深海微生物原位富集裝置設(shè)計(jì)

宋圓圓，周東輝

(杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

深海微生物原位富集裝置設(shè)計(jì)

宋圓圓，周東輝

(杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

深海微生物是海洋賦予人類的財(cái)富，但調(diào)查工具嚴(yán)重缺乏.采用原位富集培養(yǎng)的研究方法設(shè)計(jì)了一種深海懸浮微生物原位富集裝置，并搭載于“蛟龍?zhí)枴鄙顫撈魃蠀⑴c海底試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、功能完備等特點(diǎn)，對(duì)其他類似裝置的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值.

深海；微生物；富集裝置；懸浮

0 引 言

地球上的海洋面積約占地表總面積的71%，其中水深在1 800 m以下的水域是無光、低溫、高壓的深海水域，海底存在大量沉積物[1-2]，深海沉積物中生活著許多微生物[3].隨著科技發(fā)展，人們認(rèn)識(shí)到深海微生物在食品工業(yè)、環(huán)境保護(hù)、新能源以及醫(yī)藥等方面都存在價(jià)值[4-6].例如，在南極洲的海底沉積物發(fā)現(xiàn)了一種嗜冷嗜壓的微生物可以高產(chǎn)淀粉酶[7].而深海調(diào)查工具的嚴(yán)重缺乏導(dǎo)致深海微生物調(diào)查異常困難[8].因此，研制出適用的深海微生物調(diào)查裝置意義重大.本文設(shè)計(jì)了一種全新的深海微生物富集裝置，為研究原位生態(tài)系統(tǒng)及微生物多樣性、開發(fā)生物資源提供了保障.

1 深海微生物的研究方法

由于深海環(huán)境因素的限制，目前研究深海微生物主要有原位富集培養(yǎng)和實(shí)驗(yàn)室模擬技術(shù)培養(yǎng)兩種方法.

1)原位富集培養(yǎng).20世紀(jì)80年代前，原位富集培養(yǎng)的方法主要針對(duì)深海微生物展開研究.原位富集培養(yǎng)主要是利用深海的自然條件進(jìn)行試驗(yàn)，將培養(yǎng)基置于富集裝置內(nèi)，投放到深海熱液區(qū)域進(jìn)行為期一周至數(shù)周的原位培養(yǎng)，隨后取回裝置分析所附著的微生物群落，從而了解深海的生態(tài)系統(tǒng)[9-10].原位富集培養(yǎng)是研究深海微生物的常用方法，能夠科學(xué)有效地研究深海微生物的生長(zhǎng)及代謝狀況.由于冷泉生物活性低、繁殖緩慢，培養(yǎng)周期需一年甚至數(shù)年，所以原位富集培養(yǎng)不適用于冷泉區(qū)域的研究.同時(shí)，原位培養(yǎng)裝置受到海底環(huán)境和動(dòng)物活動(dòng)的影響極易損壞，且無法進(jìn)行海底維修，因此冷泉區(qū)域應(yīng)用難度較大[11].另外，位富集培養(yǎng)不能直接觀察微生物生長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)過程.

2)實(shí)驗(yàn)室模擬技術(shù)富集培養(yǎng).近年來，隨著保溫保壓保真儲(chǔ)存技術(shù)的發(fā)展，以取樣為基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)室模擬技術(shù)富集培養(yǎng)逐漸成為研究深海微生物的常用實(shí)驗(yàn)方法.模擬技術(shù)富集培養(yǎng)主要是通過機(jī)械手持取樣器取樣、大洋鉆探、可視抓斗等方法進(jìn)行樣品采集，隨后帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行高壓培養(yǎng).其缺點(diǎn)是樣品采集后從船上轉(zhuǎn)移到實(shí)驗(yàn)室的過程中不能保持生物原有的生存環(huán)境，如高壓、低溫、適當(dāng)?shù)柠}度和氧濃度等，導(dǎo)致絕大多數(shù)嗜壓型生物到達(dá)實(shí)驗(yàn)室時(shí)已經(jīng)死亡，只有少數(shù)適應(yīng)力強(qiáng)的生物可以在極短的時(shí)間內(nèi)存活[12].

2 一種全新的富集裝置設(shè)計(jì)

深海惡劣的環(huán)境對(duì)電子設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重影響.為了豐富深海微生物原位富集裝置的種類，增加設(shè)備的可靠性，本文設(shè)計(jì)的純機(jī)械深海懸浮微生物原位富集裝置主要包括：1)海水環(huán)境下的防腐蝕材料的選擇；2)回收過程中的密封防污染設(shè)計(jì)；3)海底實(shí)現(xiàn)定高懸浮設(shè)計(jì).各部分的主要功能、機(jī)構(gòu)組成、連接方式如下：

1)裝置主體設(shè)計(jì).本裝置的主體如圖1所示，由富集倉(cāng)總成1、密封壓緊蓋總成2、把手彈簧鎖總成3、為富集裝置提供浮力的浮體材料塊4、一個(gè)起配重作用沉于海底固定位置的金屬配重塊5、一根連接脫鉤裝置與配重塊的可承受拉力的系繩6、脫鉤裝置總成7組成，這樣的設(shè)計(jì)不僅滿足了微生物培養(yǎng)以及回收所需的條件，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性強(qiáng).

1—富集倉(cāng)總成；2—密封壓緊蓋總成；3—把手彈簧鎖總成；4—浮體材料塊；5—配重塊；6—系繩；7—脫鉤裝置總成.圖1 懸浮微生物原位富集裝置主體主視及剖視總成圖

2)富集倉(cāng)設(shè)計(jì).富集倉(cāng)總成的作用是容納需要培養(yǎng)的微生物，富集倉(cāng)結(jié)構(gòu)如圖2所示.圖2中，T型管材把手是為了方便機(jī)械手抓取實(shí)驗(yàn)裝置，內(nèi)置隔離裝置方便拆卸的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)富集倉(cāng)內(nèi)微生物的分層培養(yǎng).富集倉(cāng)的所有材料都選用抗腐蝕能力極強(qiáng)的鈦合金，使培養(yǎng)期間腐蝕損傷降到最低.

3)密封壓緊蓋設(shè)計(jì).富集裝置培養(yǎng)微生物時(shí)，富集倉(cāng)內(nèi)部與海底處于相同的環(huán)境中，方便內(nèi)外物質(zhì)交換，有助于微生物培養(yǎng).回收設(shè)備時(shí)，富集倉(cāng)閉合，在密封環(huán)與富集倉(cāng)之間安裝的密封圈不僅防止了回收過程富集倉(cāng)內(nèi)微生物的流失和污染，同時(shí)也保證了富集倉(cāng)內(nèi)壓力與海底的壓力的一致性，避免了回收過程中因壓力改變?cè)斐晌⑸飺p失.采用螺栓連接，可以拆卸，方便放取隔離裝置.蓋體與密封環(huán)采用POM材料，其余部分采用鈦合金，既保證了零件的強(qiáng)度又提高了裝置的耐腐蝕性.密封壓緊蓋如圖3所示.

圖2 富集倉(cāng)主視圖與右視圖

1—密封環(huán)；2—蓋體；3—彈簧；4—固定桿；5—滑動(dòng)板；6—連接塊.圖3 密封壓緊蓋主視圖

4)把手彈簧鎖設(shè)計(jì).把手彈簧鎖將富集裝置的密封狀態(tài)鎖定，與壓緊密封蓋配合使用，回收過程無需施加持續(xù)力，保證內(nèi)部培養(yǎng)基不被污染，并可拆卸，反復(fù)使用.把手彈簧鎖結(jié)構(gòu)如圖4所示.

5)脫鉤裝置設(shè)計(jì).脫鉤裝置主要利用四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖5所示.培養(yǎng)期間，脫鉤件卡住系繩環(huán)，由系繩連接配重塊與富集裝置，在浮力與重力的共同作用下，配重塊沉于海底用于固定位置，而富集裝置可以懸浮于重塊上方所需要的高度內(nèi).回收裝置時(shí)，下壓共用滑動(dòng)把手的動(dòng)作觸發(fā)脫鉤裝置動(dòng)作，脫鉤推桿直線運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)脫鉤件旋轉(zhuǎn)，脫鉤裝置打開，系繩環(huán)脫落，拋棄配重塊，其余部分回收.這樣設(shè)計(jì)的目的是為了只回收有價(jià)值的部分拋棄不方便機(jī)械手操作的無價(jià)值部分.

1—共用滑動(dòng)把手；2—鎖銷；3—鎖銷彈簧；4—鎖銷螺栓.圖4 把手彈簧鎖剖視圖

1—脫鉤推桿；2—脫鉤固定件；3—脫鉤件；4—系繩環(huán).圖5 脫鉤裝置機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3 富集裝置試驗(yàn)

3.1 富集裝置實(shí)物與調(diào)試

根據(jù)設(shè)計(jì)方案加工制造出深海懸浮微生物原位富集裝置實(shí)物如圖6所示，實(shí)物搭載于國(guó)家7 000 m載人深潛器上，進(jìn)行了聯(lián)合調(diào)試.

圖6 富集裝置實(shí)物與調(diào)試

3.2 富集裝置大洋海試

圖7 布放微生物原位富集裝置(JL-89潛次)

2015-01至2015-03，純機(jī)械深海懸浮微生物原位富集裝置隨中國(guó)大洋科考船“向陽紅9號(hào)”至西南印度洋，由“蛟龍?zhí)枴蓖斗庞谒? 700 m的龍旂熱液區(qū)，如圖7所示.本次試驗(yàn)共布放10個(gè)微生物原位富集裝置，其中成功回收2個(gè)(JL96+OIL；JL96+Na2S；均于JL100潛次回收)：在海面遇較大海浪遺失1個(gè)；剩余7個(gè)仍在原位富集.已回收樣品，經(jīng)微生物多樣性分析，有富集效果.本次海試表明本裝置可獲得密封保存完好的微生物原位富集樣品.

3.3 富集裝置的優(yōu)勢(shì)和不足

本文設(shè)計(jì)的深海微生物原位富集裝置主要優(yōu)勢(shì)有：1)純機(jī)械式、可靠性高.裝置所有設(shè)計(jì)全部采用純機(jī)械式，不涉及任何電子元件，保證了可靠性，避免了電子元件在深海因信號(hào)干擾等情況下出現(xiàn)故障難以修復(fù)的問題；2)可實(shí)現(xiàn)在海底的定高懸浮培養(yǎng)，富集倉(cāng)與配重塊之間通過系繩連接，系繩的長(zhǎng)度可調(diào)整，適用于對(duì)海底不同高度微生物的研究，同時(shí)避免了因海底淤泥掩埋而導(dǎo)致回收富集裝置難以查找的問題.3)布放操作靈活，操作方便.機(jī)械手可夾持其中任一個(gè)T形把手，將富集裝置推出樣品放置箱的位置.松開機(jī)械手底部，配重塊自動(dòng)下降至海底，完成培養(yǎng)罐的投放作業(yè).

裝置也存在一些不足：1)海浪與生物活動(dòng)對(duì)本裝置培養(yǎng)過程影響較大，影響結(jié)果的因素多樣,回收過程中，溫度改變對(duì)微生物也會(huì)造成損失；2)機(jī)械部分的自動(dòng)化程度不高，裝置的投放與回收都依靠機(jī)械手通過手動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)，需要進(jìn)一步改善.

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一套全新的懸浮微生物原位富集裝置，并對(duì)裝置進(jìn)行了試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的裝置具有富集效果好、體積小、成本低、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，但也存在回收過程易丟失的問題.本文設(shè)計(jì)的裝置對(duì)以后的研究工作有一定的參考和借鑒作用.

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Design of a Deep-sea Microbe Enrichment Device

SONG Yuanyuan, ZHOU Donghui

(SchoolofMechanicalEngineering,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

Deep-sea micro-organisms are the wealth ocean gives humanity. But we lack the survey tools. This paper uses the method of fixed-enrichment. It designs a set of deep-sea suspended microbe enrichment device. The device has been trialed by carrying of “JIAOLONG” deep diving submersible bathyscaphe .The whole device has the feature of simple and compact structure and fully function, etc. The research result could be a reference to the design of other similar devices.

deep sea; microbe; enrichment device; suspension

10.13954/j.cnki.hdu.2017.04.012

2016-09-26

宋圓圓(1991-)，女，山東威海人，碩士研究生，機(jī)電系統(tǒng)集成及深海裝備技術(shù).通信作者：周東輝教授，E-mail：dhzhou@hdu.edu.cn.

TH122

A

1001-9146(2017)04-0057-04