深海微生物原位富集装置设计

宋圆圆，周东辉

(杭州电子科技大学机械工程学院，浙江 杭州 310018)

深海微生物原位富集装置设计

宋圆圆，周东辉

(杭州电子科技大学机械工程学院，浙江 杭州 310018)

深海微生物是海洋赋予人类的财富，但调查工具严重缺乏.采用原位富集培养的研究方法设计了一种深海悬浮微生物原位富集装置，并搭载于“蛟龙号”深潜器上参与海底试验.试验结果表明，该装置具有结构简单紧凑、功能完备等特点，对其他类似装置的设计具有一定的参考价值.

深海；微生物；富集装置；悬浮

0 引 言

地球上的海洋面积约占地表总面积的71%，其中水深在1 800 m以下的水域是无光、低温、高压的深海水域，海底存在大量沉积物[1-2]，深海沉积物中生活着许多微生物[3].随着科技发展，人们认识到深海微生物在食品工业、环境保护、新能源以及医药等方面都存在价值[4-6].例如，在南极洲的海底沉积物发现了一种嗜冷嗜压的微生物可以高产淀粉酶[7].而深海调查工具的严重缺乏导致深海微生物调查异常困难[8].因此，研制出适用的深海微生物调查装置意义重大.本文设计了一种全新的深海微生物富集装置，为研究原位生态系统及微生物多样性、开发生物资源提供了保障.

1 深海微生物的研究方法

由于深海环境因素的限制，目前研究深海微生物主要有原位富集培养和实验室模拟技术培养两种方法.

1)原位富集培养.20世纪80年代前，原位富集培养的方法主要针对深海微生物展开研究.原位富集培养主要是利用深海的自然条件进行试验，将培养基置于富集装置内，投放到深海热液区域进行为期一周至数周的原位培养，随后取回装置分析所附着的微生物群落，从而了解深海的生态系统[9-10].原位富集培养是研究深海微生物的常用方法，能够科学有效地研究深海微生物的生长及代谢状况.由于冷泉生物活性低、繁殖缓慢，培养周期需一年甚至数年，所以原位富集培养不适用于冷泉区域的研究.同时，原位培养装置受到海底环境和动物活动的影响极易损坏，且无法进行海底维修，因此冷泉区域应用难度较大[11].另外，位富集培养不能直接观察微生物生长的动态过程.

2)实验室模拟技术富集培养.近年来，随着保温保压保真储存技术的发展，以取样为基础的实验室模拟技术富集培养逐渐成为研究深海微生物的常用实验方法.模拟技术富集培养主要是通过机械手持取样器取样、大洋钻探、可视抓斗等方法进行样品采集，随后带回实验室进行高压培养.其缺点是样品采集后从船上转移到实验室的过程中不能保持生物原有的生存环境，如高压、低温、适当的盐度和氧浓度等，导致绝大多数嗜压型生物到达实验室时已经死亡，只有少数适应力强的生物可以在极短的时间内存活[12].

2 一种全新的富集装置设计

深海恶劣的环境对电子设备产生严重影响.为了丰富深海微生物原位富集装置的种类，增加设备的可靠性，本文设计的纯机械深海悬浮微生物原位富集装置主要包括：1)海水环境下的防腐蚀材料的选择；2)回收过程中的密封防污染设计；3)海底实现定高悬浮设计.各部分的主要功能、机构组成、连接方式如下：

1)装置主体设计.本装置的主体如图1所示，由富集仓总成1、密封压紧盖总成2、把手弹簧锁总成3、为富集装置提供浮力的浮体材料块4、一个起配重作用沉于海底固定位置的金属配重块5、一根连接脱钩装置与配重块的可承受拉力的系绳6、脱钩装置总成7组成，这样的设计不仅满足了微生物培养以及回收所需的条件，同时结构简单、可靠性强.

1—富集仓总成；2—密封压紧盖总成；3—把手弹簧锁总成；4—浮体材料块；5—配重块；6—系绳；7—脱钩装置总成.图1 悬浮微生物原位富集装置主体主视及剖视总成图

2)富集仓设计.富集仓总成的作用是容纳需要培养的微生物，富集仓结构如图2所示.图2中，T型管材把手是为了方便机械手抓取实验装置，内置隔离装置方便拆卸的同时可以实现富集仓内微生物的分层培养.富集仓的所有材料都选用抗腐蚀能力极强的钛合金，使培养期间腐蚀损伤降到最低.

3)密封压紧盖设计.富集装置培养微生物时，富集仓内部与海底处于相同的环境中，方便内外物质交换，有助于微生物培养.回收设备时，富集仓闭合，在密封环与富集仓之间安装的密封圈不仅防止了回收过程富集仓内微生物的流失和污染，同时也保证了富集仓内压力与海底的压力的一致性，避免了回收过程中因压力改变造成微生物损失.采用螺栓连接，可以拆卸，方便放取隔离装置.盖体与密封环采用POM材料，其余部分采用钛合金，既保证了零件的强度又提高了装置的耐腐蚀性.密封压紧盖如图3所示.

图2 富集仓主视图与右视图

1—密封环；2—盖体；3—弹簧；4—固定杆；5—滑动板；6—连接块.图3 密封压紧盖主视图

4)把手弹簧锁设计.把手弹簧锁将富集装置的密封状态锁定，与压紧密封盖配合使用，回收过程无需施加持续力，保证内部培养基不被污染，并可拆卸，反复使用.把手弹簧锁结构如图4所示.

5)脱钩装置设计.脱钩装置主要利用四杆机构进行设计，如图5所示.培养期间，脱钩件卡住系绳环，由系绳连接配重块与富集装置，在浮力与重力的共同作用下，配重块沉于海底用于固定位置，而富集装置可以悬浮于重块上方所需要的高度内.回收装置时，下压共用滑动把手的动作触发脱钩装置动作，脱钩推杆直线运动带动脱钩件旋转，脱钩装置打开，系绳环脱落，抛弃配重块，其余部分回收.这样设计的目的是为了只回收有价值的部分抛弃不方便机械手操作的无价值部分.

1—共用滑动把手；2—锁销；3—锁销弹簧；4—锁销螺栓.图4 把手弹簧锁剖视图

1—脱钩推杆；2—脱钩固定件；3—脱钩件；4—系绳环.图5 脱钩装置机构简图

3 富集装置试验

3.1 富集装置实物与调试

根据设计方案加工制造出深海悬浮微生物原位富集装置实物如图6所示，实物搭载于国家7 000 m载人深潜器上，进行了联合调试.

图6 富集装置实物与调试

3.2 富集装置大洋海试

图7 布放微生物原位富集装置(JL-89潜次)

2015-01至2015-03，纯机械深海悬浮微生物原位富集装置随中国大洋科考船“向阳红9号”至西南印度洋，由“蛟龙号”投放于水深2 700 m的龙旂热液区，如图7所示.本次试验共布放10个微生物原位富集装置，其中成功回收2个(JL96+OIL；JL96+Na2S；均于JL100潜次回收)：在海面遇较大海浪遗失1个；剩余7个仍在原位富集.已回收样品，经微生物多样性分析，有富集效果.本次海试表明本装置可获得密封保存完好的微生物原位富集样品.

3.3 富集装置的优势和不足

本文设计的深海微生物原位富集装置主要优势有：1)纯机械式、可靠性高.装置所有设计全部采用纯机械式，不涉及任何电子元件，保证了可靠性，避免了电子元件在深海因信号干扰等情况下出现故障难以修复的问题；2)可实现在海底的定高悬浮培养，富集仓与配重块之间通过系绳连接，系绳的长度可调整，适用于对海底不同高度微生物的研究，同时避免了因海底淤泥掩埋而导致回收富集装置难以查找的问题.3)布放操作灵活，操作方便.机械手可夹持其中任一个T形把手，将富集装置推出样品放置箱的位置.松开机械手底部，配重块自动下降至海底，完成培养罐的投放作业.

装置也存在一些不足：1)海浪与生物活动对本装置培养过程影响较大，影响结果的因素多样,回收过程中，温度改变对微生物也会造成损失；2)机械部分的自动化程度不高，装置的投放与回收都依靠机械手通过手动方式实现，需要进一步改善.

4 结束语

本文设计了一套全新的悬浮微生物原位富集装置，并对装置进行了试验.试验结果表明本文设计的装置具有富集效果好、体积小、成本低、使用方便等优点，但也存在回收过程易丢失的问题.本文设计的装置对以后的研究工作有一定的参考和借鉴作用.

[1]JØRGENSEN B B, BOETIUS A. Feast and famine—microbial life in the deep-sea bed[J]. Nature Reviews Microbiology, 2007,5(10):770-781.

[2]FRY J C, PARKES R J, CRAGG B A, et al. Prokaryotic biodiversity and activity in the deep subseafloor biosphere[J]. FEMS Microbiology Ecology, 2008,66(2):181-196.

[3]CAMPBELL B J, JEANTHON C, KOSTKA J E, et al. Growth and Phylogenetic Properties of Novel Bacteria Belonging to the Epsilon Subdivision of the Proteobacteria Enriched fromAlvinella pompejana and Deep-Sea Hydrothermal Vents[J]. Applied and Environmental Microbiology, 2001,67(10):4566-4572.

[4]GRZYBOWSKA B, SZWEDA P, SYNOWIECKI J. Cloning of the thermostable α-amylase gene from Pyrococcus woesei in Escherichia coli[J]. Molecular biotechnology, 2004,26(2):101-109.

[5]MEULEPAS R J W, STAMS A J M, LENS P N L. Biotechnological aspects of sulfate reduction with methane as electron donor[J]. Reviews in Environmental Science and Bio/Technology, 2010,9(1):59-78.

[6]ZHANG Y H P, EVANS B R, MIELENZ J R, et al. High-yield hydrogen production from starch and water by a synthetic enzymatic pathway[J]. PloS one, 2007,2(5):e456.

[7]QIN Y, HUANG Z, LIU Z. A novel cold-active and salt-tolerant α-amylase from marine bacterium Zunongwangia profunda: molecular cloning, heterologous expression and biochemical characterization[J]. Extremophiles, 2014,18(2):271-281.

[8]黄强.深海水体微生物原位富集方法研究[J].舰船科学技术,2014(4):100-102.

[9]ALAIN K, ZBINDEN M, LE B N, et al. Early steps in microbial colonization processes at deep-sea hydrothermal vents[J]. Environmental Microbiology, 2004,6(3):227-241.

[10]WANG F, KARL D M. GeoChip-based analysis of metabolic diversity of microbial communities at the Juan de Fuca Ridge hydrothermal vent[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2009,106(12):4840-4845.

[11]张宇,肖湘.深海微生物的研究与开发[J].生命科学,2012(9):986-990.

[12]葛朝平.深海近底层多网分段/分层生物幼体保压取样器研究[D].杭州:浙江大学,2008.

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

宋圆圆(1991-)，女，山东威海人，硕士研究生，机电系统集成及深海装备技术.通信作者：周东辉教授，E-mail：dhzhou@hdu.edu.cn.

TH122

A

1001-9146(2017)04-0057-04