Un sistema integrato di micro-dispositivi per la crescita e il monitoraggio dei coralli

Summary

Questo protocollo descrive lo sviluppo di un sistema modulare di micro-dispositivi controllabili che può essere applicato per la coltura e il monitoraggio a lungo termine dei coralli marini.

Abstract

I coralli sono organismi fondamentali negli ecosistemi marini e costieri. Con il progresso della ricerca sulla protezione dei coralli negli ultimi anni, il controllo preciso dell’ambiente di coltura dei coralli è molto richiesto per la conservazione e lo studio dei coralli. Qui, abbiamo sviluppato un sistema di micro-dispositivi di coltura di corallo semi-chiuso come piattaforma multifunzionale, in grado di fornire un controllo della temperatura accurato e programmabile, un ambiente iniziale sterile, una qualità dell’acqua stabile a lungo termine, una concentrazione di ossigeno disciolto regolabile e uno spettro di luce personalizzato per i coralli. Grazie al design modulare, il sistema di coltura del corallo può essere aggiornato o modificato installando nuovi moduli desiderabili o rimuovendo quelli esistenti. Attualmente, in condizioni appropriate e con un’adeguata manutenzione del sistema, i coralli campione possono sopravvivere per almeno 30 giorni in uno stato sano. Inoltre, grazie all’ambiente iniziale controllabile e sterile, questo sistema di coltura dei coralli può supportare la ricerca sulla relazione simbiotica tra i coralli e i microrganismi associati. Pertanto, questo sistema di micro-dispositivi può essere applicato per monitorare e studiare i coralli marini in modo relativamente quantitativo.

Introduction

Il deterioramento degli ecosistemi delle barriere coralline si è verificato in tutto il mondo negli ultimi 70 anni. Considerando tutte le principali aree coralline dell’America Centrale¹, del Sud-Est asiatico 2,3,4,5,6, dell’Australia ^7,8 e dell’Africa orientale^9, la copertura globale delle barriere coralline si è dimezzata dagli anni ’50¹⁰. Questa perdita di massa delle barriere coralline ha provocato problemi ecologici ed economici. Ad esempio, tracciando la presenza/assenza e l’abbondanza di tutti i tipi di pesci dipendenti dai coralli per 8 anni, i ricercatori hanno concluso che il declino dei coralli ha causato direttamente una sostanziale diminuzione della biodiversità e dell’abbondanza di pesci in Papua Nuova Guinea¹¹. Questo risultato ha dimostrato che il declino dei coralli può non solo minare i sistemi biologici basati sulla barriera corallina, ma anche ridurre i redditi della pesca.

Nel corso di decenni di indagini sul campo, tra cui il monitoraggio diretto, il telerilevamento e il confronto dei dati, la comunità scientifica ha identificato diversi fattori che causano il declino di massa dei coralli. Una delle ragioni principali del declino di massa dei coralli è lo sbiancamento dei coralli causato dalle alte temperature dell’acqua di mare^12,13. Combinando lo sbiancamento e le registrazioni meteorologiche, gli scienziati hanno concluso che lo sbiancamento dei coralli si sta verificando più frequentemente nelle fasi¹⁴ di El Niño-Southern Oscillation. Un’altra ragione del declino dei coralli è l’acidificazione degli oceani. A causa dell’aumento della concentrazione di CO₂ sia nell’atmosfera che nell’acqua di mare, il carbonato di calcio si dissolve più velocemente di prima, causando la calcificazione della barriera corallina¹⁵. Infatti, si è concluso che quando la concentrazione di CO₂ nell’atmosfera supera le 500 ppm, decine di milioni di persone soffriranno e le barriere coralline saranno a rischio di deterioramento significativo e distacco di simbiodinio^16,17. Ci sono anche altri fattori che possono influenzare la sopravvivenza dei coralli, come gli inquinanti costieri che causano o accelerano il declino dei coralli. I ricercatori delle Hawaii hanno misurato gli isotopi di carbonio, ossigeno e azoto nei coralli, insieme al carbonato inorganico disciolto e ai relativi nutrienti (NH₄⁺, PO₄ 3-, NO₂ e NO₃ ⁻), e hanno concluso che l’inquinamento terrestre ha amplificato l’acidificazione costiera e la bioerosione dei^coralli. Oltre all’inquinamento, l’urbanizzazione mette in pericolo anche la sopravvivenza dei coralli e causa una complessità architettonica relativamente bassa nei coralli, come rivelato da uno studio sullo stato di sopravvivenza dei coralli a Singapore, Giacarta, Hong Kong e Okinawa. Pertanto, l’impatto dei fattori di stress antropogenici e gli effetti sovrapposti del cambiamento climatico stanno portando a una diffusa riduzione della biodiversità sulle barriere coralline e a un conseguente declino della funzione ecologica e della resilienza dei coralli¹⁹.

Va anche notato che un gran numero di microrganismi partecipa alle funzioni fisiologiche dei coralli, tra cui la fissazione dell’azoto, la decomposizione della chitina, la sintesi di composti organici e l’immunità²⁰, e questi microrganismi dovrebbero, quindi, essere inclusi quando si considera il deterioramento della barriera corallina. Negli ambienti naturali, come le barriere coralline, molti fattori causano condizioni ipossiche o anossiche, tra cui l’insufficiente circolazione dell’acqua, l’essudato algale e la crescita eccessiva di alghe. Questo fenomeno influisce negativamente sulla distribuzione della popolazione di coralli e dei microrganismi ad essi correlati. Ad esempio, gli scienziati vietnamiti hanno scoperto che a Nha Trang, Phu Quoc e Ujung Gelam, la composizione batterica del corallo Acropora Formosa potrebbe essere influenzata dall’ossigeno disciolto in diverse localitಹ. I ricercatori negli Stati Uniti hanno esplorato le condizioni di ipossia o anossia nei coralli e hanno scoperto che gli essudati algali possono mediare l’attività microbica, portando a condizioni ipossiche localizzate, che possono causare la mortalità dei coralli nelle immediate vicinanze. Hanno anche scoperto che i coralli potevano tollerare concentrazioni di ossigeno ridotte, ma solo al di sopra di una determinata soglia determinata da una combinazione del tempo di esposizione e della concentrazione di ossigeno²². I ricercatori in India hanno scoperto che quando l’alga Noctiluca scintillans fioriva, l’ossigeno disciolto diminuiva a 2 mg/L. Al di sotto di questa concentrazione, circa il 70% di Acropora montiporacan moriva a causa di condizioni ipossiche²³.

Tutti i fatti e i fattori sopra menzionati suggeriscono che il cambiamento ambientale porta al deterioramento delle barriere coralline. Per coltivare e studiare i coralli di barriera in determinate condizioni, è importante costruire in modo accurato e completo un ambiente microscopico controllabile per i coralli di barriera. Normalmente, gli scienziati si concentrano sulla temperatura, la luce, il flusso d’acqua e le sostanze nutritive. Tuttavia, altre caratteristiche, come la concentrazione di ossigeno disciolto, l’abbondanza di microrganismi e la diversità dei microrganismi nell’acqua di mare, sono comunemente ignorate. A tal fine, il nostro gruppo ha esplorato la possibilità di applicare piccole attrezzature per la coltura di polipi di corallo in un ambiente relativamente controllato^24,25. In questo lavoro, abbiamo progettato e costruito un sistema modulare di micro-dispositivi per la coltura dei coralli. Questo sistema modulare di micro-dispositivi può fornire un micro-ambiente controllabile in termini di temperatura, spettro luminoso, concentrazione di ossigeno disciolto, sostanze nutritive e microrganismi, ecc. e ha la capacità di espansione e aggiornamento.

Moduli e funzioni del dispositivo
Il sistema di micro-dispositivi è stato ispirato dal sistema^{di Berlino 26}, ma nel sistema attuale non vengono utilizzate rocce vive. Come mostrato nella Figura 1, l’attuale sistema comprende sei moduli principali, due motopompe brushless, una pompa del gas, una lampada UV a flusso continuo, un alimentatore, alcuni componenti elettronici di controllo e i relativi cavi e viti. I sei moduli principali includono un modulo di stoccaggio dell’acqua di mare (con una pompa d’aria e un sensore di temperatura), un modulo di controllo della temperatura, un modulo di purificazione delle alghe, un modulo di purificazione microbica, un modulo di purificazione del carbone attivo e un modulo di coltura dei coralli.

Architettura del dispositivo
Come mostrato nella Figura 2 e nella Figura 3, l’intero sistema di microdispositivi può essere diviso orizzontalmente in due scomparti con un modulo di controllo della temperatura in mezzo. Per motivi di sicurezza, tutti i moduli e le parti contenenti acqua di mare sono collocati nello scomparto sinistro, denominato scomparto di coltura. Le altre parti elettroniche sono collocate nello scomparto destro, denominato scomparto elettronico. Entrambi gli scomparti sono sigillati o confezionati all’interno di gusci. Il modulo di controllo della temperatura è fissato in una piastra divisoria intermedia. Il guscio dello scomparto per colture comprende un battiscopa e tre piastre di fissaggio a vite. Questo design garantisce la tenuta del vano e facilita il funzionamento del sistema. Inoltre, la tenuta favorisce un controllo accurato della temperatura. La scocca del vano elettronico comprende un battiscopa, due piastre di fissaggio a vite e un pannello di controllo frontale.

Circolazione dell’acqua
Un circuito di circolazione dell’acqua di mare interno ed esterno collegato al modulo di accumulo dell’acqua di mare è stato pre-progettato. Il circuito di circolazione interno collega con successo il modulo di accumulo dell’acqua di mare, il modulo di controllo della temperatura, la lampada UV a flusso continuo, il modulo di purificazione delle alghe e il modulo di purificazione microbica. Questo circuito di circolazione ha lo scopo di fornire condizioni fisiochimiche e fisiologiche adeguate per l’acqua di mare per i coralli e non è necessaria alcuna manutenzione frequente. Il modulo di purificazione delle alghe contiene alghe Chaetomorpha , che assorbono i nutrienti extra (nitrati e fosfati) presenti nell’acqua. Il modulo di purificazione microbica contiene il substrato di coltura batterica, che coltiva il microbioma per trasferire nitriti e ammonio in nitrato per la purificazione dell’acqua. Tutti questi moduli devono essere sostituiti solo in circostanze critiche.

Il circuito di circolazione esterno collega successivamente il modulo di stoccaggio dell’acqua di mare, il modulo di coltura del corallo e il modulo del carbone attivo. Questo circuito di circolazione mira a fornire luce, tenuta, corrente d’acqua e alta qualità dell’acqua di mare ai coralli. L’acqua di mare può essere rinfrescata attraverso un ingresso e un’uscita dell’acqua. Gli additivi vengono aggiunti attraverso una valvola a tre vie e il campione di acqua di mare può anche essere estratto da questa valvola per l’ispezione. L’aria può essere pompata attraverso una presa d’aria e scaricata da un’uscita dell’aria.

Progettazione elettronica
Per l’intero sistema viene utilizzato un alimentatore a 220 V CA con un interruttore e un fusibile. La potenza in ingresso è suddivisa in quattro rami. Il primo ramo va a un alimentatore a 12 V CC, che alimenta direttamente il pannello riscaldante, il pannello di raffreddamento e la ventola di raffreddamento. Questo ramo alimenta anche indirettamente due pompe e due pannelli di illuminazione attraverso un trasformatore CC a quattro canali. Il secondo ramo va a un regolatore di temperatura PID. Il terzo ramo va all’alimentazione di una pompa ad aria. L’ultimo ramo si collega a un alimentatore per lampade UV. Un relè a stato solido collega il regolatore di temperatura PID e il pannello di raffreddamento nel modulo di controllo della temperatura. Un normale relè viene utilizzato per collegare il regolatore di temperatura PID e il pannello riscaldante. Il trasformatore CC a quattro canali converte la tensione in quella richiesta.

Ci sono due pannelli di controllo nella parte destra del sistema. Ci sono quattro interruttori e un controller per la lampada UV sul pannello superiore, inclusi un interruttore di alimentazione principale, un interruttore di alimentazione della lampada UV, un interruttore della pompa dell’aria e un interruttore di controllo della temperatura. L’interruttore di alimentazione principale controlla l’alimentazione a 12 V del sistema.

Sul pannello frontale sono presenti un regolatore di temperatura PID, un timer di ciclo, un trasformatore CC a quattro canali e un timer a tre canali. Il regolatore di temperatura PID regola la temperatura dell’acqua controllando i pannelli di riscaldamento e raffreddamento nel modulo di controllo della temperatura. Il modulo di controllo della temperatura funziona solo quando la pompa di circolazione interna è in funzione e l’acqua scorre oltre il modulo di controllo della temperatura. Il timer del ciclo è collegato alla linea di alimentazione della pompa dell’aria. Il suo scopo è quello di assegnare il periodo di tempo di lavoro alla pompa dell’aria. C’è anche un timer a tre canali distribuito nel vano elettronico. Questo timer controlla il periodo di lavoro per la pompa dell’aria, la luce dei coralli e la luce delle alghe.

Protocol

I coralli utilizzati per il presente studio sono stati Seriatopora caliendrum, che vengono coltivati nel nostro laboratorio. Tutti i coralli sono stati gentilmente forniti dall’Istituto di Oceanologia del Mar Cinese Meridionale, Università dell’Accademia Cinese delle Scienze. 1. Ispezione e messa in funzione NOTA: Ogni modulo deve essere testato per verificarne la tenuta e il funzionamento individualmente prima di assemblare il sistema. L’ac…

Representative Results

Precisione del controllo della temperaturaLa temperatura del sistema è normalmente impostata a 23-28 °C a seconda della specie di corallo. Tuttavia, essendo uno dei fattori più importanti, la fluttuazione della temperatura può influenzare fortemente la sopravvivenza dei coralli. Quindi, l’accuratezza del controllo della temperatura è un fattore decisivo per il sistema di coltura del corallo. Un sensore di temperatura e un raccoglitore di dati indipendente con un intervallo di temperatura da 9 °…

Discussion

Questo sistema di coltura dei coralli è progettato per simulare e fornire un microambiente relativamente naturale o personalizzato in cui i coralli possono essere trapiantati e sopravvivere. Nel frattempo, essendo un’apparecchiatura sviluppata internamente, questo sistema deve essere affidabile, facile da usare e sicuro. Ad esempio, in termini di controllo della temperatura, la temperatura dell’acqua di mare dovrebbe essere controllata in modo appropriato in base alle circostanze ambientali quotidiane. Il sistema è sta…

Materials

12V DC power supply	Delixi Electric Co., Ltd.	CDKU-S150W	12V12.5A
3% hydrogen peroxide solution	Shandong ANNJET High tech Disinfection Technology Co., Ltd	NULL	NULL
75% ethanol solution	Shandong ANNJET High tech Disinfection Technology Co., Ltd	NULL	NULL
Air pump	Chongyoujia Supply Chain Management Co., Ltd.	NHY-001	NULL
Air sterilizing filter	Beijing Capsid Filter Equipment Co., Ltd	S593CSFTR-0.2H83SH83SN8-A	NULL
Camera	SONY	Α7r4-ILCE-76M4A	NULL
Coral nutrition solution	Red Sea Aquatics Co., Ltd.	22101	Coral nutrition
Coral pro salt (sea salt)	Red Sea Aquatics Co., Ltd.	R11231	NULL
Cycle timer	Leqing Shangjin Instrument Equipment Co., Ltd.	CN102A	220V version
Double closed quick connector	JOSOT Co., Ltd	NL4-2103T	NULL
Flow-through UV lamp	Zhongshan Xinsheng Electronic technology Co., Ltd.	211	NULL
Four-channel transformer	Dongguan Shanggushidai Electronic Technology Co., Ltd	LM2596	NULL
Macro lens	SONY	FE 90mm F2.8 Macro G OSS	NULL
Microbiome source solution	Guangzhou BIOZYM Microbial Technology Co., Ltd.	303	NULL
Mini-photo studio	Shaoxing Shangyu Photography Equipment Factory	CM-45	NULL
PID temperature controller	Guangdong Dongqi  Electric Co., Ltd.	TE9-SC18W	SSR version
Pump (for water)	Zhongxiang Pump Co., Ltd.	ZX43D	Seaswater version
Pure water machine	Kemflo (Nanjing) environmental technology Co, ltd	kemflo A600	NULL
Solid-state relay	Delixi Electric Co., Ltd.	DD25A	NULL
Surface active agents	Guangzhou Liby Group Co., Ltd.	Libai detergent	NULL
Three-channel timer	Leqing Changhong Intelligent Technology Co., Ltd.	CHE325-3	220V version
Water sterilizing filter	Beijing Capsid Filter Equipment Co., Ltd	S593CSFTR-0.2H83SH83SN8-L	NULL