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论文导读与观点概要 & k6 y) [3 D8 v; U
海洋的总面积达到了3.6×109 km2，占据了地球表面的71%，蕴藏着丰富的生物矿产资源。深度超过6 000 m的海域一般称为超深海或深渊带，仅占海洋总面积的1.2%。深渊是一个高压力、低温度的极端生态环境，在深渊环境下生活的微生物与地面微生物相比有不同的生物特性。国内外科学家在马里亚纳海沟、雅浦海沟等深渊带均发现了独特的生物群落。研究者对采集到的深渊微生物样本进行分离和解析后发现，深渊微生物具有很高的丰度和多样性，且往往具有一些特殊的功能，在这种极端环境下的生命也受到越来越多的重视。近些年的研究中共发现了上万种海洋生物天然产物，一些产物具有抗细胞衰老、抗病毒的生物特性，具有极高的药用价值和商业价值，并且已有几十个海洋抗癌药物进入临床或临床前研究阶段。然而，目前对于深渊中的生命现象和生命过程的认识受限于取样技术的发展，对深渊生物和基因资源的探索与了解非常不足。因此，对全海深深渊生物资源取样装备技术体系的研究不仅有助于了解海洋生命的起源过程，还能在许多不同的领域造福人类。
3 t" Z2 ~# m) ? 对利用采样装置采集到的深海样品进行分析、测试和研究，是当前海洋资源和环境勘查工作的重点内容，然而深渊生物样品采集难度大，在采集过程中由于环境压力、温度变化等因素会遭到严重的损坏。纵观目前世界各国利用传统常规深海取样技术获取的样本，无法满足快速发展的地球科学、环境科学、海洋生物学和海洋资源研究对样本的需求。传统常规深海取样技术一般不会对样品进行保压取样，压力等条件的变化会导致变价离子氧化状态改变以及有机组分分解，致使一些生物死亡，样品的原始成分与状态不能精确反映。 $ S3 X: u* \7 ] {& [4 w, g
20世纪90年代，法国科学家开展了有关深海水域生物资源取样器的研究，用12个500 ml的高压采样瓶收集到了3 500 m深的海水样品，并在实验室进行培养和观察。由于采用传统的取样方法，一次取样所能得到的微生物数量非常有限，因而越来越多的学者开始利用水样来获取更多的微生物。伍兹霍尔海洋研究所发明的SUPR取样器可以采集地球化学样品和微生物样品，该取样器采用圆盘式分层结构，可同时对24组大体积水样进行快速的过滤。此外，该研究小组在2012年开发出一种改良的SUPR-V2取样装置，可将过滤物料、未过滤的水样以及滤液同时收集起来，从而构成一套系统的样本。该取样器最大工作深度为5 500 m。后来，为了捕捉海底的浮游生物，Sentry Operations研发了SyPRID系统，该系统可以利用AUV采集最大深度6 000 m的样品。Shillito等设计了一种名为“PERISCOP”的取样系统，使用喷嘴吸入的方式，可以在2 000 m深海有选择性地捕捉收集深海软体动物，捕捉到了“深海热液区盲虾”样本。2017年，Garel等使用不锈钢或者钛合金原材料为科学界提供一种取样压力达到60 MPa，最大容量超过500 ml的高压保压采取设备，且该设备上浮过程中压力变化不超过5%。2018年，Peoples等在马里亚纳海沟10 700 m布放了3次采样器，成功实现了81%原位压力保持，为海洋微生物中收集属于黄杆菌科的微生物基因组提供了巨大帮助。2019年，Liu等设计了一种全深海载流式潜水机械手持气密沉积物采样器，提出了一种压力补偿的系统模型，并通过计算和试验验证其可靠性。此外，Liu等还设计了一种全海洋深度大型生物保压采样器（FMPS），建立了FMPS回收过程中压力补偿的数学模型，分析了其结构参数、压力补偿器结构参数和采样环境对FMPS保压性能的影响，通过试验和仿真的吻合度验证模型的可靠性。2021年，Oliver等提出了高压—高温微生物批量培养系统，可以在100 MPa、160 °C的高压高温条件下实现不降压的微生物取样过程。
( e2 t, |" y; ~ 人类对海洋领域的探索已经达到全海深级别，对样本质量的要求愈来愈高，对取样装置的设计也提出了更高的要求。深渊生物资源保压取样技术是进行深渊生物研究的先决条件，只有在拥有了足够接近原始状态样品的情况下，才能够进行深渊生物的研究。根据当前的形势，自主研制了用于全海深深度的深渊沉积物、水体和宏生物的保压取样装置，深渊沉积物保压转移装置，深渊微生物原位过滤及保存装置和高压培养高压酶学测定装置，为深渊生物和资源探测提供一套完整和成熟的技术体系。 $ u0 r9 j; E: D2 d" @
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基本结论
/ N/ Q9 V1 c) [: h+ W5 L6 k 建立了深渊生物资源取样装备技术体系，自主研发了用于全海深深度的深渊沉积物、水体和宏生物的保压取样装置，深渊沉积物保压转移装置，深渊微生物原位过滤及保存装置和高压培养高压酶学测定装置。在万米海上试验中验证了取样装置在万米深渊深度下的工作性能。在文中试验研究范围内得出了如下结论：
* x$ v9 h. o# P% d# j: T4 f 1） 对各零件连接部位采用O型圈的静密封形式，对低速无压差旋转运动部位采用泛塞封密封的形式，保证电机输出轴旋转运动时不会发生油液的泄露，能够满足高压下的密封性； 8 m& A3 s8 V6 I+ r' N6 T
2） 对深渊生物资源取样采样技术进行试验研究，通过改进的取样结构和压力补偿技术，可以确保整个采样过程无污染和无压力突变；
5 ]& k. C6 d! N3 C: t8 A 3） 保压转移技术对沉积物中的微生物样品进行分离和培养，可以有效减小取样装置和培养皿之间转移时压力变化，避免对微生物的生存环境造成破环。
, {- _: [; U4 J( g; i 深渊生物资源取样装备技术研究可以为其他海底装备的设计制造提供理论依据，能够为后续分离培养微生物，研究深渊生物群落结构、功能及活性提供可靠基础。未来为进一步获取高质量深渊生物资源，在实现保压取样的基础上需考虑温度、盐度等环境参数，实现生物资源的无损取样转移。  ! M0 W! x* l. g$ t; e
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9 X" l5 M) E; q' V) o 本文引用格式：陈家旺, 阮东瑞, 王豪, 等. 深渊生物资源取样装备技术体系研究[J]. 海洋工程, 2023, 41(4): 148-158. (CHEN Jiawang, RUAN Dongrui, WANG Hao, et al. Research on the technical system of abyss biological resources sampling equipment[J]. The Ocean Engineering, 2023, 41(4): 148-158. (in Chinese)）
& a( {; Q2 V- E, _/ a 作者简介：陈家旺 / k3 E3 }* i+ @3 ]" |9 m
3 s1 p( H) [3 A' P6 T: [# V$ |: l$ u$ f 陈家旺，男，博士，浙江大学海洋学院教授、中心特聘研究员。从事海洋技术理论与创新装备的教学与科研工作。主要研究方向为深海资源高质获取技术、深海岩心保压转移及处理技术、深海原位探测与作业技术与水下管缆技术等。共发表学术论文50余篇，其中SCI收录论文30余篇，已授权国家发明专利50余项，授权美国发明专利2项。 + T. p, W! E! b( y+ b, K
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- O" M, n, x. Z' B0 l) q 期刊简介 ' j6 z# ]2 p8 [: x$ L
Introduction
`. z$ F! z$ J; D/ D5 s 《海洋工程》是中国科协技术协会主管，中国海洋学会主办，南京水利科学研究院和上海交通大学承办的综合性中文科技期刊，双月刊，创刊于1983年，现已成为我国海洋工程领域具有较大影响力的学术期刊。报道范围涵盖深海工程、近海工程、海上风电工程、河口海岸工程、港口航道工程、海洋能源利用工程、海底矿产资源开发工程、水下工程、潜水救捞技术等。
1 S" y7 m+ h+ J 《海洋工程》立足于自身定位，突出刊物特色，遵循理论与实践相结合的原则，在内容上理论性与实用性兼顾。贯彻科学技术要面向生产，为国民经济建设服务和“百花齐放，百家争鸣”的方针，交流科研成果，开展学术讨论，为提高我国海洋工程的科学技术水平，促进我国海洋资源的开发利用作出积极贡献。 % c. }6 P' }, B* K4 E8 J6 G9 |
本刊是全国中文核心期刊，中国科技核心期刊，《中国科学引文数据库》（CSCD）核心期刊，美国《剑桥科学文摘》(CSA)、日本科学技术振兴机构数据库（JST）、科技期刊世界影响力指数(WJCI)等收录期刊，中国科技论文统计源期刊等。 ; h7 X; F$ ?2 r E* p' ]
先后荣获中国国际影响力优秀学术期刊、国家级优秀海洋期刊、中国科协高水平中文期刊培育项目资助等荣誉。 - B ^; Z6 a6 _( E: U
联系方式
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$ H" K% W6 q6 b, }. t L% @ 地址：江苏省南京市鼓楼区虎踞关34号《海洋工程》编辑部 ; K* H' ^0 @3 d) @: b2 L% M
邮箱：oe@nhri.cn
2 V# i' s% `* F 电话：025-85829332
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