科技日?qǐng)?bào)記者 吳葉凡
從古至今，人類從未停止對(duì)深海的探索。近日，我國(guó)研究團(tuán)隊(duì)在深海裝備系統(tǒng)領(lǐng)域取得進(jìn)展。由我國(guó)涉海院校與科研院所等單位組成的項(xiàng)目攻關(guān)組，圍繞深海微生物原位采樣與宏基因組分析核心技術(shù)展開(kāi)攻關(guān)，完成首臺(tái)國(guó)產(chǎn)深海微生物原位采樣自主水下航行器（以下簡(jiǎn)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(gè)難題。這影響了調(diào)查研究的時(shí)效性。航行器及配套系統(tǒng)的研發(fā)使我國(guó)具備了深海微生物原位探測(cè)和核酸樣品原位提取保存能力，為深海、遠(yuǎn)海生物多樣性調(diào)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(guó)在海洋探測(cè)裝備領(lǐng)域的一項(xiàng)重要突破?！表?xiàng)目總負(fù)責(zé)人、中國(guó)工程院院士包振民說(shuō)。
傳統(tǒng)探測(cè)技術(shù)有何不足？航行器研制過(guò)程中有哪些技術(shù)突破？這些技術(shù)如何支持深海微生物探索工作？近日，記者就以上問(wèn)題采訪了相關(guān)研發(fā)人員。
傳統(tǒng)采樣技術(shù)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(yíng)養(yǎng)和無(wú)光照的獨(dú)特生態(tài)系統(tǒng)中蘊(yùn)藏著人們未認(rèn)知和開(kāi)發(fā)的微型生物資源。深海微生物適應(yīng)極端生存環(huán)境，形成了特殊的基因類型、生理機(jī)制及代謝產(chǎn)物等。因此開(kāi)展深海微生物的探索研究有助于闡明生命起源與進(jìn)化、環(huán)境適應(yīng)與生態(tài)效應(yīng)等重大科學(xué)前沿問(wèn)題，同時(shí)也是深海資源開(kāi)發(fā)的重要方式。
開(kāi)展深海微生物基因探索一度受限于采樣技術(shù)。傳統(tǒng)的深海微生物采樣技術(shù)主要依賴于船舶定點(diǎn)式大量采水、ROV遠(yuǎn)程遙操作采樣或深海坐底平臺(tái)靜態(tài)采樣等，這些技術(shù)和設(shè)備通常需配合母船開(kāi)展短時(shí)作業(yè)，將采集樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后進(jìn)行分析。
然而，傳統(tǒng)檢測(cè)方式要經(jīng)過(guò)“大體積采水器采水、船基過(guò)濾、凍存、核酸提取”等過(guò)程，許多微生物在取樣過(guò)程中因環(huán)境驟變而導(dǎo)致核酸嚴(yán)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(dá)規(guī)律帶來(lái)挑戰(zhàn)。此外，中國(guó)海洋大學(xué)海洋生命學(xué)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(duì)其分布規(guī)律及特性的研究需要長(zhǎng)周期的連續(xù)觀測(cè)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(zhǎng)的特點(diǎn)。如何在海洋高壓、高腐蝕、變密度等環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)小型化多通道采樣儀器設(shè)計(jì)，使采樣設(shè)備同時(shí)具備環(huán)境適應(yīng)、長(zhǎng)時(shí)運(yùn)動(dòng)、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(shè)備的研發(fā)難點(diǎn)?！闭n題負(fù)責(zé)人、天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授劉玉紅介紹。
實(shí)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(nèi)淺水域。團(tuán)隊(duì)研制的航行器最大采樣深度可至1000米，最小取樣直徑達(dá)0.22微米，單次采樣水量突破15升，最大采樣個(gè)數(shù)70個(gè)，連續(xù)工作時(shí)間可達(dá)到15天以上?！眲⒂窦t說(shuō)。航行器通過(guò)配備的深海微生物原位采樣儀器和基因分析裝置，可以實(shí)現(xiàn)深海微生物從采樣、制備到保存的無(wú)縫銜接，有效避免樣本因環(huán)境變化導(dǎo)致的污染、降解和核酸結(jié)構(gòu)變化，顯著提高樣本質(zhì)量，縮短采樣周期，提升研究效率。
航行器如何實(shí)現(xiàn)深海微生物長(zhǎng)時(shí)間、多點(diǎn)位、大深度、高保真保存采樣？劉玉紅介紹，長(zhǎng)時(shí)間、大深度采樣主要依靠在航行器設(shè)計(jì)、優(yōu)化與研制等方面的技術(shù)突破，多點(diǎn)位、高保真保存則是通過(guò)微生物多通道原位采樣儀器設(shè)計(jì)、航行器系統(tǒng)集成及運(yùn)動(dòng)控制方法等技術(shù)的突破實(shí)現(xiàn)，進(jìn)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(guò)自動(dòng)化設(shè)備或自動(dòng)化系統(tǒng)，在無(wú)人員干預(yù)的情況下，通過(guò)融合實(shí)時(shí)感知的環(huán)境信息，高效、精準(zhǔn)、獨(dú)立地完成樣本采集的過(guò)程。
海洋廣闊且環(huán)境復(fù)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(duì)航行器的極端環(huán)境適應(yīng)性和可靠性、采樣精度與樣本保真、設(shè)備高精度導(dǎo)航與自主決策、能源精益化管理和運(yùn)動(dòng)控制等提出多方面挑戰(zhàn)。
項(xiàng)目技術(shù)骨干、天津大學(xué)助理研究員孫通帥介紹，項(xiàng)目組研制的航行器配備了多種傳感器，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)深海環(huán)境的物理、化學(xué)參數(shù)，如溫度、鹽度、壓力、溶解氧、濁度、葉綠素濃度等，并通過(guò)多源數(shù)據(jù)融合，實(shí)現(xiàn)在環(huán)境信息擾動(dòng)條件下的深海微生物采樣區(qū)域邊界識(shí)別與跟蹤，進(jìn)而保證自主采樣的實(shí)現(xiàn)和品質(zhì)。此外，航行器還具備組合導(dǎo)航和航位推算能力，能夠面向水下預(yù)設(shè)區(qū)域，開(kāi)展微生物的長(zhǎng)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(bǔ)了相關(guān)技術(shù)空白，也讓深海時(shí)空交變環(huán)境中微生物的長(zhǎng)時(shí)間、多點(diǎn)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(shí)，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(jī)理等提供決定性樣本與基因數(shù)據(jù)支撐，促進(jìn)了新型海洋裝備和海洋生命前沿技術(shù)的發(fā)展。
項(xiàng)目組針對(duì)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(shí)現(xiàn)跨界域生物同步分析等難題，研制了holo-2bRAD技術(shù)。該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)低至0.1納克的痕量、高度降解樣品的分析，動(dòng)態(tài)追蹤原核和真核生物的協(xié)同變化，定性定量分析準(zhǔn)確性可達(dá)95%以上。項(xiàng)目組將holo-2bRAD技術(shù)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(jìn)行深海生物多樣性調(diào)查及功能深度解析的有力工具。
項(xiàng)目組還設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了具備多維宏組學(xué)特色、系統(tǒng)分析模塊、面向?qū)W科交叉的海洋微生物綜合資源數(shù)據(jù)庫(kù)OceanM。
“與已有類似數(shù)據(jù)庫(kù)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(chǎn)物挖掘等11個(gè)功能模塊?！闭n題負(fù)責(zé)人、中國(guó)海洋大學(xué)海洋生命學(xué)院教授張玲玲說(shuō)，該數(shù)據(jù)庫(kù)將為海洋微生物生態(tài)調(diào)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(kāi)發(fā)提供有效支撐。
