深淵生物資源取樣裝備技術(shù)體系研究

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(xué) 海洋學(xué)院，浙江 舟山 316021；2.浙江大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310027；3.上海海洋大學(xué) 深淵科學(xué)工程技術(shù)研究中心，上海 201306）

海洋的總面積達(dá)到了3.6×109km2，占據(jù)了地球表面的71%，蘊(yùn)藏著豐富的生物礦產(chǎn)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(gè)高壓力、低溫度的極端生態(tài)環(huán)境，在深淵環(huán)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(nèi)外科學(xué)家在馬里亞納海溝、雅浦海溝等深淵帶均發(fā)現(xiàn)了獨(dú)特的生物群落［3］。研究者對(duì)采集到的深淵微生物樣本進(jìn)行分離和解析后發(fā)現(xiàn)，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(huán)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(fā)現(xiàn)了上萬種海洋生物天然產(chǎn)物，一些產(chǎn)物具有抗細(xì)胞衰老、抗病毒的生物特性，具有極高的藥用價(jià)值和商業(yè)價(jià)值，并且已有幾十個(gè)海洋抗癌藥物進(jìn)入臨床或臨床前研究階段。然而，目前對(duì)于深淵中的生命現(xiàn)象和生命過程的認(rèn)識(shí)受限于取樣技術(shù)的發(fā)展，對(duì)深淵生物和基因資源的探索與了解非常不足［5］。因此，對(duì)全海深深淵生物資源取樣裝備技術(shù)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(lǐng)域造福人類。

對(duì)利用采樣裝置采集到的深海樣品進(jìn)行分析、測(cè)試和研究，是當(dāng)前海洋資源和環(huán)境勘查工作的重點(diǎn)內(nèi)容，然而深淵生物樣品采集難度大，在采集過程中由于環(huán)境壓力、溫度變化等因素會(huì)遭到嚴(yán)重的損壞［6］?？v觀目前世界各國利用傳統(tǒng)常規(guī)深海取樣技術(shù)獲取的樣本，無法滿足快速發(fā)展的地球科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、海洋生物學(xué)和海洋資源研究對(duì)樣本的需求。傳統(tǒng)常規(guī)深海取樣技術(shù)一般不會(huì)對(duì)樣品進(jìn)行保壓取樣，壓力等條件的變化會(huì)導(dǎo)致變價(jià)離子氧化狀態(tài)改變以及有機(jī)組分分解，致使一些生物死亡，樣品的原始成分與狀態(tài)不能精確反映［7］。

20世紀(jì)90年代，法國科學(xué)家開展了有關(guān)深海水域生物資源取樣器的研究，用12個(gè)500 ml的高壓采樣瓶收集到了3 500 m 深的海水樣品，并在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行培養(yǎng)和觀察［8］。由于采用傳統(tǒng)的取樣方法，一次取樣所能得到的微生物數(shù)量非常有限，因而越來越多的學(xué)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(fā)明的SUPR取樣器可以采集地球化學(xué)樣品和微生物樣品，該取樣器采用圓盤式分層結(jié)構(gòu)，可同時(shí)對(duì)24組大體積水樣進(jìn)行快速的過濾［9］。此外，該研究小組在2012 年開發(fā)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(shí)收集起來，從而構(gòu)成一套系統(tǒng)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(fā)了SyPRID 系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以利用AUV 采集最大深度6 000 m 的樣品［11］。Shillito 等［12］設(shè)計(jì)了一種名為“PERISCOP”的取樣系統(tǒng)，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(dòng)物，捕捉到了“深海熱液區(qū)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(xué)界提供一種取樣壓力達(dá)到60 MPa，最大容量超過500 ml 的高壓保壓采取設(shè)備，且該設(shè)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(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)了一種全深海載流式潛水機(jī)械手持氣密沉積物采樣器，提出了一種壓力補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)模型，并通過計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證其可靠性。此外，Liu等［16］還設(shè)計(jì)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(bǔ)償?shù)臄?shù)學(xué)模型，分析了其結(jié)構(gòu)參數(shù)、壓力補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)參數(shù)和采樣環(huán)境對(duì)FMPS 保壓性能的影響，通過試驗(yàn)和仿真的吻合度驗(yàn)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(yǎng)系統(tǒng)，可以在100 MPa、160 °C的高壓高溫條件下實(shí)現(xiàn)不降壓的微生物取樣過程。

人類對(duì)海洋領(lǐng)域的探索已經(jīng)達(dá)到全海深級(jí)別，對(duì)樣本質(zhì)量的要求愈來愈高，對(duì)取樣裝置的設(shè)計(jì)也提出了更高的要求。深淵生物資源保壓取樣技術(shù)是進(jìn)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(tài)樣品的情況下，才能夠進(jìn)行深淵生物的研究［18］。根據(jù)當(dāng)前的形勢(shì)，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(zhuǎn)移裝置，深淵微生物原位過濾及保存裝置和高壓培養(yǎng)高壓酶學(xué)測(cè)定裝置，為深淵生物和資源探測(cè)提供一套完整和成熟的技術(shù)體系。

1 深淵生物資源取樣裝備技術(shù)體系

研究深淵生命過程和生物學(xué)資源的關(guān)鍵首先是能夠獲取保持深淵原位狀態(tài)的高質(zhì)量生物樣品。針對(duì)這一需求，解決全海深保壓取樣技術(shù)、全海深充油電機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、主動(dòng)補(bǔ)壓技術(shù)、壓力補(bǔ)償技術(shù)、保壓轉(zhuǎn)移技術(shù)、花瓣壓縮取樣技術(shù)等技術(shù)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(zhuǎn)移裝置，海水微生物原位過濾和保存裝置以及高壓培養(yǎng)高壓酶學(xué)測(cè)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(fā)，深淵生命過程等科學(xué)研究提供技術(shù)手段。

1.1 深淵沉積物保壓取樣技術(shù)

深淵沉積物保壓取樣裝置主要應(yīng)用于對(duì)深淵沉積物進(jìn)行保壓取樣，裝置主體結(jié)構(gòu)包括驅(qū)動(dòng)部分和取樣部分兩個(gè)主要部分。驅(qū)動(dòng)部分能使電機(jī)帶動(dòng)蝸輪蝸桿旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，取樣部分能使蝸輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)絲杠的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)取樣過程。取樣裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示，該裝置主要由充油電機(jī)、減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、取樣機(jī)構(gòu)、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(shè)計(jì)Fig.1 Overall solution design of the sampler

1.1.1 自密封式取樣技術(shù)

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(jìn)行取樣時(shí)，不依賴于母船上的動(dòng)力源，自帶水下電池驅(qū)動(dòng)充油電機(jī)，通過電路板定時(shí)啟動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸正向旋轉(zhuǎn)，電機(jī)軸通過鍵連接帶動(dòng)齒輪減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，大齒輪中間加工有梯形內(nèi)螺紋，與絲杠的梯形外螺紋嚙合，絲杠有限位機(jī)構(gòu)，將大齒輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成絲杠的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，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(gè)整體，同步運(yùn)動(dòng)。取樣裝置搭載于著陸器上，著陸器觸底一段時(shí)間后充油電機(jī)定時(shí)啟動(dòng)，絲杠帶動(dòng)取樣筒向下運(yùn)動(dòng)，壓縮的花瓣在脫離保壓筒的束縛后會(huì)張開，將沉積物壓入到取樣筒中，待取樣完成后，電機(jī)反轉(zhuǎn)將取樣筒回收到保壓筒中。在電機(jī)反轉(zhuǎn)的過程中，花瓣會(huì)被保壓筒內(nèi)壁壓縮產(chǎn)生變形，取樣錐頭側(cè)面的沉積物在經(jīng)過保壓筒下端的防塵圈時(shí)會(huì)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(shí)現(xiàn)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(nèi)部壓力減小，此時(shí)蓄能器會(huì)補(bǔ)償內(nèi)部損失的壓力，蓄能器在使用前應(yīng)預(yù)先向內(nèi)部充入一定壓力的氮?dú)?。壓力傳感器記錄整個(gè)過程中保壓筒內(nèi)部的壓力變化情況，并存儲(chǔ)在控制板中，待回收后可導(dǎo)出控制板上記錄的數(shù)據(jù)。

圖2 取樣機(jī)構(gòu)Fig.2 Sampling mechanism

1.1.2 環(huán)狀取樣分析

為合理選擇電機(jī)和設(shè)計(jì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，驗(yàn)證取樣機(jī)構(gòu)的取樣性能，擬通過貫入測(cè)試得到所需驅(qū)動(dòng)力。選取3 種不同性質(zhì)的黏土，即流塑性，塑性和硬塑性黏土對(duì)貫入過程進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見表1，同時(shí)測(cè)試取樣器對(duì)于不同性質(zhì)的土的取樣性能。搭建如圖3所示的貫入力測(cè)試平臺(tái)。

表1 貫入測(cè)試結(jié)果Tab.1 Penetration test results

圖3 貫入測(cè)試Fig.3 Penetration test

結(jié)果表明隨著土壤的流塑性上升，取樣器通過環(huán)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(huì)受到影響。樣品在取樣筒內(nèi)保留主要是由于沉積物與取樣筒內(nèi)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(zhuǎn)移技術(shù)

沉積物保壓轉(zhuǎn)移裝置用來將海底沉積物取樣器里的樣品轉(zhuǎn)移到實(shí)驗(yàn)室用培養(yǎng)釜中，對(duì)沉積物中的微生物樣品進(jìn)行分離和培養(yǎng)。保壓轉(zhuǎn)移裝置可以減小取樣裝置和培養(yǎng)皿之間轉(zhuǎn)移時(shí)的壓力變化，避免對(duì)微生物的生存環(huán)境造成破環(huán)。壓力穩(wěn)定系統(tǒng)采用了自行設(shè)計(jì)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(zhuǎn)移需求。轉(zhuǎn)移過程首先進(jìn)行高壓容器打壓，這個(gè)過程要考慮排出空氣、打壓時(shí)間、打壓升高的溫度、進(jìn)口安裝及連接問題；然后是將沉積物混合物轉(zhuǎn)移至培養(yǎng)釜中，培養(yǎng)釜一腔受到壓力推動(dòng)活塞前進(jìn)，則另一端壓力增大，溢流閥發(fā)揮作用，完成樣品的轉(zhuǎn)移且壓力恒定不變［20］，保壓轉(zhuǎn)移過程如圖4所示。

圖4 沉積物保壓轉(zhuǎn)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(shù)

深淵宏生物保壓取樣裝置由生物誘捕取樣機(jī)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成（如圖5所示）。生物誘捕取樣機(jī)構(gòu)能夠在不污染海底環(huán)境的情況下誘捕生物進(jìn)入取樣管，完成取樣工作；運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)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(dòng)取樣控制系統(tǒng)

由于取樣器工作深度大，與甲板通訊困難，因此設(shè)計(jì)了使取樣器在海底自動(dòng)工作的控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)封裝在一個(gè)鈦合金空艙內(nèi)，通過水密接插件連接外部設(shè)備?？刂葡到y(tǒng)功能如圖6 所示。控制系統(tǒng)核心為STM32H750 單片機(jī)，該芯片具有多電源域架構(gòu)，允許將不同的電源域設(shè)置為低功耗模式以節(jié)約電能?？刂葡到y(tǒng)的時(shí)鐘模塊用于設(shè)定和計(jì)量系統(tǒng)時(shí)間。RS232 通訊模塊用于與上位機(jī)通訊；RS485 通訊模塊用于與電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行通訊，控制電機(jī)按照設(shè)定時(shí)間啟停；溫度和壓力探頭測(cè)量整個(gè)過程的壓力，通過信號(hào)采集模塊和數(shù)模轉(zhuǎn)化模塊存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中。

圖6 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.6 Control system structure

1.3.2 液體壓力補(bǔ)償技術(shù)

液體補(bǔ)償機(jī)構(gòu)是為了補(bǔ)償密封圈移動(dòng)導(dǎo)致的壓力降低（如圖7所示）?？紤]到取樣活塞始終位于保壓筒內(nèi)部的密封圈，在取樣結(jié)束回收至筒內(nèi)后，由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)的摩擦力，該密封圈會(huì)運(yùn)動(dòng)至溝槽左側(cè)。隨著取樣器的回收，外界壓力降低，密封圈會(huì)被壓至溝槽右側(cè)，導(dǎo)致艙內(nèi)體積增大，壓力降低。而蓄能器作為一種被動(dòng)式壓力補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，響應(yīng)較慢，難以補(bǔ)償這一部分損失。因此，建立了一套主動(dòng)增壓裝置，在取樣動(dòng)作完成，取樣活塞回收后，啟動(dòng)主動(dòng)補(bǔ)壓裝置，在取樣結(jié)束后，立即向保壓筒內(nèi)壓入水，以期能夠補(bǔ)償由于密封圈移動(dòng)造成的壓降。

圖7 密封圈移動(dòng)導(dǎo)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(jù)國標(biāo)設(shè)計(jì)，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?？砂凑帐剑?）計(jì)算由密封圈移動(dòng)引起的體積變化ΔVo。

液體壓力補(bǔ)償裝置詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖8 所示。取樣器布放到海底之前，向壓力補(bǔ)償裝置內(nèi)充入純凈水。補(bǔ)壓裝置通過不銹鋼毛細(xì)管和截止閥連接至保壓筒。取樣結(jié)束后，啟動(dòng)補(bǔ)壓電機(jī)。補(bǔ)壓電機(jī)輸出軸與主動(dòng)齒輪之間、從動(dòng)齒輪與活塞桿之間均為鍵槽配合。主動(dòng)齒輪帶動(dòng)從動(dòng)齒輪軸向運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)活塞桿軸向運(yùn)動(dòng)，將純凈水推入保壓筒，在海底建立保壓筒與外界的壓差。設(shè)計(jì)總活塞缸內(nèi)徑為18 mm，行程為5 mm，總補(bǔ)償量為1.3 ml。

圖8 液體壓力補(bǔ)償裝置Fig.8 Liquid pressure compensation device

1.4 深淵水體保壓取樣技術(shù)

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(xué)環(huán)境特征、生物群落特征，為深淵海底環(huán)境、深淵地球化學(xué)過程和生命過程等科學(xué)研究提供技術(shù)手段。取樣器應(yīng)用于海底水體的采樣工作中，在不破壞深淵海水樣品的內(nèi)部化學(xué)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(shí)驗(yàn)室以用于進(jìn)一步的科學(xué)分析研究。依靠高純度壓縮氮?dú)膺M(jìn)行壓力補(bǔ)償，取樣器在回收和樣品轉(zhuǎn)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(huán)組合密封的密封設(shè)計(jì)

針對(duì)取樣器使用的單向動(dòng)密封設(shè)計(jì)開展了滑環(huán)組合密封的密封機(jī)理研究，通過對(duì)滑環(huán)在不同壓縮量、不同壓力下的仿真分析及密封力的提取，驗(yàn)證了此種密封結(jié)構(gòu)可以很好地滿足單向動(dòng)密封的設(shè)計(jì)要求。同時(shí)滑環(huán)組合密封可以大幅降低O 形圈的內(nèi)應(yīng)力，從而起到保護(hù)O 形圈的作用。針對(duì)取樣器使用的O 形圈雙向靜態(tài)密封設(shè)計(jì)，使用有限元仿真對(duì)雙向密封時(shí)不同壓縮量、不同線徑和不同壓力等參數(shù)的情況進(jìn)行了分析，提出了雙向密封設(shè)計(jì)規(guī)律。最后進(jìn)行了O 形圈雙向密封的試驗(yàn)驗(yàn)證（如圖10 所示），證明了雙向密封設(shè)計(jì)在全海深環(huán)境壓力下的可行性。

圖10 密封壓力測(cè)試Fig.10 Seal pressure test

1.4.2 氣體壓力補(bǔ)償方案

氣體補(bǔ)償式取樣系統(tǒng)采用被動(dòng)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(zhì)來維持樣品的壓力波動(dòng)。作為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)保壓取樣關(guān)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(bǔ)償原理Fig.11 Principle of gas pressure compensation

樣品腔與蓄能腔中各有一個(gè)活塞，蓄能腔上設(shè)有截止閥，中部連接器的內(nèi)部設(shè)有節(jié)流口。在取樣筒內(nèi)部，2個(gè)活塞將其分成3個(gè)部分，分別為海水樣品、去離子水和高壓氣體。取樣時(shí)樣品從進(jìn)樣口進(jìn)入樣品腔，采用內(nèi)外壓力差的原理進(jìn)行被動(dòng)式取樣。海水壓力遠(yuǎn)大于筒內(nèi)的壓力，由活塞兩側(cè)的壓力差來推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，蓄能腔中高壓氮?dú)獗粔嚎s，當(dāng)筒內(nèi)壓力與外界海水壓力相等時(shí)，取樣完成。兩活塞中間的去離子水在通過節(jié)流口時(shí)，筒內(nèi)部液體流動(dòng)的速度會(huì)被限定在很小的范圍內(nèi)，防止因流速過快導(dǎo)致樣品的氣液相變化以及產(chǎn)生損害取樣筒的可能。

1.5 高壓酶學(xué)測(cè)定技術(shù)

高壓培養(yǎng)高壓酶學(xué)測(cè)定裝置（如圖12所示）可以測(cè)定水樣中的溶解酶和顆粒附著酶，闡述微生物胞外酶的產(chǎn)生機(jī)制和對(duì)深淵元素循環(huán)的調(diào)控作用。針對(duì)深淵區(qū)尤其是全海深微生物研究中的高壓酶學(xué)測(cè)定需求，在兩代全海深著陸器以及深海耐壓部件設(shè)備研發(fā)的基礎(chǔ)上，通過改進(jìn)60 MPa進(jìn)口酶學(xué)反應(yīng)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(fā)了國產(chǎn)全海深高壓酶學(xué)測(cè)定裝置（圖12）。使用深淵水體保壓取樣技術(shù)取得深淵保壓水樣，成功進(jìn)行了原位保真海水胞外酶活性測(cè)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(xué)測(cè)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(shù)

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(jī)電綜合系統(tǒng)。電機(jī)提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)抽吸泵運(yùn)轉(zhuǎn)，通過抽吸作用使外界海水持續(xù)流過過濾器。當(dāng)經(jīng)過過濾器中的微孔濾膜時(shí)，海水中大于濾膜孔徑的微生物會(huì)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(jī)和抽吸泵的持續(xù)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(jié)束后，通過另一臺(tái)電機(jī)推動(dòng)RNA 注射筒的活塞，將其中的RNAlater 保存液緩慢推送進(jìn)各個(gè)過濾器，對(duì)富集在濾膜上的微生物進(jìn)行固定。過濾管路的前端和后端都設(shè)置有單向閥，確保當(dāng)抽吸泵不工作時(shí)管路內(nèi)部完全與外界海水環(huán)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(jí)膜分離過濾過程仿真分析

對(duì)多級(jí)膜分離過濾過程進(jìn)行了建模仿真計(jì)算，分析了膜分離過濾的基本機(jī)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(duì)多級(jí)膜分離過濾過程進(jìn)行仿真。如圖14 所示，F(xiàn)luent 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(jīng)過多級(jí)濾膜時(shí)的截留分布狀況。對(duì)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(duì)于不被濾膜截留的小尺寸粒子，適當(dāng)增大入口流速能使其分布得更加均勻。對(duì)于被某一道濾膜截留的粒子，最終會(huì)聚集分布在濾膜表面尤其是邊緣區(qū)域，且改變?nèi)肟诹魉賹?duì)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(shí)粒子的體積分?jǐn)?shù)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(jī)設(shè)計(jì)

壓力補(bǔ)償式深海電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖15 所示，其前后兩側(cè)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(wěn)定結(jié)構(gòu)。為了將電機(jī)軸從外殼中引出，設(shè)計(jì)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(jìn)行旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封，泛塞式密封圈是一種內(nèi)裝特殊彈簧的高性能密封件，由適當(dāng)?shù)膹椈闪由舷到y(tǒng)流體壓力，將密封唇頂出而緊緊壓住被密封面，具有優(yōu)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(shè)計(jì)，通過壓蓋進(jìn)行固定。后艙體內(nèi)部用于安放電機(jī)驅(qū)動(dòng)板、控制板以及接線，側(cè)面裝有標(biāo)準(zhǔn)四芯水密接頭，可以用于全海深環(huán)境。為了進(jìn)行液壓油的灌注，后艙體側(cè)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(cè)，可以隨著外界環(huán)境壓力的變化發(fā)生彈性形變。后端蓋為圓臺(tái)形，主要用于固定橡膠油囊。后端蓋上安裝有彈簧結(jié)構(gòu)，為橡膠油囊提供初始形變，以確保深海電機(jī)的內(nèi)部壓強(qiáng)始終略大于外部［24］。

圖15 壓力補(bǔ)償式深海電機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.15 Structure of pressure compensated deep sea motor

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

深海超高壓環(huán)境模擬裝置用于深海技術(shù)裝備在深海環(huán)境下的長時(shí)間性能模擬試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)裝備進(jìn)行密封性考核、強(qiáng)度測(cè)試、滲漏檢測(cè)以及檢驗(yàn)其在高壓環(huán)境下的動(dòng)作執(zhí)行情況。文中設(shè)計(jì)研制的取樣裝置進(jìn)行了60 和100 MPa 高壓艙環(huán)境模擬試驗(yàn)（如圖16 所示），取樣裝置通過定時(shí)的方式進(jìn)行工作，經(jīng)過試驗(yàn)裝置運(yùn)行正常，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，取樣裝置具備在萬米高壓環(huán)境下進(jìn)行正常作業(yè)的能力。

圖16 深海環(huán)境模擬試驗(yàn)Fig.16 Deep sea environment simulation experiment

檢驗(yàn)全海深保壓取樣技術(shù)萬米級(jí)深淵環(huán)境作業(yè)的能力，以及初步進(jìn)行高品質(zhì)深淵生物樣品的采集獲取，進(jìn)行馬里亞納海溝海域海上試驗(yàn)。全海深取樣裝置可通過搭載潛水器或著陸器進(jìn)行深淵生物資源取樣，通過預(yù)先設(shè)定的程序進(jìn)行自動(dòng)取樣，回收后根據(jù)采集樣品體積和樣品壓力兩項(xiàng)主要指標(biāo)來評(píng)價(jià)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(biāo)是對(duì)深淵生物資源取樣裝備技術(shù)進(jìn)行海試驗(yàn)證。航次搭乘“探索一號(hào)”科考船，由三亞出發(fā)前往馬里亞納海溝海域，航次全程耗時(shí)46 d，共擬定了8 個(gè)采樣站位，水深均在5 500 m 以上，最大水深達(dá)到10 931 m。成功進(jìn)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(yǎng)高壓酶學(xué)裝置的海上試驗(yàn)測(cè)試。

圖17 TS15海上試驗(yàn)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(guān)設(shè)備參加了“探索一號(hào)”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(yīng)用潛力評(píng)估等提供樣本。試驗(yàn)海區(qū)為西菲律賓海盆及馬里亞納海溝挑戰(zhàn)者深淵，水深7 700～10 909 m，試驗(yàn)過程如圖18所示。

圖18 TS21海上試驗(yàn)Fig.18 TS21 sea trial

全海深取樣裝置總共搭載“奮斗者”號(hào)7個(gè)潛次，“原位實(shí)驗(yàn)”號(hào)著陸器5個(gè)潛次，水下工作場(chǎng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)移裝置、深淵微生物原位過濾及保存裝置和高壓培養(yǎng)高壓酶學(xué)測(cè)定裝置成功完成了萬米海上試驗(yàn)。

圖19 取樣裝置水下工作場(chǎng)景Fig.19 Underwater working scene of sampling device

3 結(jié) 語

建立了深淵生物資源取樣裝備技術(shù)體系，自主研發(fā)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(zhuǎn)移裝置，深淵微生物原位過濾及保存裝置和高壓培養(yǎng)高壓酶學(xué)測(cè)定裝置。在萬米海上試驗(yàn)中驗(yàn)證了取樣裝置在萬米深淵深度下的工作性能。在文中試驗(yàn)研究范圍內(nèi)得出了如下結(jié)論：

1）對(duì)各零件連接部位采用O 型圈的靜密封形式，對(duì)低速無壓差旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部位采用泛塞封密封的形式，保證電機(jī)輸出軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)不會(huì)發(fā)生油液的泄露，能夠滿足高壓下的密封性；

2）對(duì)深淵生物資源取樣采樣技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究，通過改進(jìn)的取樣結(jié)構(gòu)和壓力補(bǔ)償技術(shù)，可以確保整個(gè)采樣過程無污染和無壓力突變；

3）保壓轉(zhuǎn)移技術(shù)對(duì)沉積物中的微生物樣品進(jìn)行分離和培養(yǎng)，可以有效減小取樣裝置和培養(yǎng)皿之間轉(zhuǎn)移時(shí)壓力變化，避免對(duì)微生物的生存環(huán)境造成破環(huán)。

深淵生物資源取樣裝備技術(shù)研究可以為其他海底裝備的設(shè)計(jì)制造提供理論依據(jù)，能夠?yàn)楹罄m(xù)分離培養(yǎng)微生物，研究深淵生物群落結(jié)構(gòu)、功能及活性提供可靠基礎(chǔ)。未來為進(jìn)一步獲取高質(zhì)量深淵生物資源，在實(shí)現(xiàn)保壓取樣的基礎(chǔ)上需考慮溫度、鹽度等環(huán)境參數(shù)，實(shí)現(xiàn)生物資源的無損取樣轉(zhuǎn)移。