深海水體微生物原位富集方法研究

黃 強(qiáng)

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所，湖北宜昌 443003）

深海水體微生物原位富集方法研究

黃 強(qiáng)

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所，湖北宜昌 443003）

本文主要研究一種新型深海微生物培養(yǎng)工具，提出采用低功耗微控制器、機(jī)電執(zhí)行器、傳感器等實(shí)現(xiàn)微生物長期原位富集的作業(yè)方法，明確在深海高背壓的環(huán)境下，確保培養(yǎng)系統(tǒng)長期穩(wěn)定工作的動(dòng)作時(shí)序，給出采集水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)和回收微生物富集樣本的方案。湖上試驗(yàn)表明，樣機(jī)工作穩(wěn)定可靠，微生物富集效果明顯，具有工程應(yīng)用價(jià)值。

微生物培養(yǎng);原位富集;低功耗控制器;動(dòng)作時(shí)序

0 引言

深海生物基因資源非常豐富，已成為國際公海資源競爭的焦點(diǎn)。深海生物資源的開發(fā)是基于對生物認(rèn)知的基礎(chǔ)之上，而當(dāng)前所發(fā)現(xiàn)的深海生物還不到其總量的1%，深海調(diào)查工具的嚴(yán)重缺乏是導(dǎo)致深海生物調(diào)查與基因資源獲取異常困難的主要原因。

本文采用低功耗微控制器、機(jī)電執(zhí)行器、傳感器等建立1套深海微生物原位富集培養(yǎng)系統(tǒng)，著重研究利用該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)深海微生物長期復(fù)雜培養(yǎng)的作業(yè)方法。深海微生物富集一般分為開蓋富集和循環(huán)富集2種，為保證富集的絕對成功，本文在考慮2種富集方法的優(yōu)缺點(diǎn)以及最小化系統(tǒng)功耗的基礎(chǔ)上，提出深海微生物富集的控制時(shí)序。通過設(shè)定水下工作時(shí)序，使培養(yǎng)控制單元自動(dòng)控制各培養(yǎng)艙按設(shè)定程序獨(dú)立進(jìn)行微生物原位富集培養(yǎng)。在布放及回收過程中，通過控制各海水通道關(guān)閉來實(shí)現(xiàn)微生物培養(yǎng)腔密封，防止培養(yǎng)基受損;在水下工作期間，定期啟動(dòng)循環(huán)培養(yǎng)艙內(nèi)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成海水循環(huán)動(dòng)作，同時(shí)啟動(dòng)傳感器進(jìn)行環(huán)境參數(shù)監(jiān)測，主要監(jiān)測培養(yǎng)艙內(nèi)外部的PH值、溶解氧、濁度、甲烷等環(huán)境參數(shù)。由于將培養(yǎng)艙設(shè)計(jì)為開蓋式和循環(huán)式2種完全不同的工作模式，且執(zhí)行機(jī)構(gòu)獨(dú)立，從而提高了微生物原位富集培養(yǎng)的可靠性，確保水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)和微生物富集樣本的采集和回收。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

深海水體微生物培養(yǎng)系統(tǒng)主要由控制艙、開蓋式培養(yǎng)艙和循環(huán)式培養(yǎng)艙3部分組成，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示，其中培養(yǎng)控制單元包括電路和軟件2個(gè)部分，而培養(yǎng)控制電路設(shè)計(jì)和軟件控制時(shí)序是本文討論的核心。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System block diagram

深海水體微生物培養(yǎng)系統(tǒng)工作流程是從參數(shù)預(yù)置裝置在布放前對系統(tǒng)水下工作時(shí)序進(jìn)行設(shè)定開始的，設(shè)定完成后，系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)工作流程。在系統(tǒng)布放階段，主要控制各培養(yǎng)艙處于閉合狀態(tài)，保護(hù)培養(yǎng)基不受破壞;在系統(tǒng)培養(yǎng)階段，對開蓋培養(yǎng)系統(tǒng)則保持培養(yǎng)艙與海水完全連通富集微生物，對循環(huán)培養(yǎng)系統(tǒng)則定時(shí)控制培養(yǎng)艙內(nèi)部海水與外部循環(huán)富集微生物，并定期采集環(huán)境參數(shù);在系統(tǒng)回收階段，主要控制各培養(yǎng)艙處于閉合狀態(tài)，保護(hù)培養(yǎng)基不受破壞。在回收完水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)并控制系統(tǒng)掉電后，工作流程結(jié)束。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

深海水體微生物培養(yǎng)系統(tǒng)是長期錨泊在深海海底的1套自動(dòng)控制系統(tǒng)，通過定時(shí)啟動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，控制培養(yǎng)艙內(nèi)海水與外部海水構(gòu)成循環(huán)，實(shí)現(xiàn)微生物的原位富集，通過定期將傳感器輸出數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)部存儲卡內(nèi)，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集。本文選用8位AVR低功耗微處理器ATmega128L［1］作為控制計(jì)算機(jī)，電路框圖如圖2所示。

作為長時(shí)間自動(dòng)控制系統(tǒng)，能源管理以及傳感器輸出模擬信號的AD采樣精度至關(guān)重要。為將能耗降至最低，除選用低功耗器件外，設(shè)計(jì)專門的電源管理邏輯控制電路［2］實(shí)現(xiàn)對電源的集中管理。電

圖2 電路框圖Fig.2 Circuit block diagram

源管理邏輯控制電路在系統(tǒng)完成單次動(dòng)作后，將系統(tǒng)除自己以外的其余電路徹底斷電，同時(shí)監(jiān)測各種類的激活信號，邏輯組合為電源使能信號，用以激活控制電源，實(shí)現(xiàn)對電源的管理功能。電源管理電路原理圖如圖3所示。

圖3 電源管理電路原理圖Fig.3 Circuit block diagram of powermanagement

由于深海水體微生物培養(yǎng)系統(tǒng)將多次長時(shí)間采集環(huán)境參數(shù)，AD采樣的精度直接決定了回收數(shù)據(jù)的有效性，AVR低功耗微處理器內(nèi)部自帶的4路10位AD通道顯然不能滿足系統(tǒng)需求，需要進(jìn)行擴(kuò)展。AD轉(zhuǎn)換電路采用 AD公司的 AD7671AST芯片［3］，該芯片為16位AD轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)接口為并口方式，每次只有1路AD轉(zhuǎn)換，為了滿足系統(tǒng)至少6路采樣的要求，使用多路開關(guān)ADG1408YRUZ進(jìn)行多路轉(zhuǎn)換。AD轉(zhuǎn)換電路原理圖如圖4所示［4］。

圖4 AD轉(zhuǎn)換電路原理圖Fig.4 Circuit block diagram of AD conversion

3 培養(yǎng)動(dòng)作時(shí)序

軟件一向是控制系統(tǒng)的核心，研究能應(yīng)用于深海水體微生物培養(yǎng)系統(tǒng)的培養(yǎng)動(dòng)作時(shí)序更是系統(tǒng)的重中之重，只有既能滿足微生物原位富集需要又能大量節(jié)約系統(tǒng)能源的動(dòng)作時(shí)序才能充分滿足系統(tǒng)的需要。因此，本時(shí)序研究將在完成系統(tǒng)功能的情況下，充分考慮如何盡可能節(jié)約系統(tǒng)能源，以提高系統(tǒng)使用壽命。

整個(gè)控制過程包含預(yù)置準(zhǔn)備階段和培養(yǎng)控制階段2個(gè)階段。預(yù)置準(zhǔn)備階段控制流程如圖5所示，主要完成系統(tǒng)控制參數(shù)預(yù)置、數(shù)據(jù)回收、Flash擦除等功能。

圖5 預(yù)置準(zhǔn)備階段控制流程圖Fig.5 Circuit block diagram of AD conversion

為充分節(jié)約系統(tǒng)能源并防止執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作過程中的大電流信號對AD采樣等模擬信號的干擾，將系統(tǒng)動(dòng)作時(shí)序設(shè)計(jì)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)與傳感器采樣電路分開上電工作，并且在完成某一階段動(dòng)作過程并設(shè)定好下一次啟動(dòng)時(shí)間后即自動(dòng)切斷控制電源，進(jìn)入電源管理邏輯控制模塊待機(jī)狀態(tài)。系統(tǒng)控制流程如圖6所示。

系統(tǒng)工作時(shí)序從參數(shù)預(yù)置開始，中間自動(dòng)完成培養(yǎng)艙海水循環(huán)控制、微生物原位富集培養(yǎng)、環(huán)境參數(shù)采集等培養(yǎng)控制動(dòng)作，最后在完成回收數(shù)據(jù)后斷電結(jié)束。整個(gè)控制過程通過實(shí)現(xiàn)不同形式的海水循環(huán)在不影響海水中微生物富集培養(yǎng)的情況下，盡可能減少系統(tǒng)功耗，提高采集環(huán)境信息精度，增強(qiáng)系統(tǒng)工作效能。

圖6 培養(yǎng)控制階段控制流程圖Fig.6 Circuit block diagram of AD conversion

4 結(jié)語

本研究基于低功耗AVR微處理器設(shè)計(jì)，采用擴(kuò)展16位AD采樣電路結(jié)合低功耗設(shè)計(jì)有效解決了系統(tǒng)工作中將遭遇的難題，為深海微生物原位定值培養(yǎng)提供了系統(tǒng)的解決方案，并在工程實(shí)踐中得到充分的檢驗(yàn)，驗(yàn)證結(jié)果表明系統(tǒng)工作穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期的功能，具備一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

［1］ATmega128數(shù)據(jù)手冊 v2467L－AVR－05/04.

［2］康華光，陳大欽，張林.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分(4版）［M］.北京:高等教育出版社，1999.

［3］彭曉光，柏林，田彥民，等.新型全譜巖性密度測井儀［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2012，34(3）:133 －136.

PENG Xiao-guang，BAI Lin，TIAN Yan-min，et al.Development of a new full-spectrum litho-density logging tool［J］.Ship Science and Technology，2012，34(3）:133 －136.

［4］賽爾吉?dú)W·佛朗哥.基于運(yùn)算放大器和模擬集成電路的電路設(shè)計(jì)［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，2011.

SERGIO F.Design with operational amplifiers and analog integrated circuits［M］.Xi'an:Xi'an Jiaotong University Press，2011.

Research on method of deep-seam icrobe fixed enrichment

HUANG Qiang
(The 710 Research Institute of CSIC，Yichang 443003，China）

The deep-seamicrobe gene resource is very rich and which has already become the focus of the international sea resource competition.This paper dedicates to the research on a new deep-seamicrobe culture device.Low power costMCUs，actuators and sensors have been used on this device.Thework flow of the device is presented and which canmake sure that the device can work properly for a long time in deepsea high-pressure environment.Themethods to survey the water quality and to recover themicrobe enriched sample have been presented.The lake test showed that the deviceworked properly and it can be put on the market.

microbe plant;fixed-enrichment;low power cost MCU;act scheduling

Q178.533

A

1672－7649(2014）04－0100－03

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.04.020

2013－04－07;

2013－05－13

國家863計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012AA092102）

黃強(qiáng)(1982－），男，工程師，從事水下航行器控制技術(shù)研究。