從古至今，人類從未停止對深海的探索。近日，我國研究團隊在深海裝備系統(tǒng)領域取得進展。由我國涉海院校與科研院所等單位組成的項目攻關組，圍繞深海微生物原位采樣與宏基因組分析核心技術展開攻關，完成首臺國產深海微生物原位采樣自主水下航行器(以下簡稱“航行器”)的研制。

“水文理化數(shù)據(jù)和生物樣品分析數(shù)據(jù)不同步是海洋科考面臨的一個難題。這影響了調查研究的時效性。航行器及配套系統(tǒng)的研發(fā)使我國具備了深海微生物原位探測和核酸樣品原位提取保存能力，為深海、遠海生物多樣性調查，基因資源挖掘以及功能資源化利用提供了有力保障，是我國在海洋探測裝備領域的一項重要突破。”項目總負責人、中國海洋大學海洋生命學院院長、中國工程院院士包振民說。

傳統(tǒng)探測技術有何不足?航行器研制過程中有哪些技術突破?這些技術如何支持深海微生物探索工作?近日，記者就以上問題采訪了相關研發(fā)人員。

傳統(tǒng)采樣技術存在不足

深海是地球系統(tǒng)中最大的生境，其高鹽、高壓、低溫、低營養(yǎng)和無光照的獨特生態(tài)系統(tǒng)中蘊藏著人們未認知和開發(fā)的微型生物資源。深海微生物適應極端生存環(huán)境，形成了特殊的基因類型、生理機制及代謝產物等。因此開展深海微生物的探索研究有助于闡明生命起源與進化、環(huán)境適應與生態(tài)效應等重大科學前沿問題，同時也是深海資源開發(fā)的重要方式。

開展深海微生物基因探索一度受限于采樣技術。傳統(tǒng)的深海微生物采樣技術主要依賴于船舶定點式大量采水、ROV遠程遙操作采樣或深海坐底平臺靜態(tài)采樣等，這些技術和設備通常需配合母船開展短時作業(yè)，將采集樣品帶回實驗室后進行分析。

然而，傳統(tǒng)檢測方式要經過“大體積采水器采水、船基過濾、凍存、核酸提取”等過程，許多微生物在取樣過程中因環(huán)境驟變而導致核酸嚴重降解，給解析深海原位狀態(tài)下微生物的群落組成及基因表達規(guī)律帶來挑戰(zhàn)。此外，中國海洋大學海洋生命學院教授王師提道，海洋微生物的分布具有廣域性和深度梯度性，對其分布規(guī)律及特性的研究需要長周期的連續(xù)觀測與原位取樣。

“深海微生物具有分布范圍廣、尺寸變化大和演變周期長的特點。如何在海洋高壓、高腐蝕、變密度等環(huán)境下，實現(xiàn)小型化多通道采樣儀器設計，使采樣設備同時具備環(huán)境適應、長時運動、敏捷航行、原位采樣和高保真保存等能力，是深海微生物自主采樣設備的研發(fā)難點。”課題負責人、天津大學機械工程學院教授劉玉紅介紹。

實現(xiàn)自主、原位采樣突破

“由于光照度、含氧量、溫度和水壓等影響，深海微生物群落多聚集在1000米以內淺水域。團隊研制的航行器最大采樣深度可至1000米，最小取樣直徑達0.22微米，單次采樣水量突破15升，最大采樣個數(shù)70個，連續(xù)工作時間可達到15天以上。”劉玉紅說。航行器通過配備的深海微生物原位采樣儀器和基因分析裝置，可以實現(xiàn)深海微生物從采樣、制備到保存的無縫銜接，有效避免樣本因環(huán)境變化導致的污染、降解和核酸結構變化，顯著提高樣本質量，縮短采樣周期，提升研究效率。

航行器如何實現(xiàn)深海微生物長時間、多點位、大深度、高保真保存采樣?劉玉紅介紹，長時間、大深度采樣主要依靠在航行器設計、優(yōu)化與研制等方面的技術突破，多點位、高保真保存則是通過微生物多通道原位采樣儀器設計、航行器系統(tǒng)集成及運動控制方法等技術的突破實現(xiàn)，進而使得航行器具備深海微生物的自主采樣能力。

自主采樣是指通過自動化設備或自動化系統(tǒng)，在無人員干預的情況下，通過融合實時感知的環(huán)境信息，高效、精準、獨立地完成樣本采集的過程。

海洋廣闊且環(huán)境復雜多變，深海微生物類型與種群分布隨海洋環(huán)境的溫度、光照、壓力、含氧量及地形發(fā)生明顯變化。因此，自主采樣對航行器的極端環(huán)境適應性和可靠性、采樣精度與樣本保真、設備高精度導航與自主決策、能源精益化管理和運動控制等提出多方面挑戰(zhàn)。

項目技術骨干、天津大學助理研究員孫通帥介紹，項目組研制的航行器配備了多種傳感器，可實時監(jiān)測深海環(huán)境的物理、化學參數(shù)，如溫度、鹽度、壓力、溶解氧、濁度、葉綠素濃度等，并通過多源數(shù)據(jù)融合，實現(xiàn)在環(huán)境信息擾動條件下的深海微生物采樣區(qū)域邊界識別與跟蹤，進而保證自主采樣的實現(xiàn)和品質。此外，航行器還具備組合導航和航位推算能力，能夠面向水下預設區(qū)域，開展微生物的長期連續(xù)采樣。

支撐深海微生物前沿研究

航行器的成功研制，不僅填補了相關技術空白，也讓深海時空交變環(huán)境中微生物的長時間、多點位、多尺度和大深度的原位采樣與高保真保存成為可能。同時，它還為發(fā)現(xiàn)與探索海洋微生物新物種、揭示海洋微生物多樣性格局與演變規(guī)律、明晰微生物碳泵與海洋碳匯的影響機理等提供決定性樣本與基因數(shù)據(jù)支撐，促進了新型海洋裝備和海洋生命前沿技術的發(fā)展。

項目組針對深海微型生物鑒定面臨原位采樣核酸量低、易高度降解及難以實現(xiàn)跨界域生物同步分析等難題，研制了holo-2bRAD技術。該技術可實現(xiàn)對低至0.1納克的痕量、高度降解樣品的分析，動態(tài)追蹤原核和真核生物的協(xié)同變化，定性定量分析準確性可達95%以上。項目組將holo-2bRAD技術與深海原位采樣核酸提取等裝備系統(tǒng)整合后形成的高效一體化深海原位采樣鑒定分析系統(tǒng)，是進行深海生物多樣性調查及功能深度解析的有力工具。

項目組還設計開發(fā)了具備多維宏組學特色、系統(tǒng)分析模塊、面向學科交叉的海洋微生物綜合資源數(shù)據(jù)庫OceanM。

“與已有類似數(shù)據(jù)庫相比，OceanM具備多元化的微生物功能分析，包含輻射全生境、全水深、多水層的數(shù)據(jù)資源，覆蓋微生物全球分布模式、交互式海洋微生物檢索分析、跨圈層互作分析以及海洋天然產物挖掘等11個功能模塊。”項目負責人、中國海洋大學海洋生命學院教授張玲玲說，該數(shù)據(jù)庫將為海洋微生物生態(tài)調查、地球多圈層交互作用深度解析以及海洋微生物資源的深度開發(fā)提供有效支撐。