高通量深海海水原位采樣及分級過濾系統*

陳永華 于 非 李曉龍① 宋 凱 劉慶奎 李培海姜靜波 倪佐濤 徐永平 涂登志

(1. 中國科學院海洋研究所 青島 266071; 2. 青島科技大學 青島 266061)

深海懸浮顆粒物(包括浮游微生物和懸浮泥沙等)的精確測量對研究海洋物質輸運和水體要素特征具有重要意義。傳統測量方法被認為是最準確的方法,通過現場取水(三點或六點法), 對采集水樣抽濾、稱重、計算懸浮顆粒物質量濃度, 但僅能得到某幾層深度、較大時間間隔的懸浮顆粒物數據, 耗時耗力。現代測量方法利用光學、聲學、密度、介電常數等傳感器間接觀測懸浮顆粒物濃度, 其特點是效率高、連續采集、可獲得具有較高時空分辨率的懸浮顆粒物信息,但其測量精度較低, 而且這些觀測手段都需要在使用前進行設備校準, 并受到適用深度限制(Raiet al,2015)。因此, 如何實現省時省力、全水深、多層水體懸浮顆粒物濃度的測量, 是目前海洋物質研究迫切需要解決的關鍵技術。

國內外針對水體原位采樣技術的研究起始已久。1987年加拿大滑鐵盧大學Johnson等(1987)研制了一種小口徑的采樣器, 用于收集地下水中的可揮發性有機物。2003年 Woods Hole海洋研究所和 Mclane公司聯合研發了一種大體積水樣抽濾采樣系統(large volume water transfer system, WTS-LV)( Morrisonet al, 2000; Pfitschet al, 2003), 采用微孔過濾器原位過濾水體中的懸浮顆粒物。國內, 浙江大學和中南大學等單位先后開展了深海保真取樣和在線檢測設備的研發(陳毅章, 2004; 胡國慶, 2011; 劉玉靜, 2011), 但多受限于深海泵和采樣量的技術瓶頸。

中國科學院海洋研究所于2004年起開展深海水體原位采樣技術研究, 針對國內外深海原位采樣技術中存在的難點, 多次試驗并成功進行深海采樣工作。自2013年在中國科學院戰略性先導科技專項研究經費的支持下, 開展深海原位抽濾取樣技術的研究, 成功研制出適用于深海環境下分級過濾獲取懸浮顆粒物的采樣系統, 并多次應用于科考航次。本文第1部分詳細介紹了高通量深海海水采樣及分級過濾系統的結構及設計準則, 并將該系統的深度儀與國際上廣泛應用的高精度傳感器進行比測, 深海采樣實驗在文中第3部分進行討論。該系統高通量和快速、便捷的采樣特點, 為深海原位抽濾技術提供了技術基礎。

1　系統結構

深海海水原位采樣及分級過濾系統, 主要由抽濾控制及供電系統、深海泵、過濾艙、單向閥及流量計等組成(圖 1), 可應用于海洋、湖泊、河流、水庫等多種水體中進行浮游生物、痕量金屬、沉積顆粒物等樣品的采集工作。

表1　深海海水原位采樣及分級過濾系統技術指標Tab.1 Technical parameters of The Large Volume Water Transfer and Graded Filtration System for in-Situ Sampling in Deep-sea

圖1　深海海水原位采樣及分級過濾系統結構示意圖Fig.1 The sketch of the large volume water transfer and graded filtration system

圖2　立體采樣示意圖Fig.2 The multilayer sampling of the system

考慮實際海洋應用環境, 抽濾控制電路、電池以及壓力傳感器的采樣電路均被密封在耐壓大于40Mpa的殼體內, 壓力傳感器的探頭與海水接觸, 形成抽濾控制及供電系統, 可通過 RS-232串口通信方式和計算機連接設置, 通信波特率為9600Bd/s。控制電路通過時鐘或深度判斷, 觸發深海泵工作, 泵的出水端與過濾艙體進水端連接, 形成水壓均勻的流量已通過濾膜、且保證濾膜無破損。單向閥用于控制抽濾水體流向, 防止采樣回流現象。采樣水體的通量由流量計記錄, 用以計算水體懸浮顆粒物的濃度。該系統的主要技術指標如表1所示, 其中過濾艙內設置多層不同孔徑的濾膜, 抽濾水體依次通過濾膜的孔徑由大至小變化, 從而獲得不同粒徑的懸浮物。另外,濾膜的類型可根據分析物質成分的要求而更換, 濾膜數量可以通過增加或減少濾膜支盤進行調整, 通常采用 3層濾膜結構(深海環境采用 0.22、1和 5μm孔徑濾膜), 最多可安裝5層濾膜, 相鄰濾膜支盤間采用O型圈密封, 其間距為10mm。對于渾濁水體(如近岸海水), 應針對取樣量進行抽濾時間限制, 以防止濾膜孔徑堵塞。

該系統可以多套、同纜布放使用, 實現多個水層的同步、立體采樣, 如圖2所示。基于該系統的小型化和便捷性特點, 實施同步、立體采樣有利于水體剖面懸浮物變化的分析。這種方式彌補了傳統采樣方式無法實現多水層、同步采樣的缺陷, 可以為精確地獲取水體物質變化特征提供保障。

抽濾控制及供電系統中, 可通過多路繼電開關控制不同水質情況下海水流通速率和工作時長, 為了準確控制系統時鐘的精確校時和計時, 系統設有外部時鐘模塊, 從而有效控制工作時長。通過多通道模數轉換(analog to digital converter, ADC)采樣模塊實現多種海洋環境參數、以及抽濾系統姿態的測量,從而準確還原采樣過程中的海洋環境變化。系統采用深度觸發和時間觸發兩種工作模式。深度閾值觸發模式下, 該系統能夠在準確的深度范圍內進行原位采樣, 避免海流變化所產生的深度浮動問題。時間觸發和深度觸發模式的工作流程如圖3所示。該系統的默認工作模式屬于時間閾值模式, 無需啟動時設定工作參數, 按照核心控制板上芯片的編寫程序進行工作。時間觸發和深度觸發模式下, 分別設定啟動觸發時間和觸發深度值, 作為啟動深海泵的判斷依據。時間觸發模式下, 啟動抽濾泵后, 工作時長遞減至0時停止抽濾。深度觸發模式下, 如果該系統受海流影響,出現所在深度浮動超出設定深度范圍, 那么抽濾動作暫停, 等待系統采樣深度值匹配成功后繼續工作,并且抽濾動作進行的同時累加工作時間, 以達到所設定工作時長后停止采樣。

圖3　抽濾采樣控制流程圖Fig.3 Flow chart of the pumping and sampling control

圖4　實驗過程中原位采樣系統與SeaBird 37-CTD測量深度的變化Fig.4 Depths measured by the in situ sampling system and SeaBird 37-CTD during the experiment

2　系統性能

深海海水原位采樣及分級過濾系統中設有深度儀, 采用高精度、液壓型壓力傳感器, 用于工作深度記錄和深度閾值觸發。在深度測量比對實驗中, 利用校準后的SeaBird 37-CTD和本文系統進行壓力測量,最終獲取相應壓力轉換后的深度數據, 其最高采樣頻率分別為 1/6和 10Hz。壓力實驗采用深海型密封艙, 將SeaBird 37-CTD采樣率設為1/6Hz, 原位采樣系統的采樣率調整為1Hz, 將兩種設備的時鐘調整一致。深度對比時選取采樣時間一致的數據, 實驗過程中記錄的深度值變化如圖4所示, 多次重復加壓后泄壓過程, 獲取水體壓力變化以模擬不同深度情況。圖5中對深度數據進一步比較, 直線擬合為y=x-3.8, 深度殘差在±10m內。300至3000m深度范圍內均方根誤差為 5.72%, 0至 300m深度范圍內均方根誤差19.70%。由于該系統壓力傳感器的滿量程為 40Mpa,精度≤±0.25% FSO, 因此其測量誤差為±10m, 這也帶來淺水深時均方根誤差較大的問題。從深度對比結果可以看到, 深海原位采樣系統與校準后的 SeaBird 37-CTD在200至3000m水深范圍內數據一致, 淺水情況下水深比對效果較差, 并在211m處產生奇異點,查驗壓力艙內結構發現, 這是由加壓過程中水體顆粒物對壓力探頭的芯體產生撞擊所致。因此, 對該系統的深度探頭處進行了濾網改進, 以避除快速布放產生水體擾動、從而引起水中顆粒物的干擾。

圖5　原位采樣系統與SeaBird 37-CTD測量深度對比Fig.5 Depth comparison of the in-situ sampling system and SeaBird 37-CTD

目前, 國際上相同功能的設備為 WTS-LV采樣器, 其主要功能部件是柱塞泵, 采用不銹鋼及鈦合金制成主體, 最大可承受 5500m水深壓力。相對于WTS-LV, 深海海水原位采樣及分級過濾系統在小型化的基礎上, 實現了更多層級濾膜的采樣和較大范圍的流量控制, 兩套原位抽濾系統的參數對比如表 2所示。針對此類海洋裝備的實際應用需求, 該系統實現了所有部件的自主研制和深海測試及應用, 尤其是深海泵的研發與應用。

表2　原位抽濾系統參數對比Tab.2 Parameters Comparison of foreign and domestic in-situ systems

3　深海實驗

在測試系統可靠性后, 深海海水原位采樣及分級過濾系統被應用于多個科考航次。其中, 在“科學”號考察船的西太平洋考察應用航次中, 多次使用該系統進行海水原位采樣, 并對抽濾工作模式、系統喚醒時長、采樣時長等多種參數進行更改設置, 以實現不同海域情況中的采樣可控性, 并獲得多個樣本進行海水菌落分離。圖6為已成型的第一代深海海水原位采樣及分級過濾系統, 以及其應用實驗和樣本照片。

本文所列舉的樣本采樣站點位于熱帶深海區域(141.0°E, 8.1°N, 圖 7), 采樣深度為 3505m。采集海水濾紙片樣品經富集稀釋涂布平板后, 挑取生長起來的不同菌落進行劃線分離。目前篩選到25株細菌, 測序構建進化樹如圖 8所示, 其中 9株細菌為Halomonassp., 6株為Pseudomonassp., 1株為Idiomarinasp., 2株細菌為Alteromonassp., 1株為Stenotrophomonassp., 1株為Ochrobactrumsp., 1株為Citricoccussp., 1株為Exiguobacteriumsp., 3株為Bacillussp.。此外我們從這些菌中篩選到7株細菌可降解去污劑SDS(Sodium Dodecyl Sulfate, 十二烷基硫酸鈉), 其中 6株均為Pseudomonassp., 1株為Halomonassp.。經分離的所有菌株均為海洋常見菌屬,其中菌株較多的Halomonassp.為嗜鹽菌, 多在鹽度較高的海域生長(李春芳, 2015), 而本文采樣點位于熱帶西太平洋區域, 高溫高鹽, 非常適宜Halomonassp.生長。

圖6　系統實驗及采樣照片Fig.6 Photos of the system and sampling experiment

圖7　采樣站點Fig.7 A sampling site of the system

圖8　樣本菌落進化樹Fig.8 The evolutionary tree of the bacterial colony samples

4　結論

高通量深海海水原位采樣及分級過濾系統現已研制完成, 并進行了科考應用, 其深度測量數據與應用廣泛的 SeaBird 37-CTD所測深度一致, 確保了系統應用時不同水深采樣的準確性。目前深海應用實驗表明, 該采樣及分級過濾系統能夠成功應用于海洋科考航次, 獲取樣本符合采樣海域的生態及物理特性。由于實驗室壓力測試條件有限, 當前系統耐壓僅為40Mpa, 而在下一步工作中, 將設計耐壓6000m的各部分艙體并進行實驗。

劉玉靜, 2011. 深海微生物量原位在線自動檢測系統設計. 杭

州: 浙江大學碩士學位論文, 50—51

李春芳, 2015. 中度嗜鹽嗜堿菌Halomonassp. 19—A中相關Na+/H+逆向轉運蛋白基因的克隆與功能研究. 濟南: 山東大學碩士學位論文, 12—14

陳毅章, 2004. 深海懸浮物濃縮保真取樣器保壓性能及薄膜過流能力研究. 長沙: 中南大學碩士學位論文, 12—15

胡國慶, 2011. 深海海水柱塞往復泵的研制. 杭州: 浙江大學碩士學位論文, 7—8

Johnson R L, Pankow J F, Cherry J A, 1987. Design of a ground-water sampler for collecting volatile organics and dissolved gases in small-diameter wells. Groundwater, 25(4):448—454

Morrison A T, Billings J D, Doherty K W, 2000. The McLane WTS-LV: a large volume, high accuracy, oceanographic sampling pump. In: OCEANS 2000 MTS/IEEE Conference and Exhibition. Providence, RI, USA, USA: IEEE, 2:847—852

Pfitsch D W, Morrison A T, 2003. Performance of large volume water transfer systems during in-situ water sampling. In:Proceedings of Oceans 2003. San Diego, CA, USA: IEEE, 4:2242—2246

Rai A K, Kumar A, 2015. Continuous measurement of suspended sediment concentration: Technological advancement and future outlook. Measurement, 76: 209—227