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一种深海微生物多级膜取样系统的设计 0 海底微生物取样技术 海洋微生物是指分布在海洋中的个体的小、简单形状和结构的个别或多细胞生物。作为食物链最底层的生物,它们为众多的海洋生物提供了庞大的食物营养来源,并在污染物分解、矿物形成等过程中扮演了极为重要的角色。海洋环境的特殊性,使得海洋微生物在长期的适应过程中具有了嗜压、嗜盐、低营养性、多形性等特点。相对于营养丰富、光照充足的浅海,深海的微生物活动并不十分剧烈,但从海面到海底淤泥都有微生物的存在。对深海微生物的研究不仅有助于了解生命的起源,而且可以了解生物在极端环境下的生活特性,有助于对海洋生态系统加深了解和深海资源的开发。 1977年ALVIN深潜器证实了深海微生物的存在,科学家们随之开始了深海微生物取样技术的研究。早期的深海微生物取样器由深海取水器发展而来,但由于深海微生物极低的浓度和极高的保压要求,其取样方法逐渐向着原位浓缩、无压力突变、保温保压的方向发展。现有的原位浓缩保压取样技术由于只进行一次过滤,存在着样品杂质含量高,微生物难以分离的缺点。 本研究设计了一种深海微生物多级膜取样系统,相比于已有的过滤浓缩取样装置,取样器部分采用了两级膜的过滤设计,能较好地剔除杂质,提高所采样品的有效浓度。同时系统还配备了可伸缩的采集头以及温度测量头,满足了在热液口等复杂环境下的使用需要。2010年秋经过大洋一号南海试航阶段的实验,该系统能够圆满完成设计使命。 1 海底两环管网保压取液器 系统总图如图1所示,该系统主要由4个部分组成:多级膜过滤保压取样器、三柱塞海水泵、伸缩式采集头,以及温度测量装置。 多级膜取样器液压原理图如图2所示,系统的工作原理是:深海直流无刷电机带动三柱塞海水泵,泵的入口处连接采集头吸管,吸入的海水从泵的出口进入六通转接管。六通转接管的5个出口分别连接一组两级膜过滤保压筒,保压取样器共含有5组并联安装的两级膜过滤保压筒,每组保压筒都以单向阀作为进口,电磁单向阀作为出口,电磁阀直通海水。本研究通过控制电磁阀的开关来切换需要使用的过滤保压筒。另一个直流无刷电机带动的可伸缩采集头,可在工作时伸出采集头,取样结束后将采集头缩回。取样位置的温度信息通过温度测量探头感知,再由温度采集筒内的采样放大电路进行处理和上传。 1.1 海洋微生物检测 多级膜取样器如图3所示,多级膜过滤保压取样器包含5组多级膜过滤保压取样筒,每组过滤保压取样筒具有相同的结构,相互间作并联安装,每个取样筒内随海水通过方向依次放置两级过滤膜,第1级的孔径大于第2级的孔径,体积较大的杂质颗粒被第1级过滤膜滤掉,体积较小的海洋微生物则可通过第1级过滤膜,但无法穿过第2级,于是可在第2级过滤膜上取到纯度较高的海洋微生物。两级过滤膜之间连接有三通截止阀,截止阀留有一个可开闭的接口,可以用于样品的转移。 每组保压取样筒的进口处有一个单向阀,出口处有一个电磁单向阀,电磁单向阀打开时,进口处单向阀在泵出口压力下打开,海水开始通过保压取样筒过滤取样;电磁单向阀关闭时,流道被切断,对应的保压取样筒不再有海水通过,进口处的单向阀也复位关闭,取样筒内液体被密封起来,压力仍得到保持。 在取样回收过程中,外界压力变小,取样筒筒体会发生膨胀,加之装置本身不可避免地泄露,取样筒内的压力会有所下降,因而需要进行压力的补偿。在入口单向阀与取样筒之间加装蓄能器,蓄能器装在刚性的筒体内。在取样器下放前,根据预计取样深度给蓄能器预充一定压力的氮气,预充气压略低于取样海水压力,下放之后蓄能器刚性筒体受海水压缩轻微变形,所以蓄能器开启压力要比预充压力略高。取样时,取样筒与蓄能器筒相通,海水进入蓄能器筒,压缩蓄能器,内部气体压力与海水压力相等。在取样回收过程中,当取样筒内压力下降时,蓄能器通过一定程度的膨胀,挤出油液进入到保压筒内,可以对取样筒内损失的压力给予一定程度的补偿,实现保压。 1.2 采集头的配置 在实际取样过程中,为了实现对精确位置(如热液口)的取样工作,需要能活动的采集头。传统上,采集头通过水下机械手进行操作移动,但水下机械手价格昂贵,且很多水下运载器及拖体上并未装备机械手,这就限制了取样器的搭载方式和使用范围。 为解决此问题,该取样系统中配置了可伸缩式采集头,如图4所示。采用深海直流无刷电机带动丝杆运动,并以导轨滑块导向的方式实现吸管的伸缩。吸管等滑动部件的重量所产生的弯矩,由导向结构来承载。系统共配置6根吸管,平面并联布置。每根吸管负责一个取样点的采集任务,要对多个取样点进行采样时,则分别使用不同的吸管,可以防止样品交叉污染。吸管通过软管接到海水柱塞泵的入口,柱塞泵的出口通过软管连接到六通转接管,接入过滤保压取样器。在取样工作完成后,还可收回采集头,方便保护和运载。 1.3 柱塞泵电机无刷电机 该取样系统使用一种深海压力平衡的海水柱塞