從古至今，人類從未停止對深海的探索。近日，我國研究團隊在深海裝備系統領域取得進展。由我國涉海院校與科研院所等單位組成的項目攻關組，圍繞深海微生物原位采樣與宏基因組分析核心技術展開攻關，完成首臺國產深海微生物原位采樣自主水下航行器（以下簡稱“航行器”）的研制。
“水文理化數據和生物樣品分析數據不同步是海洋科考面臨的一個難題。這影響了調查研究的時效性。航行器及配套系統的研發使我國具備了深海微生物原位探測和核酸樣品原位提取保存能力，為深海、遠海生物多樣性調查，基因資源挖掘以及功能資源化利用提供了有力保障，是我國在海洋探測裝備領域的一項重要突破。”項目總負責人、中國工程院院士包振民說。
傳統探測技術有何不足？航行器研制過程中有哪些技術突破？這些技術如何支持深海微生物探索工作？近日，記者就以上問題采訪了相關研發人員。
傳統采樣技術存在不足
深海是地球系統中最大的生境，其高鹽、高壓、低溫、低營養和無光照的獨特生態系統中蘊藏著人們未認知和開發的微型生物資源。深海微生物適應極端生存環境，形成了特殊的基因類型、生理機制及代謝產物等。因此開展深海微生物的探索研究有助于闡明生命起源與進化、環境適應與生態效應等重大科學前沿問題，同時也是深海資源開發的重要方式。
開展深海微生物基因探索一度受限于采樣技術。傳統的深海微生物采樣技術主要依賴于船舶定點式大量采水、ROV遠程遙操作采樣或深海坐底平臺靜態采樣等，這些技術和設備通常需配合母船開展短時作業，將采集樣品帶回實驗室后進行分析。
然而，傳統檢測方式要經過“大體積采水器采水、船基過濾、凍存、核酸提取”等過程，許多微生物在取樣過程中因環境驟變而導致核酸嚴重降解，給解析深海原位狀態下微生物的群落組成及基因表達規律帶來挑戰。此外，中國海洋大學海洋生命學院教授王師提道，海洋微生物的分布具有廣域性和深度梯度性，對其分布規律及特性的研究需要長周期的連續觀測與原位取樣。
“深海微生物具有分布范圍廣、尺寸變化大和演變周期長的特點。如何在海洋高壓、高腐蝕、變密度等環境下，實現小型化多通道采樣儀器設計，使采樣設備同時具備環境適應、長時運動、敏捷航行、原位采樣和高保真保存等能力，是深海微生物自主采樣設備的研發難點。”課題負責人、天津大學機械工程學院教授劉玉紅介紹。
實現自主、原位采樣突破
“由于光照度、含氧量、溫度和水壓等影響，深海微生物群落多聚集在1000米以內淺水域。團隊研制的航行器最大采樣深度可至1000米，最小取樣直徑達0.22微米，單次采樣水量突破15升，最大采樣個數70個，連續工作時間可達到15天以上。”劉玉紅說。航行器通過配備的深海微生物原位采樣儀器和基因分析裝置，可以實現深海微生物從采樣、制備到保存的無縫銜接，有效避免樣本因環境變化導致的污染、降解和核酸結構變化，顯著提高樣本質量，縮短采樣周期，提升研究效率。
航行器如何實現深海微生物長時間、多點位、大深度、高保真保存采樣？劉玉紅介紹，長時間、大深度采樣主要依靠在航行器設計、優化與研制等方面的技術突破，多點位、高保真保存則是通過微生物多通道原位采樣儀器設計、航行器系統集成及運動控制方法等技術的突破實現，進而使得航行器具備深海微生物的自主采樣能力。
自主采樣是指通過自動化設備或自動化系統，在無人員干預的情況下，通過融合實時感知的環境信息，高效、精準、獨立地完成樣本采集的過程。
海洋廣闊且環境復雜多變，深海微生物類型與種群分布隨海洋環境的溫度、光照、壓力、含氧量及地形發生明顯變化。因此，自主采樣對航行器的極端環境適應性和可靠性、采樣精度與樣本保真、設備高精度導航與自主決策、能源精益化管理和運動控制等提出多方面挑戰。
項目技術骨干、天津大學助理研究員孫通帥介紹，項目組研制的航行器配備了多種傳感器，可實時監測深海環境的物理、化學參數，如溫度、鹽度、壓力、溶解氧、濁度、葉綠素濃度等，并通過多源數據融合，實現在環境信息擾動條件下的深海微生物采樣區域邊界識別與跟蹤，進而保證自主采樣的實現和品質。此外，航行器還具備組合導航和航位推算能力，能夠面向水下預設區域，開展微生物的長期連續采樣。
支撐深海微生物前沿研究
航行器的成功研制，不僅填補了相關技術空白，也讓深海時空交變環境中微生物的長時間、多點位、多尺度和大深度的原位采樣與高保真保存成為可能。同時，它還為發現與探索海洋微生物新物種、揭示海洋微生物多樣性格局與演變規律、明晰微生物碳泵與海洋碳匯的影響機理等提供決定性樣本與基因數據支撐，促進了新型海洋裝備和海洋生命前沿技術的發展。
項目組針對深海微型生物鑒定面臨原位采樣核酸量低、易高度降解及難以實現跨界域生物同步分析等難題，研制了holo-2bRAD技術。該技術可實現對低至0.1納克的痕量、高度降解樣品的分析，動態追蹤原核和真核生物的協同變化，定性定量分析準確性可達95%以上。項目組將holo-2bRAD技術與深海原位采樣核酸提取等裝備系統整合后形成的高效一體化深海原位采樣鑒定分析系統，是進行深海生物多樣性調查及功能深度解析的有力工具。
項目組還設計開發了具備多維宏組學特色、系統分析模塊、面向學科交叉的海洋微生物綜合資源數據庫OceanM。
“與已有類似數據庫相比，OceanM具備多元化的微生物功能分析，包含輻射全生境、全水深、多水層的數據資源，覆蓋微生物全球分布模式、交互式海洋微生物檢索分析、跨圈層互作分析以及海洋天然產物挖掘等11個功能模塊。”課題負責人、中國海洋大學海洋生命學院教授張玲玲說，該數據庫將為海洋微生物生態調查、地球多圈層交互作用深度解析以及海洋微生物資源的深度開發提供有效支撐。
從古至今，人類從未停止對深海的探索。近日，我國研究團隊在深海裝備系統領域取得進展。由我國涉海院校與科研院所等單位組成的項目攻關組，圍繞深海微生物原位采樣與宏基因組分析核心技術展開攻關，完成首臺國產深海微生物原位采樣自主水下航行器（以下簡稱“航行器”）的研制。
“水文理化數據和生物樣品分析數據不同步是海洋科考面臨的一個難題。這影響了調查研究的時效性。航行器及配套系統的研發使我國具備了深海微生物原位探測和核酸樣品原位提取保存能力，為深海、遠海生物多樣性調查，基因資源挖掘以及功能資源化利用提供了有力保障，是我國在海洋探測裝備領域的一項重要突破。”項目總負責人、中國工程院院士包振民說。
傳統探測技術有何不足？航行器研制過程中有哪些技術突破？這些技術如何支持深海微生物探索工作？近日，記者就以上問題采訪了相關研發人員。
傳統采樣技術存在不足
深海是地球系統中最大的生境，其高鹽、高壓、低溫、低營養和無光照的獨特生態系統中蘊藏著人們未認知和開發的微型生物資源。深海微生物適應極端生存環境，形成了特殊的基因類型、生理機制及代謝產物等。因此開展深海微生物的探索研究有助于闡明生命起源與進化、環境適應與生態效應等重大科學前沿問題，同時也是深海資源開發的重要方式。
開展深海微生物基因探索一度受限于采樣技術。傳統的深海微生物采樣技術主要依賴于船舶定點式大量采水、ROV遠程遙操作采樣或深海坐底平臺靜態采樣等，這些技術和設備通常需配合母船開展短時作業，將采集樣品帶回實驗室后進行分析。
然而，傳統檢測方式要經過“大體積采水器采水、船基過濾、凍存、核酸提取”等過程，許多微生物在取樣過程中因環境驟變而導致核酸嚴重降解，給解析深海原位狀態下微生物的群落組成及基因表達規律帶來挑戰。此外，中國海洋大學海洋生命學院教授王師提道，海洋微生物的分布具有廣域性和深度梯度性，對其分布規律及特性的研究需要長周期的連續觀測與原位取樣。
“深海微生物具有分布范圍廣、尺寸變化大和演變周期長的特點。如何在海洋高壓、高腐蝕、變密度等環境下，實現小型化多通道采樣儀器設計，使采樣設備同時具備環境適應、長時運動、敏捷航行、原位采樣和高保真保存等能力，是深海微生物自主采樣設備的研發難點。”課題負責人、天津大學機械工程學院教授劉玉紅介紹。
實現自主、原位采樣突破
“由于光照度、含氧量、溫度和水壓等影響，深海微生物群落多聚集在1000米以內淺水域。團隊研制的航行器最大采樣深度可至1000米，最小取樣直徑達0.22微米，單次采樣水量突破15升，最大采樣個數70個，連續工作時間可達到15天以上。”劉玉紅說。航行器通過配備的深海微生物原位采樣儀器和基因分析裝置，可以實現深海微生物從采樣、制備到保存的無縫銜接，有效避免樣本因環境變化導致的污染、降解和核酸結構變化，顯著提高樣本質量，縮短采樣周期，提升研究效率。
航行器如何實現深海微生物長時間、多點位、大深度、高保真保存采樣？劉玉紅介紹，長時間、大深度采樣主要依靠在航行器設計、優化與研制等方面的技術突破，多點位、高保真保存則是通過微生物多通道原位采樣儀器設計、航行器系統集成及運動控制方法等技術的突破實現，進而使得航行器具備深海微生物的自主采樣能力。
自主采樣是指通過自動化設備或自動化系統，在無人員干預的情況下，通過融合實時感知的環境信息，高效、精準、獨立地完成樣本采集的過程。
海洋廣闊且環境復雜多變，深海微生物類型與種群分布隨海洋環境的溫度、光照、壓力、含氧量及地形發生明顯變化。因此，自主采樣對航行器的極端環境適應性和可靠性、采樣精度與樣本保真、設備高精度導航與自主決策、能源精益化管理和運動控制等提出多方面挑戰。
項目技術骨干、天津大學助理研究員孫通帥介紹，項目組研制的航行器配備了多種傳感器，可實時監測深海環境的物理、化學參數，如溫度、鹽度、壓力、溶解氧、濁度、葉綠素濃度等，并通過多源數據融合，實現在環境信息擾動條件下的深海微生物采樣區域邊界識別與跟蹤，進而保證自主采樣的實現和品質。此外，航行器還具備組合導航和航位推算能力，能夠面向水下預設區域，開展微生物的長期連續采樣。
支撐深海微生物前沿研究
航行器的成功研制，不僅填補了相關技術空白，也讓深海時空交變環境中微生物的長時間、多點位、多尺度和大深度的原位采樣與高保真保存成為可能。同時，它還為發現與探索海洋微生物新物種、揭示海洋微生物多樣性格局與演變規律、明晰微生物碳泵與海洋碳匯的影響機理等提供決定性樣本與基因數據支撐，促進了新型海洋裝備和海洋生命前沿技術的發展。
項目組針對深海微型生物鑒定面臨原位采樣核酸量低、易高度降解及難以實現跨界域生物同步分析等難題，研制了holo-2bRAD技術。該技術可實現對低至0.1納克的痕量、高度降解樣品的分析，動態追蹤原核和真核生物的協同變化，定性定量分析準確性可達95%以上。項目組將holo-2bRAD技術與深海原位采樣核酸提取等裝備系統整合后形成的高效一體化深海原位采樣鑒定分析系統，是進行深海生物多樣性調查及功能深度解析的有力工具。
項目組還設計開發了具備多維宏組學特色、系統分析模塊、面向學科交叉的海洋微生物綜合資源數據庫OceanM。
“與已有類似數據庫相比，OceanM具備多元化的微生物功能分析，包含輻射全生境、全水深、多水層的數據資源，覆蓋微生物全球分布模式、交互式海洋微生物檢索分析、跨圈層互作分析以及海洋天然產物挖掘等11個功能模塊。”課題負責人、中國海洋大學海洋生命學院教授張玲玲說，該數據庫將為海洋微生物生態調查、地球多圈層交互作用深度解析以及海洋微生物資源的深度開發提供有效支撐。
本文鏈接：自主采樣航行器：“看”到更真實的深海http://www.sq15.cn/show-2-9137-0.html
聲明：本網站為非營利性網站，本網頁內容由互聯網博主自發貢獻，不代表本站觀點，本站不承擔任何法律責任。天上不會到餡餅，請大家謹防詐騙！若有侵權等問題請及時與本網聯系，我們將在第一時間刪除處理。
上一篇： AEP100發動機配裝全球最大無人運輸機
下一篇： 我國首座電網側飛輪儲能調頻電站并網發電