CN114540178B - 一种用于深海沉积物微生物培养实验的智能注液装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于深海沉积物微生物培养实验的智能注液装置，主要由插入装置、可控缓释注液系统、间隙水置换监测系统和深海蠕动泵构成；插入装置可通过重力或其他驱动装置将注液针管和间隙水采集管插入到指定的沉积物位置；可控缓释注液系统用于接受指令将一定量的培养液经注液针管注入到沉积物中；间隙水置换监测系统用于采集沉积物间隙水并监测环境参数制定注液策略。本发明能够模拟深海冷泉渗处物质的扩散过程，可为科研人员开展深海沉积物微生物的长期原位实验提供有力工具。

Description

一种用于深海沉积物微生物培养实验的智能注液装置
技术领域
本发明涉及深海沉积物微生物培养实验领域，具体涉及一种用于深海沉积物微生物培养实验的智能注液装置。
背景技术
目前对于深海沉积物的微生物科学研究是基于采样分析的基础上，所研究的只是某一时间点的微生物状态。由于缺乏原位实验设备，无法获取时间序列的深海海底生命活动过程的数据资料，难以开展深海生物对环境变化的响应等前沿领域的研究，导致目前深海生命科学进展缓慢。
单因子环境改变实验是生命科学研究的一种常用手段，科学家需要在海底沉积物中持续维持一种物质的浓度，以观测微生物的生命活动过程及生态演替规律。专利文献CN105758687A公开了一种深海沉积物原位培植及密封采样机构，但其只是一次性的把营养液注入深海沉积物中进行微生物的培植，而后在一定的时间点后采样带回，虽然实现了一个环境改变的实验，但是仍无法解决实验条件的保持和生命活动过程研究所需的时间序列资料的收集等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可搭载在深海原位实验平台上的用于深海沉积物微生物培养实验的智能注液装置。
为实现上述目的，本发明所设计的智能注液装置，主要由插入装置、可控缓释注液系统、间隙水置换监测系统和深海蠕动泵构成；所述智能注液装置可以采集沉积物间隙水并监测环境数据，根据设定的条件判断并发送指令自动控制营养液注入量和注入时间间隔，来保持深海微生物原位长期培养实验所需的沉积物中营养液浓度；插入装置可通过重力或其他驱动装置将注液针管和间隙水采集管插入到指定的沉积物位置；可控缓释注液系统用于接受指令将一定量的培养液经注液针管注入到沉积物中；间隙水置换监测系统用于采集沉积物间隙水并监测环境参数制定注液策略。
作为本发明的一种改进，所述可控缓释注液系统包括电机控制机构、垂直减速移动机构、导向下压导杆、液体移动保护舱和液体密封舱室；电机控制机构用于驱动垂直减速移动机构带动导向下压导杆做线性往返运动；液体密封舱室固定设置，开口端通过柔性的杯状橡胶套密封；液体移动保护舱分别与导向下压导杆和杯状橡胶套连接；液体移动保护舱在导向下压导杆的带动下，将杯状橡胶套压入液体密封舱室，使得液体密封舱室的培养液经底部的单向阀出口流出，杯状橡胶套的边缘有半圆形凸起结构设计使上下舱体接触固定时密封，为使其移动时翻折贴合舱壁密封舱室的一端设置大于杯状橡胶套曲率半径的3倍以上的凸缘。
作为本发明的一种改进，所述液体密封舱室采用上圆下锥面设计，使注液完全并效率更高；采用透明材质制成；采用耐酸耐碱耐腐蚀材质制成，满足多种液体的存储，使实验具有更多的方式。
作为本发明的一种改进，所述插入装置包括注液针管、注液口、间隙水采集管、抽液口和导向下压柱；所述注液针管上间隔设置有若干向上凹压的出水口，使注液针管插入沉积物时不会导致沉积物进入注液针管内部；所述间隙水采集管包括间隙水过滤膜、采集外壳和固定内壳；采集外壳连接在固定内壳上，间隙水过滤膜设置在采集外壳与固定内壳的夹层中，且间隙水过滤膜所处的间隙水采集外壳与间隙水采集固定内壳的壳体上均设置有多个过水孔，从上往下过水孔数量成递增状态增加，孔与孔间隙逐渐减小，此结构可以均匀采集不同深度的沉积物间隙水。
作为本发明的一种改进，所述注液针管和间隙水采集固定内壳固定在导向下压柱上，导向下压柱与深海原位实验平台的移动装置连接，可受重力或其他力的驱动，有效插入沉积物中；注液口位于注液针管顶部，通过管道与可控缓释注液系统的液体密封舱室的单向阀出口连接；抽液口位于间隙水采集固定内壳的顶部，并通过管道与深海蠕动泵的入水口连接。
作为本发明的一种改进，所述间隙水置换监测系统包括深海蠕动泵、间隙水舱室、舱室密封盖、传感器、入水口、出水口和控制电路；深海蠕动泵将插入装置内的间隙水缓慢吸入到传感器固定舱室内，并将舱室内的原海水置换排出，深海蠕动泵流量不大于100ml/min；舱室密封盖与间隙水舱室密闭连接，内部填充有海水，入水口设置在舱室密封盖的底部，并与深海蠕动泵的出水口连接；出水口设置在间隙水舱室远离舱室密封盖一侧的顶部，并与外界单向连通；传感器固定在舱室密封盖与间隙水舱室的底部；控制系统进行耐高压密封，通过水密接插件与传感器相连，接受传感器数据自容存储，同时判断是否低于设定的低限并反馈输出到可控缓释注液系统的电机控制机构，控制电机的启停。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明的智能注液装置，实现一种深海微生物长期培养实验的智能控制装置。通过定时采集沉积物间隙水，监测注液浓度和检测微生物的培养状态，获取的数据用于培养实验的环境条件分析，判断域值并制定注液策略，反馈给电机控制机构自动调整注液时间和注液量，长时间地保持沉积物中微生物培养实验所需的物质浓度。
2、本发明的智能注液装置，通过实验平台的驱动将注液针头插入沉积物中，且其注液范围不在沉积物取样管的内部，注入液体在沉积物中的自然扩散，可模拟深海冷泉渗处物质的扩散过程。
3、本发明的智能注液装置，可实现深海原位沉积物微生物自然状态下单因子稳定控制的微生物长期培养，为科研人员进行深海原位实验提供有效工具。
附图说明
图1是智能注液装置的整体结构示意图；
图2是可控缓释注液系统的结构示意图；
图3A和3B是插入装置的结构示意图；
图4是间隙水置换检测系统的结构示意图；
图5是深海蠕动泵的结构示意图；
附图标记说明：1-可控缓释注液系统；2-插入装置；3-间隙水置换检测系统；4-深海蠕动泵；
1.1-电机控制机构；1.2螺母丝杆移动机构；1.3-导向下压导杆；1.4-液体移动保护舱；1.5-液体密封舱室；
2.1-注液口；2.2注液针管；2.3间隙水过滤膜；2.4-间隙水采集外壳；2.5-间隙水采集固定内壳；2.6-抽液口；2.7-导向下压柱；
3.1-舱室密封盖；3.2-传感器；3.3-入水口；3.4-舱体；3.5-出水口；
4.1-深海蠕动泵入水口；4.2-深海蠕动泵出水口。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例
如图1至图5所示，一种可搭载在深海原位实验平台上的用于深海沉积物微生物培养实验的智能注液装置，主要由可控缓释注液系统1、插入装置2、间隙水置换检测系统3和深海蠕动泵4。插入装置2通过重力或其他驱动装置将其插入到指定的沉积物位置和所需深度，当平台趋于稳定后可控缓释注液系统1开始工作，将培养的液体缓慢注入到沉积物中。在一定时间后深海蠕动泵4开始工作将渗透到插入装置2中的间隙水抽吸到间隙水置换检测系统3中，并通过系统内腔体的水流运动将腔内原来的海水排出，此时间隙水置换检测系统3内的传感器检测间隙水中的各参数，并将相关数据反馈给可控缓释注液系统1控制液体的注液量的多少以及时间间隔。
可控缓释注液系统1主要由电机控制机构1.1、螺母丝杆移动机构1.2、导向下压导杆1.3、液体移动保护舱1.4，液体密封舱室1.5组成。电机控制机构1.1内设置了带有编码器的无刷电机以及配套星型减速器与节省垂直空间的蜗轮蜗杆减速装置，内部还增加了传感器数据的反馈控制模块及电流大小的检测模块，通过这些模块控制电机的启停与注液结束时的断电动作。螺母丝杆移动机构1.2的丝杆通过陶瓷轴承固连在舱体的两端，其中一端通过平键与涡轮相连，螺母端的固定平面与导向下压导杆1.3的固定板连接，为确保螺母丝杆1.3的垂直下移将其上的固定板置于舱体方形通槽内，限制其旋转自由度。导向下压导杆1.3有一对对称的导杆与液体移动保护舱1.4中间的固定螺母非固定式连接，方便可控缓释注液系统1装液后的安装与拆卸。为增加液体的注液量设置了两个液体移动保护舱1.4，其上的固定套与实验平台的支撑板固定，舱体的一侧为开口设置确保导向下压导杆1.3的导杆以及液体移动保护舱1.4的导向套上下移动。液体密封舱室1.5通过柔软的杯状橡胶套隔离液体与外界联系，并通过单向阀阻止外界海水进入，液体密封舱室1.5装液的体积大小通过与杯状橡胶套连接的导向套以及橡胶套压帽在移动到最大位置限位时的体积空间决定，液体密封舱室1.5与外界相通的单向阀向外导通，由于液体密封舱室1.5在水下内外压平衡，为保证可控缓释注液系统1的重量采用透明的PC材质，并在装入液体时可通过肉眼观察密封舱室的装液情况。
插入装置2主要由注液口2.1、注液针管2.2，间隙水过滤膜2.3、间隙水采集外壳2.4、间隙水采集固定内壳2.5、抽液口2.6和导向下压柱2.7组成。注液口2.1与可控缓释注液系统1的液体密封舱室1.5中的两个单向阀出口连接，使液体通过此口由注液针管2.2注入到沉积物中，为确保在不同深度有液体流出，在注液针管2.2的管状结构所需位置设置两处向上凹压的出水口(如图3B所示)，使其在压入沉积物时不会导致沉积物进入注液针管2.2内。间隙水过滤膜2.3设置在间隙水采集外壳2.4与间隙水采集固定内壳2.5的夹层中，防止插入装置2在插入沉积物的过程中顺着壳体上的过水孔进入腔体的内部，影响间隙水的抽吸以及腔体内部空间的大小，间隙水采集外壳2.4与间隙水采集固定内壳2.5的壳体上设置了多个过水孔；此时注液针管2.2和间隙水采集固定内壳2.5通过焊接与导向下压柱2.7连接，导向下压柱2.7通过深海原位实验平台的移动装置插入到沉积物中。抽液口2.6与深海蠕动泵4的深海蠕动泵入水口4.1连接。
间隙水置换检测系统3主要由舱室密封盖3.1、传感器3.2、入水口3.3、舱体3.4和出水口3.5组成。间隙水置换检测系统3通过深海蠕动泵4的抽吸将间隙水通过入水口3.3吸入到系统3中的腔体内，为了间隙水能在腔体内充分填充，入水口3.3置于系统3的底部，出水口3.5设置在检测系统3底部的上方，传感器3.2固定密封在舱室密封盖3.1与舱体3.4的底部，并将检测的相关数据反馈到可控缓释注液系统1中的电机控制机构1.1，控制电机的启停。
本申请的智能注液装置，具有独立的插入装置和可控缓释的注液机构；同时设计了原位间隙水相关数据采集系统，一方面反馈给注液机构，以控制注液时间和注液比例，维持实验所需的物质浓度，另一方面可以获得时间序列的环境和微生物状态数据。
同时，本申请采用可控缓释注液系统可精准地将实验所需的液体注放到指定深度的沉积物中，液体在注射的过程中不受沉积物黏性相应的阻力，独立的插入装置不受其他采样装置的限制，精确地模拟了深海冷泉在渗出时物质的扩散过程。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种用于深海沉积物微生物原位培养实验的智能注液装置，其特征在于：主要由插入装置、可控缓释注液系统、间隙水置换监测系统和深海蠕动泵构成，通过沉积物间隙水监测数据自动调整营养液注入量和注入时间间隔，以此来保持深海微生物原位长期培养实验所需的沉积物中营养液浓度；插入装置可通过重力或其他驱动装置将注液针管和间隙水采集管插入到指定的沉积物位置；可控缓释注液系统用于接受指令将一定量的培养液经注液针管注入到沉积物中；间隙水置换监测系统用于采集沉积物间隙水并监测环境参数制定注液策略；
所述可控缓释注液系统包括电机控制机构、垂直减速移动机构、导向下压导杆、液体移动保护舱和液体密封舱室；电机控制机构用于驱动垂直减速移动机构带动导向下压导杆做线性往返运动；液体密封舱室固定设置，开口端通过柔性的杯状橡胶套密封；液体移动保护舱分别与导向下压导杆和杯状橡胶套连接；液体移动保护舱在导向下压导杆的带动下，将杯状橡胶套压入液体密封舱室，使液体密封舱室的培养液经底部的单向阀出口流出；杯状橡胶套的边缘有半圆形凸起结构设计使上下舱体接触固定时密封，舱壁密封舱室的一端设置大于杯状橡胶套曲率半径的3倍以上凸缘；
所述插入装置包括注液针管、注液口、间隙水采集管、抽液口和导向下压柱；所述注液针管上间隔设置有若干向上凹压的出水口，使注液针管插入沉积物时不会导致沉积物进入注液针管内部；所述间隙水采集管包括间隙水过滤膜、采集外壳和固定内壳，采集外壳连接在固定内壳上，间隙水过滤膜设置在采集外壳与固定内壳的夹层中，且间隙水过滤膜所处的间隙水采集外壳与间隙水采集固定内壳的壳体上均设置有多个过水孔，从上往下过水孔数量成递增状态增加，孔与孔间隙逐渐减小；
所述间隙水置换监测系统包括间隙水舱室、舱室密封盖、传感器、入水口、出水口和控制系统；深海蠕动泵将插入装置内的间隙水缓慢吸入到传感器固定舱室内，并将舱室内的原海水置换排出，深海蠕动泵流量不大于100ml/min；舱室密封盖与间隙水舱室密闭连接，内部自动填充海水，入水口设置在舱室密封盖的底部，并与深海蠕动泵的出水口连接；出水口设置在间隙水舱室远离舱室密封盖一侧的顶部，并与外界单向连通；传感器固定在舱室密封盖与间隙水舱室的底部；控制系统进行耐高压密封，通过水密接插件与传感器相连，接受传感器数据自容存储，同时判断是否低于设定的低限并反馈输出到可控缓释注液系统的电机控制机构，控制电机的启停。
2.根据权利要求1所述的智能注液装置，其特征在于：所述液体密封舱室采用上圆下锥面设计，采用耐酸耐碱耐腐蚀材质制成。
3.根据权利要求1所述的智能注液装置，其特征在于：注液针管和间隙水采集固定内壳固定在导向下压柱上，导向下压柱与深海原位实验平台的移动装置连接；注液口位于注液针管顶部，通过管道与可控缓释注液系统的液体密封舱室的单向阀出口连接；抽液口位于间隙水采集固定内壳顶部，并通过管道与深海蠕动泵的入水口连接。
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