用于深渊片脚类生物保真采样系统的溶解氧补偿器及方法

本发明属于深海生物保真取样领域，特别是涉及一种用于深渊片脚类生物保真采样系统的溶解氧补偿器及方法。

背景技术：

1、深渊是指海洋中水深超过6000m的深水区域，其独特的生态环境孕育了具有高度专属性的海沟生物群落。其中，食腐性片脚动物分布广泛，数量庞大，在深渊能量流动与物质循环中发挥重要作用，具有极高的研究价值。数十年来，深渊生物研究的前沿科学问题由对生物多样性、群落组成等宏观认知发展为生物的极端环境适应机制、特殊代谢途径等机理性问题的深透剖析。通过保真采样方法获取深渊生物高质量活体样本，进一步开展生物活体实验研究，获得生物关键生化参数是深入探究上述科学问题的前提条件。

2、现有深海保真采样系统在原位环境压力、温度维持方面已经建立了相对完善的技术体系，但仅维持原位温压并不足以保证生物存活。大多数深海动物存在低溶解氧浓度致死阈值，摄氧不足还会引发生物的行为和代谢异常、感知和运动功能受损。深渊海水中的溶解氧浓度约为150-160μmol/l，但尚无已公开有关深渊片脚类生物耗氧速率的报道。食腐性片脚动物每克体重即湿重状态下每小时耗氧速率约为4-8μmol。对深渊食腐性片脚类生物进行诱捕采样时，这些生物往往会大量围聚到诱捕器内的诱饵周围。在样品舱容积小、生物数量多的情景下，低溶解氧浓度对于舱内的生物来说是不可忽视的环境胁迫因子。为提高生物存活率，在维持原位温压条件的基础上，对样品舱内海水进行溶解氧补偿是必要的。

3、如何在深海动物保真采样系统回收到甲板之前向舱内持续补充氧气是当前亟待突破的难题。直接利用环境海水驱替样品舱内原位海水会导致海水成分发生较大变化，对于生物的影响难以预测。传统气泡式曝气技术通过产生气泡增大水体与空气的接触面积，进而提高水中的溶解氧浓度。在充满高压海水的密闭空间内，这一方法也并不适用。膜式曝气技术的发展为实现深海生物保真采样溶解氧补偿提供了新思路，部分聚合物材料膜具有优良气体渗透特性，气体分子可顺浓度梯度穿过曝气膜，但海水中的其他分子团和离子团几乎不能通过。膜式曝气方法氧利用率高、单位体积表面积高、能耗低，同时组件的尺寸、重量小，有望用于建立深海动物保真采样系统的溶解氧补偿器。因此，利用膜曝气技术基本原理，发展深海生物保真采样溶解氧补偿新方法具有重要意义。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明旨在提出一种取样溶解氧补偿器及其使用方法,以解决传统深海生物保真采样系统无法对溶解氧进行补偿的问题。

2、为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供一种取样溶解氧补偿器，包括：

3、气体交换舱，其内密封设置有曝气膜组件和深海泵组件，所述深海泵组件的深水泵进水口穿过气体交换舱外壁后与样品舱连通，所述深海泵组件的深水泵出水口与曝气膜组件进口端连通，所述曝气膜组件的出口端穿过气体交换舱外壁后与样品舱连通，所述曝气膜组件用于将气体交换舱内的氧气单向溶解到曝气膜组件内流动的海水内后在深海泵组件的泵送作用下将海水输送到样品舱内，气体扩散的原理是利用了曝气膜的透气特性，在浓度梯度的作用下溶解氧补偿舱中的氧气可通过管壁扩散进入到管内的低氧水体中；

4、压力平衡舱，其内滑动设置有第二活塞，所述第二活塞将压力平衡舱分隔成第一腔和第二腔，所述第一腔与气体交换舱连通，所述第二腔与样品舱连通。

5、更进一步的，所述深海泵组件的深水泵进水口与样品舱通过一根第一高压钢管相连，所述曝气膜组件的出口端通过另一根第一高压钢管与样品舱连通。

6、更进一步的，所述深水泵进水口与对应的第一高压钢管通过高压管接头进行连接，所述曝气膜组件的出口端与另一根与第一高压钢管通过高压管接头进行连接。

7、更进一步的，所述曝气膜组件包括曝气膜螺旋管，所述曝气膜螺旋管的曝气膜螺旋管进水管与深海泵组件的出口端相连，所述曝气膜螺旋管的曝气膜螺旋管出水管与样品舱相连。

8、更进一步的，所述曝气膜螺旋管通过曝气膜组件支柱固定在气体交换舱内。

9、更进一步的，所述深海泵组件还包括深水泵供电单元，用于对深海泵组件进行供电。

10、更进一步的，所述气体交换舱和压力平衡舱通过一个或多个开口连通。

11、更进一步的，所述深海泵组件内设置有第一活塞，所述第一活塞通过第二o型圈滑动连接在深海泵组件内。

12、更进一步的，所述补偿器还设置有控制器，所述样品舱内设置有溶解氧传感器，溶解氧传感器、深水泵供电单元均与控制器电性连接。

13、根据本发明的另一个方面，提供一种使用上述一种取样溶解氧补偿器的方法，包括以下步骤：当补偿器下潜深度的增加时，样品舱中的高压海水进入压力平衡舱，气体交换舱与压力平衡舱存在压差，第二活塞利用深海海水压力向气体交换舱侧移动压缩气体交换舱内氧气体积，保证曝气膜螺旋管内外侧的压力相等，同时深海泵组件内的第一活塞向低压侧移动，使得深海泵组件与气体交换舱内的压力相等，维持整个装置压力平衡；采样作业结束后，溶解氧传感器开始实时读取样品舱内溶解氧浓度并反馈给控制器，控制器控制深海泵组件启动将样品舱的低氧海水泵向曝气膜螺旋管，通过曝气膜螺旋管溶解氧的补偿，之后将溶解氧补偿海水泵回样品舱，为样品舱提供氧气，完成对样品舱溶解氧的补偿工作。

14、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

15、1、现有的海洋生物保真采样系统只能对原位压力、温度维持的工作，并未对样品舱生物所需的溶解氧进行补偿，生物会由于溶解浓度不足而死亡，本溶解氧补偿器能够通过海水压力来使气体交换舱内的氧气浓度满足相应的压力满足生物生存所需的溶解氧浓度需求，并通过深海泵组件进行相应的动作可以保证深海泵组件能够保证正常的工作状态。维持溶解氧补偿器的正常运转，可靠性好；

16、2、本溶解氧补偿器可以实现对样品舱内环境溶解氧进行补偿，不需要额外的动作，经济效益好，同时利用曝气膜螺旋管能够提高氧气溶解量，大大提高保真采样生物的存活率；

17、3、本溶解氧补偿器的曝气膜螺旋管采用硅胶管进行使用，一方面能够有效提高氧传质速率，另一方面由于硅胶软管对生物无毒无害，可以避免对生物的毒害。

1.一种取样溶解氧补偿器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种取样溶解氧补偿器，其特征在于：所述深海泵组件(9)的深水泵进水口(9-1)与样品舱(4)通过一根第一高压钢管(1)相连，所述曝气膜组件(7)的出口端通过另一根第一高压钢管(1)与样品舱(4)连通。

3.根据权利要求2所述的一种取样溶解氧补偿器，其特征在于：所述深水泵进水口(9-1)与对应的第一高压钢管(1)通过高压管接头(5)进行连接，所述曝气膜组件(7)的出口端与另一根与第一高压钢管(1)通过高压管接头(5)进行连接。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种取样溶解氧补偿器，其特征在于：所述曝气膜组件(7)包括曝气膜螺旋管(7-1)，所述曝气膜螺旋管(7-1)的曝气膜螺旋管进水管(7-4)与深海泵组件(9)的出口端相连，所述曝气膜螺旋管(7-1)的曝气膜螺旋管出水管(7-3)与样品舱(4)相连。

5.根据权利要求4所述的一种取样溶解氧补偿器，其特征在于：所述曝气膜螺旋管(7-1)通过曝气膜组件支柱(7-2)固定在气体交换舱(2)内。

6.根据权利要求1、2、3或5所述的一种取样溶解氧补偿器，其特征在于：所述深海泵组件(9)还包括深水泵供电单元(9-3)，用于对深海泵组件(9)进行供电。

7.根据权利要求1所述的一种取样溶解氧补偿器，其特征在于：所述气体交换舱(2)和压力平衡舱(3)通过一个或多个开口连通。

8.根据权利要求1所述的一种取样溶解氧补偿器，其特征在于：所述深海泵组件(9)内设置有第一活塞(10)，所述第一活塞(10)通过第二o型圈(10-1)滑动连接在深海泵组件(9)内。

9.根据权利要求1、2、3、5、7或8所述的一种取样溶解氧补偿器，其特征在于：所述补偿器还设置有控制器，所述样品舱(4)内设置有溶解氧传感器(11)，溶解氧传感器(11)、深水泵供电单元(9-3)均与控制器电性连接。

10.一种使用如权利要求9所述一种取样溶解氧补偿器的方法，其特征在于，包括以下步骤：当补偿器下潜深度的增加时，样品舱(4)中的高压海水进入压力平衡舱(3)，气体交换舱(2)与压力平衡舱(3)存在压差，第二活塞(12)利用深海海水压力向气体交换舱(2)侧移动压缩气体交换舱(2)内氧气体积，保证曝气膜螺旋管(7-1)内外侧的压力相等，同时深海泵组件(9)内的第一活塞(10)向低压侧移动，使得深海泵组件(9)与气体交换舱(2)内的压力相等，维持整个装置压力平衡；采样作业结束后，溶解氧传感器(11)开始实时读取样品舱(4)内溶解氧浓度并反馈给控制器，控制器控制深海泵组件(9)启动将样品舱(4)的低氧海水泵向曝气膜螺旋管(7-1)，通过曝气膜螺旋管(7-1)溶解氧的补偿，之后将溶解氧补偿海水泵回样品舱(4)，为样品舱(4)提供氧气，完成对样品舱(4)溶解氧的补偿工作。