北极地区深海微生物研究进展及对策

对北极地区深海微生物研究进展进行了综述和展望分析,并提出强化我国北极深海微生物研究的对策,以期为相关研究和决策提供参考。综述表明北极深海微生物具有丰富的多样性,是数量巨大的遗传基因资源承载者,群落结构表现出显著的空间分布差异,在北极深海食物链中可能发挥着基础性作用。展望分析提出聚焦北极深海这一特殊的极端环境,开展微生物多样性和地理分布特征研究、新颖遗传生化功能挖掘以及多尺度生态系统下微生物与环境变化的研究具有重要意义和价值。建议我国顶层布局、构建北极深海微生物协同研究体系,提升专用配套仪器装备保障能力,全面推进相关研究工作。     

深海微生物培养模拟平台温度控制技术研究

针对深海微生物培养系统对温度条件的苛刻要求,在分析系统构成及建模的基础上,介绍了一种对系统的两级滞后环节采用了PI控制和双Smith预估反馈的方法,通过内环和外环Smith预估控制,精确的消除了温度控制系统中滞后延迟环节的影响,提高了PI控制强度,减少了超调,提高了系统动态响应和稳态精度。在系统Matlab仿真和实际实验中得到了良好的效果,满足系统的精度要求。     

深海微生物极端酶的研究进展

21世纪是海洋的世纪,海洋生物资源的开发和利用已成为世界各海洋大国竞争的焦点之一,其中基因资源的争夺更是焦点中的重点.     

热带太平洋深海微生物的若干生理生态特征

从2001年春、秋季于热带太平洋区采集到的深海样品中共分离到110株微生物,从中挑取31株进行形态特征和对环境理化因子适应特征的研究,同时利用Biolog微生物自动鉴定系统进行菌种鉴定和碳源代谢分析.结果表明:31株微生物中2株为酵母,21株为革兰氏阳性细菌,8株为革兰氏阴性细菌,来自底质的细菌菌株阳性菌占优势,而海水、蓝藻中阴性菌居多;温度、盐度、pH适应性试验表明,严格意义上的狭适性微生物不到总数的1/3,而具有较宽生态幅的广适性微生物占有相当大的比例.另一方面,耐冷菌、中度嗜盐菌和抗碱菌在这些微生物中的比例很高,同时,来自蓝藻的菌株大多数在4℃下不生长,而来自上覆水和底质的菌株可在4℃生长,这些都体现了微生物对生存环境的响应.31株微生物经Biolog鉴定12株得出鉴定结果.15株革兰氏阳性细菌对95种碳源的利用能力分析表明,不同菌株可利用碳源的数目从3种到46种不等,差异很大,体现了深海微生物营养类型的极大多样性;同时,发现有8种碳源可被一半以上的受试菌株所利用,这些碳源均是微生物各类代谢途径中的重要中间代谢物.     

深海热液喷口微生物群落研究进展

1977年在太平洋上的加拉帕戈斯群岛附近深2 500 m的深海热液区首次发现了独立的生命体系,它被认为是海洋生物学研究领域中最为重大的发现之一[1-2]。自此,对深海热液喷口生物群落的调查研究吸引了无数科学家的眼球,成为了海洋生物学研究领域的热点之一。30余年来,随着海洋生物学研     

多金属结核概念车浮游体的外形设计及阻力特性分析

针对深海采矿实际需求,提出将集矿车上的液压站与集矿车分离,设计成相对独立、悬浮于集矿车前部上方的浮游体。设计了多金属结核概念车浮游体(以下简称浮游体)外形,并利用三维设计软件SolidWorks建立了其三维几何模型。在此基础上,对几何模型进行简化处理,建立了浮游体流体动力学计算模型。利用流体动力学仿真分析软件ANSYS CFX,采用雷诺时均算法(RANS算法)和两方程的k-ε湍流模型,得到了不同工况的阻力数据。采用Matlab曲线拟合功能,研究了浮游体阻力特性,验证了外形设计方案的可行性。     

自主式深海海底溶质通量原位观测站研究进展

针对深入了解深海海底界面的物理、化学和生物动态变化过程及机制的观测需求,综述了自主式海底观测站(着陆器,lander)在深海海底溶质通量监测的研究进展。探讨了海底观测站的设计与实施技术,分析总结了深海自主式原位观测站在沉积物-水界面化学组分通量的观测机理,讨论了自主式海底观测站的国内外发展现状。自主式海底观测站具有可灵活机动选择观测地点、操作简单、便于多参数综合测量的特点,为获取深海海底长时空尺度综合参数资料提供了有效的技术支撑。根据目前深海生物地球化学循环研究特点,提出了自主式海底观测站面临的问题与发展建议。     

南海深海氮循环微生物的原位培养与多样性分析

借助自主研发的深海水体原位定植培养系统,在南海3 300 m的深海水体中进行了氮循环微生物的原位培养.通过向富集仓中投加缓释肥(铵盐、硝酸盐和尿素)进行了为期17个月的原位富集.结合高通量测序技术和分离培养的方法,对深海原位富集物及实验室二次富集物进行了微生物多样性分析. 16S rRNA基因高通量测序结果表明,在南海原位富集样品中,细菌以变形菌门丰度最高,富集仓内脱脂棉附着介质和仓内水样中的最优势属分别为希瓦氏菌属(Shewanella)和科韦尔氏菌属(Colwellia);古菌以奇古菌门为主,其中氨氧化古菌(AOA)所占比例很高.通过平板培养分离到17株细菌,主要包括盐单胞菌属(Halomonas)、海杆菌属(Marinobacter)和亚硫酸盐杆菌属(Sulfitobacter)等.通过不同起始氮源(氨氮、硝酸盐、亚硝酸盐)和培养温度(28℃和10℃),对原位富集样品进行实验室二次富集,获得了5个富集菌群.分析发现,它们均具有较好的脱氮效果,可以产生N_2O或N_2;这些菌群均以盐单胞菌属占绝对优势,其次为海源菌属(Idiomarina)或海杆菌属,其中盐单胞菌和海源菌成功获得分离.单菌功能验证表明,分离获得的盐单胞菌具有好氧反硝化能力,其在原位环境下反硝化活性尚有待确认.     

深海来源微生物乙酰酯酶的酶学性质鉴定及拆分制备D-乳酸甲酯

D-乳酸及其酯是重要的手性药物中间体和手性化工产品。从南海深海芽孢杆菌Bacillus sp. SCSIO15029克隆到一个乙酰酯酶基因bae02030, 表达并鉴定该酶Bae02030的酶学性质。该酯酶的最适pH和最适温度分别为8.5和35℃, 其对多种有机溶剂和表面活性剂具有较好的耐受性。乙酰酯酶Bae02030能够通过水解拆分消旋乳酸甲酯来制备光学纯的D-乳酸甲酯。通过对拆分反应进行优化, 添加体积分数为60%的正庚烷能够改善乙酰酯酶Bae02030的光学选择性, 所制备的D-乳酸甲酯的对映体过量值(e.e._s)超过99%, 转化率(c)为56%。深海微生物来源的乙酰酯酶Bae02030作为生物催化剂在工业上制备手性药物中间体具有较好的应用潜力。     

北极深海沉积物中细菌和古菌群落结构研究

在北极深海沉积物生态系统中,微生物的群落结构由有机质输入、能量的可用性及其他环境因素决定.然而,全球气候变暖及其导致的冰盖提前融化正在影响微生物的多样性.为描述北极深海沉积物中的微生物群落结构及其与环境因素的相关性,我们利用罗氏454对北极深海沉积物样品的16S rDNA扩增子进行了测序,对细菌和古菌群落的丰富度、成分、结构及其系统发育分类地位进行了描述.硫还原和化能有机营养类是细菌群落中的主要类群;而古细菌群落主要是由微生物的关系最为密切的氨氧化奇古菌门(96.66%)和产甲烷古生菌界(3.21%).这项研究描述了北极极点附近深海沉积物(> 3500米)中的微生物多样性,将为以后研究类似环境中微生物代谢过程和途径等功能分析奠定基础.     

可浮动自锁式深海气密采水器的研制

深海海水中气体的含量可以在一定程度上标识深海资源蕴藏量,因而实现对深海海水的气密采样意义重大.为此设计了一种可浮动的自锁装置,并采用压力自适应平衡原理,实现了对深海海水的气密采样.实验室和海上试验结果均表明深海气密采水器在装上可浮动自锁装置后耐压能力和气密性都得到了有效的提高,对初始压强为1.208 MPa的N2气保压2 h,压力损失不到1.2%,并成功地实现了对960 m深的海水样品的气密采样.此样品中CH4浓度为5.44 nmol/dm^3,CO2浓度为140.6nmol/dm^3.该可浮动自锁式深海气密采水器的研制为深海资源勘探分析提供了必要的技术支持.     

高精度CTD采水器控制系统的设计与分析

本系统是国家“８６３”任务中８１８－０２Ａ项目的重要组成部 和高精度ＣＴＤ测量仪联用,可以完成任意深度、任意时刻的采水控制功能,它采用国内外最新的技术和元器件,打破了原有的采水控制装置的设计思想,使采水器的动作完全合理准确。本文重点介绍其工作原理和关键技术。     

全海深ARV抛载系统研发及深海试验

抛载系统是水下机器人安全工作的核心关键部分。以“思源号”全海深ARV（自治缆控水下机器人）为研究对象，开展ARV作业过程中压载水下释放问题研究。通过在ARV底盘下侧布置下潜抛载模块，上艇体两侧对称布置上浮抛载模块，设计了一套基于电磁驱动的超高压水下抛载系统。利用Maxwell 2D电磁场有限元分析软件对非接触式电磁铁作了静磁场数值分析，得到电磁铁的磁力线与磁通密度分布图，验证了抛载电磁铁可以满足压载吸附和抛弃的功能。设计了一种非磁性钛合金隔离片，用于消除电磁铁断电后存在的吸附效应，解决了抛载失败的问题。开展了电磁吸力测试、可靠性试验、超高压试验以及深海试验，试验结果验证了所设计的全海深ARV抛载系统能够在深海环境下实现水下释放压载，为全海深ARV实现上浮下潜和水下浮态控制提供重要保障。     

固体激光测风雷达扫描镜旋转控制系统

多普勒激光测风雷达是近年来方兴未艾的 1种全新的大气风场探测手段。但是激光测风雷达直接测量的是视线方向上的激光反射光的频移 (视线风速 )。在这个基础上 ,激光雷达还必须能够获得多方位的风速数据才能够反演出风场。这就需要相应的光学扫描系统 ,它在保证发射、接收视场重叠的前提下 ,控制激光束投射到指定的方向 ,使激光雷达获得不同视线角度的风速数据。本文介绍的激光雷达测风系统中的光学扫描部分实现了上述要求 ,在水平旋转和俯仰控制上的精度都达到了<0 .5°。完全能够满足激光测风系统的实用需要。     

深海采矿循环式水力集矿系统设计与数值研究

为使深海采矿作业更为高效、环保,提出了一种用于深海采矿的循环式水力集矿系统设计方案。该系统主要由集矿头、矿-沙分离器、水-沙分离器、水泵以及连接各部件的管道组成。采用基于欧拉法的液固两相流计算模型对该系统的关键问题,即矿-沙分离器和水-沙分离器的泥沙颗粒流动进行数值研究。相间拖曳力采用Richardson-Zaki模型。液相与固相湍流分别采用标准k-ε模型和Tchen湍流响应模型。该模型经验证对于直径0.165 mm与0.27 mm细颗粒具有较高精度。利用该模型,以0.165 mm泥沙颗粒为例,得到了两种分离器的分离效果与入口流速之间的规律,分析了两者颗粒浓度分布与流场特征。结果表明,两种分离器的性能均与入口流速有关,在选取适当入口条件时均可取得良好效果。     

深海采矿机器人行走液压系统特性研究

针对深海采矿机器人"鲲龍500"行走液压系统,建立深海采矿机器人行走液压系统理论模型,分析深海高压和低温环境对油液特性影响,并基于AMESim软件平台,建立深海采矿机器人行走液压系统数值模型,研究了0～6 000 m不同作业深度下的行走液压系统泵和马达的动态特性,以及在6 000 m水深时不同牌号液压油和行走启动特性对其行走性能的影响,对比分析了深海采矿机器人水池行走试验和500 m海底行走试验的行走泵的输出压力与流量曲线与其数值模拟曲线。研究表明,随着超过1 000 m作业水深的增加,深海行走液压系统的动态响应性能和稳定性显著降低,通过减小行走输入电压斜坡斜率和减小控制电压可以提高行走液压系统的稳定性,并通过试验验证了行走液压系统数值建模与仿真的正确性,为深海液压系统研究提供理论基础。     

深海超长沉积物柱状取样系统关键技术优化及应用

作为深海科学研究的重要基础装备,深海超长沉积物柱状取样系统在海底地形地貌、海洋地质构造、气候环境变化等研究领域发挥了重要作用,其在海底矿产资源勘探、海洋工程地质勘察等方面展现了巨大应用价值。针对传统超长柱状沉积物取样系统在作业过程中存在的盲目采样、安全隐患大、甲板作业空间受限等问题,自主研制了一套适用于深海的超长可控可视沉积物柱状取样系统,该系统具有液压锤击、立式收放和实时监控功能,能获取连续、超长、具有精准姿态方位信息的柱状沉积物样品。现通过对独立排缆方式、取样管快速拆装、样品封堵、低扰动取样刀头等关键技术细节进行优化,解决了样品扰动大、取样率低的问题,提高了取样作业效率与样品质量,且降低了作业安全风险。2017—2021年,该取样系统搭载不同母船在南海1 700,1 725 和1 778 m水深分别获取了15.25、16.01和15.83 m的长柱状沉积物样品。该设备的成熟应用,可为我国深海探测研究提供技术支持。     

混合模型试验等效水深截断系统优化设计研究

进行了深海海洋平台混合模型等效水深截断系统优化设计试验研究,优化方法选用混合离散变量模拟退火法,目标函数为截断系统和原系统的静力特性相似程度。以一个转塔式系泊浮式生产系统为例进行了等效水深截断系统优化设计计算。     

Optimal Design of Equivalent Water Depth Truncated Mooring System Based on Baton Pattern Simulated Annealing Algorithm简

The highest similarity degree of static characteristics including both horizontal and vertical restoring force-displacement characteristics of total mooring system, as well as the tension-displacement characteristics of the representative single mooring line between the truncated and full depth system are obtained by annealing simulation algorithm for hybrid discrete variables （ASFHDV, in short）. A“baton” optimization approach is proposed by utilizing ASFHDV. After each baton of optimization, if a few dimensional variables reach the upper or lower limit, the boundary of certain dimensional variables shall be expanded. In consideration of the experimental requirements, the length of the upper mooring line should not be smaller than 8 m, and the diameter of the anchor chain on the bottom should be larger than 0.03 m. A 100000 t turret mooring FPSO in the water depth of 304 m, with the truncated water depth being 76 m, is taken as an example of equivalent water depth truncated mooring system optimal design and calculation, and is performed to obtain the conformation parameters of the truncated mooring system. The numerical results indicate that the present truncated mooring system design is successful and effective.