CN105420097B - 一种应用于全海深的微生物原位自动化富集固定装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于全海深的微生物原位自动化富集固定装置，包括舱体、电子换向阀、动力泵、控制电路、滤膜舱以及试剂袋，试剂袋装有生物固定液，滤膜舱内安装有滤膜，舱体的一端设有供电串口，舱体另一端与滤膜舱固定连接，舱体内设有支架，电子换向阀、动力泵固定连接在支架上，电子换向阀的入口通过管路并联连接试剂袋和舱体外部，电子换向阀的出口通过管路连通动力泵的入口，动力泵的出口通过管路连通滤膜舱，滤膜舱设有排水单向阀。富集结束后，开启电子换向阀入口与试剂袋的生物固定液通道，生物固定液随着管路进入滤膜舱，置换滤膜舱内的海水，将滤膜上的微生物固定住。

Description

一种应用于全海深的微生物原位自动化富集固定装置及方法
技术领域
本发明涉及深海自动化机械装置技术领域，尤其涉及一种应用于全海深的微生物原位自动化富集固定装置及方法。
背景技术
目前在深海科学微生物研究领域，如何获取原位样品是深海研究过程中必不可少的部分，近年来对深海微生物的群落组成和功能特征已经开展了相当多的研究，但仍旧存在诸多的不足，其中使用何种有效的采样手段以真实反应深海微生物的活性状态和基因表达状况便是主要问题之一。
相对于DNA分子，RNA却非常易于降解，其半衰期一般仅有几分钟，这对如何获取真实反映微生物原位表达活性的转录组数据构成极大挑战。对于深海微生物取样而言，常规手段是通过Niskin取样瓶采集海水样品，将样品收回到船上后进行过滤收集和固定处理，这种取样方式存在诸多不足：一方面，从取样到回收至船上的时间间隔一般在几十分钟以上，该时间段将对微生物的转录组发生影响，另一方面，样品回收过程涉及压力、温度及溶氧量的极大变化，成为影响微生物转录组表达的重要因素。这些因素会导致所采集深海微生物样品无法真实反应其原位表达状况。如何采取切实有效的手段获取真实反映原位表达状态的转录组学样品成为科学家需要面对的一个问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种应用于全海深的微生物原位自动化富集固定装置，可以在不同深度对微生物进行富集，之后，在原位环境下对微生物进行固定，因此，保留了微生物的原位表达信息，防止了其在回收处理过程中生命信息的改变或丢失。
本发明采用的技术手段如下：一种应用于全海深的微生物原位自动化富集固定装置，包括舱体、电子换向阀、动力泵、控制电路、滤膜舱以及试剂袋，试剂袋装有生物固定液，所述滤膜舱内安装有滤膜，所述舱体的一端设有供电串口，所述舱体另一端与所述滤膜舱固定连接，所述舱体内设有支架，所述电子换向阀、动力泵固定连接在所述支架上，所述电子换向阀的入口通过管路并联连接所述试剂袋和所述舱体外部，所述电子换向阀的出口通过管路连通所述动力泵的入口，所述动力泵的出口通过管路连通所述滤膜舱，所述滤膜舱设有排水单向阀。
当取样结束后，所述控制电路控制所述电子换向阀关闭所述电子换向阀入口与所述舱体外部的海水通道，开启所述电子换向阀入口与所述试剂袋的生物固定液通道，所述动力泵将所述试剂袋中生物固定液抽入管路内，随着管路进入所述滤膜舱中，置换所述滤膜舱内的海水，对所述滤膜上的微生物进行固定。
优选地，还包括压力传感器，所述压力传感器固定连接在所述支架上，所述压力传感器实时监测管路内流体的压力。
在所述动力泵的工作过程中，管路内流体的压力将会慢慢升高，当压力升到设定好的阈值，则所述控制电路将关闭所述动力泵，使管路内的压力降下来，当压力降到一个安全值时，所述控制电路重新开启所述动力泵。
优选地，还包括压力补偿油囊，所述压力补偿油囊通过管路连通所述舱体内，所述舱体内、压力补偿油囊内装有油。
当所述舱体向海面下沉，随着深度的增加，所述压力补偿油囊受到海水压力作用，所述压力补偿油囊内的油被压入所述舱体内，以此平衡所述舱体外的海水压力。
优选地，所述滤膜舱通过螺纹与所述舱体连接，所述滤膜舱内设有若干滤膜支撑板，所述滤膜支撑板安装滤膜，每个所述滤膜支撑板之间通过密封圈密封，若干所述滤膜的过滤精度从远离所述排水单向阀到靠近所述排水单向阀的方向依次递增。
优选地，所述舱体的一端还设有管路单向阀，所述管路单向阀穿过所述舱体连接所述管路。
优选地，所述舱体的一端还设有排气阀，所述排气阀穿设于舱体上。
优选地，所述舱体采用不锈钢或铝合金材质制成。
优选地，所述铝合金材质表面经过硬质阳极氧化处理。
本发明还提供了一种应用于全海深的微生物原位自动化富集固定方法，包括以下步骤：
1)在深海中进行海水过滤作业，深海微生物过滤在滤膜舱的滤膜上。
2)待海水过滤作业结束后，采用生物固定液置换滤膜舱内的海水，对滤膜上富集的微生物进行固定。
上述固定方法可以实现固定微生物的RNA，获得生物原位信息，防止其回收过程中降解，所有操作实现自主无人自动化，在深海原位完成。应用不同大小的网眼滤膜，可以对大小不同的生物进行的富集、固定；也可根据不同的研究目的，应用不同的固定液。
采用本发明提供的一种应用于全海深的微生物原位自动化富集固定装置，有益效果如下：1)原位富集：通过过滤大量海水，将微生物富集到滤膜上。相比传统的Niskin取样瓶，本装置可以短时间、一次性获取更多的微生物样品，同时计量所过滤的海水量；2)原位固定：待富集结束后，在深海原位环境下，向滤膜舱释放固定液，对滤膜上的微生物进行固定；3)体积小，并实现自动化、一体化：电子换向阀、动力泵、控制电路、管路等都集成到一个舱体内，结构紧凑，体积小，并且整个装置自主、独立运行，便于搭载在水下如ROV、CTD、着陆器等装备上使用。
除此之外，舱体通过内部充油、外部连接压力补偿油囊的方式来平衡外界环境的高压，保证舱体内外压差在一个大气压以内，因此可以应用于深海高压环境下，使用深度达到全海深，整个装置通过密封圈密封，密封可靠。
附图说明
图1为本发明的一种应用于全海深的微生物原位自动化富集固定装置的结构示意图；
图2为本发明的一种应用于全海深的微生物原位自动化富集固定装置中压力补偿油囊的结构示意图；
图3为本发明的一种应用于全海深的微生物原位自动化富集固定装置的工作流程示意图。
图中：1、舱体；2、电子换向阀；3、动力泵；4、控制电路；5、滤膜舱；6、试剂袋；7、供电串口；8、支架；9、排水单向阀；10、压力传感器；11、压力补偿油囊；12、滤膜支撑板；13、排气阀。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，一种应用于全海深的微生物原位自动化富集固定装置，包括舱体1、电子换向阀2、动力泵3、控制电路4、滤膜舱5以及试剂袋6，试剂袋6安装在舱体1外部，试剂袋6装有生物固定液，生物固定液可以用于固定生物体内的RNA，舱体1采用不锈钢或铝合金材质制成，如采用铝合金材质，则铝合金材质表面经过硬质阳极氧化处理，可以提高舱体1的耐腐蚀性。滤膜舱5内安装有滤膜(未示出)，舱体1的一端设有供电串口7，供电串口7用于连接外部DC24V电源以及为提供通信，舱体1另一端与滤膜舱5固定连接，采用螺纹连接的方式固定连接，可以根据需求更换适当的滤膜。舱体1内设有支架8，电子换向阀2、动力泵3固定连接在支架8上，电子换向阀2的入口通过管路(未示出)并联连接试剂袋6和舱体1外部，电子换向阀2的出口通过管路连通动力泵3的入口，动力泵3的出口通过管路连通滤膜舱5，滤膜舱5设有排水单向阀9。在正常的情况下，舱体1内充满油，保证舱体1内部处于绝缘状态，并且可以起到平衡外部海水的压力。
如图3所示，取样时，控制电路4控制电子换向阀2开启电子换向阀2入口与舱体1外部的海水通道，动力泵3工作，海水经过管路流入滤膜舱5，通过滤膜将海水中的微生物进行富集，由此完成取样过程。当富集结束后，控制电路4控制电子换向阀2关闭电子换向阀2入口与舱体1外部的海水通道，开启电子换向阀2入口与试剂袋6的生物固定液通道，动力泵3将试剂袋6中生物固定液抽入管路内，随着管路进入滤膜舱5中，排水单向阀9开启，海水从滤膜舱5的排水单向阀9排出，进而实现生物固定液置换滤膜舱5内的海水，将滤膜上的微生物固定住，置换完毕后排水单向阀9关闭，保证微生物生命信息不丢失。整个过程均采用控制电路4自动化控制，实现无人自主控制。由此可见，本发明可以实现原位富集、固定一体化，自动化。并且，电子换向阀2、动力泵3、控制电路4、管路等都集成到一个舱体1内，结构紧凑，体积小，便于搭载在水下装备上使用。
通过固定连接在支架8上的压力传感器10，可以实时监测管路内流体的压力。在动力泵3的工作过程中，管路内流体的压力将会慢慢升高，当压力升到设定好的阈值，则控制电路4将控制关闭动力泵3，使管路内的压力降下来，当压力降到一个安全值时，控制电路4重新开启动力泵3，从而使管路内流体的压力保持在一个合理范围内。
如图2所示，一种应用于全海深的微生物原位自动化富集固定装置的外部包括压力补偿油囊11，压力补偿油囊11通过管路连通舱体1内，连通的位置可以在舱体1的任何位置上，本实施例中定在舱体1的一端供电串口7的下方。舱体1内、压力补偿油囊11内装有油。当舱体1向海面下沉，随着深度的增加，压力补偿油囊11一般采用软性材料制成，例如塑料材料，当压力补偿油囊11受到海水压力作用，压力补偿油囊11内的油被压入舱体1内，以此平衡舱体1外的海水压力，使舱体1能够承受海底环境的高压。
滤膜舱5通过螺纹与舱体1连接，方便富集前的固定和完成后的拆卸，滤膜舱5内设有若干滤膜支撑板12，滤膜安装在滤膜支撑板12上，每个滤膜支撑板12之间通过密封圈密封，若干滤膜的过滤精度从远离排水单向阀9到靠近排水单向阀9的方向依次递增，过滤过程从粗滤到精滤，过滤后大颗粒杂质会被粗滤膜阻挡，防止大颗粒杂质阻塞精滤膜，同时保证精滤膜上的生物纯洁性，滤膜舱5根据需求可以更换不同的滤膜，例如滤膜采用一次性滤膜，随时更换。这里，滤膜的数量一般定在二至四个为宜。
在实际的使用中，舱体1内部的油常常会有一些气体的存在，可以通过在舱体1的一端设有的排气阀13，将舱体1内部的气体排出，排气阀13一般穿设于舱体1上，本实施例中，设在供电串口7的上方。
舱体1的一端设有管路单向阀(未示出)，管路单向阀穿过舱体1连接管路，在实际使用中，舱体1内管路中也会有一些气体的存在，当舱体1向海面下沉，随着深度的增加，海水会在压力作用下，通过管路单向阀进入管路，补充管路的压力，防止管路在压力下被压缩，影响管路系统工作。
本发明还提供了一种全海深的微生物原位自动化富集固定方法，包括以下步骤：
1)在深海中进行海水过滤作业，深海微生物过滤在滤膜舱的滤膜上。
2)待过滤作业结束后，生物固定液置换滤膜舱内的海水，对滤膜上的微生物进行固定，实现固定微生物的RNA，获得生物原位信息，防止其回收过程中降解，所有操作实现自主无人自动化，在深海原位完成。
上述固定方法可以采用本发明的一种应用于全海深的微生物原位自动化富集固定装置来实现，实现过程如下：如图3所示，富集时，控制电路4控制电子换向阀2开启电子换向阀2入口与舱体1外部的海水通道，动力泵3工作，海水经过管路流入滤膜舱5，通过滤膜将海水中的微生物进行富集。待富集结束后，控制电路4控制电子换向阀2关闭电子换向阀2入口与舱体1外部的海水通道，开启电子换向阀2入口与试剂袋6的生物固定液通道，动力泵3将试剂袋6中生物固定液抽入管路内，随着管路进入滤膜舱5中，排水单向阀9开启，海水从滤膜舱5的排水单向阀9排出，进而实现生物固定液置换滤膜舱5内的海水，对滤膜上的微生物进行固定，置换完毕后排水单向阀9关闭。整个过程均采用控制电路4自动化控制，实现无人自主控制。采用本发明的装置来实现全海深微生物的原位富集固定是比较优选的方案，上述方法当然也可以通过其他深海装置来实现。
综上所述，本发明所提供的一种应用于全海深的微生物原位自动化富集固定装置，可以实现全海深微生物原位富集、原位固定，避免了微生物生命信息的改变或降解，保留了原始信息；本装置将电子换向阀2、动力泵3、控制电路4、管路等都集成到一个舱体1内，结构紧凑，体积小，并实现功能一体化、自动化，便于搭载在常用水下装备如ROV、着陆器、CTD登上使用。目前，本发明已经在深渊着陆器上得到了成功的应用，通过在这种深渊着陆器中的验证，本发明同样适用于其他水下载体。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (8)

1.一种应用于全海深的微生物原位自动化富集固定装置，其特征在于，包括舱体、电子换向阀、动力泵、控制电路、滤膜舱以及试剂袋，试剂袋装有生物固定液，所述滤膜舱内安装有滤膜，所述舱体的一端设有供电串口，所述舱体另一端与所述滤膜舱固定连接，所述舱体内设有支架，所述电子换向阀、动力泵固定连接在所述支架上，所述电子换向阀的入口通过管路并联连接所述试剂袋和所述舱体外部，所述电子换向阀的出口通过管路连通所述动力泵的入口，所述动力泵的出口通过管路连通所述滤膜舱，所述滤膜舱设有排水单向阀；
当富集结束后，所述控制电路控制所述电子换向阀关闭所述电子换向阀入口与所述舱体外部的海水通道，开启所述电子换向阀入口与所述试剂袋的生物固定液通道，所述动力泵将所述试剂袋中生物固定液抽入管路内，随着管路进入所述滤膜舱中，置换所述滤膜舱内的海水，将所述滤膜上的微生物固定住。
2.根据权利要求1所述的应用于全海深的微生物原位自动化富集固定装置，其特征在于，还包括压力传感器，所述压力传感器固定连接在所述支架上，所述压力传感器实时监测管路内流体的压力；
在所述动力泵的工作过程中，管路内流体的压力将会慢慢升高，当压力升到设定好的阈值，则所述控制电路将关闭所述动力泵，使管路内的压力降下来，当压力降到一个安全值时，所述控制电路重新开启所述动力泵。
3.根据权利要求2所述的应用于全海深的微生物原位自动化富集固定装置，其特征在于，还包括压力补偿油囊，所述压力补偿油囊通过管路连通所述舱体内，所述舱体内、压力补偿油囊内装有油；
当所述舱体向海面下沉，随着深度的增加，所述压力补偿油囊受到海水压力作用，所述压力补偿油囊内的油被压入所述舱体内，以此平衡所述舱体外的海水压力。
4.根据权利要求3所述的应用于全海深的微生物原位自动化富集固定装置，其特征在于，所述滤膜舱通过螺纹与所述舱体连接，所述滤膜舱内设有若干滤膜支撑板，所述滤膜支撑板安装滤膜，每个所述滤膜支撑板之间通过密封圈密封，若干所述滤膜的过滤精度从远离所述排水单向阀到靠近所述排水单向阀的方向依次递增。
5.根据权利要求1所述的应用于全海深的微生物原位自动化富集固定装置，其特征在于，所述舱体的一端还设有管路单向阀，所述管路单向阀穿过所述舱体连接所述管路。
6.根据权利要求1所述的应用于全海深的微生物原位自动化富集固定装置，其特征在于，所述舱体的一端还设有排气阀，所述排气阀穿设于舱体上。
7.根据权利要求1所述的应用于全海深的微生物原位自动化富集固定装置，其特征在于，所述舱体采用不锈钢或铝合金材质制成。
8.根据权利要求7所述的应用于全海深的微生物原位自动化富集固定装置，其特征在于，所述铝合金材质表面经过硬质阳极氧化处理。
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