Ein integriertes Mikrogerätesystem für Korallenwachstum und -überwachung

Summary

Dieses Protokoll beschreibt die Entwicklung eines modularen, steuerbaren Mikrogerätesystems, das für die Langzeitkultivierung und das Monitoring von Meereskorallen eingesetzt werden kann.

Abstract

Korallen sind grundlegende Organismen in Meeres- und Küstenökosystemen. Mit den Fortschritten in der Korallenschutzforschung in den letzten Jahren ist eine präzise Kontrolle der Korallenkulturumgebung für den Schutz und die Erforschung von Korallen sehr gefragt. Hier haben wir ein halbgeschlossenes Korallenkultur-Mikrogerätesystem als multifunktionale Plattform entwickelt, das eine genaue und programmierbare Temperaturregelung, eine sterile Ausgangsumgebung, eine langzeitstabile Wasserqualität, eine einstellbare Konzentration an gelöstem Sauerstoff und ein maßgeschneidertes Lichtspektrum für Korallen bieten kann. Dank des modularen Aufbaus kann das Korallenkultursystem aufgerüstet oder modifiziert werden, indem wünschenswerte neue Module installiert oder bestehende entfernt werden. Derzeit können die Probenkorallen unter geeigneten Bedingungen und bei richtiger Systemwartung mindestens 30 Tage in einem gesunden Zustand überleben. Darüber hinaus kann dieses Korallenkultursystem aufgrund der kontrollierbaren und sterilen Ausgangsumgebung die Erforschung der symbiotischen Beziehung zwischen Korallen und assoziierten Mikroorganismen unterstützen. Daher kann dieses Mikrogerätesystem eingesetzt werden, um Meereskorallen relativ quantitativ zu überwachen und zu untersuchen.

Introduction

Die Verschlechterung der Ökosysteme der Korallenriffe hat sich in den letzten 70 Jahren weltweit vollzogen. Betrachtet man alle wichtigen Korallengebiete in Mittelamerika¹, Südostasien 2,3,4,5,6, Australien ^7,8 und Ostafrika^9, so hat sich die globale Abdeckung von Korallenriffen seit den 1950er Jahren halbiert¹⁰. Dieser massenhafte Verlust von Korallenriffen hat zu ökologischen und ökonomischen Problemen geführt. Indem sie beispielsweise das Vorhandensein/Fehlen und die Häufigkeit aller Arten von korallenabhängigen Fischen über einen Zeitraum von 8 Jahren verfolgten, kamen die Forscher zu dem Schluss, dass der Rückgang der Korallen direkt zu einem erheblichen Rückgang der Artenvielfalt und Häufigkeit von Fischen in Papua-Neuguinea geführt hat¹¹. Dieses Ergebnis beweist, dass der Korallenrückgang nicht nur die biologischen Systeme der Korallenriffe untergraben, sondern auch die Einnahmen der Fischerei verringern kann.

In jahrzehntelangen Felduntersuchungen, einschließlich direkter Überwachung, Fernerkundung und Datenvergleich, hat die wissenschaftliche Gemeinschaft mehrere Faktoren identifiziert, die den massenhaften Rückgang der Korallen verursachen. Ein Hauptgrund für den massiven Korallenrückgang ist die Korallenbleiche, die durch hohe Meerwassertemperaturen verursacht^{wird 12,13}. Durch die Kombination von Bleiche und meteorologischen Aufzeichnungen sind die Wissenschaftler zu dem Schluss gekommen, dass die Korallenbleiche häufiger in den Phasen El Niño-Southern Oscillation auftritt¹⁴. Ein weiterer Grund für den Korallenrückgang ist die Versauerung der Ozeane. Aufgrund der erhöhten CO_{2 –}Konzentration sowohl in der Atmosphäre als auch im Meerwasser löst sich Kalziumkarbonat schneller als zuvor auf, was zu einer Verkalkung von Korallenriffen führt¹⁵. In der Tat wurde der Schluss gezogen, dass, wenn die CO_{2 –}Konzentration in der Atmosphäre über 500 ppm liegt, Dutzende Millionen Menschen darunter leiden werden und die Korallenriffe von einer erheblichen Verschlechterung und Symbiodiniumablösung bedroht sind^16,17. Es gibt auch andere Faktoren, die das Überleben der Korallen beeinflussen können, wie z. B. Schadstoffe an der Küste, die den Rückgang der Korallen verursachen oder beschleunigen. Forscher auf Hawaii maßen die Kohlenstoff-, Sauerstoff- und Stickstoffisotope in Korallen zusammen mit dem gelösten anorganischen Karbonat und den verwandten Nährstoffen (NH₄⁺, PO₄ 3^–, NO₂− und NO₃⁻) und kamen zu dem Schluss, dass die Verschmutzung durch das Land die Küstenversauerung und Bioerosion der Korallen verstärkt¹⁸. Neben der Umweltverschmutzung gefährdet die Urbanisierung auch das Überleben der Korallen und verursacht eine relativ geringe architektonische Komplexität der Korallen, wie eine Studie über den Überlebensstatus von Korallen in Singapur, Jakarta, Hongkong und Okinawa zeigt. So führen die Auswirkungen anthropogener Stressoren und die sich überlagernden Auswirkungen des Klimawandels zu einer weit verbreiteten Verringerung der biologischen Vielfalt an Korallenriffen und einem damit verbundenen Rückgang der ökologischen Funktion und Widerstandsfähigkeit der Korallen¹⁹.

Es sollte auch beachtet werden, dass eine große Anzahl von Mikroorganismen an den physiologischen Funktionen von Korallen beteiligt ist, einschließlich der Stickstofffixierung, des Chitinabbaus, der Synthese organischer Verbindungen und der Immunität²⁰, und diese Mikroorganismen sollten daher in Betracht gezogen werden, wenn es um die Verschlechterung der Korallenriffe geht. In natürlichen Umgebungen, wie z. B. Korallenriffen, verursachen viele Faktoren hypoxische oder anoxische Bedingungen, einschließlich unzureichender Wasserzirkulation, Algenexsudat und Algenüberwucherung. Dieses Phänomen wirkt sich negativ auf die Populationsverteilung von Korallen und korallenverwandten Mikroorganismen aus. So fanden vietnamesische Wissenschaftler heraus, dass in Nha Trang, Phu Quoc und Ujung Gelam die bakterielle Zusammensetzung in der Koralle Acropora Formosa an verschiedenen Stellen durch gelösten Sauerstoff beeinflusst werden könnte²¹. Forscher in den Vereinigten Staaten untersuchten hypoxische oder anoxische Bedingungen in Korallen und fanden heraus, dass Algenexsudate mikrobielle Aktivität vermitteln können, was zu lokalisierten hypoxischen Bedingungen führt, die zu Korallensterben in unmittelbarer Nähe führen können. Sie fanden auch heraus, dass Korallen reduzierte Sauerstoffkonzentrationen tolerieren konnten, aber nur oberhalb eines bestimmten Schwellenwerts, der durch eine Kombination aus Expositionszeit und Sauerstoffkonzentration bestimmt wurde²². Forscher in Indien fanden heraus, dass während der Algenblüte von Noctiluca scintillans der gelöste Sauerstoff auf 2 mg/l sank. Unterhalb dieser Konzentration starben etwa 70 % von Acropora montiporacan aufgrund hypoxischer Bedingungen²³.

Alle oben genannten Fakten und Faktoren deuten darauf hin, dass Umweltveränderungen zu einer Verschlechterung der Korallenriffe führen. Um Riffkorallen unter bestimmten Bedingungen zu kultivieren und zu untersuchen, ist es wichtig, eine genau und umfassend kontrollierbare mikroskopische Umgebung aufzubauen, in der Riffkorallen leben können. Normalerweise konzentrieren sich Wissenschaftler auf Temperatur, Licht, Wasserfluss und Nährstoffe. Andere Merkmale, wie die Konzentration an gelöstem Sauerstoff, die Häufigkeit von Mikroorganismen und die Vielfalt der Mikroorganismen im Meerwasser, werden jedoch häufig ignoriert. Zu diesem Zweck hat unsere Gruppe die Möglichkeit untersucht, kleine Geräte zur Kultivierung von Korallenpolypen in einer relativ kontrollierten Umgebung einzusetzen^24,25. In dieser Arbeit haben wir ein modulares Mikrogerätesystem für die Korallenkultur entworfen und aufgebaut. Dieses modulare Mikrogerätesystem kann eine kontrollierbare Mikroumgebung in Bezug auf Temperatur, Lichtspektrum, Konzentration von gelöstem Sauerstoff, Nährstoffen und Mikroorganismen usw. bereitstellen und hat die Möglichkeit zur Erweiterung und Aufrüstung.

Module und Funktionen des Gerätes
Das Mikrogerätesystem wurde vom Berliner System²⁶ inspiriert, aber im aktuellen System werden keine lebenden Steine verwendet. Wie in Abbildung 1 dargestellt, besteht das derzeitige System aus sechs Hauptmodulen, zwei bürstenlosen Motorpumpen, einer Gaspumpe, einer Durchfluss-UV-Lampe, einem Netzteil, bestimmten elektronischen Steuerungskomponenten sowie den zugehörigen Drähten und Schrauben. Zu den sechs Hauptmodulen gehören ein Meerwasserspeichermodul (mit Luftpumpe und Temperatursensor), ein Temperaturregelungsmodul, ein Algenreinigungsmodul, ein mikrobielles Reinigungsmodul, ein Aktivkohlereinigungsmodul und ein Korallenkulturmodul.

Geräte-Architektur
Wie in Abbildung 2 und Abbildung 3 dargestellt, kann das gesamte Mikrogerätesystem horizontal in zwei Kammern mit einem Temperaturregelmodul dazwischen unterteilt werden. Aus Sicherheitsgründen befinden sich alle meerwasserhaltigen Module und Teile im linken Fach, dem sogenannten Kulturfach. Die anderen elektronischen Teile befinden sich im rechten Fach, das als Elektronikfach bezeichnet wird. Beide Fächer sind versiegelt oder in Schalen verpackt. Das Temperiermodul ist in einer dazwischen liegenden Trennplatte fixiert. Die Hülle des Kulturraums besteht aus einer Fußleiste und drei Schraubplatten. Diese Konstruktion gewährleistet die Dichtheit des Fachs und erleichtert die Bedienung des Systems. Darüber hinaus begünstigt die Dichtheit eine genaue Temperaturregelung. Die Hülle des Elektronikfachs besteht aus einer Fußleiste, zwei Schraubbefestigungsplatten und einem Frontbedienfeld.

Wasserkreislauf
Eine innere und äußere Meerwasserzirkulationsschleife, die mit dem Meerwasserspeichermodul verbunden ist, wurde vorkonstruiert. Der innere Zirkulationskreislauf verbindet erfolgreich das Meerwasserspeichermodul, das Temperaturregelungsmodul, die Durchfluss-UV-Lampe, das Algenreinigungsmodul und das mikrobielle Reinigungsmodul. Dieser Kreislauf zielt darauf ab, geeignete physikalisch-chemische und physiologische Meerwasserbedingungen für die Korallen zu schaffen, und es ist keine häufige Wartung erforderlich. Das Algenreinigungsmodul enthält Chaetomorpha-Algen , die die zusätzlichen Nährstoffe (Nitrat und Phosphat) im Wasser aufnehmen. Das mikrobielle Reinigungsmodul enthält das bakterielle Kultursubstrat, das das Mikrobiom kultiviert, um Nitrit und Ammonium in Nitrat für die Wasserreinigung umzuwandeln. All diese Module müssen nur unter kritischen Umständen ausgetauscht werden.

Die äußere Zirkulationsschleife verbindet nacheinander das Meerwasserspeichermodul, das Korallenkulturmodul und das Aktivkohlemodul. Diese Zirkulationsschleife zielt darauf ab, den Korallen Licht, Dichtigkeit, Wasserströmung und eine hohe Meerwasserqualität zu bieten. Das Meerwasser kann durch einen Wassereinlass und einen Wasserauslass aufgefrischt werden. Die Zugabe von Additiven erfolgt über ein Dreiwegeventil, aus dem auch die Meerwasserprobe zur Inspektion entnommen werden kann. Luft kann durch einen Lufteinlass eingepumpt und aus einem Luftauslass abgeführt werden.

Elektronisches Design
Für das gesamte System wird ein 220-V-AC-Netzteil mit einem Schalter und einer Sicherung verwendet. Die Eingangsleistung ist in vier Zweige unterteilt. Der erste Zweig führt zu einem 12-V-DC-Netzteil, das die Heizplatte, das Kühlpanel und den Lüfter direkt mit Strom versorgt. Dieser Zweig versorgt auch indirekt zwei Pumpen und zwei Beleuchtungspaneele über einen vierkanaligen DC-Transformator. Der zweite Zweig führt zu einem PID-Temperaturregler. Der dritte Zweig geht an eine Luftpumpen-Stromversorgung. Der letzte Zweig wird an eine UV-Lampe angeschlossen. Ein Halbleiterrelais verbindet den PID-Temperaturregler und das Kühlpanel im Temperiermodul. Ein normales Relais wird verwendet, um den PID-Temperaturregler und die Heizplatte zu verbinden. Der vierkanalige DC-Transformator wandelt die Spannung in die benötigte um.

Auf der rechten Seite des Systems befinden sich zwei Bedienfelder. Auf der Oberseite befinden sich vier Schalter und ein Controller für die UV-Lampe, darunter ein Hauptschalter, ein Netzschalter für die UV-Lampe, ein Luftpumpenschalter und ein Temperaturregler. Der Hauptnetzschalter steuert die 12-V-Stromversorgung des Systems.

Auf der Vorderseite befinden sich ein PID-Temperaturregler, ein Zyklustimer, ein Vierkanal-DC-Transformator und ein Dreikanal-Timer. Der PID-Temperaturregler passt die Wassertemperatur an, indem er die Heiz- und Kühlpaneele im Temperaturregelmodul steuert. Das Temperiermodul funktioniert nur , wenn die innere Umwälzpumpe arbeitet und das Wasser am Temperiermodul vorbeifließt. Der Zyklus-Timer wird an die Stromleitung der Luftpumpe angeschlossen. Sein Zweck ist es, der Luftpumpe die Arbeitszeit zuzuweisen. Auch im Elektronikfach ist ein Drei-Kanal-Timer installiert. Dieser Timer steuert die Arbeitszeit für die Luftpumpe, das Korallenlicht und das Algenlicht.

Protocol

Bei den für die vorliegende Studie verwendeten Korallen handelte es sich um Seriatopora caliendrum, die in unserem Labor gezüchtet werden. Alle Korallen wurden freundlicherweise vom Institut für Ozeanologie des Südchinesischen Meeres der Universität der Chinesischen Akademie der Wissenschaften zur Verfügung gestellt. 1. Inspektion und Inbetriebnahme HINWEIS: Jedes Modul muss vor dem Zusammenbau des Systems einzeln auf Dichtheit und Funk…

Representative Results

Genauigkeit der TemperaturregelungDie Systemtemperatur ist in der Regel auf 23-28 °C eingestellt, abhängig von der Korallenart. Als einer der wichtigsten Faktoren können Temperaturschwankungen jedoch das Überleben der Korallen stark beeinflussen. Daher ist die Genauigkeit der Temperaturregelung ein entscheidender Faktor für das Korallenkultursystem. Mit einem Temperatursensor und einem unabhängigen Datensammler mit einem Temperaturbereich von 9 °C bis 32 °C kann die Genauigkeit der Temperatur…

Discussion

Dieses Korallenkultursystem wurde entwickelt, um eine relativ natürliche oder maßgeschneiderte Mikroumgebung zu simulieren und bereitzustellen, in die Korallen verpflanzt werden und überleben können. In der Zwischenzeit muss dieses System als selbst entwickeltes Gerät zuverlässig, benutzerfreundlich und sicher sein. In Bezug auf die Temperaturregelung sollte beispielsweise die Meerwassertemperatur entsprechend den täglichen Umgebungsbedingungen angemessen geregelt werden. Das System wurde getestet, indem die Koral…

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