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1、毕业设计（论文）开题报告题 目深海微生物浓缩保压取样器结构设计学 院：机械系专 业：机械电子工程学生姓名：高峰学号： 37指导老师：黄中华2013 年 03 月 20 日开题报告填写要求1开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委 员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指 导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签 署意见及所在专业审查后生效。2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按此电子文档标 准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪 贴，完成后应及时交给指导教师签署意见。3“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印） 在
2、本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于10 篇（不包括辞典、手册），其中至少应包括 1 篇外文资料；对于重 要的参考文献应附原件复印件，作为附件装订在开题报告的最后。4统一用A4纸，并装订单独成册，随毕业设计（论文）说 明书等资料装入文件袋中。毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告1.文献综述：结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料, 每人撰写2500字以上的文献综述，文后应列出所查阅的文献资料。文献综述引言深海微生物取样器是科学工作者在获取原始状态微生物样品基础工具，深海微生 物采样器是如何无污染，无变压的取样，论文以深海浮游微生物浓缩保压取样器设计 为背景，对深
3、海无污染无压力突变原位浓缩取样技术、深海高精度保压取样技术、超 高压海水液压系统密封设计技术和深海高压密封舱可靠性设计技术进行了深入研究。 深海微生物研究史人类对海洋生物的探索可以追溯到远古时期的捕鱼活动，但是数千年以来，人类 对海洋生物的探索长期停留在表层海水（水深不超过1000m），对于深海生物的认识只有 几十年的历史。1817年，英国人约翰罗斯在2000m的海底采集到了软体动物，但他不 敢肯定自己的发现。1861年，人们在修理2500m深处的海底电缆时，发现电缆上面附着 虾、乌贼、章鱼、扇贝等动物的卵及扇贝等15种生物，其中的一些种类人们只在化石 中见过，但是他们仍然不敢相信深海是否真的
4、有生命存在III。1977年，科学家们乘坐 ALVIN深潜器对东太平洋拉帕戈斯裂谷进行异常调查时，发现在水深2500 m的热液喷口 周围生活着以管状蠕虫、蛤类、贻贝类为主体的特殊生物群，它们在黑暗世界里，依 靠地球内热，通过硫细菌的化能合成作用制造有机质生存。直到这一发现才使人类意 识到在水深数千米的深海中还存在生命。1986年ALVIN深潜器又先后在大西洋中脊和东太平洋海隆等海底热液活动区发现 了热液喷口对应的热液生物群。1998年和1999年日本和美国联合深海勘探队在夏威夷 群岛进行勘探作业，数次派遣Kaik o深潜器至10898m深的Mariana海沟进行观测摄像和 取样。他们从采集的泥
5、样中发现了 180种微生物，经过分析，不但发现了地面上常见的 大肠菌、酵母（纳豆菌），而且发现了低于50C不能繁殖的菌，如好碱性菌等新种类微 生物。在1克泥中这些微生物的数量为104105个，大约为地面上当量泥土中微生物数 量的万分之一 15J。综上所述可以看出，随着人们对深海微生物的探索，在获取原始样品过程中也越 来越倚重取样器，取样器的性能发展可以给科学工作者提供搞好的帮助。深海取样器工作过程1取样过程分析深海微生物保压取样器结构如图1所示，图中的采样筒用于收集深海微生物，蓄 能器用于取样器压力补偿.取样过程如下：在取样器下放前，蓄能器根据要采样的深 度预先充满一定压力的氮气，采样筒内充满
6、纯净水.当下放到设定的采样深度时，打 开电磁单向阀，启动深水电机，让海水通过采样筒过流，通过筒内的滤网截留浮游微 物，工作一段时间后，关闭电磁单向阀和深水电机，采样筒处于密封状态，在回收过 程中，蓄能器对采样筒的压力下降进行补偿，保证取样器回收至海面工作船后保持采 样处的压力.取样器最大采样深度为6 000 m，取样器在采样过程中外界环境压力变化范围较 大，因此不能忽略采样过程中采样筒和蓄能器由于外界压力变化而产生的筒体体积变 化.根据蓄能器内气体的压力和体积变化，取样器的采样过程可以分为如下4个关键 状态：下放前的初始状态，下放至蓄能器刚好打开时，在设定采样深度处， 回收至海面.2保压过程分
7、析采样筒的压力下降主要是由于在取样回收过程中采样筒筒体膨胀造成的，它同时 还与蓄能器筒体的变形和管道接口处的渗漏有关，但后者难以用数学模型来描述，在 取样器保压试验时也没有发现明显的渗漏；取样时间比较长（2 4 h），如果渗漏量 比较大，即使蓄能器的压力补充量很大，最终也不能获得满意的保压效果，因此在理 论分析时可以忽略取样器的渗漏.取样器中的连接管采用外径为3. 2mm的毛细管，其 内径不足1 mm，同时长度只有100 mm左右，因此可以忽略它在采样过程中的体积变化蓄能器内气体状态变化是决定取样器保压效果的关键所在，在整个保压过程中, 蓄能器内气体所经历的状态如图2所示.状态 状态 状态 状
8、态图2蓄能器内气体变化参考文献【1】主素荚誊义恚基于蓄能器保压夹紧回路的压力设定2009 9【2】李峰 深海沉积物无扰动保压取样技术的研究（学位论文）2008【3】陈毅章 深海悬浮物浓缩保真取样器保压性能及薄膜过流能力研究（学位论文）【4】黄中华 深海浮游微生物浓缩保压取样关键技术研究（学位论文）2005【5】黄中华刘少军深海微生物取样器保压过程研究2006 5【6】席峰郑天治深海微生物多样性形成机制浅析2004 2【7】陈秀兰张玉忠高培基深海微生物研究进展海洋科学2004 1【8】徐铭亢凤林液压系统保压回路及其控制安阳工学院报2005 1【9】耿雪樵 徐行 刘方兰 张志刚 我国海底取样设备的
9、现状与发展趋势2009 8【10】黄中华谢雅多深度深海浮游微生物浓缩取样器控制系统凿岩机械气动工具2006 3开题报告一课题的目的及意义可靠的深海微生物样品的获取是研究海洋生态环境、海洋地质、海洋生物基因、全 球环境和古环境等科学的先决条件。因此通过对微生物进行一系列的从宏观到微观、从 物理到化学、从无机到有机、从定性到定量等的特征信息的分析研究，可了解微生物的 生存环境，微生物的结构特性，更好地理解变化着的海洋环境。随着研究的不断深入， 如何高质量地获取微生物样品成为当代海底科学研究的一个瓶颈，科学家们更是希望能 获得接近原始状态的深海微生物样品。但是，由于取样的不确定性，如取样器的不同、
10、微生物所处深海环境不同等导致许多样品信息的准确性和标准化。因此，如果我们能做 到对样品的保真取样（原位取样时形状低扰动和整个取样过程中的无压力突变）的话，上 述问题就不复存在了，这对于整个海洋科学考察都将是一大进步。目前我国在无污染，无压力变动保真取样方面仍处于发展初级状态，获得最接近原 始状态的海底表层样品的保真取样技术具有重要的科学意义和研究必要性。所以本论文 针对深海海底微生物，综合分析了深海微生物采样过程中存在的扰动情况，提出一种自 带动力、可控进行采样和样品高保压处理的微生物取样方案。希望通过深入研究无扰动 关键技术，研制一套深海微生物无扰动直视咼保压取样设备，为深海保真取样提供无扰
11、 动理论基础，为各类工作在深海的保真取样设备研制扫清主要技术障碍。二课题发展现状和前景展望近代和现代工农业的发展导致处于能量金字塔顶层的人类数量的增长，致使整个生物 圈的代谢通量增加，从而形成了人类当前的全球问题：人口、资源与环境问题，而环境 问题与资源的不足休戚相关。为了缓解人口膨胀和资源不足带来的环境压力，在陆地资 源已基本清楚的情况下。人类把目光投向了海洋。海洋占地球表面的70%以上，虽然与陆 地的某些生态环境相比，海水，尤其是深海，营养相对贫乏，微生物活动不是十分剧烈， 但从海水表面到108 600 m深的海底淤泥中都存在着微生物。近年来，海洋微生物的研究 日益被重视，对海洋微生物的生
12、态调查、生理和遗传特征以及开发利用都有许多研究。 深海是一个特殊的生态环境，这里永久低温（火山口除外）、高压、黑暗。对深海微生 物的研究不仅有助于了解生命的起源，而且可以了解各种极端微生物的生活特性，有助 于对深海微生物资源的开发利用。研究深海浮游微生物的首要条件是获取大量的微生物样品，由于深海环境营养贫瘠, 导致微生物含量非常低。导致对微生物取样器的性能要求较高，目前以美国为代表的发 达国家在这方面的研究和应用已经有近十年积累经验，处于领先地位。欧盟，德国，日 本，加拿大等国皆成功研制出保真取样器。从1997年开始，欧盟海洋科学和技术计划研 制了保真取样装置，其性能与传统取样的方法相比有较大
13、的提高。它们可以与其它设备 一起构成一个比较完善的保真取样系统。并且它们在功能上不断完善和加强，为地球科 学，环境科学和环境资源的研究提供了有效而实用的手段。欧盟海洋科学和技术计划 (MAST)设计的通过减压无偏差的取得微生物活动数据的一种衡量深海微生物活动的高压 连续取样器(HPSS)，它能够在从850m3500m深海水中进行的减压和不减压的海水取样。 它采用了一个气液压力蓄能器(气体体积：500ml，最大的屈服压力：35Mpa)来实现在它 回收到船上研究容器的过程中，避免取样器的部分部位由于不锈钢缸体的容积的微小的 变化而导致的减压。它在回收的过程中，有8个压力保持容器的多取样装置。这种装
14、置允 许投掷在水深下，在不需要减压的情况下，8个取样器各取500ml的样品。HPSs包括一个 CTD。在回收和保温期间，每一个区域取得压力状态都会被船上的电脑所永久的记录。保 温是在温度控制下水的浸泡，以此来使每一个取样都处于自然的温度状态之下。在保温 期间，在培养腔中，多次的二次取样都会很成功的收集到样品而不会有压力损失。很显 然，它实现压力的保持，而没有实现微生物浓缩，而是采用一次携带多个取样筒来实现 一次尽可能的取到最多的样品。美国研制有多种取样装置，woods Hole实验室研究设计 了一种为收集海底火山口的热液流体新型气密等压取样器，并且已经在脊顶火山口经过 测试。这种设备是用化学活
15、动性很差的钛建造，能够密封450bar的压力，取到高达4000c 的流体样品之外。这种设备带有一个充满氮气气缸，压缩气体能够在取样过程中和把它 带回水面船上时保持样品在海底的压力，从而实现筒体的保压。最后它还允许二次取样 时不必释放保留在取样器中的流体。但是它没有实现对过流微生物的压缩。当然，也有 采用另外的办法来取得原位状态的微生物的。加拿大人发明了一种小型柱状颗粒物微取 样器(SPVM)，它能够在过滤器中以最小的扰动抓住单个的颗粒用于颗粒大小形状地理位 置分布和组成的显微镜图象分析。但是这种取样器SPVM是一种轻比重的装置，大小形状 大约是20cmX40cm，只能用于在最小的扰动状态下吸取
16、单个的颗粒物，进行悬浮颗粒物 的大小定量研究和分析其组成而且每次取样得到的样品数量比较少，同时也不能保压。我国的海底取样设备近些年也有一些发展，其中我国海洋地质地质调查中普遍使用 的常规海底取样设备主要有：(1)蚌式抓斗采泥器：最早发明的取样设备之一，由斗体和 释放板两部分组成，操作方法简单。(2)箱式取样器：主要用于采取不受扰动的海底表层 沉积样品。样品可用于微生物结构构造分析、210Pb测年、微生物与海水之间的地球化学 交换以及锰结核的定量研究等。（3）多管取样器：用于海底的微生物和上覆水样品。（4） 无缆自返式抓斗：用于自动获得结核的采样装置。主要由浮球、压载筒及卸载装置组成。 然而对深海悬浮颗粒物与浮游生物的取样技术仅仅是传统的取样方法。但在863高科技探 索基金的资助下，青岛海洋
