深渊生物资源取样装备技术体系研究

2023-08-24陈家旺阮东瑞吴世军潘彬彬方玉平何巍涛方家松

海洋工程 2023年4期

陈家旺，阮东瑞，王豪，周朋，吴世军，潘彬彬，方玉平，何巍涛，黄越，方家松

（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）

海洋的总面积达到了3.6×109km2，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 m［10］。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），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，深渊生命过程等科学研究提供技术手段。

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］。

图1 取样装置总体方案设计Fig.1 Overall solution design of the sampler

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，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。

图2 取样机构Fig.2 Sampling mechanism

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。

表1 贯入测试结果Tab.1 Penetration test results

图3 贯入测试Fig.3 Penetration test

结果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。

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。

图4 沉积物保压转移过程Fig.4 Pressure-retaining transfer of seabed sediment samples

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］。

图5 深渊宏生物保压取样装置Fig.5 Abyssal biological pressure-holding sampling device

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。

图6 控制系统结构Fig.6 Control system structure

1.3.2 液体压力补偿技术

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。

图7 密封圈移动导致的压力降低Fig.7 Pressure reduction due to seal movement

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，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ΔVo。

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。

图8 液体压力补偿装置Fig.8 Liquid pressure compensation device

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、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一步的科学分析研究。依靠高纯度压缩氮气进行压力补偿，取样器在回收和样品转移过程中能维持海水样品压力基本不变［22］。

图9 深渊水体保压取样装置Fig.9 Abyssal water holding pressure sampling device

1.4.1 滑环组合密封的密封设计

针对取样器使用的单向动密封设计开展了滑环组合密封的密封机理研究，通过对滑环在不同压缩量、不同压力下的仿真分析及密封力的提取，验证了此种密封结构可以很好地满足单向动密封的设计要求。同时滑环组合密封可以大幅降低O 形圈的内应力，从而起到保护O 形圈的作用。针对取样器使用的O 形圈双向静态密封设计，使用有限元仿真对双向密封时不同压缩量、不同线径和不同压力等参数的情况进行了分析，提出了双向密封设计规律。最后进行了O 形圈双向密封的试验验证（如图10 所示），证明了双向密封设计在全海深环境压力下的可行性。

图10 密封压力测试Fig.10 Seal pressure test

1.4.2 气体压力补偿方案

气体补偿式取样系统采用被动式取样原理并以气体蓄能器中的高压缩气体作为缓冲介质来维持样品的压力波动。作为实现精准保压取样关键部件的取样筒，其主要由样品腔、连接器、蓄能腔、活塞和密封件等组成，如图11所示。

图11 气体压力补偿原理Fig.11 Principle of gas pressure compensation

样品腔与蓄能腔中各有一个活塞，蓄能腔上设有截止阀，中部连接器的内部设有节流口。在取样筒内部，2个活塞将其分成3个部分，分别为海水样品、去离子水和高压气体。取样时样品从进样口进入样品腔，采用内外压力差的原理进行被动式取样。海水压力远大于筒内的压力，由活塞两侧的压力差来推动活塞运动，蓄能腔中高压氮气被压缩，当筒内压力与外界海水压力相等时，取样完成。两活塞中间的去离子水在通过节流口时，筒内部液体流动的速度会被限定在很小的范围内，防止因流速过快导致样品的气液相变化以及产生损害取样筒的可能。

1.5 高压酶学测定技术

高压培养高压酶学测定装置（如图12所示）可以测定水样中的溶解酶和颗粒附着酶，阐述微生物胞外酶的产生机制和对深渊元素循环的调控作用。针对深渊区尤其是全海深微生物研究中的高压酶学测定需求，在两代全海深着陆器以及深海耐压部件设备研发的基础上，通过改进60 MPa进口酶学反应装置存在的活塞容易卡住、压力不足115 MPa、端盖拆装困难等问题，研发了国产全海深高压酶学测定装置（图12）。使用深渊水体保压取样技术取得深渊保压水样，成功进行了原位保真海水胞外酶活性测量。α-葡萄糖苷酶在常压条件下的酶活性与保压下的酶活性差别较大，随着深度的增加，保压酶活性逐渐超过常压酶活性。

图12 高压酶学测定装置Fig.12 High pressure enzymatic assay device

1.6 深渊微生物原位过滤及保存技术

深渊微生物原位过滤及保存装置是一套以过滤管路为主体，包含水下控制舱和水下电池的机电综合系统。电机提供动力驱动抽吸泵运转，通过抽吸作用使外界海水持续流过过滤器。当经过过滤器中的微孔滤膜时，海水中大于滤膜孔径的微生物会被截留并保存下来。深渊微生物原位过滤装置工作原理如图13 所示，通过电机和抽吸泵的持续工作，可以使滤膜表面的微生物含量不断提高，从而获得富集的大浓度微生物样品。待过滤过程结束后，通过另一台电机推动RNA 注射筒的活塞，将其中的RNAlater 保存液缓慢推送进各个过滤器，对富集在滤膜上的微生物进行固定。过滤管路的前端和后端都设置有单向阀，确保当抽吸泵不工作时管路内部完全与外界海水环境隔离，从而有效避免样品污染［23］。

图13 深渊微生物原位过滤装置工作原理Fig.13 Principle of abyssal microbial in situ filtration device

1.6.1 多级膜分离过滤过程仿真分析

对多级膜分离过滤过程进行了建模仿真计算，分析了膜分离过滤的基本机理和影响过滤效果的主要因素，并采用ANSYS Fluent 流体仿真软件对多级膜分离过滤过程进行仿真。如图14 所示，Fluent 软件中的离散相模型可以在一定程度上模拟出不同尺寸的粒子在经过多级滤膜时的截留分布状况。对于被滤膜截留的较大尺寸粒子，入口流速的大小基本不影响其最终的分布状况；而对于不被滤膜截留的小尺寸粒子，适当增大入口流速能使其分布得更加均匀。对于被某一道滤膜截留的粒子，最终会聚集分布在滤膜表面尤其是边缘区域，且改变入口流速对这部分粒子的分布状况影响很小。

图14 入口流速为0.2 m/s时粒子的体积分数云图Fig.14 Volume fraction of particles at an inlet flow rate of 0.2 m/s

1.6.2 深海电机设计

压力补偿式深海电机的结构如图15 所示，其前后两侧分别通过螺栓固定在前端盖和连接块上，从而与前舱体形成稳定结构。为了将电机轴从外壳中引出，设计了与之配套的输出轴，两者通过紧定螺钉连接。输出轴与前端盖之间采用泛塞式密封圈进行旋转动密封，泛塞式密封圈是一种内装特殊弹簧的高性能密封件，由适当的弹簧力加上系统流体压力，将密封唇顶出而紧紧压住被密封面，具有优异的密封效果。为了配合泛塞式密封圈的安装，前端盖上的沟槽作开式设计，通过压盖进行固定。后舱体内部用于安放电机驱动板、控制板以及接线，侧面装有标准四芯水密接头，可以用于全海深环境。为了进行液压油的灌注，后舱体侧面另开有充油口和排气口。橡胶油囊呈半球壳形，安装在后舱体的后侧，可以随着外界环境压力的变化发生弹性形变。后端盖为圆台形，主要用于固定橡胶油囊。后端盖上安装有弹簧结构，为橡胶油囊提供初始形变，以确保深海电机的内部压强始终略大于外部［24］。

图15 压力补偿式深海电机结构Fig.15 Structure of pressure compensated deep sea motor

2 试验验证

深海超高压环境模拟装置用于深海技术装备在深海环境下的长时间性能模拟试验，对试验装备进行密封性考核、强度测试、渗漏检测以及检验其在高压环境下的动作执行情况。文中设计研制的取样装置进行了60 和100 MPa 高压舱环境模拟试验（如图16 所示），取样装置通过定时的方式进行工作，经过试验装置运行正常，各项指标均达到设计要求，取样装置具备在万米高压环境下进行正常作业的能力。

图16 深海环境模拟试验Fig.16 Deep sea environment simulation experiment

检验全海深保压取样技术万米级深渊环境作业的能力，以及初步进行高品质深渊生物样品的采集获取，进行马里亚纳海沟海域海上试验。全海深取样装置可通过搭载潜水器或着陆器进行深渊生物资源取样，通过预先设定的程序进行自动取样，回收后根据采集样品体积和样品压力两项主要指标来评价取样装置性能。

2019年11月开展马里亚纳海沟海域的TS15深渊航次（如图17所示），主要目标是对深渊生物资源取样装备技术进行海试验证。航次搭乘“探索一号”科考船，由三亚出发前往马里亚纳海沟海域，航次全程耗时46 d，共拟定了8 个采样站位，水深均在5 500 m 以上，最大水深达到10 931 m。成功进行了深渊水体保压取样装置、微生物原位过滤及保存装置和高压培养高压酶学装置的海上试验测试。

图17 TS15海上试验Fig.17 TS15 sea trial

2021年8月11日—10月8日和10月14日—12月5日，研制的相关设备参加了“探索一号”TS21-1、TS21-2航次，采集获取深渊生物资源，为研究深渊生物生命过程及应用潜力评估等提供样本。试验海区为西菲律宾海盆及马里亚纳海沟挑战者深渊，水深7 700～10 909 m，试验过程如图18所示。

图18 TS21海上试验Fig.18 TS21 sea trial

全海深取样装置总共搭载“奋斗者”号7个潜次，“原位实验”号着陆器5个潜次，水下工作场景如图19所示。获取了7 700～10 900 m深度范围的宏生物、沉积物、水体保压样品和微生物原位过滤滤膜，宏生物、沉积物、水体保压样品及沉积物保压转移过程压力变化均小于20%。全海深深渊沉积物、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学测定装置成功完成了万米海上试验。