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方法的文章

前面。3月科学。2023年4月27日
秒。深海环境和生态
卷10 - 2023 | https://doi.org/10.3389/fmars.2023.1179818

深海冰箱

  • 1Super-cutting-edge宏伟和高级研究项目(糖),Extra-cutting-edge科技先锋研究所(x),日本地球科学和技术部门的(JAMSTEC),日本神奈川县横须贺
  • 2海洋生物多样性与环境评估研究中心(BioEnv),全球变化研究所(RIGC),日本地球科学和技术部门的(JAMSTEC),日本神奈川县横须贺

恢复原始的样本深海条件困难是由于环境差异大的深,地表水样品一定必须运输。在这里,我们提出一个概念深海样本恢复:深海冰箱使用热电冷却能产生冰在深和恢复他们的冷冻车载船只。作为一个概念证明,我们现在DSF-α,原型基于珀尔帖深海冰箱设备额定在2000米。原位评估的DSF-α遥控车辆显示能力达到冻结深(-13.0°C)的温度,以及恢复海水冻结在甲板上。虽然DSF-α有限,实现充分冻结有用的示例复苏是耗费时间,整个深海冰箱打开新的可能性的前沿保存各种类型的深海样品和有潜力成为适应根据各种深海研究社区的需求。与第一个文字的海洋雪深,我们还是能一窥未来经济复苏可靠的半深海样本不再费力。

介绍

深海是黑暗,冰冷的海洋领域占95% (德拉赞和萨顿,2017)。它拥有独特的生态系统,如热液喷口,现在扮演着重要的角色在维持地球的功能我们的社会所依赖,如二氧化碳捕获和存储(阿姆斯特朗et al ., 2012)。我们正在远离了解生态系统的功能原位在深(Folkersen et al ., 2019困难),阻碍了部分的恢复原始样本。环境条件如温度和压力深海底部是非常不同的从上面的地表水。恢复样本深海不可避免地意味着运输通过这种差异,冒着从最初的改变原位状态(La Cono et al ., 2015)。保持样品尽可能接近于原始条件是深海的核心科学,特别是深海生物和地球化学新技术不断被开发和使用。

冻结是最有效、高效和广泛使用的样品保存方法在自然科学中,能够抑制几乎所有的样本来源条件改变。这包括不仅代谢和基因表达的变化,而且蒸发、氧化、分解的有机成分,使它对所有样本类型无所不在地有用。然而,尽管寒冷,深海从未冻结,即使在“雪球地球”冰期时期(Ashkenazy et al ., 2013)。通常,冷冻样品在现场工作需要运输的商业(深)冰柜和/或冷却剂如液态氮或干冰。然而,商业使用蒸发压缩循环制冷冰箱不可行的深海水下——采取冷却剂是不现实的,因为这需要大型专业压力容器。据我们所知,没有冰冷的海水的例子或样品原位已经发表的深海中虽然从浅水气体剥离(< 200米深度)已被冻结的住房内的设备基于Stirling-type冷却器(Gentz Schlueter, 2012)。

我们提出一个概念意识到深海冻结,使用与小型热电冷却,轻量级的珀尔帖效应冷却器。这些盘型半导体器件将电力转换成温度差异的两个面孔,珀尔帖效应(珀尔帖效应,1834)。直流电流时,热吸收发生一侧的珀尔帖效应装置和温差产生的另一边。原则上,维护“热”的珀尔帖效应冷却器能产生60°C的温度差异在5°C意味着“酷”一边在-55°C,在冰冷的海水中。以前,热电冷却模块设计和测试用于深海(京和伊藤,1994),但是这个设备只能够冷却海水~ 3°C和没有可行的冰箱。temperature-preserving深海的水取样器基于热电制冷是最近开发(吴et al ., 2022),但这只是为了保护原位温度和不作为深海冰箱。虽然肯定有其他企图建立深海冷却器基于相同的概念,他们仍未发表我们的知识。

在这里,我们报告的成功建设了第一个原型深海冰箱,名叫DSF-α(深海冰箱α版本),可能引发新的深海样本复苏。DSF-α是测试原位第一次在12月25日th2020在遥控车(ROV)Hyper-Dolphin车载R / VShinsei-Maru克鲁斯KS-20-J07,证实了冰的形成第一个深海摄像机被用于监测。2月3日理查德·道金斯,2021年,我们成功地恢复了深海冰从850与DSF-α由ROV深度KM-ROV在R / V凯美克鲁斯KM21-E02尽管没有摄像机用于监控。尽管一些冷冻过程所需时间,我们的实验室原位潜水测试提供了第一个概念证明,深海寒冷的珀尔帖效应冷却器是可能的。

材料和过程

材料

原型DSF-α(图1)由珀尔帖装置(PD;图1,2号),两个铜块附着在“热”(放热)和“酷”(吸热)PD的面孔,一个aluminium-made散热器,热电偶,一个电连接器,一个压力住房、电动单元住房,和一个蠕动泵。我们使用商用PD (UT7070-AL、SCNT Inc .)、日本),认为合适的由于其能力实现吸热传输速率高达132 W或生成温度之间的差异将面临72 k尺寸为73 x 72 x 5毫米(宽度深度x高度)。高导电性的面孔是铝做的表面上。的最大传热速率达到132 W的电源DC28V和7 (196 W),证明64 W是用于驱动PD和疲惫的从“热”表面以及转移热量。这两个铜块(图1,3号,7)安装在PD的两面,一个“热”和一个“酷”的一面。放热铜块的一侧有一个光滑的表面以达到一个完美的适合PD,而另一个表面有一系列的鳍(图17和8号之间),提高传热效率。吸热的铜块也有类似的光滑表面对PD公司附件而另一边是凸的,或铜块被修改成一个开放越来越多的不同类型的铜附件(详情如下)。和厚度的吸热和放热的铜块表面安装在PD是20厘米2,2.0×1032分别,56毫米和21.5毫米。小块之间的缝隙和PD的表面充满了油脂(TK-P3D Sanwa-Supply Inc .,日本)来实现高效的热传导的紧密配合。散热器(图16 - 8)由一个放热铜块核心,进一步绑定到一个系列的铝块(压力阻力,见下文)。确保两个铜块紧密三明治的PD有效传热,一系列弹簧结构安装。两个不锈钢管(SS-4BHT-6,接头锁紧螺母、美国)渗透住房的压力,一个用于提供周围的海水冷却和一个用于卸货后使用(图1罪犯15)。辐射的热量放热的铜块,凉爽的海水环境是由外部蠕动泵(在图1一个)在水中行进路径的空间散热鳍铜散热器中定位(图1 c)。一个热电偶插入的冷却表面之间的差距PD和吸热的铜块用于PD的确认操作通过监测温度。一个电连接器(水电、英国)电源(DC24V时,马克斯8)和温度数据通信连接DSF-α的主体通过的电力单位DSF-αROV的电动港口。

图1
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图1DSF-α的图表和插图。(一)框图显示这个概念。(B)整个系统的内部建设。(C)散热器的透视画法。(D)透视画法的珀尔帖效应装置(PD)和周围传热机制。(E)概述系统的外观。数字对应于:1、基础的PD和低端住房的压力;2、热电PD;3、吸热降温的铜块;4、水平保持者PD由合成树脂;5、绝缘层PD和压力之间的住房由合成树脂;6,下部围绕控股放热的铝块铜块促进传热;7,放热‘热’铜块;8、散热器铝块的上部连接到水进气和排气;9,住房压力的墙; 10, Top of the pressure housing with inhalant/exhalent tubes for the cooling water and containing the electric communication connector (11); 12, Handle for manipulation by the submersible; 13, Connectors for cooling water inlet and the peristaltic pump; 14, O-shaped insulation layer; 15, Stainless-steel flexible tubes used to transport cooling water.

DSF-α的住房压力是由TUFRAM-coating铝和旨在抵制20 MPa的压力,对应于2000米水深,安全系数为3。证实了压力耐受性在20 MPa压力测试在一个压力室开展日本地球科学和技术部门的(JAMSTEC),日本。2000上的套管外是一个额定压力住房由三部分组成,(1)腹腔主要住房,(2)“酷”或吸热铜块一端,和(3)一个后盖的吸入和呼出的管子通过另一端(图1 c)。

PD的二级压力阻力机制,尤其是对高压渗透的海水冷却,散热器室。像周围的海水进入散热器冷却室,吸入剂和发散的管道都是在高压下,相同的散热器。散热器室由两个放热的铝块铜块。一个铝块(图1,6号)是一个管状结构,围绕着放热铜块。铜块t形截面,结合铝块中l形截面(图1 b, D)。第二个铝块(图1,8号)嫁给了鳍的放热铜块。两个铝块加入了10六角联轴器螺栓(图1 c),这些螺栓的紧缩导致压力宽容。内部空间,包括PD,住房的压力保持在大气压力下甚至在深海,由于压力阻力展出由吸热铜之间的紧密联系和住房的压力(1和3,图1 b),以及铝块和不锈钢管(6 - 8和15,图1 c)在它周围的海水冷却。

的主要系统DSF-α直径150毫米,263毫米的高度,不包括电连接器的预测。主系统的重量是9.5公斤的空气和5.5公斤水。直接从ROV的蠕动泵驱动,并独立于主DSF-α的电力系统。一个丙烯酸树脂立方房屋被用来包含DSF-α系统在实验室和原位深海考试。在实验室检查,一个闭环水冷却器用于连续供应水散热器的冷却,冷却的蠕动泵和海水环境使用原位。第一原位深海考试、铜网是安装在吸热的铜块,周围像一个管,增加冰在相机生成的可见性。对于第二个原位深海评估和随后的进一步实验,身体形成一个可选的附件吸热(酷)铜块由丙烯酸管类似于使用传统的推式取样管(图2一个)。我们也设计的另一个可选的附件与铜磁盘有效的微生物取样垫(图2 b),但这不是应用在这项研究。

图2
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图2图表和插图可选铜吸热铜块DSF-α附件。(一)为了获得附件与丙烯酸管类似传统的推动去心器。(B)微生物垫盘状附件的集合。数字对应于:1、压力DSF-α住房;2,吸热的‘冷’与孔铜块附加可选部分;3、丙烯酸管的基础;4,后盖的丙烯酸管;5、螺丝基地;6,螺丝附件吸热铜块;7、M8坚果螺丝(6);8、为了获得铜块;9日,丙烯酸管(ϕ120mm和L180毫米); 10, Insulation for the disk-like copper block; 11, Disk-like copper block.

程序

在评估期间,冷水机(用于实验室测试)或蠕动泵(原位测试)是在第一次供电,主DSF-α系统之前,为了避免主系统启动之前被加热。几分钟后,电力供给DSF-α发起PD的操作,以及温度监测。

评估

测试1:实验室检查在空气中

温度变化的典型模式和冰的进步一代DSF-α暴露在空气在大气压力没有绝缘测试实验室检查所示图3一。初始温度丙烯酸的淡水室和冷却器被设定为+ 5°C,而室温20°C。由热电偶冷表面温度监测的PD DSF-α12°C时,电源主系统开始。DSF-α的温度降低到5°C 1分钟后,进一步降低之后4分钟后0°C, 12分钟后5°C。当时,薄层的冰覆盖吸热,凸、铜块是可见的。水从DSF-α呼出后冷却系统总是低于7°C;蒸发的水和之间的最大温差DSF-α很酷的一面是18°C。DSF-α系统连续运行3个小时,之后,温度已经下降到-12°C和冰的层,清晰和外观无色,长大了大约20毫米厚度。电流提供PD (DC24V时)几乎稳定在6.0期间实验。整个住房压力的身体DSF-α也冷,建议充分散热器排热的机制而电冷却的金属体PD。 We also repeated the same experiment while wrapping the whole DSF-α system in a layer of cloth-based insulation from air, and in that case the inhalant and exhalant water stayed at 3°C and 6°C, respectively, but the DSF-α temperature dropped to as low as -20°C (data not shown). This was deemed to be the lowest temperature achievable with the DSF-α.

图3
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图3温度记录在1和2的DSF-α评估测试。(一)实验室评估(没有额外的隔热层在空气中)。(B)原位实地评估ROVHyper-Dolphin(HPD)没有额外的隔热层。(C)原位现场评估KM-ROV使用一个额外的隔热层。上午9点到10点之间的峰值代表一个短时间内,当我们把温度记录在故障排除了ROV团队。由DSF-αΔT代表温度差异。

这些实验作为基准的冷却能力DSF-α并建议可能的限制因素。呼出的水在一个恒定的温度在整个实验室操作DSF-α,表明是达到稳定状态对散热器传热。代表导热系数的一般方程(如下所示)和放热铜块的物理性质稳定状态给出了估计PD的热端温度:

= 一个 × λ × ( Th Tc ) / l (Eq1)

在哪里

问:传热速率([W],未知)

答:铜块接触面积PD ([m2),2.0×103)

李:厚度的铜块,不包括鳍([m], 21.5×103)

导热系数λ:Material-specific ([W K11纯铜),400年)

Th:铜块的温度在热端([K],未知)

Tc:温度凉爽的一面铜块([K], 279 = + 6°C呼出的水)

我们可以确定散热器的传热速率为126 W,从观察到的水流速10毫升秒1和观察到的温差3 k的吸入和呼出的水。用Q 126 W,方程生成的Th 282 k (9°C)。虽然局限在精度、精度和分辨率量化的流量和水的温度可能会导致一些偏差估计传热率和输出值,这种程度的不确定性被认为是不重要的综合评价系统的功能。

Th(即放热PD)表面温度282 k和PD的吸热表面只达到-20°C的实验表明,PD DSF-α是生成一个29 k温差尽管目录规范注意的能力来生成一个72 k的区别。PD-specific传热率在29日温差5.8 k和电源DC24V时有望达到70 W(目录规范)。这支持我们估计传热速率的126 W,是大约相当于估计吸热率之和(70 W)和热损失对操作PD (< 64 W,见材料)。

相反,如果我们假设PD的确是生成72 k的最大温差在其目录所列规格、Th应该52°C (325 k)的最低温度DSF-α热电偶被观察到-20°C。替换一个常数Th 325 k值Eq1导致1712 W的传热速率。这估计是一个数量级大于上述估算(126 W)的观察温度和流量吸入剂/发散的冷却水。因此,民主党不太可能操作在其目录DSF-α温差。因此,冷却能力的限制因素(因此最低温度观测在吸热端)的DSF-α在三个小时的手术可能是由于系统达到其最大传热能力,而不是最大温差(例如72 k)。

我们推断,由于连续传输热能从空气中穿过金属住房压力,最大传热速率DSF-α系统不足的系统达到72 k的温差。这也是支持的温度凉爽的一面PD降低绝缘系统时的空气。类似的现象可以预期的操作系统在水下时,将限制可以实际达到的温度与DSF-α吸热端。

测试2:原位深海评估

DSF-α系统,安装在丙烯酸室没有绝缘,是获得正面的载荷对ROV篮子Hyper-Dolphin(图4 a, B)。潜水ROV的# 2120Hyper-Dolphin进行了Hatsushima岛(35°01.0镑139°13.3说的),在12月25日外相模湾吗th,2020年在R / VShinsei-Maru巡航KS-20-07J。摄像机将不断监测和记录形成的冰DSF-α室。ROV部署到海面时(08:22 JST,相同的时间戳以后),空气在散热器空间取代了DSF-α表面的海水在20°C。

图4
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图4观察期间DSF-α领域的评估车载ROVHyper-Dolphin在2020年的圣诞节图3 b)。(一)在部署系统的概述。(B)抵达海底。(C)第一个可见冰晶(箭头指向冰)。(D)深海冰的规模增长。(E)在这潜水冰产生的最大数量。(F)融冰生成闪闪发光的水(开放箭头),冰的大小减少。

蠕动泵是开始当ROV到达海面,和下面的电源在08:52 PD开始,在水深300米。此时环境温度为11.1°C时,“酷”面对DSF-α14°C。600米(09:04)深度DSF-α温度测量下降到0°C,在周围的海水温度是5.4°C (图3 b)。缺乏波光粼粼的水域在蠕动泵的排气孔表明通过散热器的海水室没有明显比周围的海水变暖。09:19,ROV刚刚抵达海底(深度854米,周围的海水温度3.7°C), DSF-α的温度下降到5°C。生产的第一个深海冰最初看到附近的房地产商会在11点左右(图4 c;补充视频1),当DSF-α温度已经达到9°C。的最低温度的“酷”一边DSF-α系统记录在潜水是-10°C维持3.5小时(图4 d)。深海冰规模稳步上升至16:00时(图4 e),当ROV离开海底复苏。深海多云,冰浆外观这表明它是slush-like而不是固体块。在ROV的崛起,“酷”的温度在DSF-α增加随着时间(由于浅深度和增加周围的海水温度)。而提升,在深海海水冰展出一个闪闪发光的外观(图4 f)。这表明冰层开始融化,生成水和周围的海水密度区别源自深海融化冰。更快速融化的水深600米,周围的海水温度是5°C。深海冰继续减少在大小和可见到100米的深度16:25 DSF-α时关闭。在16:28闪闪发光的效果消失了,当ROV到达海面。深海冰层完全融化的时候观察DSF-αROV恢复后甲板。

因为我们知道从实验室评估的主要限制DSF-α是传热与外界金属住房,我们测试了系统后再添加一层绝缘外住房的压力(图3 c)。DSF-α配备cloth-based绝缘,point-ended,为了获得铜附件安装为一个扩展的放热的铜块,依次由丙烯酸管类似于一个传统的推式取样管(图2一个)。该设备是安装在后方有效载荷的架KM-ROV在潜水# 150,车载R / V凯美巡航KM21-E02。这潜水也进行了Hatsushima外相模湾岛,2月3日理查德·道金斯,2021年。不幸的是,没有摄像机可以持续监测冰形成过程在这个跳水。测试过程相似,在ROVHyper-Dolphin潜水# 2120,除了额外的隔热层。水温16°C在海面ROV部署(08:17)时,稳步减少,直到到达998米深的海底(08:49)之后,它稳定在4°C (图3 c)。温度的吸热的PD DSF-α达到-13.0°C在10点之前,一个稳定的状态,保持相对底部不断,直到ROV离开阿联酋。17°C的温差产生在这潜水3°C大于评估没有隔热层,显示更好的绝缘的确会增加深海冰柜的效率。DSF-α被关闭在ROV在16:31提升300左右,当DSF-α和周围的海水在-11.1°C和11°C,分别。16:41,当ROV到达30 m, DSF-α和周围的海水都大约在2°C和16.9°C,分别。生成的冰DSF-α成功保留ROV的复苏过程中(大约200毫升的冰身体形成底部的附件),我们成功地恢复了深海冰车载R / V凯美。离子色谱分析的水从冰融DSF-α显示生成的氯离子和硫酸盐浓度约70%低于深海的水,说明溶质消除冰时形成的深海。

测试3:实验室检查

确认环境温度的影响在DSF-α尚无结冰功能和可恢复性,实验室纯水在两种不同温度下实验设置,25°C和6°C(分别模拟海面和深海条件)。DSF-α是配备在吸热端身体附件一样测试2(图2一个),并进一步在新设计的塑料绝缘船体绝缘。温度监控在PD的冷表面,身体形成的依恋,住房压力之间的空间DSF-α和塑料外壳,和蒸发的水。

在25°C水设置测试3模仿海平面状况,整个DSF-α系统就淹没在水中了水浴设置为25°C,和蠕动泵冷却水供应到DSF-α也淹没在相同的水浴(图5一个)。DSF-α无法生成冰下实验设置。冷表面温度监测的PD DSF-α和身体的尖端附件达到低至12°C和23°C,分别在15分钟后DSF-α被启动,但不能冷却60分钟的任何进一步的实验时间。由于热量从操作,温度DSF-α住房和压力之间的绝缘外壳被发现26°C (1°C高于环境温度),和蒸发的水5°C高于环境温度。热的和冷的表面之间的温差PD大约是20 k。电流提供PD几乎稳定在5.2。

图5
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图5温度记录在评估测试3 DSF-α,实验室测试用塑料绝缘外壳。(一)随着水浴25°C(海平面温度)。(B)随着水浴模拟深海条件:第一4小时30分钟DSF-α是动力和水浴将6°C,然后DSF-α断电,水浴获准逐渐升温模拟温度变化在ROV复苏。

6°C水设置测试3模拟深海条件下,整个DSF-α系统是淹没在6°C水浴,与从外部提供的冷却水冷却也设置为6°C (图5 b),而其他设置相同的25°C的实验。冷表面温度监测的PD迅速下降到0°C在第一分钟的操作,然后到-10°C 18分钟后通过,最后达到了-16.6°C。温度监控的身体形成依恋缓慢但稳步下降到2°C。一层薄薄的冰开始形成(即身体形成底部的依恋。吸热的铜块DSF-α)< 10分钟的操作;在270分钟的连续操作产生的DSF-α大约1000毫升的冰(图6;补充电影2)。在冰的增长,住房和绝缘外壳的压力之间的温度稳定在6°C,而蒸发的水稳定在10°C。电流提供PD几乎稳定在5.7。

图6
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图6冰的形成过程在评估测试3模拟深海条件(水浴设置为6°C),后跟一个模拟ROV复苏,时间戳显示时间开始以来的实验(hh: mm)。

模拟冰融化ROV的复苏期间通过温暖的表层海水,DSF-α被关闭,然后水浴逐渐升温。逐渐融化的冰被观测到的时间,但可见的冰仍然在位时间超过两个小时图6;补充电影3)。后立即关闭DSF-α,PD的冷表面迅速增加到0°C。在水浴加热,温度的冷表面PD稳步增加从水浴温度在-10 k抵消,而住房的压力抵消了3 k。这意味着冰融化的部分原因是由于传热导电金属DSF-α的住房压力。矛形的尖端附件保持在0°C到热电偶上的冰融化,然后逐渐增加。

讨论

我们的原型,DSF-α,成功地实现了原位冻结在深海和车载恢复冰块,作为证据,我们的概念,深海冻结,是可行的。活跃,连续冷却的‘热’的PD使用环境深海水以及被动冷却整个DSF-α身体周围的海水确实足以产生温差足以产生冰在PD的“酷”一边。我们认为目前的设备已经用于检索原位冷冻深海样品等目的蛋白质组学分析。另一方面,冻结的速度似乎缓慢,不足以保护更不稳定的分子,比如mRNA转录组分析。结果从我们的实验室和实地评估点到传热能力的限制达到更低的温度,从而使更多的冰快。为了使原位冻结作为一个更有用的取样工具,冻结的速度应该提高。

可能的改进的冷却能力DSF PD是使用多个层。分层多山PDs是一种常用的方法更多降低温度的“酷”一边PD尽可能低,根据热去除效率PD在“热”的一面。因为DSF-α的传热机制通过抽水的凉爽深海的水能够达到足够的热量消除从“热”,如图所示的热量预算评估测试1,多个层PD将导致实现更低的温度和速度在“酷”表面冷却。分层的PDs可以通过调整构造电力布线和长度内的道具DSF为了保存多个PDs (图116号),分层PDs保护环境压力的深海环境就像单一DSF-αPD。此外,虽然我们使用蠕动泵在当前设计、高体积叶轮泵可以改善冲洗的散热器也消耗更少的能量。

另一个可能的改进的冷却机制和利率DSF是通过改善“酷”之间的绝缘,住房的压力。同时成就的压力耐受性和导热,吸热铜渗透到住房的压力。这样的结构可以介导传导传热周围的海水和PD的吸热面之间通过住房压力的身体和铜块。虽然绝缘板内置住房(图114)来缓解这个问题,这似乎是不够的,可以改善。金属压住房是有问题的,作为一个网站的传导传热系统环境。改善从材料的角度来看是很困难的,因为目前其他一些可用的和合适的压力(非金属)材料住房结合相似水平的压力耐受性和隔热性能。然而,我们注意到,钛是一种更合适的材料为住房的压力由于其较低的热导率与铝相比,尽管一个清晰的缺点是钛是昂贵得多。紧密密封不同部分之间的空间与树脂或类似的材料可以提高绝缘,但这将会使维护更加剧烈。我们表明,添加一层绝缘外的住房改善了性能,表明改进的外墙外保温的外壳可能会进一步提高性能。

最合理的方法冻结深海样品快使用当前版本的DSF-α是使用多个DSF-α设备冷却封闭体积小的空间。例如,两个或两个以上的“酷”的一面DSF-α可以对齐目标一个半封闭的空间像一个丙烯酸室。目标样本可以被吸入取样器为室,然后相对快速冷冻的同时操作多个DSF-α设备。我们的实验室模拟冷却环境水(图5 b)表明,需要两个小时达到0°C的身体形成附件,尽管“酷”PD表面达到-15°C立即和冰形成的根源附件10分钟内开始。例如,如果两个DSF-α设备设置面对面,相互联系通过高导电铜附件之间的空间dsf弥合了附件将冷却两倍相比,当只使用一个设备。单个DSF-α需要~ 150 W (x ~ 6 DC24V时)的权力操作,因此电源是一个多个DSF-α的并发操作系统的限制。商用深海电池的容量在写作的时候通常是几百到几千Wh。因此,多个DSF-α系统可能的操作困难等技术天文台兰德斯(如。Oguri et al ., 2016;人民et al ., 2019),除非电池高容量可以采购或所需的操作时间很短。这是但是不是问题在ROV的情况下使用,可以提供足够的电力从船上通过电缆。

DSF-α不仅能够冰冷的海水,但也能冷却周围的环境中,样本,或设备部署在深海环境中(没有冻结)。这领域的适用性实验生物学的深海动物,在动物通常需要适应了很长一段时间前两周)(理想实验如果收集并恢复从海底没有特别规定(Sigwart和陈,2018)。如果动物生存这个过程首先,海上,时间通常是有限的和不允许足够的适应。深海动物海拔温度非常敏感,与许多生理上无法容忍几度的变化(切尔德里斯Girguis, 2011)。虽然或多或少不透水的生物盒和吸取样器室以来构造早期的深海科学,这些都是无法完全隔离动物包含在水温变化恢复(Sigwart和陈,2018)。使用一个类似DSF-α维护的设备原位温度在复苏将提高活体动物实验的成功率。

结论

我们建议深海冰箱的概念,使用珀尔帖设备形成冰原位在深海为了恢复完整的样品。我们的原型设备,DSF-α,确实是能够冻结海水原位甲板上,以及恢复冰块。评估DSF-α使用器在深海中证明我们的概念通过生成温度低至-13.0°C和成功使第一个文字的海洋雪深了。我们也能够恢复冷冻深海冰车载研究船,实现运输冷冻材料从深海深冻冰箱在实验室没有除霜。作为商用DSF-α基于PD和构造简单,易于采纳和使用原则。我们DSF-α是第一的,只有一个原型。我们建议一些路线推进DSF和展望未来当一个有很大改进的版本的原型构造,开放一个伟大的多样性在深海中的应用研究。

数据可用性声明

最初的贡献提出了研究中都包含在这篇文章/补充材料。进一步询问可以针对相应的作者。

作者的贡献

SK概念化和设计研究。YM和SK DSF-α的设计并参与了建设。SK, YM, HN, CC评估进行深海的冰箱。SK和CC解释结果和起草了手稿。所有作者的手稿和批准提交的最终版本。

资金

这项工作在一定程度上支持JAMSTEC创新奖(2017)。这项工作在一定程度上是基于结果的研究巡航KM21-E02 JPNP18016资助的项目,委托开展的新能源和工业技术发展组织(NEDO)。

确认

日本DSF-α是由海洋工程有限公司(日本的横须贺),感激地承认这个原型的努力生产设备和优质的服务。作者Makabe请进行离子色谱分析。我们感谢R / Vs的船长和船员Shinsei-Maru凯美飞行员和机械的技术团队Hyper-DolphinKM-ROV在探险期间KS-20-J07和KM21-E02科学活动的大力支持,特别是在2020年的困难时期由于COVID-19大流行。深海冰箱就不会意识到没有肯Takai的鼓励和安慰,Asahiko Taira,对此我们非常感激。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

出版商的注意

本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。

补充材料

本文的补充材料在网上可以找到:https://www.雷竞技rebatfrontiersin.org/articles/10.3389/fmars.2023.1179818/full补充材料

补充视频1 |期间DSF-α的延时原位检查车载ROVHyper-Dolphin。时间戳是JST(日本标准时间)。高分辨率视频Figshare上可用:https://doi.org/10.6084/m9.figshare.22678015

补充视频2 |延时的冰形成评估测试期间3模拟深海条件下,与DSF-α动力和水浴设置为6°c .视频加速10 x。高分辨率视频Figshare上可用:https://doi.org/10.6084/m9.figshare.22678015

补充视频3 |延时的冰融化后在评估测试3(从冰形成补充视频2),当DSF-α断电和水浴逐渐升温。视频加速10 x。高分辨率视频Figshare上可用:https://doi.org/10.6084/m9.figshare.22678015

引用

阿姆斯特朗c W。福利n S。,点R。,范举起s (2012)。服务从深:步骤估值深海的商品和服务。Ecosys。服务公司。2,2 - 13。doi: 10.1016 / j.ecoser.2012.07.001

CrossRef全文|谷歌学术搜索

Ashkenazy Y。,吉尔H。菲米。,麦克唐纳·A。,施拉格d P。Tziperman大肠(2013)。一个雪球地球海洋动力学。自然495年,90 - 93。doi: 10.1038 / nature11894

《公共医学图书馆摘要》|CrossRef全文|谷歌学术搜索

切尔德里斯J·J。Girguis p r (2011)。在主机内共生的代谢需求化能自养的代谢生理能力。j . Exp。杂志。214年,312 - 325。doi: 10.1242 / jeb.049023

《公共医学图书馆摘要》|CrossRef全文|谷歌学术搜索

德拉赞j . C。萨顿t . t . (2017)。餐厅在深:深海鱼类的摄食生态。为基础。启3月科学。9日,337 - 366。doi: 10.1146 / annurev -海洋- 010816 - 060543

CrossRef全文|谷歌学术搜索

Folkersen m V。,弗莱明c . M。哈桑,美国(2019年)。深度深海政策和立法的不确定性。全球环境。改变54岁,1 - 5。doi: 10.1016 / j.gloenvcha.2018.11.002

CrossRef全文|谷歌学术搜索

Gentz T。Schlueter m (2012)。为改善水下cryotrap-membrane进气系统(CT-MIS)原位气体分析。Limnol。Oceanogr。:方法10日,317 - 328。doi: 10.4319 / lom.2012.10.317

CrossRef全文|谷歌学术搜索

鬼眼狂刀M。伊藤,t (1994)。“深海热电模块的基本实验,”日本十五研讨会上热物理性质,B314卷(富山、日本:日本社会的热物理性质)。469 - 472。

谷歌学术搜索

La Cono V。,Smedile F。拉位咨询专家G。Arcadi E。,热那亚的M。,最近G。,et al。(2015)。变化在中间和深海区的古菌群落组成在复苏和短期处理解压深海样本。环绕。Microbiol。代表。7,450 - 459。doi: 10.1111 / 1758 - 2229.12272

《公共医学图书馆摘要》|CrossRef全文|谷歌学术搜索

Oguri K。,Furushima Y。,Toyofuku T。,Kasaya T。,Wakita M。渡边S。,et al。(2016)。长期监测海底环境的大陆坡大槌湾,日本东北部。j . Oceanogr。72年,151 - 166。doi: 10.1007 / s10872 - 015 - 0330 - 4

CrossRef全文|谷歌学术搜索

珀尔帖j . c . a (1834)。新式的经历在la caloricite des柯朗规程(新实验电流)的热影响。编年史Chimie体格56岁,371 - 386。

谷歌学术搜索

人民l . M。,Norenberg M。,价格D。,McGoldrick M。,Novotny M。,Bochdansky A。,et al。(2019)。full-ocean-depth额定模块化着陆器和保压取样器收集下hadal-endemic微生物的能力原位条件。深海研究》第一部分143年,50-57。doi: 10.1016 / j.dsr.2018.11.010

CrossRef全文|谷歌学术搜索

Sigwart j . D。,陈(2018)。比较耗氧量的腹足类动物共生功能体从深海热液喷口在印度洋。医学杂志。公牛。235年,102 - 112。doi: 10.1086/699326

《公共医学图书馆摘要》|CrossRef全文|谷歌学术搜索

吴。,王X。,王。,张B。,Ynag C。,h (2022)。活跃temperature-preserving深海水取样器配置一个pressure-adaptive热电冷却器模块。深海研究》第一部分181年,103701年。doi: 10.1016 / j.dsr.2022.103701

CrossRef全文|谷歌学术搜索

关键词:原位冻结、热电冷却、珀尔帖装置、样品保存,深海冰

引用:Kawagucci年代,松井Y,陈Nomaki H和C(2023)深海冰箱。前面。3月科学。10:1179818。doi: 10.3389 / fmars.2023.1179818

收到:2023年3月04;接受:2023年4月14日;
发表:2023年4月27日。

编辑:

Erik Cordes美国天普大学,

审核:

圣地亚哥Herrera利哈伊大学,美国
东胜张自然资源,中国
Peter r . Girguis哈佛大学,美国

版权©2023 Kawagucci,松井Nomaki和陈。这是一个开放分布式根据文章知识共享归属许可(CC)。使用、分发或复制在其他论坛是允许的,提供了原始作者(年代)和著作权人(s)认为,最初发表在这个期刊引用,按照公认的学术实践。没有使用、分发或复制是不符合这些条件的允许。

*通信:Shinsuke Kawagucci,kawagucci@jamstec.go.jp

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