深海冷泉区膜生物反应器及在线式环境参数测量系统

1.本发明涉及海洋环境生态工程技术领域，特别是涉及一种深海冷泉区膜生物反应器及在线式环境参数测量系统。


背景技术：

2.近半个世纪发现海底冷泉以来，有关冷泉的资源与环境效益被全球广泛认知。“冷泉”是海底之下的甲烷、硫化氢和二氧化碳等气体在地质结构或压力变化情况驱动下，渗漏溢出海底进入海水的流体活动。“冷泉”周围温度一般在3-5℃，主要分布在俯冲带和富含有机质的被动大陆边缘。“冷泉”将溶解和气态化合物向上输送，维持着深海重要的化能合成生态系统。古菌的甲烷厌氧氧化作用（aom）是最重要的反应，为冷泉区与硫相关的生物地球化学作用和碳酸盐矿物沉淀提供重要的物质来源，更为黑暗世界里后生动物的生长提供重要的碳源和能源。依赖aom作用的“冷泉”生态系统是研究地球深部生物圈的重要窗口，同时也是探寻天然气水合物的重要标志之一。
3.目前，由于观测手段和保真研究手段等局限性，有关冷泉区aom的作用机制尚不完全清楚，aom作用增强与受限的环境条件作用不完善，尤其是深海古菌在aom作用下形成生物膜的特性与微观机理不清晰，亟需对深海冷泉系统进行长周期模拟，在线测量aom作用过程中生物膜的生长过程，及监测其环境参数变化情况。
4.现有技术公开了一种深海冷泉生物高压控温模拟培养装置，包括混合舱，高压舱，高压过滤器装置以及各种阀体，利用高压管路连接。在高压舱中，通过高压泵和温控系统实现深海高温或低温高静水压环境，同时经过富集过滤、固定装置，其虽然解决了高压下大型生物和微生物菌体的培养、富集、固定的技术问题，但其并不适用模拟aom过程，无法对aom作用过程中生物膜的生长过程及其环境进行模拟监测。


技术实现要素：

5.本发明为了解决以上至少一种技术缺陷，提供一种深海冷泉区膜生物反应器及在线式环境参数测量系统，实现了对冷泉区甲烷厌氧氧化过程的生物膜生长特性及其环境条件影响的研究，为正确认识深海甲烷厌氧氧化过程及环境参数测量提供是重要的基础。
6.为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：一种深海冷泉区膜生物反应器，包括控制采集终端、沉积物模拟室、海水模拟室、传感器组、耐压膜生物组件、在线保压生物膜取样元件、电阻率测量系统、压力调整组件和超声观测组件；其中：所述沉积物模拟室设置在海水模拟室下方，与海水模拟室法兰连接；沉积物模拟室、海水模拟室内均设置有传感器组，所述传感器组信号输出端与所述控制采集终端电性连接；所述耐压膜生物组件设置在所述海水模拟室内，用于监测海水环境中噬甲烷菌和硫酸盐还原菌生物膜的形成；所述在线保压生物膜取样元件设置在所述海水模拟室顶部，其控制端与所述控制采集终端电性连接，用于生物膜形成过程时在所述耐压膜生物组件上不同位置刮取生物膜样品进行测序分析；所述电阻率测量系统设置在所述沉积物
模拟室内，其信号输出端与所述控制采集终端电性连接，用于监测和计量甲烷渗漏模拟过程中，沉积物内甲烷水合物形成的饱和度变化情况；所述压力调整组件通过管道与所述海水模拟室连接，其控制端与所述控制采集终端电性连接，用于调控反应器内部的压力，保证反应器内压力稳定；所述超声观测组件的超声探头设置在海水模拟室内，用于监测所述耐压膜生物组件上的生物膜厚度变化情况，并将信号输出至所述控制采集终端。
7.上述方案中，所述深海冷泉区膜生物反应器为耐腐蚀和耐压结构，通过耐压膜生物组件构建了高压环境中的膜生物组件，用于深海冷泉区微生物的挂膜生长，并且利用超声观测组件监测，在线测量膜组件上的生物膜厚度变化情况，以及在高压情况下保压获取生物膜样品进行测序分析，实现对aom作用过程中的生物膜进行在线监测，实现了对冷泉区甲烷厌氧氧化过程的生物膜生长特性及其环境条件影响的研究为正确认识深海甲烷厌氧氧化过程及环境参数测量提供是重要的基础。
8.其中，所述传感器组包括温度传感器、甲烷传感器和压力传感器；其中：所述温度传感器设置在沉积物模拟室、海水模拟室内，用于监测沉积物模拟室、海水模拟室内环境温度的变化情况，其信号输出端与所述控制采集终端电性连接；所述甲烷传感器设置在海水模拟室内，用于监测海水模拟室内甲烷浓度的变化情况，其信号输出端与所述控制采集终端电性连接；所述压力传感器设置在所述海水模拟室内，用于监测反应器内压力的变化情况，其信号输出端与所述控制采集终端电性连接。
9.其中，所述耐压膜生物组件为采用耐海水腐蚀和耐压的钛合金粉末烧结而成的多孔膜组件，悬挂在所述海水模拟室内。
10.其中，所述在线保压生物膜取样元件包括可伸缩耐压筒、取样环装置和保压装置；其中：所述可伸缩耐压筒设置在所述海水模拟室顶部，取样环装置放置在所述可伸缩耐压筒内，保压装置固定套接在所述可伸缩耐压筒外部；所述取样环装置控制端、保压装置控制端均与所述控制采集终端电性连接。
11.上述方案中，取样环装置放置在所述可伸缩耐压筒内，用于生物膜形成过程中在耐压膜生物组件上不同位置刮取生物膜样品进行测序分析。当需要刮取生物膜时，考虑到反应器内外存在压力差的问题，先控制保压装置关闭并自动充满惰性气体，使其压力与反应器内部一致，然后将保压装置内置的阀门打开，控制取样环装置在耐压膜生物组件上不同位置刮取生物膜样品并抽离保压装置内置的阀门，最后关闭保压装置内置的阀门，打开保压装置外置阀门，完成整个刮取生物膜的操作。
12.其中，所述压力调整组件包括pid阀和气液存储罐；所述气液存储罐通过管道与所述海水模拟室连接；所述pid阀设置在管道上，与所述控制采集终端电性连接。
13.上述方案中，在整个模拟过程或者应用反应器的过程中，pid阀通过pid控制，可以有效保证反应器内的压力稳定。同时，具备温度和压力监控功能的气液存储罐，用于收集和计量从反应器内排出的气液体积。
14.其中，所述超声观测组件还包括声波发生器-示波器；所述超声探头信号输出端与所述声波发生器-示波器信号输入端、控制采集终端电连接，其设置用于监测耐压膜生物组件上的生物膜厚度变化。
15.其中，所述深海冷泉区膜生物反应器还包括开设在所述海水模拟室上的耐压可视窗和设置在沉积物模拟室、海水模拟室的双阀式活塞取样器。
16.上述方案中，耐压可视窗的设置是为了方便观察生物膜的形成情况，其在海水模拟室前后两侧均有设置，在生物膜的形成过程中，可以通过耐压可视窗进行摄像观察。双阀式活塞取样器设置在沉积物模拟室、海水模拟室不同层位，用于取样分析样品的化学组分和浓度变化，及生物膜的厚度和微生物类群变化。
17.其中，所述深海冷泉区膜生物反应器还包括设置在反应器周围的水浴夹套，其控制端与所述控制采集终端电性连接。
18.上述方案中，为了方便视窗观测，该反应器采用水浴夹套进行夹套式水浴的方式，在反应器周围布置水浴夹套，填充循环制冷液，且水浴夹套的外壁设置保温层，来保证沉积物模拟室、海水模拟室的低温环境。
19.上述方案中，控制采集终端用于实现甲烷渗漏模拟过程中各项环境数据续不续变化的监控、以及实时采集、处理、存储和图像输出等功能。
20.上述方案中，反应器在应用模拟过程中，其进出口同时打开，保持连续渗漏过程，其可以模拟接近真实海底环境，在该条件下，研究甲烷渗漏的环境介质与周围环境有物质交换的情况。
21.本方案还提供一种深海冷泉区膜生物反应在线式环境参数测量系统，包括如上文所述的深海冷泉区膜生物反应器、流体供应单元和增压系统；其中：所述流体供应单元用于生成饱和甲烷流体并微流量地注入到所述深海冷泉区膜生物反应器中；所述深海冷泉区膜生物反应器模拟冷泉区甲烷厌氧氧化过程的生物膜生长过程和监测其环境条件的变换情况；所述深海冷泉区膜生物反应器、流体供应单元均与所述增压系统均相连，保证模拟过程系统内部环境压力稳定一致；所述流体供应单元、增压系统均与所述控制采集终端电性连接，实现信息交互。
22.其中，所述流体供应单元包括耐压的甲烷溶解容器、注入泵、低温水浴容器、机械搅拌装置、背压阀、微流泵和海水培养基配置容器；其中：所述甲烷溶解容器置于低温水浴容器中，保证含甲烷流体进入所述深海冷泉区膜生物反应器时不会由于温差引起热流扰动，对模拟过程产生影响；甲烷溶解容器设置有气体进口、液体进口和液体出口；甲烷溶解容器通过气体进口与所述增压系统相连；甲烷溶解容器通过液体进口与所述海水培养基配置容器、注入泵依次连接；甲烷溶解容器通过液体出口与微流泵连接，通过微流泵向所述深海冷泉区膜生物反应器微流量地注入饱和甲烷流体；所述甲烷溶解容器内部设置有第二温度传感器、第二压力传感器，用于监测甲烷溶解容器内部的温度及压力数据并发送至所述控制采集终端；所述机械搅拌装置配置在所述甲烷溶解容器顶部，用于增强甲烷溶解容器内的溶质溶解；所述背压阀设置在所述甲烷溶解容器顶部，用于保证甲烷溶解容器处于设定压力条件下完成溶解过程。
23.上述方案中，将甲烷溶解容器置于低温水浴容器中，还为了使得系统在更加接近真实的海底情况下，符合含甲烷流体渗流进入渗漏区时同周围环境介质温差较小的特点。
24.其中，在所述流体供应单元模拟过程中，甲烷溶解容器的温度设置同所述深海冷泉区膜生物反应器一致，同为海底实际温度，但其压力要监控低于该温度条件下甲烷水合物形成的相平衡压力，避免在甲烷溶解容器中形成甲烷水合物。
25.其中，所述增压系统包括空压机、增压泵、储气罐、调整阀及管阀件；其中：所述增压系统通过管阀件与所述流体供应单元、深海冷泉区膜生物反应器的气体进口连接；所述
空压机通过所述增压泵与所述储气罐输入端连接；所述储气罐输出端上设置有调整阀，通过调整阀与所述管阀件连接，用于向流体供应单元、深海冷泉区膜生物反应器的注入设定流量和组分的气体。
26.上述方案在实现过程中，具备深海原位温度、压力环境条件下甲烷渗漏的连续过程模拟能力。通过构建高压环境中的膜生物组件，用于深海冷泉区微生物挂膜生长，并且利用超声监测，在线测量膜组件上的生物膜厚度变化，以及在高压情况下保压获取生物膜样品进行测序分析，定量研究冷泉区甲烷厌氧氧化的特性，以及环境参数对甲烷氧化过程的影响。相对于现有深海冷泉区研究甲烷生物化学转化过程模拟，忽略甲烷在高压、低温环境中的溶解以及相态转化等特点，本方案同时监测甲烷渗漏过程中，在反应器内的溶解和发生相态转化的量，更精确的定量研究冷泉区甲烷厌氧氧化特性。为准确认识深海底甲烷释放的生物化学转化过程及机理提供重要的技术手段。
27.与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本发明提出了一种深海冷泉区膜生物反应器及在线式环境参数测量系统，为了定量研究aom过程对深海甲烷渗漏量的利用效率，监测了甲烷进入冷泉区后溶解及发生相变生成天然气水合物的含量，较为精准的计量用于aom的甲烷含量。通过在反应器内构建膜生物组件，对aom作用过程中的生物膜进行在线监测，并通过保压取样、测序分析，研究冷泉区甲烷厌氧氧化过程的生物膜生长特性及其环境条件影响，为正确认识深海甲烷厌氧氧化过程，及环境参数测量提供重要的研究与测试方法。
附图说明
28.图1为本发明所述的深海冷泉区膜生物反应器结构示意图；图2为本发明所述的在线式环境参数测量系统结构示意图；图3为本发明所述的在线式环境参数测量系统控制采集终端电性连接示意图；其中：1、沉积物模拟室；2、海水模拟室；21、耐压可视窗；3、传感器组；31、温度传感器；32、甲烷传感器；33、压力传感器；4、耐压膜生物组件；5、在线保压生物膜取样元件；6、电阻率测量系统；7、压力调整组件；71、pid阀；72、气液存储罐；8、超声观测组件；81、超声探头；82、声波发生器-示波器；9、控制采集终端；10、水浴夹套；11、双阀式活塞取样器；101、深海冷泉区膜生物反应器；102、流体供应单元；1021、甲烷溶解容器；10211、第二温度传感器；10212、第二压力传感器；1022、注入泵；1023、低温水浴容器；1024、机械搅拌装置；1025、背压阀；1026、微流泵；1027、海水培养基配置容器；103、增压系统。
具体实施方式
29.附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；本实施例为完整的使用示例，内容较丰富为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
30.下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
31.实施例1如图1、图3所示，一种深海冷泉区膜生物反应器，包括控制采集终端9、沉积物模拟室1、海水模拟室2、传感器组3、耐压膜生物组件4、在线保压生物膜取样元件5、电阻率测量系统6、压力调整组件7和超声观测组件8；其中：所述沉积物模拟室1设置在海水模拟室2下方，与海水模拟室2法兰连接；沉积物模拟室1、海水模拟室2内均设置有传感器组3，所述传感器组3信号输出端与所述控制采集终端9电性连接；所述耐压膜生物组件4设置在所述海水模拟室2内，用于监测海水环境中菌落生物膜的形成；所述在线保压生物膜取样元件5设置在所述海水模拟室2顶部，其控制端与所述控制采集终端9电性连接，用于生物膜形成过程时在所述耐压膜生物组件4上不同位置刮取生物膜样品进行测序分析；所述电阻率测量系统6设置在所述沉积物模拟室1内，其信号输出端与所述控制采集终端9电性连接，用于监测和计量甲烷渗漏模拟过程中，沉积物内甲烷水合物形成的饱和度变化情况；所述压力调整组件7通过管道与所述海水模拟室2连接，其控制端与所述控制采集终端9电性连接，用于调控反应器内部的压力，保证反应器内压力稳定；所述超声观测组件8的超声探头81设置在海水模拟室2内，用于监测所述耐压膜生物组件4上的生物膜厚度变化情况，并将信号输出至所述控制采集终端9。
32.更具体的，所述传感器组3包括温度传感器31、甲烷传感器32和压力传感器33；其中：所述温度传感器31设置在沉积物模拟室1、海水模拟室2内，用于监测沉积物模拟室1、海水模拟室2内环境温度的变化情况，其信号输出端与所述控制采集终端9电性连接；所述甲烷传感器32设置在海水模拟室2内，用于监测海水模拟室2内甲烷浓度的变化情况，其信号输出端与所述控制采集终端9电性连接；所述压力传感器33设置在所述海水模拟室2内，用于监测反应器内压力的变化情况，其信号输出端与所述控制采集终端9电性连接。
33.更具体的，所述耐压膜生物组件4为采用耐海水腐蚀和耐压的钛合金粉末烧结而成的多孔膜组件，悬挂在所述海水模拟室2内。
34.更具体的，所述在线保压生物膜取样元件5包括可伸缩耐压筒、取样环装置和保压装置；其中：所述可伸缩耐压筒设置在所述海水模拟室2顶部，取样环装置放置在所述可伸缩耐压筒内，保压装置固定套接在所述可伸缩耐压筒外部；所述取样环装置控制端、保压装置控制端均与所述控制采集终端9电性连接。
35.在具体实施过程中，取样环装置放置在所述可伸缩耐压筒内，用于生物膜形成过程中在耐压膜生物组件4上不同位置刮取生物膜样品进行测序分析。当需要刮取生物膜时，考虑到反应器内外存在压力差的问题，先控制保压装置关闭并自动充满惰性气体，使其压力与反应器内部一致，然后将保压装置内置的阀门打开，控制取样环装置在耐压膜生物组件4上不同位置刮取生物膜样品并抽离保压装置内置的阀门，最后关闭保压装置内置的阀门，打开保压装置外置阀门，完成整个刮取生物膜的操作。
36.更具体的，所述压力调整组件7包括pid阀71和气液存储罐72；所述气液存储罐72通过管道与所述海水模拟室2连接；所述pid阀71设置在管道上，与所述控制采集终端9电性连接。
37.在整个模拟过程或者应用反应器的过程中，pid阀71通过pid控制，可以有效保证反应器内的压力稳定。同时，具备温度和压力监控功能的气液存储罐72，用于收集和计量从反应器内排出的气液体积。
38.更具体的，所述超声观测组件8还包括声波发生器-示波器82；所述超声探头81信号输出端与所述声波发生器-示波器82信号输入端、控制采集终端9电连接。
39.更具体的，所述深海冷泉区膜生物反应器101还包括开设在所述海水模拟室2上的耐压可视窗21和设置在沉积物模拟室1、海水模拟室2的双阀式活塞取样器11。
40.在具体实施过程中，耐压可视窗21的设置是为了方便观察生物膜的形成情况，其在海水模拟室前后两侧均有设置，在生物膜的形成过程中，可以通过耐压可视窗21进行摄像观察。双阀式活塞取样器11设置在沉积物模拟室1、海水模拟室2不同位置，用于取样分析样品的化学组分和浓度变化，及生物膜的厚度和微生物类群变化。
41.更具体的，所述深海冷泉区膜生物反应器101还包括设置在反应器周围的水浴夹套10，其控制端与所述控制采集终端9电性连接。
42.在具体实施过程中，为了方便视窗观测，该反应器采用水浴夹套10进行夹套式水浴的方式，在反应器周围布置水浴夹套10，填充循环制冷液，且水浴夹套10的外壁设置保温层，来保证沉积物模拟室1、海水模拟室2的低温环境。
43.在具体实施过程中，控制采集终端9用于实现甲烷渗漏模拟过程中各项环境数据续不续变化的监控、以及实时采集、处理、存储和图像输出等功能。
44.在具体实施过程中，反应器在应用模拟过程中，其进出口同时打开，保持连续渗漏过程，其可以模拟接近真实海底环境，在该条件下，研究甲烷渗漏的环境介质与周围环境有物质交换的情况。所述深海冷泉区膜生物反应器101为耐腐蚀和耐压结构，通过耐压膜生物组件4构建了高压环境中的膜生物组件，用于深海冷泉区微生物挂膜生长，并且利用超声观测组件监测，在线测量膜组件上的生物膜厚度变化情况，以及在高压情况下保压获取生物膜样品进行测序分析，实现对aom作用过程中的生物膜进行在线监测，实现了对冷泉区甲烷厌氧氧化过程的生物膜生长特性及其环境条件影响的研究为正确认识深海甲烷厌氧氧化过程及环境参数测量提供是重要的基础。
45.实施例2更具体的，在实施例1的基础上，如图2、图3所示，提出一种深海冷泉区膜生物反应在线式环境参数测量系统，包括深海冷泉区膜生物反应器101、流体供应单元102和增压系统103；其中：所述流体供应单元102用于生成饱和甲烷流体并微流量地注入到所述深海冷泉区膜生物反应器101中；所述深海冷泉区膜生物反应器101模拟冷泉区甲烷厌氧氧化过程的生物膜生长过程和监测其环境条件的变换情况；所述深海冷泉区膜生物反应器101、流体供应单元102均与所述增压系统103均相连，保证模拟过程系统内部环境压力稳定一致；所述流体供应单元102、增压系统103均与所述控制采集终端9电性连接，实现信息交互。
46.在具体实施过程中，本实施例可以在深海原位温度、压力条件下，在开放体系模式下，对甲烷渗漏过程进行连续模拟。开放体系模拟有助于微生物介导的甲烷厌氧氧化过程中的代谢废物排出，有助于提高甲烷的生物化学转化效率，和微生物的活性；且各项边界条件更接近于真实环境海底甲烷的渗漏过程。同时，本实施例可以对冷泉区甲烷渗漏过程中参与甲烷氧化的微生物形成的生物膜过程的厚度、分布、微生物类群实时定量监测、分析，有助于深刻揭示深海冷泉区甲烷的生物化学转化过程的微观机理和环境控制因素，为研究深海甲烷参与的化能合成工程提供重要的手段。并且，本实施例提出了对冷泉区甲烷的溶解和相态转化过程进行实时在线监测，更准确的核定冷泉区实际参与生物化学转化过程的
甲烷含量，为正确认识海洋的甲烷源汇机制提供重要的基础手段。
47.相对于封闭式的甲烷渗漏过程模拟，在本实施例提出了在开放体系下，进行深海底甲烷渗漏过程模拟，更加接近真实条件下甲烷渗漏过程中渗漏的环境介质与周围流体有物质交换的特点；相对于以往深海甲烷厌氧氧化过程模拟研究，本实施例提出了对反应器内的甲烷总量、甲烷的溶解和相态转化过程进行实时同步在线监测，更准确的核定冷泉区实际参与生物化学转化过程的甲烷含量，为正确认识海洋的甲烷源汇机制提供重要的基础手段；相对于以往研究冷泉区甲烷厌氧氧化研究，本实施例提出了利用耐压膜生物组件4构建高压环境的膜生物反应器，提高参与甲烷氧化过程的生物膜的富集效率，并且提出了根据在线声波监测反演高压环境中膜组件上的生物膜厚度变化情况表征甲烷厌氧氧化效率。并且通过保压环境在线取样，分析膜组件上的微生物动态变化特性，为正确认识深海甲烷厌氧氧化过程提供先进的手段。
48.在具体实施过程中，本实施例还提出了在甲烷生物化学转化过程中，对各项环境参数进行实时在线测量分析，定量认识甲烷转化过程的主控因素。
49.更具体的，所述流体供应单元102包括甲烷溶解容器1021、注入泵1022、低温水浴容器1023、机械搅拌装置1024、背压阀1025、微流泵1026和海水培养基配置容器1027；其中：所述甲烷溶解容器1021置于低温水浴容器1023中，保证含甲烷流体进入所述深海冷泉区膜生物反应器101时不会由于温差引起热流扰动，对模拟过程产生影响；甲烷溶解容器1021设置有气体进口、液体进口和液体出口；甲烷溶解容器1021通过气体进口与所述增压系统103相连；甲烷溶解容器1021通过液体进口与所述海水培养基配置容器1027、注入泵1022依次连接；甲烷溶解容器1021通过液体出口与微流泵1026连接，通过微流泵1026向所述深海冷泉区膜生物反应器101微流量地注入饱和甲烷流体；所述甲烷溶解容器1021内部设置有第二温度传感器10211、第二压力传感器10212，用于监测甲烷溶解容器1021内部的温度及压力数据并发送至所述控制采集终端9；所述机械搅拌装置1024配置在所述甲烷溶解容器1021顶部，用于增强甲烷溶解容器1021内的溶质溶解；所述背压阀1025设置在所述甲烷溶解容器1021顶部，用于保证甲烷溶解容器1021处于设定压力条件下完成溶解过程。
50.在具体实施过程中，将甲烷溶解容器1021置于低温水浴容器1023中，还为了使得系统在更加接近真实的海底情况下，符合含甲烷流体渗流进入渗漏区时同周围环境介质温差较小的特点。
51.更具体的，在所述流体供应单元102模拟过程中，甲烷溶解容器1021的温度设置同所述深海冷泉区膜生物反应器101一致，同为海底实际温度，但其压力要监控低于该温度条件下甲烷水合物形成的相平衡压力，避免在甲烷溶解容器1021中形成甲烷水合物。
52.更具体的，所述增压系统103包括空压机、增压泵、储气罐、调整阀及管阀件；其中：所述增压系统103通过管阀件与所述流体供应单元102、深海冷泉区膜生物反应器101的气体进口连接；所述空压机通过所述增压泵与所述储气罐输入端连接；所述储气罐输出端上设置有调整阀，通过调整阀与所述管阀件连接，用于向流体供应单元102、深海冷泉区膜生物反应器101以设定流量注入特定组分的气体。
53.上述方案在实现过程中，具备深海原位温度、压力环境条件下甲烷渗漏的连续过程模拟能力。通过构建高压环境中的膜生物组件，用于深海冷泉区微生物挂膜生长，并且利用超声监测，在线测量膜组件上的生物膜厚度变化，以及在高压情况下保压获取生物膜样
品进行测序分析，结合其它化学传感器测量和实时取样测试分析，定量研究冷泉区甲烷厌氧氧化的特性，以及环境参数对甲烷氧化过程的影响。相对于现有深海冷泉区研究甲烷生物化学转化过程模拟，忽略甲烷在高压、低温环境中的溶解以及相态转化等特点，本方案同时监测甲烷渗漏过程中，在反应器内的溶解和发生相态转化的量，更精确的定量研究冷泉区甲烷厌氧氧化特性。为准确认识深海底甲烷释放的生物化学转化过程及机理提供重要的技术手段。
54.实施例3在实施例2的基础上，为了更清晰地阐述本方案的实现过程，提供本实施例。
55.如图2、图3所示，一种深海冷泉区膜生物反应在线式环境参数测量系统，深海冷泉区膜生物反应器101是本系统的核心。本系统主要包括流体供应单元102、深海冷泉区膜生物反应器101、增压系统103和控制采集终端9。为了接近真实海底情况下，含甲烷流体渗流进入渗漏区时同周围环境介质温差较小的特点。本系统涉及的甲烷溶解容器1021放置于低温水浴容器1023中，保证含甲烷流体进入深海冷泉区膜生物反应器101时不发生较大的温差，引起热流扰动。甲烷溶解容器1021为耐压容器，配置有第二温度传感器10211和第二压力传感器10212，顶部配置有机械搅拌装置1024增强反应器内的溶质溶解。甲烷溶解容器1021的温度设置同甲烷溶解容器1021一致，且与海底实际温度一样。甲烷溶解容器1021的压力要监控低于该温度条件下甲烷水合物形成的相平衡压力，避免在甲烷溶解容器1021中形成甲烷水合物。甲烷溶解容器1021的顶部设置有背压阀1025，保证在设定压力条件下，进行溶解过程。注入泵1022通过调节阀将海水培养基配置容器1027中的微生物培养基注入到甲烷溶解容器1021中。微流泵1026将甲烷溶解容器1021中饱和甲烷流体注入深海冷泉区膜生物反应器101内。
56.深海冷泉区膜生物反应器101主要包括沉积物模拟室1、海水模拟室2、水浴夹套10和其他耐压膜组件。深海冷泉区膜生物反应器101为耐腐蚀和耐压结构，直径200mm，高度250mm。其进口与微流泵1026相连接。深海冷泉区膜生物反应器101主要包括下部高度为100mm的沉积物模拟室1和上部高度为150mm的海水模拟室2两部分，两部分通过法兰连接。沉积物模拟室1内设置有电阻率测量系统6，用于监测和计量甲烷渗漏模拟过程中，沉积物内甲烷水合物形成的饱和度变化情况。电阻率测量布点均匀分布为三层，每层设置有4
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4=16个布点。沉积物模拟室1和海水模拟室2均设置有温度传感器31，监测甲烷渗漏模拟过程内的环境温度变化情况。海水模拟室2内设置有甲烷传感器32，用于监测海水模拟室2内的甲烷浓度变化。海水模拟室2内设置有耐压膜生物组件4，监测海水环境中嗜甲烷菌和硫酸盐还原菌生物膜的形成。为方便在生物膜的形成过程中进行摄像观察，在海水环境部分开设有前后耐压可视窗21。并且在深海冷泉区膜生物反应器101的顶部设置有在线保压生物膜取样元件5，该元件将取样环装置放置在可伸缩耐压筒内，用于生物膜形成过程时在耐压膜生物组件4上不同位置刮取生物膜样品用于进行测序分析。本系统涉及的耐压膜生物组件4主要是耐海水腐蚀和耐压的钛合金粉末烧结而成的多孔膜组件，膜组件高度为120mm，悬挂于深海冷泉区膜生物反应器101的海水环境中。深海冷泉区膜生物反应器101的出口设置有pid阀71，在整个甲烷渗漏模拟过程，通过pid阀71调控，保证釜内的压力稳定。深海冷泉区膜生物反应器101的出口与有压力传感器和温度传感器监控的气液存储罐72相连，该罐体用于收集和计量从反应器内排出的气液体积。在整个甲烷渗漏过程模拟中，气液存储
罐72的进出口同时打开，保持连续渗漏过程，接近真实海底环境条件下，甲烷渗漏的环境介质与周围环境有物质交换的情况。为了方便耐压可视窗21观测，该深海冷泉区膜生物反应器101的温度控制采用夹套式水浴的方式，即在反应器的周围布置水浴夹套10，填充循环制冷液，且水浴夹套10的外壁设置保温层，来保证沉积物模拟室1和海水模拟室2内的低温环境。流体供应单元102、深海冷泉区膜生物反应器101都与增压系统103相连接，可用于向这两部分的耐压容器内注入气体增压。本系统涉及的增压系统103主要是主要包括空压机、增压泵、储气罐、调压阀及管阀件等配件组成。
57.本系统涉及的环境参数测量装置主要包括甲烷传感器32用于监测反应器内的甲烷浓度变化；温度传感器31监测温度变化；压力传感器33监测压力情况变化；超声探头81和声波发生器-示波器82监测耐压膜生物组件4上的生物膜厚度变化；沉积层内的电阻率测量系统6监测甲烷渗漏过程中沉积层内形成甲烷水合物的饱和度变化。
58.本实例涉及的控制采集终端9用于实现甲烷渗漏模拟过程中各项环境数据信息变化的监控、以及实时采集、处理、存储和图像输出等功能。
59.本实例涉及的系统主要使用方法主要包括：首先，自下而上装配深海冷泉区膜生物反应器101，依次在1中填充中国南海海马冷泉区实际的深海沉积物。然后在海水模拟室2中填充好从海马冷泉区取样的实际深海海水。然后开启水浴夹套10，使得渗漏过程反应器内的温度保持与深海底部温度条件一致。然后打开增压系统103，向渗漏过程模拟的深海冷泉区膜生物反应器101内注入氮气，使反应器内的压力值增加至14mpa。然后向配置好的营养液装入海水培养基配置容器1027和甲烷溶解容器1021里面的溶解气体注入至深海冷泉区膜生物反应器101中，并且通过定压控制，使得甲烷溶解容器1021中的压力不超过2mpa。开启甲烷溶解容器1021的低温水浴容器1023，使得甲烷溶解容器1021中的温度值与深海冷泉区膜生物反应器101内的温度为4℃。然后开启机械搅拌装置1024，待甲烷溶解容器1021中的甲烷达到饱和时，依次打开甲烷溶解容器1021的出口、微流泵1026、深海冷泉区膜生物反应器101的进口和出口，以10ml/min的速度向深海冷泉区膜生物反应器101内连续注入饱和甲烷溶液。整个模拟过程中，通过定压控制，保持渗漏过程模拟釜内的压力条件恒定为14mpa，且与深海实际环境条件一致。在整个过程中，渗漏过程深海冷泉区膜生物反应器101的液体进入通道和出口都处于开启装置，模拟与周围环境条件有物质交换的甲烷渗漏过程。在甲烷渗漏过程模拟中，实时监测深海冷泉区膜生物反应器101内的温度、压力、电阻率、声波、甲烷浓度等参数的变化，并且在海水和沉积层不同位置通过双阀式活塞取样器11取样分析样品的化学组分和浓度变化，及生物膜的厚度和微生物类群变化。由此，可实时监测甲烷渗漏过程中膜生物反应器内的生物膜生长特性，及其环境参数调控特性。
60.显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化情况或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。