一种海底甲烷渗漏区原位微生物定期富集培养装置和方法与流程

1.本发明涉及海洋科学技术领域，尤其涉及一种海底甲烷渗漏区原位微生物定期富集培养装置和方法。


背景技术：

2.甲烷是重要的温室气体，其增温效率比二氧化碳强28倍，对全球温室效应的贡献在20％以上。海洋占全球面积的71％，其海床内埋藏了大量以溶解态、气态和固态天然气水合物形式存在的甲烷。由于各种不稳定的地质因素驱动，每年约有0.4～12.2
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106吨的甲烷沿着海底通道渗漏到海水环境中。渗漏的甲烷可供给海底冷泉生态系统的形成，同时可孕育区别于普通沉积物的微生物群落，如大量的嗜甲烷微生物。此外，深层微生物也能够以富甲烷流体作为载体运输到海底表面，成为冷泉系统重要的微生物组成。因此，海底甲烷渗漏区微生物对研究全球甲烷碳循环，并探索深层微生物群落特征具有重要意义。
3.然而，海底微生物培养技术的限制是制约海洋微生物发展的重要难题。由于实验室培养无法真实模拟海底环境，且海底微生物生长缓慢，目前仅有极少数的海底微生物可以通过实验室进行富集培养。海洋原位微生物富集培养技术越来越受到研究者的青睐，其可以规避实验室培养技术的多种弊端，但该技术同时也出现了一些仍待解决的难题。例如，由于人力物力及海况的限制，难以实现对培养后样品的定期连续回收，导致培养时间的不可控性，从而影响实验结果。因此，开发一种能够定期富集培养海底甲烷渗漏区微生物的装置与方法已经成为迫切需要。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种海底甲烷渗漏区原位微生物定期富集培养装置，其能解决现有技术中无法定期原位富集培养海底微生物的问题。
5.本发明的目的之二在于提供一种海底甲烷渗漏区原位微生物定期富集培养方法，其能解决现有技术中无法定期原位富集培养海底微生物的问题。
6.为了达到上述目的之一，本发明所采用的技术方案如下：
7.一种海底甲烷渗漏区原位微生物定期富集培养装置，包括一端设置有开口的采集舱、用于富集微生物的富集机构、用于将微生物固定在富集机构上的固定机构、用于驱使开口处于开启和关闭其中一种状态的开关机构以及用于进行数据处理的数据舱，所述采集舱内部设置有用于培养微生物的容纳腔，所述富集机构设置在容纳腔内，所述固定机构包括用于储存固定液的固定液舱和若干用于注射固定液的注射器，所述固定液舱与采集舱连接，所述固定液舱的输出端通过注射器与富集机构连接，所述开关机构与所述开口连接，所述固定机构、开关机构和注射器均与数据舱连接。
8.优选的，所述开关机构包括的上盖板、下盖板、齿轮组和驱动电机，所述上盖板的一侧端面设置有若干与外界连通的上通孔，所述下盖板的一侧端面设置有若干与容纳腔连
通的下通孔，所述下盖板与所述开口连接，所述上盖板活动连接在下盖板远离富集机构的一侧端面上，所述驱动电机通过齿轮组与上盖板连接，所述驱动电机与数据舱连接；所述驱动电机，用于驱使上通孔和下通孔处于连通和截止其中一种状态。
9.优选的，所述上盖板的边缘部分设置有若干驱动轮齿，所述驱动电机通过齿轮组与驱动轮齿啮合。
10.优选的，还包括用于回收富集机构的提把，所述提把与上盖板的中部连接。
11.优选的，所述固定液包括碘溶液、高盐缓冲液、乙醇和酰基苯胺其中的一种或者多种。
12.优选的，所述富集机构包括上筛网和下筛网，所述上筛网和下筛网均设置在容纳腔内，所述下筛网与上筛网互为平行设置，所述上筛网、下筛网和容纳腔壁围成一用于富集微生物的富集腔室，所述注射器的输出端与富集腔室连接。
13.优选的，还包括若干隔板，所述隔板设置在上筛网与下筛网之间。
14.优选的，所述注射器的输出端沿圆周方向呈等间距设置在上筛网与下筛网之间。
15.优选的，还包括监测机构，所述监测机构包括甲烷传感器，所述甲烷传感器设置在采集舱上。
16.为了达到上述目的之二，本发明所采用的技术方案如下：
17.一种海底甲烷渗漏区原位微生物定期富集培养方法，所述方法包括一应用于海底甲烷渗漏区原位微生物定期富集培养装置的数据舱，所述海底甲烷渗漏区原位微生物定期富集培养装置包括一端设置有开口的采集舱、用于富集微生物的富集机构、用于将微生物固定在富集机构上的固定机构、用于驱使开口处于开启和关闭其中一种状态的开关机构以及用于进行数据处理的数据舱，所述采集舱内部设置有用于培养微生物的容纳腔，所述富集机构设置在容纳腔内，所述固定机构包括用于储存固定液的固定液舱和若干用于注射固定液的注射器，所述固定液舱与采集舱连接，所述固定液舱的输出端通过注射器与富集机构连接，所述开关机构与所述开口连接，所述固定机构、开关机构和注射器均与数据舱连接；所述开关机构包括的上盖板、下盖板、齿轮组和驱动电机，所述上盖板的一侧端面设置有若干与外界连通的上通孔，所述下盖板的一侧端面设置有若干与容纳腔连通的下通孔，所述下盖板与所述开口连接，所述上盖板活动连接在下盖板远离富集机构的一侧端面上，所述驱动电机通过齿轮组与上盖板连接，所述驱动电机与数据舱连接；所述驱动电机，用于驱使上通孔和下通孔处于连通和截止其中一种状态；还包括若干驱动轮齿，所述驱动轮齿沿圆周方向设置在上盖板的边缘上，所述驱动电机通过齿轮组与驱动轮齿连接；还包括用于回收富集机构的提把，所述提把与上盖板的中部连接；所述固定液包括碘溶液、高盐缓冲液、乙醇和酰基苯胺其中的一种或者多种；所述富集机构包括上筛网和下筛网，所述上筛网和下筛网均设置在容纳腔内，所述下筛网与上筛网互为平行设置，所述上筛网、下筛网和容纳腔壁围成一用于富集微生物的富集腔室，所述注射器的输出端与富集腔室连接；还包括若干隔板，所述隔板设置在上筛网与下筛网之间；所述注射器的输出端沿圆周方向呈等间距设置在上筛网与下筛网之间；还包括监测机构，所述监测机构包括甲烷传感器，所述甲烷传感器设置在采集舱上；
18.所述数据舱包括储存器和处理器；
19.储存器，用于存储程序指令；处理器，用于运行所述程序指令，以执行以下步骤：
20.s1：通过甲烷传感器获取甲烷浓度，并判断甲烷浓度是否达到预设浓度，并开始记录培养时间，若是，则通过驱动电机驱使上通孔和下通孔处于连通状态，若否，则重新获取甲烷浓度；
21.s2：判断培养时间是否达到预设值，若是，则执行s3，若否，则保持上通孔和下通孔处于连通状态；
22.s3：通过驱动电机驱使上通孔和下通孔处于截止状态；
23.s4：驱使注射器将固定液注进富集腔室内。
24.相比现有技术，本发明的有益效果在于：
25.(1)通过固定机构中的注射器将固定液舱中的固定液注射到富集机构中，将微生物固定在富集机构中，由此避免微生物在长期保存过程中发生遗传物质的降解；
26.(2)通过甲烷传感器获取外界甲烷浓度，从而控制富集机构开始培养微生物的培养时间，并且预设时间来控制培养时间的长短，实现对微生物的定期富集培养，以及准确富集培养特定时间下的微生物；
27.(3)通过开关机构驱使采集舱的开口处于开启和关闭其中一种状态，进而控制富集机构在海底甲烷渗漏区能够与外界连通，对微生物进行富集培养，以及阻断富集机构在海底甲烷渗漏区与外界连通，并由此对富集的微生物进行保存，避免再次受到外界环境的影响。
附图说明
28.图1为本发明中所述的海底甲烷渗漏区原位微生物定期富集培养装置的结构示意图。
29.图2为图1的a
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a方向剖视图。
30.图3为本发明中所述的容纳腔的结构示意图。
31.图4为本发明中所述的上盖板的结构示意图。
32.图5为本发明中所述的下盖板的结构示意图。
33.图6为本发明中所述的固定机构的结构示意图。
34.图中：1
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采集舱；11
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容纳腔；2
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富集机构；21
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上筛网；22
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下筛网；23
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富集腔室；24
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隔板；3
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固定机构；31
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固定液舱；32
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注射器；4
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开关机构；41
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上盖板；411
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上通孔；412
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驱动轮齿；42
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下盖板；421
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下通孔；43
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齿轮组；44
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驱动电机；5
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数据舱；6
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提把。
具体实施方式
35.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
36.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
37.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相
连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
38.下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：
39.在本发明中，所述采集舱1采用耐腐蚀耐高压的材质制成，可以长时间放置在海底进行微生物的富集培养，所述数据舱5包括用于进行数据分析、控制和处理的数据处理模块(例如单片机)和用于与外界进行通信的通信模块(适用于水下通信的无线通信装置)，所述通信模块和储存器均与数据处理模块，所述通信模块不限于用于海底甲烷渗漏区原位微生物定期富集培养装置进行内部通信，还可以与外界进行通信；同时，为了采集舱1能够具备较长的续航时间，在采集舱1中配置有多组电池进行供能；另外，本发明中提及的固定微生物是指将微生物的遗传物质保持起来，便于回收后，实验人员提取微生物的遗传物质。
40.实施例一：
41.如图1
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6所示，一种海底甲烷渗漏区原位微生物定期富集培养装置，包括一端设置有开口的采集舱1、用于富集微生物的富集机构2、用于将微生物固定在富集机构2上的固定机构3、用于驱使开口处于开启和关闭其中一种状态的开关机构4以及用于进行数据处理的数据舱5，具体的，所述采集舱1内部设置有用于培养微生物的容纳腔11，所述富集机构2设置在容纳腔11内，优选的，所述富集机构2包括上筛网21和下筛网22，所述上筛网21和下筛网22均设置在容纳腔11内，所述下筛网22与上筛网21互为平行设置，所述上筛网21、下筛网22和容纳腔11壁围成一用于富集微生物的富集腔室23，所述注射器32的输出端与富集腔室23连接，其中，所述上筛网21和下筛网22均采用耐腐蚀的材质制成；进一步的，还包括监测机构，所述监测机构包括甲烷传感器，所述甲烷传感器设置在采集舱上；当甲烷传感器监测到富集水域的甲烷浓度达到预设浓度，采集舱1的开口才会处于开启状态，当采集舱1的开口处于开启状态时，微生物可通过甲烷流体自由进入到富集腔室23，在本实施例中，预先对采集舱1的富集腔室23隔板内添加不同的底物，以供微生物迅速适应并生存在富集腔室23中，并对容纳腔11加入灭菌的海水，以保证腔室内部与外界压差平衡。同时，所述固定机构3包括用于储存固定液的固定液舱31和若干用于注射固定液的注射器32，所述固定液舱31与采集舱1连接，所述固定液舱31的输出端通过注射器32与富集机构2连接，优选的，如图6所示，所述固定液舱31为液压装置，其包括有杆腔和无杆腔(远离注射器32的腔室为有杆腔，靠近注射的腔室为无杆腔)，固定液储存在无杆腔中，无杆腔与注射器32连接，所述注射器32可以为电子阀；注射固定液时，电子阀打开，使得无杆腔与富集腔室23连通，同时有杆腔的体积开始扩大、无杆腔的体积开始缩小，进而将无杆腔中的固定液通过电子阀注射到富集腔室23中。进一步的，所述固定液包括高浓度碘溶液、高盐缓冲液、乙醇和酰基苯胺其中的一种制成或者多种混合制成，当数据舱5判断培养时间足够长(达到预设值)，则将采集舱1的开口处于关闭状态，然后注射器32将固定液仓中的固定液注射进富集腔室23中，从而将微生物固定在富集腔室23中；优选的，还包括若干隔板24，所述隔板24设置在上筛网21与下筛网22之间从而将富集腔室23分隔成若干个独立空间，通过添加不同的底物可以在富集腔室23中富集多个独立互不影响的生物群落，增多实验样本数量，以使实验人员可更全面了解海底微生物的情况。所述注射器32的输出端沿圆周方向呈等间距设置在上筛网21与下筛
网22之间，并且固定液仓也是沿圆周方向呈等间距设置在采集舱1中，保障固定液仓能够均匀地向每个注射器32供液，进而可以全方位均匀地向富集腔室23中注射固定液，保证能够将富集腔室23内所有的微生物固定起来。
42.优选的，所述开关机构4包括的上盖板41、下盖板42、齿轮组43和驱动电机44，所述上盖板41的一侧端面设置有若干与外界连通的上通孔411，所述下盖板42的一侧端面设置有若干与容纳腔11连通的下通孔421，其中上通孔411的数量与下通孔421的数量相等，同时每个被隔板24分隔出来的独立空间至少与一个或以上的下通孔421连通，所述下盖板42与所述开口连接，所述上盖板41靠近下盖板42的一侧端面的中部与下盖板42远离富集机构2的一侧端面的中部活动连接，所述驱动电机44通过齿轮组43与上盖板41连接，所述驱动电机44与数据舱5连接；所述驱动电机44，用于驱使上通孔411和下通孔421处于连通和截止其中一种状态。在本实施例中，下盖板42与采集舱1的开口固定连接，驱动电机44通过齿轮组43带动上盖板41绕自身的圆心旋转，以使得上通孔411和下通孔421处于连通和截止其中一种状态；进一步的，所述上盖板41的边缘部分设置有若干驱动轮齿412，所述驱动电机44通过齿轮组43与驱动轮齿412啮合。即驱动电机44输出端通过齿轮组43与驱动轮齿412啮合，从而驱使上盖板41转动。
43.优选的，还包括用于回收富集机构2的提把6，所述提把6与上盖板41的中部连接。在本实施例中，rov(潜水机器人)通过提把6实现对采集舱1的夹持，其中提把6和上盖板41的中部处于采集舱1的中轴线上，当rov夹持住提把6对采集舱1进行投放或者回收时，此时海底甲烷渗漏区原位微生物定期富集培养装置处于平衡的状态，不发生倾斜，避免发生样品泄漏事故；进一步的，还包括电池所述电池，一方面为采集舱1供能，一方面为采集舱1提供重力，抵抗浮力和水流，以使采集舱1能够长时间地停放在预设的采集位置，进一步，所述电池沿圆周方向呈等间距设置在采集舱1的外壁。
44.实施例二：
45.一种海底甲烷渗漏区原位微生物定期富集培养方法，所述方法包括一应用于海底甲烷渗漏区原位微生物定期富集培养装置的数据舱5，所述海底甲烷渗漏区原位微生物定期富集培养装置的具体结构如实施例一所示，所述数据舱5包括储存器和处理器；
46.储存器，用于存储程序指令；处理器，用于运行所述程序指令，以执行以下步骤：
47.s1：通过甲烷传感器获取甲烷浓度，并判断甲烷浓度是否达到预设浓度，并开始记录培养时间，若是，则通过驱动电机驱使上通孔和下通孔处于连通状态，若否，则重新获取甲烷浓度；
48.具体的，在下放之前，预先对采集舱1的富集腔室23内的由若干隔壁25分隔成若干个个独立的培养空间添加不同的底物，以供微生物迅速适应并生存在富集腔室23中，并对容纳腔11加入灭菌的海水，以保证在下放过程中腔室内部与外界压差平衡；另外，对数据舱5进行卫星授时，实现时间同步；通过rov夹持住提把6，将采集舱1下放到预定的采集位置，甲烷传感器开始监测该水域的甲烷浓度，当该水域的甲烷浓度达到预设浓度时，数据舱5向驱动电机44发送开启指令，驱动电机44驱使齿轮组43转动，齿轮组43带动与与其啮合的驱动轮齿412发生位置，即上盖板41发生转动，直至上通孔411和下通孔421连通，此时富集腔室23与外界连通，同时开始记录培养时间，外界的微生物可以自由进入富集腔室23；在本实施例中，富集腔室23被若干隔壁分隔成若干个个独立的培养空间，不同的培养空间内的装
载的底物不同，即不同的培养空间会富集到不同的微生物群落，增多实验样本数量，以使实验人员可更全面了解海底微生物的情况。
49.s2：判断培养时间是否达到预设值，若是，则执行s3，若否，则保持上通孔和下通孔处于连通状态；
50.具体的，通过数据舱5计算培养时间，当培养时间到达预设值，即可关闭采集舱的开口，其中预设值为预先设置好的数值，可以为3天、10天、30天、100天等，以实现对海底甲烷渗漏区原位微生物定期富集培养；
51.进一步的，还可以再富集腔室23中设置微生物传感器，生物传感器根据与微生物相关的酶、富集腔室23之间的电位差或者微生物群落图像等(即微生物传感器包括但不限于酶传感器、压差传感器、图像传感器和声波传感器中的一种或者多种)，生成关于当前富集腔室23中微生物数量的微生物信息，然后通过通信模块传送至数据舱5处理并储存，优选的，数据舱5还可以将微生物信息通过水面通信机构或者水下通信传递至外界。具体的，数据舱5获得微生物信息后，判断微生物是否达到预设值，也可以外界的终端进行判断，再传送至数据舱5，当微生物达到预设值，则关闭采集舱1的开口，若否，则继续通过微生物传感器继续监控富集腔室23内的微生物。
52.s3：通过驱动电机44驱使上通孔411和下通孔421处于截止状态；
53.具体的，当培养时间结束，数据舱5驱动电机44驱使齿轮组43再次转动，齿轮组43带动与与其啮合的驱动轮齿412发生位置，即上盖板41发生转动，直至上通孔411和下通孔421截止，此时富集腔室23与外界不再连通，富集腔室23中的微生物无法离开富集腔室23。
54.s4：驱使注射器32将固定液注进富集腔室23内。
55.具体的，当采集舱1开口被关闭(即上通孔411和下通孔421截止)后，则均匀分布在富集腔室23内的注射器32将固定液仓中储存的固定液注入富集腔室23内，从而将富集腔室23内的微生物固定封存起来。当所有采集仓1内的微生物全部处于固定封存状态时，即可由rov夹持提把6，将所有采集舱1全部回收。
56.对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。