Een geïntegreerd micro-apparaatsysteem voor koraalgroei en -monitoring
Summary
Dit protocol beschrijft de ontwikkeling van een modulair bestuurbaar micro-device systeem dat kan worden toegepast voor het langdurig kweken en monitoren van zeekoralen.
Abstract
Koralen zijn fundamentele organismen in mariene en kustecosystemen. Met de vooruitgang van het onderzoek naar koraalbescherming in de afgelopen jaren, is er veel vraag naar nauwkeurige controle van de koraalkweekomgeving voor het behoud en de studie van koraal. Hier hebben we een semi-gesloten micro-apparaatsysteem voor koraalkweek ontwikkeld als een multifunctioneel platform, dat nauwkeurige en programmeerbare temperatuurregeling, een steriele beginomgeving, langdurige stabiele waterkwaliteit, een instelbare opgeloste zuurstofconcentratie en een aangepast lichtspectrum voor koralen kan bieden. Dankzij het modulaire ontwerp kan het koraalkweeksysteem worden geüpgraded of aangepast door gewenste nieuwe modules te installeren of bestaande te verwijderen. Momenteel kunnen de koralen in het monster, onder de juiste omstandigheden en met het juiste systeemonderhoud, minstens 30 dagen in een gezonde toestand overleven. Bovendien kan dit koraalkweeksysteem, vanwege de controleerbare en steriele uitgangsomgeving, onderzoek naar de symbiotische relatie tussen koralen en bijbehorende micro-organismen ondersteunen. Daarom kan dit micro-device systeem worden toegepast om zeekoralen op een relatief kwantitatieve manier te monitoren en te onderzoeken.
Introduction
De achteruitgang van ecosystemen van koraalriffen heeft zich de afgelopen 70 jaar wereldwijd voorgedaan. Rekening houdend met alle grote koraalgebieden in Midden-Amerika1, Zuidoost-Azië 2,3,4,5,6, Australië 7,8 en Oost-Afrika9, is de wereldwijde dekking van koraalriffen sinds de jaren 1950 gehalveerd10. Dit massale verlies van koraalriffen heeft geleid tot ecologische en economische problemen. Door bijvoorbeeld de aan-/afwezigheid en abundantie van allerlei soorten koraalafhankelijke vissen gedurende 8 jaar te traceren, concludeerden onderzoekers dat de achteruitgang van het koraal direct heeft geleid tot een substantiële afname van de visbiodiversiteit en -overvloed in Papoea-Nieuw-Guinea11. Dit resultaat bewees dat de achteruitgang van koraal niet alleen de op koraalriffen gebaseerde biologische systemen kan ondermijnen, maar ook de visserij-inkomsten kan verminderen.
Gedurende tientallen jaren van veldonderzoeken, waaronder directe monitoring, teledetectie en gegevensvergelijking, heeft de wetenschappelijke gemeenschap verschillende factoren geïdentificeerd die de massale achteruitgang van het koraal veroorzaken. Een belangrijke reden voor de massale achteruitgang van koraal is koraalverbleking veroorzaakt door hoge zeewatertemperaturen12,13. Door verbleking en meteorologische gegevens te combineren, hebben wetenschappers geconcludeerd dat koraalverbleking vaker voorkomt in El Niño-Southern Oscillation-fasen14. Een andere reden voor de achteruitgang van het koraal is de verzuring van de oceaan. Door de verhoogde CO2 –concentratie in zowel de atmosfeer als het zeewater lost calciumcarbonaat sneller op dan voorheen, waardoor netto koraalrifverkalking ontstaat15. Er is inderdaad geconcludeerd dat wanneer de CO2 –concentratie in de atmosfeer boven de 500 ppm komt, tientallen miljoenen mensen zullen lijden en de koraalriffen het risico lopen aanzienlijk te verslechteren en symbiodinium los te laten16,17. Er zijn ook andere factoren die de overleving van koraal kunnen beïnvloeden, zoals verontreinigende stoffen aan de kust die de achteruitgang van koraal veroorzaken of versnellen. Onderzoekers in Hawaï maten de koolstof-, zuurstof- en stikstofisotopen in koralen, samen met het opgeloste anorganische carbonaat en de gerelateerde voedingsstoffen (NH4+, PO4 3-, NO2− en NO3−), en concludeerden dat vervuiling van het land de kustverzuring en bio-erosie van koralenvergrootte 18. Naast vervuiling brengt verstedelijking ook de overleving van koraal in gevaar en veroorzaakt het een relatief lage architecturale complexiteit in koralen, zoals blijkt uit een onderzoek naar de overlevingsstatus van koraal in Singapore, Jakarta, Hong Kong en Okinawa. De impact van antropogene stressoren en de gesuperponeerde effecten van klimaatverandering leiden dus tot een wijdverbreide verminderde biodiversiteit op koraalriffen en een daarmee gepaard gaande achteruitgang van de ecologische functie en veerkracht van koraal19.
Er moet ook worden opgemerkt dat een groot aantal micro-organismen deelnemen aan de fysiologische functies van koralen, waaronder stikstoffixatie, chitine-afbraak, de synthese van organische verbindingen en immuniteit20, en deze micro-organismen moeten dus worden opgenomen bij het overwegen van de achteruitgang van koraalriffen. In natuurlijke omgevingen, zoals koraalriffen, veroorzaken veel factoren hypoxische of anoxische omstandigheden, waaronder onvoldoende watercirculatie, algenexsudaat en algenovergroei. Dit fenomeen heeft een negatieve invloed op de populatieverspreiding van koraal en koraalgerelateerde micro-organismen. Vietnamese wetenschappers ontdekten bijvoorbeeld dat in Nha Trang, Phu Quoc en Ujung Gelam, de bacteriële samenstelling in het koraal Acropora Formosa op verschillende locaties kan worden beïnvloed door opgeloste zuurstof. Onderzoekers in de Verenigde Staten onderzochten hypoxische of anoxie-omstandigheden in koralen en ontdekten dat algenexsudaten microbiële activiteit kunnen mediëren, wat leidt tot gelokaliseerde hypoxische omstandigheden, die koraalsterfte in de directe omgeving kunnen veroorzaken. Ze ontdekten ook dat koralen verlaagde zuurstofconcentraties konden verdragen, maar alleen boven een bepaalde drempel die werd bepaald door een combinatie van de blootstellingstijd en dezuurstofconcentratie22. Onderzoekers in India ontdekten dat wanneer Noctiluca scintillans-algen bloeiden, de opgeloste zuurstof daalde tot 2 mg/L. Onder deze concentratie stierf ongeveer 70% van de Acropora montiporacan als gevolg van hypoxische aandoeningen.
Alle bovengenoemde feiten en factoren suggereren dat veranderingen in het milieu leiden tot de achteruitgang van koraalriffen. Om rifkoralen onder bepaalde omstandigheden te kweken en te bestuderen, is het belangrijk om nauwkeurig en uitgebreid een controleerbare microscopische omgeving op te bouwen waarin rifkoralen kunnen leven. Normaal gesproken richten wetenschappers zich op temperatuur, licht, waterstroom en voedingsstoffen. Andere kenmerken, zoals de concentratie van opgeloste zuurstof, de overvloed aan micro-organismen en de diversiteit van micro-organismen in het zeewater, worden echter vaak genegeerd. Daartoe heeft onze groep de mogelijkheid onderzocht om kleine apparatuur toe te passen om koraalpoliepen te kweken in een relatief gecontroleerde omgeving24,25. In dit werk hebben we een modulair micro-apparaatsysteem voor koraalkweek ontworpen en gebouwd. Dit modulaire micro-apparaatsysteem kan een controleerbare micro-omgeving bieden in termen van temperatuur, lichtspectrum, opgeloste zuurstofconcentratie, voedingsstoffen en micro-organismen, enz., en heeft de capaciteit voor uitbreiding en upgrade.
Modules en functies van het apparaat
Het micro-device systeem is geïnspireerd op het Berlijnse systeem26, maar in het huidige systeem worden geen levende stenen gebruikt. Zoals te zien is in figuur 1, bestaat het huidige systeem uit zes hoofdmodules, twee borstelloze motorpompen, een gaspomp, een doorstroom-UV-lamp, een voeding, bepaalde elektronische regelcomponenten en de bijbehorende draden en schroeven. De zes hoofdmodules omvatten een zeewateropslagmodule (met een luchtpomp en temperatuursensor), een temperatuurregelmodule, een algenzuiveringsmodule, een microbiële zuiveringsmodule, een actieve koolzuiveringsmodule en een koraalkweekmodule.
Architectuur van het apparaat
Zoals te zien is in afbeelding 2 es afbeelding 3, kan het totale micro-apparaatsysteem horizontaal worden verdeeld in twee compartimenten met een temperatuurregelmodule ertussen. Om veiligheidsredenen zijn alle zeewaterhoudende modules en onderdelen in het linkercompartiment geplaatst, het zogenaamde kweekcompartiment. De andere elektronische onderdelen worden in het rechter compartiment geplaatst, het elektronische compartiment genaamd. Beide compartimenten zijn verzegeld of verpakt in schelpen. De temperatuurregelmodule is bevestigd in een tussenliggende scheidingsplaat. De schaal van het kweekcompartiment bestaat uit een plint en drie schroefplaten. Dit ontwerp zorgt voor een dichte behuizing en vergemakkelijkt de werking van het systeem. Bovendien bevordert de dichtheid een nauwkeurige temperatuurregeling. De behuizing van het elektronische compartiment bevat een plint, twee schroefbevestigingsplaten en een bedieningspaneel aan de voorkant.
Watercirculatie
Een binnen- en buitencirculatielus voor zeewater die is aangesloten op de zeewateropslagmodule is vooraf ontworpen. De binnenste circulatielus verbindt met succes de zeewateropslagmodule, de temperatuurregelmodule, de doorstroom-UV-lamp, de algenzuiveringsmodule en de microbiële zuiveringsmodule. Deze circulatielus heeft tot doel de koralen geschikte fysiochemische en fysiologische zeewatercondities te bieden, en er is geen frequent onderhoud nodig. De algenzuiveringsmodule bevat Chaetomorpha-algen , die de extra voedingsstoffen (nitraat en fosfaat) in het water opnemen. De microbiële zuiveringsmodule bevat het bacteriecultuursubstraat, dat het microbioom cultiveert om nitriet en ammonium om te zetten in nitraat voor waterzuivering. Al deze modules hoeven alleen onder kritieke omstandigheden te worden vervangen.
De buitenste circulatielus verbindt achtereenvolgens de zeewateropslagmodule, de koraalkweekmodule en de actieve koolmodule. Deze circulatielus heeft tot doel de koralen licht, dichtheid, waterstroming en een hoge zeewaterkwaliteit te bieden. Het zeewater kan worden ververst via een waterinlaat en een wateruitlaat. Additieven worden toegevoegd via een driewegklep en het zeewatermonster kan ook uit deze klep worden gehaald voor inspectie. Lucht kan via een luchtinlaat naar binnen worden gepompt en via een luchtuitlaat worden afgevoerd.
Elektronisch ontwerp
Een 220 V AC-voeding met een schakelaar en een zekering wordt gebruikt voor het hele systeem. Het ingangsvermogen is verdeeld in vier takken. De eerste tak gaat naar een 12 V DC-voeding, die het verwarmingspaneel, het koelpaneel en de koelventilator rechtstreeks van stroom voorziet. Deze tak voedt ook indirect twee pompen en twee verlichtingspanelen via een vierkanaals DC-transformator. De tweede tak gaat naar een PID-temperatuurregelaar. De derde tak gaat naar de voeding van een luchtpomp. De laatste tak wordt aangesloten op een UV-lampvoeding. Een solid-state relais verbindt de PID-temperatuurregelaar en het koelpaneel in de temperatuurregelmodule. Een gewoon relais wordt gebruikt om de PID-temperatuurregelaar en het verwarmingspaneel aan te sluiten. De vierkanaals DC-transformator zet de spanning om in de benodigde spanning.
Er zijn twee bedieningspanelen aan de rechterkant van het systeem. Er zijn vier schakelaars en een controller voor de UV-lamp op het bovenpaneel, waaronder een hoofdschakelaar, een UV-lampschakelaar, een luchtpompschakelaar en een temperatuurregelingsschakelaar. De hoofdschakelaar regelt de 12 V-voeding van het systeem.
Een PID-temperatuurregelaar, een cyclustimer, een vierkanaals DC-transformator en een driekanaals timer bevinden zich op het voorpaneel. De PID-temperatuurregelaar past de watertemperatuur aan door de verwarmings- en koelpanelen in de temperatuurregelmodule aan te sturen. De temperatuurregelmodule werkt alleen als de binnencirculatiepomp werkt en het water langs de temperatuurregelmodule stroomt. De cyclustimer is aangesloten op de voedingskabel van de luchtpomp. Het doel is om de werktijdperiode aan de luchtpomp toe te wijzen. Er is ook een driekanaals timer in het elektronische compartiment. Deze timer regelt de werktijdperiode voor de luchtpomp, koraallicht en algenlicht.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit koraalkweeksysteem is ontworpen om een relatief natuurlijke of aangepaste micro-omgeving te simuleren en te bieden waarin koralen kunnen worden getransplanteerd en overleven. Ondertussen moet dit systeem, als zelf ontwikkelde apparatuur, betrouwbaar, gebruiksvriendelijk en veilig zijn. In termen van temperatuurregeling moet de zeewatertemperatuur bijvoorbeeld op de juiste manier worden geregeld op basis van de dagelijkse omgevingsomstandigheden. Het systeem werd getest door het koraal gedurende 1 maand te kweken, wat…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Deze studie werd ondersteund door de State Key Development Programs for Basic Research of China (2021YFC3100502).
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 |
Referencias
- Gardner, T. A., Côté, I. M., Gill, J. A., Grant, A., Watkinson, A. R. Long-term region-wide declines in Caribbean corals. Science. 301 (5635), 958-960 (2003).
- Kennedy, E. V., et al. Coral reef community changes in Karimunjawa national park, Indonesia: assessing the efficacy of management in the face of local and global stressors. Journal of Marine science and Engineering. 8 (10), 760-787 (2020).
- Cleary, D. F., et al. Coral reefs next to a major conurbation: a study of temporal change (1985−2011) in coral cover and composition in the reefs of Jakarta, Indonesia. Marine Ecology Progress Series. 501, 89-98 (2014).
- Sun, Y. F., Huang, L. T., McCook, L. J., Huang, H. Joint protection of a crucial reef ecosystem. Science. 337 (6611), 1163-1163 (2022).
- Huang, D. W., et al. Conservation of reef corals in the South China Sea based on species and evolutionary diversity. Biodiversity and Conservation. 25 (2), 331-344 (2016).
- Jiang, L., et al. Impacts of elevated temperature and pCO2 on the brooded larvae of Pocillopora damicornis from Luhuitou Reef, China: Evidence for local acclimatization. Coral Reefs. 39 (2), 331-344 (2020).
- Babcock, R. C., et al. Recurrent coral bleaching in north-western Australia and associated declines in coral cover. Marine and Freshwater Research. 72 (5), 620-632 (2021).
- Sweatman, H., Delean, S., Syms, C. Assessing loss of coral cover on Australia’s Great Barrier Reef over two decades, with implications for longer-term trends. Coral Reefs. 30 (2), 521-531 (2011).
- Elliott, J. A., Patterson, M. R., Staub, C. G., Koonjul, M., Elliott, S. M. Decline in coral cover and flattening of the reefs around Mauritius (1998-2010). PeerJ. 6, e6014 (2018).
- Eddy, T. D., et al. Global decline in capacity of coral reefs to provide ecosystem services. One Earth. 4 (9), 1278-1285 (2021).
- Jones, G. P., McCormick, M. I., Srinivasan, M., Eagle, J. V. Coral decline threatens fish biodiversity in marine reserves. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 101 (21), 8251-8253 (2004).
- Hughes, T. P., et al. Global warming and recurrent mass bleaching of corals. Nature. 543 (7645), 373-377 (2017).
- Carpenter, K. E., et al. One-third of reef-building corals face elevated extinction risk from climate change and local impacts. Science. 321 (5888), 560-563 (2008).
- Hughes, T. P., et al. Spatial and temporal patterns of mass bleaching of corals in the Anthropocene. Science. 359 (6371), 80-83 (2018).
- Albright, R., et al. Reversal of ocean acidification enhances net coral reef calcification. Nature. 531 (7594), 362-365 (2016).
- Hoegh-Guldberg, O., et al. Coral reefs under rapid climate change and ocean acidification. Science. 318 (5857), 1737-1742 (2007).
- Mason, R. A. Decline in symbiont densities of tropical and subtropical scleractinian corals under ocean acidification. Coral Reefs. 37 (3), 945-953 (2018).
- Prouty, N. G., et al. Vulnerability of Coral reefs to bioerosion from land-based sources of pollution. Journal of Geophysical Research: Oceans. 122 (12), 9319-9331 (2017).
- Heery, E. C., et al. Urban coral reefs: Degradation and resilience of hard coral assemblages in coastal cities of East and Southeast Asia. Marine Pollution Bulletin. 135, 654-681 (2018).
- Rosenberg, E., Koren, O., Reshef, L., Efrony, R., Zilber-Rosenberg, I. The role of microorganisms in coral health, disease and evolution. Nature Reviews: Microbiology. 5 (5), 355-362 (2007).
- Bui, V. N., et al. Diversity and biogeography of coral mucus-associated bacterial communities: The case of Acropora formosa. Journal of Marine Science and Engineering. 11 (1), 74 (2023).
- Hass, A. F., Smith, J. E., Thompson, M., Deheyn, D. D. Effects of reduced dissolved oxygen concentrations on physiology and fluorescence of hermatypic corals and benthic algae. PeerJ. 2, 235 (2014).
- Raj, K. D., et al. Low oxygen levels caused by Noctiluca scintillans bloom kills corals in Gulf of Mannar, India. Scientific Reports. 10 (1), 22133 (2020).
- Luo, Y. S., Zhao, J. L., He, C. P., Lu, Z. H., Lu, X. L. Miniaturized platform for individual coral polyps culture and monitoring. Micromachines. 11 (2), 127 (2020).
- Pang, A. P., Luo, Y. S., He, C. P., Lu, Z. H., Lu, X. L. A polyp-on-chip for coral long-term culture. Scientific Reports. 10 (1), 6964 (2020).
- Yan, L. I., et al. Effects of live rock removal of dissolved inorganic nitrogen in coral aquaria. Acta Oceanologica Sinica. 36 (12), 87-94 (2017).
