高通量深海海水原位采樣及分級過濾系統(tǒng)*

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(xué)院海洋研究所 青島 266071; 2. 青島科技大學(xué) 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(zhì)輸運和水體要素特征具有重要意義。傳統(tǒng)測量方法被認(rèn)為是最準(zhǔn)確的方法,通過現(xiàn)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(zhì)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(shù)據(jù), 耗時耗力?，F(xiàn)代測量方法利用光學(xué)、聲學(xué)、密度、介電常數(shù)等傳感器間接觀測懸浮顆粒物濃度, 其特點是效率高、連續(xù)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(jìn)行設(shè)備校準(zhǔn), 并受到適用深度限制(Raiet al,2015)。因此, 如何實現(xiàn)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(zhì)研究迫切需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。

國內(nèi)外針對水體原位采樣技術(shù)的研究起始已久。1987年加拿大滑鐵盧大學(xué)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(fā)性有機(jī)物。2003年 Woods Hole海洋研究所和 Mclane公司聯(lián)合研發(fā)了一種大體積水樣抽濾采樣系統(tǒng)(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(nèi), 浙江大學(xué)和中南大學(xué)等單位先后開展了深海保真取樣和在線檢測設(shè)備的研發(fā)(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(shù)瓶頸。

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

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

深海海水原位采樣及分級過濾系統(tǒng), 主要由抽濾控制及供電系統(tǒng)、深海泵、過濾艙、單向閥及流量計等組成(圖 1), 可應(yīng)用于海洋、湖泊、河流、水庫等多種水體中進(jìn)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(tǒng)技術(shù)指標(biāo)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(tǒng)結(jié)構(gòu)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(yīng)用環(huán)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(nèi), 壓力傳感器的探頭與海水接觸, 形成抽濾控制及供電系統(tǒng), 可通過 RS-232串口通信方式和計算機(jī)連接設(shè)置, 通信波特率為9600Bd/s?？刂齐娐吠ㄟ^時鐘或深度判斷, 觸發(fā)深海泵工作, 泵的出水端與過濾艙體進(jìn)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(xiàn)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(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示, 其中過濾艙內(nèi)設(shè)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(jù)分析物質(zhì)成分的要求而更換, 濾膜數(shù)量可以通過增加或減少濾膜支盤進(jìn)行調(diào)整, 通常采用 3層濾膜結(jié)構(gòu)(深海環(huán)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(yīng)針對取樣量進(jìn)行抽濾時間限制, 以防止濾膜孔徑堵塞。

該系統(tǒng)可以多套、同纜布放使用, 實現(xiàn)多個水層的同步、立體采樣, 如圖2所示?；谠撓到y(tǒng)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(bǔ)了傳統(tǒng)采樣方式無法實現(xiàn)多水層、同步采樣的缺陷, 可以為精確地獲取水體物質(zhì)變化特征提供保障。

抽濾控制及供電系統(tǒng)中, 可通過多路繼電開關(guān)控制不同水質(zhì)情況下海水流通速率和工作時長, 為了準(zhǔn)確控制系統(tǒng)時鐘的精確校時和計時, 系統(tǒng)設(shè)有外部時鐘模塊, 從而有效控制工作時長。通過多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換(analog to digital converter, ADC)采樣模塊實現(xiàn)多種海洋環(huán)境參數(shù)、以及抽濾系統(tǒng)姿態(tài)的測量,從而準(zhǔn)確還原采樣過程中的海洋環(huán)境變化。系統(tǒng)采用深度觸發(fā)和時間觸發(fā)兩種工作模式。深度閾值觸發(fā)模式下, 該系統(tǒng)能夠在準(zhǔn)確的深度范圍內(nèi)進(jìn)行原位采樣, 避免海流變化所產(chǎn)生的深度浮動問題。時間觸發(fā)和深度觸發(fā)模式的工作流程如圖3所示。該系統(tǒng)的默認(rèn)工作模式屬于時間閾值模式, 無需啟動時設(shè)定工作參數(shù), 按照核心控制板上芯片的編寫程序進(jìn)行工作。時間觸發(fā)和深度觸發(fā)模式下, 分別設(shè)定啟動觸發(fā)時間和觸發(fā)深度值, 作為啟動深海泵的判斷依據(jù)。時間觸發(fā)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(fā)模式下, 如果該系統(tǒng)受海流影響,出現(xiàn)所在深度浮動超出設(shè)定深度范圍, 那么抽濾動作暫停, 等待系統(tǒng)采樣深度值匹配成功后繼續(xù)工作,并且抽濾動作進(jìn)行的同時累加工作時間, 以達(dá)到所設(shè)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(tǒng)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(tǒng)性能

深海海水原位采樣及分級過濾系統(tǒng)中設(shè)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(fā)。在深度測量比對實驗中, 利用校準(zhǔn)后的SeaBird 37-CTD和本文系統(tǒng)進(jìn)行壓力測量,最終獲取相應(yīng)壓力轉(zhuǎn)換后的深度數(shù)據(jù), 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(shè)為1/6Hz, 原位采樣系統(tǒng)的采樣率調(diào)整為1Hz, 將兩種設(shè)備的時鐘調(diào)整一致。深度對比時選取采樣時間一致的數(shù)據(jù), 實驗過程中記錄的深度值變化如圖4所示, 多次重復(fù)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(shù)據(jù)進(jìn)一步比較, 直線擬合為y=x-3.8, 深度殘差在±10m內(nèi)。300至3000m深度范圍內(nèi)均方根誤差為 5.72%, 0至 300m深度范圍內(nèi)均方根誤差19.70%。由于該系統(tǒng)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(jié)果可以看到, 深海原位采樣系統(tǒng)與校準(zhǔn)后的 SeaBird 37-CTD在200至3000m水深范圍內(nèi)數(shù)據(jù)一致, 淺水情況下水深比對效果較差, 并在211m處產(chǎn)生奇異點,查驗壓力艙內(nèi)結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn), 這是由加壓過程中水體顆粒物對壓力探頭的芯體產(chǎn)生撞擊所致。因此, 對該系統(tǒng)的深度探頭處進(jìn)行了濾網(wǎng)改進(jìn), 以避除快速布放產(chǎn)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(tǒng)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(shè)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(tǒng)在小型化的基礎(chǔ)上, 實現(xiàn)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(tǒng)的參數(shù)對比如表 2所示。針對此類海洋裝備的實際應(yīng)用需求, 該系統(tǒng)實現(xiàn)了所有部件的自主研制和深海測試及應(yīng)用, 尤其是深海泵的研發(fā)與應(yīng)用。

表2　原位抽濾系統(tǒng)參數(shù)對比Tab.2 Parameters Comparison of foreign and domestic in-situ systems

3　深海實驗

在測試系統(tǒng)可靠性后, 深海海水原位采樣及分級過濾系統(tǒng)被應(yīng)用于多個科考航次。其中, 在“科學(xué)”號考察船的西太平洋考察應(yīng)用航次中, 多次使用該系統(tǒng)進(jìn)行海水原位采樣, 并對抽濾工作模式、系統(tǒng)喚醒時長、采樣時長等多種參數(shù)進(jìn)行更改設(shè)置, 以實現(xiàn)不同海域情況中的采樣可控性, 并獲得多個樣本進(jìn)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(tǒng), 以及其應(yīng)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(qū)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(jīng)富集稀釋涂布平板后, 挑取生長起來的不同菌落進(jìn)行劃線分離。目前篩選到25株細(xì)菌, 測序構(gòu)建進(jìn)化樹如圖 8所示, 其中 9株細(xì)菌為Halomonassp., 6株為Pseudomonassp., 1株為Idiomarinasp., 2株細(xì)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(xì)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(jīng)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(qū)域, 高溫高鹽, 非常適宜Halomonassp.生長。

圖6　系統(tǒng)實驗及采樣照片F(xiàn)ig.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(jìn)化樹Fig.8 The evolutionary tree of the bacterial colony samples

4　結(jié)論

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

劉玉靜, 2011. 深海微生物量原位在線自動檢測系統(tǒng)設(shè)計. 杭

州: 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文, 50—51

李春芳, 2015. 中度嗜鹽嗜堿菌Halomonassp. 19—A中相關(guān)Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運蛋白基因的克隆與功能研究. 濟(jì)南: 山東大學(xué)碩士學(xué)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(xué)碩士學(xué)位論文, 12—15

胡國慶, 2011. 深海海水柱塞往復(fù)泵的研制. 杭州: 浙江大學(xué)碩士學(xué)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