自主采样航行器：“看”到更真实的深海

原标题：自主采样航行器：“看”到更真实的深海

从古至今，人类从未停止对深海的探索。近日，我国研究团队在深海装备系统领域取得进展。由我国涉海院校与科研院所等单位组成的项目攻关组，围绕深海微生物原位采样与宏基因组分析核心技术展开攻关，完成首台国产深海微生物原位采样自主水下航行器（以下简称“航行器”）的研制。

“水文理化数据和生物样品分析数据不同步是海洋科考面临的一个难题。这影响了调查研究的时效性。航行器及配套系统的研发使我国具备了深海微生物原位探测和核酸样品原位提取保存能力，为深海、远海生物多样性调查，基因资源挖掘以及功能资源化利用提供了有力保障，是我国在海洋探测装备领域的一项重要突破。”项目总负责人、中国海洋大学海洋生命学院院长、中国工程院院士包振民说。

传统探测技术有何不足？航行器研制过程中有哪些技术突破？这些技术如何支持深海微生物探索工作？近日，记者就以上问题采访了相关研发人员。

传统采样技术存在不足

深海是地球系统中最大的生境，其高盐、高压、低温、低营养和无光照的独特生态系统中蕴藏着人们未认知和开发的微型生物资源。深海微生物适应极端生存环境，形成了特殊的基因类型、生理机制及代谢产物等。因此开展深海微生物的探索研究有助于阐明生命起源与进化、环境适应与生态效应等重大科学前沿问题，同时也是深海资源开发的重要方式。

开展深海微生物基因探索一度受限于采样技术。传统的深海微生物采样技术主要依赖于船舶定点式大量采水、ROV远程遥操作采样或深海坐底平台静态采样等，这些技术和设备通常需配合母船开展短时作业，将采集样品带回实验室后进行分析。

然而，传统检测方式要经过“大体积采水器采水、船基过滤、冻存、核酸提取”等过程，许多微生物在取样过程中因环境骤变而导致核酸严重降解，给解析深海原位状态下微生物的群落组成及基因表达规律带来挑战。此外，中国海洋大学海洋生命学院教授王师提道，海洋微生物的分布具有广域性和深度梯度性，对其分布规律及特性的研究需要长周期的连续观测与原位取样。

“深海微生物具有分布范围广、尺寸变化大和演变周期长的特点。如何在海洋高压、高腐蚀、变密度等环境下，实现小型化多通道采样仪器设计，使采样设备同时具备环境适应、长时运动、敏捷航行、原位采样和高保真保存等能力，是深海微生物自主采样设备的研发难点。”课题负责人、天津大学机械工程学院教授刘玉红介绍。

实现自主、原位采样突破

“由于光照度、含氧量、温度和水压等影响，深海微生物群落多聚集在1000米以内浅水域。团队研制的航行器最大采样深度可至1000米，最小取样直径达0.22微米，单次采样水量突破15升，最大采样个数70个，连续工作时间可达到15天以上。”刘玉红说。航行器通过配备的深海微生物原位采样仪器和基因分析装置，可以实现深海微生物从采样、制备到保存的无缝衔接，有效避免样本因环境变化导致的污染、降解和核酸结构变化，显著提高样本质量，缩短采样周期，提升研究效率。

航行器如何实现深海微生物长时间、多点位、大深度、高保真保存采样？刘玉红介绍，长时间、大深度采样主要依靠在航行器设计、优化与研制等方面的技术突破，多点位、高保真保存则是通过微生物多通道原位采样仪器设计、航行器系统集成及运动控制方法等技术的突破实现，进而使得航行器具备深海微生物的自主采样能力。

自主采样是指通过自动化设备或自动化系统，在无人员干预的情况下，通过融合实时感知的环境信息，高效、精准、独立地完成样本采集的过程。