本发明属于环境功能微生物挖掘自动化分离培养，尤其涉及一种高通量微生物自动化分离培养装置与方法。
背景技术：
1、一些具有特定功能的微生物可以在特定环境中对某些有害物质进行降解和转化，或者具有修复受损环境的能力，在环保废水处理、废气净化、土壤修复等污染治理中具有广泛的应用价值。通过定向培养筛选以挖掘具有高效转化能力的微生物正是当前环境保护领域一个研究热点。
2、环境微生物的培养和筛选一般操作步骤如下：首先利用移液器稀释、移取、转移、分配从环境中提取的含悬浊微生物试液至培养板，然后再整体将培养板转移至培养箱中进行培养生长，待一定培养时间后目视观察或利用光度计检测培养板识别阳性点位，再用转移工具将阳性点位的样品接种至新的培养板上进行扩培或供下阶段研究使用。
3、以往，上述操作主要是以手工操作方式进行。近年来，随者自动化技术的发展，一些具有自动物体搬运功能的设备逐步进入人们的视野。例如，专利us7310147b2披露了一种集成光谱检测器的细胞挑选机器人装置，可以在很大程度上提高培养后目标细胞的挑选工作效率。但由于此类的自动化自动细胞挑选设备仅能完成从经过培养生长好培养皿表面挑选固态或半固态目标物，具体应用中还需要工作人员参与，在不同的设备之间反复转移样品，甚至还要在转移过程中进行复杂的样品防污染保护操作。手工操作或半自动操作方式，一方面因为操作步骤繁多，费时费力，工作效率低下；同时，操作需要在开放的环境中进行或者不可避免地存在开放环境暴露环节，经常因样品污染或环境暴露导致试验失败，工作质量难以保证，无法满足环保研究领域基于液体培养基方案且涵盖从初期培养至阳性样品筛选全流程的功能微生物挖掘应用需要。
4、本专利披露了一种高通量微生物自动化分离培养装置与方法，利用自动化技术，在单一封闭环境中自动完成“取样分液-恒温培养-检测识别-分选转移”功能微生物挖掘整个操作过程，且适用于液体培养基方案，螺口样品管的方案能够为后续的其他工作样品转移提供更好的防污染保护。技术方案具有适用性广、通量大、安全性高等特性，可以有效提升环境微生物培养分离操作通量和工作效率，降低因样品污染或环境暴露导致试验失败概率。
技术实现思路
1、本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种高通量微生物自动化分离培养装置与方法。
2、本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
3、第一方面，本发明提供了一种高通量微生物自动化分离培养装置，包括：控制单元、外罩壳、工作平台、自动气动移液器、搬运抓手、xyz三轴移动装置、模拟光照装置、螺口管旋盖装置、恒温振荡装置、光度检测装置、样品管、样品管载架、试剂管、试剂管载架、培养板体、培养板体载架、培养板盖、培养板盖载架、培养板操作区载架、移液头、移液头载架、废弃物收集盒；所述样品管和试剂管的管盖带有螺纹；所述外罩壳和工作平台形成一个封闭腔体；所述xyz三轴移动装置、模拟光照装置、螺口管旋盖装置、恒温振荡装置、光度检测装置、样品管载架、试剂管载架、培养板体载架、培养板盖载架、培养板操作区载架、移液头载架和废弃物收集盒分别固定于工作平台；所述xyz三轴移动装置用于驱动自动气动移液器和搬运抓手在x、y、z轴三个方向上移动；所述自动气动移液器用于套取移液头，并定量吸取和排出液体；所述搬运抓手用于抓取和释放样品管、试剂管、培养板体、培养板盖；所述螺口管旋盖装置用于旋开和旋紧样品管和试剂管的管盖；所述模拟光照装置位于恒温振荡装置的上方，所述恒温振荡装置用于提供特定的振荡温度和振荡速度，所述模拟光照装置用于提供特定的光照；所述光度检测装置用于检测光度值并传送给控制单元；所述样品管载架用于容纳和定位样品管；所述试剂管载架用于容纳和定位试剂管；所述培养板体载架和培养板操作区载架均用于容纳和定位培养板体；所述培养板盖载架用于容纳和定位培养板盖；所述移液头载架用于容纳和定位移液头；所述废弃物收集盒用于容纳自动气动移液器排出的废液和使用后的移液头；所述控制单元用于完成所有流程的协同控制和相应的数据处理、判断决策。
4、进一步地，所述外罩壳上设有密封手套和交换室连接接口；所述密封手套提供给位于装置外部的用户介入所述封闭腔体内进行操作，所述交换室连接接口用于将各类材料从外部转移至所述封闭腔体内时提供可靠的隔离和连接。
5、进一步地，所述外罩壳上设有用于向所述封闭腔体内输送各类气体的气体管道连接接口。
6、进一步地，所述外罩壳为两层结构：内层和外层；所述内层为硬质的金属框架，所述外层为柔性且具有密封性的塑料层；所述密封手套、交换室连接接口、气体管道连接接口均位于外层上。
7、第二方面，本发明提供了一种高通量微生物自动化分离培养方法，包括以下步骤：
8、(1)在控制单元的调度下，搬运抓手从培养板体载架上抓取一个洁净的培养板体放置于培养板操作区载架上；
9、(2)搬运抓手将位于试剂管载架上的含培养底物的第一试剂管转移至螺口管旋盖装置，螺口管旋盖装置将第一试剂管的管盖旋开，自动气动移液器从移液头载架套取一个洁净的第一移液头，自动气动移液器通过吸液和排液操作将第一试剂管内的培养底物分配至位于培养板操作区载架上的培养板体上每个实验点位，每个实验点位分别被分配体积v1的培养底物，所述体积v1为10～100ul；随后自动气动移液器将使用后的第一移液头丢弃至在废弃物收集盒，螺口管旋盖装置将第一试剂管的管盖旋紧，搬运抓手将第一试剂管转移回试剂管载架；
10、(3)搬运抓手将位于试剂管载架上的含悬浊微生物试液的第二试剂管转移至螺口管旋盖装置，螺口管旋盖装置将第二试剂管的管盖旋开，自动气动移液器从移液头载架套取一个洁净的第二移液头，自动气动移液器通过吸液和排液操作将第二试剂管内的悬浊微生物试液分配至位于培养板操作区载架上的培养板体上每个实验点位，每个实验点位分别被分配体积v2的悬浊微生物试液，所述体积v2为1～100ul；随后自动气动移液器将使用后的第二移液头丢弃至在废弃物收集盒，螺口管旋盖装置将第二试剂管的管盖旋紧，搬运抓手将第二试剂管转移回试剂管载架；
11、(4)搬运抓手从培养板盖载架上抓取培养板盖并盖回位于培养板操作区载架上的培养板体上，由培养板盖和培养板体组成培养板套件，然后将培养板套件转移至光度检测装置进行第一次透光度检测，并记录培养板体上每个实验点位的3个代表性波段的光强度，得到第一次透光度集合其中，下标j表示第j个实验点位，表示第j个实验点位的第i个代表性波段的第一次透光度，i＝1,2,3；
12、(5)搬运抓手将培养板套件转移至恒温振荡装置，所述恒温振荡装置提供相应的振荡温度、振荡速度，随后进行培养，直至培养时间结束；
13、(6)搬运抓手将培养板套件从恒温振荡装置取回并转移至光度检测装置进行第二次透光度检测，并记录培养板体上每个实验点位的3个代表性波段的光强度，得到第二次透光度集合其中，表示第j个实验点位的第i个代表性波段的第二次透光度；
14、将第一次透光度集合和第二次透光度集合进行综合计算得到透光度变化值集合表示第j个实验点位的第i个代表性波段的透光度变化值，或对同一个实验点位的不同代表性波段的透光度变化值进行综合计算，得到每一个实验点位的综合透光度变化值其中，l为-2.0～2.0，m为-2.0～2.0，n为-2.0～2.0；并将每个实验点位的综合透光度变化值tj与透光度变化值阈值t进行比较：当将该实验点位记为阳性点位，反正则记为阴性点位；
15、(7)若不存在阳性点位，搬运抓手将培养板套件转移回培养板体载架上，结束操作；
16、若存在阳性点位，进行如下操作：
17、(a1)搬运抓手将培养板套件转移回培养板操作区载架上，并取下培养板盖；
18、(a2)搬运抓手从样品管载架抓取任意一支洁净的样品管转移至螺口管旋盖装置，螺口管旋盖装置将样品管的管盖旋开，自动气动移液器从移液头载架套取任意一个洁净的移液头，然后从对应的阳性点位中吸取体积v3的样品并排出至位于螺口管旋盖装置上的已旋开管盖的样品管内，随后螺口管旋盖装置将样品管的管盖旋紧，搬运抓手将含有阳性样品的样品管转移回样品管载架上的原位置并记录，自动气动移液器将使用后的移液头丢弃至在废弃物收集盒；所述体积v3为10～200ul；
19、(a4)对每一个阳性点位重复步骤(a2)，直至完成对所有阳性点位的操作；
20、(a4)搬运抓手将培养板盖盖回培养板体，并将培养板套件转移回培养板体载架上，结束操作。
21、进一步地，所述培养底物为含目标微生物生产营养物质的培养液、含目标微生物伴生微生物外泌物或含有与目标微生物生长代谢产物会发生生物化学反应底物。
22、进一步地，步骤(5)中，所述振荡温度为25～40℃；所述振荡速度为50～500rpm；所述培养时间为0.5～96h。
23、进一步地，当所述悬浊微生物试液为从海水中提取并经过必要处理的含藻溶液时，步骤(5)中，所述模拟光照装置同时提供光照：光照度为800-1600lx，工作方式为亮、暗交替进行。
24、进一步地，步骤(3)中，预留c个空白点位，用作对照控制；给每个空白点位只加入无菌纯水，随后对加入无菌纯水后的每个空白点位进行二次透光度检测，得到每个空白点位的第一次透光度ac′和第二次透光度bc′，其中，下标c表示第c个空白点位，c≥1；并得到每个空白点位的透光度变化值tc′：tc′＝log(ac′/bc′)或tc′＝ac′/bc′；并对进行平均，得到平均透光度变化值
25、随后对每个实验点位的综合透光度变化值进行修正，得到修正后的透光度变化值
26、随后将每个实验点位的修正后的透光度变化值与透光度变化值阈值t进行比较：当将该实验点位记为阳性点位，反正则记为阴性点位。
27、进一步地，所述p为0～2.0。
28、本发明的有益效果是：基于披露的高通量微生物自动化分离培养装置与方法，可以高通量地在单一封闭环境中自动完成对含悬浊微生物试样“取样分液-恒温培养-检测识别-分选转移”环境功能微生物挖掘培养分离全过程的连贯操作，适用于液体培养基方案，具有适用性广、通量大、安全性高等特性，可以有效提升环境微生物培养分离操作通量和工作效率，降低因样品污染或环境暴露导致试验失败概率，同时也降低了研究人员潜在暴露于所试验的微生物样品的健康风险；相对于传统的方法，本发明提出的装置和方法可以将培养分离操作通量提升至96位/批或更高，操作时间节约50％以上。
1.一种高通量微生物自动化分离培养装置，其特征在于，包括：控制单元、外罩壳、工作平台、自动气动移液器、搬运抓手、xyz三轴移动装置、模拟光照装置、螺口管旋盖装置、恒温振荡装置、光度检测装置、样品管、样品管载架、试剂管、试剂管载架、培养板体、培养板体载架、培养板盖、培养板盖载架、培养板操作区载架、移液头、移液头载架、废弃物收集盒；所述样品管和试剂管的管盖带有螺纹；所述外罩壳和工作平台形成一个封闭腔体；所述xyz三轴移动装置、模拟光照装置、螺口管旋盖装置、恒温振荡装置、光度检测装置、样品管载架、试剂管载架、培养板体载架、培养板盖载架、培养板操作区载架、移液头载架和废弃物收集盒分别固定于工作平台；所述xyz三轴移动装置用于驱动自动气动移液器和搬运抓手在x、y、z轴三个方向上移动；所述自动气动移液器用于套取移液头，并定量吸取和排出液体；所述搬运抓手用于抓取和释放样品管、试剂管、培养板体、培养板盖；所述螺口管旋盖装置用于旋开和旋紧样品管和试剂管的管盖；所述模拟光照装置位于恒温振荡装置的上方，所述恒温振荡装置用于提供特定的振荡温度和振荡速度，所述模拟光照装置用于提供特定的光照；所述光度检测装置用于检测光度值并传送给控制单元；所述样品管载架用于容纳和定位样品管；所述试剂管载架用于容纳和定位试剂管；所述培养板体载架和培养板操作区载架均用于容纳和定位培养板体；所述培养板盖载架用于容纳和定位培养板盖；所述移液头载架用于容纳和定位移液头；所述废弃物收集盒用于容纳自动气动移液器排出的废液和使用后的移液头；所述控制单元用于完成所有流程的协同控制和相应的数据处理、判断决策。
2.根据权利要求1所述的一种高通量微生物自动化分离培养装置，其特征在于，所述外罩壳上设有密封手套和交换室连接接口；所述密封手套提供给位于装置外部的用户介入所述封闭腔体内进行操作，所述交换室连接接口用于将各类材料从外部转移至所述封闭腔体内时提供可靠的隔离和连接。
3.根据权利要求2所述的一种高通量微生物自动化分离培养装置，其特征在于，所述外罩壳上设有用于向所述封闭腔体内输送各类气体的气体管道连接接口。
4.根据权利要求3所述的一种高通量微生物自动化分离培养装置，其特征在于，所述外罩壳为两层结构：内层和外层；所述内层为硬质的金属框架，所述外层为柔性且具有密封性的塑料层；所述密封手套、交换室连接接口、气体管道连接接口均位于外层上。
5.一种基于权利要求1所述的一种高通量微生物自动化分离培养装置的自动化分离培养方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的一种高通量微生物自动化分离培养方法，其特征在于，所述培养底物为含目标微生物生产营养物质的培养液、含目标微生物伴生微生物外泌物或含有与目标微生物生长代谢产物会发生生物化学反应底物。
7.根据权利要求5所述的一种高通量微生物自动化分离培养方法，其特征在于，步骤(5)中，所述振荡温度为25～40℃；所述振荡速度为50～500rpm；所述培养时间为0.5～96h。
8.根据权利要求5所述的一种高通量微生物自动化分离培养方法，其特征在于，当所述悬浊微生物试液为从海水中提取并经过必要处理的含藻溶液时，步骤(5)中，所述模拟光照装置同时提供光照：光照度为800-1600lx，工作方式为亮、暗交替进行。
9.根据权利要求5所述的一种高通量微生物自动化分离培养方法，其特征在于，步骤(3)中，预留c个空白点位，用作对照控制；给每个空白点位只加入无菌纯水，随后对加入无菌纯水后的每个空白点位进行二次透光度检测，得到每个空白点位的第一次透光度ac′和第二次透光度bc′，其中，下标c表示第c个空白点位，c≥1；并得到每个空白点位的透光度变化值tc′：tc′＝log(ac′/bc′)或tc′＝ac′/bc′；并对进行平均，得到平均透光度变化值
10.根据权利要求9所述的一种高通量微生物自动化分离培养方法，其特征在于，所述p为0～2.0。
