深海水体微生物原位富集方法研究

黄 强

(中国船舶重工集团公司第七一〇研究所，湖北宜昌 443003）

深海水体微生物原位富集方法研究

黄 强

(中国船舶重工集团公司第七一〇研究所，湖北宜昌 443003）

本文主要研究一种新型深海微生物培养工具，提出采用低功耗微控制器、机电执行器、传感器等实现微生物长期原位富集的作业方法，明确在深海高背压的环境下，确保培养系统长期稳定工作的动作时序，给出采集水质监测数据和回收微生物富集样本的方案。湖上试验表明，样机工作稳定可靠，微生物富集效果明显，具有工程应用价值。

微生物培养;原位富集;低功耗控制器;动作时序

0 引言

深海生物基因资源非常丰富，已成为国际公海资源竞争的焦点。深海生物资源的开发是基于对生物认知的基础之上，而当前所发现的深海生物还不到其总量的1%，深海调查工具的严重缺乏是导致深海生物调查与基因资源获取异常困难的主要原因。

本文采用低功耗微控制器、机电执行器、传感器等建立1套深海微生物原位富集培养系统，着重研究利用该系统实现深海微生物长期复杂培养的作业方法。深海微生物富集一般分为开盖富集和循环富集2种，为保证富集的绝对成功，本文在考虑2种富集方法的优缺点以及最小化系统功耗的基础上，提出深海微生物富集的控制时序。通过设定水下工作时序，使培养控制单元自动控制各培养舱按设定程序独立进行微生物原位富集培养。在布放及回收过程中，通过控制各海水通道关闭来实现微生物培养腔密封，防止培养基受损;在水下工作期间，定期启动循环培养舱内的执行机构完成海水循环动作，同时启动传感器进行环境参数监测，主要监测培养舱内外部的PH值、溶解氧、浊度、甲烷等环境参数。由于将培养舱设计为开盖式和循环式2种完全不同的工作模式，且执行机构独立，从而提高了微生物原位富集培养的可靠性，确保水质监测数据和微生物富集样本的采集和回收。

1 系统构成

深海水体微生物培养系统主要由控制舱、开盖式培养舱和循环式培养舱3部分组成，系统组成框图如图1所示，其中培养控制单元包括电路和软件2个部分，而培养控制电路设计和软件控制时序是本文讨论的核心。

图1 系统框图Fig.1 System block diagram

深海水体微生物培养系统工作流程是从参数预置装置在布放前对系统水下工作时序进行设定开始的，设定完成后，系统进入自动工作流程。在系统布放阶段，主要控制各培养舱处于闭合状态，保护培养基不受破坏;在系统培养阶段，对开盖培养系统则保持培养舱与海水完全连通富集微生物，对循环培养系统则定时控制培养舱内部海水与外部循环富集微生物，并定期采集环境参数;在系统回收阶段，主要控制各培养舱处于闭合状态，保护培养基不受破坏。在回收完水质监测数据并控制系统掉电后，工作流程结束。

2 系统硬件设计

深海水体微生物培养系统是长期锚泊在深海海底的1套自动控制系统，通过定时启动系统执行机构动作，控制培养舱内海水与外部海水构成循环，实现微生物的原位富集，通过定期将传感器输出数据存储在内部存储卡内，实现水质监测数据的采集。本文选用8位AVR低功耗微处理器ATmega128L［1］作为控制计算机，电路框图如图2所示。

作为长时间自动控制系统，能源管理以及传感器输出模拟信号的AD采样精度至关重要。为将能耗降至最低，除选用低功耗器件外，设计专门的电源管理逻辑控制电路［2］实现对电源的集中管理。电

图2 电路框图Fig.2 Circuit block diagram

源管理逻辑控制电路在系统完成单次动作后，将系统除自己以外的其余电路彻底断电，同时监测各种类的激活信号，逻辑组合为电源使能信号，用以激活控制电源，实现对电源的管理功能。电源管理电路原理图如图3所示。

图3 电源管理电路原理图Fig.3 Circuit block diagram of powermanagement

由于深海水体微生物培养系统将多次长时间采集环境参数，AD采样的精度直接决定了回收数据的有效性，AVR低功耗微处理器内部自带的4路10位AD通道显然不能满足系统需求，需要进行扩展。AD转换电路采用 AD公司的 AD7671AST芯片［3］，该芯片为16位AD转换器，数据接口为并口方式，每次只有1路AD转换，为了满足系统至少6路采样的要求，使用多路开关ADG1408YRUZ进行多路转换。AD转换电路原理图如图4所示［4］。

图4 AD转换电路原理图Fig.4 Circuit block diagram of AD conversion

3 培养动作时序

软件一向是控制系统的核心，研究能应用于深海水体微生物培养系统的培养动作时序更是系统的重中之重，只有既能满足微生物原位富集需要又能大量节约系统能源的动作时序才能充分满足系统的需要。因此，本时序研究将在完成系统功能的情况下，充分考虑如何尽可能节约系统能源，以提高系统使用寿命。

整个控制过程包含预置准备阶段和培养控制阶段2个阶段。预置准备阶段控制流程如图5所示，主要完成系统控制参数预置、数据回收、Flash擦除等功能。

图5 预置准备阶段控制流程图Fig.5 Circuit block diagram of AD conversion

为充分节约系统能源并防止执行机构动作过程中的大电流信号对AD采样等模拟信号的干扰，将系统动作时序设计为执行机构与传感器采样电路分开上电工作，并且在完成某一阶段动作过程并设定好下一次启动时间后即自动切断控制电源，进入电源管理逻辑控制模块待机状态。系统控制流程如图6所示。

系统工作时序从参数预置开始，中间自动完成培养舱海水循环控制、微生物原位富集培养、环境参数采集等培养控制动作，最后在完成回收数据后断电结束。整个控制过程通过实现不同形式的海水循环在不影响海水中微生物富集培养的情况下，尽可能减少系统功耗，提高采集环境信息精度，增强系统工作效能。

图6 培养控制阶段控制流程图Fig.6 Circuit block diagram of AD conversion

4 结语

本研究基于低功耗AVR微处理器设计，采用扩展16位AD采样电路结合低功耗设计有效解决了系统工作中将遭遇的难题，为深海微生物原位定值培养提供了系统的解决方案，并在工程实践中得到充分的检验，验证结果表明系统工作稳定，达到了预期的功能，具备一定的工程应用价值。

［1］ATmega128数据手册 v2467L－AVR－05/04.

［2］康华光，陈大钦，张林.电子技术基础模拟部分(4版）［M］.北京:高等教育出版社，1999.

［3］彭晓光，柏林，田彦民，等.新型全谱岩性密度测井仪［J］.舰船科学技术，2012，34(3）:133 －136.

PENG Xiao-guang，BAI Lin，TIAN Yan-min，et al.Development of a new full-spectrum litho-density logging tool［J］.Ship Science and Technology，2012，34(3）:133 －136.

［4］赛尔吉欧·佛朗哥.基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计［M］.西安:西安交通大学出版社，2011.

SERGIO F.Design with operational amplifiers and analog integrated circuits［M］.Xi'an:Xi'an Jiaotong University Press，2011.

Research on method of deep-seam icrobe fixed enrichment

HUANG Qiang
(The 710 Research Institute of CSIC，Yichang 443003，China）

The deep-seamicrobe gene resource is very rich and which has already become the focus of the international sea resource competition.This paper dedicates to the research on a new deep-seamicrobe culture device.Low power costMCUs，actuators and sensors have been used on this device.Thework flow of the device is presented and which canmake sure that the device can work properly for a long time in deepsea high-pressure environment.Themethods to survey the water quality and to recover themicrobe enriched sample have been presented.The lake test showed that the deviceworked properly and it can be put on the market.

microbe plant;fixed-enrichment;low power cost MCU;act scheduling

Q178.533

A

1672－7649(2014）04－0100－03

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.04.020

2013－04－07;

2013－05－13

国家863计划资助项目(2012AA092102）

黄强(1982－），男，工程师，从事水下航行器控制技术研究。