自主采样航行器：“看”到更真实的深海

从古至今，看人类从未停止对深海的自主探索。近日，采样我国研究团队在深海装备系统领域取得进展。航行由我国涉海院校与科研院所等单位组成的实的深海项目攻关组，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，看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”）的自主研制。

“水文理化数据和生物样品分析数据不同步是采样海洋科考面临的一个难题。这影响了调查研究的航行时效性。航行器及配套系统的实的深海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、看远海生物多样性调查，自主基因资源挖掘以及功能资源化利用提供了有力保障，采样是航行我国在海洋探测装备领域的一项重要突破。”项目总负责人、实的深海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。

海洋广阔且环境复杂多变，深海微生物类型与种群分布随海洋环境的温度、光照、压力、含氧量及地形发生明显变化。因此，自主采样对航行器的极端环境适应性和可靠性、采样精度与样本保真、设备高精度导航与自主决策、能源精益化管理和运动控制等提出多方面挑战。

项目技术骨干、天津大学助理研究员孙通帅介绍，项目组研制的航行器配备了多种传感器，可实时监测深海环境的物理、化学参数，如温度、盐度、压力、溶解氧、浊度、叶绿素浓度等，并通过多源数据融合，实现在环境信息扰动条件下的深海微生物采样区域边界识别与跟踪，进而保证自主采样的实现和品质。此外，航行器还具备组合导航和航位推算能力，能够面向水下预设区域，开展微生物的长期连续采样。

支撑深海微生物前沿研究

航行器的成功研制，不仅填补了相关技术空白，也让深海时空交变环境中微生物的长时间、多点位、多尺度和大深度的原位采样与高保真保存成为可能。同时，它还为发现与探索海洋微生物新物种、揭示海洋微生物多样性格局与演变规律、明晰微生物碳泵与海洋碳汇的影响机理等提供决定性样本与基因数据支撑，促进了新型海洋装备和海洋生命前沿技术的发展。

项目组针对深海微型生物鉴定面临原位采样核酸量低、易高度降解及难以实现跨界域生物同步分析等难题，研制了holo-2bRAD技术。该技术可实现对低至0.1纳克的痕量、高度降解样品的分析，动态追踪原核和真核生物的协同变化，定性定量分析准确性可达95%以上。项目组将holo-2bRAD技术与深海原位采样核酸提取等装备系统整合后形成的高效一体化深海原位采样鉴定分析系统，是进行深海生物多样性调查及功能深度解析的有力工具。

项目组还设计开发了具备多维宏组学特色、系统分析模块、面向学科交叉的海洋微生物综合资源数据库OceanM。

“与已有类似数据库相比，OceanM具备多元化的微生物功能分析，包含辐射全生境、全水深、多水层的数据资源，覆盖微生物全球分布模式、交互式海洋微生物检索分析、跨圈层互作分析以及海洋天然产物挖掘等11个功能模块。”课题负责人、中国海洋大学海洋生命学院教授张玲玲说，该数据库将为海洋微生物生态调查、地球多圈层交互作用深度解析以及海洋微生物资源的深度开发提供有效支撑。