前瞻科技 | 环境模拟技术与原位试验技术在深海生物研究中的应用与展望

来源：微信公众号“前瞻科技杂志”

作者：张宇

张宇

-研究员

-博士研究生导师

-上海交通大学深部生命国际研究中心副主任

文章摘要

深海生物研究面向国家战略、科学前沿和产业发展，服务于评估全海深尺度的碳通量和碳储库、认知深海生态系统的变化和响应、发掘新型深海生物资源。为了满足深海生物的研究需求，观察、检测、解析生物在深海的生理状态、生态功能、演化历程，发展出了深海环境模拟技术与深海原位试验技术。

文章梳理了深海环境模拟技术与深海原位试验技术的发展历程与技术特点，展望了未来技术发展方向，并提出发展对策和建议，以期为提升中国的深海技术与深海生命科学研究实力提供助力。

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深海是指水深超过1000 m（压力超过10 MPa）的海洋环境，覆盖了全球海洋面积的90%，包括深层海水、海底平原、冷泉、热液、深渊、洋壳等地质环境（图1）。深海生物活动驱动了海洋元素循环从短周期进入长周期，对塑造海洋生态环境、调节全球气候至关重要。

在全球气候变化和中国承诺实现“碳中和”的大背景下，准确评估深海微生物介导的碳循环规模是中国海洋科学界的急迫任务。同时，深海的环境特征与陆地差异巨大，表现为高压、黑暗、低温或者高温（如热液喷口）、高盐度、高流动性等极端、多变特征，孕育了独特的生物资源，亟待探索和开发。

随着万米级潜水器的海试成功和业务化应用，中国的深海进入能力跻身国际前沿，使得深海生物资源开发获得了强力的支撑，有望打破中国在海洋微生物资源相关产业缺乏核心产品的被动局面。

在长期的演化过程中，深海生物形成了独特的生活习性和生存策略，在常规的实验室环境中表现出的生长和代谢特征无法反映其在深海原位环境的真实情况。这导致人们无法通过常规的培养和检测手段获取深海特有的生物种类和准确的元素循环信息。

为了满足深海生物的研究需求，观察、检测、解析生物在深海的生理状态、生态功能、演化历程，发展出了深海环境模拟技术与深海原位试验技术。

图1 深海多种类型的地质环境及其对应的主要生物过程

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深海环境模拟技术

1.1技术特点

深海环境模拟技术是指通过技术手段，建立由耐压试验舱、加压泵、温控器、管路阀门等构建的硬件系统，建立可以实时监控压力、温度、流体流速等参数的软件系统，实现在耐压试验舱内重现深海特定生境的环境特征，用于培养生物、解析生物过程的技术。深海环境模拟技术具有不可替代的优势。

（1）环境模拟试验的环境参数精准可控、样本参数精确可测，是验证科学假说的必要环节。深海环境模拟技术可模拟不同类型的深海环境以及环境的变化，在实验室反复重现天然环境的地质事件，以验证原位观测结果是否具有重复性，并追踪溯源，建立地质事件/环境变化与观测结果之间的因果关系。

根据科学需求可以有针对性地设定环境参数，降低系统的复杂度，厘清单一参数的独立生态效应以及组合参数的协同生态效应。在环境模拟设备系统内，可通过提高采样频率或者安装多参数高性能传感器获取高时空分辨率、高精度的样本信息，发现并深度解析未知生物过程。例如，有报道指出在模拟的深海冷泉生态系统中检测到了微摩尔级别的乙酸，从而发现了高压下新的甲烷微生物转化途径，解释了冷泉生态系统高生物量之谜。

目前的原位检测能力无法检测到该极低浓度级别的有机物，导致此途径一直未被发现。实验室可以应用的检测手段和检测精度远超于深海的原位检测，使得深海环境模拟技术在深海生命科学研究中不可替代。

（2）设备参数控制灵活、建造运行成本低，是高效开发深海生物资源的便捷手段。通过环境参数的控制可以有目的地调整样本的生物多样性，促使目标生物成为优势物种，提升培养效率。

例如，有报道指出通过对深海热液环境样本周期性提升培养温度、加大培养温度的变化幅度，抑制了原有的优势物种，促进稀有物种的快速生长，成功培养了多个新物种，为后续资源开发提供了珍贵的生物材料。

相对而言，环境模拟设备的成本和技术门槛相对较低，不依赖科考船、潜水器、着陆器等海上支持平台。模拟设备本身可以作为工业开发的小试甚至中试测试设施，缩短反应体系的扩大化路径。这使得环境模拟技术在深海生物资源开发领域有良好的应用前景。

1.2发展历程

纵观深海环境模拟技术的发展历程，技术升级是围绕高压控制及高压下设备的运行方式来完成的。高压是深海与浅海、地表环境最典型的区别，目前海水的平均深度约为3800 m，平均压力为40 MPa，是大气压的400倍。全球水深最深处马里亚纳海沟的压力更是高达115 MPa。

高压直接影响深海生物的类群、运动、生长、代谢。根据生物在不同压力下的生长速率，可分为压力敏感型（piezosensitive）生物（只在常压下生长，在高压下不能生长的生物）、耐压型（piezotolerant）生物（在常压和高压下具有相似的生长速率的生物）、嗜压型（piezophilic）生物（在高压下比在常压下生长更快的生物）和极端嗜压型（hyperpiezophilic）生物（仅在高压下生长，在常压下不能生长的生物）。只有耐压型和嗜压型生物能够在深海生长并发挥生态功能。

20世纪40年代，美国Scripps海洋研究所的Claude ZoBell与他的学生Richard Morita以及其他同事将高压引入环境模拟技术，设计了静置式高压舱用于培养深海微生物，率先系统性研究压力对生物的影响（图2（a））。这种静置式的高压釜也成为应用最广的装置。Yayanos及其同事用此类高压釜从马里亚纳海沟环境样本中分离培养得到了第1株严格嗜压型微生物，证实了深海微生物在长期的高压环境下演化出独特的压力适应性，也指出了高压是深海环境模拟的关键参数。

在深海嗜压型微生物的培养过程中，研究人员发现由于生物活性的作用，静置式培养设备内部无法维持稳定的底物浓度，不利于微生物的持续生长。为此，以日本海洋地球科学技术研究所为代表的科研机构先后建立了高压液体流动系统用于模拟开放的深海环境，培养嗜压型微生物（图2（b））。

随着深海热液、冷泉的发现，研究人员意识到深海存在多种喷发的环境，其中的生物量和生物活性甚至远高于平静的深海平原，对深海喷发环境的研究是理解海洋生态系统的必要环节。自21世纪初，比利时、德国、中国等国家的科研机构研发了系列高压气液混合流动系统，用于模拟喷发的深海环境（图2（c）和图2（d））。

图2 典型深海环境模拟设备

1.3设计原则与技术需求

（1）深海环境模拟设备的设计要以明确的应用目标为导向。在生物学研究领域，深海环境模拟技术的应用目标有两大类，对应的设计策略亦有所区分。

第1类目标：准确重现深海环境特征，以用于精确测定在此环境下的生物生长、代谢活性、生物化学反应速率等，作为评估深海生态系统的结构与功能的基础数据。在这种情况下，环境参数的设定必须严格对应原位数据，提高参数的控制精度，并要充分考虑模拟时空尺度与天然环境时空尺度的差异性。例如，深海热液喷口的流体中溶解有高浓度的气体，且喷发出的高温流体在海水中迅速降温。因此，热液的模拟系统必须能够独立控制气体压力、静水压力、喷发流速、温度的时空变化。

第2类目标：提升深海生物培养、生物化学反应的效率，以实现对生物资源的高效开发和利用。在这种情况下，环境参数的设定主要对应目标生物/生物大分子的最适环境特性，辅助参考该生物/生物大分子最初来源的天然环境特征。例如，微生物细胞与营养物的充分混合有利于微生物生长和发酵产生具有工业价值的生物大分子。在此类模拟系统中，通过快速搅拌等方式可以加强混合。而这种快速搅拌在深海的原位环境中通常是不存在的。

（2）深海环境模拟设备的设计要注重同时准确监测并控制系统内的多重环境参数。虽然高压是深海最典型的环境特征，但是生物的生长和代谢受多重参数的协同调控。根据“共适应理论”，在高压与温度、盐度、氧化还原度等多重环境因子作用下，深海生命演化形成了通用策略以应对环境胁迫，其核心是调控能量分配和抗氧化。环境参数之间也相互影响（如温度、pH值、CO2的浓度三者相关）。

因此，对于模拟系统的环境参数控制必须既体现出独立性又体现出系统性。与其他类型的模拟设备相比，高压气液混合流动设备能够同时独立控制气体组分、气体分压、静水压、流速、温度、盐度、pH值、氧化还原度、底物浓度、产物浓度等，体现出多重环境参数控制方面的优势。

（3）深海环境模拟设备的设计和建造要充分考虑使用的安全性与便捷性。早期的高压流动系统结构复杂、体积庞大，需要专门的存放地点和专业工程技术人员操作，导致设备的利用效率低。

例如，在20世纪90年代，日本海洋地球科学技术研究所研发了高压微生物培养系统（Deep-sea Baro/Thermophile Collecting and Cultivating System, DEEP-BATH），实现了与保压取样器不泄压对接，为开展在高压环境条件下微生物分样、转移和培养研究提供了技术支持。然而，由于该设备操作难度大、维护成本高，运行数年后停止使用。

中国自主研发的深海环境模拟设备在设计初始就特别注意系统的电气化、自动化，支持没有工程背景的学生能够经过短期培训后独立完成日常的实验操作，极大提升了设备的使用效率和科学产出水平。

1.4国内外发展现状对比

综观国内外发展现状，中国在以科学研究为导向的深海环境模拟技术领域处在领跑、并跑地位。针对深海不同类型的高压生态系统的室内模拟，上海交通大学重点突破了多参数耦合控制与气液混合高压流动培养的关键技术，研发的设备可同时独立控制：气压（0.1~60 MPa）、静水压（0.1~250 MPa）、温度（20~150℃）、流量（0.1~10 mL/min）、营养物、pH等环境参数，模拟冷泉、热液、深渊、深海沉积物等多种深海环境，技术参数国际领先。

针对深海矿物生成与演化微环境的室内模拟，中国科学院深海科学与工程研究所重点突破了对超高压环境氧逸度精确控制与光学测定的关键技术，建立了成熟的平台体系，为实验地球化学和实验岩石学研究提供技术支撑，并将此类技术向德国、美国等国家的研究机构推广应用。

山东大学联合国内数家科研机构正在建设海洋气候生态环境模拟的大型实验体系MINI-MECS（Marine Environmental Chamber System）并筹划建设MECS。MINI-MECS的内径3.2 m，高12.5 m，MECS的设计高度50 m，能够实现温度、pH值等理化参数控制，预期技术指标国际领先。加拿大达尔豪斯大学Aquatron实验室的同类型设备直径3.66 m，高10.46 m。

然而，以生物资源开发为导向的深海环境模拟技术在中国尚未成熟，总体在国际上处于跟跑地位。据统计，2005—2019年中国海洋药物和生物制品产业年均增值超过10%，在全球规模上处于上升阶段，尚未形成真正不可替代的核心产品、产业。

目前的深海微生物资源开发模式是基于传统的微生物培养手段、基于数据挖掘引导的基因资源开发，需要以资源覆盖为目标，引入除科研机构之外的商业化力量投入来共同优化、发展深海环境模拟技术，进一步发挥其提供新型物种资源、大量极端微生物材料的优势。

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深海原位试验技术

2.1技术特点

深海原位试验技术是指通过工程设计与建造，建立由培养舱、计量泵、检测器、控制器、数据通信机等构建的硬件系统，建立支持水下自主运行模式或者与水面实时通信模式的取样、检测、数据存储与传输的软件系统，完成水下的生物培养与检测试验的技术。深海原位试验设备的布放与回收需要科考船、潜水器、着陆器等海上支持平台的协助。应用于深海生物研究的原位试验技术组成包括原位观测、原位培养、原位检测、保真取样等，具有不可替代的优势。

（1）提供深海生物原位的形态特征、运动习性、物种分布、代谢活性、基因组成等信息，以科学认知其生理特征并精确评估其生态功能。

（2）提供保真样本。根据科学目标的不同，保真取样设备的设计和应用场景分为对化学参数的保真、对基因组信息的保真、对生物活体的保真。特别是获取保真的活体生物样本，是后续实验室获得更多类型的深海生物培养物的前提。

（3）充分利用天然环境独特且未知的条件，展开实验。

2.2 发展历程

为准确获取海洋生物在天然环境中的生长和代谢特征数据，自20世纪80年代开始，发展了原位培养试验技术，并逐步从浅海应用到深海甚至深渊环境。

原位培养设备的通用作业流程为：依靠科考船、潜水器等布放到目标位点；利用水下泵或沉积物取样器将定量的原位海水或沉积物转移到培养舱；按照预设的时间序列定时添加底物、定时终止培养；将设备回收至甲板实验室，测量海水或沉积物在时间序列上的细胞个数、代谢产物的变化，从而计算生长和代谢的速率。

美国伍兹霍尔海洋研究所研制了SID（Submersible Incubation Device）系列设备，包括传统的用于表层海洋的SID、设计应用水深为1000 m的Deep-SID、包括微生物采集功能的MS-SID、应用于热液高温环境的Vent-SID。

日本NiGK公司制造的深海海水微生物原位培养设备（In Situ Microbial Incubator, ISMI），其在4000 m以内的水深有成功的应用案例发表，测定了海水中微生物的原位生长速率、固氮固碳速率（图3）。

中国科学院深海科学与工程研究所也开展了深海原位培养装置研发工作，并于2016年在西太平洋开展了深海氨氧化菌代谢过程示踪技术原位实验。

此外，2017年、2018年南丹麦大学的科研团队利用沉积物培养着陆器定时采集Atacama Trench和Kermadec Trench的沉积物样本并在原位注射同位素标记底物培养其中的微生物，测定了原位的微生物氮代谢速率。

图3 日本NiGK公司制造的深海海水微生物原位培养设备ISMI

原位检测是原位试验的关键环节，避免了将样品从深海转移到甲板实验室过程中由于环境的变化以及生物活性的影响导致待检测参数发生变化，可以通过原位检测化学参数的变化实时监控生物的代谢速率和生化反应速率，也可以通过原位检测生物基因及基因的表达来追踪生物群落组成和演替。

越来越多的证据表明，原位检测与取样后的实验室检测结果差异巨大。例如，在3000~4000 m水深原位测定的微生物生产力与采样后在甲板上测定的结果相比，有高达1个数量级的差异。海洋微生物RNA的稳定时间只有几十分钟，从深海到甲板的数小时取样时间已经足够改变样本的生物基因组和转录组信息。基于光学原理的传感器在水下长期作业中的稳定性强，更适用于深海原位化学参数的检测。

中国科学院海洋研究所研制的系列化深海拉曼光谱探针（Raman insertion Probes, RiP）已经作为成熟设备稳定成功应用于热液、冷泉中的甲烷、二氧化碳、pH等环境参数的检测，并搭载深海着陆器对南海冷泉生物群落开展了长时间的原位监测与现场实验（图4（a）和图4（b））。

21世纪初，美国Monterey Bay海洋研究所研发系列海洋原位环境样本处理设备（Environmental Sample Processor, ESP），原位收集和分析海水，鉴定其中的生物类群和生物毒素，支持海洋环境监测与科学研究（图4（c））。

ESP是原位基因水平的生物多样性检测的先行者。它首先通过原位过滤的方式将海水中的生物细胞浓缩在滤膜表面，通过加热与化学试剂的共同作用将生物细胞裂解释放其中的核酸等生物大分子，再通过三明治杂交阵列（Sandwich-hybridization Assay）的模式促使这些生物大分子与预置探针杂交结合，根据探针杂交后的荧光信号，鉴定出生物大分子的类别和浓度（图4（d））。

ESP对生物种类的鉴定属于有参的模式，只能够鉴定预置探针所能覆盖的类型。对于深海大量未知生物类群，特别是微生物类群的全面认知，需要进一步发展无参的原位环境基因组（Metagenomics）检测。由于面临原位核酸纯化、微弱荧光检测等技术困难，尚未有成熟的设备能够满足深海原位基因测序的需求。

图4 典型深海原位检测设备

2.3 设计原则与技术需求

（1）深海原位试验设备的设计要明确应用场景，定向提升专用设备的性能，以优化设计和降低成本。以保真取样为例，在样品采集和转移过程中，压力变化导致溶解性气体浓度的变化，生物活性导致化学组分的变化，这两种影响不可逆转。以精确测定化学参数为目标的保真取样的关键是保持样本的压力不变，在采样后迅速将微生物去除或者灭活，样本只需要数十毫升。对于基因组信息的保真获取，技术关键是足够的核酸在采样后被迅速固定。

通常的策略是在原位对样本添加RNALater之类的固定剂。考虑到深层海水中微生物浓度低，往往需要在原位过滤，将几十升甚至数百升海水中的微生物富集在滤膜上，再添加固定剂保存滤膜上微生物的原始DNA和RNA。因此，针对同一个样本的化学参数的保真取样与基因组信息的保真取样功能独立、设备独立。

（2）在从浅海到深海的转变中，需要充分考虑深海生物的特征，突破传统的技术选型，以提升原位试验设备在深海环境应用中的可靠性。以微生物的原位活性检测为例，由于深海微生物代谢速率只有表层海洋微生物的1%，对深海微生物的活性检测需要应用比浅海更高精度的泵送技术以降低系统误差，获取可靠数据。

目前国际上海水泵送的主流技术方案是蠕动泵，其结构简单，清洁无污染。然而，由于抽液负压、高压对胶管变形影响等因素，导致蠕动泵的精度在深海高压环境大幅下降。因此，需要研发新型高精度深海计量泵送技术。

2.4国内外发展现状对比

中国在深海原位试验技术领域主要依靠国家科技项目投入，由科研机构的研发人员完成。作为科研成果的设备，其单项技术指标的国际领先程度受到重视，尤其是近年来数种类型的原位设备成功完成在万米级深海环境的应用测试，确立了中国在超大深度海洋原位试验技术上的国际领跑地位。

例如，中国科学院深海科学与工程研究所研发了深海微生物原位过滤与固定装置，2016年和2017年在太平洋马里亚纳海沟实现在万米海底进行大体积水体过滤和核酸样本固定，获得了新的细菌和古菌基因组数据，研究了海沟微生物参与碳、氮元素循环过程。中国科学院声学研究所研发的全海深水声采集和记录设备，克服了低噪声声学信号收集、长时间连续运行等技术困难，获得了万米级海底生物声学数据。

在取得上述成果的同时也要清醒地意识到，中国在应用于非超大深度的一般性深海环境的原位试验技术领域缺乏竞争优势，总体处于跟跑地位。主要原因之一是科研机构缺乏与商业化机构的长期稳定合作，不利于在产品化过程中完成技术的迭代、优化。

以海洋水体微生物核酸的原位富集和固定技术为例，美国McLane公司在与美国Monterey Bay海洋研究所合作的基础上开发的6000米级大体积海水过滤设备已经形成成熟系列产品。这一设备的性能虽然单一，只能进行海水的原位过滤而不能在原位对滤膜进行固定来测定深海原位的微生物核酸信息，但由于其可靠性强、操作便捷，在中国的科学考察中被广泛应用。

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深海环境模拟技术与深海原位试验技术展望

3.1关键技术的重点发展方向

面向国家战略、科学前沿和产业发展，对评估全海深尺度的碳通量和碳储库、认知深海生态系统的变化和响应、发掘新型深海生物资源的需求日益增强，对深海环境模拟技术与原位试验技术的快速发展提出了更高的要求。

（1）研发全海深级别的高压材料与单项技术，支持多样化的试验需求。随着“奋斗者”号载人潜水器的常态化应用，中国的深海生命科学研究进入全海深时代，对应的环境模拟与原位试验设备使用压力要求在115 MPa以上。为降低在此压力等级下承压容器的体积和重量，扩展设备的应用场景，需研发耐压性能强的轻质材料。

同时注意到，用于固定生物样本、化学样本的固定剂与金属材料长期接触会发生反应，导致设备受损、试剂失效。需要研发对此类试剂惰性强的材料，以满足长期原位试验和保真取样的需求。

高压计量泵是深海环境模拟设备与原位试验设备中都必不可少的核心硬件。深渊底部压力超高、水流速极低，要求模拟设备的高压泵能够长周期（数个月）稳定实现超低流量（0.1~0.5 mL/min）、超高压力（进口压力0.1 MPa，出口压力115 MPa）的海水泵送。这对柱塞的密封、行程控制提出了材料和技术上的挑战。

应用于深渊底部原位海水泵送的计量泵，也面临着在超高压环境下仍然保持高精度的技术需求。此外，生命科学的研究需要多样化的试验手段与检测技术，需要基于微流控的原位单细胞培养与基因组检测、原位酶学检测、原位基因组检测等新兴技术的发展支持。

（2）研发具有长周期自主运行能力的深海原位试验设备。生态系统的结构与功能在多时空尺度存在不同的演化模式，要求具有持续数月甚至数年的长周期原位试验能力。受限于持续的能源供给，由于目前的长周期原位观测、原位检测设备的采样频率低、试验形式少，设备只能提供基础的数据和信息。除了试验设备本身的研制要充分考虑优化能耗、采用可更换的电池外，还需要考虑开发新型的原位供能技术。

美国奥尔良州立大学、哈佛大学、Monetary Bay海洋研究所合作在深海冷泉做了125 d的尝试性试验，利用微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell, MFC）将微生物呼吸的电子传递转化为电能，在海底可最大输出1100 mW·m-2功率。虽然目前的MFC等原位供能技术尚无法提供足够的输出功率以持续支持原位试验设备，但是对深海原位供能技术的探索是未来发展的方向。

此外，原位传感器的稳定性不足也制约了长周期试验的开展。化学传感器、电化学传感器都需要定期校正，以维持稳定的检测基线和检测精度。长期的原位试验设备设计中可以考虑选取可靠性更持久的光学传感器。

（3）研发水下与水上耦合试验技术，同步提升数据的真实性与可重复性，支持创新性科学理论的提出与验证。海洋环境复杂变幻，原位检测与实验可避免深海样品转移过程中遭受温度和压力波动等环境变异的影响，真实反映自然条件下的生物特性，也具有极强的时效性。同时，通过在实验室模拟深海环境并对其中的生物进行培养与检测，可获取比原位实验更全面、精度更高的化学参数和生物参数，满足精细化研究的需求，便于对试验结果的重复验证。

在深海环境模拟技术与深海原位试验技术日渐成熟的今天，有必要发展水下与水面试验系统的耦合技术，实时将原位的数据与实验室数据有机整合，实现交互试验，满足深海原位数据测定与过程机制解析的科学需求（图5）。原位检测与模拟培养的结合在浅海已经实现。

德国基尔亥姆霍兹海洋研究中心（Helmholtz Centre for Ocean Research Kiel）解决了海洋环境参数实时监测并自动反馈控制模拟系统的难题，建立了基尔室内海洋实验生态系统模拟设备（Kiel Indoor Benthocosms），根据原位海洋环境实时检测的温度、盐度、pH、光照等参数，自动控制模拟设备内部的参数，有效地模拟自然的环境参数波动。而深海环境模拟技术与深海原位试验技术的耦合应用面临着原位试验单项技术尚未成熟、水下长距离数据传输效率低费用高等困难。

中国科学院深海科学与工程研究所研发的深海基站式探测作业系统，可以为原位试验设备提供能源补给和通信，未来支撑水下与水上的耦合试验。

图5 实验室模拟实验与深海原位试验耦合技术概念图

（4）研发多系统集成技术，获取大范围、高通量原位数据，提升对深海的系统性认知。目前原位检测与试验设备以单点作业模式为主，缺乏移动性，不利于获取更大时空尺度的数据。针对海水生态系统的研究，水下滑翔机成本低、移动性强、可形成阵列，可直接在海面与卫星进行数据传输，是搭载原位检测与试验设备的理想平台。受限于搭载能力，要求搭载在滑翔机的原位设备小型化、轻量化。

美国Monterey Bay海洋研究所正在研发搭载在滑翔机的小型海洋原位环境样本处理设备ESP-3G，用于大范围实时检测海水生物多样性变化与生物毒素浓度变化，为生态灾害提供预警。针对海底生态系统的研究，深海原位生物试验需要具备长时间海底驻留及精确控位调查能力的支持平台。现有的大深度潜水器均不具备长期海底驻留能力，且造价高昂，从经济角度不具备广泛应用条件；着陆器类搭载平台不具备水下机动与精确控位调查能力。因此需要研发具备水下机动能力，可精确控位调查的深海长期驻留支持平台。

中国在前期大力支持针对微生物深海环境实验室模拟技术、深海搭载平台技术、深海取样器及深海原位探测传感器等的研发，在单项技术方面取得突破性进展，目前急需将单项技术成果提升与整合，形成系统性支持科学问题研究的大系统。

3.2 发展对策和建议

（1）支持深海环境模拟技术与深海原位试验技术数据与系统的规范化、标准化发展。深海环境模拟技术与深海原位试验技术尚属于新兴方向，处于“百花齐放、百家争鸣”的发展阶段。随着技术的快速发展，数据喷发式产出。但是不同的采集设备、采集方法、分析方法获得的数据之间可比性差。这不仅阻碍了数据的共享与利用，还会混淆视听，阻碍对深海的科学认知。若要改变现状，就需要工程师与科学家共同努力，建立数据采集规范、深海大数据库，支撑硬件系统与软件系统的标准化发展。

（2）提高海洋资源开发保护水平是未来15年落实海洋强国战略的主攻方向，也是深海环境模拟技术与深海原位试验技术的重要应用目标。充分发挥政策优势，开拓需求，促进科研机构与企业合作，通过市场化手段加快推动深海环境模拟技术与深海原位试验技术发展，打造国产设备品牌，进一步带动深海生物资源获取、开发与应用的正循环，服务高质量海洋经济发展。

（3）建立创新性的基础科学原理认知，有助于突破关键技术瓶颈，催生新一代深海原位试验设备。例如，对高压环境海水的流体性质认知是发展原位微流控技术的必要环节，也是研发新一代原位细胞分选、基因测序设备的科学基础；研究目标周围环境中动态杂质对成像系统分辨能力的影响，是实现原位高分辨率X射线成像技术的关键环节。这需要基础科学研究与工程技术研发的紧密结合。

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结束语

提升人类对深海的科学认知，可持续性开发利用海洋资源，是中国作为大国的责任和义务。深海环境模拟技术与深海原位试验技术的发展历程体现了工程技术与科学研究的深度融合。展望未来技术发展，需要进一步加强顶层设计，高效综合各学科单项技术特长，以提升中国的深海技术与深海生命科学研究实力。

引用本文

张宇. 环境模拟技术与原位试验技术在深海生物研究中的应用与展望[J]. 前瞻科技, 2022, 1(2): 134-144;

doi: 10.3981/j.issn.2097-0781.2022.02.010

全文刊载于《前瞻科技》2022年第2期“深潜科学与技术专刊”，点击文末“阅读原文”获取全文。