深海热液区底栖生态环境探测技术研究进展
陈宁特，韩沉花，郑旻辉，周建平
（1.自然资源部第二海洋研究所，浙江 杭州 310012；
2.自然资源部海洋观测技术重点实验室，天津 300112）
全球海洋热液区集中分布在大洋中脊、弧后盆地等板块运动活跃的深海区域。根据洋中脊全球数据库统计，目前已在全球发现700余个热液区，多分布在水深2 000～4 000 m[1-2]。1979年，“Alvin”号载人深潜器在东太平洋海隆现场探测深海热液喷口及生物群落，发现深海热液喷口附近分布着大量贻贝、虾、蟹和管状蠕虫等底栖生物[3]，以及硫氧化菌、氢氧化菌和金属氧化菌等化学自养微生物群落[4]。通过对热液微生物和底栖生物的共生机制和能量来源研究[5]，认为热液流体中的还原性物质是热液生态系统的能量来源，能够催生出独特的热液生态系统，其物种丰度和密度远远高于同一海域中的海底非热液区。热液底栖生物群落中的主要生物为甲壳类、双体软壳类、软体腹足类和多毛类等，盲虾、深海蟹和贻贝等是热液区的典型优势物种[6-11]。热液区生态环境具有高温、低氧和富含重金属等特点，高温热液可达200～350℃[12]，微生物及底栖生物为适应这种极端环境，往往进化出适应极端环境的独特的生存机制，具有巨大的生物基因资源研究价值。探测深海热液区的底栖生态环境及生物活动特点，可以帮助探索热液底栖生态系统的形成机制、演化规律等科学问题。
同时，深海热液区存在丰富的多金属硫化物资源，随着新能源技术对金属矿产资源的需求增加，以及深海采矿技术的逐渐成熟，深海矿藏资源的勘探和开发被加拿大、澳大利亚和日本等国加快推进。然而深海采矿过程不可避免地会对深海底栖生态环境造成影响，如何进行绿色可持续地开采成为深海采矿的核心问题[13]。普遍观点认为，深海采矿活动不可避免地会危害深海底栖生态系统，且原有生态系统的平衡被破坏后，需要长时间恢复或难以恢复[14]。因此，发展深海热液底栖生态环境探测技术，能够帮助我们定性和定量地了解深海采矿对底栖生态的影响，从而更好地指导绿色可持续性矿产资源采矿活动。
1.1 船基海底生物取样调查
深海底栖生态系统的探测、监测与评估多采用“现场取样—实验室分析”的传统方式。海底取样是底栖生物多样性调查的常规调查方法，是获取海底生物资源的主要方式。目前已有多种类型的海底生物取样装备（表1）。其中，桁拖网适用于大型浅海底栖生物，通常以相对较低的速度和较短的时间间隔对海底表层动物进行采样，能够捕获附着在贝壳、石头或沙之中的浅海底栖生物，用于后期分析底栖生物物种丰度[15]。电视抓斗是一种配有摄像头的液压铲斗，通常用来观察海底，以及采集沉积物和底栖生物样品等。保压取样器在获取深海生物活体样本方面更具有优势。王钰岩等[16]设计一种带有网底管保压系统的取样器，由转角油缸控制球阀开闭，从而控制保压筒内压力，可通过科考船拖曳的方式采集深海生物幼体活体样品。李玮等[17]应用三活塞柱塞泵和多级膜过滤的方案改进并设计了多级过滤保压取样器，可保真保压采集深海微生物样品。然而，海底生物取样调查分析通常采用统计学方法获得调查海域内底栖生物的丰度和生物量，其结果往往依赖于选取的测线、取样站位的取样量及取样频率，且拖网作业会引起海底沉积物扰动、底栖生物被清除等问题，导致获得的样品失真、统计结果有误[18-19]。另一方面，如果取样量大或取样频次高，取样调查则不可避免地会对调查区原有底栖生态环境造成破坏。
表1 海底生物取样装备
海底取样后实验室分析的方法虽然是底栖生态环境探测的常规方法，但仍存在某些缺陷，譬如：海底热液流体的溶解性气体由于温、压等环境参数变化，导致探测值偏离与实际值。即使采用保压取样，也会由于温度和压力改变引起深海生物的生理活动改变及微生物反应等因素，导致热液流体各组分的真实浓度无法测出。
1.2 水下潜器海底生物取样调查
水下潜器是进入深海不可或缺的重要运载作业装备，它可以下潜到海底直接观察底栖生物群落，也可用于底栖生物取样。水下潜器主要有载人潜器（Human Occupied Vehicle，HOV）、无人遥控潜器（Remotely Operated Vehicle，ROV）和无人自治潜器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）。载人潜水器可实现海底亲临现场观察、分析和评估，并利用机械手实现高效作业。无人缆控深潜器由甲板控制人员通过遥控机械手和视像观察，信息传输实时、可以长时间在水下定点作业。无人无缆自治深潜器不依赖母船提供动力，机动性强、活动范围大，根据预编程可实施长距离、大范围的搜索和探测任务，不受海面风浪的影响，特别适用于区域性详细调查。潜水器取样调查的优势在于：一方面利用机械臂精准取样，另一方面能够减少对深海底栖生态环境的影响。
在无人潜水器迅猛发展的今日，为进一步深入探测和认识深海，载人潜水器研制技术的发展和更迭受到世界各国的高度重视。美国“Alvin”号载人潜水器首先开创了人类探测海洋资源的历史。1977年“Alvin”号在加拉帕戈斯（Galapagos）断裂带首次发现海底热液和热液生物群落。法国具有代表性的潜水器是1985年研制的6 000 m级“鹦鹉螺（Nautile）”号，其主要工作是深海矿产探查和海底生态环境调查等。俄罗斯1987年建成的“和平Ⅰ（MIR-Ⅰ）”号和“和平Ⅱ（MIR-Ⅱ）”号两艘6 000 m级潜水器带有12套探测深海环境参数的先进设备，在太平洋、印度洋、大西洋和北极海底进行了海底热液硫化物矿床、深海生物及浮游生物的调查和取样等。日本1989年建成的“SHINKAI6500（深海6500）”潜水器主要用于6 500 m深海地质探查，目前日本正在研制用于海洋资源探测和深海生物调查的“SHINKAI12000（深海12000）”潜水器[20-23]。
2012年，我国研制的“蛟龙”号载人深潜器突破7 000 m潜深，之后相继在南海冷泉区[24]、西南印度洋脊热液区[25]进行科考，可使用机械臂、取样网等装备进行生物取样（图1）和光学影像拍摄，在南海海底陆续发现了玻璃海绵、贻贝、蠕虫和阿尔文虾等底栖生物。2020年，我国研制的“奋斗者”号载人深潜器在马里亚纳海沟下潜突破10 000 m深度。
表2 典型载人深潜器的技术指标与性能参数
图1 载人深潜器海底生物取样
水下潜器在海洋资源与环境勘查作业发挥了很大作用。我国研制的“发现”号无人有缆深潜器、“彩虹鱼”号载人深潜器、“深海勇士”号载人深潜器、“海龙”系列遥控水下机器人、“潜龙”系列自主水下机器人等潜水器相继投入使用，也已用于大洋资源勘探、海底环境综合考察等。
然而，水下潜器平台由于负载限制导致所携带的采样设备数量和容量有限，采样成功率和探测效率较低。通常保压取样的样品需经过避光前处理和实验室测试，并且避免与空气接触，防止环境改变所带来的测量误差。
1.3 光学影像调查
光学影像调查的设备通常会搭载拖曳式海底滑车、电视抓斗、深潜器等拍摄视频与静态照片，用于直接分析底栖生物多样性及其物种丰度等。譬如：WILMELIE C M等[26]利用海底光学拖体调查了马里兰州近海岸风电场区域1 000 m水深处的底栖生物物种种类和分布等情况。电视抓斗或光学拖体在拖曳作业过程中可能会触底，引起海底沉积物受到扰动，从而导致视像模糊。此外，光学影像调查过程会产生大量的视频和图像，为提高底栖生物的物种识别和特征探测效率，图像识别算法应运而生。李海菊等[27]基于卷积神经网络算法，构建了深海生物图片样本库，应用R-FCN_ResNet算法完成900余张海底现场照片的底栖物种识别，并验证了算法与人工识别的符合程度。李海超等[28]将立体视觉算法用于深海生物物种外形特征提取，利用水下相机、分段测量算法、匹配算法等可实现水下鱼类体长、鳍长等体型特征测量，试验结果具有较高的水下测量精度。
2.1 深海生态环境原位探测传感器
随着生态环境原位探测技术和装备向深海发展，电化学、光学等深海原位探测传感器已在海洋科考调查航次中得到应用（表3）。LUTHER G W等[29]采用镀金甘汞固态伏安电极在热液活动区对H2S和FeS进行了定量测量。2001年，丁抗等[30-31]采用固态探头，用金、银硫化物电极（Ag2S）首次在安得维尔地区水深2 200 m，370℃热液环境下探测了热液流体中溶解态H2和H2S的浓度。2018年，秦华伟等[32-34]研制的原位多参数电化学传感器（图2（a）），易于被微型化，做成探针式结构，便于集成，可用于高温高压环境下Eh、H2S浓度、pH等参数的在线探测。该电化学传感器可搭载光学摄像拖体等，多次应用于大洋航次西南印度洋洋中脊热液异常调查，探测深海热液喷口附近的Eh、H2S浓度、pH等水体环境化学指标，并且pH值、SO42-和CO32-等参数的测量精度分别可达0.015 81 g/L、0.011 55 g/L和0.020 82 g/L。吴怀超[35]设计的热液pH值原位探测系统原型样机，可在2 400 m水深的深海工作6 h，其pH值的测量精度小于0.1。从长期海洋底栖生态环境探测的角度来讲，需要类型广泛的电化学传感器，如CO2、甲烷、卤素（Cl-、Br-、I-等）离子、铁、锰金属离子和硅酸盐离子传感器。当然这就对高温高压环境下测试的材料和技术提出了更高的要求。除此之外，水体化学参数的分布规律还需要有长时间序列的流体流速分析来配合。
图2 部分深海生态环境原位探测传感器
表3 部分深海生态环境原位探测传感器及性能参数
海底原位光学传感器可用于探测原位叶绿素、H2S、CH4、硝酸盐等在水体中的浓度。胡轶[36]通过研究微弱光学信号测量方法，设计了一种原位浊度传感器，叶绿素探测灵敏度可达0.008 1μg/L，浊度探测灵敏度可达0.007 8 FTU。THORNTON B等[37]设计了深海原位多元素化学分析光谱仪（图2（b）），由“Hyper-Dolphin”号ROV机械手携带，测得冲绳海域北部1 006 m深海中Na、K、Ca、Li等元素的浓度。BEATON A D等[38]设计了微流控深海原位硝酸盐和磷酸盐传感器，搭载于采水器上在西北大西洋进行了4 800 m水深剖面探测，根据微流道内海水对紫光的吸收分析出硝酸盐和磷酸盐的含量，对硝酸盐的平均检出限为0.03 pM，对磷酸盐的平均检出限为0.016 pM。杜冉冉等[39]研制了一种深海激光诱导荧光传感器，可用于探测海水中的色氨酸等天然芳香族氨基酸的浓度。WHITE S N等[40]研制的深海原位激光拉曼光谱仪DORISS（图2（c）），多次搭载水下遥控潜器进行深海天然气水合物探测、热液活动探测等，可用于测量水体中CO2、H2S和CH4等溶解气体浓度。BREIER J A等[41]研制的一种低成本的深海原位激光拉曼光谱仪（图2（d）），可用于探测热液喷口处Fe、Mn等化合物。
2.2 深海着底原位探测平台
深海着底原位探测平台可以搭载多种类型的传感器，实现深海底栖生境长期监测、生物样品诱捕及光学影像拍摄等工作。多种着陆探测平台可联合组建海底网络，从而实现原位长期实时连续的综合性底栖生态环境探测是深海着底探测平台的发展趋势。
2015年，LINLEY T D等[42]应用深海着陆器搭载深海相机（图3（a）），调查北极、大西洋东北、地中海等海底的冷水珊瑚区，评估其对鱼类多样性和密度的影响。2016年，EDUARDO S等[43]研制的混合型着陆器（图3（b）），是一种可在深海着底的AUV，搭载环境探测传感器可用于4 000 m以下的海底生态系统长期探测。2017年，陈俊等[44]研制了“天涯”号深渊着陆器，在马里亚纳海沟进行科考应用，采集了微生物和端足类等生物样本。2018年，FEDERICO S等[45]研制了一种深海沉积物取样着陆器AMERIGO（图3（c）），可用于6 000 m以下的海底沉积物取样，可用于分析生物地球化学循环。2019年，李彬等[46]研制了一种自返式深海生态过程长期定点监测着陆器系统，并通过该系统探测到南海冷泉区温度、盐度、深度、溶解氧等生态环境信息和冷泉生物群落的活动情况。2020年，郑旻辉等[47-48]研制了一种人工诱导的深海生态系统长期观测装置，该装置能原位培养深海微生物、现场实时探测并记录数据和图像资料，同时可以诱捕底栖动物。2021年，WHEELER A J等[49]开发了集成有多普勒声速剖面仪和沉积物收集器等装置的小型底栖着陆器（图3（d）），可搭载ROV用于海底冷水珊瑚栖息地等微区环境的高分辨率精准探测。
图3 部分深海着陆器
相较于海底取样调查方法，基于海洋生物声信号模式识别的生物群落声学探测方法，具有对调查区环境要求低、可长期原位探测等优点，并且海洋生物活动声信号的生物群落探测是一种非接触式无损探测方法，对底栖生态环境不会造成影响，是一种更环保的底栖生态系统探测方法。
3.1 海洋发声物种识别技术
海洋生物声学识别技术主要利用被动采集的海洋生物声学的大数据进行深度学习，通过模式识别算法，跟踪和研究不同海洋生物物种，从而帮助了解海洋生物分布的位置、密度和数量（表4）。2015年，VIEIRA M等[50]基于隐式马尔科夫模型的模式识别方法，采集鲁斯塔尼亚蟾蜍鱼的声音对其个体进行识别，平均识别准确率可达95.5%。2016年，URAZGHILDIIEV I R等[51]针对西北大西洋鳕鱼的呼噜声设计了两阶段假设验证算法，提取了信号对数和、时域特征组合等特征，信噪比大于10 dB情况下，识别准确率可达93%。RUBEN G F等[52]提取了露脊鲸科、海豚科、鞘翅目、毛茛科等4类共8种海洋生物声信号的1/6倍频处理特征，筛选最具价值的特征，使用4个平行前馈神经网络的组合对进行了分类研究，识别准确率可达90%。陈德昊等[53]使用小波包分解将黄花鱼、大米鱼和黄姑鱼的发声信号分解到128个频段，提取频带的能量特征，使用线性判别和随机子空间判别分类器的识别准确率均达到了100%。王宸等[54]采集了厦门湾宽吻海豚、厦门湾中华白海豚、雷州湾中华白海豚等脉冲声信号，提取其倒频谱特征，分别使用KNN算法、决策树、分类回归树算法（CRAT）和朴素贝叶斯算法（BS）进行分类，识别准确率分别为99.2%、99.1%和94%。
表4 海洋发声物种识别算法及识别率
3.2 被动声学技术在虾蟹类栖息地生境探测中的应用
探测生态环境的声信号可得到底栖生物的生境信息，通过探测和分析贻贝、盲虾、铠甲虾和深海蟹等不同海底热液底栖生物活动的声信号，调查、研究和分析这些生物的分布情况、特征和生活习性等，或可间接地反映热液/冷泉生态系统的发育和演化等生境信息。研究表明，利用水听器能够记录南美洲白对虾进食过程中产生的宽带脉冲声信号[55-56]，通过分析这些声信号能够推测出南美洲白对虾的进食量。BUTLER J等[57]在佛罗里达湾使用水听器记录虾栖息地的底栖生境声信号，基于改进的圆柱形扩展模型对这些声信号进行处理，可估算虾的种群密度及其栖息地发展的健康程度。
深海热液区底栖生态环境探测需要从水体环境要素、生物物种类别与分布两个方面进行探测与调查。目前，潜器进行海底生物取样和深海光学影像，可以实现深海热液区生物物种类别与分布的调查任务，但存在作业时间短、调查效率低的问题。电化学、高光谱等深海原位探测传感器等技术已经可以进行pH、H2S浓度等水体环境调查，可在此基础上结合深海着陆平台进一步发展长期原位探测装备。
着眼于深海热液底栖生态的科学需求和未来海底采矿的环保需求，未来针对深海热液底栖生态环境探测技术的发展可围绕以下几点。
（1）深海取样和光学影像记录的方法具有不可替代的作用，仍会是深海热液底栖生态环境探测的主要方式。对于大规模应用的海底取样装备，需要针对减少海底扰动、减轻生态破坏等做出改进。深潜器具有直接观察深海底栖生态环境的能力，目前可做到全海深探测，且活动灵活，是深海科考不可或缺的重要装备。
（2）潜器携带深海生态环境原位探测传感器进行深海信息探测是一种前沿技术，当前已发展出电化学、光学等传感器，在今后的发展上，一是要优化自身结构从而便于搭载潜器，二是提高探测精度、灵敏度和稳定性等传感器探测性能，如实现微小变量测量、抑制漂移、降低检出限等。
（3）深海着陆器可携带多种深海原位探测传感器，对深海底栖生态系统进行长期探测。
（4）被动声学探测技术有应用于深海底栖生态环境探测的潜在价值。发展原位声学探测装置，探测热液底栖生态中虾蟹类生物的声信号，应用模式识别算法或可得到热液生态环境中的物种种类信息，应用生境评估技术或可反映热液底栖生态系统的发展状况。
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