深渊生物资源取样装备技术体系研究.pdf
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1、第 41 卷第 4 期 2023 年 7 月Vol.41 No.4Jul.2023海 洋 工 程THE OCEAN ENGINEERING深渊生物资源取样装备技术体系研究陈家旺1,阮东瑞1,王豪1,周朋1,吴世军2,潘彬彬3,方玉平1,何巍涛1,黄越1,方家松3(1.浙江大学 海洋学院,浙江 舟山 316021;2.浙江大学 机械工程学院,浙江 杭州 310027;3.上海海洋大学 深渊科学工程技术研究中心,上海 201306)摘要:针对深渊生物资源研究的需求,自主研发了用于全海深深度的深渊沉积物、水体和宏生物的保压取样装置,深渊沉积物保压转移装置,深渊微生物原位过滤及保存装置和高压培养高压酶
2、学测定装置。在深海模拟环境验证了取样装置在万米深度下的工作性能。相关装置在“探索一号”科考船的TS15、TS21-1和TS21-2大洋科考航次中,搭载“奋斗者”号载人潜器、“2号”深渊着陆器、“原位实验”号着陆器于西菲律宾盆区和马里亚纳海沟进行了海上试验,成功获取了万米深度沉积物、水体和宏生物保压样品以及微生物原位过滤滤膜;成功进行了沉积物保压样品的保压转移试验。初步形成了深渊海域生物资源取样的装备技术体系,为深渊海底生物和基因资源开发,深渊生命过程等科学研究提供技术手段。关键词:全海深;深渊生物;保压取样;原位过滤;海上试验中图分类号:P742 文献标志码:A DOI:10.16483/j.
3、issn.1005-9865.2023.04.014Research on the technical system of abyss biological resources sampling equipmentCHEN Jiawang1,RUAN Dongrui1,WANG Hao1,ZHOU Peng1,WU Shijun2,PAN Binbin3,FANG Yuping1,HE Weitao1,HUANG Yue1,FANG Jiasong3(1.Ocean College,Zhejiang University,Zhoushan 316021,China;2.School of Me
4、chanical Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China;3.Shanghai Engineering Research Centre of Hadal Science and Technology,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China)Abstract:In response to the needs of abyss biological resources research,pressure-holding sampling devices for deep-se
5、a abyss sediments,water and macro-organisms,abyss sediment pressure-holding transfer devices,abyssal microorganism in-situ filtration and preservation device,and high-pressure enzymatic assay device have been independently developed.The high-pressure test was carried out to check the devices perform
6、ance under a high-pressure environment.The devices were tested for sea trials during Cruise TS15,TS21-1,and TS21-2.The Fendouzhe manned submersible,the Erhao lander,and the Yuanweishiyan lander carried the devices diving for sea trials in the West Philippine Basin and the Mariana Trench.Pressurehold
7、ing samples of deepsea abyss sediments,water and macroorganisms at a depth of 10 000 meters were successfully obtained,and pressureholding transfer experiments for sediment samples were successfully conducted.The equipment and technology system for sampling biological resources in the abyss have bee
8、n initially formed,and the proposed sampling mechanism can be widely used for full-ocean depth isobaric sampling.Keywords:full ocean depth;abyssal organisms;holding pressure sampling;in-situ filtration;sea trials海洋的总面积达到了3.6109 km2,占据了地球表面的71%,蕴藏着丰富的生物矿产资源1。深度超过6 000 m的海域一般称为超深海或深渊带,仅占海洋总面积的1.2%2。深渊
9、是一个高压力、低温度的极端生态环境,在深渊环境下生活的微生物与地面微生物相比有不同的生物特性。国内外科学家在马里亚纳海文章编号:1005-9865(2023)04-0148-11收稿日期:2022-08-05基金项目:国家重点研发计划资助项目(2018YFC0310601)作者简介:陈家旺(1978),男,浙江兰溪人,教授,主要从事海洋技术、深海装备及其自动化、海洋探测技术研究。E-mail:第 4 期陈家旺,等:深渊生物资源取样装备技术体系研究沟、雅浦海沟等深渊带均发现了独特的生物群落3。研究者对采集到的深渊微生物样本进行分离和解析后发现,深渊微生物具有很高的丰度和多样性,且往往具有一些特殊
10、的功能,在这种极端环境下的生命也受到越来越多的重视4。近些年的研究中共发现了上万种海洋生物天然产物,一些产物具有抗细胞衰老、抗病毒的生物特性,具有极高的药用价值和商业价值,并且已有几十个海洋抗癌药物进入临床或临床前研究阶段。然而,目前对于深渊中的生命现象和生命过程的认识受限于取样技术的发展,对深渊生物和基因资源的探索与了解非常不足5。因此,对全海深深渊生物资源取样装备技术体系的研究不仅有助于了解海洋生命的起源过程,还能在许多不同的领域造福人类。对利用采样装置采集到的深海样品进行分析、测试和研究,是当前海洋资源和环境勘查工作的重点内容,然而深渊生物样品采集难度大,在采集过程中由于环境压力、温度变
11、化等因素会遭到严重的损坏6。纵观目前世界各国利用传统常规深海取样技术获取的样本,无法满足快速发展的地球科学、环境科学、海洋生物学和海洋资源研究对样本的需求。传统常规深海取样技术一般不会对样品进行保压取样,压力等条件的变化会导致变价离子氧化状态改变以及有机组分分解,致使一些生物死亡,样品的原始成分与状态不能精确反映7。20世纪90年代,法国科学家开展了有关深海水域生物资源取样器的研究,用12个500 ml的高压采样瓶收集到了3 500 m深的海水样品,并在实验室进行培养和观察8。由于采用传统的取样方法,一次取样所能得到的微生物数量非常有限,因而越来越多的学者开始利用水样来获取更多的微生物。伍兹霍
12、尔海洋研究所发明的SUPR取样器可以采集地球化学样品和微生物样品,该取样器采用圆盘式分层结构,可同时对24组大体积水样进行快速的过滤9。此外,该研究小组在2012年开发出一种改良的SUPR-V2取样装置,可将过滤物料、未过滤的水样以及滤液同时收集起来,从而构成一套系统的样本。该取样器最大工作深度为5 500 m10。后来,为了捕捉海底的浮游生物,Sentry Operations研发了SyPRID系统,该系统可以利用AUV采集最大深度6 000 m的样品11。Shillito等12设计了一种名为“PERISCOP”的取样系统,使用喷嘴吸入的方式,可以在2 000 m深海有选择性地捕捉收集深海软
13、体动物,捕捉到了“深海热液区盲虾”样本。2017年,Garel等13使用不锈钢或者钛合金原材料为科学界提供一种取样压力达到60 MPa,最大容量超过500 ml的高压保压采取设备,且该设备上浮过程中压力变化不超过 5%。2018 年,Peoples 等14在马里亚纳海沟10 700 m布放了3次采样器,成功实现了81%原位压力保持,为海洋微生物中收集属于黄杆菌科的微生物基因组提供了巨大帮助。2019年,Liu等15设计了一种全深海载流式潜水机械手持气密沉积物采样器,提出了一种压力补偿的系统模型,并通过计算和试验验证其可靠性。此外,Liu等16还设计了一种全海洋深度大型生物保压采样器(FMPS)
14、,建立了FMPS回收过程中压力补偿的数学模型,分析了其结构参数、压力补偿器结构参数和采样环境对FMPS保压性能的影响,通过试验和仿真的吻合度验证模型的可靠性。2021年,Oliver等17提出了高压高温微生物批量培养系统,可以在100 MPa、160 C的高压高温条件下实现不降压的微生物取样过程。人类对海洋领域的探索已经达到全海深级别,对样本质量的要求愈来愈高,对取样装置的设计也提出了更高的要求。深渊生物资源保压取样技术是进行深渊生物研究的先决条件,只有在拥有了足够接近原始状态样品的情况下,才能够进行深渊生物的研究18。根据当前的形势,自主研制了用于全海深深度的深渊沉积物、水体和宏生物的保压取
15、样装置,深渊沉积物保压转移装置,深渊微生物原位过滤及保存装置和高压培养高压酶学测定装置,为深渊生物和资源探测提供一套完整和成熟的技术体系。1深渊生物资源取样装备技术体系研究深渊生命过程和生物学资源的关键首先是能够获取保持深渊原位状态的高质量生物样品。针对这一需求,解决全海深保压取样技术、全海深充油电机机构设计、主动补压技术、压力补偿技术、保压转移技术、花瓣压缩取样技术等技术难题,研制基于海底着陆器和载人潜水器的深渊沉积物、水体、宏生物的保压采样和保压转移装置,海水微生物原位过滤和保存装置以及高压培养高压酶学测定装置,形成深渊海域生物资源保压取样的装备体系,为深渊生物和基因资源开发,深渊生命过程
16、等科学研究提供技术手段。149第 41 卷 海 洋 工 程1.1深渊沉积物保压取样技术深渊沉积物保压取样装置主要应用于对深渊沉积物进行保压取样,装置主体结构包括驱动部分和取样部分两个主要部分。驱动部分能使电机带动蜗轮蜗杆旋转运动,取样部分能使蜗轮的旋转运动带动丝杠的往复运动,实现取样过程。取样装置的结构如图1所示,该装置主要由充油电机、减速传动机构、丝杠传动机构、取样机构、保压筒、蓄能器、压力传感器和各种高压针阀及金属硬管等组成19。1.1.1自密封式取样技术与之前的深海沉积物保压取样装置相比,这里提出的装置在取样和密封方式上有很大不同(如图2所示)。在海底进行取样时,不依赖于母船上的动力源,
17、自带水下电池驱动充油电机,通过电路板定时启动电机,驱动电机轴正向旋转,电机轴通过键连接带动齿轮减速传动机构,大齿轮中间加工有梯形内螺纹,与丝杠的梯形外螺纹啮合,丝杠有限位机构,将大齿轮的旋转运动转化成丝杠的上下往复运动,丝杠、活塞、取样筒等通过螺纹连接或者焊接的方式连成一个整体,同步运动。取样装置搭载于着陆器上,着陆器触底一段时间后充油电机定时启动,丝杠带动取样筒向下运动,压缩的花瓣在脱离保压筒的束缚后会张开,将沉积物压入到取样筒中,待取样完成后,电机反转将取样筒回收到保压筒中。在电机反转的过程中,花瓣会被保压筒内壁压缩产生变形,取样锥头侧面的沉积物在经过保压筒下端的防尘圈时会被刮除,不影响下
18、端O型圈的密封,上端通过取样活塞上的O型圈实现密封。在取样完成提升至海面的过程中,可能由于保压筒体积膨胀、密封圈受压位移和微量的泄露使得内部压力减小,此时蓄能器会补偿内部损失的压力,蓄能器在使用前应预先向内部充入一定压力的氮气。压力传感器记录整个过程中保压筒内部的压力变化情况,并存储在控制板中,待回收后可导出控制板上记录的数据。1.1.2环状取样分析为合理选择电机和设计传动机构,验证取样机构的取样性能,拟通过贯入测试得到所需驱动力。选取3种不同性质的黏土,即流塑性,塑性和硬塑性黏土对贯入过程进行测试,试验结果见表1,同时测试取样器对于不同性质的土的取样性能。搭建如图3所示的贯入力测试平台。结果
19、表明随着土壤的流塑性上升,取样器通过环形空间保留样品,并且下方几乎没有支撑,取样装置的取样效果会受到影响。样品在取样筒内保留主要是由于沉积物与取样筒内壁和连杆臂之间的摩擦力,以及黏土本身的黏聚力。因此,所提出的取样器在中等塑性沉积物或黏塑性沉积物中有较好的取样效果。图1取样装置总体方案设计Fig.1Overall solution design of the sampler图2取样机构Fig.2Sampling mechanism图3贯入测试Fig.3Penetration test150第 4 期陈家旺,等:深渊生物资源取样装备技术体系研究1.2深渊沉积物保压转移技术沉积物保压转移装置用来将
20、海底沉积物取样器里的样品转移到实验室用培养釜中,对沉积物中的微生物样品进行分离和培养。保压转移装置可以减小取样装置和培养皿之间转移时的压力变化,避免对微生物的生存环境造成破环。压力稳定系统采用了自行设计的锥形密封和直角组合密封,可以满足全海深范围的保压转移需求。转移过程首先进行高压容器打压,这个过程要考虑排出空气、打压时间、打压升高的温度、进口安装及连接问题;然后是将沉积物混合物转移至培养釜中,培养釜一腔受到压力推动活塞前进,则另一端压力增大,溢流阀发挥作用,完成样品的转移且压力恒定不变20,保压转移过程如图4所示。1.3深渊宏生物保压取样技术深渊宏生物保压取样装置由生物诱捕取样机构及运动驱动
21、系统组成(如图5所示)。生物诱捕取样机构能够在不污染海底环境的情况下诱捕生物进入取样管,完成取样工作;运动驱动机构能够实现取样活塞的伸出和回收工作,完成样品的保压取样21。1.3.1海底自动取样控制系统由于取样器工作深度大,与甲板通讯困难,因此设计了使取样器在海底自动工作的控制系统。控制系统封装在一个钛合金空舱内,通过水密接插件连接外部设备。控制系统功能如图6所示。控制系统核心为STM32H750单片机,该芯片具有多电源域架构,允许将不同的电源域设置为低功耗模式以节约电能。控制系统的时钟模块用于设定和计量系统时间。RS232通讯模块用于与上位机通讯;RS485通讯模块用于与电表1贯入测试结果T
22、ab.1Penetration test results黏土性质流塑性塑性硬塑性最大贯入力/N20210720取样体积/ml20120410图4沉积物保压转移过程Fig.4Pressure-retaining transfer of seabed sediment samples图5深渊宏生物保压取样装置Fig.5Abyssal biological pressure-holding sampling device151第 41 卷 海 洋 工 程机驱动模块进行通讯,控制电机按照设定时间启停;温度和压力探头测量整个过程的压力,通过信号采集模块和数模转化模块存储到数据存储模块中。1.3.2液体压
23、力补偿技术液体补偿机构是为了补偿密封圈移动导致的压力降低(如图7所示)。考虑到取样活塞始终位于保压筒内部的密封圈,在取样结束回收至筒内后,由于相对运动的摩擦力,该密封圈会运动至沟槽左侧。随着取样器的回收,外界压力降低,密封圈会被压至沟槽右侧,导致舱内体积增大,压力降低。而蓄能器作为一种被动式压力补偿机构,响应较慢,难以补偿这一部分损失。因此,建立了一套主动增压装置,在取样动作完成,取样活塞回收后,启动主动补压装置,在取样结束后,立即向保压筒内压入水,以期能够补偿由于密封圈移动造成的压降。所用O型密封圈线径为3.55 mm,密封沟槽根据国标设计,沟槽外径d1为80 mm,底径d2为74.4 mm
24、,取O型圈位移s为2 mm。可按照式(1)计算由密封圈移动引起的体积变化Vo。Vo=4(d21-d22)s(1)液体压力补偿装置详细结构如图8所示。取样器布放到海底之前,向压力补偿装置内充入纯净水。补压装置通过不锈钢毛细管和截止阀连接至保压筒。取样结束后,启动补压电机。补压电机输出轴与主动齿轮之间、从动齿轮与活塞杆之间均为键槽配合。主动齿轮带动从动齿轮轴向运动,从而带动活塞杆轴向运动,将纯净水推入保压筒,在海底建立保压筒与外界的压差。设计总活塞缸内径为18 mm,行程为5 mm,总补偿量为1.3 ml。1.4深渊水体保压取样技术深渊水体保压取样装置(如图9所示)是为了获得深渊底部化学环境特征、
25、生物群落特征,为深渊海底环境、深渊地球化学过程和生命过程等科学研究提供技术手段。取样器应用于海底水体的采样工作中,在不破坏深渊海水样品的内部化学组分和微生物活性的前提下,将维持原位压力的样品采集到实验室以用于进图6控制系统结构Fig.6Control system structure图7密封圈移动导致的压力降低Fig.7Pressure reduction due to seal movement图8液体压力补偿装置Fig.8Liquid pressure compensation device152第 4 期陈家旺,等:深渊生物资源取样装备技术体系研究一步的科学分析研究。依靠高纯度压缩氮气进
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