深淵生物資源取樣裝備技術體系研究

2023-08-24 07:46:26陳家旺阮東瑞吳世軍潘彬彬方玉平何巍濤方家松

海洋工程 2023年4期

陳家旺，阮東瑞，王豪，周朋，吳世軍，潘彬彬，方玉平，何巍濤，黃越，方家松

（1.浙江大學海洋學院，浙江舟山 316021；2.浙江大學機械工程學院，浙江杭州 310027；3.上海海洋大學深淵科學工程技術研究中心，上海 201306）

海洋的總面積達到了3.6×109km2，占據了地球表面的71%，蘊藏著豐富的生物礦產資源［1］。深度超過6 000 m 的海域一般稱為超深海或深淵帶，僅占海洋總面積的1.2%［2］。深淵是一個高壓力、低溫度的極端生態環境，在深淵環境下生活的微生物與地面微生物相比有不同的生物特性。國內外科學家在馬里亞納海溝、雅浦海溝等深淵帶均發現了獨特的生物群落［3］。研究者對采集到的深淵微生物樣本進行分離和解析后發現，深淵微生物具有很高的豐度和多樣性，且往往具有一些特殊的功能，在這種極端環境下的生命也受到越來越多的重視［4］。近些年的研究中共發現了上萬種海洋生物天然產物，一些產物具有抗細胞衰老、抗病毒的生物特性，具有極高的藥用價值和商業價值，并且已有幾十個海洋抗癌藥物進入臨床或臨床前研究階段。然而，目前對于深淵中的生命現象和生命過程的認識受限于取樣技術的發展，對深淵生物和基因資源的探索與了解非常不足［5］。因此，對全海深深淵生物資源取樣裝備技術體系的研究不僅有助于了解海洋生命的起源過程，還能在許多不同的領域造福人類。

對利用采樣裝置采集到的深海樣品進行分析、測試和研究，是當前海洋資源和環境勘查工作的重點內容，然而深淵生物樣品采集難度大，在采集過程中由于環境壓力、溫度變化等因素會遭到嚴重的損壞［6］。縱觀目前世界各國利用傳統常規深海取樣技術獲取的樣本，無法滿足快速發展的地球科學、環境科學、海洋生物學和海洋資源研究對樣本的需求。傳統常規深海取樣技術一般不會對樣品進行保壓取樣，壓力等條件的變化會導致變價離子氧化狀態改變以及有機組分分解，致使一些生物死亡，樣品的原始成分與狀態不能精確反映［7］。

20世紀90年代，法國科學家開展了有關深海水域生物資源取樣器的研究，用12個500 ml的高壓采樣瓶收集到了3 500 m 深的海水樣品，并在實驗室進行培養和觀察［8］。由于采用傳統的取樣方法，一次取樣所能得到的微生物數量非常有限，因而越來越多的學者開始利用水樣來獲取更多的微生物。伍茲霍爾海洋研究所發明的SUPR取樣器可以采集地球化學樣品和微生物樣品，該取樣器采用圓盤式分層結構，可同時對24組大體積水樣進行快速的過濾［9］。此外，該研究小組在2012 年開發出一種改良的SUPR-V2 取樣裝置，可將過濾物料、未過濾的水樣以及濾液同時收集起來，從而構成一套系統的樣本。該取樣器最大工作深度為5 500 m［10］。后來，為了捕捉海底的浮游生物，Sentry Operations 研發了SyPRID 系統，該系統可以利用AUV 采集最大深度6 000 m 的樣品［11］。Shillito 等［12］設計了一種名為“PERISCOP”的取樣系統，使用噴嘴吸入的方式，可以在2 000 m 深海有選擇性地捕捉收集深海軟體動物，捕捉到了“深海熱液區盲蝦”樣本。2017 年，Garel 等［13］使用不銹鋼或者鈦合金原材料為科學界提供一種取樣壓力達到60 MPa，最大容量超過500 ml 的高壓保壓采取設備，且該設備上浮過程中壓力變化不超過5%。2018 年，Peoples 等［14］在馬里亞納海溝10 700 m布放了3次采樣器，成功實現了81%原位壓力保持，為海洋微生物中收集屬于黃桿菌科的微生物基因組提供了巨大幫助。2019年，Liu等［15］設計了一種全深海載流式潛水機械手持氣密沉積物采樣器，提出了一種壓力補償的系統模型，并通過計算和試驗驗證其可靠性。此外，Liu等［16］還設計了一種全海洋深度大型生物保壓采樣器（FMPS），建立了FMPS回收過程中壓力補償的數學模型，分析了其結構參數、壓力補償器結構參數和采樣環境對FMPS 保壓性能的影響，通過試驗和仿真的吻合度驗證模型的可靠性。2021 年，Oliver等［17］提出了高壓—高溫微生物批量培養系統，可以在100 MPa、160 °C的高壓高溫條件下實現不降壓的微生物取樣過程。

人類對海洋領域的探索已經達到全海深級別，對樣本質量的要求愈來愈高，對取樣裝置的設計也提出了更高的要求。深淵生物資源保壓取樣技術是進行深淵生物研究的先決條件，只有在擁有了足夠接近原始狀態樣品的情況下，才能夠進行深淵生物的研究［18］。根據當前的形勢，自主研制了用于全海深深度的深淵沉積物、水體和宏生物的保壓取樣裝置，深淵沉積物保壓轉移裝置，深淵微生物原位過濾及保存裝置和高壓培養高壓酶學測定裝置，為深淵生物和資源探測提供一套完整和成熟的技術體系。

1 深淵生物資源取樣裝備技術體系

研究深淵生命過程和生物學資源的關鍵首先是能夠獲取保持深淵原位狀態的高質量生物樣品。針對這一需求，解決全海深保壓取樣技術、全海深充油電機機構設計、主動補壓技術、壓力補償技術、保壓轉移技術、花瓣壓縮取樣技術等技術難題，研制基于海底著陸器和載人潛水器的深淵沉積物、水體、宏生物的保壓采樣和保壓轉移裝置，海水微生物原位過濾和保存裝置以及高壓培養高壓酶學測定裝置，形成深淵海域生物資源保壓取樣的裝備體系，為深淵生物和基因資源開發，深淵生命過程等科學研究提供技術手段。

1.1 深淵沉積物保壓取樣技術

深淵沉積物保壓取樣裝置主要應用于對深淵沉積物進行保壓取樣，裝置主體結構包括驅動部分和取樣部分兩個主要部分。驅動部分能使電機帶動蝸輪蝸桿旋轉運動，取樣部分能使蝸輪的旋轉運動帶動絲杠的往復運動，實現取樣過程。取樣裝置的結構如圖1所示，該裝置主要由充油電機、減速傳動機構、絲杠傳動機構、取樣機構、保壓筒、蓄能器、壓力傳感器和各種高壓針閥及金屬硬管等組成［19］。

圖1 取樣裝置總體方案設計Fig.1 Overall solution design of the sampler

1.1.1 自密封式取樣技術

與之前的深海沉積物保壓取樣裝置相比，這里提出的裝置在取樣和密封方式上有很大不同（如圖2 所示）。在海底進行取樣時，不依賴于母船上的動力源，自帶水下電池驅動充油電機，通過電路板定時啟動電機，驅動電機軸正向旋轉，電機軸通過鍵連接帶動齒輪減速傳動機構，大齒輪中間加工有梯形內螺紋，與絲杠的梯形外螺紋嚙合，絲杠有限位機構，將大齒輪的旋轉運動轉化成絲杠的上下往復運動，絲杠、活塞、取樣筒等通過螺紋連接或者焊接的方式連成一個整體，同步運動。取樣裝置搭載于著陸器上，著陸器觸底一段時間后充油電機定時啟動，絲杠帶動取樣筒向下運動，壓縮的花瓣在脫離保壓筒的束縛后會張開，將沉積物壓入到取樣筒中，待取樣完成后，電機反轉將取樣筒回收到保壓筒中。在電機反轉的過程中，花瓣會被保壓筒內壁壓縮產生變形，取樣錐頭側面的沉積物在經過保壓筒下端的防塵圈時會被刮除，不影響下端O型圈的密封，上端通過取樣活塞上的O型圈實現密封。在取樣完成提升至海面的過程中，可能由于保壓筒體積膨脹、密封圈受壓位移和微量的泄露使得內部壓力減小，此時蓄能器會補償內部損失的壓力，蓄能器在使用前應預先向內部充入一定壓力的氮氣。壓力傳感器記錄整個過程中保壓筒內部的壓力變化情況，并存儲在控制板中，待回收后可導出控制板上記錄的數據。

圖2 取樣機構Fig.2 Sampling mechanism

1.1.2 環狀取樣分析

為合理選擇電機和設計傳動機構，驗證取樣機構的取樣性能，擬通過貫入測試得到所需驅動力。選取3 種不同性質的黏土，即流塑性，塑性和硬塑性黏土對貫入過程進行測試，試驗結果見表1，同時測試取樣器對于不同性質的土的取樣性能。搭建如圖3所示的貫入力測試平臺。

表1 貫入測試結果Tab.1 Penetration test results

圖3 貫入測試Fig.3 Penetration test

結果表明隨著土壤的流塑性上升，取樣器通過環形空間保留樣品，并且下方幾乎沒有支撐，取樣裝置的取樣效果會受到影響。樣品在取樣筒內保留主要是由于沉積物與取樣筒內壁和連桿臂之間的摩擦力，以及黏土本身的黏聚力。因此，所提出的取樣器在中等塑性沉積物或黏塑性沉積物中有較好的取樣效果。

1.2 深淵沉積物保壓轉移技術

沉積物保壓轉移裝置用來將海底沉積物取樣器里的樣品轉移到實驗室用培養釜中，對沉積物中的微生物樣品進行分離和培養。保壓轉移裝置可以減小取樣裝置和培養皿之間轉移時的壓力變化，避免對微生物的生存環境造成破環。壓力穩定系統采用了自行設計的錐形密封和直角組合密封，可以滿足全海深范圍的保壓轉移需求。轉移過程首先進行高壓容器打壓，這個過程要考慮排出空氣、打壓時間、打壓升高的溫度、進口安裝及連接問題；然后是將沉積物混合物轉移至培養釜中，培養釜一腔受到壓力推動活塞前進，則另一端壓力增大，溢流閥發揮作用，完成樣品的轉移且壓力恒定不變［20］，保壓轉移過程如圖4所示。

圖4 沉積物保壓轉移過程Fig.4 Pressure-retaining transfer of seabed sediment samples

1.3 深淵宏生物保壓取樣技術

深淵宏生物保壓取樣裝置由生物誘捕取樣機構及運動驅動系統組成（如圖5所示）。生物誘捕取樣機構能夠在不污染海底環境的情況下誘捕生物進入取樣管，完成取樣工作；運動驅動機構能夠實現取樣活塞的伸出和回收工作，完成樣品的保壓取樣［21］。

圖5 深淵宏生物保壓取樣裝置Fig.5 Abyssal biological pressure-holding sampling device

1.3.1 海底自動取樣控制系統

由于取樣器工作深度大，與甲板通訊困難，因此設計了使取樣器在海底自動工作的控制系統。控制系統封裝在一個鈦合金空艙內，通過水密接插件連接外部設備。控制系統功能如圖6 所示。控制系統核心為STM32H750 單片機，該芯片具有多電源域架構，允許將不同的電源域設置為低功耗模式以節約電能。控制系統的時鐘模塊用于設定和計量系統時間。RS232 通訊模塊用于與上位機通訊；RS485 通訊模塊用于與電機驅動模塊進行通訊，控制電機按照設定時間啟停；溫度和壓力探頭測量整個過程的壓力，通過信號采集模塊和數模轉化模塊存儲到數據存儲模塊中。

圖6 控制系統結構Fig.6 Control system structure

1.3.2 液體壓力補償技術

液體補償機構是為了補償密封圈移動導致的壓力降低（如圖7所示）。考慮到取樣活塞始終位于保壓筒內部的密封圈，在取樣結束回收至筒內后，由于相對運動的摩擦力，該密封圈會運動至溝槽左側。隨著取樣器的回收，外界壓力降低，密封圈會被壓至溝槽右側，導致艙內體積增大，壓力降低。而蓄能器作為一種被動式壓力補償機構，響應較慢，難以補償這一部分損失。因此，建立了一套主動增壓裝置，在取樣動作完成，取樣活塞回收后，啟動主動補壓裝置，在取樣結束后，立即向保壓筒內壓入水，以期能夠補償由于密封圈移動造成的壓降。

圖7 密封圈移動導致的壓力降低Fig.7 Pressure reduction due to seal movement

所用O 型密封圈線徑為3.55 mm，密封溝槽根據國標設計，溝槽外徑d1為80 mm，底徑d2為74.4 mm，取O型圈位移s為2 mm。可按照式（1）計算由密封圈移動引起的體積變化ΔVo。

液體壓力補償裝置詳細結構如圖8 所示。取樣器布放到海底之前，向壓力補償裝置內充入純凈水。補壓裝置通過不銹鋼毛細管和截止閥連接至保壓筒。取樣結束后，啟動補壓電機。補壓電機輸出軸與主動齒輪之間、從動齒輪與活塞桿之間均為鍵槽配合。主動齒輪帶動從動齒輪軸向運動，從而帶動活塞桿軸向運動，將純凈水推入保壓筒，在海底建立保壓筒與外界的壓差。設計總活塞缸內徑為18 mm，行程為5 mm，總補償量為1.3 ml。

圖8 液體壓力補償裝置Fig.8 Liquid pressure compensation device

1.4 深淵水體保壓取樣技術

深淵水體保壓取樣裝置（如圖9所示）是為了獲得深淵底部化學環境特征、生物群落特征，為深淵海底環境、深淵地球化學過程和生命過程等科學研究提供技術手段。取樣器應用于海底水體的采樣工作中，在不破壞深淵海水樣品的內部化學組分和微生物活性的前提下，將維持原位壓力的樣品采集到實驗室以用于進一步的科學分析研究。依靠高純度壓縮氮氣進行壓力補償，取樣器在回收和樣品轉移過程中能維持海水樣品壓力基本不變［22］。

圖9 深淵水體保壓取樣裝置Fig.9 Abyssal water holding pressure sampling device

1.4.1 滑環組合密封的密封設計

針對取樣器使用的單向動密封設計開展了滑環組合密封的密封機理研究，通過對滑環在不同壓縮量、不同壓力下的仿真分析及密封力的提取，驗證了此種密封結構可以很好地滿足單向動密封的設計要求。同時滑環組合密封可以大幅降低O 形圈的內應力，從而起到保護O 形圈的作用。針對取樣器使用的O 形圈雙向靜態密封設計，使用有限元仿真對雙向密封時不同壓縮量、不同線徑和不同壓力等參數的情況進行了分析，提出了雙向密封設計規律。最后進行了O 形圈雙向密封的試驗驗證（如圖10 所示），證明了雙向密封設計在全海深環境壓力下的可行性。

圖10 密封壓力測試Fig.10 Seal pressure test

1.4.2 氣體壓力補償方案

氣體補償式取樣系統采用被動式取樣原理并以氣體蓄能器中的高壓縮氣體作為緩沖介質來維持樣品的壓力波動。作為實現精準保壓取樣關鍵部件的取樣筒，其主要由樣品腔、連接器、蓄能腔、活塞和密封件等組成，如圖11所示。

圖11 氣體壓力補償原理Fig.11 Principle of gas pressure compensation

樣品腔與蓄能腔中各有一個活塞，蓄能腔上設有截止閥，中部連接器的內部設有節流口。在取樣筒內部，2個活塞將其分成3個部分，分別為海水樣品、去離子水和高壓氣體。取樣時樣品從進樣口進入樣品腔，采用內外壓力差的原理進行被動式取樣。海水壓力遠大于筒內的壓力，由活塞兩側的壓力差來推動活塞運動，蓄能腔中高壓氮氣被壓縮，當筒內壓力與外界海水壓力相等時，取樣完成。兩活塞中間的去離子水在通過節流口時，筒內部液體流動的速度會被限定在很小的范圍內，防止因流速過快導致樣品的氣液相變化以及產生損害取樣筒的可能。

1.5 高壓酶學測定技術

高壓培養高壓酶學測定裝置（如圖12所示）可以測定水樣中的溶解酶和顆粒附著酶，闡述微生物胞外酶的產生機制和對深淵元素循環的調控作用。針對深淵區尤其是全海深微生物研究中的高壓酶學測定需求，在兩代全海深著陸器以及深海耐壓部件設備研發的基礎上，通過改進60 MPa進口酶學反應裝置存在的活塞容易卡住、壓力不足115 MPa、端蓋拆裝困難等問題，研發了國產全海深高壓酶學測定裝置（圖12）。使用深淵水體保壓取樣技術取得深淵保壓水樣，成功進行了原位保真海水胞外酶活性測量。α-葡萄糖苷酶在常壓條件下的酶活性與保壓下的酶活性差別較大，隨著深度的增加，保壓酶活性逐漸超過常壓酶活性。

圖12 高壓酶學測定裝置Fig.12 High pressure enzymatic assay device

1.6 深淵微生物原位過濾及保存技術

深淵微生物原位過濾及保存裝置是一套以過濾管路為主體，包含水下控制艙和水下電池的機電綜合系統。電機提供動力驅動抽吸泵運轉，通過抽吸作用使外界海水持續流過過濾器。當經過過濾器中的微孔濾膜時，海水中大于濾膜孔徑的微生物會被截留并保存下來。深淵微生物原位過濾裝置工作原理如圖13 所示，通過電機和抽吸泵的持續工作，可以使濾膜表面的微生物含量不斷提高，從而獲得富集的大濃度微生物樣品。待過濾過程結束后，通過另一臺電機推動RNA 注射筒的活塞，將其中的RNAlater 保存液緩慢推送進各個過濾器，對富集在濾膜上的微生物進行固定。過濾管路的前端和后端都設置有單向閥，確保當抽吸泵不工作時管路內部完全與外界海水環境隔離，從而有效避免樣品污染［23］。

圖13 深淵微生物原位過濾裝置工作原理Fig.13 Principle of abyssal microbial in situ filtration device

1.6.1 多級膜分離過濾過程仿真分析

對多級膜分離過濾過程進行了建模仿真計算，分析了膜分離過濾的基本機理和影響過濾效果的主要因素，并采用ANSYS Fluent 流體仿真軟件對多級膜分離過濾過程進行仿真。如圖14 所示，Fluent 軟件中的離散相模型可以在一定程度上模擬出不同尺寸的粒子在經過多級濾膜時的截留分布狀況。對于被濾膜截留的較大尺寸粒子，入口流速的大小基本不影響其最終的分布狀況；而對于不被濾膜截留的小尺寸粒子，適當增大入口流速能使其分布得更加均勻。對于被某一道濾膜截留的粒子，最終會聚集分布在濾膜表面尤其是邊緣區域，且改變入口流速對這部分粒子的分布狀況影響很小。

圖14 入口流速為0.2 m/s時粒子的體積分數云圖Fig.14 Volume fraction of particles at an inlet flow rate of 0.2 m/s

1.6.2 深海電機設計

壓力補償式深海電機的結構如圖15 所示，其前后兩側分別通過螺栓固定在前端蓋和連接塊上，從而與前艙體形成穩定結構。為了將電機軸從外殼中引出，設計了與之配套的輸出軸，兩者通過緊定螺釘連接。輸出軸與前端蓋之間采用泛塞式密封圈進行旋轉動密封，泛塞式密封圈是一種內裝特殊彈簧的高性能密封件，由適當的彈簧力加上系統流體壓力，將密封唇頂出而緊緊壓住被密封面，具有優異的密封效果。為了配合泛塞式密封圈的安裝，前端蓋上的溝槽作開式設計，通過壓蓋進行固定。后艙體內部用于安放電機驅動板、控制板以及接線，側面裝有標準四芯水密接頭，可以用于全海深環境。為了進行液壓油的灌注，后艙體側面另開有充油口和排氣口。橡膠油囊呈半球殼形，安裝在后艙體的后側，可以隨著外界環境壓力的變化發生彈性形變。后端蓋為圓臺形，主要用于固定橡膠油囊。后端蓋上安裝有彈簧結構，為橡膠油囊提供初始形變，以確保深海電機的內部壓強始終略大于外部［24］。

圖15 壓力補償式深海電機結構Fig.15 Structure of pressure compensated deep sea motor

2 試驗驗證

深海超高壓環境模擬裝置用于深海技術裝備在深海環境下的長時間性能模擬試驗，對試驗裝備進行密封性考核、強度測試、滲漏檢測以及檢驗其在高壓環境下的動作執行情況。文中設計研制的取樣裝置進行了60 和100 MPa 高壓艙環境模擬試驗（如圖16 所示），取樣裝置通過定時的方式進行工作，經過試驗裝置運行正常，各項指標均達到設計要求，取樣裝置具備在萬米高壓環境下進行正常作業的能力。

圖16 深海環境模擬試驗Fig.16 Deep sea environment simulation experiment

檢驗全海深保壓取樣技術萬米級深淵環境作業的能力，以及初步進行高品質深淵生物樣品的采集獲取，進行馬里亞納海溝海域海上試驗。全海深取樣裝置可通過搭載潛水器或著陸器進行深淵生物資源取樣，通過預先設定的程序進行自動取樣，回收后根據采集樣品體積和樣品壓力兩項主要指標來評價取樣裝置性能。

2019年11月開展馬里亞納海溝海域的TS15深淵航次（如圖17所示），主要目標是對深淵生物資源取樣裝備技術進行海試驗證。航次搭乘“探索一號”科考船，由三亞出發前往馬里亞納海溝海域，航次全程耗時46 d，共擬定了8 個采樣站位，水深均在5 500 m 以上，最大水深達到10 931 m。成功進行了深淵水體保壓取樣裝置、微生物原位過濾及保存裝置和高壓培養高壓酶學裝置的海上試驗測試。

圖17 TS15海上試驗Fig.17 TS15 sea trial

2021年8月11日—10月8日和10月14日—12月5日，研制的相關設備參加了“探索一號”TS21-1、TS21-2航次，采集獲取深淵生物資源，為研究深淵生物生命過程及應用潛力評估等提供樣本。試驗海區為西菲律賓海盆及馬里亞納海溝挑戰者深淵，水深7 700～10 909 m，試驗過程如圖18所示。

圖18 TS21海上試驗Fig.18 TS21 sea trial

全海深取樣裝置總共搭載“奮斗者”號7個潛次，“原位實驗”號著陸器5個潛次，水下工作場景如圖19所示。獲取了7 700～10 900 m深度范圍的宏生物、沉積物、水體保壓樣品和微生物原位過濾濾膜，宏生物、沉積物、水體保壓樣品及沉積物保壓轉移過程壓力變化均小于20%。全海深深淵沉積物、水體和宏生物的保壓取樣裝置、深淵沉積物保壓轉移裝置、深淵微生物原位過濾及保存裝置和高壓培養高壓酶學測定裝置成功完成了萬米海上試驗。