CN114767071B - 深渊片脚类生物代谢速率原位自动测量装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了深渊片脚类生物代谢速率原位自动测量装置及使用方法，该装置包括支架以及位于支架上的捕获系统、测量系统、抽取系统、控制系统和摄像系统，所述捕获系统包括关舱电机、连杆机构、舱门和呼吸舱；测量系统包括搅拌机构和溶解氧传感器；搅拌机构安装在呼吸舱侧壁，溶解氧传感器安装在呼吸舱内壁上；抽取系统包括抽吸电机、抽吸容器和体积补偿机构；控制系统包括电子舱及其内安装的控制电路。本发明可自动捕获、测量、回收，无需潜水器进行操作，布放和实施方式简单。

Description

深渊片脚类生物代谢速率原位自动测量装置及使用方法

技术领域

本发明涉及深渊片脚类生物代谢速率原位自动测量装置及使用方法。

背景技术

深度超过6000米的海域被称为深渊（Hadal）。深渊带的面积仅占海底总面积的1-2%，但其占据了海洋垂直深度的45%。高压、低温、黑暗、寡营养以及复杂的地形、与外界环境隔绝孕育了深渊独特的生物和生态系统。过去的数十年中已经开展的关于深渊生物的研究侧重于生物多样性、相对丰度、群落结构、多样性以及物种特有性等方面，而深渊生物科学研究已经到达了一个新的前沿，深渊碳循环、生物的极端环境适应机制、能量流动和生物新陈代谢等是当下的热点科学问题。新陈代谢速率是研究深渊生态学的重要环节之一。通过个体代谢信息的整合，可以推断种群和群落的信息，构建深渊生态系统中能量和物质流动的模型，探索深渊生物极端环境适应机制。因此，获取深渊宏生物的代谢信息对于深入理解深渊生态系统具有重要意义。深渊中食腐性片脚类动物分布广泛，较易被诱饵吸引，易于捕获，在深海有机物分解中发挥重要的作用，是深渊食物网中的关键物种之一，因此获取其代谢速率具有重要意义。

现有的水下生物代谢测量装置大多只能用于浅水，无法获取深渊生物的代谢速率；现有技术大多搭载于远程水下调查设备如ROV、AUV或者HOV等，需要操作人员全程操作，包括捕捉、测量、回收等，一方面作业成本大，另一方面人为干涉（如灯光、潜水器的运动等）会影响生物的生理状态，因此测量的参数不准确；现有技术大多使用极谱式溶解氧传感器直接测量溶解氧的变化，而不考虑测量舱内氧气分布不均匀导致的测量误差； 此外，现有水下生物代谢测量装置无法检测测量期间生物的代谢产物。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种可自动捕获、测量、回收，无需潜水器进行操作，布放和实施方式简单的深渊片脚类生物代谢速率原位自动测量装置及使用方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

深渊片脚类生物代谢速率原位自动测量装置，它包括支架以及位于支架上的捕获系统、测量系统、抽取系统、控制系统和摄像系统，所述捕获系统包括关舱电机、连杆机构、舱门和呼吸舱；关舱电机连接并驱动连杆机构，连杆机构一端连接舱门，舱门上装有密封圈；测量系统包括搅拌机构和溶解氧传感器；搅拌机构安装在呼吸舱侧壁，溶解氧传感器安装在呼吸舱内壁上；抽取系统包括抽吸电机、抽吸容器和体积补偿机构；抽吸电机带动抽吸容器动作，抽吸容器与呼吸舱连通，体积补偿机构一端连接呼吸舱，另一端连通海水，用于补偿由于抽吸动作引起的压力降低；控制系统包括电子舱及其内安装的控制电路和数据采集单元；电子舱用于安装控制电路板；摄像系统包括灯和摄像机，所述呼吸舱的侧面为透明材质，摄像系统位于呼吸舱的侧面的支架上且对准呼吸舱内部。

进一步的，所述抽吸容器包括注射器、软管和丝杆，所述抽吸电机与丝杆驱动连接，丝杆上套置滑块，滑块与注射器的活塞杆连接；软管与呼吸舱连通。

进一步的，所述体积补偿机构包括筒体和位于筒体内的活塞，筒体的一端设置细管，细管连通呼吸舱。

进一步的，所述搅拌机构包括位于呼吸舱外部的搅拌电机和位于呼吸舱内的搅拌器。

本发明的深渊片脚类生物代谢速率原位自动测量装置使用方法，包括如下步骤，

S1、下放之前设定关舱电机、搅拌电机、抽吸电机、摄像系统、溶解氧传感器和数据采集单元的启动时间与工作时长，并设定抽吸电机抽取水样的时间间隔；并在呼吸舱内放置一些诱饵；

S2、深渊片脚类生物代谢速率原位自动测量装置搭载着陆器到达至指定深度，呼吸舱的舱门保持开启状态；

S3、到达设定时间后，关舱电机带动连杆机构关闭舱门，溶解氧传感器开始测量，搅拌电机开始工作，数据采集单元开始采集溶解氧传感器测得的数据，摄像机和灯开始启动；

S4、测量过程中持续开启搅拌电机驱动搅拌器旋转，令呼吸舱内液体均质化，溶解氧传感器持续采集呼吸舱内溶解氧含量；

S5、根据设定时间，抽吸电机驱动抽吸机构抽取呼吸舱内一定体积原位海水样品，体积补偿机构从外部吸取等量海水进入呼吸舱进行补偿；

S6、每隔一定时间重复步骤（5）直至所有的抽吸容器充满原位海水样品；

S7、到达预定时间后，测量装置停止工作；

S8、深渊片脚类生物代谢速率原位自动测量装置随着陆器回收，同时，下载摄像机记录的生物影像。

本发明的有益效果是：

本发明提出用于深渊片脚类动物原位代谢速率测量装置，突破了深渊的不可接近性、数据非原位性的问题，可以为实现深渊动物代谢速率的测量提供技术手段。利用均质化搅拌机构使舱内的水样均质化，提高测量准确性。利用时序抽吸机构抽呼吸舱内水样，得到原位测量期间生物代谢活动导致的水成分变化。利用体积补偿机构可实现顺利抽吸。利用基于荧光淬灭法的溶解氧传感器测量溶解氧含量提高测量准确性。利用摄像系统在海底记录生物的活动。

附图说明

附图1为本发明的整体结构示意图；

附图2为本发明的部分结构示意图；

附图3为本发明的抽吸电机和抽吸容器结构示意图；

附图4为本发明的体积补偿机构示意图；

图中，支架1、关舱电机21、连杆机构22、舱门23、密封圈231、呼吸舱24、透明玻璃241、搅拌机构31、搅拌电机311、搅拌器312、溶解氧传感器32、抽吸电机41、抽吸容器42、注射器421、软管422、丝杆423、滑块424、体积补偿机构43、筒体431、活塞432、细管433、开口434、端盖435、电子舱5、灯61、摄像机62、电池舱7。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图1-4来详细解释本发明的实施方式。

本发明提出一种可用于全海深的生物代谢速率测量装置及其使用方法。与传统技术相比，本发明是自容式的，搭载着陆器到达海底，可以实现在海底自动捕获、测量生物的代谢速率，作业成本低；通过均质化搅拌机构使舱内溶解氧分布均匀，测量数据精确；通过时序抽吸机构抽取舱内水样，可得到原位测量期间生物代谢活动导致的水成分变化，为进一步研究深渊生物的代谢过程提供重要的原始数据；通过基于荧光淬灭法的溶解氧传感器测量舱内溶解氧变化，提高测量准确性。

本发明具体技术方案如下：

深渊片脚类生物代谢速率原位自动测量装置包括支架1以及位于支架上的捕获系统、测量系统、抽取系统、控制系统和摄像系统。

支架1包括底盘和框架，框架的样式可以根据需要设计成方便操作和固定的任何形状，这里不再赘述。

所述捕获系统包括关舱电机21、连杆机构22、舱门23和呼吸舱24。关舱电机21位于呼吸舱的顶部，关舱电机21连接丝杠，丝杠上的螺母固定连接连杆机构22，连杆机构22的末端连接舱门23，舱门23的上端铰接连接，螺母带动连杆机构22运动，从而带动舱门打开闭合，舱门23上装有密封圈231，在闭合后保证呼吸舱不与外接连通。测量系统包括搅拌机构31和溶解氧传感器32。

搅拌机构31安装在呼吸舱24侧壁，溶解氧传感器32安装在呼吸舱24内壁上。所述搅拌机构31包括位于呼吸舱24外部的搅拌电机311，搅拌电机31驱动连接转轴，转轴穿过呼吸舱24后位于呼吸舱24内，转轴末端为搅拌器312（可采用搅拌叶片）。

抽取系统包括抽吸电机41、抽吸容器42和体积补偿机构43。抽吸电机41带动抽吸容器42动作，抽吸容器42与呼吸舱24连通。抽吸容器42设置多个，如图2所示为6个。如图3所示，本发明对抽吸容器42进行设计，具体的，所述抽吸容器42包括注射器421、软管422和丝杆423，所述抽吸电机41与丝杆423驱动连接，丝杆423上套置滑块424，滑块424与注射器421的活塞杆连接。软管422与呼吸舱24连通。通过丝杆运动带动活塞杆从而实现抽吸。

本发明的体积补偿机构43一端连接呼吸舱24，另一端连通海水，用于补偿由于抽吸动作引起的压力降低。具体的，如图4所示，所述体积补偿机构43包括筒体431和位于筒体431内的活塞432，筒体431的一端设置端盖435，端盖上连通细管433，细管433连通呼吸舱24，筒体431的另一端开口434与海水连通。

本发明的控制系统包括电子舱5及其内安装的控制电路和数据采集单元，数据采集单元用于采集和处理溶解氧传感器32及摄像机等数据。电子舱5用于安装控制电路板。摄像系统包括灯61和摄像机62，所述呼吸舱24的侧面为透明材质，可采用透明玻璃241。摄像系统位于呼吸舱24的侧面的支架1上且通过透明玻璃241对准呼吸舱24内部。在支架上还设置电池舱7。

本发明的一种深渊片脚类生物代谢速率原位自动测量装置使用方法，包括如下步骤，

（1）下放之前设定关舱电机21启动时间与工作时长、搅拌电机311启动时间与工作时长、设定抽吸电机41抽取水样的启动时间与工作时长以及时间间隔、溶解氧传感器32开始测量时间、数据采集单元启动时间、摄像机62及灯61的启动时间和工作时长。在呼吸舱24内放置一些诱饵用于吸引深渊食腐类片脚生物。

（2）深渊片脚类生物代谢速率原位自动测量装置搭载着陆器到达至指定深度，呼吸舱24的舱门保持开启状态，呼吸舱24内部和整体装置处于深渊海水中。

（3）到达设定时间后，关舱电机21带动连杆机构22关闭舱门，并形成密封，溶解氧传感器32开始测量，搅拌电机311开始工作，数据采集单元开始采集溶解氧传感器32测得的数据，摄像机62和灯61开始启动。

（4）测量过程中持续开启搅拌电机311驱动搅拌器312旋转，令舱内液体均质化，溶解氧传感器32持续采集呼吸舱24内溶解氧含量。

（5）根据设定时间，抽吸电机41驱动抽吸容器42抽取呼吸舱24内一定体积原位海水样品，体积补偿机构43的活塞向内移动，使得抽吸顺利可持续进行。

（6）每隔一定时间重复步骤（5）直至所有的抽吸容器42充满原位海水样品。

（7）到达预定时间后，搅拌电机311停止工作，抽吸电机41停止工作，溶解氧传感器32停止测量，数据采集单元停止采集，摄像机62与灯61停止记录。

（8）深渊片脚类生物代谢速率原位自动测量装置随着陆器回收，对抽吸容器42收集的原位水样进行成分检测，可得到原位测量期间生物代谢活动导致的水成分变化，为进一步研究深渊生物的代谢过程提供重要的原始数据。同时，下载摄像机62记录的生物影像。

目前国内几乎没有测量深海生物代谢速率的技术方法，本发明提出一种在海底深渊实现准确测量深渊片脚类生物代谢速率的系统及其实施方法。

通过均质化搅拌机构、时序抽吸机构以及氧光电极溶解氧传感器提高代谢速率测量精度。搭载深渊着陆器到达海底，实现自动捕获、测量、回收，无需潜水器进行操作，布放和实施方式简单，海上部署成本低。

需要说明的是，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (3)

1.深渊片脚类生物代谢速率原位自动测量装置，其特征在于，它包括支架以及位于支架上的捕获系统、测量系统、抽取系统、控制系统和摄像系统，所述捕获系统包括关舱电机、连杆机构、舱门和呼吸舱；关舱电机连接并驱动连杆机构，连杆机构一端连接舱门，舱门上装有密封圈；测量系统包括搅拌机构和溶解氧传感器；搅拌机构安装在呼吸舱侧壁，溶解氧传感器安装在呼吸舱内壁上；抽取系统包括抽吸电机、抽吸容器和体积补偿机构；抽吸电机带动抽吸容器动作，抽吸容器与呼吸舱连通，体积补偿机构一端连接呼吸舱，另一端连通海水，用于补偿由于抽吸动作引起的压力降低；控制系统包括电子舱及其内安装的控制电路和数据采集单元；电子舱用于安装控制电路板；摄像系统包括灯和摄像机，所述呼吸舱的侧面为透明材质，摄像系统位于呼吸舱的侧面的支架上且对准呼吸舱内部；

所述抽吸容器包括注射器、软管和丝杆，所述抽吸电机与丝杆驱动连接，丝杆上套置滑块，滑块与注射器的活塞杆连接；软管与呼吸舱连通；

所述体积补偿机构包括筒体和位于筒体内的活塞，筒体的一端设置细管，细管连通呼吸舱。

2.如权利要求1所述的深渊片脚类生物代谢速率原位自动测量装置，其特征在于，所述搅拌机构包括位于呼吸舱外部的搅拌电机和位于呼吸舱内的搅拌器。

3.深渊片脚类生物代谢速率原位自动测量装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤，

S1、下放之前设定关舱电机、搅拌电机、抽吸电机、摄像系统、溶解氧传感器和数据采集单元的启动时间与工作时长，并设定抽吸电机抽取水样的时间间隔；并在呼吸舱内放置一些诱饵；

S2、深渊片脚类生物代谢速率原位自动测量装置搭载着陆器到达至指定深度，呼吸舱的舱门保持开启状态；

S3、到达设定时间后，关舱电机带动连杆机构关闭舱门，溶解氧传感器开始测量，搅拌电机开始工作，数据采集单元开始采集溶解氧传感器测得的数据，摄像机和灯开始启动；

S4、测量过程中持续开启搅拌电机驱动搅拌器旋转，令呼吸舱内液体均质化，溶解氧传感器持续采集呼吸舱内溶解氧含量；

S5、根据设定时间，抽吸电机驱动抽吸机构抽取呼吸舱内一定体积原位海水样品，体积补偿机构从外部吸取等量海水进入呼吸舱进行补偿；

S6、每隔一定时间重复步骤（5）直至所有的抽吸容器充满原位海水样品；

S7、到达预定时间后，测量装置停止工作；

S8、深渊片脚类生物代谢速率原位自动测量装置随着陆器回收，同时，下载摄像机记录的生物影像。

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