一种调控深海微生物活性的靶向递送系统和方法与流程

本发明涉及智能材料与深海工程，尤其涉及一种调控深海微生物活性的靶向递送系统和方法。

背景技术：

1、天然气水合物是全球重要的潜在清洁能源，其储存的甲烷资源总量巨大。水合物储层本身也被视为一种潜在的二氧化碳地质封存场所。近年来，一种新兴的技术理念备受关注：利用或强化储层中天然的微生物代谢过程，实现甲烷的原位转化与碳固定。

2、通过激活厌氧甲烷氧化古菌与硫酸盐还原细菌等共生微生物群落的代谢活性，可以将甲烷氧化并转化为稳定的碳酸盐矿物，从而实现两个关键目标：一是将甲烷提前消耗或封存，降低其意外泄漏的环境风险；二是将注入二氧化碳转化为稳定的碳酸盐，实现真正的原位碳封存。这种以生物之法，治生物之害的策略，被认为是深海碳减排与水合物绿色开发的理想路径之一。

3、上述过程的速率，在自然条件下严重受限于功能微生物的活性。深海天然气水合物储层通常位于海床之下数百至数千米，处于持续的低温、高压、黑暗及寡营养的极端环境中，极大地抑制了anme与srb等嗜压、嗜冷微生物的生长与代谢速率，使得自然状态下的厌氧甲烷氧化过程极为缓慢。在未受扰动的水合物储层中，厌氧甲烷氧化过程可能以地质时间尺度进行，远远无法满足工程化碳封存或能源调控对反应速率的需求。因此，如何人为地、安全地增强这些有益功能微生物在极端环境下的代谢活性，成为能否将上述理论构想转化为实际工程应用的核心问题。

4、为解决这一问题，国内外研究者已尝试了多种调控策略，但均存在显著局限。传统的营养物质注入技术虽在实验室和少数现场试验中观察到厌氧甲烷氧化过程速率提升，但其本质是广撒网式的连续或间歇注入。营养物质在复杂多孔的沉积物中扩散快、利用率低，且无法根据微生物的实时代谢需求进行动态调整，易造成资源浪费并可能刺激非目标微生物过度生长，引发储层堵塞或生态扰动。功能微生物接种技术则面临外源菌群在极端环境下存活率低、与土著微生物竞争性弱、效果不稳定等瓶颈。从农业或环境修复领域借鉴的缓释材料技术，其材料力学性能多在常压下设计，无法承受深海高压而极易压溃失效，且养分的释放仅依赖于材料的被动降解，缺乏对原位环境化学信号的响应能力。在生物医药行业，已开发出多种能响应ph、酶或光信号的纳米药物载体，实现了在人体内的靶向治疗。然而，这些系统的工作环境与深海极端环境存在本质区别，其材料体系、传感机制和触发逻辑均无法直接移植应用。

5、现有技术中存在养分利用效率差、微生物强化效果不稳定、缓释材料耐压性不足、缺乏环境信号主动调控机制等缺陷，因此，开发适配深海天然气水合物储层极端工况、可靶向供给养分、实时响应储层环境信号、高效强化厌氧甲烷氧化共生菌群代谢活性的智能调控体系已成为目前亟待解决的问题。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明通过微胶囊结构进行智能可控释放营养物质，实现深海储层微生物营养的长效封存、原位监测、按需靶向释放，大幅提升深海储层厌氧微生物调控的精准性、稳定性与长效性。

2、为达此目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种调控深海微生物活性的靶向递送系统，包括微胶囊和水面控制单元，所述微胶囊包括壳体、传感器、电源、声学通信模块和至少两个独立密封腔室，所述独立密封腔室内部装载营养物质，所述壳体上开有与独立密封腔室连通的可控释放通道，用于向外释放营养物质，所述声学通信模块分别与电源、传感器电连接，并与水面控制单元双向通信。

4、本发明通过设置多组独立密封腔室实现营养物质的隔离长效封存，配合壳体可控释放通道实现定向释料；依托传感器实现储层环境参数实时采集，通过声学通信模块与水面控制单元的双向通信，构建闭环调控体系，解决了传统营养递送装置无法实时监测储层环境、释料不可控、营养物质利用率低的技术问题，实现深海储层微生物营养的精准、按需靶向递送，有效降低储层环境扰动。

5、以下作为本发明的优选技术方案，但不作为对本发明提供的技术方案的限制，通过以下优选的技术方案，可以更好的达到和实现本发明的目的和有益效果。

6、作为本发明优选的技术方案，所述微胶囊的等效粒径为800~1000μm，例如可以是800μm、850μm、900μm、950μm或1000μm等。

7、优选地，所述微胶囊的形状包括球形或椭球形，优选为球形。

8、优选地，所述壳体的表面具有修饰层，所述修饰层的表面水接触角为80~90°。

9、本发明通过壳体表面修饰层实现在水合物-水界面或沉积物孔隙中的靶向富集与选择性滞留。

10、优选地，所述修饰层包括聚乙二醇和十八烷基三氯硅烷。

11、优选地，所述壳体的材质包括聚醚醚酮与碳纳米管的复合材料或磷脂与聚合物的复合材料。

12、优选地，所述聚合物为生物相容型高分子聚合物，具体可选聚乳酸、聚己内酯、聚乙二醇中的任意一种。

13、优选地，所述营养物质包括氮源、磷源、硫源、微量元素或维生素中的任意一种或至少两种的组合。

14、作为本发明优选的技术方案，所述可控释放通道包括开设于壳体上的通孔和封堵所述通孔的可溶蚀阳极电极，壳体内部配套设置有惰性阴极电极，所述可溶蚀阳极电极和惰性阴极电极分别与电源连接。

15、优选地，所述壳体分为上半壳体和下半壳体，所述可控释放通道设置于上半壳体和下半壳体的对合端面。

16、优选地，所述惰性阴极电极沉积于壳体的内壁，优选为上半壳体的内壁。

17、优选地，所述独立密封腔室由下半壳体上的微坑和密封薄膜形成，所述密封薄膜包括plga膜。

18、优选地，所述独立密封腔室的壁面上设置有向下凹陷的环形台阶，用于容纳密封薄膜，所述环形台阶的高度与密封薄膜的厚度匹配，所述密封薄膜可通过热压密封覆盖于微坑上。

19、优选地，所述可控释放通道的孔径为10~50μm，例如可以是10μm、20μm、30μm、40μm或50μm等。

20、优选地，所述可溶蚀阳极电极包括锌电极、镁电极或锌镁合金电极。

21、优选地，所述惰性阴极电极包括铂电极或石墨电极。

22、优选地，所述可溶蚀阳极电极朝向壳体外侧的表面包覆惰性隔离膜，用于隔绝海水孔隙流体，抑制电极在海水环境下自发腐蚀，优选地，所述惰性隔离膜包括聚醚醚酮薄膜或聚对二甲苯薄膜。

23、优选地，所述电源设置有两条独立支路，包括常电供电支路和电解控制支路，所述常电供电支路连通声学通信模块和传感器，所述电解控制支路连接所述可溶蚀阳极电极和惰性阴极电极，所述电解控制支路上设置有电控开关，所述电控开关与声学通信模块电连接。

24、作为本发明优选的技术方案，所述传感器包括甲烷浓度传感器和硫酸盐传感器。

25、作为本发明优选的技术方案，还包括声学收发基站，所述声学收发基站与微胶囊的声学通信模块短距离通信，所述声学收发基站通过内置光纤的铠装电缆与水面控制单元相连。

26、优选地，所述短距离通信的通信距离为10~100 m。

27、优选地，所述水面控制单元包括上位计算机。

28、作为本发明优选的技术方案，声学通信模块包括微型压电换能器。

29、作为本发明优选的技术方案，所述微胶囊还包括功能微腔，所述传感器、电源和声学通信模块封装于功能微腔内，所述功能微腔的腔壁开有环境连通孔。

30、优选地，所述电源包括海水激活电池，海水通过功能微腔的环境连通孔渗入激活电池。

31、作为本发明优选的技术方案，所述微胶囊的制备方法包括：采用微热压成型分别制备具有至少两个微坑和对应通孔的下半壳体，具有一个环境连通孔的上半壳体，在所述下半壳体的通孔上通过电镀工艺填充可溶蚀阳极电极，在微坑中注入营养物质后通过密封薄膜形成独立密封腔室，所述惰性阴极电极通过磁控溅射沉积制备，所述传感器、电源和声学通信模块通过紫外固化胶封装固定于下半壳体，通过激光焊接将上半壳体与下半壳体封装形成完整微胶囊。

32、第二方面，本发明提供了一种采用第一方面所述的靶向递送系统调控天然气水合物储层厌氧微生物的方法，包括如下步骤：

33、（1）将所述微胶囊投放至天然气水合物储层；

34、（2）海水渗入所述微胶囊激活电源，所述传感器持续采集储层的参数，并通过所述声学通信模块将参数上传至水面控制单元；

35、（3）水面控制单元根据接收的参数判定下发声学指令，所述声学通信模块接收声学指令后控制可控释放通道释放营养物质。

36、作为本发明优选的技术方案，所述微胶囊的投放密度为1~8颗/cm3，例如可以是1颗/cm3、3颗/cm3、5颗/cm3、7颗/cm3或8颗/cm3等。

37、作为本发明优选的技术方案，所述微胶囊的投放区域为天然气水合物储层的水合物-水界面和/或沉积物孔隙。

38、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

39、（1）本发明提供的调控深海微生物活性的靶向递送系统在单颗微胶囊内部集成了传感器、电源、声学通信模块和独立密封腔室，可与水面的控制单元双向通信，无需微胶囊本地具备复杂计算能力，实现营养物质可控释放；

40、（2）本发明采用靶向递送系统调控水合物储层厌氧微生物的方法可降低微胶囊使用数量，提高营养利用率，大幅降低单位体积储层的部署成本。