管的侧壁并伸出所述外管。

优选的，所述隔离气囊包括两个呈弧形的弧形气囊，且对称设置在所述外管和内管之间的区域内，每个所述弧形气囊上分别设置有所述进气管。

优选的，所述内管的内壁上设置有尼龙网圈层。

优选的，所述根系生长导引模块包括根系生长承接头，所述根系生长承接头上设置有若干个根系无法穿过的漏孔，所述根系生长承接头上设置有隔网，所述根系生长承接头的一端设置有固定头，所述固定头上设置有与根系生长承接头相通的通孔，所述通孔内设置有琼脂。

优选的，所述根系生长承接头与观察管之间设置有挡板，所述挡板上设置有供固定头穿过的固定孔。

优选的，所述观察管与根系生长承接头之间设置有汇聚管，或，所述观察管与内管之间设置有汇聚管。

优选的，所述汇聚管的一端设置有多个与其相连通的接头管，每个所述接头管上分别连接有所述根系生长承接头或观察管。

优选的，所述内管靠近其两端的侧壁上分别设置有采样孔，所述采样孔位于外管外。

本发明具备以下有益效果：

1.本发明所公开的采样装置可以实现对植物的根系分泌物、根际微生物和根际气体等根际信息一体化、原位、无损、全生命周期、可持续采样。通过对植物单个或少数根系进行样品采集，不会影响植物的正常生命活动。采样时不需将植物根系挖出，从而不会对根系造成损伤，收集的根系分泌物成分更加可靠。同时，可以对同株植物全生命周期内任意时刻的根际信息进行采样，实时获知植物根际相关情况。

2.本发明由根系生长导引模块、根系独立生长模块和样品收集模块依次连接组成，根系生长导引模块使植物根系生长进入到根系独立生长模块内，而样品收集模块负责对气体或液体样本进行采集。具体的：根系独立生长模块由套设在一起的内管和外管组成，内管和外管上均设置有若干个微孔，从而与外界土壤环境进行物质交换，气体样本在外管和内管之间的间隙处收集；同时，在内管和外管之间设置隔离气囊，当采集液体样本时，只需向隔离气囊内充气或注水，使其膨胀，从而将内管上的微孔堵住，然后再向内管内注入液体以及采集经过根系和土壤的液体样本，整个采集过程中，对植物的根系无任何损耗，而且，可以在任意时刻进行采集，灵活性好。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为图1中A-A向视图；

图3为中空管结构示意图；

图4为根系生长承接头结构示意图；

图5为隔离气囊充气或注水后的状态图；

图6为在观察管和内管之间安装汇聚管的结构示意图；

图中：外管1、内管2、微孔3、橡胶塞4、观察管5、中空管6、进气管7、弧形气囊8、尼龙网9、根系生长承接头10、漏孔11、固定头12、挡板13、汇聚管14、接头管15、采样孔16、滑块17、滑槽18。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

若未特别指明，实施举例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。

参考图1-图6，本发明公开了根际信息一体化无损采样装置，包括根系独立生长模块，根系独立生长模块包括套设在一起的外管1和内管2，内管2的两端分别伸出外管1的两端，外管1和内管2上分别设置有若干个根系无法穿过的微孔3，内管2伸出外管外的部分，其侧壁上不设置微孔。内管2的一端通过橡胶塞4密封，另一端连接有观察管5，从而为根系提供一个独立的生长区域。观察管5为透明材料，可以观察到根系是否已经生长进入到内管2内，同时，能够及时获知根系的生长动态，做好采样准备。观察管5的另一端连通有根系生长导引模块。对于微孔，植物的根系无法穿过，而水分、微生物等物质交换可以自由进行。

进一步的，外管1包括两个扣合固定的弧形中空管6，便于设备的安装。具体的：在中空管6的两侧面上、沿其长度方向设置有截面呈“T”形的滑块17和与其适配的滑槽18。对于滑块17和滑槽18设置的方式有多种，可根据实际情况进行设置。比如：两个中空管6的其中一个中空管的两个侧面上均设置成滑块17，另一个中空管的两个侧面上均设置成滑槽18；或者，两个中空管上滑块和滑槽设置的方式相同，即每个中空管的两侧分别设置滑块17和滑槽18，两个中空管合并时，滑槽与滑块对应，从而使两个中空管滑动扣合在一起。本发明中，内管2和外管1可以是圆形管或者其他形状，其长度和规格根据植物根系的尺寸确定。

进一步的，内管2的内壁上设置有尼龙网9圈层。在内管2中的尼龙网9所围成的区域内可以装填不同的生长基质，如土壤、石英砂等。植物根系通过观察管5生长进入到内管2的尼龙网圈层中，尼龙网9将生长基质和根系与内管2隔离，即根系在尼龙网所围成的区域内生长；但是，这并不影响内管2中的根系和生长基质与外管1外的外部土壤环境进行水分、营养物质和生物交换等，交换的物质的尺寸由尼龙网的网孔尺寸决定。

进一步的，为了对植物根际气体进行采集，在外管1和内管2之间设置有长度小于外管1的隔离气囊，隔离气囊上设置有进气管7，进气管7贯穿外管1的侧壁并伸出外管1。进气管7的长度根据实际需要进行设置，或者在进气管7上连接一个气管，当采样装置埋在土壤中时，气管伸出土壤外，从而便于对隔离气囊进行充气/注水或放气/放水操作。对于隔离气囊的设置有两种方式：一种是：隔离气囊呈环形，套设在内管2上，会对内管2上的部分微孔3造成遮挡，但是并不影响内管2内的根系与外界的物质交换。另外一种方式是：隔离气囊包括两个呈弧形的弧形气囊8，且对称设置在外管1和内管2之间的区域内，每个弧形气囊8上分别设置有进气管7。需要说明的是：为了使隔离气囊在充气状态时，能够对内管和外管上的微孔进行封闭，因此，隔离气囊的材质需有一定的延展性，才能使其在充气中，沿着内管和外管之间的区域延伸。隔离气囊的具体材料可以选择制成气球的乳胶。

进一步的，为了将隔离气囊固定在外管与内管之间的区域内，隔离气囊上的进气管7为硬质塑料管，其贯穿外管，从而对隔离气囊进行固定，避免隔离气囊在充气的过程中，在外管和内管之间的区域内移位，从而无法将内管2完全包裹住。可以知晓的是，进气管7上设置有密封塞，从而使隔离气囊保持膨胀的状态。

更进一步的，为了使隔离气囊在充气时，隔离气囊更加稳定的对内管进行包覆，在隔离气囊(或弧形气囊8)的两端设置有呈弧形的塑料板，在充气时，使隔离气囊稳定的在外管和内管之间的区域内延伸。在安装弧形气囊8时，两个弧形气囊8优选为分别与中空管6对应。

更进一步的，植物根系通过根系生长导引模块生长进入到观察管5内进而进入到内管2的尼龙网圈层中。具体的：根系生长导引模块包括根系生长承接头10，根系生长承接头10的形状为两侧高中间低或四周高中间低的凹面设计，该凹面设计可以是曲面，也可以是平面凹槽，类似于铲子形状。在实际使用过程中，植物根系沿着根系生长承接头10的凹面底部生长，通过凹面，根系会自动生长进观察管5内。根系生长承接头10上设置有若干个根系无法穿过的漏孔11，根系生长承接头10上设置有隔网，保证水可以通过漏孔11渗出根系生长承接头10而根系无法穿过漏孔11，这样就可以尽可能的避免雨水或浇灌植物的水将非根际样品信息带入根系独立生长模块(或内管内)，从而影响根际样品信息收集的准确性。在设置时，隔网紧贴根系生长承接头10，大小与根系生长承接头10相同。隔网为惰性材料，不影响植物根系正常生命活动。

进一步的，根系生长承接头10的一端设置有固定头12，固定头12上设置有与根系生长承接头10相通的通孔，通孔内设置有琼脂。需要说明的是：根系生长承接头10和固定头12的尺寸大小根据根系的尺寸确定，只要能满足植物根系通过即可。固定头12的外部形状为阶梯状，大径段与根系生长承接头10连接，小径段插入到观察管5中；同时观察管5的另一端插入到内管2的尼龙网中。固定头12内通孔的形状并不限定，其直径尺寸可以根据不同植物的根系大小来确定，即可以满足不同实验材料的根际信息采集要求。固定头12内的琼脂可以封闭通孔，根系可以穿过琼脂长入根系独立生长模块，同时，隔离气囊充气或注水将外界微生物、水等被隔离在内管外，从而尽可能的减少取样时外源物质对根际样品的干扰。

进一步的，为了增加根系穿过固定头上的通孔进入到观察管内的概率，在根系生长承接头10与观察管5之间设置有挡板13，即挡板13上设置有供固定头12穿过的固定孔。固定孔设置在挡板13靠下的位置，能够使固定头12上的大径段穿过并与挡板13紧密组合在一起，挡板13的形状优选为弧形，与根系生长承接头10组合后可提高根系穿过通孔进入根系独立生长模块的概率。根系生长承接头10设置在植物根系的下方，根系在生长的过程中，会落在根系生长承接头10上，随后通过通孔中的琼脂长入观察管5内，进而进入到内管2中。在根系长入内管2内后，可以随时根据需要对根际气体与根际液体进行取样。

进一步的，为了研究不同植物根系之间的相互作用关系，在观察管5与根系生长承接头10之间设置有汇聚管14，或，观察管5与内管2之间设置有汇聚管14。同时，汇聚管14的一端设置有多个与其相连通的接头管15，每个接头管15上分别连接有根系生长承接头10或观察管5。需要说明的是：汇聚管14安装的位置可根据实际情况进行设置。接头管15的数量根据需要研究的植物数量有关，研究两种及以上相同或不同植物根系的相互作用时，接头管15就设置成两个及以上。

当汇聚管14设置在根系生长承接头10和观察管5之间时，接头管15与根系生长承接头10连接，根系生长承接头10与接头管15数量相同；当汇聚管14设置在观察管5和内管2之间时，接头管15与观察管5连接，此时，观察管5以及连接在观察管5上的根系生长承接头10的数量与接头管15的数量相同。上述两种设置方式均能观察到两种植物的根系是否在一起生长。

在进行相互实验时，不同植物根系通过不同根系生长承接头10进入到观察管5和接头管15内，这样不同植物的根系分别由接头管长入同一汇聚管14，使不同或相同植物的根系在同一内管2中生长，进而可以研究相同或不同根系之间的相互作用关系。

进一步的，内管2靠近其两端的侧壁上分别设置有采样孔16，采样孔16位于外管1外。在内管2上连接有样品收集模块(图中未示出)，样品收集模块包括根际气体收集模块和根际液体收集模块。具体的收集方式为：

当采集气体样本时，可以通过采气针插入到外管1上的微孔内，从而抽气内管和外管之间的气体。当采集液体样本时，通过进气管7向隔离气囊内注入气体或液体(水)，隔离气囊随着其内部气压的增加，会充满内管和外管之间的空间，进而将内管上的微孔封闭。此时，向内管2内注入液体时，由于隔离气囊的封闭作用，内管2中的液体也不会扩散到外部。取样时，通过内管2上靠近观察管5的采样孔向内管里注入液体，然后，用取样针，通过内管2另一端的采样孔，将流过根系和生长基质的液体取出，进而进行成分分析。

当根系正常生长时，将隔离气囊中的气体或液体抽出，隔离气囊收缩，使内管上的微孔露出，这样外管外部的土壤环境中的物质信息仍然可以和内管内的根系生长基质进行交互。

具体的：根际气体收集模块包括采气针，采气针的一端为带孔的针头，另一端连接橡胶帽，采气针的针头插入到内管和外管之间的位置，采集气体时，可直接使用注射器插入橡胶帽抽出根际气体。

根际液体收集模块包括输液针，输液针的一端为带孔针头，另一端连接有堵头。输液针通过靠近观察管的采样孔插入到内管2与尼龙网9之间的间隙。采样时，打开堵头，连接输液袋，释放输液袋里的冲洗液冲洗内管2内根系分泌物和根际微生物等根际信息。冲洗液可以是但不限于是去离子水。在内管2另一端的采样孔上连接有采样针，采样针两端都为带孔的针头，前端的针没有胶套，后端的针有胶套包裹。采样针前端的针头插入内管和尼龙网之间的间隙，利用尼龙网隔开内管里的生长基质，以防止生长基质堵住针孔，而不能收集到根际信息样品。采样针的后端插入到取样管的橡胶盖上，进行样品收集，取样瓶的盖子为橡胶材料。

同时，在取样管上通过输液针连接有缓冲瓶，缓冲瓶为其顶盖上设置有进气口和抽气孔的密封瓶。输液针的针头插入取样管的橡胶盖，针座接在缓冲瓶的接口上。缓冲瓶的另一个接口通过导管连接真空泵。缓冲瓶的设置可以防止取样管的样品装满后倒吸入真空泵。真空泵通过缓冲瓶将取样管抽成负压，根据压强原理，真空泵可以将内管中的样品抽取进入到取样管内。

另外需要说明的是：如果将本发明所公开的采样装置埋在土壤中，那么，两个采样孔上插入的输液针和采样针以及插入到外管上的采气针无需拔出；当然，为了便于操作也可以在采样孔上连接一个软管，在采样装置埋在土壤中时，软管的一端伸出土壤外，从而便于后续的采样操作。如果本发明的采样装置不埋在土壤中，那么，输液针、采样针以及采气针的设置方式根据实际需要进行常规操作即可。

下面将结合具体的实施例对本发明进行进一步的阐述。

实施例1菜豆根际信息一体化无损采样

1.采样装置的组装

(1)在根系生长承接头10上粘300目隔网，并在通孔内填入琼脂；

(2)根系生长承接头10上的固定头12插入到挡板13上，并用胶水粘牢；

(3)内管2为8×12mm(指的是内径和外径的尺寸)的硅胶管，将300目的尼龙网9装入内管中；

(4)观察管5为6×9mm的硅胶管，其一端插入到内管的尼龙网中；

(5)土壤过2mm筛装入观察管5和内管2中，观察管5的另一端连接在固定头12上，内管2的另一端用橡胶塞封住；

(6)在内管2外放入隔离气囊，然后装入两个中空管形成外管；

(7)输液针和采样针分别插入到内管和尼龙网之间的间隙处，采气针插入到内管和外管之间的间隙处；最后将组装好的采样装置埋入土壤中。

2.植物的培养和根际样品取样

取样前隔离气囊处于无气状态，以菜豆为实验材料，待菜豆生长2～3周后，从观察管观察菜豆根系是否长入内管。观察到根系长入内管后，使用注射器抽取内管和外管之间的气体，即为根际气体。

取根际液体时，将隔离气囊充满气或注满水，使内管处于一个封闭状态，然后通过输液针向内管中注入去离子水冲洗根际样品，随后连接取样管、缓冲瓶和真空泵，通过采样针将根际液体样品抽取出来；根际液体进一步分离处理，即可得到根系分泌物与根际微生物样品。后面可根据实验需要对根际样品随时取样。

实施例2菜豆、玉米互作根际信息一体化无损采样

1.采样装置的组装

(1)在根系生长承接头10上粘300目隔网，并在通孔内填入琼脂；

(2)根系生长承接头10上的固定头12插入到挡板13上，并用胶水粘牢；

(3)内管2为13×18mm的硅胶管，将300目的尼龙网9装入内管中；

(4)观察管5为6×9mm的硅胶管，汇聚管规格为10×12mm(接头管与该尺寸相同)，然后将观察管的一端插入到汇聚管上的接头管上，汇聚管的一端插入到内管的尼龙网中；

(5)土壤过2mm筛装入观察管5和内管2中，观察管5的另一端连接在固定头12上，内管2的另一端用橡胶塞封住；

(6)在内管2外放入隔离气囊，然后装入两个中空管形成外管；

(7)输液针和采样针分别插入到内管和尼龙网之间的间隙处，采气针插入到内管和外管之间的间隙处；最后将组装好的采样装置埋入土壤中。

2.植物的培养和根际样品取样

取样前隔离气囊处于无气状态，以菜豆和玉米为实验材料，待菜豆与玉米生长2～3周后，从观察管观察菜豆根系是否长入汇聚管进而进入到内管。观察到根系共同长入内管后，使用注射器抽取内管和外管之间的气体，即为根际气体。

取根际液体时，将隔离气囊充满气或注满水，使内管处于一个封闭状态，然后通过输液针向内管中注入去离子水冲洗根际样品，随后连接取样管、缓冲瓶和真空泵，通过采样针将根际液体样品抽取出来，根际液体进一步分离处理即可得到根系分泌物与根际微生物样品。后面可根据实验需要对根际样品随时取样。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，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。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.根际信息一体化无损采样装置，包括根系独立生长模块，其特征在于：所述根系独立生长模块包括套设在一起的外管(1)和内管(2)，所述内管(2)的两端分别伸出外管(1)的两端，所述外管(1)和内管(2)上分别设置有若干个根系无法穿过的微孔(3)，植物的根系无法穿过所述微孔(3)，而水分、微生物等物质交换可以自由进行；所述内管(2)的一端通过橡胶塞(4)密封，另一端连接有观察管(5)，所述观察管(5)的另一端连通有根系生长导引模块；

所述外管(1)和内管(2)之间设置有长度小于外管(1)的隔离气囊，所述隔离气囊上设置有进气管(7)，所述进气管(7)贯穿所述外管(1)的侧壁并伸出所述外管(1)；所述隔离气囊沿着内管(2)和外管(1)之间的区域延伸，隔离气囊在充气状态时，对内管(2)和外管(1)上的微孔(3)进行封闭。

2.根据权利要求1所述的根际信息一体化无损采样装置，其特征在于：所述外管(1)包括两个扣合固定的弧形中空管(6)。

3.根据权利要求2所述的根际信息一体化无损采样装置，其特征在于：所述隔离气囊包括两个呈弧形的弧形气囊(8)，且对称设置在所述外管(1)和内管(2)之间的区域内，每个所述弧形气囊(8)上分别设置有所述进气管(7)。

4.根据权利要求1所述的根际信息一体化无损采样装置，其特征在于：所述内管(2)的内壁上设置有尼龙网(9)圈层。

5.根据权利要求1所述的根际信息一体化无损采样装置，其特征在于：所述根系生长导引模块包括根系生长承接头(10)，所述根系生长承接头(10)上设置有若干个根系无法穿过的漏孔(11)，所述根系生长承接头(10)上设置有隔网，所述根系生长承接头(10)的一端设置有固定头(12)，所述固定头(12)上设置有与根系生长承接头(10)相通的通孔，所述通孔内设置有琼脂。

6.根据权利要求5所述的根际信息一体化无损采样装置，其特征在于：所述根系生长承接头(10)与观察管(5)之间设置有挡板(13)，所述挡板(13)上设置有供固定头(12)穿过的固定孔。

7.根据权利要求6所述的根际信息一体化无损采样装置，其特征在于：所述观察管(5)与根系生长承接头(10)之间设置有汇聚管(14)，或，所述观察管(5)与内管(2)之间设置有汇聚管(14)。

8.根据权利要求7所述的根际信息一体化无损采样装置，其特征在于：所述汇聚管(14)的一端设置有多个与其相连通的接头管(15)，每个所述接头管(15)上分别连接有所述根系生长承接头(10)或观察管(5)。

9.根据权利要求1所述的根际信息一体化无损采样装置，其特征在于：所述内管(2)靠近其两端的侧壁上分别设置有采样孔(16)，所述采样孔(16)位于外管(1)外。

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