[科普中國]-海洋生物采樣器

深海生物采樣工具

采集不同深度海水中的生物樣品，是現(xiàn)代海洋學(xué)研究的重要內(nèi)容。隨著各種海洋科學(xué)研究與海洋資源開發(fā)利用的不斷深入，如何快速、方便和有效地對海洋生物進行調(diào)查采樣，以獲得第一手的海洋生物科學(xué)研究樣品，全面了解特定海域的生物資源情況，成為了當務(wù)之急。由國家"863"計劃支撐的"深海生物采樣工具研制"課題，其研制目標是:重點突破深海生物樣品采集原位觀測與定植培養(yǎng)，生物資源研究與開發(fā)所涉及的關(guān)鍵核心技術(shù)與裝備;研發(fā)適用于載人深潛器、ROV等平臺的系列化采樣和作業(yè)工具;建立一套深海底生態(tài)長期觀測系統(tǒng)，研制深海自容式原位生物定植培養(yǎng)工程樣機，并完成海試實驗;獲得一批基因、技術(shù)、工藝等相關(guān)專利。通過項目研究大幅提高我國深海生物資源研究開發(fā)技術(shù)水平和自主創(chuàng)新能力，保障資源的可持續(xù)開發(fā)利用。課題的研究內(nèi)容包括:海底微生物墊采樣器、泵吸式大型生物采樣器、誘捕式大型生物采樣器、射網(wǎng)式大型生物采樣器、鏟撬式大型生物采樣器、組合式生物轉(zhuǎn)移箱、船載厭氧/保壓轉(zhuǎn)移裝置、備用能源與控制吊艙。課題在2014年度完成了各型深海生物采樣工具諸多關(guān)鍵技術(shù)研究，主要設(shè)備均完成了樣機試制及調(diào)試，部分設(shè)備進行了海上實際應(yīng)用并獲得了相關(guān)生物樣品。該研究報告詳細論述了各型采樣工具的設(shè)計方案和主要研制過程，并記錄了調(diào)試及試驗的結(jié)果及改進方向，為課題后續(xù)研制提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。1

浮游生物采樣器主要浮游生物網(wǎng)、浮游生物連續(xù)記錄器和浮游生物泵等。浮游生物網(wǎng)可分為簡單式浮游生物網(wǎng)和復(fù)合式浮游生物網(wǎng)兩類。世界上第一個簡單式浮游生物網(wǎng)是 1828年研制出來的，用來捕捉小蟹和藤壺幼蟲。簡單式浮游生物網(wǎng)由網(wǎng)口、網(wǎng)衣、網(wǎng)底取樣瓶、桶和囊袋構(gòu)成。網(wǎng)口由邊框支撐，呈圓形、三角形或長方形等形狀；網(wǎng)衣與網(wǎng)口連接，網(wǎng)眼大小規(guī)格很多，可根據(jù)采集對象的大小加以選用。網(wǎng)底取樣瓶附在網(wǎng)衣末端，用以收集網(wǎng)中的浮游生物樣品。復(fù)合式浮游生物網(wǎng)是在網(wǎng)架上裝配若干個網(wǎng)，可同時采集不同水層中的浮游生物樣品先進的復(fù)合式網(wǎng)配備有環(huán)境監(jiān)測儀器，用電子計算機處理資料，顯示環(huán)境參數(shù)和網(wǎng)位深度、網(wǎng)濾水量等數(shù)據(jù)。浮游生物連續(xù)采集器是1936年發(fā)明的，使用時拖于船尾，在船航行時連續(xù)采集浮游生物樣品（見圖[浮游生物連續(xù)采集器]浮游生物連續(xù)采集器）。采集器主要由水雷形管子、篩絹、卷軸、潛水板、齒輪箱、福爾馬林池等部分組成，通過管內(nèi)緩緩卷動的篩絹不斷過濾進入儀器中的海水，得到浮游生物樣品。浮游生物泵是抽取海水的離心泵，抽取的海水經(jīng)篩絹過濾便可得到浮游生物樣品。

為海洋生物研究采集樣品的裝置。由于海洋生物種類繁多，相應(yīng)的生物取樣器，有復(fù)背式采水器和無菌采水袋等微生物采樣器; 有浮游生物網(wǎng)和浮游生物連續(xù)采集器等浮游生物采樣器;有海底生物拖網(wǎng)、采泥器、取樣管等底棲生物采集器;有魚網(wǎng)、魚探儀等游泳生物采集器; 還有掛板式附著生物采樣器等。2

底棲生物采樣器研制出一種長方體的十字筐采樣器，在采樣器內(nèi)分別填裝石、砂、底泥和水草4種基質(zhì)，利用大型底棲無脊椎動物對生境的選擇性進行樣本被動采集。基質(zhì)越多，采樣器采集的生物種類越多，生物量也更豐富。用新研制的十字筐采樣器和傳統(tǒng)的籃式采樣器對松花江流域7個采樣點進行大型底棲無脊椎動物對比采樣，結(jié)果顯示:十字筐采樣器是一種優(yōu)良的采樣器，適合在松花江流域乃至全國推廣應(yīng)用。

包括底拖網(wǎng)、采泥器和柱狀取樣管。底拖網(wǎng)由長方形或三角形的架子和袋形網(wǎng)構(gòu)成，用船拖曳在海底采集底棲生物樣品。采泥器有蚌式采泥器、彈簧采泥器等，依靠重力或彈力將兩個顎瓣插入海底表層沉積物內(nèi)取樣。柱狀取樣管靠降落時自身的重量插入底質(zhì)中，采集小型底棲生物樣品。3

微生物采樣器主要包括微生物采水器、采泥器和柱狀取樣管等。微生物采水器用于采集海水中的微生物樣品，有佐貝爾采水器、復(fù)背式采水器和無菌采水袋等。常用的佐貝爾采水器由機架和采水瓶兩部分組成，將其沉放到預(yù)定深度時，投放下墜鐵塊敲擊杠桿后部，杠桿前端挑起，將玻璃管擊斷，使海水進入采水器瓶內(nèi)。復(fù)背式采水器由一個厚壁橡皮球附加在顛倒采水器上構(gòu)成，采水器顛倒時，把球口上的塞子拉下，海水進入橡皮球中。無菌采水袋由無菌塑料袋和采水機架組成，采水袋沉放到預(yù)定采水深度時，使錘或切刀將水嘴打開，海水流入。采泥器和柱狀取樣管也可用來采集底質(zhì)中的微生物樣品。4

污著生物采樣器主要工具是掛板。將掛板放置在預(yù)測地點，按規(guī)定時間取回，獲取污著生物樣品。試驗掛板分木質(zhì)和非木質(zhì)兩類，規(guī)格分為年板、季板和月板。隨著海洋生物資源勘探開發(fā)和保護等領(lǐng)域的快速發(fā)展，深海生物采樣工具的研制成為了水下作業(yè)裝備領(lǐng)域的研究熱點。本文所研究的泵吸式大型生物采樣器是針對深海與極地環(huán)境下進行大型生物采樣的作業(yè)特點，而提出的一種新型采樣器結(jié)構(gòu)。本文首先采用射流基本理論給出采樣器的初步模型，然后結(jié)合商用計算流體動力學(xué)軟件FLUENT對泵吸式采樣器的射流混合過程進行數(shù)值模擬，對整個射流抽吸系統(tǒng)進行了水動力效率分析，對環(huán)形多噴嘴結(jié)構(gòu)。5